含多园区综合能源系统的配电网双层分布式调度

　　摘要：在能源转型的背景之下，园区综合能源系统成为能源领域发展的重要趋势，多园区综合能源系统与配电网的协同运行受到了重点关注。为此提出了面向多园区综合能源系统的配电网运行的分布式调度管控模式，从而降低了对模型数据的要求和求解的复杂度。

　　通过构建园区综合能源系统以自身运行成本最低为目标的预调度优化模型以及上级配电网优化运行模型，并提出以松弛联络线功率为接口的上下级交互协调机制，进而构建了考虑配电网和多园区综合能源系统为2个不同的利益主体的双层优化调度模型。最后通过算例验证了所提方法能实现上下层电网的协同优化运行。

　　关键词：多园区综合能源系统;分布式调度;双层优化;松弛联络线功率

　　由于环境恶化与资源短缺的双重压力，能源体系转型成为了能源发展的重点战略，综合能源系统(犻狀狋犲犵狉犪狋犲犱犲狀犲狉犵狔狊狔狊狋犲犿，范围)的发展受到了众多关注[1.3];同时，在通信技术飞速发展的背景下，实现电力系统各环节万物互联、人机交互的泛在电力物联网发展迅速[4]。泛在电力物联网可以提高各种类型能源之间的互联互通能力，其建设给范围的发展带来了新的机遇和挑战[5]。

　　随着范围建设越来越完善与多样化，我国正逐步开展园区范围建设[6.7]，以多能源互联互通为特征的园区范围作为能源体系转型的重要实践试点，将推动综合能源的高效利用[8]。园区范围是多种能源互联互通的新型范围，亦可称为微能源网。

　　文献[9]提出了一种园区范围的经济调度运行模型，实现了园区内能源的高效利用;文献[10]通过考虑综合能源自给率等指标，建立了园区范围双层优化配置模型，使得园区配置更加合理;文献[11]以能源使用成本为目标建立了园区范围的优化调度模型。

　　上述文献仅以园区范围自身优化运行为目标进行调度研究，并未考虑其接入配电网后对配电网的影响。随着多能互补理念的推广与新型园区建设的推进，多园区范围已成为配电网中重要一环[12]，研究多园区范围与配电网的联合运行调度以实现两者协同趋优运行具有重要意义。多个微电网(以下简称“多微网”)与多园区在结构上有不少相似之处，目前已有较多文献对多微网与配电网的联合调度进行了研究。

　　文献[13]建立了多微网与配电网的联合调度模型;文献[14]建立多微网与配电网优化调度模型时提出了一种协同演化博弈算法。涉及多主体优化时主要有集中式调度和分布式调度方法[15.16]。采用集中式调度需要收集全网信息，建模复杂且求解难度较大;而采用分布式调度既保障了信息私密性，又降低了求解难度，且因各微电网拥有自主调度权而确保了公平性。

　　分布式调度更适用于分散自治的多微网与含管理者运营的多园区范围。文献[17]提出了一种基于互动调度的多微网与配电网的协调调度模式;文献[18]提出了含多微网的主动配电网运行优化模型;文献[19]建立了一种多微网与配电网的分布自治优化调度模型和求解方法。总体上看，主动配电网下多微网间的协调调度将进一步提高可再生能源的利用率[20]。上述文献对多微网与配电网的协调调度模型进行了研究，但园区范围涉及到多能源的利用，目前还未有文献对园区范围与配电网的协调调度进行研究。

　　针对上述问题，本文提出了含多园区范围的配电网双层分布式调度模型与方法，并提出了分布式框架下多园区范围与配电网的交互协调机制。双层调度模型中，上层主要是配电网根据安全约束条件管理各园区范围与配电网的交互功率;下层主要实现各园区范围内部各能源的优化管理，并通过松弛联络线功率参数更新运行状态并交替迭代求解。在该分布式迭代过程中，园区范围拥有自主调度权，在配电网安全约束条件下进行自主决策，并能根据所提出的上下层交互协调机制协同配电网实现趋优运行。

　　1园区范围与配电网的调度架构

　　1.1分布式调度框架

　　多能互补的园区范围作为耦合多种能源网络的底层终端，合理的运行管控模式能充分发挥其积极作用。分布式调度更适用于配电网与园区范围的协同调度。在分布式调度框架下园区范围拥有自主设备调度权，进行自治决策，同时协同上级配电网实现优化管理。

　　分布式调度中各园区运行优化独立建模，模型相对简单，不需要对全网信息进行采集，保障了信息私密性。通过少量多次的信息传递和迭代计算即可与上级配电网进行信息交互，协同保障配电网的安全可靠运行。另外，分布式调度能够降低配电网投资成本和风险，更适合于含管理者运营的多园区范围。

　　1.2园区IES的结构

　　园区范围涉及电、天然气和冷/热等多种能源形式，包含可再生能源、能源转换和储存设备。包含如下的能源设备：①可再生能源单元风力发电机;②能源转换单元，包括热电联产、燃气锅炉和电锅炉;③能源储存单元，包括储电和储热。能源转换设备有效提高了园区范围的能源利用效率，能源储存设备实现了能源不同时段的转移并协调了园区范围内能源功率平衡。

　　1.3分布式调度框架下的交互协调机制

　　分布式调度框架下园区范围拥有自主调度权，经过联络线与配电网连接，联络线功率的交互使两者的优化调度相互影响。本文提出松弛联络线功率的概念，松弛联络线功率的值在调度过程中是变化的，并通过上下级电网的交互协调得到，松弛联络线功率在上下级电网交互的作用和内涵阐述如下。

　　园区范围根据风电机组出力和电气热负荷需求，在功率平衡以及满足联络线传输功率约束等条件下，以日运行成本最小为目标进行预调度;然后将预调度得到的联络线功率值上传至上级配电网调度，上级调度将下级各个园区范围预调度功率当作一个定值的有源负荷，加上可变松弛联络线功率，以此作为上级配电网调度优化模型中的联络线功率来进行优化。

　　当优化结果中的松弛联络线功率等于0，表明：下级电网上传的联络线功率恰好满足上级调度的需求，则勿需再对联络线功率进行调节，下级电网按预调度结果安排发电机出力及风电场计划。当松弛联络线功率小于0时，表明：上级配电网无法满足园区范围的联络线功率需求，需要降低联络线的购电量;或因配电网负荷过大，需要园区范围上传功率进行支援，否则将会影响电压质量甚至危及电网的稳定安全运行，即需要增大卖电量。

　　当松弛联络线功率大于0时，表明：上级配电网无法消纳园区范围上传的联络线功率，需要降低联络线的卖电量;或配电网存在不可控分布式电源出力过大，需要园区范围进行一定程度的消纳，即要求增加联络线的买电量。

　　2双层协同优化模型

　　电网的首要任务是确保配电网安全可靠运行并兼顾一定的经济性，上级电网主要以网损最小为目标进行调度，而下级电网主要以运行成本最小为目标进行调度，两者存在一定程度的矛盾。基于双层规划模型[21]，本文建立园区范围与配电网的双层协同优化模型，实现上下级电网的协同趋优运行。

　　2.1上层配电网优化模型

　　2.1.1目标函数

　　上层的决策者将下层多园区范围预调度的结果加上可变的松弛联络线功率作为某节点的有源负荷，上层配电网以网损最小为目标进行调度。目标函数包含2项：第1项为配电网各个时段网损之和;第2项为惩罚项，为可变松弛联络线功率和很大的数值犕的乘积，表示在条件允许下尽可能使松弛联络线功率为0，即尽可能满足下层园区范围的调度需求。

　　3算例分析

　　3.1仿真参数

　　3节点系统作为案例进行分析，其中在节点9、18和33各接入园区范围，另外节点18接入一个装机容量为2的不可控光伏发电，负荷归一化时序变化曲线和光伏归一化时序变化曲线。储能储热装备的最大充放能功率均设置为500，容量为1000。热电联产的产电和产热效率为0.4，燃气锅炉的产热效率为0.76。为简化分析，假设每个园区范围内的电、气和热负荷以及风力预测功率一致。

　　3.2各园区与配电网交互分析

　　首先各园区范围以自身购电购气成本最小进行优化，并将优化结果即下层园区范围所需的交互功率反馈到上层;上层配电网将此交互功率加上松弛联络线功率变量作为相应节点的功率需求变量，并以网损最小为目标，在潮流约束下的进行全局优化，首次迭代得到的松弛联络线功率变量值。

　　首次迭代时，即各园区以自身运行的经济成本最低为目标进行优化时，此时配电网电压水平存在越上下限的情况，故此时双层规划模型中松弛联络线功率变量即含有正值也含有负值，其中松弛联络线功率为正值时表示电压越上限，反之表示电压越下限。因此，当上级配电网出现负荷过重或不可控分布式电源倒送功率过大而导致电压越限时，应考虑园区范围的调控作用，及时调整联络线功率，提供或消纳一定的功率，保证配电网安全可靠运行。

　　4结束语

　　本文提出了面向多园区范围的配电网运行管控模式，深入探讨了分布式调度框架下上级配电网与下级园区范围的交互协调机制，提出了以松弛联络线功率为接口的配电网与园区范围双层优化调度模型。算例结果表明：所提的方法有效;园区的自主调度控制权应该在配电网安全运行的前提下进行，当上级配电网出现负荷过重或不可控分布式电源倒送功率过大而导致电压越限时，可以考虑园区范围的调控作用，及时调整联络线功率，保证配电网安全可靠运行。

　　未来以第三方管理园区范围的形式居多，故配电网与各个园区采用本文所提的管控模式更具有实际意义。本文在研究含多园区的配电网双层分布式调度方法时尚未考虑光伏和风电以及电气热负荷的不确定性，也尚未考虑园区范围对上级电网响应的惩罚或激励措施，这将在下一阶段工作中开展研究。

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