DQZHAN技術(shù)訊：面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃關鍵問題研究綜述與展望
摘要：處于能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng),受交通系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)等多系統(tǒng)交互影響,是能源互聯(lián)網(wǎng)運行過程的核心環(huán)節(jié)。結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵與特征,分析了能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)關鍵技術(shù)特征,提出從微電網(wǎng)規(guī)劃、主動配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃4個關鍵技術(shù)領域?qū)γ嫦蚰茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃理論進行研究的思路。綜述了配電系統(tǒng)規(guī)劃過程中各個關鍵技術(shù)領域的研究成果,深入探討了目前規(guī)劃方法中需解決的規(guī)劃模型、求解算法、不確定因素處理等關鍵理論問題,并針對相關領域進行了展望。
作者：王瑋 李睿 姜久春
0 引言
21世紀以來,世界能源發(fā)展格局已經(jīng)發(fā)生了深刻的變化,人類對能源的依賴程度不斷加深,能源利用規(guī)模持續(xù)增大,以可再生能源為主的新能源技術(shù)快速發(fā)展,能源結(jié)構(gòu)多元化趨勢愈加明顯,能源消納與利用方式更加靈活。一場以發(fā)展清潔能源、保障能源、應對氣候變化和可持續(xù)發(fā)展為顯著特征的能源正在孕育和發(fā)展[1]。
與此同時,通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、信息物理系統(tǒng)等信息通信技術(shù)與能源體系的高度融合,構(gòu)建結(jié)構(gòu)多元化、開發(fā)清潔化、消費電氣化、系統(tǒng)智能化綜合能源互聯(lián)利用體系,成為擺脫依賴化石能源的工業(yè)與經(jīng)濟發(fā)展模式的重要途徑。在此背景下,能源互聯(lián)網(wǎng)基本構(gòu)想和愿景被提出[2],并被認為是第3次工業(yè)的堅實基礎和核心推動力。
考慮到互聯(lián)網(wǎng)在能源中的重要地位,能源互聯(lián)網(wǎng)自提出以來便受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的廣泛關注。在美國,國家能源可再生能源實驗室(NREL)研發(fā)完成了用于大規(guī)模能源系統(tǒng)時序數(shù)據(jù)管理的開源數(shù)據(jù)系統(tǒng),并成立了專注于規(guī)模清潔能源并網(wǎng)研究的研發(fā)中心(ESIF),致力于為美國提供清潔、經(jīng)濟的混合能源供應[3]。隨著歐盟“20-20-20”和2050電力生產(chǎn)無碳化發(fā)展目標的確立,歐盟發(fā)布了歐盟電網(wǎng)計劃(EEGI)新版路線圖,努力將各國能源系統(tǒng)融合構(gòu)建成跨歐洲的統(tǒng)一能源生態(tài)系統(tǒng),實現(xiàn)能源的清潔、高效利用[3-4]。荷蘭Power Matching City示范工程力圖在包含天然氣發(fā)電、混合熱泵、熱電聯(lián)產(chǎn)的智能能量協(xié)調(diào)管理方面取得突破[3]。
目前,學者對能源互聯(lián)網(wǎng)的研究已有了一些進展。文獻[5]基于互聯(lián)網(wǎng)理念,通過分析分布式電源的即插即用、能源路由器與開放規(guī)范的分布式智能管理系統(tǒng)3個重要特征,給出了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu);其強調(diào)的開放、互動理念受到其他學者的廣泛認可。文獻[6]認為能源互聯(lián)網(wǎng)是以智能電網(wǎng)為主要載體的廣域、分布式、多能源互補的能源生態(tài)系統(tǒng),其主要強調(diào)多能源協(xié)調(diào)互補運行。文獻[7]摒棄傳統(tǒng)單獨依靠電力系統(tǒng)完成可再生能源并網(wǎng)運行的模式,提出了一種融合電網(wǎng)、管網(wǎng)系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)及交通系統(tǒng)的智能能源網(wǎng)絡,以實現(xiàn)可再生能源供應。
綜合上述研究不難發(fā)現(xiàn),電力能源所具有的瞬發(fā)、瞬供特點,決定了電能在能源互聯(lián)網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)中的主體地位,成為能源互聯(lián)網(wǎng)中冷、熱、氣、電等多類型分布式能源配給與消納的主要能源形式。而隨著分布式能源技術(shù)的快速發(fā)展,大量、多類型分布式可再生能源發(fā)電在配電系統(tǒng)廣泛接入,使得配電系統(tǒng)從傳統(tǒng)無源配電網(wǎng)絡向有源配電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。同時,分布式冷-熱-電聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)、電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(P2G)、電動汽車并網(wǎng)技術(shù)(V2G)等多種分布式能源技術(shù)使得配電系統(tǒng)成為了電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、熱能系統(tǒng)的關鍵交互領域[8-9],造成配電系統(tǒng)中多種能源供能與消納過程的隨機波動、電能雙向潮流等新特征。這勢必對配電系統(tǒng)的規(guī)劃、運行、控制與保護等方面帶來新的要求與
挑戰(zhàn)。
本文針對能源互聯(lián)網(wǎng)愿景的5大支柱,歸納了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念與內(nèi)涵,結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)關鍵技術(shù)特征,以能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃相關問題與研究趨勢為研究對象,提出以主動配電系統(tǒng)規(guī)劃為核心,從微電網(wǎng)規(guī)劃、主動配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃4個關鍵技術(shù)領域?qū)γ嫦蚰茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃理論展開研究的思路。對4個關鍵技術(shù)領域研究成果進行綜述,并對相關技術(shù)領域研究過程中遇到的關鍵理論問題進行探討與分析,理清發(fā)展脈絡并給出相應研究重點及展望。
1 能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念與能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)技術(shù)特征
1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)基本概念
能源互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)主要需滿足以下5個方面[2]：（1）實現(xiàn)石油、煤炭為主的化石能源向風能、太陽能、水能、生物質(zhì)能等綠色可再生能源的轉(zhuǎn)變;（2）采用建筑載能等多種方式實現(xiàn)大規(guī)模、多形式的分布式電源的廣泛接入;（3）利用氫儲能等多種儲能方式保證電能持續(xù)穩(wěn)定供應;（4）利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)能源廣域互動共享;（5）利用電動汽車實現(xiàn)交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)互聯(lián)。
可以看出,能源互聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)是以電力系統(tǒng)為核心與紐帶,以風能、太陽能等可再生能源與天然氣為主要一次能源,以大規(guī)模、多形式分布式電源與儲能系統(tǒng)廣泛接入為特點,以云計算、大數(shù)據(jù)等先進信息通信技術(shù)(ICT)為能源利用和管理手段的電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)在內(nèi)的多系統(tǒng)高度融合的能源綜合管控系統(tǒng),以實現(xiàn)多種能源協(xié)調(diào)互補、源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同互動,實現(xiàn)整個能源系統(tǒng)的“清潔替代”與“電能替代”。
1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)關鍵技術(shù)特征
與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比,作為未來智能能源體系重要組成部分,能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)具有以下新特征：
（1）多種能源協(xié)調(diào)互補
面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)廣泛增加了風能、太陽能、生物質(zhì)能等多種分布式可再生能源發(fā)電方式,使得配電網(wǎng)由無源網(wǎng)絡向有源配電系統(tǒng)發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。同時,通過能源結(jié)構(gòu)科學配比,并利用多種能源在時空分布與動態(tài)特性的互補特點,實現(xiàn)能源清潔化的同時保證能源供應的安穩(wěn)定[10]。
（2）源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同互動
利用能源路由器與智能能源管理系統(tǒng),通過對分布式電源和能源需求側(cè)中柔性可控的多種能源負荷主動管理,輔以多種類、多形式儲能方式相配合,實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)條件下的配電系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同互動,實現(xiàn)能源需求與生產(chǎn)供給協(xié)調(diào)優(yōu)化及資源優(yōu)化配置。
（3）多種系統(tǒng)高度融合
電力系統(tǒng)作為以能源互聯(lián)網(wǎng)核心與樞紐,通過電動汽車并網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)融合;通過天然氣發(fā)電與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)等實現(xiàn)配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)融合;通過冷、熱、電三聯(lián)供技術(shù)實現(xiàn)配電系統(tǒng)與熱(冷)能系統(tǒng)融合。上述系統(tǒng)所涉及的多種大量分布式物理設備則是利用能源路由器結(jié)合信息通信系統(tǒng),實現(xiàn)能量流與信息流融合。
（4）海量分布式設備廣域互聯(lián)
能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)通過將廣域、海量分布式能源、儲能與柔性負荷等分布式設備深度互聯(lián),實現(xiàn)端對端多元化能源共享和能源開放市場,提高需求側(cè)資源管理精細化程度以及綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟運行水平。
2 能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃關鍵問題
能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)的關鍵技術(shù)特征使得其在規(guī)劃過程中面臨多個方面的挑戰(zhàn),如多種具有隨機性、波動性、間歇性的能源協(xié)調(diào)互補利用、多種能源存儲與消納模式(電、熱和冷)的相互協(xié)調(diào)、多種系統(tǒng)(配電系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng))的協(xié)同運行,以及開放能源市場環(huán)境下,不同利益主體的協(xié)同共贏問題。
為了應對這些挑戰(zhàn),應針對分布式能源接入、分布式設備的主動管理與控制、多系統(tǒng)交互影響等方面對面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃方法的深刻影響展開研究,探尋解決對策。為此,本文按照從點到面的分析思路,提出了應從微電網(wǎng)規(guī)劃、主動配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃、配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃4個關鍵技術(shù)領域?qū)γ嫦蚰茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)規(guī)劃理論展開研究。對規(guī)劃過程中規(guī)劃模型中的目標函數(shù)與約束條件、求解過程中的規(guī)劃方案尋優(yōu)空間與求解算法以及不確定因素處理等關鍵理論問題進行深入探討。
2.1 微電網(wǎng)規(guī)劃
作為能源互聯(lián)網(wǎng)中小的能源網(wǎng)絡單元,微電網(wǎng)能夠?qū)⒎稚⒌碾娫?、儲能、負荷等多種分布式設備結(jié)合,實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部自我控制、管理。
微電網(wǎng)概念被提出以來,已有很多學者對微電網(wǎng)規(guī)劃展開廣泛研究,而多分布式電源優(yōu)化配置、選址、定容則成為微電網(wǎng)規(guī)劃的首要內(nèi)容[11-14]。文獻[11]綜合考慮了初期投資成本、運行維護成本、環(huán)境收益等因素,以投資凈收益化為優(yōu)化目標,給出了含風、光、儲及熱電聯(lián)供的微電網(wǎng)電源容量配比方法。文獻[13]基于柴、儲協(xié)調(diào)控制策略與系統(tǒng)備用容量的分析,給出了一種以全壽命周期內(nèi)的總成本現(xiàn)值、負荷容量缺失率和污染物排放水平為目標的含風、光、柴、儲獨立微電網(wǎng)的多目標規(guī)劃方法。
微電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)方面,考慮到直流系統(tǒng)在輸送容量、可控性以及供電質(zhì)量等方面優(yōu)勢,同時不存在交流系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性問題[15],直流微電網(wǎng)與交直流混合微電網(wǎng)開始逐漸受到學者的重視,但相關研究比較有限。文獻[16]分別從交流子微網(wǎng)與直流子微網(wǎng)電壓等級、母線結(jié)構(gòu)、接地方式和交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲4個方面對交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃設計方案進行了研究。文獻[17]對交直流混合微電網(wǎng)的接入容量、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行分析,給出了各類微電網(wǎng)供電模式的優(yōu)缺點及應用場合。
2.2 主動配電系統(tǒng)規(guī)劃
與微電網(wǎng)不同,主動配電系統(tǒng)更突出利用靈活的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),和對分布式電源、需求側(cè)資源的主動管理,以實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào)高效運行。其規(guī)劃模型應該是綜合考慮變電站選址定容、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、多種分布式電源、儲能設備的優(yōu)化配置、選址定容等規(guī)劃內(nèi)容,以追求經(jīng)濟效益好、能源損耗小、供電可靠率高以及可再生能源利用率高等眾多目標,并涉及多種間歇式可再生能源發(fā)電、負荷需求增長以及未來能源市場等多種不確定因素的組合優(yōu)化復雜問題[18]。
目前針對主動配電系統(tǒng)的研究主要圍繞以下3個方面進行：（1）主動配電系統(tǒng)發(fā)電預測與電源規(guī)劃方法,重點關注主動管理模式下間歇性可再生能源發(fā)電出力的準確預測方法、置信容量評估方法及基于置信容量分布式電源與儲能設備的容量優(yōu)化及合理選址[19-23];（2）主動配電系統(tǒng)中新型負荷預測方法,研究重點主要是需求側(cè)管理模式下各種負荷分類識別方法,不同類型用戶對不同引導機制的響應機理及相應數(shù)學模型研究,以及基于需求側(cè)響應的新型負荷預測方法[24-27];（3）主動配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃,關注的重點主要集中在分布式電源、儲能系統(tǒng)及變電站選址定容、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的綜合性規(guī)劃[28-32]。
上述研究成果為微電網(wǎng)與主動配電系統(tǒng)規(guī)劃奠定了重要基礎,但普遍存在以下幾方面的問題：
（1）主動配電系統(tǒng)規(guī)劃相對于微電網(wǎng)規(guī)劃更加注重對分布式電源與需求側(cè)資源的主動管理考慮,但多數(shù)研究卻存在源-網(wǎng)-荷規(guī)劃過程中的獨立優(yōu)化決策缺陷,雖然文獻[30-31]分別通過雙層規(guī)劃模型、多目標規(guī)劃模型在一定程度上實現(xiàn)了分布式電源與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)規(guī)劃,但優(yōu)化過程中建立負荷模型時忽略了需求側(cè)響應的重要作用,這就從本質(zhì)上忽略了源-網(wǎng)-荷3者的內(nèi)在聯(lián)系和可能存在的交互影響,可能導致無法得到全局規(guī)劃方案。
（2）對于分布式電源規(guī)劃過程中的容量配比和互補利用方面,往往是從微電網(wǎng)、配電網(wǎng)角度出發(fā),著重實現(xiàn)微電網(wǎng)與主動配電系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡與局部優(yōu)化,并將上級電網(wǎng)看作是無窮大電源[6]。
但隨著能源互聯(lián)網(wǎng)中分布式電源數(shù)量的不斷增加,互聯(lián)程度不斷提高,海量的具有隨機性、波動性和間歇性特點的分布式電源對整個電網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)的影響巨大,局部協(xié)調(diào)互補將無法滿足能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行的要求。有學者[32-35]通過借鑒“分布式優(yōu)化”理念,提出以多微電網(wǎng)節(jié)點接入的主動配電系統(tǒng)規(guī)劃方法,利用微電網(wǎng)為局部優(yōu)化,通過微電網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào),實現(xiàn)海量分布式電源廣域協(xié)調(diào)優(yōu)化[36],但目前的研究還十分有限,且沒有避免上述第1個問題。
（3）海量間歇式可再生能源與負荷需求側(cè)響應給規(guī)劃過程帶來許多隨機、模糊、灰色等不確定性因素,除了利用云理論規(guī)劃模型[37]與盲數(shù)規(guī)劃模型[38]以外,目前絕大部分研究均忽略或采用單一的概率模型、模糊模型或灰色模型對這些不確定因素進行處理。但規(guī)劃過程中的不確定信息往往具有交叉混合性,這將使規(guī)劃結(jié)果一定程度上失去意義。
2.3 配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃
能源互聯(lián)網(wǎng)一次能源中,除了風、光等可再生能源以外,具有環(huán)保和經(jīng)濟優(yōu)勢的便是天然氣能源。環(huán)境效益方面,天然氣發(fā)電幾乎不排放二氧化硫及煙塵,而以天然氣為燃料的CCHP系統(tǒng)的二氧化碳排放量僅為燃煤發(fā)電的1/4。經(jīng)濟效益方面,天然氣發(fā)電廠具有建設成本低,發(fā)電效率高等優(yōu)勢。此外,天然氣發(fā)電具有靈活的調(diào)節(jié)能力和調(diào)峰性能,可以在能源互聯(lián)網(wǎng)起到調(diào)峰電源的作用?？梢灶A見,天然氣將超過煤炭和石油,與可再生能源一同成為主要的一次能源。因此,配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃具有重要的研究價值。
由于CCHP能夠?qū)崿F(xiàn)能源的梯級利用,具有能效高、污染少等特點,研究學者對天然氣機組在該領域的應用展開了廣泛研究。對于CCHP系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方面,學者主要基于經(jīng)濟性、環(huán)保性和節(jié)能性,結(jié)合運行特性、冷-熱-電負荷需求、分時能源價格及氣候條件等因素,以年運行費用小、能耗低、污染物排放量小、各主要設備配置數(shù)量
少等目標中的單個[39-40]或多個[41-42]為優(yōu)化目標,根據(jù)“以熱定電”或“以電定熱”等運行策略,建立聯(lián)供系統(tǒng)配置和運行策略的優(yōu)化模型,實現(xiàn)CCHP系統(tǒng)的設備容量優(yōu)化配置。文獻[42]在天然氣為驅(qū)動的傳統(tǒng)CCHP系統(tǒng)的基礎上,設計了一種太陽能、冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng),并給出了設備容量和運行策略的優(yōu)化分析模型。文獻[40,43]將儲能裝置引入到分布式聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置模型體系中,實現(xiàn)了各設備與儲能裝置的同時優(yōu)化配置。
近年,除了CCHP外,P2G技術(shù)也開始受到德國與丹麥等歐洲學者的關注[44-45]。作為新的電能存儲與消納方式,P2G技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率能夠達到60%以上,同時還具有提高天然氣系統(tǒng)設備資產(chǎn)利用率等優(yōu)點。在分布式能源領域,P2G技術(shù)將會進一步推動天然氣系統(tǒng)與配電系統(tǒng)融合,成為規(guī)劃過程中的重要考慮因素。
對于P2G技術(shù)的研究目前比較有限,文獻[45]通過對比電轉(zhuǎn)氫技術(shù)(P2H),得出了P2G技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、能源存儲能力強、設施投入低等技術(shù)優(yōu)勢。為了達到經(jīng)濟性(安裝與運行費用小)、節(jié)能性(電能與天然氣損失小)的目標,考慮可再生能源發(fā)電安裝位置、天然氣與氫氣網(wǎng)絡、二氧化碳可用源及初期與運行成本5個方面,給出了P2G技術(shù)定址方案。
可見,CCHP技術(shù)與P2G技術(shù)的發(fā)展使得能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)交互影響更加深刻,對2系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃研究具有重要意義。配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃目前的研究主要是通過對天然氣系統(tǒng)供應、存儲,尤其是消納過程的數(shù)學模型與配電系統(tǒng)規(guī)劃數(shù)學模型相結(jié)合,綜合考慮2系統(tǒng)約束條件,以2系統(tǒng)建設與運行成本之和小為優(yōu)化目標給出多階段混合整數(shù)非線性規(guī)劃數(shù)學模型[46-48]。
作為2系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換樞紐,天然氣分布式發(fā)電機在配電系統(tǒng)模型中是電源,而在天然氣系統(tǒng)中則是能源負荷。大部分文獻則忽略了不同的天然氣發(fā)電形式由于能量轉(zhuǎn)換效率的不同而對協(xié)同規(guī)劃的產(chǎn)生的影響。同時,除文獻[48]利用幾何布朗運動和平均恢復過程處理能源價格與負荷需求帶來的不確定性,并結(jié)合序貫蒙特卡洛抽樣仿真方法給出多階段柔性協(xié)同規(guī)劃模型外,大部分優(yōu)化模型采用了確定性優(yōu)化模型,因此無法處理能源互聯(lián)網(wǎng)中間歇式可再生能源發(fā)電、開放能源市場與需求側(cè)響應等方面帶來的不確定因素影響,使得得出的2系統(tǒng)多階段擴展規(guī)劃方案的可行性遭到質(zhì)疑。此外,除文獻[49]利用能源供應不足成本對穩(wěn)定性加以考量外,在多數(shù)優(yōu)化模型的目標函數(shù)中,忽略了對系統(tǒng)節(jié)能性、環(huán)保性、穩(wěn)定性的考量,僅簡單以2系統(tǒng)建設與運行成本之和作為優(yōu)化目標使得優(yōu)化結(jié)果不夠,無法對2系統(tǒng)低碳與環(huán)保效益進行準確評估。
2.4 配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃
作為21世紀世界汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向,電動汽車的發(fā)展反映了能源消費方式的深刻變革。近日,國家住建部發(fā)布《關于加強城市電動汽車充電設施規(guī)劃建設工作的通知》,要求及時將電動汽車充電設施作為城市重要基礎設施納入到城市規(guī)劃,建設布局合理、適度超前、車樁相隨、智能高效的充電設施體系?？梢?以電動汽車充電樁、充電站及換電站等充電設施為紐帶,配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的交互影響將會不斷加深。
目前,國內(nèi)外學者對電動汽車充電站相關規(guī)劃問題已經(jīng)做了很多工作,研究的重點主要集中在以下2個方面：
（1）電動汽車充電站的規(guī)劃研究[50-52],其主要是根據(jù)電動汽車充電需求與充電站建設、運行費用等,在已有配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和變電站位置的基礎上,對充電站選址定容規(guī)劃。文獻[50]利用交通配流模型表征充電站充電服務能力,并在此基礎上綜合考慮充電類型(充/換)、充電負荷在配電系統(tǒng)中節(jié)點位置的不確定性和車流在交通系統(tǒng)中分布不確定性,運用多場景技術(shù)建立了基于數(shù)據(jù)包絡分析的充電站選址定容的2階段多目標優(yōu)化模型,以期實現(xiàn)充電服務能力大化、電壓偏差與網(wǎng)損小。文獻[51]基于B2G技術(shù),將電動汽車與電池解耦,將燃油汽車的出行規(guī)律用于電動汽車分析中,給出了電動汽車換電需求預測模型,并在此基礎上提出了以電網(wǎng)的等效負荷方差和小作為下層規(guī)劃模型目標函數(shù),以集中型充電站、線路的建設運行費用和網(wǎng)損費用小作為上層規(guī)劃模型目標的集中型充電站雙層規(guī)劃模型。
（2）含電動汽車充電站的電網(wǎng)規(guī)劃研究[53-55],其主要是在充分考慮充電站優(yōu)化選址、定容的基礎上,以建設成本小、充放電便利性好為目標,包含變電站、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)規(guī)劃等內(nèi)容的配電系統(tǒng)擴展規(guī)劃。文獻[54]結(jié)合層次分析法與利差大化方法,給出了充電站年投資成本系數(shù),并在此基礎上充分考慮電價機制與相應充放電策略,給出變電站、饋線及考慮年投資成本系數(shù)的充電站平均年建設、維護、運行及貸款等額年金成本之和小為優(yōu)化目標的規(guī)劃模型。在文獻[50]的基礎上,文獻[55]針對分散式充電樁,提出了基于節(jié)點充電需求的規(guī)劃策略,給出了配電系統(tǒng)與電動汽車充電網(wǎng)絡協(xié)調(diào)規(guī)劃的多目標優(yōu)化模型,以實現(xiàn)投資成本與網(wǎng)損之和小、快速充電站截獲交通流量大的目標。
目前,對電動汽車充電站與含充電站的配電網(wǎng)規(guī)劃方面已經(jīng)取得了一定的研究成果,但從給出的規(guī)劃數(shù)學模中可以看出,目前的研究多基于給定的交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和道路交通流量,局限于從配電系統(tǒng)單方面考慮。雖然文獻[50,52]在模型中引入交通配流模型與交通流量密度等概念以量化交通系統(tǒng)對充電站與配電系統(tǒng)的影響,但沒有就充電站、變電站建設位置對交通系統(tǒng)中車流分布、擁塞程度、道路擴建等問題展開研究。規(guī)劃過程中,交通系統(tǒng)與配電系統(tǒng)的互聯(lián)分析并不夠,無法滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中2系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃的需求。
3 未來研究重點及展望
能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃戰(zhàn)略的制定應充分體現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下“多源協(xié)調(diào)互動”、“源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同互動”、“多源高度融合”和“海量分布式設備廣域互聯(lián)”的技術(shù)特點,并按照分層優(yōu)化的原則,優(yōu)先滿足電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)相關行業(yè)宏觀協(xié)調(diào)的基礎上,解決上文所述4個關鍵技術(shù)領域相關問題。具體來講,建議未來一段時期內(nèi)對以下幾方面內(nèi)容開展研究：
（1）微電網(wǎng)規(guī)劃方面,為了實現(xiàn)各類型電源、儲能、負荷等分布式設備的即插即用,重點研究不同電壓等級及不同容量的交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲規(guī)劃、設計方法和“即插即用”接口設計,提高分布式設備靈活接入能力。
此外,應著重對智能能源建筑的規(guī)劃設計展開研究,利用其作為微電網(wǎng)與其他類型分布式能源網(wǎng)絡(微熱網(wǎng)、微氣網(wǎng)等)的連接紐帶,優(yōu)化分布式能源網(wǎng)絡中的冷、熱、電3方面的能源、儲能及負荷的合理配置。
（2）主動配電系統(tǒng)規(guī)劃方面,為了實現(xiàn)橫向多源互補,縱向源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào),應更加重視多種儲能設備容量配置方法與需求側(cè)響應對網(wǎng)絡承載能力的利用價值研究。
對微電網(wǎng)功率外特性進行深入研究并建立數(shù)學模型,借鑒“分布式優(yōu)化”理念,研究微電網(wǎng)節(jié)點接入的主動配電系統(tǒng)規(guī)劃方法,增強主動配電系統(tǒng)中多微電網(wǎng)節(jié)點的互聯(lián)與集成能力,利用微電網(wǎng)內(nèi)部局部優(yōu)化及微電網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào),使配電系統(tǒng)中海量分布式能源廣域協(xié)調(diào)優(yōu)化配置,以實現(xiàn)全網(wǎng)協(xié)調(diào)、區(qū)域自治。
同時,為了保證運行的同時,充分實現(xiàn)規(guī)劃的經(jīng)濟性優(yōu),應摒棄傳統(tǒng)規(guī)劃方法僅以嚴重工況作為運行條件的確定性規(guī)劃思路。建立分布式電源、儲能系統(tǒng)及負荷的多時間尺度仿真模型,并結(jié)合運行過程中的控制策略,實現(xiàn)規(guī)劃過程中對運行狀況的精細化仿真。充分挖掘源、荷兩側(cè)可調(diào)度資源及并合理利用之間的交互影響(如季節(jié)性或晝夜性的多種能源出力互補性,分布式能源出力與負荷需求相關性,需求側(cè)響應對負荷曲線的移峰填谷作用等),以此優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu),改善投資與運行成本,提高資產(chǎn)利用率。
為了考慮實際應用過程中來自源、網(wǎng)、荷、儲等多方面的多重不確定因素,應利用蒙特卡羅模擬、拉丁超立方采樣、場景分析法及機會約束規(guī)劃等方法實現(xiàn)計及多種不確定性因素的配電系統(tǒng)柔性規(guī)劃,以提高規(guī)劃方案在實際應用過程中的適用性和有效性。
（3）配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方面,為提高2系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃的協(xié)同水平,以P2G與CCHP為紐帶,充分考慮其在配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)中的不同作用,建立相應數(shù)學模型,量化2系統(tǒng)的交互影響,并針對間歇式可再生能源發(fā)電、開放能源市場與需求側(cè)響應等方面帶來的不確定因素,研究配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同不確定多目標規(guī)劃模型。
（4）配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方面,以電動汽車充電設施為紐帶,進一步研究配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的交互影響;研究配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型,約束條件中應對交通系統(tǒng)中的路段負荷約束、節(jié)點流量守恒約束、建設預算約束等約束條件加以考慮。目標函數(shù)中,也應將交通系統(tǒng)中的系統(tǒng)總走行時間、交通網(wǎng)絡可靠性、交通網(wǎng)絡建設及改造成本等作為重要考量因素。
（5）面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)規(guī)劃方面,面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)中,大量分布式設備及上述多分布式能源系統(tǒng)間的能量實時優(yōu)化需求對信息通信系統(tǒng)提出了極高的要求。這使得面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃成為極其重要的研究方向之一。
為了滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中大量分布式設備的態(tài)勢感知和自治決策需求,信息通信系統(tǒng)規(guī)劃必須與配電系統(tǒng)分層、分區(qū)運行控制管理策略與物理結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào),以實現(xiàn)運行過程中,利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)實現(xiàn)對海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)完成高速采集、雙向傳輸、多元融合及實時處理。
進一步對協(xié)同規(guī)劃過程中配電系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)的協(xié)同仿真方法進行研究。在優(yōu)化目標方面,必須將信息通信系統(tǒng)投資與運行綜合費用納入優(yōu)化目標,以評估配電系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟性。同時,在約束條件方面,可靠性分析過程中也應利用配電系統(tǒng)與通信系統(tǒng)聯(lián)合仿真,準確定量評估信息通信系統(tǒng)運行過程中可能遇到的延時、誤碼、中斷等故障對配電系統(tǒng)可靠性的影響。
4 結(jié)論
1）能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,電力系統(tǒng)的主干作用及多系統(tǒng)交互影響對配電系統(tǒng)規(guī)劃、運行、保護等方面帶來了巨大挑戰(zhàn)。本著規(guī)劃先行的原則,利用科學規(guī)劃方法,就能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)與發(fā)展模式進行研究,具有重要的理論與現(xiàn)實意義。
2）面向能源互聯(lián)網(wǎng)的配電系統(tǒng)研究,應突出多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)互補、源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同互動、多種系統(tǒng)高度融合與海量分布式設備廣域互聯(lián)的特點,按照從點到面的分析思路,以主動配電系統(tǒng)規(guī)劃為核心,從微電網(wǎng)規(guī)劃、主動配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃及配電系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃4個技術(shù)領域?qū)δ茉椿ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境下的配電系統(tǒng)規(guī)劃理論深入進行研究。
3）規(guī)劃過程中要注重主動配電系統(tǒng)的主動控制、主動調(diào)節(jié)能力,在規(guī)劃過程中對運行工況進行精細化仿真,將運行過程與規(guī)劃過程集成,以提高主動配電系統(tǒng)規(guī)劃方案的經(jīng)濟性。
