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摘要：隨著新能源在配電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，源荷跟蹤的穩(wěn)定性問題日益突出。本文針對高比例新能源接入下配電網(wǎng)源荷自動跟蹤問題展開研究，提出了一種基于配電調度參數(shù)優(yōu)化和源荷基波提取的自動跟蹤方法。通過建立高比例電量輸入比計算模型和配電網(wǎng)源荷陣列數(shù)學表達式，實現(xiàn)了對源荷信號的跟蹤。實驗結果表明，所提方法能夠有效控制源荷信號的幅值突變，將傳輸幅值控制在150V以內（低于165V的額定突變值），顯著提升了配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。此外，本文結合安科瑞EMS3.0能源管理系統(tǒng)方案，探討了其在新能源接入配電網(wǎng)中的實際應用價值，為智能配電網(wǎng)建設提供了新的技術思路。
關鍵詞：新能源；配電網(wǎng)源荷；源荷跟蹤；
隨著"雙碳"目標的推進，新能源在電力系統(tǒng)中的占比持續(xù)攀升。據(jù)統(tǒng)計，2023年我國新能源發(fā)電量占比已超過35%，預計到2025年將達到40%以上。然而，高比例新能源接入給配電網(wǎng)運行帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是源荷信號的幅值突變問題日益突出，嚴重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法在應對源荷不確定性和隨機性方面表現(xiàn)不佳，亟需開發(fā)新的自動跟蹤技術。
隨著全球能源結構的轉型，以太陽能、風能、等為代表的新能源在電力系統(tǒng)中的占比逐年提升。高比例新能源接入已成為現(xiàn)代配電網(wǎng)的重要特征之一，其在提高能源利用效率和減少碳排放方面具有顯著優(yōu)勢。然而，新能源的間歇性和波動性也給配電網(wǎng)的運行帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是在源荷（電源與負荷）信號的動態(tài)匹配方面。
在配電網(wǎng)運行過程中，源荷信號的幅值突變是一種常見現(xiàn)象。當突變幅值超過可控范圍時，會導致配電網(wǎng)主機無法跟蹤源荷信號，進而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電質量。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法，如考慮源荷兩側不確定性及其相互影響的規(guī)劃方法或基于隨機性的電網(wǎng)規(guī)劃方法，雖然在部分場景下能夠緩解這一問題，但在高比例新能源接入的復雜環(huán)境下，其跟蹤能力和適應性仍顯不足。因此，如何在高比例新能源接入條件下實現(xiàn)配電網(wǎng)源荷信號的跟蹤，成為當前電力系統(tǒng)研究的重要課題之一。
高比例電量輸入比是指新能源電量在配電網(wǎng)輸入電量中所占的比例，比例越高，表示配電網(wǎng)環(huán)境中由新能源供應所產(chǎn)生的電力信號總量越多。對于局域性配電網(wǎng)組織而言，通過以新能源代替常規(guī)能源，既能提高電量信號的利用效率，也可以保證負荷電量的傳輸質量。
設δ表示電力電量信號標記系數(shù)，aδ表示基于參數(shù)δ的新能源電量消耗向量，ΔD表示新能源電量信號的單位累積量，S表示新能源電量信號的實時接入特征。聯(lián)立上述物理量，可將高比例電量輸入比計算式表示為：
配電調度是根據(jù)高比例電量輸入的條件，調節(jié)配電網(wǎng)組織中電量傳輸信號的配比關系。在實際應用中，配電網(wǎng)源荷跟蹤的主要目的是解決電量幅值突變的問題。在進行配電調度后，新能源電量的占比越高，電量幅值突變的發(fā)生幾率就越小。因此，完成配電調度就是利用相關源荷向量來確定調度參數(shù)的取值結果。
規(guī)定d表示標準配電系數(shù)，其計算式如下：
式中，χ表示電量傳輸信號的傳輸系數(shù)，g表示新能源電量信號的配比參數(shù)。
求解配電調度參數(shù)的過程中，d≠0,A ≠0的不等式取值條件恒成立。聯(lián)立式（1）、式（2），可將配電調度參數(shù)計算結果表示為：
式中，α表示新能源電量的傳輸配比參數(shù)，f表示配電網(wǎng)源荷電量的負荷參數(shù)，hˉ表示新能源電量傳輸信號的傳輸均值，β表示電量傳輸信號的實時調度參數(shù)。
配電網(wǎng)源荷狀態(tài)識別函數(shù)是在高比例新能源接入條件下，電網(wǎng)主機規(guī)劃源荷信號所遵循的處理原則。對于配電網(wǎng)源荷狀態(tài)識別的求解涉及電量傳輸信號的高比例接入量γ、配電網(wǎng)中的電量傳輸信號消耗量φ，源荷狀態(tài)識別函數(shù)具體計算式如式所示：
式中，L表示高比例新能源接入源荷信號潮流量。在電量傳輸信號的單位傳輸周期內，高比例新能源接入電量傳輸信號潮流量越大，配電網(wǎng)組織所承擔的電力運行壓力就越大。因此為實現(xiàn)對配電網(wǎng)組織的規(guī)劃，應使高比例新能源的輸入保持穩(wěn)定且為持續(xù)的狀態(tài)。
源荷陣列數(shù)學表達式能夠描述高比例新能源接入電量信號在配電網(wǎng)環(huán)境中的傳輸能力。陣列可以理解為電量數(shù)據(jù)的矩陣序列，其中電量信號的排列形式?jīng)Q定了配電網(wǎng)主機對電力負荷參量的跟蹤處理順序。
設O?表示高比例新能源接入源荷信號的排列特征，ε表示配電網(wǎng)主機對于電力負荷參量，?表示源荷信號序列，pmin表示源荷電力信號的帶電量，pmax表示源荷電力信號的帶電量。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（4），推導配電網(wǎng)源荷陣列的數(shù)學表達式如下：
式中，?ε表示源荷信號序列。源荷基波反映了高比例新能源接入下配電網(wǎng)源荷信號的波動特性。在配電網(wǎng)環(huán)境中，源荷基波會保持波動變化的狀態(tài)，其大值不會超過源荷信號功率參數(shù)的大值，小值也不會低于源荷信號功率參數(shù)的小值。假設i表示高比例新能源接入下配電網(wǎng)電量信號的基頻功率參數(shù)，其計算式如下：
式中，η表示源荷信號在配電網(wǎng)環(huán)境中的傳輸效率，U表示源荷信號的額定電壓數(shù)值，I表示源荷信號的額定電流數(shù)值，R表示配電網(wǎng)組織的內阻數(shù)值。
聯(lián)立式（5）、式（6），可將高比例新能源接下配電網(wǎng)源荷基波提取條件表示為：
式中，λ表示基波頻率定義項，Pj表示高比例新能源接入下第j個配電網(wǎng)源荷信號的額定輸出功率，E表示源荷信號的帶電量參數(shù)，且P0≠0、E≠0的不等式取值條件同時成立。
跟蹤向量影響配電網(wǎng)主機對高比例新能源接入下源荷信號的跟蹤與處理能力。其取值屬于(-∞,0)時，表示源荷信號的傳輸方向為負；其取值屬于(0,+∞)時，表示源荷信號的傳輸方向為正[15-16]。對于跟蹤向量的求解參考如下表達式：
式中，ΔQ表示高比例新能源接入下源荷信號的單位帶電強度，μ表示配電網(wǎng)環(huán)境中的源荷信號實時跟蹤參數(shù)，ν表示源荷信號的傳輸向量，C表示配電網(wǎng)主機對高比例新能源接入下源荷信號的實時跟蹤特征。
當源荷信號傳輸方向與高比例新能源信號傳輸方向相同時，配電網(wǎng)環(huán)境中點電荷的單位累積量也相對較多。在執(zhí)行跟蹤指令時，配電網(wǎng)主機所需識別的基波參量也會就隨之增多。
文中實驗通過研究源荷信號在單位傳輸周期內的幅值突變次數(shù)，來分析配電網(wǎng)主機對源荷信號的跟蹤能力。選擇高比例新能源接入下的配電網(wǎng)源荷自動跟蹤方法、考慮源荷兩側不確定性及其相互影響的配電網(wǎng)規(guī)劃方法和計及源荷隨機性的電網(wǎng)規(guī)劃方法進行對比實驗。
源荷信號是一種常見的帶電信號，其傳輸行為受到電量幅值的直接影響。一般情況下，在配電網(wǎng)保持穩(wěn)定運行狀態(tài)的情況下，電量幅值越大，源荷信號的帶電能力越強。
幅值突變是一種難以避免的源荷信號傳輸現(xiàn)象。針對所選定的信號對象，其在某一位置處的幅值水平若具有突變特征，但并未超過額定突變值，則表示該類型突變屬于源荷信號的可控性幅值突變行為，不影響配電網(wǎng)主機對源荷信號的跟蹤能力；若信號幅值具有突變特征且超過額定突變值，則表示該類型突變屬于源荷信號的不可控幅值突變行為，影響配電網(wǎng)主機對源荷信號的跟蹤能力。
AcrelEMS 智慧能源管理平臺是針對企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺，對企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲能系統(tǒng)、充電設施以及各類交直流負荷的運行狀態(tài)實時監(jiān)視、智能預測、動態(tài)調配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調整控制動態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經(jīng)濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺可以接受虛擬電廠的調度指令和需求響應，是虛擬電廠平臺的企業(yè)級子系統(tǒng)。
圖1 AcrelEMS 智慧能源管理平臺主界面
平臺結構
系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲-充"各環(huán)節(jié)，通過智能網(wǎng)關采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、
常規(guī)負荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負荷變化和電網(wǎng)調度進行優(yōu)化控制，促進新能源消納的同時降低對電網(wǎng)的至大需量，使之運行安全。
圖2 AcrelEMS 智慧能源管理平臺結構
平臺功能
1.能源數(shù)字化展示
通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及其它負荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運行情況。
2.優(yōu)化控制
直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括市電、光伏、儲能充電及消耗過程，通過優(yōu)化控制儲能和可控負載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對比等。
3.智能預測
結合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對光伏、風力發(fā)電功率和負荷功率進行預測，并與實際功率進行對比分析，通過儲能系統(tǒng)和負荷控制實現(xiàn)優(yōu)化調度，降低需量和用電成本。
4.能耗分析
采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質消耗量，進行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對標，并折算標煤或碳排放等。
5.有序充電
系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯(lián)動控制，引導用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運行安全。
6.運維巡檢
系統(tǒng)支持任務管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運維人員軌跡，實現(xiàn)運維流程閉環(huán)管理。
設備選型
除了智慧能源管理平臺外，還具備現(xiàn)場傳感器、智能網(wǎng)關等設備，組成了完整的“云-邊-端"能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質量在線監(jiān)測裝置、電能質量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業(yè)級的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務能力。
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應用 |
中高壓微機保護裝置 |
| AM6、AM5SE | 實現(xiàn)110kV至10kV回路的保護、測量和自動控制功能 | 110kV、10kV回路斷路器 |
電能質量在線監(jiān)測裝置 |
| APView500 | 集諧波分析/波形采樣/電壓閃變監(jiān)測/電壓不平衡度監(jiān)測等穩(wěn)態(tài)監(jiān)測、電壓暫降/暫升/短時中斷等暫態(tài)監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體，滿足A電能質量評估標準，能夠滿足110kV及以下供電系統(tǒng)電能質量監(jiān)測的要求。 | 110kV、35kV、10kV、0.4kV |
防孤島保護裝置 |
| AM5SE-IS | 防止分布式電源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)非計劃持續(xù)孤島運行的繼電保護措施，防止電網(wǎng)出現(xiàn)孤島效應。裝置具有低電壓保護、過電壓保護、高頻保護、低頻保護、逆功率保護、檢同期、有壓合閘等保護功能。 | 110kV、35kV、10kV、0.4kV |
動態(tài)諧波無功補償系統(tǒng) |
| AnCos*/*-G Ⅰ型 | 同時具備諧波治理、無功功率線性補償與三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能,響應時間快，精度高、運行穩(wěn)定，能根據(jù)系統(tǒng)的無功特性自動調整輸出，動態(tài)補償功率因數(shù)； | 0.4kV電能質量治理 |
多功能儀表 |
| APM520 | 全電力參數(shù)測量、復費率電能計量、四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。 接口功能：帶有RS485/MODBUS協(xié)議 | 并網(wǎng)柜、進線柜、母聯(lián)柜以及重要回路 |
多功能儀表 |
| AEM96 | 具有全電量測量，諧波畸變率、分時電能統(tǒng)計，開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出。 | 主要用于電能計量和監(jiān)測 |
電能表 |
| DTSD1352 | 具有全電量測量，電能統(tǒng)計，80A內可直接接入，導軌安裝。 | 低壓配電箱 |
物聯(lián)網(wǎng)儀表 |
| ADW300W | 主要用于計量中低壓配電的三相電氣參數(shù)，采集狀態(tài)量并控制斷路器，可靈活安裝于配電箱內，自帶開口式互感器，可實現(xiàn)不停電安裝，具備RS485、4G、LoRaWan無線通信功能，適用于配電系統(tǒng)數(shù)字化改造。 | 微電網(wǎng)數(shù)字化改造 |
物聯(lián)網(wǎng)儀表 |
| ARCM300 | 三相交流電能計量、漏電電流測量、諧波分析、4路溫度采集功能，通過對配電回路的剩余電流、導線溫度等火災危險參數(shù)實施監(jiān)控和管理，可采集狀態(tài)量或控制斷路器，具備RS485通訊或4G通訊功能。 | 微電網(wǎng)電氣消防和數(shù)字化改造 |
直流電能表 |
| DJSF1352-RN | 可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等，配套霍爾傳感器(可選)。 | 直流計量 |
馬達保護 |
| ARD3M | 電動機保護控制器，適用于額定電壓至 660V 的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，強大的邏輯可編程功能可以滿足各種控制要求，多種可選配的通訊方式適應現(xiàn)場不同的總線通訊需求。 | 電機保護控制 |
智慧斷路器 |
| ASCB1LE-63-C63-4P/Z4G | 三相智能微型斷路器，具備普通微斷保護和控制功能，同時具備電流、電壓、功率、電能測量功能，支持漏電保護和用電行為特征識別，支持遠程控制，4G通訊。 | 末端配電 |
防火限流式保護器 |
| ASCP200-63D | 可實現(xiàn)短路限流滅弧保護、過載限流保護、過/欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測、內部超溫限流保護等，電流0-63A，RS485通訊 | 末端配電保護 |
遙信遙控單元 |
| ARTU100 | 具備開關量采集和繼電器輸出控制功能，導軌式安裝，485通訊，可實現(xiàn)斷路器或接觸器的遠程控制和狀態(tài)量采集。 | 狀態(tài)量采集和控制輸出 |
電動汽車充電樁 |
| AEV200-DC60S AEV200-DC80D AEV200-DC120S AEV200-DC160S | 輸出功率160/120/80/60kW直流充電樁，滿足快速充電的需要。 | 充電樁運營和充電控制 |
智能網(wǎng)關 |
| ANet-2E4SM | 邊緣計算網(wǎng)關，嵌入式linux系統(tǒng)，網(wǎng)絡通訊方式具備Socket方式，支持XML格式壓縮上傳，提供AES加密及MD5身份認證等安全需求，支持斷點續(xù)傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協(xié)議 | 電能、環(huán)境等數(shù)據(jù)采集、轉換和邏輯判斷 |
安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運維云平臺、能源綜合計費管理平臺、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺、充電樁運營管理云平臺、智慧消防云平臺、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)，打造準確感知、邊緣智能、智慧運行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。
