智慧能源管理平臺在高比例新能源配電網中的應用

摘要：隨著新能源在配電網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源荷陣列數學表達式，實現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中的實際應用價值，為智能配電網建設提供了新的技術思路。

關鍵詞：新能源；配電網源荷；源荷跟蹤；

0 引言

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，嚴重影響電網的穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)配電網規(guī)劃方法在應對源荷不確定性和隨機性方面表現不佳，亟需開發(fā)新的自動跟蹤技術。

1 建設背景

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代配電網的重要特征之一，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。

在配電網運行過程中，源荷信號的幅值突變是一種常見現象。當突變幅值超過可控范圍時，會導致配電網主機無法跟蹤源荷信號，進而影響電網的穩(wěn)定性和供電質量。傳統(tǒng)的配電網規(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配電網源荷信號的跟蹤，成為當前電力系統(tǒng)研究的重要課題之一。

2 考慮高比例新能源接入的源荷狀態(tài)識別

高比例電量輸入比是指新能源電量在配電網輸入電量中所占的比例，比例越高，表示配電網環(huán)境中由新能源供應所產生的電力信號總量越多。對于局域性配電網組織而言，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，aδ表示基于參數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：

配電調度是根據高比例電量輸入的條件，調節(jié)配電網組織中電量傳輸信號的配比關系。在實際應用中，配電網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的取值結果。

規(guī)定d表示標準配電系數，其計算式如下：

式中，χ表示電量傳輸信號的傳輸系數，g表示新能源電量信號的配比參數。

求解配電調度參數的過程中，d≠0,A ≠0的不等式取值條件恒成立。聯立式（1）、式（2），可將配電調度參數計算結果表示為：

式中，α表示新能源電量的傳輸配比參數，f表示配電網源荷電量的負荷參數，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。

配電網源荷狀態(tài)識別函數是在高比例新能源接入條件下，電網主機規(guī)劃源荷信號所遵循的處理原則。對于配電網源荷狀態(tài)識別的求解涉及電量傳輸信號的高比例接入量γ、配電網中的電量傳輸信號消耗量φ，源荷狀態(tài)識別函數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，配電網組織所承擔的電力運行壓力就越大。因此為實現對配電網組織的規(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)。

3 配電網源荷的自動跟蹤

源荷陣列數學表達式能夠描述高比例新能源接入電量信號在配電網環(huán)境中的傳輸能力。陣列可以理解為電量數據的矩陣序列，其中電量信號的排列形式決定了配電網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，聯立式（4），推導配電網源荷陣列的數學表達式如下：

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源荷信號的波動特性。在配電網環(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的大值，小值也不會低于源荷信號功率參數的小值。假設i表示高比例新能源接入下配電網電量信號的基頻功率參數，其計算式如下：

式中，η表示源荷信號在配電網環(huán)境中的傳輸效率，U表示源荷信號的額定電壓數值，I表示源荷信號的額定電流數值，R表示配電網組織的內阻數值。

聯立式（5）、式（6），可將高比例新能源接下配電網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個配電網源荷信號的額定輸出功率，E表示源荷信號的帶電量參數，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表示配電網環(huán)境中的源荷信號實時跟蹤參數，ν表示源荷信號的傳輸向量，C表示配電網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，配電網主機所需識別的基波參量也會就隨之增多。

4 實例分析

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，來分析配電網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規(guī)劃方法和計及源荷隨機性的電網規(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，影響配電網主機對源荷信號的跟蹤能力。

5安科瑞智慧能源管理平臺概述

AcrelEMS 智慧能源管理平臺是針對企業(yè)微電網的能效管理平臺，對企業(yè)微電網分布式電源、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)微電網能效管理數字化、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濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網運行效率。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“源-網-荷-儲-充"各環(huán)節(jié)，通過智能網關采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、

常規(guī)負荷數據，根據負荷變化和電網調度進行優(yōu)化控制，促進新能源消納的同時降低對電網的至大需量，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據，快速了解能源運行情況。

2.優(yōu)化控制

直觀顯示能源生產及流向，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

結合氣象數據，歷史數據對光伏、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，并根據企業(yè)負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯動控制，引導用戶有序充電，保障企業(yè)微電網運行安全。

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，還具備現場傳感器、智能網關等設備，組成了完整的“云-邊-端"能源數字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監(jiān)測產品、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。

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)微電網智慧能源管理系統(tǒng)。

參考文獻

[1]王曉明，張健，左一成，李華，王磊.高比例新能源接入下配電網源荷自動跟蹤研究.電子設計工程[J].2025(2):140-143.

[2]陳海東,王鑫,王勇,等.考慮源荷兩側不確定性及其相互影響的配電網低電壓綜合治理規(guī)劃[J].電力電容器與無功補償,2021,42(6):173-183.

[3]王守相,李琦,趙倩宇,等.計及源荷隨機性的交直流配電網電壓多目標優(yōu)化改進粒子群算法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2021,33(12):10-17.

[4]安科瑞企業(yè)微電網設計與選型手冊.2022.05版.

[5]安科瑞企業(yè)能源管控平臺.2020.08版.