【精彩论文】能量路由器集群接入辐射型配电网选址优化

能量路由器集群接入辐射型配电网选址优化

吴强¹, 段小峰², 罗刚³, 章立宗³, 蒋玮⁴, 晏阳⁵

（1. 国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210024; 2. 国网江苏省电力有限公司泰州供电公司，江苏 泰州 225300; 3. 国网浙江省电力有限公司绍兴供电分公司，浙江 绍兴 312099; 4. 东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096; 5. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

摘要：合理规划能量路由器在配电网中的接入位置，能够提高电力系统运行的安全性、经济性和可靠性。基于辐射型配电网结构与运行特点，对节点电压与负荷功率关系进行了分析解耦，构建了基于电压灵敏度的电压改善度评价指标，提出了一种配电网中的能量路由器集群选址优化方法，实现了配电网中的能量路由器集群接入的均衡优化选址，为多种源荷接入的配电网提供参考。

引文信息

吴强, 段小峰, 罗刚, 等. 能量路由器集群接入辐射型配电网选址优化[J]. 中国电力, 2022, 55(11): 103-108.

WU Qiang, DUAN Xiaofeng, LUO Gang, et al. Research on location optimization of energy router cluster access to radial distribution network[J]. Electric Power, 2022, 55(11): 103-108.

引言随着分布式电源（distributed generation，DG）、电动汽车（electric vehicle，EV）等柔性可控负荷和分布式储能（distributed energy storage system，DESS）在配电网中渗透率提高^[1-4]，配电网从被动单向的供电网络转变为功率双向流动的有源网络。在客户侧集成多端口共享能量路由器（energy router, ER）可对DG、DESS和柔性负载等资源进行调控^[5-8]。ER是由控制器与电力电子变换器组成的多端口电力电子系统，具有提供不同电压等级接口、能流控制和功率交互等功能^[9-12]。多个ER接入配电网后，相当于增加了若干个具有自主控制与通信交互功能的分布式电源，即ER集群。合理规划ER集群的接入位置，能够降低控制过程复杂性，进一步提高电力系统运行的安全性、经济性和可靠性^[13-14]。若ER安装位置与配电网结构不匹配，则可能产生增加线路损耗、导致电压越限等负面影响。目前，关于配电网中ER选址定容的相关研究较少。文献[15-16]分析了DG接入对节点电压带来的影响，但规划方案中并没有考虑对配电网运行的整体影响。文献[17]研究了多端口能量路由器在能源互联网框架下的多种工况协调控制策略。文献[18-20]针对配电网中的分布式电源选址定容问题开展了研究并提出了相应的解决方案。在ER选址和定容评估中，ER接入的各类源荷及容量由用户所决定，电网侧只能以网络结构为决策依据。

本文对ER集群接入配电网的优化规划技术开展研究，针对辐射型配电网结构特点，对节点电压与负荷功率关系进行了分析解耦，建立了解析模型。在此基础上，利用模型参数构建了基于电压灵敏度的电压改善度评价指标，提出了一种配电网中的ER集群优化规划方法，为多种新型源荷接入的配电网提供了规划参考。

1  “光-储-充”能量路由器结构ER电路拓扑种类多样，一般均由固态功率模块、采样通信模块和决策控制模块等基本功能模块组成^[21-23]。固态功率模块包括各类电力电子变换电路和外部接口，具有交直流变换和电压控制等功能，可以实现各类新型源荷与电网之间的电气连接^[24]。采样通信模块包括各类电压传感器、电流传感器、调理电路以及通信接口，可以实时采集ER运行关键电气量并由控制单元处理，同时与外界进行数据交互^[25-26]。决策控制模块一般为微处理器，能够根据设计的能量管理和运行控制策略控制功率模块，实现ER能流的优化管理。

本文结合配电网对ER的典型需求，设计了含光伏发电、电动汽车充电和蓄电池储能系统的共享型ER分析模型，连接拓扑如图1所示。在图1中，P_B为储能装置吸收的功率，P_PV为光伏设备发出的功率，P_EV为电动汽车吸收的功率。ER连接拓扑对内通过直流母线及电力电子变换器连接源荷设备并对功率能流进行控制，对外提供交流并网接口。根据调度指令，ER内部的微控制单元（microcontroller unit, MCU）可控制各电力电子变换器，进而对各端口功率流向及大小进行控制。

图1  ER连接拓扑

Fig.1  Connection topology of ER

相比于传统的微电网结构，ER将不同类新型源荷模块进行整合，可以最大化消纳与存储分布式发电，并集约式接入配电网^[27-33]。具有自主控制与通信交互功能的ER在DG大规模接入配电网的情况下，能够对多维数的控制问题进行单元化分解，从而有效降低主动配电网控制策略的复杂性，并增加控制策略的灵活性。

2  共享能量路由器集群接入规划

2.1  辐射型配电网节点电压分析模型

为研究能量路由器集群接入配电网的优化规划问题，先要对配电网中的电压功率等运行参数进行关联性分析，获取用于分析的数学解析模型。本文研究以辐射型配网为主要结构的配电网系统，对于其中的各个节点，从首端开始，采用深度优先遍历法进行编号，并基于图论理论进行分析，建立辐射型配电网络有向图。根据图论定义，若节点i与下游节点之间均存在由若干条单向边组成的单向路径，则引入可达矩阵M，其第i行中的非零元素表示了节点i对应的下游节点集合，即

式中：A为有向图的邻接矩阵；N为除首端节点外辐射型配电网络的节点数；E为N阶单位矩阵；Binary为矩阵的二值化函数。本文将线路潮流的递推关系式转化为矩阵线性关系式，则辐射型配电网络线路潮流功率与节点负荷功率之间的关系为式中：P、Q分别为配电网中所有线路潮流有功及无功部分矩阵；P_L、Q_L分别为配电网中所有节点负荷有功及无功部分矩阵。进一步，辐射型配电网中节点i的电压平方项可由配电网入口节点0的初始值逐次递减而来，即式中：V_i为辐射型配电网中节点i的电压；R为线路电阻矩阵；X为线路电抗矩阵。通过式（4）可直接计算获得辐射型配电网中各节点电压平方项，进而计算出各节点电压值，从而简化了传统潮流计算的递推过程，反映节点电压与节点功率之间的解析关系。2.2  能量路由器集群选址优化方法相比于传统的分布式电源，能量路由器接入的光伏、储能、柔性负荷等容量是由用户所决定，电网侧只能被动地评估不同节点处接入的能量路由器对配电系统运行的影响。因此本文以配电网自身网络结构为优化决策依据，决定能量路由器的接入位置。电阻转移矩阵H_R与电抗转移矩阵H_X为由于可达矩阵及线路电阻及电抗矩阵中的所有元素均为非负值，则转移矩阵的所有元素均为非负值，且V_i²对任意一节点j的负荷有功功率P_Lj或无功功率Q_Lj的偏导数即为矩阵H_R或H_X中的对应元素，即式（7）和式（8）分别表示节点j处的有功及无功负荷每增加一个功率单位，节点i处的电压平方项变化的量，显然，这2个参数在配电网中一般都为负数。以上2个参数概括为节点i的电压平方项对节点j负荷功率变化的敏感程度，可以反映节点j有功及无功功率变化对节点i的电压的影响。由于在配电网中，一般会控制各节点电压跌落不超过10%，各节点电压差异较小，电压灵敏度与电压平方灵敏度近似呈正相关关系。在对各节点电压灵敏度进行相对大小分析时，可使用电压平方灵敏度进行替代。由于ER可以通过调节自身运行状态，向电网输送有功及无功功率来提升配电网的电压水平，参与电压治理。为衡量在某一节点接入ER后对配电网全网电压的改善程度，建立评价指标为式中：I_i 为节点i的评价指标，表示在节点i处安装单位容量的ER后对全网所有节点的电压提升程度；δ为系数，满足0＜δ＜1，可取ER有功上限时的功率因数；V_j为节点j的电压；P_Li和Q_Li分别为节点i负荷的有功功率和无功功率。在确定ER安装位置时，首先计算全网各节点的评价指标I_i，再从大到小进行排序，即可获得ER接入位置的优先级程度的序列。然而，在基于灵敏度的解析化算法下，电压改善度较高的几个节点往往在配电网末端堆积。在多个相邻的节点中，若以电压改善度最高的节点作为ER接入点，并以该节点为电源入口重新对配电网拓扑进行灵敏度分析后，其相邻节点的电压改善度将会大大下降。因此，应该有条件地选取高评价指标的节点作为ER接入点，避免电压改善度聚集虚高导致的接入点聚集现象，从而使ER在配电网中均衡接入，以平衡ER对全网的电压改善效果。基于此，本文提出了一种评价指标I_i的ER接入点规划方法，分为4个步骤，具体如下。（1）假设在N节点配电网中，需要确定N_ER个ER的接入点，则将N与N_ER相除后向下取整得到N_R，根据式（9）计算出N个节点的评价指标，并按降序排列获得优先级序列；（2）选取目前序列中评价指标最大的节点，确定为ER接入点；（3）将与该节点电气距离最近的N_R－1个节点从序列中剔除；

（4）重复步骤（2）和步骤（3），直至N_ER个ER的接入点均确定。

3  算例分析

本文通过IEEE 33节点系统验证配电网能量路由器接入规划方法。由于配电网入口处编号为0，在节点编号时，N＝32，δ＝0.8。计算出配电网全网中除入口处节点外其他32个节点的 I_i ，并根据电压改善度大小排序，获得接入点优先级序列为：17、16、15、14、13、12、11、10、9、8、32、31、30、29、28、7、27、6、26、25、5、4、3、24、23、22、2、21、20、19、18、1。若仅根据电压改善度排序确定接入点，则接入点将堆积在节点17所在的支路末端，未均衡规划后的ER接入情况如图2所示，此种接入方案下，其他支路末端可能出现高负荷电压跌落问题。

图2  接入点情况

Fig.2  Access point

为了提高ER集群控制的效率，根据本文所提的接入点规划方法，当分别接入3、4、5个ER时，接入位置如表1所示。从表1可以看出，在不同接入点数量条件下，所提出的接入规划算法在电压改善度序列的基础上，能避免部分支路节点改善度虚高导致的接入点集中问题，从而获得一个较为均衡的ER接入点配置方案，对辐射型配网中各类不同的电压问题，进行有效控制治理。

表1  均衡规划后的ER接入情况

Table 1  ER access after balanced planning

4  结语本文围绕辐射型配电网中的ER集群接入规划问题开展研究。针对辐射型配电网的特点，对节点电压与负荷功率关系进行了解耦，利用线性模型参数构建了基于电压灵敏度的电压改善度评价指标，提出了一种配电网中的ER接入规划方法，所提出的接入规划方法能够有效避免在仅考虑电压灵敏度条件下，接入点优化结果堆积的问题，从而实现ER集群接入辐射型配电网的均衡优化规划，为多种源荷接入的配电网提供了规划参考。

（责任编辑　杨彪）

作者介绍

吴强（1978—），男，硕士，高级工程师，从事配电网规划、能源互联网规划研究，E-mail：[e-mail];

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蒋 玮（1982—），男，通信作者，博士，教授，从事智能配用电技术、电力系统状态估计技术、电力电子技术等研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：于静茹

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