蜂巢配电网-未来配电系统新形态

国家电网 STATEGRID 2023年（第六届）配电技术高峰论坛 蜂巢配电网一未来配电系统新形态 祖国强博士 国网天津市电力公司电力科学研究院 2023年3月3日 汇报 提纲01 一、研究背景 02二、理论研究 03三、应用探索 04四总结展望 一、研究背景 国家电网 STATEGRID 研究意义 双碳目标下，配电网将从单纯的电力配送者转变为具有多重角色的公共平台：高比例分布式可再生能源的接入、信息化与电力电子化的配电网络、满足用户多样化的电力供应需求、点对点能源交易服务提供灵活的供电途径.需要其更具可控性和兼容性，更加开放和包容，其形态将可能发生很大变化。 模块化，易扩展 稳定，可靠 最少个数无缝覆盖平面 蜜蜂筑巢 石墨烯/建筑结构 ”全球通“ 未来配电网是否可以借鉴蜂巢状的结构？ P2923年（第六届）配电技术高峰论坛 一、研究背景 国家电网 STATEGRID 科学问题 问题1：理想蜂巢拓扑与实际不规则条件在配电网结构设计中的协调问题。问题2：分层分群架构下的HDN优化运行高维模型求解问题 问题3：蜂巢拓扑的图论性质以及对网络性能的影响机理分析问题 主要研究内容 1.提出了蜂巢配电网HDN的核心特征与构建基础，明确定义范畴 2.提出了蜂巢状综合能源配电系统HIEDS的组网结构与运行方式 3.提出了规模化台区柔性互联HDN的供电能力计算方法 4.提出了基于安全域的HDN分层分群优化方法 5.在天津地区配电网开展HDN的工程实践 汇报 提纲01 研究背景 02二、理论研究 03三、应用探索 04四总结展望 二理论研究 国家电网 STATEGRID 内容1：蜂巢配电网HDN的核心特征与构建基础 FID是HDN的顶点设备与能量分配枢纽，FID可以基于SOP、固态变压 器、储能、通信模块以及控制器构建 位置相近的FIDM和FID,合并设计以 节约空间。 “蜂巢单元”是HDN的基本单元每个蜂巢单元有1个或多个PCC节点通过多个FID接口与其他蜂巢单元或 上级电网连接/断开 蜂巢单元及其PCC节点中压网架 低压FID中压FID蜂巢单元接口联络线 祖国强，王蓄，肖峻，宋晨辉.面向城市配电网的中压-低压双层蜂巢状网络结构[P].天津市：CN112531684A,2021-03-19. 2923年（第六届）配电技术高峰论坛 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容1：蜂巢配电网HDN的核心特征与构建基础 特征1：区域自治与分层分群运行） 内涵：每个蜂巢单元都是单个可控的实体，必须具备自我管理能力，这首先体现在能量的自治能力上，FID也需要具备信息监控与处理功能，汇集所连接蜂巢单元的运行状态信息，并对蜂巢单元进行就地控制。 HDN主站 FIDFIDFiDFID构建基础： ①较小空间尺度：整县光伏 ②较大空间尺度：跨区风电 ?信息基础：融合终端与微网EMS 蜂巢1蜂巢2蜂巢3蜂巢4蜂巢5蜂巢6 祖国强，王蕾，肖峻，徐科.蜂巢配电网的核心特征、关键问题与研究思路[J].电力系统自动化，2022.46（11)：1-10 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容1：蜂巢配电网HDN的核心特征与构建基础 【特征2：多接口模块化设计】 内涵：①提前设计出一系列标准的蜂巢单元存储在规划方案库，以少变应多变；作为一个类似细胞的“生命体”，增殖生 长。②每个FID连接的蜂巢单元并不多（3-4个），因此不存在典型的重要节点，另一方面，蜂巢单元的备用电源点也更多 运行方式更加灵活，可靠性也更高 台区1台区2台区3 实中有置 构建基础： ①网格化规划 ②低压多端柔直 DC/AC 直流负载直流负载 D2823年（第六届）配电技术高峰论坛 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容2：蜂巢状综合能源配电系统HIEDS 【运行模型】 ①选取综合能源配电系统的总运行成本为目标，包括各综合能源微网内的购电与购气成本，以及由各综合能源基站向上 级电网/气网的购电与购气成本。 ②模型约束包括：微网功率平衡约束、综合能源基站功率平衡约束、网络多能流(潮流)约束、微网供能元件实时出力约束、微网能源枢纽元件容量约束、综合能源基站端口容量约束等。 SPeAC. Pr-U.ZU(G,coso,+B,sino) g-UiZu(G,sino,-B,coso,) P=k元-元 故障导致供气不足 目标运行JAm,=m. 函数-nan约束B.AH.=0 P"=Cm.(T"-T) T.-(T-T.)ec+T.(met)Tou=E(mT.) 故障导致 供电不足 3923年（第六届）配电技术高峰论坛 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容2：蜂巢状综合能源配电系统HIEDS 【算例】3个微网区域，通过4个综合能源基站构成蜂巢状互联结构。微网内共配备4个含储能单元的分布式电源站、4个 储气站与4个能源枢纽站，以满足负荷用能与异质能源转化分配需求 MG, TEH,DG 供电功率共母线目供电功率 DGTEH, 1.4 V供热功率了结构 三供热功率准蜂巢结构 供热功率 CAC+LNG LNG CHP1.2 CHP,GB2 MGEHDG BS+ BS. BS EH, MG, CHPLNGBS4CAC0.4 GBCHPA0.2 T,CAC,CHP,CHP,GB,TCHP,GB.T,CAC,CHP Q-配电变压器CHP热电联产GB燃气锅炉EB燃气电锅炉CAC中央空调MGIMG2MG3 DG分布式电源LNG液化天然气BS门综合能源基站×断路器/截止阀【①经济性场景】较共母线结构和准蜂巢结构分别节约0.51% 电力馈线天然气管道 电力 热力管道 天然气0.84%。电功率和天然气可由基站在各微网间进行灵活分配，系统的 公共连接点公共连接点 供能方式更加灵活，可以采用最为经济的运行方式 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容2：蜂巢状综合能源配电系统HIEDS 【②N-1场景】依次考虑MG1~MG3的分布式电源站与储气站失【②用能均衡场景】综合能源基站接入后，场景3实现了全部枢纽效的情况，各微网通过基站互联后，彼此的电功率和天然气可以相元件的负载均衡分布(46%），消除了负载率偏低或过高的情况，有 互传输，实现本地功率一次支援；同时基站外连的上级电/气网也助于提升系统运行的可靠性。 可对微网进行二次功率支援。 MG0.2828MG .256 MG0.0057MG3 2.5645 0.152 MG 0.1355 0.1985电功率流/MW MG ★电功率流/MW +天然气流/（m/h） +天然气流/（m/h） 场景2中DG1失效时的能量传输过程场景3基站接入前后的微网间能量传输过程 D3923年（第六届）配电技术高峰论坛 理论研究 国家电网 STATE.GRID 内容3：规模化台区柔性互联HDN及其供电能力计算 集中式低压台区柔性互联 FID台区1台区2台区3 FID 双端分布式FID 1/2FID1/2FID FIDFID 双端集中式FID 热发电 FID FIDFID 台区 DC FID斯路器低区 联络开关 分段开关 低压交流负有 中服交流线路低压真流负有 三端分布式FID 低压交流线路 台区配电变压器 低压直流线路FID简化的集中式FID DC/AC 分布式低压台区柔性互联 具有一定规模的台区柔性互联HDN典型结构直流负费直流负栽 祖国强，郝子源等.计及低压台区柔性互联的配电网最大供电能力计算方法[P].天津市：ZL202210436526.9,2022-05-27 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容3：规模化台区柔性互联HDN及其供电能力计算开 建模】首次考虑了台区配变级的负荷转带，并在此基础上实现负荷的二次转供 获取电网结构参数，得到主变集合T、 馈线集合B、配变集合D 求解】以分支定界算法为基础，并对各类故障下负荷转带校验的子问题进行线生成用户视在功丰S0/和柔性互 联装置端口注入功率4Sm 性规划松弛和凸包络近似。生成故障巢型，尚为其中的故障元素 由均衡转带原则，故障后配网重构形成新拓扑 [α,Sp,=ASID,j ktt 对主变集合、馈线集合、配变集合的元 素工、B,、D，放次N-1校验，取=0 A：正常运行约束 Zα,=1 在新拓养下：由式（6）（7）（8）输出N-1约束式，并计及端口功率约束（1）（2）（3） jeQrm.jti Eq.(1)-(5)达到最大值 st.3 B:N-1安全准则 YA SBI=Z(Sp.,+ASmD.,)≤CB. JeAS) 达到最大值 Eq.(6)-(8)St=Z(SDJ+ASFID.J)≤CT JEAL 由TSC目标式（9），联立各安 全约束式，求解模型 祖国强，郝子源，黄旭，张弛.考虑低压台区柔性互联的配电网最大供电能力[J/OL].电力系统自动化：1-14[2022-09-01] D3923年（第六届）配电技术高峰论坛 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容3：规模化台区柔性互联HDN及其供电能力计算 算例4台主变压器，11条中压馈线，5个FID（其中4个双端口FID、1个3端口FID、共11个端口）。主变T1容量为15MVA，T2、T3和T4的容量均为20MVA，馈线容量均为8MVA。配电变压器的容量均为0.6MVA。采用i5-8300H-8G计算机，平均计算一组算例的TSC均衡解的时间为2.14秒。 计算得到TSC值为53.4MVA，得到的均衡解中，得到馈线 FI负荷、台区负荷 0F5 F2表5-9TSC水平下算例电网的台区负荷 台3区编 负荷/MVA 台区编负荷台区编负荷台区编负荷 号MVA号MVA号 MVA F9D10.2875D230.4375*2D450.5000*2D670.4500*2 D2 0.2875 D24 0.4375*2 D46 0.5000*2 D68 0.4500*2 D3 0.2875 D25 0.4072*2 D47 0.5000*2 D69 0.4500*2 D5 0.2875 D27 0.4072*2 D49 0.3714 D71 0.4500*2 D6 0.2875 D28 0.4072*2 D50 000E0 D72 0.4500*2 D7 0.2875 D29 0.4072*2 D51 0.3714 D73 0.5714 D8 0.2875 D30 0.4072*2 D52 0.3714 D74 0.5714 D9 0.3563*2 D31 0000 D53 0.3714 D75 0.5714 D10 0.3563*2 D32 0.4072*2 D54 0.3714 D76 0.5714 F10D40.2875D260.4072*2D480.5000*2D700.4500*2 F11 主变口联络开关·低压台区中压馈线-FID低压柔性互联 D3023年（第六届）配电技术高峰论坛 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容3：规模化台区柔性互联HDN及其供电能力计算 【二次转供】以馈线F9为例，其故障时，F9上的负荷部分首先转带至F5，使得F5存在过载风险，然后，F5的负荷 D39、D36经FID快速转至其他配变 【TSC随FID的端口容量增长】规律分为三部分，先呈线性快速增长（区间一），然后增长变缓（区间二），最后不 再增长（区间三），形成两个较为明显的拐点 54.0 FID53.5 拐点1(0.3.53.4) 02F2→>F1拐点2(0.4.53.7) D3 53.0 F2 K1K2K4 L3 FID52.5 K5 负荷一次转供方向 1.4 F2>F3 K6D5K7VL5 52.0 51.5 负荷二次转供方向51.0双娱口FID为瓶弹三端口FID为瓶理 0.00.10.20.30.40.5 FID端口容量/MVA D3923年（第六届）配电技术高峰论坛 理论研究 国家电网 STATEGRID 内容4：基于安全域的HDN分层分群协调控制 针对集群架构的配网运行体系（HDN的蜂窝单元是典型情景）采用安全域（DSSR）方法进行优