CN105868846A - 基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统，所述区域电网架构包括三层，针对区域电网架构设置区域网络能量管理系统和区域源/荷能量管理系统，所述区域网络能量管理系统包括专有的监控通信网络，所有测量单元通过该监控通信网络向区域网络运行方发送监测信息，所述区域源/荷能量管理系统以互联网作为通信网络，各级电能交易商、区域电源和区域负荷经由客户端接入互联网；区域网络能量管理系统和区域源/荷能量管理系统之间建立通信。本发明能够有效解决高渗透率分布式电能资源接入运行面临的问题，对于推动新能源发电的进一步发展，实现区域电网运行能力、用户用电水平及新能源发电规模的动态均衡发展，具有重要市场价值。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统资源利用技术领域，尤其涉及一种基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统。
背景技术
出于对减少环境污染，实现能源系统可持续和多样化以及提高能源使用效率等多方面的需求，世界范围内电力系统中新能源发电的渗透率呈现快速增长趋势。现有的分布式电能资源(Distributed Energy
Resource, DER)涵盖小容量模块化分布式发电(Distribution Generation,
DG), 例如基于可再生能源的风力发电、光伏发电和小型水力发电，还包括以车辆到电网(Vehicle-To-Grid, V2G)模式下运行的电动汽车(Electric Vehicles, EV)为代表的分布式储能(Distributed Energy
Storage, DES)和通过电价或其他刺激手段影响用户用电模式的用户需求响应(Demand Response, DR)。与此同时，以完全充分竞争为特征的电力市场开放自由化进程也得到了广泛的关注，世界各国都已展开了发电和输电侧的市场化改革。当前，用电侧市场化已成为世界各国电力系统改革发展的趋势和研究热点。由此可知，高渗透率DER接入运行情况下的区域电网市场化运行是未来电力系统所必然面临的新形势和要求。
解决大量位置分散、形式多样、特性各异的DER简单并网运行对电网和用户造成的冲击，并提高DER市场参与和向电网提供辅助服务能力的主要思想是将多个DER进行汇聚，使得其对外部市场和电力网络表现为一个独立集成的整体。目前在这方面公认有效和研究最广泛的模式和手段主要是微电网(Micro Grid, MG)和虚拟发电厂(Virtual Power Plant, VPP)。在微电网的经济运行和市场参与方面，主要是通过其能量管理系统制定合理的能量管理方案，对微电网内的微电源的出力计划、储能装置的充放电策略、微电网与外部电网的交易方案、可控负荷的出力曲线等进行合理安排和优化调度，保证微电网的安全经济运行。与微电网更多关注自身协调控制和内部经济运行不同，VPP的提出则是为了更好提高DER运行的经济性，并协助实现电力系统的安全经济运行。目前对VPP研究主要集中于组织框架设计、控制模式设计、市场参与及定价机制研究以及调度优化控制策略设计等方面。VPP调度优化策略的设计主要是以最大化VPP收益或最小化VPP运行成本为优化目标，并考虑有功/无功/电量/热功率平衡等等式约束以及DER输出功率限制、输出功率变化率限制、网络线路潮流限制和节点电压限制等不等式约束条件，通过优化算法求解各DER输出功率给定值。在售电侧市场化运营的研究方面，主要围绕自然垄断理论、管制理论和电力市场理论等基础理论研究、市场组织结构及运营机制设计、市场参与对象购售电优化决策等展开。越来越多的研究开始关注新能源发电接入的售电市场化运营的研究。总体而言，目前区域电网市场化相关的研究开始重视DER的影响及对其的利用，但缺乏有效将大量小容量分散性DER汇入市场运行框架的手段。而在利用MG和VPP汇聚DER时，多集中于对VPP和MG自身控制调度策略的研究，所采用的方法仅对特定场景适用，缺乏将VPP置于区域电网市场化大背景下的考虑。
因此，提出一种新的技术方案，以适应高渗透率DER接入运行情况下的区域电网市场化运行的要求，将对以市场化方式实现新能源发电的发展起到良好的推动作用，同时促进区域电网、DER和用电水平的动态均衡发展，对于切实推进区域电网的市场化运营具有重要的现实意义和实际应用价值。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统。
本发明的技术方案提供一种基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统，所述区域电网架构包括第一层、第二层和第三层，第三层包括区域电源和区域负荷，第二层包括各级电能交易商和区域网络运行方，第一级包括为区域电网运行提供辅助服务的各种第三方机构，
针对区域电网架构设置区域网络能量管理系统和区域源/荷能量管理系统，
所述区域网络能量管理系统，包括专有的监控通信网络，所有区域网络调度控制用途的测量单元通过该监控通信网络向区域网络运行方发送监测信息，区域网络运行方基于监测信息做出区域网络能量管理相关的调度控制决策，并通过监控通信网向区域供电网络中相应设备发送控制命令，完成调度控制任务；
所述区域源/荷能量管理系统，以互联网作为通信网络，各级电能交易商、区域电源和区域负荷经由客户端接入互联网，在电能市场交易平台内进行电能交易，各自根据所达成的市场交易情况自主做出控制决策，完成调度控制任务；其它第三方机构，也接入互联网提供服务；
区域网络能量管理系统和区域源/荷能量管理系统之间建立通信，包括在区域网络能量管理系统专有的监控通信网络和区域源/荷能量管理系统的通信网络之间建立通信，区域网络能量管理系统能够在区域源/荷能量管理系统中发起电能交易，从区域电力网络安全经济运行的角度对区域源/荷能量管理系统内的市场交易进行计划核准和监控调度。
而且，交易商将经由互联网接入外部电能市场交易平台，根据在外部市场中达成的交易做出决策。
而且，所述区域网络能量管理系统设置有NEMS信息数据库，区域源/荷能量管理系统设置有SLEMS信息数据库，区域网络能量管理系统专有的监控通信网络设置NEMS代理，互联网中设置SLEMS代理，SLEMS代理和NEMS代理之间建立交互式通讯。
而且，区域电网测控单元将区域电网各线路测量点的测量信息传递至监控通信网络，监测通信网络传来的信息储存到NEMS信息数据库，供网络运行方调取实现区域电网的安全经济调度；区域电网中的各类发电机构、用电单元和交易商，将交易信息上载至互联网，互联网将信息传输至SLEMS信息数据库储存，其中储存的数据能够被第三方机构、交易发起者和参与者调用；通过SLEMS代理和NEMS代理之间的交互式通讯，NEMS代理调取NEMS信息数据库中的信息提供给区域源/荷能量管理系统，SLEMS代理调取SLEMS信息数据库中的信息提供给区域网络能量管理系统。
本发明提出的一种基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统，同时适应区域电网市场化和分布式电能资源接入运行的需求，对以市场化方式实现新能源发电的发展起到良好的推动作用，可促进区域电网、DER和用电水平的动态均衡发展，能切实推进区域电网的市场化运营，具有重要的现实意义和实际市场应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例的区域电网架构示意图；
图2是本发明实施例的基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统结构示意图；
图3是本发明实施例的基于交易计划的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
本发明提出的区域电网架构采用分层形式，最底层的是区域电网内的DER和用户（本发明中称之为区域电源和区域负荷，统一简称为区域源/荷），区域电网内的供电网络（包括线路、变压器等各种供电设备和监测控制设备，本发明中称之为区域网络）；位于中间层的是各级电能交易商和区域网络运行方，由各级电能交易商实现区域电网内DER的汇聚，并向区域电网内的用户供电，其中的一级电能交易商还可参与外部电力市场的电能交易。由区域网络运行方负责区域网络的运行调度工作，实现区域电网的安全稳定运行。位于顶层的是为区域电网运行提供辅助服务的各种第三方机构，例如检修维护机构，可由维护检修商负责区域网络中各种设备的检修、维护工作；电能交易平台（区域交易平台），为区域电网中各种电能交易提供统一的平台；交易仲裁机构，负责对区域电网中各种电能交易出现的纠纷进行调解和仲裁；资金清算结算机构，负责区域电网中各种电能交易涉及资金的清算和结算。在这种区域电网架构中，各个对象均为明确的利益实体，通过充分的市场竞争，DER通过在较高电价时产生电能获取更大收益，电能交易商通过扩大购/售电差价获取更大收益，用户通过在较低电价时消耗电能减少用电成本支出，网络运行方通过收取电能转运费用等获取收益，其他第三方机构通过服务获取收益。可以看到，这种区域电网架构能有效实现市场化方式下新能源发电的接入运行，通过价格机制促进区域电网、DER和用电水平的动态均衡发展，同时完全满足区域电网的市场化运营要求。
参见图1所提供本发明实施例的区域电网架构的示意图，该架构从整体上分为三层：
第一层为专门处理区域电网某种全局性事务的多个第三方专业机构，例如负责区域电网中各种电能交易涉及资金的清算和结算的资金清算结算机构；负责对交易诊断纠纷进行仲裁解决的交易仲裁机构；负责对区域电网设备、线路等进行维护检修的维护检修机构；负责提供区域电网电能交易相关信息、进行资金结算平台的区域交易平台等。
位于第二层的是区域网络运行方和各级电能交易商，一级交易商利用电价等动因刺激手段动态汇聚下级电能交易商（二级电能交易商）的电能，并具有直接参与外部电力市场交易的资质。二级电能交易商也同样通过电价等动因刺激手段动态汇聚下级电能交易商，直至覆盖所有DER和用户。具体实施时可以拓展下级电能交易商，例如存在三级四级交易商，举例来说，二级交易商发布一个交易计划，但是参与计划的市场成员有容量限制，假定为50MW，这时可能存在有三级交易商通过发布50MW交易计划的方式对于容量小于50MW的分布式能源进行汇聚，汇聚完成后再参与二级交易商发布的交易计划。此时三级交易商发布的容量限制可能为20MW，以此类推，也可能存在四级交易商。由于现有电力系统中的分布式能源容量一般都不会太小，所以两到三级交易商差不多就够了，具体实施时可以根据参与市场的分布式能源容量来调整的，具有适应性。区域网络运行方可根据自身决策，对区域电网的安全稳定经济运行进行监控，即将通过NEMS系统的监控通信网络向区域网络运行方发送监测信息，区域网络运行方基于这些信息做出区域网络能量管理相关的调度控制决策。
位于第三层是区域内的DER和用户（区域源/荷）和区域内供电网络。区域源/荷主要包括分布式电源(Distribution Generation, DG)，分布式储能(Distribution Energy
Storage, DES)和用户需求响应(Demand Response, DR)和用户。分布式电源可以采用模块化的实现方式，例如对交易市场的电价监测模块。区域内供电网络包括输电线路、变压器等各种供电设备和监测控制设备。区域源/荷根据自身的情况和利益诉求，可以选择与电能交易商签订长期双向供电合同，也可以根据电能交易商发布的电价等相关信息，自主动态地加入一个或者多电能交易商的报价组合，以减少发电成本、提高发电收益。电能交易商给出一定电能报价，区域源/荷根据报价选择交易组合计划，签订长期或者短期的双向供电合同。可以参加多个交易商的交易计划，目的是提高盈利，即尽可能使电价大于发电成本。区域内供电网络由区域网络运行方进行监控。
本发明针对上述区域电网架构，提出了与之相适宜的分布式电能资源接入运行系统。该系统分为区域网络能量管理系统(Network EMS, NEMS)和区域源/荷能量管理系统(Source/Load EMS, SLEMS)。
NEMS基于专有监控通信网络，采用网络型控制模式设计实现，可采用IEC61850标准等作为通信规约，以增强该系统的可扩展性和兼容性。所有区域网络调度控制用途的测量单元通过该系统的监控通信网络向区域网络运行方发送监测信息，区域网络运行方基于这些信息做出区域网络能量管理相关的调度控制决策，并通过监控通信网向区域供电网络中相应设备发送控制命令，完成调度控制任务。举例来说，测量单元监测发现某段线路潮流过大，可能导致输电线路过载，数据返回运行方，通过系统潮流计算，要求过载来源的发电厂降低发电，改通过其他路径的发电厂向给地区负荷供电，减少过载线路上的潮流，从而实现调度。
SLEMS以互联网作为通信网络，采用完全分布式控制模式设计实现。各级电能交易商和DER/用户经由客户端接入互联网，在电能市场交易平台内进行各种电能交易，各自根据所达成的市场交易情况自主做出控制决策，完成调度控制任务。其它第三方机构，也通过客户端接入互联网，根据各种设定任务来提供服务。同时一级交易商将可经由互联网接入外部电能市场交易平台，根据在外部市场中达成的交易做出决策。
NEMS与SLEMS之间可进行通信，即在区域网络能量管理系统专有的监控通信网络和区域源/荷能量管理系统的通信网络之间建立通信。一方面从SLEMS来看，NEMS可根据自身决策，在SLEMS发起市场交易，例如平衡市场、辅助服务市场、电力网络恢复市场交易等，通过SLEMS所具有的市场交易机制完成。另一方面，NEMS将从区域电力网络安全经济运行的角度对SLEMS内的市场交易进行计划核准、实施能量管理进行监控调度等。
将分布式电能资源接入运行系统划分为区域网络能量管理和区域源/荷能量管理两个部分，通过它们各自的运作和两者之间的交互，可具有如下特点和优势：该分布式电能资源接入运行系统完全适应区域电网市场化运行模式的要求，资源接入运行过程中涉及的各方均为责权利明确的实体，所有能量管理过程均通过市场化方式运作实现；适应高渗透率DER接入运行的要求，通过市场化运营，DER渗透率将最终自动与用电水平和网络运行能力相适应，并且也将促进用电水平和网络运行能力的提升，三者实现动态协调发展；通过NEMS和SLEMS各自运作及交互，可同时兼顾区域电网运行经济性和安全性；具有高度兼容性和可扩展性，DER和用户只要通过互联网接入统一的区域市场交易平台即可实现能量管理过程的参与；具有完全分散智能化控制特征，电能交易商、DER、用户的控制决策均依据自身智能做出，无需任何集中控制；同时能实现个体的竞争和协作，一方面电能交易商、DER、用户以最大化自身利益为目标参与市场竞争，同时又能协作完成区域网络运行方发起的全局性交易计划。
参见图2所提供本发明实施例的分布式电能资源接入运行系统结构示意图。区域电网能量管理系统分为区域网络能量管理(Network EMS, NEMS)和区域源/荷能量管理(Source/Load EMS, SLEMS)两个部分，区域网络能量管理系统负责区域网络的安全经济运行，区域源/荷能量管理系统负责实现市场化方式下DER和用户的能量调度控制。
区域电力网络包括DG、DES、居民小区、工厂、充电站、楼宇、MG等，区域电网测控单元将区域电网各线路测量点的测量信息通过专有的通信线路传递至监控通信网络，实现对区域电网的监测。所述区域网络能量管理系统设置有NEMS信息数据库，区域源/荷能量管理系统设置有SLEMS信息数据库。监测通信网络传来的信息储存到NEMS信息数据库，供网络运行方调取实现区域电网的安全经济调度。SLEMS包括区域电网中的各类发电机构、用电单元和交易商（包括区域市场交易平台、清算结算、外部市场交易平台、电能交易商），他们将交易信息通过网络上载至互联网，互联网将信息传输至SLEMS信息数据库储存，其中储存的数据可被第三方机构、交易发起者和参与者调用。同时，在监控通信网络设置NEMS代理，在互联网中设置SLEMS代理，代理的设置方法参考SIP代理协议，NEMS代理可调取NEMS信息数据库中的信息，利用与SLEMS代理之间的交互式通讯，供SLEMS系统实现自身决策；SLEMS代理也可调取SLEMS信息数据库中的信息，利用与NEMS代理之间的交互式通讯，将SLEMS中包含的交易商、发电机构、用户的自测信息传输给NEMS，供网络运行方全面分析区域电网运行状况。
NEMS和SLEMS同时接入互联网，NEMS具有监控区域电网的专用监控信息网络，两个能量管理系统之间可直接进行信息交互。电能交易商、分布式能源和用户经由客户端接入互联网，同时第三方机构也依据互联网中的信息对为区域电网提供服务。SLEMS依据电能交易商、分布式能源和用户提供来的电能供求信息促成电能交易，同时区域电网的测量单元将检测到的数据传输至监控通信网络供NEMS进行经济性和安全性分析，确保区域电网的安全稳定运行。SLEMS来看，NEMS在考虑区域网络安全经济运行的条件下，根据自身决策在SLEMS中发起市场交易，利用SLEMS所具有的市场交易体制完成交易，可以将NEMS视为SLEMS中的一个普通电能交易商，NEMS发起交易的目的在于平衡市场、辅助服务市场、电力网络恢复市场交易等。由于NEMS对电力网络设备具有监控能力，NEMS也可视为SLEMS中的一个特殊的DER，它具有提高供电市场可靠性的作用。NEMS也可作为SLEMS中的监管者，利用其监控通信网络对SLEMS中的市场交易进行计划核准、实时能量管理和监控调度。从NEMS看来，因SLEMS也具有局部检测能力，SLEMS信息数据库中存储的数据可传输至NEMS中，作为NEMS进行能量调度管理决策所需信息的补偿/备份/校验来源。
附图3是应用本发明所提供分布式电能资源接入运行系统的基于交易计划的工作流程。可划分为事前规划、实时规划和时候处理三个阶段。
事前阶段，根据电能计划的状态可分为交易发起、交易形成和交易核准等阶段。各级交易商通过发出电能交易计划触发能量管理过程，发起者基于SLEMS数据库中的历史交易信息和NEMS数据库中的历史/实时网络运行信息发布电能购买组合计划，计划内容包括合约期限、合约电价和惩罚条款等。交易参与者基于其本地数据库中的历史信息，比较区域交易平台上发布的各个电能销售组合，以最大化自身收益为目标，选择加入某个计划。计划发起者可以随时间降低其购买电价，从而促进交易计划的尽早完成。计划参与者在已参加一项交易计划后，发现有更优的电能交易计划，可以选择撤销已参加的交易计划。运行方综合计划发起者和参与者的电能交易计划，对区域网络运行状况信息预测评估，对于不满足网络运行要求的交易计划，要求交易计划发起者修改计划，并指出存在冲突的时间、地点等供发起者参考；对于满足网络运行要求但不符合网络经济运行的计划，通过调整区域网络使用费用等手段刺激交易商修改计划。
交易计划达成后，进入实时调度阶段。该阶段DER和用户对自身能量管理进行优化，确保其涉网电能符合交易计划的要求，以减少与交易计划不符导致的经济惩罚，并向计划发起者传送本地实时电能测量信息，作为交易事后结算凭证。交易发起者根据计划参与者提供的测量信息，自身智能做出实时调度控制决策。如计划参与者发电量不够，交易发起者可能调度自身的备用电源供电，或者在市场上发布新的超短期交易计划来补充原计划参与者发电量的不足。区域电网运行方在实时调度阶段通过对电网设备的控制调度确保区域电网的安全经济运行。
事后处理阶段，是由第三方根据交易计划的实际执行情况和预先约定的内容进行资金清算结算，进行收益分配，过程中存在的交易纠纷问题进行处理。涉及的各种信息将发送至能量管理信息库中，为后续发起/参与交易提供历史数据支持。
本发明的分布式电能资源接入运行系统完全适应区域电网市场化运行模式的要求，适应高渗透率DER接入运行的要求，可同时兼顾区域电网运行经济性和安全性，具有完全分散智能化控制特征。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统，其特征在于：所述区域电网架构包括第一层、第二层和第三层，第三层包括区域电源和区域负荷，第二层包括各级电能交易商和区域网络运行方，第一级包括为区域电网运行提供辅助服务的各种第三方机构，
针对区域电网架构设置区域网络能量管理系统和区域源/荷能量管理系统，
所述区域网络能量管理系统，包括专有的监控通信网络，所有区域网络调度控制用途的测量单元通过该监控通信网络向区域网络运行方发送监测信息，区域网络运行方基于监测信息做出区域网络能量管理相关的调度控制决策，并通过监控通信网向区域供电网络中相应设备发送控制命令，完成调度控制任务；
所述区域源/荷能量管理系统，以互联网作为通信网络，各级电能交易商、区域电源和区域负荷经由客户端接入互联网，在电能市场交易平台内进行电能交易，各自根据所达成的市场交易情况自主做出控制决策，完成调度控制任务；其它第三方机构，也接入互联网提供服务；
区域网络能量管理系统和区域源/荷能量管理系统之间建立通信，包括在区域网络能量管理系统专有的监控通信网络和区域源/荷能量管理系统的通信网络之间建立通信，区域网络能量管理系统能够在区域源/荷能量管理系统中发起电能交易，从区域电力网络安全经济运行的角度对区域源/荷能量管理系统内的市场交易进行计划核准和监控调度。
2.根据权利要求1所述基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统，其特征在于：一级交易商将经由互联网接入外部电能市场交易平台，根据在外部市场中达成的交易做出决策。
3.根据权利要求1或2所述基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统，其特征在于：所述区域网络能量管理系统设置有NEMS信息数据库，区域源/荷能量管理系统设置有SLEMS信息数据库，区域网络能量管理系统专有的监控通信网络设置NEMS代理，互联网中设置SLEMS代理，SLEMS代理和NEMS代理之间建立交互式通讯。
4.根据权利要求3所述基于区域电网架构的分布式电能资源接入运行系统，其特征在于：区域电网测控单元将区域电网各线路测量点的测量信息传递至监控通信网络，监测通信网络传来的信息储存到NEMS信息数据库，供网络运行方调取实现区域电网的安全经济调度；区域电网中的各类发电机构、用电单元和交易商，将交易信息上载至互联网，互联网将信息传输至SLEMS信息数据库储存，其中储存的数据能够被第三方机构、交易发起者和参与者调用；通过SLEMS代理和NEMS代理之间的交互式通讯，NEMS代理调取NEMS信息数据库中的信息提供给区域源/荷能量管理系统，SLEMS代理调取SLEMS信息数据库中的信息提供给区域网络能量管理系统。
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