冼鐘業(yè)，左 婧，萬中田，馬文琳，鄧奕星

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528200；2.廣東南海電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，廣東 佛山 528200；3.國(guó)電華研電力科技有限公司，廣東 廣州 510030)

1 引 言

我國(guó)在2020年聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出中國(guó)將于2030年將碳排放量[1]達(dá)到峰值并于2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月在氣候雄心峰會(huì)上就雙碳目標(biāo)[2]做出進(jìn)一步規(guī)劃，作為全球最大的發(fā)展中國(guó)家，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)未來挑戰(zhàn)嚴(yán)峻。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，電力設(shè)備逐年增多。配電網(wǎng)[3]作為輸電網(wǎng)與用電側(cè)的連接設(shè)備，在電力系統(tǒng)中起到的作用巨大。電力負(fù)荷[4]增長(zhǎng)迅速，峰谷落差大等問題的出現(xiàn)，更是給配電網(wǎng)帶來“低電壓”“標(biāo)準(zhǔn)低”以及“聯(lián)系弱”問題。針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)中成本高技術(shù)落后的問題，提出高效簡(jiǎn)潔的配電網(wǎng)共享儲(chǔ)能方法，成為整個(gè)電力行業(yè)都迫切需要解決的問題之一。

文獻(xiàn)[5]方法通過對(duì)配電網(wǎng)儲(chǔ)能運(yùn)行狀態(tài)的分析，確定了配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能優(yōu)先級(jí)；依據(jù)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及網(wǎng)損節(jié)點(diǎn)建立目標(biāo)函數(shù)；使用粒子群算法優(yōu)化配電網(wǎng)充放電功率，獲取儲(chǔ)能的最佳配置容量，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能共享。該方法由于未能對(duì)配電網(wǎng)電力信號(hào)進(jìn)行去噪處理，導(dǎo)致該方法無法處理的儲(chǔ)能充放電功率低。文獻(xiàn)[6]方法首先確定購(gòu)電、網(wǎng)損、投資等成本指標(biāo)，并建立配電網(wǎng)運(yùn)行模型，依據(jù)時(shí)間尺度對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算；通過運(yùn)行結(jié)果構(gòu)建儲(chǔ)能選址定容模型，設(shè)定配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓約束范圍，根據(jù)二階規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能優(yōu)化，完成儲(chǔ)能共享。該方法進(jìn)行二階規(guī)劃時(shí)存在問題，所以該方法的共享效果差。文獻(xiàn)[7]方法依據(jù)條件的風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值改進(jìn)置信區(qū)間，通過供需平衡角度建立風(fēng)險(xiǎn)成本模型；使用定量評(píng)估法評(píng)價(jià)邊界的潛在損失；綜合配電網(wǎng)架構(gòu)。建立安全與經(jīng)濟(jì)性并存的儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能的優(yōu)化配置，完成儲(chǔ)能共享。該方法在進(jìn)行潛在損失評(píng)估時(shí)存在誤差，因此，該方法的電網(wǎng)儲(chǔ)能共享性能差。

為解決上述配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享過程中存在的問題，提出雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲(chǔ)能技術(shù)研究。

2 配電網(wǎng)信號(hào)去噪

在對(duì)配電網(wǎng)儲(chǔ)能[8]資源進(jìn)行儲(chǔ)能共享前，需要使用高斯濾波器對(duì)配電網(wǎng)中的噪聲信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

2.1 濾波器原理

高斯濾波器[9]在進(jìn)行信號(hào)去噪時(shí)，通過高斯核函數(shù)對(duì)原始噪聲信號(hào)進(jìn)行卷積，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)去噪。首先設(shè)定一維的高斯函數(shù)為g(t,σ)，表達(dá)如式(1)所示：

(1)

式中:σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方差；t為卷積時(shí)間標(biāo)記；exp為指數(shù)函數(shù)。利用上述高斯函數(shù)[10]對(duì)配電網(wǎng)噪聲信號(hào)進(jìn)行卷積，結(jié)果如式(2)所示：

S(t,σ)=f(t)×g(t,σ)

(2)

式中；×為卷積運(yùn)算符號(hào)；g(t,σ)為高斯濾波器；f(t)為一維函數(shù)；S(t,σ)為濾波結(jié)果。高斯濾波器能夠通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差的控制來調(diào)整噪聲信號(hào)[11]的平滑程度，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)噪聲信號(hào)的去噪。

2.2 去噪算法

設(shè)定配電網(wǎng)的電力信號(hào)為f(m)，其中信號(hào)的采樣時(shí)間標(biāo)記m，濾波權(quán)值用w(m,σ)，原始電力信號(hào)標(biāo)記f0(m)，平滑去噪后的濾波器輸出標(biāo)記fk+1(m)，窗口內(nèi)權(quán)值標(biāo)記wk(m+i,σ)，窗口長(zhǎng)度用(2M+1)表示，通過計(jì)算可獲取信號(hào)在k+1次迭代后的濾波器輸出，過程如式(3)所示：

(3)

式中：i為常數(shù)；M為信號(hào)數(shù)量。當(dāng)濾波器的窗口內(nèi)權(quán)值為1時(shí)，通過濾波器對(duì)配電網(wǎng)電力信號(hào)進(jìn)行平滑處理，保留未發(fā)生變異的電力信號(hào)[12]。通常情況下，由于配電網(wǎng)電力信號(hào)的位置與幅度是未知的，所以不能隨意更改信號(hào)權(quán)值，這時(shí)就需要利用導(dǎo)數(shù)運(yùn)算方法修正濾波器權(quán)重系數(shù)，過程如式(4)所示：

(4)

2.3 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差性能分析

由于電力信號(hào)在平滑去噪時(shí)，濾波器權(quán)重系數(shù)wk(m,σ)的高低，是通過電力信號(hào)一階導(dǎo)數(shù)與信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差σ之間的占比來決定的。因此需要通過恒定參數(shù)σ控制信號(hào)的迭代變異信息以及信號(hào)的平滑程度，過程中需要對(duì)濾波器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，結(jié)果如下：

(2)當(dāng)wk(m,σ)較小時(shí)，信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差小于信號(hào)一階導(dǎo)數(shù)，迭代后的信號(hào)以及迭代突變數(shù)據(jù)發(fā)生融合，增強(qiáng)電力信號(hào)噪聲。

(3)當(dāng)wk(m,σ)為0時(shí)，信號(hào)[13]導(dǎo)數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)方差大致相同，迭代突變信息留存較完整。

基于上述可知，信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)方差取值的大小，能夠決定信號(hào)的去噪效果。

2.4 去噪流程

配電網(wǎng)電力信號(hào)去噪具體流程如下：

(1)對(duì)電力原始信號(hào)進(jìn)行采樣處理。

(2)設(shè)定迭代次數(shù)。

(4)選取不同的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)方差對(duì)導(dǎo)數(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算，獲取信號(hào)濾波的權(quán)重系數(shù)。

(5)選取不同的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)方差對(duì)配電網(wǎng)電力信號(hào)進(jìn)行平滑去噪，使用窗口模板計(jì)算信號(hào)關(guān)聯(lián)程度，過程如式(5)所示：

(5)

式中：fk+1(m)為信號(hào)的窗口關(guān)聯(lián)程度；i為常數(shù)。

(6)對(duì)迭代次數(shù)進(jìn)行辨別，當(dāng)k=K時(shí)，迭代結(jié)束，至濾波器[14]中輸出平滑后電力信號(hào)，完成配電網(wǎng)電力信號(hào)的去噪處理。

3 配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享技術(shù)

3.1 確定等效集中儲(chǔ)能參數(shù)

由于配電網(wǎng)中各項(xiàng)儲(chǔ)能資源儲(chǔ)存位置分散利用率低，所以需要整合配電網(wǎng)各項(xiàng)儲(chǔ)能[15]資源?；谏鲜鋈ピ胄盘?hào)獲取配電網(wǎng)的等效集中參數(shù)。

首先設(shè)定配電網(wǎng)儲(chǔ)能為SOC，初始儲(chǔ)能標(biāo)記SOC0，儲(chǔ)能最大充電功率標(biāo)記Pchmax、最大放電功率標(biāo)記Pdismax，對(duì)配電網(wǎng)的充放電功率進(jìn)行獲取，過程如式(6)所示：

(6)

式中：Pirate為第i種儲(chǔ)能的額定功率，kW；Pich為充電功率，kW;Pidis為放電功率，kW;Pallch為配電網(wǎng)總充電功率，kW;Palldis為總放電功率，kW;N為儲(chǔ)能總數(shù)量；fch、fdis分別為儲(chǔ)能函數(shù)?；谏鲜鲇?jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的聚合，由于配電網(wǎng)中各項(xiàng)儲(chǔ)能的額定功率[16]充放電時(shí)長(zhǎng)不同，所以需要對(duì)相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能參數(shù)進(jìn)行表示，結(jié)果如式(7)所示：

(7)

式中：Pallrate為等效集中的儲(chǔ)能額定功率，kW;Sallrate為額定容量，kW·h;ηallch為集中充電功率，kW;ηalldis為等效風(fēng)電功率；Pirate、Sirate、ηich分別為儲(chǔ)能i的額定功率、額定容量以及充放電功率。

在雙碳目標(biāo)下，碳排放量[17]作為衡量共享儲(chǔ)能效果的關(guān)鍵指標(biāo)，獲取過程如式(8)所示：

Q(t)=λPallrate

(8)

式中：λ為電網(wǎng)儲(chǔ)能的等效碳排放量系數(shù)；Q(t)為碳排放量，kg。

3.2 建立儲(chǔ)能共享模型

3.2.1 建立目標(biāo)函數(shù)

由于配電網(wǎng)中各項(xiàng)儲(chǔ)能受電網(wǎng)削峰填谷以及電網(wǎng)壓力影響，所以需要基于電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)以及電壓差建立共享儲(chǔ)能模型的目標(biāo)函數(shù)，其中電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)[18]獲取過程如式(9)所示：

(9)

式中：K為電網(wǎng)負(fù)荷功率區(qū)間數(shù)量；Mj為功率區(qū)間j的負(fù)荷數(shù)量；Pjavrload為功率平均值；Pjess為儲(chǔ)能的總有功出力；Pavrload為配電網(wǎng)全時(shí)段功率平均值；fΔP為獲取的配電網(wǎng)全時(shí)段負(fù)荷波動(dòng)。而配電網(wǎng)的電壓偏差則如式(10)所示：

(10)

式中：fΔU為配電網(wǎng)電壓偏差；R為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Uji為負(fù)荷功率區(qū)間j的電壓幅值；Uexp為期望電壓?；谏鲜鲇?jì)算結(jié)果完成目標(biāo)函數(shù)的建立，描述成minF=[fΔP,fΔU]形式。

3.2.2 約束條件

為規(guī)避儲(chǔ)能共享對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，需要提出電壓范圍、儲(chǔ)能充放電功率以及二氧化碳排放量[19]范圍等相關(guān)約束條件。具體約束范圍如式(11)所示：

(11)

式中：Umin、Umax為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓上下限；-Pallrate、Pallrate分別為額定功率上下限；Qmin(t)、Qmax(t)分別為配電網(wǎng)二氧化碳排放量上下限。

3.3 儲(chǔ)能共享

3.3.1 建立模型

基于上述獲取的配電網(wǎng)[20]等效集中參數(shù)、建立的目標(biāo)函數(shù)以及制定的約束條件，建立配電網(wǎng)的儲(chǔ)能共享模型，過程如式(12)所示：

(12)

式中：SOCgx為建立的配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享模型。

3.3.2 模型求解

采用粒子群算法對(duì)配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享模型進(jìn)行求解，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的儲(chǔ)能共享。過程如下：

(1)采集配電網(wǎng)各項(xiàng)參數(shù)以及儲(chǔ)能參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行初始化。

(2)計(jì)算配電網(wǎng)儲(chǔ)能等效集中參數(shù)。

(3)預(yù)測(cè)配電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)、計(jì)算負(fù)荷功率并對(duì)比各時(shí)段配電網(wǎng)負(fù)荷功率占比。

(4)依據(jù)構(gòu)建的共享模型，使用粒子群算法進(jìn)行模型求解，輸出共享結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證上述配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享方法的整體有效性，需要對(duì)此方法進(jìn)行測(cè)試。

分別采用雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲(chǔ)能技術(shù)研究(本文所提方法)、基于網(wǎng)損靈敏度方差的配電網(wǎng)分布式儲(chǔ)能位置與容量?jī)?yōu)化配置方法(文獻(xiàn)[5]方法)、主動(dòng)配電網(wǎng)中計(jì)及靈活性不足風(fēng)險(xiǎn)的儲(chǔ)能優(yōu)化配置(文獻(xiàn)[7]方法)進(jìn)行測(cè)試。

配電網(wǎng)儲(chǔ)能在共享過程中，充放電功率的高低、目標(biāo)函數(shù)的大小以及共享性能的優(yōu)劣都會(huì)給配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享效果帶來巨大影響。將上述三項(xiàng)指標(biāo)設(shè)定為測(cè)試指標(biāo)，采用本文所提方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行儲(chǔ)能共享時(shí)，完成三項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。

1)充放電功率測(cè)試

配電網(wǎng)進(jìn)行儲(chǔ)能共享過程中，充放電功率的高低會(huì)直接給共享效果帶來影響，采用本文所提方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行儲(chǔ)能共享，對(duì)過程中產(chǎn)生的儲(chǔ)能充放電功率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

分析圖1(a)可知，本文所提方法測(cè)試出的配電網(wǎng)儲(chǔ)能充電功率高于其他兩種方法，文獻(xiàn)[5]方法測(cè)試結(jié)果略低于本文所提方法，文獻(xiàn)[7]方法測(cè)試結(jié)果較不理想。而在圖1(b)中，本文所提方法測(cè)試出的配電網(wǎng)儲(chǔ)能放電功率測(cè)試結(jié)果也高于文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[7]方法。在測(cè)試初期，文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法測(cè)試出的儲(chǔ)能放電功率相差較小，但是隨著配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的不斷增加，兩種方法的測(cè)試結(jié)果逐漸拉開距離。這主要是因?yàn)楸疚乃岱椒ㄔ谶M(jìn)行儲(chǔ)能共享時(shí)，利用了高斯濾波器對(duì)配電網(wǎng)噪聲信號(hào)進(jìn)行了去噪處理。所以本文所提方法在進(jìn)行配電點(diǎn)儲(chǔ)能共享時(shí)，儲(chǔ)能的充放電功率高。

圖1 不同方法的配電網(wǎng)儲(chǔ)能充放電功率測(cè)試結(jié)果

2)去噪前后上級(jí)電網(wǎng)總注入有功曲線對(duì)比測(cè)試

上級(jí)電網(wǎng)在進(jìn)行有功功率注入時(shí)，注入的總有功功率方差值大小可以影響功率波動(dòng)，波動(dòng)越大共享效果越差，反之則越好。利用本文所提方法進(jìn)行儲(chǔ)能共享時(shí)，對(duì)去噪前后的配電網(wǎng)上級(jí)總有功功率注入時(shí)的功率波動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 去噪前后上級(jí)電網(wǎng)總注入有功功率波動(dòng)曲線測(cè)試結(jié)果

分析圖2可知，本文所提方法在去噪前測(cè)試出的上級(jí)電網(wǎng)總注入有功功率曲線波動(dòng)幅度遠(yuǎn)高于去噪后的功率波動(dòng)幅度測(cè)試結(jié)果。這主要是因?yàn)楸疚乃岱椒ㄔ谶M(jìn)行配電網(wǎng)信號(hào)去噪過程中，對(duì)配電網(wǎng)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差性能進(jìn)行了具體分析，降低了功率的方差值，所以本文所提方法在儲(chǔ)能共享過程中，上級(jí)電網(wǎng)總注入有功功率波動(dòng)幅度小。

3)共享性能對(duì)比

基于上述測(cè)試結(jié)果，采用上述三種儲(chǔ)能共享方法進(jìn)行配電網(wǎng)的儲(chǔ)能共享，測(cè)試三種方法的共享性能。結(jié)果如表1所示。

表1 不同共享方法的共享性能測(cè)試結(jié)果

分析表1可知，本文所提方法測(cè)試出的配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享節(jié)點(diǎn)、儲(chǔ)能額定功率以及額定容量均高于文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[7]方法。證明本文所提方法在進(jìn)行配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享時(shí)的共享性能優(yōu)異。

綜上所述，本文所提方法在進(jìn)行配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享時(shí)，儲(chǔ)能的充放電功率高、上級(jí)電網(wǎng)總注入有功功率波動(dòng)幅度小、共享性能好。

5 結(jié) 語

隨著雙碳目標(biāo)的提出，國(guó)家積極重視配電網(wǎng)儲(chǔ)能削峰填谷、電壓差大等弊端。基于該項(xiàng)問題提出雙碳目標(biāo)下的電網(wǎng)共享儲(chǔ)能技術(shù)研究。該方法首先對(duì)配電網(wǎng)信號(hào)噪聲進(jìn)行平滑去噪處理，確定等效集中儲(chǔ)能參數(shù)；建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件建立配電網(wǎng)儲(chǔ)能共享模型；使用該模型完成配電網(wǎng)的儲(chǔ)能共享，該方法由于在確定等效儲(chǔ)能參數(shù)時(shí)存在問題，今后會(huì)針對(duì)該項(xiàng)問題繼續(xù)優(yōu)化該儲(chǔ)能共享方法。