以分布式光伏为代表的大规模分布式电源的接入给配电网运行带来深刻变化，配电能量管理系统（DEMS）是实现配电网协调运行的基本手段，它利用实时控制和通信技术实现更好地接入分布式电源，提升配电网运行效率。主动配电网是指实现了分布式发电和储能可控以及网络优化运行的配电网，并使得分布式电源在一定程度上提供系统辅助服务。采用传统集中式的调控体系发展主动配电网，面临着信息海量、维护困难、敏捷性差、可靠性低、隐私信息难以获取的挑战。这将促使集中式配电网的DEMS架构变革为分级分布式架构，决策机制由集中模式变革为自治与协调模式。为此，需要研究主动配电网的分布式集群优化调控的理论和方法。本文所介绍的“集群自律-多级协调”的主动配电网能量管理系统，一方面通过“集群控制”实现各集群自治，另一方通过各级调控层的协调实现集群以及全网的协同高效运行，并实现与已有调控系统的兼容。该系统在功能方面划分为包括分布式电源集群动态自治控制、区域集群间互补协同调控以及输配两级电网协调优化在内的3个层级，系统架构如图1所示。
图 1 主动配电网能量管理系统架构
相对于传统配电网，主动配电网的最主要增量是各类分布式电源。本文针对各类设备，综合考虑控制手段与电气参数，采用序分量方法建模，在保证模型可解性的前提下精细化地反映物理模型的真实属性。
在配电网络整体的建模方式方面，本文采用了扩展节点法，综合了节点法与回路法，其方程是传统节点电压方程与附加的元件方程的组合，可以表示回路电压、电流控制特性等一系列元件特性，方便地处理分布式电源模型，对于面向多电压等级、多线路结构、三相平衡与不平衡共存的主动配电网建模具有重要的作用。
配电网中含有大量的分布式能源资源设备，进行统一集中调度的计算复杂性较高，可以将每个集群内的设备作为一个整体，对各个集群进行优化调控，再进行任务分解，从而实现内部分布式电源的最优控制和响应上级调控目标。如图2所示，分布式电源集群通过形成集群等值模型，参与上级调度。各个集群将内部各类设备特性和网络约束特性进行聚合，聚合后等值模型体现的是该集群在并网点处的可调功率特性。等值模型既包括了每个时刻分布式电源集群可调有功和无功功率的能力范围，也包括了各个时刻之间可调功率的时间耦合约束特性信息。
图2 基于动态等值的集群协调调控框架
如图3所示，集群内部则采用基于多智能体的分布式集群控制架构，以解决集群控制的敏捷性和可靠性问题。其中，集群协调器给每个智能体（控制器）广播调控目标，每个智能体利用本地的测量以及与邻居的通信，通过迭代控制实现全局的最优，大幅降低全局的通信同步时延。另一方面，采用反馈在线优化模式，每个控制将最新的测量和邻居的信息作为每步迭代的反馈输入，并将每步迭代结果直接控制，降低模型误差引起的控制偏差。
图3 基于多智能体的分布式集群控制架构
分布式集群控制的核心是高效分布式求解算法。现有分布式算法只有一阶收敛性，本文提出了两类具有超线性收敛速度的分布式算法，大幅提升传统分布式算法的收敛速度，实现了分布式无功有功自律敏捷控制和集群友好并网。主动配电网的能量管理需要群间协调优化调度对可调资源进行合理调配，实现整个系统的经济安全运行，并为集群自治控制提供控制目标。与输电网相比，配电网有功和无功功率不解耦，基于直流潮流的有功调度不再适用，配电网群间的多时段优化问题本质上是一个混合整数非凸非线性规划问题。本文采用了基于凸松弛方法，将配电网协调优化问题转化为混合整数二阶锥优化问题进行有效求解。与直接求解交流最优潮流相比，此方法实现了更快的求解速度与更好的收敛性，保证了获得的最优调度策略的可行性。配电网在实时调度之后需要调节有功功率来实现安全校正控制，传统不确定性优化方法存在着过于保守等缺陷。本文提出了考虑可再生能源不确定性的实时调度方法，考虑了配电网的有功无功耦合特性，调度决策既保证后续校正控制的可行性，减小了实时调度与校正控制的总成本。利用概率统计信息进行建模，减少了决策的保守性，无须获取概率分布的具体形式，根据历史数据计算统计指标，更适合工程实践。输配电网协调优化运行可以实现输配网灵活资源的协同调控，提高配电网运行效率和分布式电源并网能力。首先将此问题分解成输电网主问题和各个配电网子问题，然后将配电网子问题投影到关于边界变量（参数）的最优成本函数，称为多参数空间投影分解法。采用多参数空间投影分解法，对于输电网和配电网的静态调度仅需交互一步即可得到最优解；对于考虑多时段耦合的输配动态协调调度时，与传统分解协调方法相比交互迭代次数可以减少一个数量级。“集群自律-多级协调”的主动配电网能量管理系统在多个实际电网系统中进行了示范应用。其中一个典型示范区域包括2个110 kV变电站，4个35 kV变电站以及上述变电站的所有下属10 kV馈线。按照拓扑关系和可控资源配置，将示范区划分为六大集群。集群间通过35 kV及以上输配线路进行联络。示范区域内光伏和风电装机容量分别为217 MW和100 MW，可再生能源渗透率达到270%。
本文讨论了主动配电网运行调控面临的技术挑战，构建了“集群自律-群间协调-输配协同”的主动配电网能量管理系统，分析了其中的关键技术。通过示范应用表明该系统架构较好地适应了分布式电源高渗透率配电网运行特点，具有很好的推广应用前景。同时，在工程应用中也遇到诸如实时量测不足无法保证系统可观测等问题，采用机器学习实现对这种非完全可观测系统的优化控制是进一步研究的方向。
