智能配電網(wǎng)有功自治互動建模研究

鄧?yán)ビ?，汪鳳嬌，饒 杰

（1.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山 528000；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640）

智能配電網(wǎng)有功自治互動建模研究

鄧?yán)ビ?，汪鳳嬌2，饒 杰1

（1.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山 528000；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640）

為解決配電網(wǎng)峰谷差日益增大的現(xiàn)實問題，從經(jīng)濟性、對環(huán)境的影響和對資源的需求等方面對現(xiàn)有削峰填谷措施進(jìn)行了對比分析，并提出電網(wǎng)主動式互動型智能配電網(wǎng)的理念；在深入研究小區(qū)與配電網(wǎng)之間自治互動工作模式的基礎(chǔ)上，建立了調(diào)配方案的統(tǒng)一模型，并分析了不同的優(yōu)化目標(biāo)及其求解方法；最后采用動態(tài)規(guī)劃法對模型進(jìn)行求解和算例驗證，結(jié)果表明方案可行。

智能配電網(wǎng)；削峰填谷；動態(tài)規(guī)劃法；有功自治

0 引言

最近幾年來，隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展和電力體制改革及電源建設(shè)步伐的加快，長期制約我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的電力供應(yīng)緊缺問題基本上得到緩解。但是，由于用電結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生根本性的變化，必將造成電網(wǎng)峰谷差日益增大，峰谷比下調(diào)，調(diào)峰能力下降[1]?，F(xiàn)階段，我國峰谷比大約為10∶0.7，美國峰谷比為1∶0.25，俄羅斯、日本等峰谷比分別為1∶0.52、1∶0.4。由此可見，我國用電結(jié)構(gòu)面臨的調(diào)峰任務(wù)和壓力日益嚴(yán)峻。

居民用電峰谷是造成電網(wǎng)季節(jié)性峰谷的主要原因，在居民用電負(fù)荷中，（晚7點至9點）空調(diào)對電網(wǎng)最高負(fù)荷起決定性作用[2]。目前常用的削峰填谷技術(shù)措施有：采用蓄冷蓄熱技術(shù)、抽水蓄能、電池儲能、調(diào)整輪休制度、拉閘限電等。

電力蓄冷蓄熱技術(shù)使用條件有比較大的限制，需要有明顯的峰谷電價差，而且綜合經(jīng)濟技術(shù)要比較合理[3]；抽水蓄能電站可將電網(wǎng)負(fù)荷低時的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時期的高價值電能，但投資昂貴[4-5]；電池儲能方面，由于在成本和效率方面具有的突出優(yōu)點，液流蓄電應(yīng)是大規(guī)模電能儲存的首選技術(shù)之一[6-7]；超級電容是目前儲能方面的研究熱點，利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量，但在實際中推廣應(yīng)用還尚需時日。傳統(tǒng)粗放式拉閘限電雖能顯著解決電壓尖峰，但卻會影響生產(chǎn)生活用電。

由此可見，現(xiàn)有調(diào)峰調(diào)谷手段在經(jīng)濟性及環(huán)境保護(hù)方面均存在不同程度的缺陷。因此，如何在電力供應(yīng)不足的情況下，為用戶制定合理科學(xué)的拉閘限電方案，使其按照公平、公正、公開的原則，實現(xiàn)社會和供電企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟效益最優(yōu)化，成為電力公司急需解決的問題。

本文提出了電網(wǎng)主動式互動型智能配電網(wǎng)的理念，首先詳細(xì)闡述了小區(qū)與配電網(wǎng)之間的自治互動工作模式，建立了調(diào)配方案的統(tǒng)一模型，并在其基礎(chǔ)上針對不同的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了細(xì)化研究。最后采用動態(tài)規(guī)劃法對模型進(jìn)行求解和算例驗證，結(jié)果表明方案可行。

1 主動式互動型智能配電網(wǎng)

主動式互動型智能配電網(wǎng)是本文提出的一種新理念，它是指電網(wǎng)公司仍然處于主導(dǎo)地位，但是增加了用戶與電網(wǎng)公司的互動環(huán)節(jié)，其核心是如何將功率最為合理地分配給相應(yīng)的用戶，體現(xiàn)出智能性。增強與用戶的互動性，可使電量的生產(chǎn)和使用更有計劃性，更有利于電網(wǎng)公司管理。

基于自治互動的調(diào)控技術(shù)，其工作模式大致可以分為三種。

第一種為計劃限電，在用電高峰期，電網(wǎng)公司根據(jù)以往的負(fù)荷情況預(yù)測近期各區(qū)域用電負(fù)荷，再根據(jù)電網(wǎng)供電量、各小區(qū)變壓器容量等實際情況生成各小區(qū)限電策略。

第二種為小區(qū)自治調(diào)控，當(dāng)小區(qū)突發(fā)緊急用電事故時，居民樓調(diào)控裝置采集實時數(shù)據(jù)信息，上傳給小區(qū)調(diào)控裝置。小區(qū)調(diào)控裝置制定限電方案，再發(fā)送給相應(yīng)的居民樓控制裝置，完成負(fù)荷的切除。

第三種為小區(qū)與電網(wǎng)互動調(diào)控，根據(jù)小區(qū)用戶等級，用電情況等信息，物業(yè)管理員制定相應(yīng)的限電方案，通過小區(qū)調(diào)控裝置返回給電網(wǎng)公司管理軟件。管理軟件對小區(qū)上傳的控制方案進(jìn)行判斷，然后將決策命令反饋給小區(qū)調(diào)控裝置。若反饋的命令為該限電方案可行，則小區(qū)調(diào)控裝置將調(diào)控命令發(fā)送給各居民樓調(diào)控裝置，由各居民樓調(diào)控裝置對斷路器進(jìn)行相應(yīng)的動作，完成限電策略；反之則中止限電方案。

計劃限電和電網(wǎng)與小區(qū)的互動調(diào)控工作模式比較簡單，可直接進(jìn)行人工控制，無需自動控制，而第二種小區(qū)自治調(diào)控方式需由調(diào)控裝置自主調(diào)控，因此只針對小區(qū)的自治調(diào)控工作模式進(jìn)行算法研究。

2 自治互動數(shù)學(xué)建模

數(shù)學(xué)建模是自治互動調(diào)控技術(shù)的基礎(chǔ)，將這一具體工程實際問題抽象化，變?yōu)閿?shù)學(xué)領(lǐng)域的問題，并從數(shù)學(xué)邏輯上對該問題加以研究解決。

小區(qū)的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型如下：

其中：λi用以表示用戶實時用電情況，λi=1表示用戶處于用電狀態(tài)，λi=0反之，其初始值設(shè)為1；ni表示每棟樓的用戶數(shù)；pi表示每棟樓的用戶平均有功功率；n為小區(qū)的樓棟數(shù)。

3 優(yōu)化目標(biāo)及算法研究

根據(jù)小區(qū)的自治調(diào)控的工作模式，其優(yōu)化目標(biāo)主要包括功率最優(yōu)、停電次數(shù)最優(yōu)和供電可靠性優(yōu)化三種情況，下面分別討論。

3.1 功率最優(yōu)

以功率最大化為優(yōu)化目標(biāo)，按照供電公司所給的可供功率，盡可能地尋找最接近或者相等的供電組合，即功率浪費最少。

其中：Pi為每棟樓的總功率。

這屬于單一優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)只有單一解，解決這種問題最簡單的方法就是枚舉法，選出最接近供電公司可供有功功率限額的供電方案，進(jìn)行供電，無須考慮其他約束條件。除了枚舉法之外還可以利用查表法，首先將樓棟功率的所有組合以表格的形式存放，組合功率之和按從小到大排列。每次收到供電公司可供有功功率限額之后，按照可供有功功率限額的大小來進(jìn)行查表，選擇最相近的組合，這樣問題就變成了單純的比較大小問題。

3.2 停電次數(shù)最優(yōu)

以用戶停電次數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，每次停電時，羅列出所有的可供停電組合，按照用戶的已停電次數(shù)來選擇停電組合，使所有用戶的停電次數(shù)基本相等。

其中：ti為每棟樓用戶停電次數(shù)。

輪流停電需要注意每棟樓用戶的停電次數(shù)，每次停電時需要考慮該棟樓以前的停電狀態(tài)，即過去狀態(tài)會影響當(dāng)前狀態(tài)，需要選擇一定的循環(huán)方式，將樓棟重新排列，避免特定樓宇重復(fù)停電的情況出現(xiàn)，盡量使樓棟停電次數(shù)接近。輪流停電就用戶來說應(yīng)該是最好的，因為停電次數(shù)比較平均。可以采用兩種方式：（1）按固定時間循環(huán)，每周、每月或者每季度結(jié)束之后將樓棟序列號按照一定的方式，例如按樓棟數(shù)循環(huán)滾動、按照停電次數(shù)的多少進(jìn)行重新排列、相鄰樓棟交換排列等；（2）按特定日區(qū)分：將樓棟分為工作日可停電和周末可停電兩組，在一定時間之后，調(diào)換兩組中的樓棟序列，或?qū)菞澃凑罩芤坏街苋罩心程炜赏ｋ姺诸?，需要停電時就從當(dāng)天可以停電的樓棟中選擇，一定時間后調(diào)整可停電日期。

3.3 供電可靠性優(yōu)化

以電力系統(tǒng)可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，盡量較少停電用戶數(shù)，使可以供電的用戶數(shù)達(dá)到最大，以保障電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

式（4）中：Ni為每棟樓的供電用戶數(shù)。

由于供電可靠性由戶均停電時間決定，因此該問題要使供電用戶數(shù)最多，即：如何選取供電的樓棟數(shù)，使供電的樓棟總有功功率小于等于供電公司可供有功功率限額，而且使可供電用戶數(shù)最多。該問題可借助數(shù)學(xué)領(lǐng)域的背包問題來解決，背包問題是一種組合優(yōu)化的問題，問題可以描述為：給定一組物品，每種物品都有自己的重量和價格，在限定的總重量內(nèi)，如何選擇，才能使得物品的總價格最高，問題的名稱來源于如何選擇最合適的物品放置于給定背包中。背包問題的典型算法有枚舉法、回溯法和動態(tài)規(guī)劃法等，本文最后采用動態(tài)規(guī)劃法對算例進(jìn)行求解。

動態(tài)規(guī)劃的基本思想就是將求解的較大問題一層一層地分解為較小的同類子問題，直到可以直接求出子問題的解為止。原問題的解依賴于所有大量的重復(fù)。而動態(tài)規(guī)劃相應(yīng)的特點就是對于重復(fù)出現(xiàn)的子問題只在第一次遇到時加以求解，并把答案保存起來，讓以后再遇到時直接引用，不必重新求解，從而節(jié)省大量的計算時間[8-9]。

就供電可靠性優(yōu)化問題而言，用背包問題描述為，將n棟樓放入功率為P的背包中，使供電用戶數(shù)最大。參考0-1背包問題的解法思路，用子問題定義狀態(tài)：即 f[i][P]表示前i棟樓的功率正好等于供電局可供有功功率限額，它們可供電用戶數(shù)。則其狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

“將前i棟樓放入容量為P的背包中”這個子問題，若只考慮第i棟樓的策略（供或不供），那么就可以轉(zhuǎn)化為一個只牽扯前i-1棟樓的問題。如果不供第i棟樓，那么問題就轉(zhuǎn)化為“將前i-1棟樓放入P的供電解集中”，供電用戶數(shù)為f[i-1][P]；如果供第i棟樓，那么問題就轉(zhuǎn)化為“前i-1棟樓放入剩下的功率為P-p[i]的供電解集中”，此時能獲得的最大用戶數(shù)就是 f[i-1][P-p[i]]再加上通過放入第i棟樓增加的供電用戶數(shù)n[i]，具體算法流程圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)規(guī)劃算法流程圖

4 算法驗證

采用的算例為一個四樓宇的小區(qū)，小區(qū)基本參數(shù)包括樓宇數(shù)、各樓宇有功功率實時值、各樓宇實時用電戶數(shù)及小區(qū)有功功率限額，具體計算數(shù)據(jù)見表1。

表1 原始計算數(shù)據(jù)

采用橫向和縱向兩種方式進(jìn)行比較分析，以驗證算法的有效性。橫向比較，即各樓宇用電用戶數(shù)不變，功率限額變化；縱向比較，即各樓宇用電用戶數(shù)變化，功率限額不變。

對數(shù)據(jù)1分別按可供有功為100 kW和120 kW進(jìn)行了計算，可供有功為100 kW時，1、2號棟樓的功率和為92.51，小于供電局可供有功功率100，可供電用戶數(shù)為50，為當(dāng)前用戶數(shù)最大，所以1、2號樓繼續(xù)供電，3、4號樓停電，同理可供有功為120 kW，2、3號樓繼續(xù)供電，1、4號樓停電，計算結(jié)果準(zhǔn)確無誤。

對數(shù)據(jù)2和數(shù)據(jù)3按可供有功為110 kW進(jìn)行了計算，樓宇數(shù)同為4，但各樓宇有功功率和用戶數(shù)不同，因而兩組的結(jié)果不同，數(shù)據(jù)2計算結(jié)果為1、4號樓繼續(xù)供電，2、3號樓停電，數(shù)據(jù)3計算結(jié)果為3、4號樓繼續(xù)供電，1、2號樓停電,計算結(jié)果與理論結(jié)果相符。

5 結(jié)論

本文提出了主動式互動型智能配電網(wǎng)這一理念，在此基礎(chǔ)上研究了自治互動技術(shù)工作模式。采用理論分析和算例驗證相結(jié)合的方法對自治互動調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了研究，以小區(qū)為研究對象，建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，最后采用動態(tài)規(guī)劃法對算例進(jìn)行了求解，結(jié)果與理論分析相符，表明文中提出的自治互動技術(shù)可行。

［1］中電聯(lián)統(tǒng)計信息部.2011年全國電力供需與經(jīng)濟運行形勢分析預(yù)測報告［R］.中國電力企業(yè)聯(lián)合會，2012.

［2］楊建萍.南京市居民用電負(fù)荷特性分析與思考［J］.電力需求側(cè)管理，2002，4（2）：24-27.

［3］張永銓.中國蓄冷技術(shù)現(xiàn)狀與展望［A］.2005中日熱泵蓄能技術(shù)與產(chǎn)品交流會論文集［C］.2005：19-23.

［4］顧曉亮.抽水蓄能電站效益綜合評價研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

［5］Hively，D.Gardner，Johannes，T.Ferguson，J.Energy Storage Methods for Renewable Energy Integration and Grid Support［A］.Energy 2030 Conference［C］，2008：1-6.

［6］王保國，陳金慶，朱順泉.發(fā)展蓄電儲能技術(shù)實現(xiàn)電力能源可持續(xù)發(fā)展［A］.第一屆循環(huán)經(jīng)濟與生態(tài)工業(yè)學(xué)術(shù)研討會論文集［C］，2006：258-267.

［7］趙建成，周喆，安愛明，等.電力需求側(cè)管理-削峰填谷各種措施的對比分析［A］.北京市土木建筑學(xué)會第一屆暖通空調(diào)專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會論文集［C］，2006：190-195.

［8］曹周進(jìn).0-1背包問題之窮舉、搜索、動態(tài)規(guī)劃算法探討 ［J］.電腦知識與技術(shù)，2009，5（12）：3193-3194.

［9］王樂，王世卿，張靜樂，等.基于Matlab的0-1背包問題的動態(tài)規(guī)劃方法求解［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2006，16（4）：88-89，92.

Modeling of Active and Autonomous Interaction in Smart Distribution Grid

DENG Kun-ying1，WANG Feng-jiao2，RAO Jie1
（1.Foshan Power Supply Bureau，F(xiàn)oshan 528000，China；2.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

To solve the growing problems of poor distribution network of peak-valley，existing measures of peak load shifting were compared from the economy，the environmental impact and demand for resources.The concept of active interactive smart distribute grid was put forward.Based on the analysis of the interactive modes between the community and the distribution network，uniform model of deployment was established.The different optimization targets and their algorithm were discussed.Finally，the method of dynamic programming was used for the model calculation and example verification.The results showed that the scheme is feasible.

smart distribution grid；peak load shifting；self-regulation dynamic programming；active interactive

TM76

A

1009－9492(2014)02－0004－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.002

鄧?yán)ビ?，男?972年生，廣東茂名人，碩士研究生，高級工程師。研究領(lǐng)域：電網(wǎng)運行方式、調(diào)度管理、停電檢修策略。

(編輯：阮 毅)

2013－08－25