基于分布式電源和需求響應(yīng)的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃

李金煬，唐惠玲

（廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣州 510006）

近年，分布式發(fā)電技術(shù)得到大力發(fā)展。分布式電源的加入使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單一電源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)、多電源的復(fù)雜配電系統(tǒng)即主動(dòng)配電網(wǎng)ADN（active distribution network），但增加了電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)、規(guī)劃和運(yùn)行的不確定性。為了提高主動(dòng)配電網(wǎng)的靈活性，可適當(dāng)?shù)匾胄枨箜憫?yīng)DR（demand response）機(jī)制。通過(guò)基于主動(dòng)配電網(wǎng)與DG、用戶負(fù)荷之間的協(xié)調(diào)機(jī)理，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行綜合規(guī)劃。

針對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行相關(guān)研究并取得了很多成果。文獻(xiàn)[1-2]將不同種類(lèi)的分布式電源接入配電網(wǎng)進(jìn)行選址定容規(guī)劃，但沒(méi)能考慮需求側(cè)響應(yīng)融入電網(wǎng)及對(duì)配電網(wǎng)的影響；文獻(xiàn)[3]討論了具體的分布式電源類(lèi)型和需求響應(yīng)及其協(xié)調(diào)優(yōu)化配置問(wèn)題，而約束的設(shè)置問(wèn)題欠妥?？梢?jiàn)，對(duì)含有分布式電源的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃還不夠全面，需要更全面的研究，特別是融合了需求側(cè)響應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)的影響。

本文在主動(dòng)配電網(wǎng)中引入了分布式電源和需求響應(yīng)，建立基于分布式電源和融合需求響應(yīng)的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃框架，并利用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法來(lái)進(jìn)行DG的選址定容，并獲得最佳需求側(cè)響應(yīng)方案。最后，以IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行綜合性比較驗(yàn)證。

1 基于分布式電源和需求側(cè)響應(yīng)的綜合規(guī)劃模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

在主動(dòng)配電網(wǎng)中接入DG并考慮需求側(cè)響應(yīng)，DG和DSR都能夠影響配電網(wǎng)的負(fù)荷，在進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃時(shí)便提高了可調(diào)控性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以更加靈活。針對(duì)分布式電源接入AND的定容選址問(wèn)題尋求最優(yōu)解，在其可靠、安全的基礎(chǔ)上達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。本文建立2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，包括系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和需求側(cè)響應(yīng)目標(biāo)。

1.1.1 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)

DG加入到配電網(wǎng)中，使配電網(wǎng)運(yùn)行操作更加靈活?？紤]含有DG的單輻射線路，如圖1所示。

圖1 含DG的單輻射線路Fig.1 One single feeder connected with DG

圖中：Pi+jQi為DG的注入功率；R+jX為支路阻抗；Pc+jQc為負(fù)載消耗。根據(jù)圖1所示，本文系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)包含系統(tǒng)的網(wǎng)損、分布式電源的投資及運(yùn)行維護(hù)成本、線路運(yùn)行成本和外購(gòu)電成本等因素。其表示為

式中：TC為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)總成本；Closs為線路運(yùn)行和損耗成本；CDG為分布式電源的投資及運(yùn)行維護(hù)成本；CB為外購(gòu)電成本。

式中：Cs為單位售電價(jià)格（元/kW·h）；b為配電網(wǎng)系統(tǒng)的總支路數(shù)；plossi為第i條支路的有功網(wǎng)損功率；τmaxi為第i條支路的年最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)。

式中：NDG為DG的個(gè)數(shù)；r為貼現(xiàn)率；m為DG的使用年限；ci為在節(jié)點(diǎn)i處接入單位容量DG的投資費(fèi)用（萬(wàn)元）；CDGi為節(jié)點(diǎn) i處接入 DG 的容量；ΔEDGi為第i個(gè)分布式電源總的電量損失值（104kW·h）；Wi為在節(jié)點(diǎn)i處接入DG的年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（萬(wàn)元）。

1.1.2 需求側(cè)響應(yīng)目標(biāo)

電力需求側(cè)響應(yīng)是指電力用戶根據(jù)市場(chǎng)電價(jià)的變化或者電價(jià)的激勵(lì)機(jī)制所做出的響應(yīng)，從經(jīng)濟(jì)性方面改變?cè)瓉?lái)的消費(fèi)習(xí)慣，使得電網(wǎng)的電力負(fù)荷分布均衡，提高電網(wǎng)的可靠性。需求側(cè)響應(yīng)主要包括價(jià)格響應(yīng)和激勵(lì)響應(yīng)。價(jià)格響應(yīng)主要指電力用戶根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)、分時(shí)電價(jià)等因素做出響應(yīng)，包括單一時(shí)段響應(yīng)和多時(shí)段響應(yīng)等形式。激勵(lì)響應(yīng)則通過(guò)直接控制負(fù)荷分布或采用可中斷負(fù)荷IL（interruptible load）來(lái)改變電力用戶的用電習(xí)慣。

需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制是當(dāng)用電價(jià)格升高或系統(tǒng)用電負(fù)荷分配不合理引起系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，由于用電激勵(lì)機(jī)制電力用戶減少的負(fù)荷可以獲得直接補(bǔ)償或者用電價(jià)格信號(hào)改變而使用戶改變固有的用電習(xí)慣。通過(guò)一定的可中斷負(fù)荷機(jī)制，可以削減一部分用戶的用電負(fù)荷，同時(shí)供電方提供直接的缺電補(bǔ)償。因此建立目標(biāo)函數(shù)：

式中：CDSR為需求側(cè)響應(yīng)的總成本；τ為計(jì)算周期；NL為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；Caddi（t）和 CCi（t）分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i所增加負(fù)荷的單位激勵(lì)費(fèi)用和單位缺電補(bǔ)償費(fèi)用；Paddi（t）和 PCi（t）分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn) i在 t時(shí)間內(nèi)增加和缺失的負(fù)荷功率。

故系統(tǒng)整體的目標(biāo)函數(shù)F可表示為

1.2 約束條件

1.2.1 等式約束

式中：PDGi和QDGi分別為節(jié)點(diǎn)i所接入分布式電源的有功及無(wú)功輸出；PLi和QLi分別為節(jié)點(diǎn)i處的負(fù)載功率；Vi為節(jié)點(diǎn)i處的電壓幅值；Gij和Bij分別為支路電導(dǎo)和支路導(dǎo)納；θij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的電源相角差。

1.2.2 不等式約束

1）電壓約束

式中：Vmin、Vmax分別為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的下限和上限。

2）支路潮流約束

3）需求側(cè)響應(yīng)約束

式中：Paddimin和Paddimax分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)增加的激勵(lì)負(fù)荷在時(shí)間段t的上、下限；PCimin和PCimax分別為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的缺失負(fù)荷功率在時(shí)間段的上、下限。

2 改進(jìn)的粒子群算法

近年來(lái)粒子群算法PSO在電力系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題中得到了廣泛應(yīng)用。粒子群算法是由Kennedy博士和Eberhart博士提出的一種全局優(yōu)化進(jìn)化算法，源于鳥(niǎo)類(lèi)群體捕食行為的研究，基于種群的并行全局搜索策略，對(duì)于大規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題的求解具有較高的收斂速度以及全局尋優(yōu)能力。

在系統(tǒng)尋優(yōu)的每一次迭代中，各個(gè)粒子根據(jù)下列公式更新自己的位置和速度：

式中：c1，c2為學(xué)習(xí)因子，一般取 c1=c2=2；ω 為權(quán)重系數(shù)；rand 為（0，1）之間的隨機(jī)數(shù)；pbest，gbest為粒子本身最優(yōu)值和整個(gè)群體最優(yōu)值，即局部最優(yōu)值和全局最優(yōu)值。

模擬退火算法SA是一種隨機(jī)尋優(yōu)方法，在某一較高的初始溫度，隨著溫度參數(shù)的不斷下降，結(jié)合概率突跳特性在搜索空間中尋找目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解，使其能夠從局部最優(yōu)解中概率性地跳出，從而最終趨向于全局最優(yōu)。傳統(tǒng)的PSO早期的收斂速度比較快，但收斂精度較低，易陷入局部最優(yōu)。而模擬退火算法能夠彌補(bǔ)粒子群算法的不足，將其兩者有機(jī)地結(jié)合，能夠在粒子群算法的基礎(chǔ)上發(fā)揮模擬退火算法的優(yōu)點(diǎn)，提高計(jì)算精度和效率。

本文結(jié)合模擬退火算法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)，得到一個(gè)新的改進(jìn)的粒子群算法IMPSO，會(huì)根據(jù)得到的每個(gè)個(gè)體的pbest值，結(jié)合式（12）表示的Metropolis抽樣準(zhǔn)則，對(duì)pbest值進(jìn)行優(yōu)化選擇，得出的結(jié)果將作為下一代群體中各個(gè)粒子的歷史最優(yōu)解，最終以其中最好的解作為改進(jìn)PSO算法的gbest，其算法流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)粒子群算法流程Fig.2 Flow chart of IMPSO

3 算例分析

本文采用IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)作為算例來(lái)進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的額定電壓為12.66 kV，系統(tǒng)總有功負(fù)荷為3715 kW，總無(wú)功負(fù)荷為2300 kvar，節(jié)點(diǎn)電壓偏移不超過(guò)0.05 pu，典型日曲線如圖4所示。

圖3 IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)Fig.3 IEEE-33 nodes distribution system

圖4 負(fù)荷典型日特性曲線Fig.4 Typical daily curve of load

仿真各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置為改進(jìn)粒子群算法種群規(guī)模20，迭代次數(shù)取200，退火常數(shù)取0.5；DG的功率因數(shù)為0.9，假定分布式電源的運(yùn)行壽命為20 a，貼現(xiàn)率為0.1。采取2種規(guī)劃方案：僅DG接入的規(guī)劃和融合了DSR的綜合規(guī)劃，考慮需求側(cè)響應(yīng)融合前、后DG的定容選址的選取，并通過(guò)改進(jìn)的粒子群算法對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。需求響應(yīng)系統(tǒng)的DG安裝位置和容量如表1所示。

表1 DG安裝位置和容量Tab.1 DG’s installation and capacity

表1表明，融合了DSR規(guī)劃方案使系統(tǒng)所加入分布式電源的容量得到優(yōu)化。融合DSR的綜合規(guī)劃和僅接入DG的2種規(guī)劃方案總的費(fèi)用曲線如圖5所示，規(guī)劃中具體成本費(fèi)用的對(duì)比如表2所示。

表2 兩種規(guī)劃方案下費(fèi)用對(duì)比Tab.2 Compare the cost of two planning programs

圖5 兩種方案下的總費(fèi)用曲線Fig.5 Total cost curves of the two program

通過(guò)圖5和表2的對(duì)比可知，在主動(dòng)配電網(wǎng)加入分布式電源并融合了需求側(cè)響應(yīng)，不僅能夠優(yōu)化DG的容量，并且能夠有效地降低DG的投資及運(yùn)行維護(hù)成本，同時(shí)降低系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗進(jìn)而降低電網(wǎng)的運(yùn)行成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性都得到了提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在基于分布式電源接入配電網(wǎng)并融合了需求響應(yīng)的基礎(chǔ)上利用改進(jìn)的粒子群算法對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行綜合規(guī)劃。對(duì)不同情況下規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性和可靠性的對(duì)比分析表明，接入分布式電源同時(shí)融合了需求響應(yīng)的綜合規(guī)劃方案能降低系統(tǒng)網(wǎng)損、提高負(fù)荷率，并帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能夠彌補(bǔ)分布式電源間接性出力特性的缺陷，減少DG接入容量，使系統(tǒng)電壓更趨于穩(wěn)定，提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性。尤其目前全球面臨資源、能源的緊缺，DG的接入能夠使得主動(dòng)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型的綠色環(huán)保發(fā)電，而需求響應(yīng)的融合則有利于推動(dòng)節(jié)能減排并使電能得到優(yōu)化使用。隨著不斷的研究發(fā)展，分布式電源技術(shù)會(huì)更加成熟使其安裝使用成本逐步降低，加之需求側(cè)響應(yīng)的綜合規(guī)劃，這種規(guī)劃方案在未來(lái)會(huì)具有更加明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好優(yōu)勢(shì)。

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