電力市場環(huán)境下基于交換法的配電網(wǎng)重構(gòu)方法研究

高蘇州，韋耀

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，江蘇 宿遷 223800）

在電力市場環(huán)境下，配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)不僅對平衡負(fù)荷、提高供電電壓質(zhì)量有顯著作用，而且可以降低線路損耗、提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。目前常用的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法主要包括：最優(yōu)流算法、開關(guān)交換法、數(shù)學(xué)優(yōu)化算法和AI算法等。

數(shù)學(xué)優(yōu)化理論算法是最早被使用的重構(gòu)算法之一，該方法是將數(shù)學(xué)優(yōu)化原理運(yùn)用在配電網(wǎng)中，將網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，利用該方法可以得到與配電網(wǎng)初始運(yùn)行狀態(tài)無關(guān)的最優(yōu)解，但是該方法隨著配電網(wǎng)絡(luò)的增大，計(jì)算時(shí)間將顯著增加；最優(yōu)流模式算法是把開關(guān)的組合問題等效為潮流計(jì)算問題，并以功率損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，使復(fù)雜問題得到簡化，但也存在著和數(shù)學(xué)優(yōu)化理論算法同樣的不足；開關(guān)交換法以網(wǎng)絡(luò)潮流為基礎(chǔ)，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)和負(fù)荷開關(guān)的開合，形成不同的配電網(wǎng)拓?fù)?，從而?shí)現(xiàn)故障狀態(tài)/計(jì)劃停電下的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，達(dá)到配電網(wǎng)潮流的最優(yōu)控制。人工智能算法通過仿效生物處理模式，通過對意識、思維的信息過程模擬，將復(fù)雜問題采用生物思維的方式進(jìn)行簡化，可以迅速有效的解決應(yīng)用問題，主要包括：遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等，但這些智能算法都存在結(jié)果收斂困難或收斂到局部最優(yōu)的問題。因此，本文提出基于改進(jìn)的開關(guān)交換法的配電網(wǎng)重構(gòu)方法。

1 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的理論

目前配電網(wǎng)均采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，通過線路之間或站間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)構(gòu)成閉環(huán)。在正常運(yùn)行時(shí)，采用開環(huán)輻射式的運(yùn)行方式，同時(shí)，通過控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開斷，可以調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行方式和潮流分布，也就重構(gòu)了配電網(wǎng)絡(luò)。

為維持系統(tǒng)的輻射性運(yùn)行狀態(tài)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)在正常運(yùn)行時(shí)處于斷開狀態(tài)，而通過閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開其他支路的方式，能夠組成各種結(jié)構(gòu)，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)的潮流分布和線損存在差異，因此有經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的選擇問題。在多種隨機(jī)組合中，選擇某一種運(yùn)行方式，配電網(wǎng)的綜合運(yùn)行指標(biāo)可以達(dá)到相對最優(yōu)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的約束條件

考慮配電網(wǎng)安全可靠和經(jīng)濟(jì)供電的情況下，配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的約束條件如下[3]：

本文以配電網(wǎng)絡(luò)上線損最小作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

配網(wǎng)重構(gòu)方法需要符合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與電壓水平等條件：

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)條件

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)之前與重構(gòu)之后，網(wǎng)絡(luò)都要符合輻射狀條件，配電網(wǎng)中不能形成環(huán)網(wǎng)，用公式可以表示為：

1.2.2 負(fù)荷電壓條件

網(wǎng)絡(luò)重新組合之后，配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)不出現(xiàn)低電壓和過電壓的現(xiàn)象，即：

其中，Ui、Uimin和Uimax分別表示節(jié)點(diǎn)i的電壓有效值，以及電壓上限與下限。

1.2.3 供電額定容量條件

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)之后，供電線路不超過額定容量限制，即：其中，支路i 實(shí)際的傳輸功率為Si，線路最大的傳輸容量為Simax。在現(xiàn)場計(jì)算時(shí)，不考慮無功輸送限制，只要求有功功率Pi不超過線路額定功率Pimax。

1.3 改進(jìn)的支路開關(guān)交換算法

傳統(tǒng)的支路交換方法，每次迭代過程中，只能完成一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。因此，需要多次進(jìn)行配電網(wǎng)潮流計(jì)算，計(jì)算時(shí)間長、過程較為繁瑣，因此采用改進(jìn)的支路開關(guān)交換算法。

對于聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩邊的2條支路可記為L 和R，則交換前支路L和R兩邊的近似損耗分別為：

簡寫為：

其中：

將式（11）和（12）帶回式（7）中，得到：

又寫為：

通過以上規(guī)則，可以快速確定交換之后滿足網(wǎng)損降低的支路，同時(shí)確定最接近圓心的支路，即ΔDk最小的支路，該支路可被確定為最優(yōu)交換支路。

基于改進(jìn)開關(guān)交換法的配電網(wǎng)重構(gòu)方法流程圖如圖1所示。

圖1 算法流程圖

2 算例分析

本文根據(jù)上述配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的改進(jìn)開關(guān)交換算法，對IEEE標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)例，在Matlab上進(jìn)行編程驗(yàn)證計(jì)算，其中IEEE標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)例如圖2所示。

圖2 IEEE標(biāo)準(zhǔn)33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)

圖2 為IEEE標(biāo)準(zhǔn)配電網(wǎng)絡(luò)，對上述算例系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)計(jì)算，得出重構(gòu)前后的聯(lián)絡(luò)開關(guān)的變化、有功網(wǎng)損如表1所示?？芍ㄟ^改進(jìn)開關(guān)交換算法編程實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，重構(gòu)后網(wǎng)損降低顯著，網(wǎng)損有重構(gòu)前的360.39kW降低到238.1kW，節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量也得到了一定程度的提高，重構(gòu)前的最低電壓標(biāo)幺值為0.8585，重構(gòu)后最低電壓標(biāo)幺值上升到了0.8965，由此可以看出，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)對降低系統(tǒng)運(yùn)行網(wǎng)損和提高電壓質(zhì)量的作用明顯。

表1 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)重構(gòu)前后的結(jié)果

3 結(jié)語

本文首先對現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的幾種方法進(jìn)行研究，對各種算法的特性和優(yōu)劣展開對比。在電力市場環(huán)境下，以線損最小為目標(biāo)，對配網(wǎng)重構(gòu)的開關(guān)交換算法進(jìn)行分析，提出了基于改進(jìn)開關(guān)交換法的配電網(wǎng)重構(gòu)方法，最后采用Matlab編寫了算法程序，對IEEE標(biāo)準(zhǔn)算例進(jìn)行驗(yàn)證，得出結(jié)果與參考數(shù)據(jù)基本相同，證明了該算法的可行性。