多源協(xié)同的配電網(wǎng)多時(shí)段負(fù)荷恢復(fù)優(yōu)化決策方法

周昶

摘要：近年來(lái)，我國(guó)對(duì)電能的需求不斷增加，配電網(wǎng)建設(shè)越來(lái)越多。當(dāng)極端災(zāi)害引起大停電事故時(shí)，可協(xié)同多種電源和儲(chǔ)能快速恢復(fù)重要負(fù)荷，提升配電網(wǎng)韌性。首先探討多源協(xié)同故障恢復(fù)對(duì)配電網(wǎng)韌性的提升作用，然后以最大化負(fù)荷的加權(quán)供電時(shí)間及最小化總網(wǎng)損為目標(biāo)，以各時(shí)段負(fù)荷狀態(tài)、電源輸出功率及線路投運(yùn)狀態(tài)為優(yōu)化變量，考慮有限能量約束、運(yùn)行約束和拓?fù)浼s束等，將多源協(xié)同的配電網(wǎng)多時(shí)段負(fù)荷恢復(fù)問(wèn)題建模并松弛為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃模型，并利用商業(yè)優(yōu)化軟件求解，得到最優(yōu)恢復(fù)策略。最后，通過(guò)改進(jìn)IEEE13節(jié)點(diǎn)和IEEE123節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)算例和仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);分布式電源;供電恢復(fù);韌性;優(yōu)化決策

引言

將可中斷負(fù)荷應(yīng)用到配電網(wǎng)故障恢復(fù)問(wèn)題中，建立了考慮可中斷負(fù)荷的多時(shí)段配電網(wǎng)故障恢復(fù)優(yōu)化模型。通過(guò)遺傳算法對(duì)多時(shí)段內(nèi)可中斷負(fù)荷主動(dòng)切除和配電網(wǎng)重構(gòu)方案進(jìn)行全局尋優(yōu)，通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)個(gè)體多個(gè)時(shí)段的修正方案進(jìn)行局部深度尋優(yōu)，有效提高了算法效率。算例計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了所提出的模型和算法的正確性和有效性，能夠有效保證重要負(fù)荷供電，提高供電可靠性。

1主動(dòng)配電網(wǎng)多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)及需求分析

主動(dòng)配電網(wǎng)可以使終端用電用戶主動(dòng)參與到電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行過(guò)程中，有效提高電力系統(tǒng)中設(shè)備的使用效率，從而進(jìn)一步提高電網(wǎng)能源的綜合使用水平。主動(dòng)配電網(wǎng)多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)建立在可再生能源的新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，通過(guò)電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)能源進(jìn)行分布式系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。主動(dòng)配電網(wǎng)多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分布式電源的數(shù)據(jù)，并對(duì)受控負(fù)荷側(cè)進(jìn)行優(yōu)化控制。多級(jí)能源智能化協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，就是采用新一代的電網(wǎng)技術(shù)對(duì)能源進(jìn)行可再生利用，并采用智能化的方式來(lái)發(fā)展電網(wǎng)。主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源協(xié)調(diào)控制框架采用多時(shí)間尺度的全局優(yōu)化控制模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以更好地優(yōu)化主動(dòng)配電網(wǎng)。系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容是秉持分級(jí)處理、架構(gòu)控制和目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)電源的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

2多源協(xié)同恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)

不同類型的分布式電源慣性不同，運(yùn)行特性和控制響應(yīng)特性各異，在恢復(fù)中合理協(xié)同各類分布式電源有利于充分發(fā)揮分布式電源對(duì)配電網(wǎng)恢復(fù)能力的提升作用，從而更大限度地提升韌性。將各類本地電源與重要負(fù)荷相互連接，形成盡可能大的孤島，實(shí)現(xiàn)多源協(xié)同，優(yōu)勢(shì)如下。優(yōu)勢(shì)1：多源在空間上相互連通，有利于綜合利用多源的發(fā)電容量，實(shí)現(xiàn)發(fā)電資源的優(yōu)化配置，從而恢復(fù)更多重要負(fù)荷。優(yōu)勢(shì)2：多源在時(shí)間維度協(xié)同，即合理分配多源在不同時(shí)段的輸出功率，可在發(fā)電資源有限的條件下盡可能長(zhǎng)時(shí)間地為更重要的負(fù)荷持續(xù)供電。優(yōu)勢(shì)3：多源協(xié)同的恢復(fù)策略可充分發(fā)揮各類分布式電源控制能力，使系統(tǒng)更加堅(jiān)強(qiáng)和穩(wěn)定，有利于抵抗恢復(fù)過(guò)程中的暫態(tài)擾動(dòng)。優(yōu)勢(shì)4：由于系統(tǒng)為盡可能大的孤島，使得發(fā)電容量相對(duì)充裕，應(yīng)對(duì)間歇性能源輸出功率不確定性能力增加，有利于接納間歇性能源輔助恢復(fù)。本文主要關(guān)注多源協(xié)同的配電網(wǎng)多時(shí)段恢復(fù)策略的優(yōu)化決策方法，重點(diǎn)關(guān)注發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢(shì)1和優(yōu)勢(shì)2，解決相關(guān)難點(diǎn)問(wèn)題。協(xié)同優(yōu)勢(shì)3和優(yōu)勢(shì)4分別關(guān)注恢復(fù)的暫態(tài)過(guò)程以及恢復(fù)中間歇性能源輸出功率不確定性的處理，均為難點(diǎn)問(wèn)題，需進(jìn)一步深入研究，不在本文考慮范圍內(nèi)。

3多源協(xié)同的配電網(wǎng)多時(shí)段恢復(fù)優(yōu)化模型

3.1目標(biāo)函數(shù)

1）目標(biāo)函數(shù)一，用戶停電損失最小。主要考慮停電量和停電發(fā)生時(shí)間，計(jì)算公式為

（1）

式中，f1（sijλij）為總停電損失;t為故障恢復(fù)時(shí)段數(shù);n為負(fù)荷總個(gè)數(shù);λij為負(fù)荷i在第j時(shí)段賠償系數(shù)，反映不同停電發(fā)生時(shí)間對(duì)不同用戶停電損失的影響，可中斷負(fù)荷的取值為[0，1]，不可中斷負(fù)荷的取值為無(wú)窮大;sij為負(fù)荷i在第j時(shí)段的停電損失，用二次函數(shù)來(lái)模擬，即

（2）

式中，K1、K2為常系數(shù);xij為負(fù)荷i在第j時(shí)段的停電容量;θi為負(fù)荷i的中斷意愿，取值與負(fù)荷的分類有關(guān)，θ∈[0，1]。2）目標(biāo)函數(shù)二，開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)最少。計(jì)算公式為

（3）

（4）

式中，X為開(kāi)關(guān)狀態(tài)向量;SMij為開(kāi)關(guān)i在時(shí)段j的狀態(tài)，0為斷開(kāi)，1為閉合;SM0ij為開(kāi)關(guān)i在j時(shí)段的初始狀態(tài);Ns為開(kāi)關(guān)總數(shù)。

3.2約束條件

多源協(xié)同的配電網(wǎng)恢復(fù)問(wèn)題需要考慮的約束條件包括有限的能量約束、運(yùn)行約束、拓?fù)浼s束以及負(fù)荷狀態(tài)約束等，具體如下。

1）能量約束。

（4）

式中：G，B和C分別表示所有在線分布式同步發(fā)電機(jī)、在線分布式儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車所構(gòu)成的集合，其中電動(dòng)汽車是指閑置的電動(dòng)公交車或電動(dòng)大巴，在極端事件導(dǎo)致停電事故時(shí)可作為儲(chǔ)能裝置通過(guò)充電樁接入配電網(wǎng)并為重要負(fù)荷供電;Pgeni，t為電源i在時(shí)段t的有功功率值;Ei，0為電源i在恢復(fù)之前內(nèi)部剩余的發(fā)電資源的能量值。極端事件發(fā)生后，受災(zāi)區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施可能遭到嚴(yán)重破壞，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電資源（如柴油發(fā)電機(jī)使用的柴油、燃?xì)廨啓C(jī)使用的燃?xì)獾龋┛赡軣o(wú)法及時(shí)得到補(bǔ)給，因此需要考慮每臺(tái)電源有限的能量約束。為方便計(jì)算，文中將所有不同的能源形式，如柴油、天然氣，按照一定的轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換成電能（單位為kW·h）進(jìn)行計(jì)算。2）拓?fù)浼s束?；謴?fù)方案需保證配電網(wǎng)的輻射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由圖論可得拓?fù)浼s束

（5）

（6）

（7）

式中：βij和βji為0-1整數(shù)變量，代表節(jié)點(diǎn)i和j在圖中的父子關(guān)系，若節(jié)點(diǎn)j是節(jié)點(diǎn)i的父節(jié)點(diǎn)，則βij=1且βji=0;反之，則βji=1且βij=0，若節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j不相連，則βij=βji=αij=0;Ω（i）為與節(jié)點(diǎn)i相鄰的所有節(jié)點(diǎn)的集合;N1為去掉節(jié)點(diǎn)1后其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合。式（5）表示變量βij和變量αij的關(guān)系;式（6）表示樹(shù)中除根節(jié)點(diǎn)外的所有子節(jié)點(diǎn)都只有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)，本文中假設(shè)節(jié)點(diǎn)1為根節(jié)點(diǎn);式（7）表示根節(jié)點(diǎn)沒(méi)有父節(jié)點(diǎn)。

4關(guān)鍵技術(shù)分析

在多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行多層面的綜合分析處理，包括在主動(dòng)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上融合配電網(wǎng)多源數(shù)據(jù)，聚合分析數(shù)據(jù)，并對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。此外，快速仿真技術(shù)是以實(shí)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)生成配電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)集，并使用主動(dòng)配電網(wǎng)的仿真計(jì)算方法。它會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的環(huán)境和過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)配電網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)則采用主動(dòng)挖掘方式，以實(shí)現(xiàn)感知預(yù)警的作用。同時(shí)，按照時(shí)間和序列的順序?qū)χ悄茈娋W(wǎng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行主動(dòng)仿真推演，更好地實(shí)現(xiàn)多元協(xié)同優(yōu)化調(diào)度。最后，多元協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)保障，也是對(duì)分布式電源進(jìn)行主動(dòng)管理的核心技術(shù)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)大停電后的配電網(wǎng)故障恢復(fù)問(wèn)題，提出了多源協(xié)同的配電網(wǎng)多時(shí)段負(fù)荷恢復(fù)優(yōu)化決策方法。該方法考慮了恢復(fù)過(guò)程中有限的能量約束、拓?fù)浼s束以及各個(gè)時(shí)段內(nèi)的運(yùn)行約束，可針對(duì)不同系統(tǒng)在不同停電時(shí)間場(chǎng)景下給出多時(shí)段恢復(fù)優(yōu)化方案。相比于單一時(shí)間斷面的恢復(fù)策略和基于單源形成單孤島進(jìn)行恢復(fù)的策略，本文提出的多源協(xié)同的多時(shí)段恢復(fù)方法可實(shí)現(xiàn)分布式電源和儲(chǔ)能在時(shí)間和空間維度的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)有限發(fā)電資源的優(yōu)化配置，提升配電網(wǎng)韌性。

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