關(guān)于配電自動(dòng)化環(huán)境下主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化的研究

徐 毅 甘開(kāi)兵

（國(guó)網(wǎng)休寧縣供電公司）

0 引言

近年來(lái)，分布式電源、柔性負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置，大規(guī)模接入配電網(wǎng)，導(dǎo)致配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，調(diào)度運(yùn)行難度加大［1－2］，因此十分有必要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的自主化調(diào)度功能，進(jìn)一步加深配電網(wǎng)的智能化程度，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。主動(dòng)配電網(wǎng)是指對(duì)配電網(wǎng)內(nèi)的分布式設(shè)備進(jìn)行智能化控制，通過(guò)智能化的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略改變配電網(wǎng)的潮流分布，實(shí)現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化［3］。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)不同，主動(dòng)配電網(wǎng)可以對(duì)配電網(wǎng)接入的分布式電源、柔性負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置等進(jìn)行靈活調(diào)度和智能控制［4－6］。主動(dòng)配電網(wǎng)的調(diào)度不僅局限在對(duì)分段開(kāi)關(guān)的操作，還需要充分考慮分布式設(shè)備接入后的多源優(yōu)化調(diào)度，由傳統(tǒng)型的負(fù)荷調(diào)配向多源協(xié)同調(diào)度優(yōu)化轉(zhuǎn)變［7－8］。

1 主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度架構(gòu)及調(diào)度控制原則

傳統(tǒng)型配電網(wǎng)無(wú)法對(duì)接入的分布式設(shè)備進(jìn)行有效管理，而主動(dòng)配電網(wǎng)具備智能性、靈活性，在系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，能夠智能地對(duì)各個(gè)分布式設(shè)備進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及分布式能源的本地消納［9］。

1.1 主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度架構(gòu)

典型的主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度架構(gòu)如圖1所示。主要包括6個(gè)部分：

圖1 主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度架構(gòu)

1）分布式電源：包括風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元等，風(fēng)機(jī)、光伏單元的預(yù)測(cè)功率曲線會(huì)上傳到主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行多源協(xié)同調(diào)度優(yōu)化［10］。

2）儲(chǔ)能裝置：儲(chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)狀態(tài)上傳到主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心，由調(diào)度中心完成儲(chǔ)能裝置的調(diào)度控制。

3）受控負(fù)荷：受控負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)上傳到主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心。

4）主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心：根據(jù)各個(gè)單元上傳的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，運(yùn)行成本預(yù)測(cè)，完成調(diào)度優(yōu)化任務(wù)。

5）上層電網(wǎng)：當(dāng)主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)部無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率平衡時(shí)，由主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心向上層電網(wǎng)申請(qǐng)能量補(bǔ)充。

6）普通負(fù)荷：普通用電用戶。

1.2 主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度控制原則

為了更好保證主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和對(duì)本地分布式能源的消納能力，本文提出一種主動(dòng)配電網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化策略，具體的實(shí)現(xiàn)原則如下。

1）將分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和受控負(fù)荷作為調(diào)節(jié)對(duì)象，其在配電網(wǎng)中接入位置是可調(diào)節(jié)的，對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流分布運(yùn)算，找到電壓降落較大和能量損耗較大位置，作為它們的預(yù)接入位置［11－12］。

2）當(dāng)在配電網(wǎng)中，分布式電源、受控負(fù)荷和儲(chǔ)能設(shè)備位于不同的接入位置時(shí)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，對(duì)比運(yùn)算結(jié)果就能夠得到最佳的接入位置［13］。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化模型

以主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建調(diào)度優(yōu)化模型。

2.1 調(diào)度優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)所提出的主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度控制原則，構(gòu)建運(yùn)行成本最低的調(diào)度優(yōu)化模型，其目標(biāo)函數(shù)為：

式中，t為調(diào)度周期；I、J、K分別為分布式電源、儲(chǔ)能裝置、受控負(fù)荷的個(gè)數(shù)；CDG（t）、CDES（t）、CCT（t）分別為第t個(gè)調(diào)度時(shí)段分布式電源、儲(chǔ)能裝置、受控負(fù)荷的調(diào)度成本。

式（1）中，分布式電源、儲(chǔ)能裝置、受控負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型如下：

（1）分布式電源調(diào)度成本

式中，MPV和MWT為光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的電價(jià)；PPV（t）和PWT（t）為在第t個(gè)調(diào)度時(shí)段的有功功率。

（2）儲(chǔ)能裝置調(diào)度成本

式中，ρDES為儲(chǔ)能裝置的調(diào)度成本參數(shù)；PDES（t）為儲(chǔ)能裝置在第t個(gè)調(diào)度時(shí)段的有功功率。

（3）受控負(fù)荷調(diào)度成本

受控負(fù)荷可以分為可平移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷兩種：

可平移負(fù)荷是指在電網(wǎng)靈活調(diào)度運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷，必須保證連續(xù)性和恒定性：

式中，NTR為可平移復(fù)合的單位功率調(diào)度成本參數(shù)；PTR（t）為第t個(gè)調(diào)度時(shí)段的有功功率。

可中斷負(fù)荷是指當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行異常時(shí)，可以被消減或切斷的負(fù)荷，具有可變性和間斷性：

式中，NCU為可平移復(fù)合的單位功率調(diào)度成本參數(shù)；PCU（t）為第t個(gè)調(diào)度時(shí)段的有功功率。

2.2 調(diào)度優(yōu)化模型約束函數(shù)

約束函數(shù)主要包括分布式電源的有功功率，電網(wǎng)中各個(gè)支路的功率，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓，儲(chǔ)能裝置的有功功率，受控負(fù)荷的約束條件等，具體如式（7）所示：

式中，PDG.u.max為電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)u允許接入分布式電源功率的上限；Pv.max為支路v的功率允許上限；Uu.min和Uu，max為節(jié)點(diǎn)u的電壓下限和上限；為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)u處儲(chǔ)能裝置的放電功率下線和上限；為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)u處儲(chǔ)能裝置的放電功率下線和上限；θTR（t）和θCU（t）為第t個(gè)調(diào)度時(shí)段的受控負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行用 “1”表示，不運(yùn)行用“0”表示；PC和TC為可平移負(fù)荷的運(yùn)行功率和運(yùn)行時(shí)間；YTR為可平移負(fù)荷的總調(diào)度次數(shù)；YCU.max為可中斷負(fù)荷的中斷次數(shù)的上限；TCU.min和TCU.max為可中斷負(fù)荷中斷允許時(shí)間的下限和上限；PCU.max為可中斷負(fù)荷允許運(yùn)行功率的上限。

2.3 分布式能源消納率

本文提出一個(gè)參數(shù)叫消納率，以該參數(shù)作為衡量分布式能源和儲(chǔ)能裝置能源消納能力的指標(biāo)，消納率定義為分布式能源和儲(chǔ)能裝置能源實(shí)際有功功率和最大有功功率的比值：

3 群搜索調(diào)度優(yōu)化算法

本文所提出的主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化是一個(gè)基于多約束條件的非線性問(wèn)題，無(wú)法通過(guò)常規(guī)的方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解的尋?。?4］。本文采用群搜索調(diào)度優(yōu)化算法來(lái)進(jìn)行最優(yōu)解的尋取，該算法利用巡游者策略來(lái)避免在迭代運(yùn)算的時(shí)候陷入局部最優(yōu)解，同時(shí)引入感知者對(duì)外部條件的變化進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，加快收斂速度［15］。

3.1 基本概念

假設(shè)存在一個(gè)多維度空間，空間維度為m，樣本中的第k個(gè)個(gè)體在群體中的位置設(shè)定為尋優(yōu)過(guò)程的搜索角度為尋優(yōu)過(guò)程的搜索方向?yàn)閯t得到方向運(yùn)算公式為：

式中，w為迭代次數(shù)。

在可視范圍內(nèi)隨機(jī)選擇三個(gè)目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，搜索最優(yōu)解，這三個(gè)目標(biāo)稱為搜索者，這三個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)搜索區(qū)域定義為：

式中，參數(shù)λ1符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；參數(shù)λ2符合［0，1］的均勻分布。

當(dāng)搜索者發(fā)現(xiàn)更優(yōu)的解時(shí)，則當(dāng)前發(fā)現(xiàn)更優(yōu)解為搜索者的最新位置，或者變換搜索角度和搜索方向重新進(jìn)行搜索：

如果β次搜索后仍舊沒(méi)有搜索到更優(yōu)的解后，則保持當(dāng)前最優(yōu)解位置不更新：

跟隨搜索者進(jìn)行搜索，并參與搜索的個(gè)體稱為跟隨者：

式中，參數(shù)λ3∈Qm符合［0，1］的均勻分布。

由式（10）更新搜索距離，由式（12）更新搜索角度的個(gè)體稱為巡游者，通過(guò)式（13）更新其位置：

3.2 基于感知角色的動(dòng)態(tài)群搜索調(diào)度優(yōu)化算法

本文所提出的群搜索調(diào)度優(yōu)化算法中，由于分布式電源、儲(chǔ)能裝置、受控負(fù)荷的接入位置是實(shí)時(shí)變化的，即外部環(huán)境在發(fā)生實(shí)時(shí)變化，二群搜索調(diào)度優(yōu)化算法并不具備感知外部環(huán)境實(shí)時(shí)變化的能力，所以引入感知者的角色對(duì)原有算法進(jìn)行升級(jí)。將分布式電源、儲(chǔ)能裝置、受控負(fù)荷接入初始位置時(shí)，主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行成本設(shè)定為感知閾值，接入位置的不同導(dǎo)致感知者會(huì)感知到不同的外部環(huán)境變化，如果此時(shí)的當(dāng)前值不超過(guò)設(shè)定的閾值，則認(rèn)定外部環(huán)境發(fā)生變化，將搜索者和跟隨者重新進(jìn)行初始化。

4 仿真實(shí)例

基于主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，以IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建主動(dòng)配電網(wǎng)架構(gòu)，以原有的負(fù)荷作為配電網(wǎng)的基本負(fù)荷，再接入分布式電源和儲(chǔ)能裝置，得到主動(dòng)配電網(wǎng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 主動(dòng)配電網(wǎng)模型架構(gòu)

主動(dòng)配電網(wǎng)模型的基準(zhǔn)電壓設(shè)定為10kV，基準(zhǔn)容量設(shè)定為100MVA，首先對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流分布計(jì)算，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)2～節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)15～節(jié)點(diǎn)18、節(jié)點(diǎn)32～節(jié)點(diǎn)33的線路壓降和線路損耗較大，在節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)17、節(jié)點(diǎn)18、節(jié)點(diǎn)32、節(jié)點(diǎn)33位置接入分布式電源和儲(chǔ)能裝置，具體的接入配置如表1所示。節(jié)點(diǎn)4作為儲(chǔ)能裝置和受控負(fù)荷的組合初始接入位置。光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的電價(jià)分別為0.1元／kWh和0.025元／kWh，儲(chǔ)能裝置的調(diào)度成本參數(shù)為0.06元／kWh，平移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷的調(diào)度成本參數(shù)為0.3元／kWh和0.6元／kWh，可平移負(fù)荷的持續(xù)運(yùn)行功率為250kW，最小運(yùn)行時(shí)間為5h，至多允許平移兩次，可中斷負(fù)荷最大允許中斷功率為150kW，至多允許中斷兩次，且持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1h。

表1 主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源配置參數(shù)

仿真環(huán)境中，設(shè)定樣本個(gè)體數(shù)量為100，其中包含15個(gè)感知者，進(jìn)行100次迭代運(yùn)算，初始搜索角度為0°，調(diào)度周期為24h，每隔1h進(jìn)行一次調(diào)度。經(jīng)過(guò)運(yùn)算分析，儲(chǔ)能裝置和受控負(fù)荷的組合接入位置不同，主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行成本和消納率都不同，具體結(jié)果如表2所示。

表2 主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度仿真運(yùn)算結(jié)果

如果單獨(dú)考慮經(jīng)濟(jì)效益，儲(chǔ)能裝置和受控負(fù)荷的組合接入節(jié)點(diǎn)16時(shí)，主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行成本最低，但消納率要低于接入節(jié)點(diǎn)15時(shí)；如果以提高分布式電源的消納能力為目標(biāo)，儲(chǔ)能裝置和受控負(fù)荷的組合接入節(jié)點(diǎn)15時(shí)，消納率最高，但此時(shí)主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行成本較高。

通過(guò)仿真分析可知，采用基于感知角色的動(dòng)態(tài)群搜索調(diào)度優(yōu)化算法，靈活配置儲(chǔ)能裝置和受控負(fù)荷的組合接入位置，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式能源的最佳消納，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行成本最低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)配電自動(dòng)化環(huán)境下，主動(dòng)配電網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行深入研究，提出以主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)的主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化策略，搭建含有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、受控負(fù)荷的配電網(wǎng)調(diào)度模型?；贗EEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在Matlab仿真環(huán)境下搭建仿真模型，進(jìn)行算例分析，分析結(jié)果表明，該策略能夠?qū)χ鲃?dòng)配電網(wǎng)進(jìn)行有效調(diào)度，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能裝置和受控負(fù)荷的組合接入位置，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)以較低的成本運(yùn)行。