配電網(wǎng)負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方法研究

摘 要：為保證配電網(wǎng)運行中的負(fù)荷在最優(yōu)范圍內(nèi)，本文研究了配電網(wǎng)負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方法。計算配電網(wǎng)線路損耗，進行配電網(wǎng)運行中的無功補償；基于歷史數(shù)據(jù)或預(yù)測值，確定用戶的用電基線負(fù)荷，并計算配電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)容量；根據(jù)控制范圍、負(fù)荷控制頻率均值，進行配電網(wǎng)負(fù)荷多目標(biāo)交叉協(xié)調(diào)控制。實例應(yīng)用結(jié)果表明，優(yōu)化后配電網(wǎng)負(fù)荷在最優(yōu)范圍內(nèi)，本文設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)主干網(wǎng)線負(fù)荷電流控制，在實際應(yīng)用中效果良好。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；無功補償；協(xié)調(diào)控制；負(fù)荷

中圖分類號：TM 712" " 文獻標(biāo)志碼：A

電力負(fù)荷是電網(wǎng)運行中的關(guān)鍵因素，其變化受多種復(fù)雜因素的影響，例如時間、季節(jié)的更迭以及經(jīng)濟活動的起伏。為了滿足多變的負(fù)荷需求，電網(wǎng)系統(tǒng)必須具備高度的靈活性和適應(yīng)性。

目前，已經(jīng)有很多學(xué)者對配電網(wǎng)負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方法進行了研究。例如，劉勇等[1]利用精確的模型建立和控制策略，有效解決了孤島微電網(wǎng)在孤島運行過程中出現(xiàn)的由分布式電源的隨機性和不可預(yù)測性導(dǎo)致的頻率波動問題，但是該方法對復(fù)雜的時滯系統(tǒng)和多變的外界條件的適應(yīng)性有待進一步提高。同時，該研究主要側(cè)重理論分析和仿真驗證，實際應(yīng)用的效果和穩(wěn)定性仍需要進一步驗證和評估。鄭舒等[2]采用LSTM網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)配電網(wǎng)負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)，提取其中的內(nèi)在規(guī)律和趨勢。利用遷移學(xué)習(xí)技術(shù)，將其他類似配電網(wǎng)的PI參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗遷移到當(dāng)前配電網(wǎng)中，以優(yōu)化PI控制器的參數(shù)。其中LSTM網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量對訓(xùn)練效果也有較大影響。

為解決現(xiàn)有方法的不足，本文將以某配電網(wǎng)為例進行負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方法設(shè)計，旨在通過此次研究，提高能源利用效率。

1 配電網(wǎng)運行中的無功補償

無功補償在配電網(wǎng)中至關(guān)重要，主要用于維持電壓穩(wěn)定、提高系統(tǒng)效率和減少能源損耗。無功補償能夠調(diào)控?zé)o功功率流動、保持用戶端電壓穩(wěn)定、提高功率因數(shù)、優(yōu)化電網(wǎng)運行、減輕線路和變壓器負(fù)荷、降低損耗并節(jié)約能源。此外，無功補償還會支持可再生能源接入和電網(wǎng)穩(wěn)定運行，利用動態(tài)調(diào)整無功供應(yīng)平衡電網(wǎng)需求，減少過載風(fēng)險，提高電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性。因此，無功補償是提升電網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)和可持續(xù)能源系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。為了規(guī)范配電網(wǎng)運行，需要在電力系統(tǒng)中增加無功電源，例如并聯(lián)電容器或同步調(diào)相機等設(shè)備，補償電網(wǎng)中由感性負(fù)載（例如電動機、變壓器等）產(chǎn)生的無功功率[3]。在配電網(wǎng)運行中，無功補償是維持電壓穩(wěn)定和提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)。無功功率（Q）與有功功率（P）、視在功率（S）間的關(guān)系可以由功率三角形來描述，如公式（1）所示。

S2=P2+Q2 " " " " " "（1）

式中：S為視在功率，VA；P為有功功率，W；Q為無功功率，VAR。

為保證相關(guān)工作的規(guī)范性，需要計算配電網(wǎng)線路損耗，如公式（2）所示。

（2）

式中：W為配電網(wǎng)線路損耗；θ為功率容量。

根據(jù)上述公式，計算配電網(wǎng)在運行中的功率因數(shù)，如公式（3）所示。

（3）

式中：η為功率因數(shù)；s為無功功率。

當(dāng)功率因數(shù)提高時，可以減少發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計容量，并控制支出。當(dāng)功率因數(shù)較低時，可以根據(jù)實際情況，進行無功補償，無功補償方式見表1。

根據(jù)實際情況，選擇對應(yīng)的補償方式，以此實現(xiàn)配電網(wǎng)運行中的無功補償。

2 配電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)容量計算

在上文基礎(chǔ)上，進行配電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)容量計算[4]。在該過程中需要重點關(guān)注電力用戶的需求響應(yīng)能力，即用戶能夠根據(jù)實際調(diào)度指令調(diào)整其電力負(fù)荷的能力。

計算中，需要基于歷史數(shù)據(jù)或預(yù)測值，確定用戶的用電基線負(fù)荷，同時，測量或記錄用戶在參與需求響應(yīng)后的實際電力負(fù)荷[5]。進而以此為依據(jù)，計算削峰需求響應(yīng)單次實際響應(yīng)容量，如公式（4）所示。

Δp=η（B-R） （4）

式中：Δp為削峰需求響應(yīng)單次實際響應(yīng)容量；B為用電基線負(fù)荷；R為實際電力負(fù)荷。

根據(jù)計算結(jié)果，從配電網(wǎng)中隨機選定一個負(fù)荷識別點，此點可以是一個具體的電力用戶、一個區(qū)域或一個特定的負(fù)荷分類（例如工業(yè)用電、商業(yè)用電和居民用電等）。當(dāng)進行隨機選定時，可以利用隨機數(shù)生成器或者根據(jù)配電網(wǎng)的地理分布、用戶類型等因素進行隨機抽樣[6]。并在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)公式（5）計算配電網(wǎng)隨機點的負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)容量。

Δp'=w2?γ?Δp?（Y+1） （5）

式中：Δp'為配電網(wǎng)隨機點的負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)容量；w為容量轉(zhuǎn)換可控范圍；γ為調(diào)度區(qū)域；Y為調(diào)度頻次。

3 配電網(wǎng)負(fù)荷多目標(biāo)交叉協(xié)調(diào)控制

與常規(guī)控制矩陣相比，多目標(biāo)交叉控制覆蓋范圍更廣泛，其控制的針對性和穩(wěn)定性也更突出。現(xiàn)行的配電網(wǎng)負(fù)荷控制通常是獨立的，每個控制目標(biāo)僅針對特定的控制對象。但是在現(xiàn)代智能電網(wǎng)中，為了提升整體的協(xié)調(diào)控制效果，可以結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，設(shè)計多層級、多標(biāo)準(zhǔn)和多目標(biāo)的分布式自主控制結(jié)構(gòu)，計算并優(yōu)化交叉覆蓋的控制范圍，以保證多個目標(biāo)間的平衡和協(xié)同[7]。控制范圍計算過程如公式（6）所示。

J=σ（1-f）?Δp' （6）

式中：J為控制范圍；σ為交叉覆蓋范圍；f為深度學(xué)習(xí)率。

在深度學(xué)習(xí)框架中，確定控制范圍并建立3個層級的控制結(jié)構(gòu)（輸入層、隱藏層和輸出層）是一種常見方法，用于訓(xùn)練模型預(yù)測或控制特定指標(biāo)。在該情況下，假設(shè)目標(biāo)是計算負(fù)荷控制頻率的均值，需要定義每個層級的輸入和輸出。1） 輸入層。該層能夠接收原始數(shù)據(jù)或特征，例如歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)、天氣條件和時間信息等。2） 隱藏層。該層包括多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層，用于學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)間的復(fù)雜關(guān)系。3）輸出層。該層能夠輸出預(yù)測結(jié)果，例如負(fù)荷控制頻率。

假設(shè)將一個多層感知器（MLP）作為深度學(xué)習(xí)模型，其輸出層輸出的是負(fù)荷控制頻率的預(yù)測值。為了計算負(fù)荷控制頻率的均值，需要平均多個預(yù)測結(jié)果。

假設(shè)模型在訓(xùn)練過程中產(chǎn)生了N個預(yù)測結(jié)果，每個預(yù)測結(jié)果為fi，其中i為從1～N。負(fù)荷控制頻率的均值μf如公式（7）所示。

（7）

式中：μf為負(fù)荷控制頻率的均值；fi為 第i個預(yù)測的負(fù)荷控制頻率。

根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)均值，對配電網(wǎng)運行進行主動調(diào)節(jié)，以此全面深化負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制過程。

4 實例應(yīng)用分析

完成優(yōu)化方法的設(shè)計后，為對該方法進行檢驗，本文選擇某地區(qū)某大型配電單位為研究試點，分析該單位的配電網(wǎng)運營管理現(xiàn)狀，相關(guān)內(nèi)容見表2。

由表2所示的數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)階段該電力企業(yè)的運營存在一些缺陷，為解決該方面問題，在綜合商議后，決定應(yīng)用本文設(shè)計方法進行配電網(wǎng)運行中的負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制。為保證試驗結(jié)果的客觀性，本文進行試驗前分析了配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，相關(guān)內(nèi)容如圖1所示。并在此基礎(chǔ)上，對配電網(wǎng)中的配電節(jié)點參數(shù)進行設(shè)計，見表3。

全面掌掌握配電網(wǎng)的基本運行情況后，基于對配電網(wǎng)運行效率、安全性和經(jīng)濟性的深入考量，本文針對該網(wǎng)絡(luò)設(shè)定了一個關(guān)鍵的運行負(fù)荷管理目標(biāo)，即保證負(fù)荷穩(wěn)定在55%～90%的最優(yōu)范圍內(nèi)。當(dāng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷水平處于該黃金區(qū)間時，能夠最大限度地發(fā)揮其效能，避免資源浪費，并保證電網(wǎng)平穩(wěn)運行。

具體來說，當(dāng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷水平過高時，其潛在的負(fù)面影響不容忽視。過高的負(fù)荷會直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致電壓波動加劇，頻率偏移超出正常范圍，威脅電力供應(yīng)的連續(xù)性和質(zhì)量。同時，高負(fù)荷運行還會迫使發(fā)電機、變壓器和輸電線路等在極限條件下工作，導(dǎo)致這些設(shè)備的內(nèi)部溫度急劇上升，加劇磨損，增加發(fā)生故障和損壞的風(fēng)險。此外，長期處于高負(fù)荷甚至超負(fù)荷運行狀態(tài)，說明電力生產(chǎn)和消費間缺乏有效平衡，不僅會造成能源消耗，而且會降低電力系統(tǒng)的整體運行效率，增加運營成本。反之，如果電力系統(tǒng)的負(fù)荷長期偏低，那么也會帶來一系列不良后果。低負(fù)荷運行表明部分發(fā)電設(shè)備和電網(wǎng)設(shè)施處于閑置或半閑置狀態(tài)，這些寶貴資源未能得到充分利用，造成了極大浪費。更嚴(yán)重的是，長期低負(fù)荷運行還可能導(dǎo)致電網(wǎng)的某些部分缺乏必要的維護和保養(yǎng)，進而引發(fā)安全隱患。此外，從經(jīng)濟角度看，低負(fù)荷運行會降低電力企業(yè)的產(chǎn)能利用率，減少收入來源，影響整個電力行業(yè)的健康發(fā)展。

因此，采用本文設(shè)計的負(fù)荷自動控制系統(tǒng)，對實現(xiàn)配電網(wǎng)負(fù)荷的精細(xì)化管理至關(guān)重要。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)負(fù)荷變化，預(yù)測未來負(fù)荷趨勢，并采用智能調(diào)度和精準(zhǔn)控制手段，使負(fù)荷始終維持在最優(yōu)范圍內(nèi)。并以此為依據(jù)，分析優(yōu)化前、優(yōu)化后配電網(wǎng)負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制效果，其自動協(xié)調(diào)控制效果如圖2所示。

由圖2的分析結(jié)果可知，在優(yōu)化前的配電網(wǎng)運行狀態(tài)下，負(fù)荷分布存在明顯的兩極分化現(xiàn)象：一部分時段負(fù)荷低于55%，導(dǎo)致資源利用率低下和能源浪費；另一部分時段負(fù)荷則超過90%，可能會增加過載風(fēng)險和供電可靠性問題。這種不均衡的負(fù)荷分布會影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。本文設(shè)計的負(fù)荷協(xié)調(diào)自動控制方法顯著改進了配電網(wǎng)的負(fù)荷分布，優(yōu)化后的負(fù)荷曲線顯示，配電網(wǎng)在大部分時間內(nèi)均能維持在55%～90%的最優(yōu)負(fù)荷范圍內(nèi)。這一改進不僅提高了配電網(wǎng)的運行效率，減少了能源損耗，而且有效降低了系統(tǒng)過載的風(fēng)險，增強了供電的穩(wěn)定性和可靠性。本文方法采用智能化的負(fù)荷預(yù)測、動態(tài)調(diào)度以及需求側(cè)管理等手段，實現(xiàn)了對配電網(wǎng)負(fù)荷的精細(xì)化控制和優(yōu)化分配。這種自動化控制策略能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)和預(yù)測信息，靈活調(diào)整負(fù)荷分配，保證配電網(wǎng)在不同時間段內(nèi)都能處于最佳運行狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上，對本文方法的主干網(wǎng)線的負(fù)荷電流控制效果進行分析，將其作為檢驗負(fù)荷協(xié)調(diào)控制優(yōu)化效果的另一指標(biāo)。其結(jié)果見表4。

由表4可知，本文的負(fù)荷電流控制策略不僅將4個關(guān)鍵主干網(wǎng)線的電流波動嚴(yán)格限定在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，極大降低了電流異常導(dǎo)致設(shè)備故障的風(fēng)險，而且顯著提高了整個配電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性和安全性。具體來說，本文控制策略能夠迅速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的細(xì)微變化，利用智能算法對實時數(shù)據(jù)進行深度挖掘與分析，計算最佳的電流分配方案，并自動調(diào)整各節(jié)點設(shè)備的運行狀態(tài)，以達(dá)到優(yōu)化負(fù)荷分布、平衡電網(wǎng)負(fù)載和減少電能損耗的目的。同時，該策略還具備強大的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能夠不斷根據(jù)電網(wǎng)的實際運行情況和歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)整控制策略，保證長期穩(wěn)定的優(yōu)化效果。這些顯著成果不僅為配電網(wǎng)的優(yōu)化控制研究提供了理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗，而且為智能電網(wǎng)的深入發(fā)展注入了新的活力，也為推動能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展目標(biāo)奠定了堅實基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

配電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模龐大復(fù)雜，需要考慮多個變量和約束條件，給配電網(wǎng)負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制優(yōu)化帶來了挑戰(zhàn)。進行配電網(wǎng)負(fù)荷自動協(xié)調(diào)，可以實現(xiàn)負(fù)荷的合理分配和電力資源的高效利用，從而降低能源消耗。為了滿足不同負(fù)荷需求并保證電網(wǎng)的可靠性，研究人員一直致力于開發(fā)優(yōu)化控制策略，但是現(xiàn)有的成果均未能在推廣應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此本文以某配電網(wǎng)為例，采用無功補償、負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)容量計算和負(fù)荷多目標(biāo)交叉協(xié)調(diào)控制，進行了負(fù)荷自動協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方法設(shè)計。實踐證明，本文方法可以對配電網(wǎng)負(fù)荷進行自動協(xié)調(diào)控制，有效提高電網(wǎng)的經(jīng)濟運行效率，進一步提高配電網(wǎng)對清潔能源的接納能力和系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

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