智能配電網有功自治互動建模研究

鄧昆英，汪鳳嬌，饒 杰

（1.廣東電網公司佛山供電局，廣東佛山 528000；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640）

智能配電網有功自治互動建模研究

鄧昆英1，汪鳳嬌2，饒 杰1

（1.廣東電網公司佛山供電局，廣東佛山 528000；2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640）

為解決配電網峰谷差日益增大的現實問題，從經濟性、對環境的影響和對資源的需求等方面對現有削峰填谷措施進行了對比分析，并提出電網主動式互動型智能配電網的理念；在深入研究小區與配電網之間自治互動工作模式的基礎上，建立了調配方案的統一模型，并分析了不同的優化目標及其求解方法；最后采用動態規劃法對模型進行求解和算例驗證，結果表明方案可行。

智能配電網；削峰填谷；動態規劃法；有功自治

0 引言

最近幾年來，隨著我國經濟不斷發展和電力體制改革及電源建設步伐的加快，長期制約我國經濟發展和人民生活的電力供應緊缺問題基本上得到緩解。但是，由于用電結構已經發生根本性的變化，必將造成電網峰谷差日益增大，峰谷比下調，調峰能力下降[1]。現階段，我國峰谷比大約為10∶0.7，美國峰谷比為1∶0.25，俄羅斯、日本等峰谷比分別為1∶0.52、1∶0.4。由此可見，我國用電結構面臨的調峰任務和壓力日益嚴峻。

居民用電峰谷是造成電網季節性峰谷的主要原因，在居民用電負荷中，（晚7點至9點）空調對電網最高負荷起決定性作用[2]。目前常用的削峰填谷技術措施有：采用蓄冷蓄熱技術、抽水蓄能、電池儲能、調整輪休制度、拉閘限電等。

電力蓄冷蓄熱技術使用條件有比較大的限制，需要有明顯的峰谷電價差，而且綜合經濟技術要比較合理[3]；抽水蓄能電站可將電網負荷低時的多余電能，轉變為電網高峰時期的高價值電能，但投資昂貴[4-5]；電池儲能方面，由于在成本和效率方面具有的突出優點，液流蓄電應是大規模電能儲存的首選技術之一[6-7]；超級電容是目前儲能方面的研究熱點，利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量，但在實際中推廣應用還尚需時日。傳統粗放式拉閘限電雖能顯著解決電壓尖峰，但卻會影響生產生活用電。

由此可見，現有調峰調谷手段在經濟性及環境保護方面均存在不同程度的缺陷。因此，如何在電力供應不足的情況下，為用戶制定合理科學的拉閘限電方案，使其按照公平、公正、公開的原則，實現社會和供電企業的社會效益和經濟效益最優化，成為電力公司急需解決的問題。

本文提出了電網主動式互動型智能配電網的理念，首先詳細闡述了小區與配電網之間的自治互動工作模式，建立了調配方案的統一模型，并在其基礎上針對不同的優化目標進行了細化研究。最后采用動態規劃法對模型進行求解和算例驗證，結果表明方案可行。

1 主動式互動型智能配電網

主動式互動型智能配電網是本文提出的一種新理念，它是指電網公司仍然處于主導地位，但是增加了用戶與電網公司的互動環節，其核心是如何將功率最為合理地分配給相應的用戶，體現出智能性。增強與用戶的互動性，可使電量的生產和使用更有計劃性，更有利于電網公司管理。

基于自治互動的調控技術，其工作模式大致可以分為三種。

第一種為計劃限電，在用電高峰期，電網公司根據以往的負荷情況預測近期各區域用電負荷，再根據電網供電量、各小區變壓器容量等實際情況生成各小區限電策略。

第二種為小區自治調控，當小區突發緊急用電事故時，居民樓調控裝置采集實時數據信息，上傳給小區調控裝置。小區調控裝置制定限電方案，再發送給相應的居民樓控制裝置，完成負荷的切除。

第三種為小區與電網互動調控，根據小區用戶等級，用電情況等信息，物業管理員制定相應的限電方案，通過小區調控裝置返回給電網公司管理軟件。管理軟件對小區上傳的控制方案進行判斷，然后將決策命令反饋給小區調控裝置。若反饋的命令為該限電方案可行，則小區調控裝置將調控命令發送給各居民樓調控裝置，由各居民樓調控裝置對斷路器進行相應的動作，完成限電策略；反之則中止限電方案。

計劃限電和電網與小區的互動調控工作模式比較簡單，可直接進行人工控制，無需自動控制，而第二種小區自治調控方式需由調控裝置自主調控，因此只針對小區的自治調控工作模式進行算法研究。

2 自治互動數學建模

數學建模是自治互動調控技術的基礎，將這一具體工程實際問題抽象化，變為數學領域的問題，并從數學邏輯上對該問題加以研究解決。

小區的統一數學模型如下：

其中：λi用以表示用戶實時用電情況，λi=1表示用戶處于用電狀態，λi=0反之，其初始值設為1；ni表示每棟樓的用戶數；pi表示每棟樓的用戶平均有功功率；n為小區的樓棟數。

3 優化目標及算法研究

根據小區的自治調控的工作模式，其優化目標主要包括功率最優、停電次數最優和供電可靠性優化三種情況，下面分別討論。

3.1 功率最優

以功率最大化為優化目標，按照供電公司所給的可供功率，盡可能地尋找最接近或者相等的供電組合，即功率浪費最少。

其中：Pi為每棟樓的總功率。

這屬于單一優化問題，目標函數只有單一解，解決這種問題最簡單的方法就是枚舉法，選出最接近供電公司可供有功功率限額的供電方案，進行供電，無須考慮其他約束條件。除了枚舉法之外還可以利用查表法，首先將樓棟功率的所有組合以表格的形式存放，組合功率之和按從小到大排列。每次收到供電公司可供有功功率限額之后，按照可供有功功率限額的大小來進行查表，選擇最相近的組合，這樣問題就變成了單純的比較大小問題。

3.2 停電次數最優

以用戶停電次數為優化目標，每次停電時，羅列出所有的可供停電組合，按照用戶的已停電次數來選擇停電組合，使所有用戶的停電次數基本相等。

其中：ti為每棟樓用戶停電次數。

輪流停電需要注意每棟樓用戶的停電次數，每次停電時需要考慮該棟樓以前的停電狀態，即過去狀態會影響當前狀態，需要選擇一定的循環方式，將樓棟重新排列，避免特定樓宇重復停電的情況出現，盡量使樓棟停電次數接近。輪流停電就用戶來說應該是最好的，因為停電次數比較平均。可以采用兩種方式：（1）按固定時間循環，每周、每月或者每季度結束之后將樓棟序列號按照一定的方式，例如按樓棟數循環滾動、按照停電次數的多少進行重新排列、相鄰樓棟交換排列等；（2）按特定日區分：將樓棟分為工作日可停電和周末可停電兩組，在一定時間之后，調換兩組中的樓棟序列，或將樓棟按照周一到周日中某天可停電分類，需要停電時就從當天可以停電的樓棟中選擇，一定時間后調整可停電日期。

3.3 供電可靠性優化

以電力系統可靠性為優化目標，盡量較少停電用戶數，使可以供電的用戶數達到最大，以保障電力系統運行的穩定性。

式（4）中：Ni為每棟樓的供電用戶數。

由于供電可靠性由戶均停電時間決定，因此該問題要使供電用戶數最多，即：如何選取供電的樓棟數，使供電的樓棟總有功功率小于等于供電公司可供有功功率限額，而且使可供電用戶數最多。該問題可借助數學領域的背包問題來解決，背包問題是一種組合優化的問題，問題可以描述為：給定一組物品，每種物品都有自己的重量和價格，在限定的總重量內，如何選擇，才能使得物品的總價格最高，問題的名稱來源于如何選擇最合適的物品放置于給定背包中。背包問題的典型算法有枚舉法、回溯法和動態規劃法等，本文最后采用動態規劃法對算例進行求解。

動態規劃的基本思想就是將求解的較大問題一層一層地分解為較小的同類子問題，直到可以直接求出子問題的解為止。原問題的解依賴于所有大量的重復。而動態規劃相應的特點就是對于重復出現的子問題只在第一次遇到時加以求解，并把答案保存起來，讓以后再遇到時直接引用，不必重新求解，從而節省大量的計算時間[8-9]。

就供電可靠性優化問題而言，用背包問題描述為，將n棟樓放入功率為P的背包中，使供電用戶數最大。參考0-1背包問題的解法思路，用子問題定義狀態：即 f[i][P]表示前i棟樓的功率正好等于供電局可供有功功率限額，它們可供電用戶數。則其狀態轉移方程為：

“將前i棟樓放入容量為P的背包中”這個子問題，若只考慮第i棟樓的策略（供或不供），那么就可以轉化為一個只牽扯前i-1棟樓的問題。如果不供第i棟樓，那么問題就轉化為“將前i-1棟樓放入P的供電解集中”，供電用戶數為f[i-1][P]；如果供第i棟樓，那么問題就轉化為“前i-1棟樓放入剩下的功率為P-p[i]的供電解集中”，此時能獲得的最大用戶數就是 f[i-1][P-p[i]]再加上通過放入第i棟樓增加的供電用戶數n[i]，具體算法流程圖如圖1所示。

圖1 動態規劃算法流程圖

4 算法驗證

采用的算例為一個四樓宇的小區，小區基本參數包括樓宇數、各樓宇有功功率實時值、各樓宇實時用電戶數及小區有功功率限額，具體計算數據見表1。

表1 原始計算數據

采用橫向和縱向兩種方式進行比較分析，以驗證算法的有效性。橫向比較，即各樓宇用電用戶數不變，功率限額變化；縱向比較，即各樓宇用電用戶數變化，功率限額不變。

對數據1分別按可供有功為100 kW和120 kW進行了計算，可供有功為100 kW時，1、2號棟樓的功率和為92.51，小于供電局可供有功功率100，可供電用戶數為50，為當前用戶數最大，所以1、2號樓繼續供電，3、4號樓停電，同理可供有功為120 kW，2、3號樓繼續供電，1、4號樓停電，計算結果準確無誤。

對數據2和數據3按可供有功為110 kW進行了計算，樓宇數同為4，但各樓宇有功功率和用戶數不同，因而兩組的結果不同，數據2計算結果為1、4號樓繼續供電，2、3號樓停電，數據3計算結果為3、4號樓繼續供電，1、2號樓停電,計算結果與理論結果相符。

5 結論

本文提出了主動式互動型智能配電網這一理念，在此基礎上研究了自治互動技術工作模式。采用理論分析和算例驗證相結合的方法對自治互動調控技術進行了研究，以小區為研究對象，建立了相關的數學模型，最后采用動態規劃法對算例進行了求解，結果與理論分析相符，表明文中提出的自治互動技術可行。

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Modeling of Active and Autonomous Interaction in Smart Distribution Grid

DENG Kun-ying1，WANG Feng-jiao2，RAO Jie1
（1.Foshan Power Supply Bureau，Foshan 528000，China；2.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

To solve the growing problems of poor distribution network of peak-valley，existing measures of peak load shifting were compared from the economy，the environmental impact and demand for resources.The concept of active interactive smart distribute grid was put forward.Based on the analysis of the interactive modes between the community and the distribution network，uniform model of deployment was established.The different optimization targets and their algorithm were discussed.Finally，the method of dynamic programming was used for the model calculation and example verification.The results showed that the scheme is feasible.

smart distribution grid；peak load shifting；self-regulation dynamic programming；active interactive

TM76

A

1009－9492(2014)02－0004－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.002

鄧昆英，男，1972年生，廣東茂名人，碩士研究生，高級工程師。研究領域：電網運行方式、調度管理、停電檢修策略。

(編輯：阮 毅)

2013－08－25