基于分布式電源和需求響應的主動配電網(wǎng)規(guī)劃

李金煬，唐惠玲

（廣東工業(yè)大學 物理與光電工程學院，廣州 510006）

近年，分布式發(fā)電技術得到大力發(fā)展。分布式電源的加入使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單一電源網(wǎng)絡轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃印⒍嚯娫吹膹碗s配電系統(tǒng)即主動配電網(wǎng)ADN（active distribution network），但增加了電力系統(tǒng)負荷預測、規(guī)劃和運行的不確定性。為了提高主動配電網(wǎng)的靈活性，可適當?shù)匾胄枨箜憫狣R（demand response）機制。通過基于主動配電網(wǎng)與DG、用戶負荷之間的協(xié)調(diào)機理，對配電網(wǎng)進行綜合規(guī)劃。

針對含分布式電源的配電網(wǎng)規(guī)劃，國內(nèi)外已進行相關研究并取得了很多成果。文獻[1-2]將不同種類的分布式電源接入配電網(wǎng)進行選址定容規(guī)劃，但沒能考慮需求側(cè)響應融入電網(wǎng)及對配電網(wǎng)的影響；文獻[3]討論了具體的分布式電源類型和需求響應及其協(xié)調(diào)優(yōu)化配置問題，而約束的設置問題欠妥。可見，對含有分布式電源的主動配電網(wǎng)規(guī)劃還不夠全面，需要更全面的研究，特別是融合了需求側(cè)響應對配電網(wǎng)的影響。

本文在主動配電網(wǎng)中引入了分布式電源和需求響應，建立基于分布式電源和融合需求響應的主動配電網(wǎng)規(guī)劃框架，并利用改進的多目標粒子群算法來進行DG的選址定容，并獲得最佳需求側(cè)響應方案。最后，以IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)進行綜合性比較驗證。

1 基于分布式電源和需求側(cè)響應的綜合規(guī)劃模型

1.1 目標函數(shù)

在主動配電網(wǎng)中接入DG并考慮需求側(cè)響應，DG和DSR都能夠影響配電網(wǎng)的負荷，在進行系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)規(guī)劃時便提高了可調(diào)控性，系統(tǒng)設計可以更加靈活。針對分布式電源接入AND的定容選址問題尋求最優(yōu)解，在其可靠、安全的基礎上達到經(jīng)濟效益的最大化。本文建立2個優(yōu)化目標，包括系統(tǒng)經(jīng)濟目標和需求側(cè)響應目標。

1.1.1 系統(tǒng)經(jīng)濟目標

DG加入到配電網(wǎng)中，使配電網(wǎng)運行操作更加靈活。考慮含有DG的單輻射線路，如圖1所示。

圖1 含DG的單輻射線路Fig.1 One single feeder connected with DG

圖中：Pi+jQi為DG的注入功率；R+jX為支路阻抗；Pc+jQc為負載消耗。根據(jù)圖1所示，本文系統(tǒng)的經(jīng)濟目標函數(shù)包含系統(tǒng)的網(wǎng)損、分布式電源的投資及運行維護成本、線路運行成本和外購電成本等因素。其表示為

式中：TC為系統(tǒng)的經(jīng)濟總成本；Closs為線路運行和損耗成本；CDG為分布式電源的投資及運行維護成本；CB為外購電成本。

式中：Cs為單位售電價格（元/kW·h）；b為配電網(wǎng)系統(tǒng)的總支路數(shù)；plossi為第i條支路的有功網(wǎng)損功率；τmaxi為第i條支路的年最大負荷損耗小時數(shù)。

式中：NDG為DG的個數(shù)；r為貼現(xiàn)率；m為DG的使用年限；ci為在節(jié)點i處接入單位容量DG的投資費用（萬元）；CDGi為節(jié)點 i處接入 DG 的容量；ΔEDGi為第i個分布式電源總的電量損失值（104kW·h）；Wi為在節(jié)點i處接入DG的年運行維護費用（萬元）。

1.1.2 需求側(cè)響應目標

電力需求側(cè)響應是指電力用戶根據(jù)市場電價的變化或者電價的激勵機制所做出的響應，從經(jīng)濟性方面改變原來的消費習慣，使得電網(wǎng)的電力負荷分布均衡，提高電網(wǎng)的可靠性。需求側(cè)響應主要包括價格響應和激勵響應。價格響應主要指電力用戶根據(jù)實時電價、分時電價等因素做出響應，包括單一時段響應和多時段響應等形式。激勵響應則通過直接控制負荷分布或采用可中斷負荷IL（interruptible load）來改變電力用戶的用電習慣。

需求側(cè)響應機制是當用電價格升高或系統(tǒng)用電負荷分配不合理引起系統(tǒng)不穩(wěn)定時，由于用電激勵機制電力用戶減少的負荷可以獲得直接補償或者用電價格信號改變而使用戶改變固有的用電習慣。通過一定的可中斷負荷機制，可以削減一部分用戶的用電負荷，同時供電方提供直接的缺電補償。因此建立目標函數(shù)：

式中：CDSR為需求側(cè)響應的總成本；τ為計算周期；NL為負荷節(jié)點的個數(shù)；Caddi（t）和 CCi（t）分別為負荷節(jié)點i所增加負荷的單位激勵費用和單位缺電補償費用；Paddi（t）和 PCi（t）分別為負荷節(jié)點 i在 t時間內(nèi)增加和缺失的負荷功率。

故系統(tǒng)整體的目標函數(shù)F可表示為

1.2 約束條件

1.2.1 等式約束

式中：PDGi和QDGi分別為節(jié)點i所接入分布式電源的有功及無功輸出；PLi和QLi分別為節(jié)點i處的負載功率；Vi為節(jié)點i處的電壓幅值；Gij和Bij分別為支路電導和支路導納；θij為節(jié)點i與節(jié)點j之間的電源相角差。

1.2.2 不等式約束

1）電壓約束

式中：Vmin、Vmax分別為系統(tǒng)節(jié)點電壓的下限和上限。

2）支路潮流約束

3）需求側(cè)響應約束

式中：Paddimin和Paddimax分別為負荷節(jié)點增加的激勵負荷在時間段t的上、下限；PCimin和PCimax分別為負荷節(jié)點的缺失負荷功率在時間段的上、下限。

2 改進的粒子群算法

近年來粒子群算法PSO在電力系統(tǒng)優(yōu)化問題中得到了廣泛應用。粒子群算法是由Kennedy博士和Eberhart博士提出的一種全局優(yōu)化進化算法，源于鳥類群體捕食行為的研究，基于種群的并行全局搜索策略，對于大規(guī)模優(yōu)化問題的求解具有較高的收斂速度以及全局尋優(yōu)能力。

在系統(tǒng)尋優(yōu)的每一次迭代中，各個粒子根據(jù)下列公式更新自己的位置和速度：

式中：c1，c2為學習因子，一般取 c1=c2=2；ω 為權(quán)重系數(shù)；rand 為（0，1）之間的隨機數(shù)；pbest，gbest為粒子本身最優(yōu)值和整個群體最優(yōu)值，即局部最優(yōu)值和全局最優(yōu)值。

模擬退火算法SA是一種隨機尋優(yōu)方法，在某一較高的初始溫度，隨著溫度參數(shù)的不斷下降，結(jié)合概率突跳特性在搜索空間中尋找目標函數(shù)的全局最優(yōu)解，使其能夠從局部最優(yōu)解中概率性地跳出，從而最終趨向于全局最優(yōu)。傳統(tǒng)的PSO早期的收斂速度比較快，但收斂精度較低，易陷入局部最優(yōu)。而模擬退火算法能夠彌補粒子群算法的不足，將其兩者有機地結(jié)合，能夠在粒子群算法的基礎上發(fā)揮模擬退火算法的優(yōu)點，提高計算精度和效率。

本文結(jié)合模擬退火算法的優(yōu)點對粒子群算法進行改進，得到一個新的改進的粒子群算法IMPSO，會根據(jù)得到的每個個體的pbest值，結(jié)合式（12）表示的Metropolis抽樣準則，對pbest值進行優(yōu)化選擇，得出的結(jié)果將作為下一代群體中各個粒子的歷史最優(yōu)解，最終以其中最好的解作為改進PSO算法的gbest，其算法流程如圖2所示。

圖2 改進粒子群算法流程Fig.2 Flow chart of IMPSO

3 算例分析

本文采用IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)作為算例來進行仿真分析，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的額定電壓為12.66 kV，系統(tǒng)總有功負荷為3715 kW，總無功負荷為2300 kvar，節(jié)點電壓偏移不超過0.05 pu，典型日曲線如圖4所示。

圖3 IEEE-33節(jié)點配電系統(tǒng)Fig.3 IEEE-33 nodes distribution system

圖4 負荷典型日特性曲線Fig.4 Typical daily curve of load

仿真各項參數(shù)設置為改進粒子群算法種群規(guī)模20，迭代次數(shù)取200，退火常數(shù)取0.5；DG的功率因數(shù)為0.9，假定分布式電源的運行壽命為20 a，貼現(xiàn)率為0.1。采取2種規(guī)劃方案：僅DG接入的規(guī)劃和融合了DSR的綜合規(guī)劃，考慮需求側(cè)響應融合前、后DG的定容選址的選取，并通過改進的粒子群算法對主動配電網(wǎng)規(guī)劃的目標函數(shù)進行優(yōu)化。需求響應系統(tǒng)的DG安裝位置和容量如表1所示。

表1 DG安裝位置和容量Tab.1 DG’s installation and capacity

表1表明，融合了DSR規(guī)劃方案使系統(tǒng)所加入分布式電源的容量得到優(yōu)化。融合DSR的綜合規(guī)劃和僅接入DG的2種規(guī)劃方案總的費用曲線如圖5所示，規(guī)劃中具體成本費用的對比如表2所示。

表2 兩種規(guī)劃方案下費用對比Tab.2 Compare the cost of two planning programs

圖5 兩種方案下的總費用曲線Fig.5 Total cost curves of the two program

通過圖5和表2的對比可知，在主動配電網(wǎng)加入分布式電源并融合了需求側(cè)響應，不僅能夠優(yōu)化DG的容量，并且能夠有效地降低DG的投資及運行維護成本，同時降低系統(tǒng)的網(wǎng)絡損耗進而降低電網(wǎng)的運行成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性都得到了提高。

4 結(jié)語

本文在基于分布式電源接入配電網(wǎng)并融合了需求響應的基礎上利用改進的粒子群算法對配電網(wǎng)進行綜合規(guī)劃。對不同情況下規(guī)劃方案的經(jīng)濟性和可靠性的對比分析表明，接入分布式電源同時融合了需求響應的綜合規(guī)劃方案能降低系統(tǒng)網(wǎng)損、提高負荷率，并帶來一定的經(jīng)濟效益，同時能夠彌補分布式電源間接性出力特性的缺陷，減少DG接入容量，使系統(tǒng)電壓更趨于穩(wěn)定，提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性。尤其目前全球面臨資源、能源的緊缺，DG的接入能夠使得主動配電網(wǎng)實現(xiàn)環(huán)境友好型的綠色環(huán)保發(fā)電，而需求響應的融合則有利于推動節(jié)能減排并使電能得到優(yōu)化使用。隨著不斷的研究發(fā)展，分布式電源技術會更加成熟使其安裝使用成本逐步降低，加之需求側(cè)響應的綜合規(guī)劃，這種規(guī)劃方案在未來會具有更加明顯的經(jīng)濟和環(huán)境友好優(yōu)勢。

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