基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容載比與增量配電網(wǎng)點線面多層次評估體系研究

胡航海，高 璐，徐 飛，劉 峙

（1.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；2.北京國網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，北京 100000；3.湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

配電網(wǎng)在能源互聯(lián)網(wǎng)時代中正在一步步形成電力交互新模式，在分布式電源、智能終端裝置、儲能設(shè)備和微網(wǎng)等多種影響因子的不斷變化下，配電網(wǎng)規(guī)劃更加需要優(yōu)化來適應(yīng)發(fā)展。傳統(tǒng)電網(wǎng)配置已經(jīng)跟不上能源互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展，不能滿足現(xiàn)實要求，在新的配電模式下，要考慮到難以預(yù)測的風(fēng)險，以及對于電網(wǎng)柔性方面，要充分研究分布式能源帶來的模塊化和增量效益以建立更有潛力和優(yōu)勢的規(guī)劃方案[1-5]。除此之外，要更多的研究在負荷預(yù)測時多種新的影響因子融入[6-7]，確定負荷預(yù)測時段的長度，而且要評估多種負荷預(yù)測模式來增加負荷預(yù)測的精準(zhǔn)度。電網(wǎng)配置優(yōu)化時應(yīng)該結(jié)合能源存儲系統(tǒng)和多個階段的配電網(wǎng)規(guī)劃，且預(yù)計融入能源存儲系統(tǒng)的電網(wǎng)配置節(jié)省的資源成本，對于微網(wǎng)接入的配電網(wǎng)運行雙層優(yōu)化模型也需要進行分析，在分布式的成本和微網(wǎng)的效益兩方面評估電網(wǎng)配置運行規(guī)劃[8]。文獻[9]詳細分析了配電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化的各個過程中多種電網(wǎng)配置方式的優(yōu)勢特點，以及在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下分布式能源的優(yōu)勢特點和發(fā)展方向，強調(diào)了融入分布式的主動配電網(wǎng)規(guī)劃增量配電網(wǎng)帶來的問題。模型和相關(guān)技術(shù)。電網(wǎng)配置規(guī)劃重心在未來將放在如何適應(yīng)分布式能源的變化，以及用戶在新時代的互動模式與用能響應(yīng)特性來對電網(wǎng)配置方式進行優(yōu)化[10-11]。還有值得一提的是，我們不能忽視電動汽車可能將會對配電網(wǎng)規(guī)劃造成的巨大影響，作為在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要環(huán)節(jié)，電動汽車的發(fā)展需要與配電網(wǎng)規(guī)劃做好對接，應(yīng)從汽車類型、用電模式和數(shù)量等角度進行研究，合理分析各類影響因素，使得充電站與配電網(wǎng)相協(xié)調(diào)，如果能夠建立一套適用于電動汽車的電網(wǎng)規(guī)劃方案會具有建設(shè)性的意義[12]。因為能源互聯(lián)網(wǎng)所涵蓋方面較多，各種類型的影響因素都需要被考慮，所以在規(guī)劃電網(wǎng)時應(yīng)盡可能多的考慮多目標(biāo)的情況，結(jié)合各類理論深入分析研究電網(wǎng)規(guī)劃等項目。文獻[13-17]從未來配電網(wǎng)規(guī)劃方面所遇到的問題和風(fēng)險方面進行分析，綜合考慮技術(shù)的發(fā)展與經(jīng)濟方面的問題，實現(xiàn)配電網(wǎng)投資規(guī)劃的未來發(fā)展。

文中研究智慧園區(qū)增量配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計。從增量配電網(wǎng)投資、負荷設(shè)計、電源設(shè)計、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計、變電站設(shè)計五個方面進行分析。重點考慮規(guī)劃配變的容載比的影響，采用BP反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）預(yù)測優(yōu)化選取，并以運行成本最低建模。對某能化工企業(yè)增量配電網(wǎng)規(guī)劃做出實例分析，從負荷預(yù)測、電源配置、容載比優(yōu)化、數(shù)字化平臺建立四個方面分別進行分析規(guī)劃。

1 理論

1.1 基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容載比建模

容載比定義：變壓器容量與變壓器最大負荷的比值，就是電網(wǎng)中某一電壓等級下所有變電設(shè)備總所有變電設(shè)備總?cè)萘颗c電網(wǎng)對應(yīng)最大負荷的比值。

工程計算式：

其中∑SN為電網(wǎng)變電設(shè)備的總?cè)萘浚籔MAX是最大用電負荷。

只考慮源、網(wǎng)、荷、儲之間的電功率平衡，對于電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)之間功率：

定義某一電壓等級下系統(tǒng)總電源的發(fā)出電功率為：

式中：Sf表示實際運行中系統(tǒng)電源發(fā)出有功功率的總和；Sh表示實際運行中火電廠發(fā)出的有功功率的總和；Sg表示實際運行中光伏電站發(fā)出的有功功率的總和；Sc表示實際運行中儲能電池所提供的有功功率的總和。

根據(jù)發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)之間的有功功率平衡有：

Sf表示實際運行中系統(tǒng)電源發(fā)出有功功率的總和；SW表示實際運行中電網(wǎng)變電設(shè)備有功功率的總和；ΔS表示電網(wǎng)側(cè)相對于發(fā)電側(cè)的功率損耗。

則推到出容載比的轉(zhuǎn)化計算式：

式中：Sf表示實際運行中系統(tǒng)電源發(fā)出有功功率的總和；Sh表示實際運行中火電廠發(fā)出的有功功率的總和；Sg表示實際運行中光伏電站發(fā)出的有功功率的總和；Sc表示實際運行中儲能電池所提供的有功功率的總和；ΔS表示電網(wǎng)側(cè)相對于發(fā)電側(cè)的功率損耗。

眾所周知，根據(jù)火電廠運行規(guī)律，其出力功率一般相對穩(wěn)定，可以直接從火電廠直接獲取，Sh看作定量，在白天時段用犧牲儲能元件參與放電的方式來延長元件的壽命，通常在白天時間進行充電，故Sc也可以看作是定量，ΔS是變電設(shè)備損耗，在電壓穩(wěn)定時運行也可以看作是常量，在文中的設(shè)定中，PMAX是用電負荷的最大預(yù)測值，給定智慧園區(qū)的規(guī)劃，其值按定量進行考慮，所以容載比隨著光伏電站白天時可變實際運行功率的變化而變化。

在以往規(guī)劃中，容載比通常按1.8進行取值，地方經(jīng)濟發(fā)達的區(qū)域，按2.0或2.2進行取值，但是經(jīng)濟造價偏高。對于不同的智慧園區(qū)，由于光伏板安裝的地理位置和氣候環(huán)境因素的有所差異，為了提高變電設(shè)備的利用率，在規(guī)劃時既要保證變壓器容載比的冗余度，由要考慮經(jīng)濟性保證變壓器容載比的利用率，所以文中提出通過該地區(qū)光伏廠歷史數(shù)據(jù)的分析，用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式對規(guī)劃時光伏出力進行預(yù)測，從而對智慧園區(qū)規(guī)劃容載比進行修正。

那么根據(jù)上式，準(zhǔn)確預(yù)測光伏電站的實際出力功率決定了規(guī)劃容載比的選取。

1.2 增量配電網(wǎng)運行經(jīng)濟性模型

在確定目標(biāo)函數(shù)時，文中的增量配電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)為實現(xiàn)年運行成本的最低化。約束條件包括外網(wǎng)能源供應(yīng)約束以及設(shè)備出力約束。

式中：Csys_year代表的是微網(wǎng)系統(tǒng)全年總運營成本；和代表的是外部能源供應(yīng)成本、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備成本以及儲能總運行成本；T代表的是所選典型日的全年占比天數(shù)。

創(chuàng)建系統(tǒng)預(yù)測函數(shù)模式對于系統(tǒng)調(diào)控而言至關(guān)重要。由此可見，當(dāng)所建立的模型不同時，預(yù)測性能也會隨之改變。此時，可以根據(jù)當(dāng)前已有數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)預(yù)期數(shù)據(jù)輸出的有效預(yù)測。進而保證系統(tǒng)框架對于此預(yù)測模型不存在任何約束，其僅僅具有使用途徑的差別。由此可見利用該功能下的模型特征，能夠大大提高系統(tǒng)評估的廣度與深度。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型則無法具備這一功能。

預(yù)測函數(shù)控制模型的輸出自由項ym（k）由零狀態(tài)響應(yīng)yF（k）和零輸入相應(yīng)強迫項yL（k）共同構(gòu)成，式（7）是其具體的表達式。

調(diào)節(jié)體系相應(yīng)修正依靠的是實際輸出與預(yù)測輸出產(chǎn)生的誤差校正值。導(dǎo)致該值產(chǎn)生的原因為，實際情況下會出現(xiàn)一定量的不可控因子以及參數(shù)，加之參數(shù)值的再次輸入，導(dǎo)致實際輸出與預(yù)測輸出之間產(chǎn)生一定的誤差；為確保該誤差值能夠符合系統(tǒng)要求，應(yīng)對該誤差校正值進行一定的評測，式（8）為誤差評測的具體公式。

式中；e（k+i）表示的是預(yù)測模型預(yù)測誤差，由k時的修正誤差與誤差共同構(gòu)成。

進行滾動優(yōu)化的目的在于，確保系統(tǒng)在優(yōu)化時域H內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)軌跡的平方與輸出之和最小。具體公式如下；

其中：nH擬合點數(shù)；（nn＞nB）；yp（k+i）為過程輸出預(yù)測；ym（k+i）為 時刻模型輸出；e（k+i）是將來誤差。

設(shè)p為預(yù)測步長，則：

預(yù)測函數(shù)中系統(tǒng)的模型為：

當(dāng)時，即無滯后時：

離散化處理，即得：

其中：ym（k）為k時模型輸出；u（k）為k時的調(diào)控量；其中：αm=e（-T，IT），TS為采樣周期，Tr為預(yù)測函數(shù)控制參考時間常數(shù)。

由數(shù)學(xué)基本知識可知：

p步預(yù)測輸出為：

其中：p為預(yù)測時域范圍，如式4.21所示。

其中：c（k+p）為設(shè)定值

當(dāng)Td≠0，參照smith預(yù)估控制思想，對系統(tǒng)模型輸出進行修正，如式（18）、式（19）所示。

其中：D=Td/T表示一階慣性環(huán)節(jié)相對于采樣周期滯后程度的時間常數(shù)。反饋修正e（k+p）表示過程修正輸出與模型輸出誤差。將其過程輸出y（k）采用ypav（k）替代，則替代后控制量的輸出為：

此時則為調(diào)節(jié)器在k時的最佳輸出控制量，也就是u（k）的值能夠確保參數(shù)軌跡以及過程輸出在k+p時處于最低誤差狀態(tài)。

2 某智慧園區(qū)增量配電網(wǎng)規(guī)劃實例分析

2.1 增量配網(wǎng)電源及負荷規(guī)劃實例分析

1）園區(qū)接入電網(wǎng)外置電源說明

園區(qū)目前已建設(shè)1座Ⅰ號110 kV專用變電站為園區(qū)煤油氣綜合利用項目一期啟動項目供電、沙石峁Ⅰ號110 kV變電站，主要為部分入園企業(yè)已建成項目供電；

根據(jù)園區(qū)的用電負荷和地區(qū)電力規(guī)劃，園區(qū)用電全部由統(tǒng)萬330 kV變電站以110 kV雙回路電源接入園區(qū)。該變電站已建成3臺主變，容量為3×240 MVA。近期陜西省地方電力（集團）有限公司將新建沙石峁Ⅱ號110 kV變電站，位于園區(qū)東南角，可為園區(qū)供電。配套電網(wǎng)規(guī)劃分期建設(shè)3座110 kV變電站，接入上級330 kV統(tǒng)萬變電站；規(guī)劃將周邊分散式風(fēng)電場、多能互補系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)等分別接入新建110 kV變電站。

2）園區(qū)內(nèi)配置電源說明

園區(qū)規(guī)劃了煤制油、煤制天然氣及煤制乙二醇等項目，隨著規(guī)劃集中熱電聯(lián)產(chǎn)項目的建成，工業(yè)區(qū)的集中供熱將形成統(tǒng)一的體系，為此需要對工業(yè)區(qū)的供熱管網(wǎng)進行統(tǒng)一的規(guī)劃和調(diào)整。供熱管網(wǎng)分為中壓和低壓，必要時，在用戶端設(shè)減溫減壓器向用戶提供各種參數(shù)的蒸汽。對工業(yè)區(qū)集中供熱管網(wǎng)根據(jù)工業(yè)區(qū)內(nèi)企業(yè)入駐情況進行分期建設(shè)。所以園區(qū)擬建6×156 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組，可以滿足該項目的用熱需求。蒸汽參數(shù)要求高，蒸汽需要量大，可以可以建設(shè)自備的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，按照2×300 MW的熱電聯(lián)產(chǎn)機組和4×50 MW抽汽背壓機組規(guī)劃建設(shè)。根據(jù)園區(qū)遠期發(fā)展用地對熱力的需求，規(guī)劃建設(shè)2×300 MW的熱電聯(lián)產(chǎn)項目。此外，在增值區(qū)建設(shè)2×300 MW熱電項目，充分利用工業(yè)園中的煤矸石資源。主要實現(xiàn)增值區(qū)的熱力供應(yīng)，并為智慧園區(qū)進行供熱和供電。

3）園區(qū)負荷預(yù)測

（1）用電負荷預(yù)測

靖邊能源化工綜合利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)新增電量為在園區(qū)規(guī)劃的能源化工區(qū)、裝備制造區(qū)和倉儲物流區(qū)等區(qū)塊內(nèi)的新建項目。因此在該地，負荷預(yù)測采用結(jié)合了自然增長+大用戶，采用上文中用到的空間飽和密度法確定負荷。具體如表1所示。

表1 靖邊能源化工綜合利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)增量配電區(qū)域近中期負荷預(yù)測結(jié)果

負荷利用小時數(shù)：靖邊能源化工綜合利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)增量區(qū)域負荷主要以物流倉儲、工業(yè)為主，預(yù)測最大負荷利用小時數(shù)在5200 h左右。

電量預(yù)測：以此對靖邊能源化工綜合利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)增量區(qū)域電量增長進行預(yù)測，結(jié)果如表2所示。

表2 靖邊能源化工綜合利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)電量增長預(yù)測結(jié)果億kW·h

園區(qū)用戶全部入住，產(chǎn)能達到規(guī)劃飽和，年增量電量為39.6億kW·h。

（2）熱負荷預(yù)測

充分考慮到該智慧園區(qū)內(nèi)工業(yè)和民用用熱的特征，并依據(jù)空間單位熱負荷密度法，對產(chǎn)業(yè)區(qū)熱負荷進行測算。經(jīng)測算，需要的高壓、中壓、低壓蒸汽需求分別為2 615 t/h、2 686 t/h和3 439 t/h。

4）園區(qū)網(wǎng)架配置發(fā)展

近期（2019年2月-2020年5月）

發(fā)展目標(biāo)：建設(shè)完成一期增量配電工程，通過驗收。

工作內(nèi)容：基礎(chǔ)配電網(wǎng)建設(shè)包括部分110 kV變電站和線路、部分10 kV線路建設(shè)及設(shè)備安裝工程。全力配合相關(guān)機構(gòu)驗收工作，快速通過驗收，正常運營配售電服務(wù)。

中期（2020年6月-2025年12月）

發(fā)展目標(biāo)：建設(shè)完成二期增量配電工程，智慧電力服務(wù)產(chǎn)品覆蓋率達到60%。

工作內(nèi)容：適時擴建第二臺主變及配套線路工程，新建儲能電站，同步實施通訊網(wǎng)、綠色電源建設(shè)并接入基礎(chǔ)電網(wǎng)。同時因地制宜開發(fā)、推廣設(shè)備、負荷、電費托管服務(wù)及能源管理服務(wù)產(chǎn)品。

遠期（2026年1月-遠景年）

發(fā)展目標(biāo)：傳統(tǒng)電力服務(wù)產(chǎn)品不斷升級；迭代原有智慧電力服務(wù)產(chǎn)品，做到原有客戶零投訴。同時爭取其他增量配電項目1個，復(fù)制一整套增量配電解決方案。

工作內(nèi)容：結(jié)合園區(qū)內(nèi)企業(yè)用電需求，優(yōu)化傳統(tǒng)電力產(chǎn)品及服務(wù)形式，緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢，迭代升級智慧電力服務(wù)，開發(fā)新的電力服務(wù)產(chǎn)品，為客戶提供更優(yōu)質(zhì)、更舒心的服務(wù)。

2.2 智慧園區(qū)增量配電網(wǎng)容載比優(yōu)化實例分析

該研究以陜西省靖邊能源化工綜合利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)增量配電試點項目為例，利用優(yōu)化的電網(wǎng)規(guī)劃模型來進行配電變壓器容載比優(yōu)化分析。

以當(dāng)?shù)馗浇墓夥娬镜某隽槔M行容載比的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，將氣溫、相對濕度、氣壓、風(fēng)向、組件溫度為條件的數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測試集，一天當(dāng)中從上午6時到晚上7時光伏電站的數(shù)據(jù)，每15 min采集一個點作為一個數(shù)據(jù)節(jié)點進行分析，下面只列取部分20個數(shù)據(jù)點。

表3 靖邊能源化工綜合利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)附近豐融光伏電站部分?jǐn)?shù)據(jù)表

通過MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊進行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練結(jié)果。

由圖1仿真結(jié)果可得；因神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有響應(yīng)速度快，超調(diào)量小等特征，極大地縮小了系統(tǒng)到達穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間。同時能夠獲取較高的靜動態(tài)性能。當(dāng)加入外部擾動時，系統(tǒng)極短時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法則兼具二者的自身優(yōu)勢；其不僅可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提升隸屬度函數(shù)以及模糊規(guī)則選取的準(zhǔn)確性，同時加之神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備較強的自學(xué)習(xí)能力，在線調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，能夠較好的應(yīng)用于非線性，大慣性系統(tǒng)。

圖1 仿真結(jié)果

由圖2仿真結(jié)果2可得，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器以其自身具有的小超調(diào)量以及快速的反應(yīng)速度大大的縮短了系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)的時間，進而優(yōu)化了參數(shù)變化，使系統(tǒng)的在非線性環(huán)境加更具適用性，所調(diào)控的控制數(shù)據(jù)更加逼真真實環(huán)境中如圖可得權(quán)向量的分量沿著梯度減小的方向在前進，經(jīng)過迭代次數(shù)32，迭代計算后，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定平衡。

圖2 仿真結(jié)果2

通過仿真，得到光伏發(fā)電站的實際出力，根據(jù)該地區(qū)負荷預(yù)測情況，從當(dāng)?shù)鼗痣姀S拿到的實際發(fā)電出力、部署的儲能總?cè)萘恳约皬碾娋W(wǎng)企業(yè)獲得的相應(yīng)的線損情況，根據(jù)上述式子，再結(jié)合靖邊當(dāng)?shù)卣@得的經(jīng)濟指數(shù)，綜合確定出該園區(qū)的合適的容載比取1.53-1.8之間。

3 結(jié)語

文中以人工智能作為基礎(chǔ)的增量配電網(wǎng)配變?nèi)葺d比進行了進一步的優(yōu)化，還將智慧園區(qū)的增量配電網(wǎng)進行了設(shè)計方面的優(yōu)化，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，然后再把天然氣、園區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)還有光伏發(fā)電等條件還有資源充分利用進來，提出互聯(lián)微電網(wǎng)的規(guī)劃總體方案，主要得出以下結(jié)論：

1）在園區(qū)內(nèi)變電站設(shè)計方面，說明了電壓等級選取、容量配置、電纜要求等方面的考慮，為了提高變電站設(shè)備投資的經(jīng)濟性，重點考慮了規(guī)劃配變的容載比的影響，采用BP反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）預(yù)測優(yōu)化選取，并以運行成本最低進行。電網(wǎng)的負荷預(yù)測工作能夠在一定程度上表現(xiàn)多種多樣的影響因素，結(jié)合用戶用能模式轉(zhuǎn)變、需求側(cè)風(fēng)險波動以及分布式能源接入等影響方面，以能源互聯(lián)網(wǎng)為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，建立動態(tài)空間負荷預(yù)測模型，達到電力負荷預(yù)測對新環(huán)境適應(yīng)能力提高的目的，在增加精密度的同時，盡可能的對未來配電區(qū)域有詳細的規(guī)劃和預(yù)測，并以此為基礎(chǔ)進行建設(shè)，以提高規(guī)劃的經(jīng)濟性。

2）以某能化工型智慧園區(qū)增量配電網(wǎng)規(guī)劃為例，對該園區(qū)所在地市附近區(qū)域的光伏電站歷史影響條件數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)進行采集，統(tǒng)計出某一天的所有光伏電站相關(guān)數(shù)據(jù)序列，然后采用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，并做出實際出力預(yù)測，基于分布式電源可變?nèi)萘窟x取合適的容載比。同時，構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)平臺提升增量配電網(wǎng)用能的經(jīng)濟性，降低了增量配電網(wǎng)的組合投資成本。

以能源互聯(lián)網(wǎng)為背景，構(gòu)建動態(tài)負荷預(yù)測模型的過程中，對于一些參數(shù)，需要對它們假設(shè)，這些假設(shè)都是根據(jù)經(jīng)驗完成的，但是這會給預(yù)測模型的精度造成一定程度的影響，在之后的規(guī)劃過程中，要給這些參數(shù)設(shè)置合理的區(qū)間范圍，這里采用敏感性分析的方式，這樣就可以減少負荷預(yù)測模型的不合理性。另外，在新型的配電系統(tǒng)下，調(diào)整過的負荷預(yù)測模型在以后可以把一些單方面的因素影響避免掉，由此就可以對多方面的因素進行整合。