計及配網有功無功協調運行優化的SST規劃方法實踐

王洛群

中國電建集團核電工程有限公司 山東 濟南 250100

1 配網有功無功協調優化研究

現階段，在對配網發展情況進行分析時，可以確定有功功率與無功功率的耦合性比較強，而電壓分布效果受有功功率的影響比較大。近些年來，很多研究人員在對有功無功協調優化方法進行分析時，除了考慮主動配電網系統的分布式電源之外，還對一些可調控資源的作用進行了分析。分布式電源與可調控資源都能夠保證配網的安全性與經濟效益，具有重要的應用價值[1]。除此之外，在配網有功無功協調優化研究中，還要對市場電價進行考慮。研究兩階段日前優化調度模型，其中第一階段為日前調優化調度，可以以次日負荷需求、電價預測為基礎開展調度優化工作。在這一分析中需要對市場電價、高比例分布式電源（DG）運行成本、可中斷負荷價格等進行充分考慮，才能夠保證DG機組組合、主網購電量、用戶簽訂的可中斷負荷合同科學有效。第二階段的主要內容為無功優化，需要完成DG優化，并利用無功補償裝置處理，防止電壓越限。在對有功無功協調優化調度方法進行分析時，還可以提出不同時間尺度條件中，對分布式電源進行協調控制的相關方案，在長時間尺度下可以建立主動配電網全局優化控制模型；短時間尺度下要對功率控制誤差進行考慮，確保主動配網區域資質控制算法應用效果。

通過研究有功無功協調優化算法，可以確定目前在配網協調優化中，利用人工智能算法可以降低優化調度難度，并且人工智能算法的實現方式比較簡單，并且具有較強的適用性，在使用過程中對初始調節并不敏感。但是在人工智能算法應用過程中很容易陷入局部最優解，因此，需要進行多次計算才能夠獲取最優方案。因為在使用過程中需要完成反復迭代，會影響計算效率。在數學優化方法應用過程中，可以確保獲取的問題解為最優解，計算精度也比較高，但是計算的整體時間比較長，適合在小規模配電網優化問題解決過程中進行應用。在網絡規模不斷增加的同時，計算數據會越來越多，直接影響算法求解效率和速度。

在開展主動配電網有功無功協調優化時，其與單一的無功優化研究相比，可以增加可調控資源，有利于提高優化模型的完善性。但是優化模型也會更加復雜，優化難度會更大。除此之外，在配電網系統中進入可再生資源后，為了保證有序發電，并在最大程度上對分布式能源進行充分應用，對可控資源的功率調節能力有較高要求，需要在最大程度上確保分布式電源的穩定性，對不穩定性因素進行合理控制，防止出現電壓大幅度波動問題。這樣才能夠保證配電系統的安全性以及穩定性，這也是主動配網調度優化過程中必須重視的重要問題[2]。

2 計及配網有功無功協調運行優化的SST規劃的作用

現階段，在高比例分布式電源（DG）不斷發展的過程中，配電系統朝著清潔能源方向轉變，但是為了提高分布式能源的綜合利用效率，保證系統的柔性調控能力，需要加強計及配網有功無功協調運行優化研究，并對在配網有功無功協調過程中的SST規劃工作進行深入探索。固態變壓器SST作為可以利用全控型電力電子器件，能夠完成能量管理和功率控制。在應用過程中交流和直流端口比較多，方便接入DG，保證組網方式的靈活性，此外，還可以有效調節電壓、開展無功補償以及潮流控制等工作，可以有效解決在DG接入配網后產生的很多問題。

現階段，在SST研究過程中主要研究拓撲結構的物理模型以及相關的控制方法，對SST在配網系統運行規劃問題的研究比較少。在對SST規劃方法進行研究時，以傳統配電網為基礎，構建SST穩態運行模型，還可以將其與有載調壓變壓器進行對比，發現SST在主動配電網開展無功調節方面具有突出的作用。在對SST控制方法進行研究時，僅僅對其在外在特性進行分析，可以構建以SST為基礎的無功優化模型。而以電壓偏移最小作為目標的功率與電壓協調控制方法也是SST規劃應用過程中的主要方法之一。此外，對SST協調配網有關運行優化問題進行充分考慮，可以提出含有SST的優化調度方案，在方案中需要完成交直流系統調度優化。這些研究可以證明SST在配網運行控制過程中，可以發揮調節潮流與無功補償作用。

但是目前在對SST進行規劃應用時，僅僅為系統有關資源的協調運行，與輸電網本身存在一定區別。配電線網的有功無功耦合比較強，會忽略無功運行，單純研究SST在配網協調過程中有功協調工作。這一分析并不全面，為了發揮SST在配網有功無功運行協調與優化過程中參與價值，需要對系統的有功無功協調運行進行統籌分析，精準掌握SST運行調控方法，為系統柔性調節能力提供有效保障。此外，全面分析SST電能調節作用，加強配網系統運行中有功無功資源調配管理工作，才能夠實現配電網運行的整體效益。除此之外，SST投資成本比較高也決定了在SST規劃過程中必須要加強全面分析和研究工作，確保SST規劃方案滿足配網運行中有功無功優化需求。但是目前在對SST規劃方案進行分析時，大多數研究人員并不重視系統運行優化問題，僅僅是開展單層規劃模型設計，在這一背景下，分析SST規劃方案的有效性時可能存在一些不足，無法全面掌握SST規劃方案在改善線路過載和電壓過低方面的價值。這一模型在應用過程中忽視了SST高成本產生的經濟問題，不能充分發揮SST在規劃過程中的經濟性效益，也沒有深入探索SST規劃方法對規劃結果與運行優化耦合關系的影響。這一單層求解規劃模型會對SST規劃方法的合理性產生限制。因此，需要根據SST規劃方法的研究情況，完成規劃方法雙層模型分析。

3 SST規劃方法分析

3.1 上層規劃模型分析

在上層規劃模型研究過程中，在本文SST規劃方法設計過程中，需要準確掌握SST的安裝位置、規劃容量，此外，還要綜合考慮不同時段下應用場景不同時，配電網有功無功最優狀態。在上層規劃模型設計過程中，需要將年綜合費用控制在最小值作為目標函數，其中主要參數包括SST等年值投資成本、年運維成本、環境效益以及配電網年運行成本等。

3.2 下層規劃模型分析

在下層規劃模型設計時，其與雙層傳遞的SST規劃設計模型存在一定差別。下層模型的主要目的是完成系統優化，保證有功無功資源能夠協調運行。在具體的設計中需要將配電網日運行成本最小作為主要設計目標。

3.3 混合算法分析

在差分混合算法應用過程中，應用的算法為差分入侵雜草算法。在該算法使用過程中，需要綜合入侵雜草算法、差分進化算法各自優點，可以發揮入侵雜草算法結構相對簡單、魯棒性比較強的優勢，同時能夠利用差分進化算法防止陷入局部最優。在解決非線性多元優化問題時，差分入侵雜草算法的應用相對普遍。在此次研究過程中主要是以待安裝的SST節點位置和容量為基礎完成上層優化，下層設計需要將上層選擇的配置方案作為基礎，確保上下層設計之間的配合度，保證配網有功無功運行協調進行，獲取最優解。之后上下層迭代求解，可以獲取最優結果下的最優SST規劃方案。

為了盡可能縮短在模型設計中的時間，可以利用主從式并行計算架構，在該架構使用中，要準確掌握主處理器功能，加強雙層模型流程控制作業。先進行上層雜草初始化處理，然后發送到兩個子處理器。應用場景不同的情況需要先完成下層運行最優解計算，并將獲取的結果及時反饋到上層結構，準確計算年綜合費用，確保上層迭代優化效果[3]。

4 仿真模型分析

完成模型設計工作后，需要設置如下4種仿真規劃方案進行模擬：方案1，為了保證SST協調配電網單有功資源運行優化效果，需要完成SST雙層規劃設計；方案2，為了保證SST協調配電網單無功資源優化效果，需要完成SST雙層規劃設計；方案3，SST協調配電網有功無功資源運行優化，對SST進行單層規劃設計；方案4，分析SST協調配電網有功無功資源運行優化目標后，完成SST雙層規劃工作。

在具體的仿真設計過程中，所有的成本為等年率值，在完成仿真模型分析后，可以獲取以下結論：

在對比研究不同的SST協調有功無功運行方案時，需要先對方案1、2、4在運行中的具體效果和成本進行統計。主要研究利用SST協調配電網完成有功無功資源優化后，對規劃模型的影響。可以確定方案4的年綜合費用比方案1的年綜合費用低91.1k$，比方案2的年綜合費用低21.8k$。這代表在開展SST配網有功無功優化方案設計工作時，利用雙層規劃設計可以提高規劃結果的經濟效益。而與方案1和方案2相比，方案4配電網年運行成本可以降低大約78。34k$和28.1k$，這進一步證明了SST配網可以協調有功無功優化資源運行，大大減少配網運行成本，并且可以提高SST規劃結果的可靠性，降低整個系統在運行過程中的經濟成本。

在整體規劃結果中，SST接入系統的連接方式為中低壓雙交流系統，可以取代傳統配電變壓器與中壓交流以及低壓直流系統進行連接，實現了無功調節，經濟效益突出。在方案1中網損成本最小。因此，SST的無功調節能力比較強，能夠大大減少系統損益。方案1、方案4的主網購電成本比較小，方案2的相關成本較大，主要是因為在方案2設計過程中，沒有充分考慮系統中DG、儲能系統、柔性負荷在有功調節方面的需求，如果僅僅利用主網購電對系統有功資源進行平衡，會影響購電成本。方案4的總體運行成本比方案1更佳，說明在SST規劃方法設計過程中，對系統有功無功資源進行優化調節，可以保證配電網系統的經濟性，獲取更優規劃方案。

對方案1、方案2和方案4的日運行成本進行分析。發現如果單純考慮單有功或者單無功運行，方案4在有功無功資源協調方面有積極優勢，并且在高峰時段運行時可以對配網資源進行綜合協調。這代表SST協調配網中有功無功運行對DG、柔性負荷產生的波動問題可以有效解決，有助于控制配電網系統成本。

對4個方案發出的無功功率進行分析，方案4輸出的無功功率最低，而方案1發出的無功功率最多，說明SST規劃方法在有功無功協調運行過程中對提高系統的潮流控制能力以及電壓調節能力有積極作用，同時可以控制SST無功補償壓力。為了對SST在協調配電網中的有功無功優化進行驗證，需要了解有功無功優化對電壓質量的影響。在研究過程中需要了解系統節點電壓的具體分布情況，選擇電壓最低的節點，證實了優化設計的SST聯合系統在有功無功運行時，在峰、平、谷可以有效改善電壓偏差問題，從而緩解DG以及負荷波動產生的不良沖擊，峰時段的優化效果比較突出[4]。

5 結束語

總而言之，在此次研究過程中，為了保證計及配電網有功無功運行優化效果，需要對投資成本、運行成本以及環境效益等進行充分考慮，才能夠構建優化水平比較高的SST模型。在具體的設計過程中需要完成SST規劃模型上層設計、下層設計以及算法分析工作，掌握協調主動配電網有功無功協調對SST規劃產生的具體影響。之后通過不同方案模擬仿真實驗，可以獲取以下結論：①與單方面考慮有功/無功運行和單層規劃方法相比，SST規劃方法的經濟性以及安全性更加突出。②為了獲取更加合理的S ST規劃方案，按照中低壓雙交流系統進行連接，可以獲取良好的無功調節效果以及經濟效益。而以多端口為基礎設計的SST可以根據具體情況科學選擇接入節點、控制模式，這對提高SST規劃效果有積極作用。