新能源消納的配電網(wǎng)運行優(yōu)化模型

黃慶祥, 馮艷

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司,湖北,武漢 430013;2.武漢供電設(shè)計院有限公司,湖北,武漢 430030)

0 引言

由于配網(wǎng)系統(tǒng)線路功率和節(jié)點電壓的約束,新能源注入配網(wǎng)時面臨著運行欠佳的問題。文獻(xiàn)[1]在主動配電網(wǎng)中設(shè)計了分布式電源(DG)和儲能系統(tǒng)(ESS),通過這種方式能夠提供更好的供電能力,并使得網(wǎng)配分配能力更加靈活。并構(gòu)建了負(fù)荷裕度的主動配電網(wǎng)運行優(yōu)化混合整數(shù)規(guī)劃模型,該模型以負(fù)荷裕度最大為目標(biāo)。文獻(xiàn)[1]雖然提高了網(wǎng)配分析能力,但是對于成本分析尚未提及。文獻(xiàn)[2]通過“源—網(wǎng)—荷”協(xié)同優(yōu)化運行策略提高了配電系統(tǒng)消納新能源的能力,使得電壓偏差率大大減少,進(jìn)而能夠提高配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。但是該方法沒有對配電網(wǎng)運行優(yōu)化模型的微觀數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析,使得用戶無法在面對新能源消納的情況下,分析配電網(wǎng)具體的影響因素。

1 約束條件

配電網(wǎng)運行過程中,新能源消納面臨著外部因素和內(nèi)部因素風(fēng)險。外部因素包括溫度、濕度、磁場、紋波、磁干擾等,內(nèi)部因素包括變壓器開關(guān)故障、線路損耗等[3]。

考慮到配電網(wǎng)運行可靠性的角度,采用全壽命周期管理(LCC)的方式,這需要考慮到配電網(wǎng)各種運行成本[4]。出于篇幅的限制,本研究從以下幾個方面重點研究。

(1) 投入成本

本研究所指成本主要為一次性投資成本。因為一次性投入成本涉及到配電網(wǎng)用戶運行的關(guān)鍵,具體包括配電網(wǎng)設(shè)備購買成本、安裝成本、維護成本、運行成本等。總成本表示為

Lineprice(h)×LineAux(h)×LineDiff(h)

(1)

式(1)中,Trans表示配電網(wǎng)中變壓器總成本(購置、安裝、應(yīng)用和維護等多種方式),Pole表示配電網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)的電桿,Line表示配電網(wǎng)中配電變壓器,n、m和h分別為配電變壓器、電桿以及導(dǎo)線數(shù)量,Cap表示配電網(wǎng)中運行中的變壓器容量及數(shù)量,price為配電網(wǎng)中不同設(shè)備數(shù)據(jù)信息的價格,Aux表示配電網(wǎng)中不同電力設(shè)備數(shù)據(jù)信息的溢價比,該數(shù)據(jù)信息能夠側(cè)面反映配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息總價值[5],Diff表示配電網(wǎng)中不同設(shè)備數(shù)據(jù)信息在工程安裝過程中受到外界環(huán)境影響大小。

(2) 設(shè)備運維損耗成本

配電網(wǎng)功耗成本也是至關(guān)重要的一環(huán),其影響配電網(wǎng)設(shè)備正常運行以及可靠性,公式為

(2)

式(2)中,β(x0)表示配電網(wǎng)線路中在節(jié)點x0下,外界環(huán)境對線損靈敏度向量。通過式(3)可以隨時隨處分析配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息:

(3)

式(3)中,E(x0)表示配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的誤差矩陣,這種數(shù)據(jù)輸出容易受到外界環(huán)境因素的影響,比如配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息初始潮流狀態(tài)x0、配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等。其中,Δx表示配電網(wǎng)運行過程中受到外部環(huán)境影響的狀態(tài)變量的偏差向量Δx=x-x0,通過這種方式能夠計算出配電網(wǎng)受到外界環(huán)境因素影響程度[6]。

受到外界環(huán)境因素影響程度而損耗的功率價值為

OC=Ploss×Eprice×T

(4)

式(4)中,Eprice表示配電網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出的平均電價,T表示配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息在運行過程中的計算損耗的時間區(qū)間。

(3) 設(shè)備運行過程中的營運成本

設(shè)備運行過程中的營運成本主要包括多種數(shù)據(jù)信息,如設(shè)備耗費量、配件、人員工資、設(shè)備維護費、辦公費等多種數(shù)據(jù)成本。營運成本費用為

(5)

式(5)中,L表示配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息電壓等級,Cprice,l表示第l個電壓等級線路通過人工或者自行損耗量,Lengthl表示配電網(wǎng)中第l個配電節(jié)點下線路長度[7]。

2 改進(jìn)量子粒子群算法的配電網(wǎng)運行優(yōu)化模型的構(gòu)建

為了提高配電網(wǎng)運行能力,采用改進(jìn)量子粒子群算法模型,在該算法中,通過將影響配電網(wǎng)運行的宏觀數(shù)據(jù)量通過微觀數(shù)據(jù)表達(dá)顯示出來,以提高其配電網(wǎng)運行效率[8-9]。其中,該算法中的位置、速度和適應(yīng)度的值能夠直觀地表示該粒子特征,公式可以表示為

(6)

式(6)中,Vid為配電網(wǎng)影響數(shù)據(jù)粒子的速度,Xid為影響配電網(wǎng)運行效率的粒子位置,k為計算影響配電網(wǎng)運行效率時,各種影響因素中粒子活動的當(dāng)前迭代次數(shù),ω表示配電網(wǎng)運行過程中優(yōu)化模型輸出的慣性權(quán)重,該參數(shù)能夠?qū)⒘Ｗ舆\動保持到一定的位置,c1和c2為克服外界數(shù)據(jù)信息對配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的學(xué)習(xí)因子[11],在具體應(yīng)用中存在c1>0、c2>0,r1和r2為介于[0,1]區(qū)內(nèi)的隨機數(shù),Pid與Pgd分別為影響配電網(wǎng)設(shè)備正常運行的個體極值和全局極值。

假設(shè)外界環(huán)境因素如溫度、濕度、磁場、紋波、磁干擾為算法中的粒子特性。在計算時需要對粒子特性進(jìn)行標(biāo)注,以便于輸出配電網(wǎng)運行優(yōu)化數(shù)據(jù)信息,進(jìn)而衡量影響配電網(wǎng)運行的各種數(shù)據(jù)因素[10]。

本文采用量子粒子群優(yōu)化算法(QPSO)提高配電網(wǎng)數(shù)據(jù)運行的效率及收斂速度[12],QPSO的粒子模型的方程表示為

Pi(t)=φ×Pid(t)+(1-φ)×Pgd

(7)

(8)

式(7)～式(8)中,M表示配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息種群的粒子數(shù),φ和u表示介于(0,1)之間的隨機數(shù),Pi(t)表示局部吸引子,由個體最優(yōu)位置Pid(t)和Pgd(t)全局最優(yōu)位置共同決定,mbest(t)表示粒子的平均最好位置,α表示收縮—擴張系數(shù),Xi(t+1)表示粒子群t+1時刻的位置信息。

3 改進(jìn)量子粒子群算法的配電網(wǎng)運行評估方法

通過上述模型的構(gòu)建,下面對配電網(wǎng)運行評估方法進(jìn)行說明。評估方法如圖1所示。

圖1 改進(jìn)量子粒子群算法流程圖

通過改進(jìn)量子粒子群算法的目的在于,量子粒子群優(yōu)化(QPSO)能夠增加粒子位置的隨機性,在評估配電網(wǎng)運行時能夠隨機評估配電網(wǎng)運行過程中的各種數(shù)據(jù)信息,以提高其評估能力。下面通過分步驟計算的方法對如何利用改進(jìn)量子粒子群算法評估配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行說明。

(1) 對影響配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,并將這些數(shù)據(jù)信息輸入到改進(jìn)量子粒子群算法模型中。具體而言,由于粒子編碼是針對比較分散的配電網(wǎng)運行情況進(jìn)行分析,編碼比較適合采用二進(jìn)制的方式。假設(shè)正常位置設(shè)置為1,異常位置設(shè)置為0,則將所有影響配電網(wǎng)運行的數(shù)據(jù)函數(shù)局限于[0,1]之間。表示粒子不同位置的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息粒子函數(shù)為

(4)

(5)

式(5)中,rand表示粒子群規(guī)劃區(qū)間[0,1]內(nèi)任意一個隨機數(shù)。

(3) 對權(quán)重數(shù)據(jù)信息進(jìn)行更新:

(6)

通過式(6)能夠計算出不同屬性的影響配電網(wǎng)運行的粒子數(shù),該式可以將反映配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)信息類型通過不同權(quán)重表示出來。比如式(6)中,ω為計算配電網(wǎng)運行過程中能夠反映最佳屬性的粒子權(quán)重,則有ω=M-1。

(4) 增強搜索能力。為了提高搜索能力,將影響配電網(wǎng)運行的多種數(shù)據(jù)種群直觀地表示出來,可以提高收斂效率。

為了提高搜索能力,需要先計算出權(quán)重的大小。改值通過影響配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)粒子所處于最優(yōu)位置適應(yīng)度與所有影響配電網(wǎng)數(shù)據(jù)粒子比較合適的位置適應(yīng)度之和的比值,通過公式可以表示為

(7)

式(7)中,f(Pi(t))為影響配電網(wǎng)運行效率的粒子i的最優(yōu)適應(yīng)度。適應(yīng)度f(Pi(t))表示多種電網(wǎng)環(huán)境下最優(yōu)適應(yīng)度,在具體計算時,該值通過不斷迭代計算后,在眾多配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息中,從眾多數(shù)據(jù)信息中提煉出最佳數(shù)據(jù)信息。通過不斷地迭代運行,粒子群數(shù)據(jù)更新位置為

(8)

通過式(8)計算后,可以將多次計算的結(jié)果進(jìn)行對比,最終輸出比較合適的位置。

4 實驗與分析

本文采用IEEE10臺機39節(jié)點測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗,將粒子群算法(方案1)和BPSO粒子群算法(方案2)進(jìn)行對比,系統(tǒng)的節(jié)點連接圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點系統(tǒng)接線圖

在圖2中,本研究以節(jié)點1為平衡節(jié)點,節(jié)點2、節(jié)點3為接觸節(jié)點,節(jié)點30為注入有功功率P和無功功率Q的節(jié)點。其中,并網(wǎng)電容最大輸入容量為20 MV×A,節(jié)點1聯(lián)絡(luò)線等效荷載調(diào)整幅度為0.80～1.20,通過對39節(jié)點的負(fù)荷監(jiān)測。本研究方法對IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果示意表如表1所示。

表1 IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

采用本研究方法對配電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,節(jié)點電壓用前推回代潮流算法計算。優(yōu)化結(jié)果與其他算法的比較結(jié)果如表2所示。優(yōu)化前,支路8～21、9～15、12～22、18～33、25～29斷開,網(wǎng)絡(luò)損耗為202.6762 kW,節(jié)點電壓為0.8459 p.u.;經(jīng)過本研究方法優(yōu)化后,網(wǎng)損為98.2044 kW,降低了51%,節(jié)點電壓提高到0.9304 p.u.。通過對比BPSO和BQPSO算法可以發(fā)現(xiàn),本研究方法在進(jìn)行配電網(wǎng)優(yōu)化時,網(wǎng)絡(luò)損耗與節(jié)點電壓均優(yōu)于前兩種算法。并且由圖3～圖5可見,本研究方法的適應(yīng)度值明顯比其他兩種算法低,且迭代次數(shù)也減少。通過一段時間的訓(xùn)練,方案1的適應(yīng)度曲線示意圖如圖3所示。

圖3 粒子群算法適應(yīng)度曲線示意圖

粒子群算法適應(yīng)度曲線示意圖如圖4所示。

圖4 BPSO粒子群算法適應(yīng)度曲線示意圖

本研究粒子群速算法的適應(yīng)度曲線如圖5所示。

圖5 本研究粒子群速算法的適應(yīng)度曲線

對配電網(wǎng)全壽命約束條件進(jìn)行計算,假設(shè)以10年為一個周期進(jìn)行評價。

常規(guī)粒子群算法方法所需的線路長度為2公里,則一次投資成本為IC=50×120+2000/25×700+2×9000=80 000(元)。

運行損耗成本為OC=0.0029×10×103×24×365×10×0.57=1 448 028(元)。

運行維護成本為MC=125 000×2=250 000(元)。

則常規(guī)粒子群算法的LCC成本為1,778,028元。根據(jù)基于粒子群算法優(yōu)化后的消納能力計算方法,改造后的兩條饋線的最大光伏消納容量為9996.4 kW。

在通過本研究方法時,所需的線路長度為1.5 km,則一次投資成本為IC=40×120+1500/25×700+1.5×9000=60 300(元)。

運行損耗成本為OC=0.0032×10×103×24×365×10×0.57=1 597 824(元)。

運行維護成本為MC=125 000×1.5=187 500(元)。

則本研究方法的LCC成本為1 845 624元。根據(jù)基于PSO的消納能力計算方法,改造后的兩條饋線的最大光伏消納容量為9267.3 kW。

通過對比分析可以看到,常規(guī)粒子群算法相對于原饋線而言,消納光伏發(fā)電容量提高了814.1 kW,耗資1 783 868元;本文研究方法方案對消納光伏發(fā)電容量提高了85 kW,耗資1 850 007元。綜合判斷常規(guī)粒子群算法更優(yōu)。因此本研究的約束條件更適用于評估消新能源消納。

為了評估本研究方法的精確度,分別在5 h內(nèi)觀察3種不同方法的系統(tǒng)相應(yīng)時間和誤差精度,比較示意圖如圖6所示。

圖6 3種不同方案對比示意圖

在圖6中,隨著檢測數(shù)據(jù)量的不斷增加,誤差數(shù)據(jù)信息也在不斷增加。系統(tǒng)響應(yīng)時間也隨著誤差量的增加而增加。在誤差為1%的情景下,本研究方法的系統(tǒng)響應(yīng)時間約為0.88 s,而方案1的方法時間超過6 s,方案2方法時間很不穩(wěn)定。因此在剛開始時,本研究方法時間響應(yīng)比較低。隨著誤差量的逐步增加,在誤差增加到10%左右時,方案1方法響應(yīng)時間約為7 s,方案2方法系統(tǒng)響應(yīng)時間約為10 s。通過上述方法,本研究方法的誤差明顯低于上述兩種不同類型的方法。因此,本文提出的綜合評價方法能夠合理、全面地分析電力消納能力,系統(tǒng)響應(yīng)時間和誤差情景之間存在一定的關(guān)系,即誤差越大,響應(yīng)時間越長。

5 總結(jié)

針對電力消納對配電網(wǎng)運行影響評估,本研究針對配電網(wǎng)新能源全壽命消納問題,提出了配電網(wǎng)運行的約束條件,并構(gòu)建了改進(jìn)型粒子算法模型。將影響配電網(wǎng)運行的宏觀數(shù)據(jù)因子轉(zhuǎn)換為微觀數(shù)據(jù)分析,提高了配電網(wǎng)故障影響因素的分析能力。通過實驗結(jié)果表明,本研究方法具有一定的技術(shù)優(yōu)勢,但是在配電網(wǎng)運行過程仍然存在一些不足,需要進(jìn)一步的探索與研究。