基于改進(jìn)麻雀搜索算法的多端柔性直流輸電系統(tǒng)有功潮流優(yōu)化方法

顏守勛

（福州萬山電力咨詢有限公司，福建 福州 350000）

0 引 言

隨著現(xiàn)代化社會(huì)的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)配電網(wǎng)發(fā)展相對(duì)薄弱。為提高資源優(yōu)化配置能力，降低輸電線路中電網(wǎng)格局改變所造成的不良影響，需要積極引入先進(jìn)的有功潮流控制優(yōu)化理念。例如，對(duì)大規(guī)模新能源電力系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持柔性直流系統(tǒng)的有功功率平衡，降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)。從控制的角度出發(fā)，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)通過設(shè)計(jì)有功潮流優(yōu)化的方法分層控制最優(yōu)潮流，使交直流電網(wǎng)的傳輸損耗最小化。采用模糊控制方式，使系統(tǒng)在不同工況中能夠維持直流電壓穩(wěn)定的狀態(tài)，合理分配功率。根據(jù)柔性直流輸電的快速響應(yīng)能力，控制有功作用，為弱電網(wǎng)提供電能，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性，完善電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過對(duì)不同問題進(jìn)行整合分類，可以有效解決輸電線路中存在的問題，提高優(yōu)化的有效性，并將優(yōu)化方法應(yīng)用到不同領(lǐng)域，能夠最大限度地減小能源出力導(dǎo)致的電壓偏差。傳統(tǒng)的有功潮流優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用過程中存在局限，由于可再生能源具有隨機(jī)性，其輸出功率會(huì)受到電壓的影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致功率分配不均[1]。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)格局下，受到多種條件因素的影響，饋線之間存在潮流不平衡的問題，導(dǎo)致功率損耗增加，兩側(cè)出力不均，難以有效控制環(huán)境，無法滿足多變的潮流需求。因此，文章重點(diǎn)研究超高壓交流輸電線路電磁環(huán)境控制方法，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。

1 多端柔性直流輸電系統(tǒng)有功潮流優(yōu)化

1.1 建立系統(tǒng)有功優(yōu)化分配模型

根據(jù)多端柔性直流輸電系統(tǒng)的整體網(wǎng)損和功率調(diào)節(jié)范圍限制，以電量最小為目標(biāo)，建立系統(tǒng)的有功優(yōu)化分配模型，用公式表示為

式中：T為調(diào)度周期數(shù)；pi為在時(shí)段i內(nèi)的有功功率；p為系統(tǒng)中的總功率。通過建立優(yōu)化模型，對(duì)決策變量進(jìn)行調(diào)整。設(shè)定系統(tǒng)中存在n個(gè)交流節(jié)點(diǎn)，通過計(jì)算交流節(jié)點(diǎn)的功率，可以得到節(jié)點(diǎn)功率平衡方程[2]。在潮流模型中，需要對(duì)有功功率進(jìn)行約束。設(shè)定無功功率的參量為0，確保對(duì)有功功率進(jìn)行控制的約束滿足以下條件

式中：pimax表示在時(shí)段i內(nèi)的有功功率最大值；pkmax表示直流系統(tǒng)的額定輸送功率最大值；pimin表示在時(shí)段i內(nèi)的有功功率最小值；pkmin表示直流系統(tǒng)的額定輸送功率最小值。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要在調(diào)度周期內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保換流站中每個(gè)功率狀態(tài)保持最小的時(shí)間約束。當(dāng)有功功率指令不同時(shí)，計(jì)算2 條母線支架內(nèi)的交流線路損耗值，以得到交直流線路中的輸送功率。在直流系統(tǒng)輸送功率過程中，直流系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗與功率呈線性變化[3]。對(duì)于已知的直流系統(tǒng)，可以通過損失函數(shù)計(jì)算不同元件之間的損耗。

1.2 轉(zhuǎn)移多端柔性直流輸電系統(tǒng)交流沖擊能力

在交直流并列輸電系統(tǒng)中，為了提高設(shè)備的利用率，達(dá)到線路最大輸送裕度，需要合理分配交直流線路的輸送功率。通常情況下，直流系統(tǒng)的輸送功率較大，如果直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)影響交流狀態(tài)[4]。當(dāng)大容量功率進(jìn)行轉(zhuǎn)移后，輸電線路會(huì)受到一定的沖擊。設(shè)定c為直流功率向交流線路轉(zhuǎn)移過程中所承受的沖擊能力，計(jì)算公式為

式中：pi為直流系統(tǒng)的有功功率；pk為直流系統(tǒng)的額定輸送功率。通過計(jì)算直流系統(tǒng)在故障情況下的攻擊率，能夠知道交流通道中的功率轉(zhuǎn)移情況。攻擊率計(jì)算公式為

式中：e為直流系統(tǒng)故障情況下功率轉(zhuǎn)移參數(shù)。通過判斷系統(tǒng)受到的沖擊程度，能夠知道在故障情況下系統(tǒng)整體受到?jīng)_擊的程度。為維持電網(wǎng)穩(wěn)定，可以對(duì)有功潮流進(jìn)行優(yōu)化，確保直流系統(tǒng)輸電功率達(dá)到平衡。

1.3 改進(jìn)麻雀搜索算法有功潮流優(yōu)化

使用改進(jìn)后的麻雀搜索算法對(duì)多端柔性直流輸電系統(tǒng)的電網(wǎng)有功潮流進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，多端柔性直流輸電的上層控制系統(tǒng)會(huì)持續(xù)采集交直流混合輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)。對(duì)于直流網(wǎng)絡(luò)，其會(huì)判斷直流線路是否發(fā)生中斷故障，并運(yùn)用優(yōu)化分配模型進(jìn)行直流網(wǎng)絡(luò)控制[5]。通過設(shè)定初始種群規(guī)模，計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度，作為初始種群的基礎(chǔ)。經(jīng)過不斷的迭代計(jì)算，對(duì)個(gè)體適應(yīng)度進(jìn)行排序，選擇最優(yōu)個(gè)體進(jìn)行位置更新。運(yùn)用精英策略記錄最優(yōu)個(gè)體，尋找最優(yōu)個(gè)體的計(jì)算公式為

式中：B為迭代后得到的當(dāng)前最優(yōu)解；A為符合正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。不斷進(jìn)行迭代計(jì)算，直至找到最優(yōu)個(gè)體[6]。輸出最優(yōu)值，并調(diào)整最優(yōu)控制策略，對(duì)交流網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備出力進(jìn)行功率分配。在各種約束作用下，進(jìn)一步優(yōu)化潮流，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并維持系統(tǒng)內(nèi)部的電壓水平。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

運(yùn)用MATLAB 開發(fā)工具編寫潮流計(jì)算程序，來計(jì)算穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中的潮流分布。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置了30 個(gè)節(jié)點(diǎn)來模擬電網(wǎng)的運(yùn)行情況。在多端柔性直流輸電系統(tǒng)的控制層，接入儲(chǔ)能設(shè)備分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）裝置，實(shí)現(xiàn)潮流的雙向流動(dòng)。同時(shí)，在IEEE 82 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，將通信開關(guān)安裝在預(yù)設(shè)位置。分析DG 出力對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓變化的影響，并在不同場(chǎng)景中進(jìn)行驗(yàn)證。場(chǎng)景設(shè)定情況如表1 所示。

表1 場(chǎng)景設(shè)定

在確保系統(tǒng)電壓的基礎(chǔ)上，運(yùn)用不同的優(yōu)化算法計(jì)算系統(tǒng)中的電壓分布情況問題，以確定最優(yōu)方案，得到潮流優(yōu)化結(jié)果。

2.2 結(jié)果與分析

對(duì)場(chǎng)景A～E的不同DG接入情況進(jìn)行仿真分析，設(shè)定功率因數(shù)為0.5，在節(jié)點(diǎn)號(hào)分別為10、25、30 的條件下，得到系統(tǒng)接入后的參數(shù)如表2 所示。

表2 場(chǎng)景系統(tǒng)接入?yún)?shù)

不同場(chǎng)景下系統(tǒng)接入DG 的容量不同，為驗(yàn)證多端柔性直流輸電系統(tǒng)的供電可靠性，設(shè)置了3 個(gè)實(shí)驗(yàn)小組。將文章所提方法的小組設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，將基于附加頻變?cè)鲆婵刂频娘L(fēng)電-柔性直流輸電系統(tǒng)次同步振蕩抑制方法和基于離散小波變換-概率型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Discrete Wavelet Transform-Probabilistic Neural Network，DWT-PNN）的柔性直流輸電系統(tǒng)故障檢測(cè)方法的2 個(gè)小組設(shè)為對(duì)照1 組和對(duì)照2 組。選擇場(chǎng)景A 作為研究場(chǎng)景，對(duì)系統(tǒng)潮流進(jìn)行優(yōu)化，并針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。3 個(gè)小組的電壓分布情況如圖1 所示。

圖1 不同處理下節(jié)點(diǎn)電壓分布情況

由圖1 可知，在場(chǎng)景A 中，2 個(gè)對(duì)照組在接入DG 的配電網(wǎng)中存在嚴(yán)重的電壓偏移現(xiàn)象，此時(shí)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓超過0.92 p.u.，造成了嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)損耗。而實(shí)驗(yàn)組的節(jié)點(diǎn)電壓低于0.92 p.u.，網(wǎng)損耗較低。由此可知，當(dāng)配電網(wǎng)接入DG 后，運(yùn)用文章所提優(yōu)化方法能夠改善系統(tǒng)的電壓水平，通過調(diào)節(jié)潮流優(yōu)化，可以提高節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量。

通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，運(yùn)用文章設(shè)計(jì)的有功潮流優(yōu)化方法能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行有效控制，解決電壓偏移問題，使電壓趨于平穩(wěn)狀態(tài)。通過降低系統(tǒng)網(wǎng)損，能夠在不同場(chǎng)景中控制出力，調(diào)整系統(tǒng)電壓偏差，改善電網(wǎng)狀態(tài)。整體來看，接入DG 能夠改善電壓水平，而進(jìn)行潮流優(yōu)化能夠滿足不同用戶對(duì)經(jīng)濟(jì)性的需求。通過適當(dāng)增加電源的出力和靈活調(diào)節(jié)線路潮流，提高了多端柔性直流輸電系統(tǒng)潮流優(yōu)化控制方法的有效性，并增強(qiáng)了系統(tǒng)供電的可靠性。

3 結(jié) 論

文章從輸電線路入手，結(jié)合改進(jìn)麻雀搜索算法，探究基于改進(jìn)麻雀搜索算法的多端柔性直流輸電系統(tǒng)有功潮流優(yōu)化方法。多端柔性直流輸電系統(tǒng)通過與多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建議連接，能夠調(diào)整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，使多端柔性直流輸電系統(tǒng)能夠在多個(gè)層次上保持穩(wěn)定高效的運(yùn)行。但該方法還存在一些不足之處，如強(qiáng)耦合問題、負(fù)荷中心運(yùn)送問題、電磁輻射問題等。因此，需要不斷優(yōu)化區(qū)域電網(wǎng)間電力資源配置，形成多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)控制策略，加快電網(wǎng)的建設(shè)，降低投資和傳輸損耗，提高電網(wǎng)的可靠性。此外，可以通過改變功率流向，滿足算法的應(yīng)用需求，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)不斷變化的需求。