配電網中分布式電源調度的集成與協同優化

楊 宏

（貴州電網貴陽供電局，貴州 貴陽 550001）

0 引 言

在能源轉型的大背景下，分布式能源在供電體系中的比重逐漸增加，使得配電網的電源調度面臨更為復雜的挑戰。傳統的中央化供電模式已不能滿足日益增長的電力需求，因此如何更好地集成和協同優化分布式能源成為當前電力系統研究的重要議題。

1 配電網中分布式能源的集成

1.1 分布式能源的種類與特性

在配電網中，分布式能源的集成需要深入理解各種分布式能源的種類與特性。分布式能源主要包括太陽能光伏、風能、生物能等多種形式。太陽能光伏系統具有間斷性和波動性，取決于天氣條件；風能系統受風速變化的影響；生物能系統可能受到生物質原料供應的季節性波動。理解這些分布式能源的特性對于有效整合其產能、提高系統健壯性至關重要。在集成過程中，必須考慮不同能源之間的協同性和互補性，以實現能源利用效率最大化。

1.2 配電網拓撲結構的考慮

在實現配電網中分布式能源的集成過程中，拓撲結構的設計是一個至關重要的方面。配電網的拓撲結構直接影響能源的傳輸、分配以及管理效率。在考慮拓撲結構時，需要充分考慮各種分布式能源的接入點、節點之間的連接方式和電力流動的路徑。合理設計拓撲結構可以降低電力傳輸損耗，提高系統的健壯性和可靠性。此外，拓撲結構的合理設計能夠更好地適應不同類型分布式能源的接入，克服能源波動性給系統帶來的不穩定性[1]。在實際應用中，配電網拓撲結構主要涉及線路的架設、開關設備的配置及電纜布線等方面的問題，這些都需要考慮系統的安全性和經濟性。

1.3 集成算法與調度策略

在配電網中實現分布式能源的集成需要高效的集成算法和調度策略，以實現對各類分布式能源的協同管理。一種常用的集成算法是基于物理約束的電力平衡模型，其核心思想是通過考慮電力系統中的各種物理約束條件，利用優化算法求解得到最優的電力分布方案。這個算法的數學表達式可以表示為

式中：cij表示節點i到節點j之間的電力傳輸成本；xij表示電力傳輸的決策變量。通過求解這個優化問題，可以得到整個系統中各節點之間的最優電力傳輸方案，實現了分布式能源的有效集成。

調度策略是在集成算法的基礎上進一步優化分布式能源的管理方式。以動態規劃調度策略為例，其核心思想是根據實時電力需求和供給情況，動態調整分布式能源的輸出功率，以最大化系統的整體效益[2]。這一調度策略的數學表達式可以表示為

式中：pi(t)表示節點i在時刻t的功率輸出；ri(t)表示節點i在時刻t的電價。通過對這個優化問題進行求解，可以得到在不同時刻下各節點的最優功率輸出，從而實現對分布式能源的動態調度。

2 電源調度與協同優化框架

2.1 電源調度模型的建立

2.1.1 需求側管理

在電源調度與協同優化框架中，需求側管理是關鍵的一環，旨在通過有效的電力需求管理實現電力系統的高效運行。需求側管理的核心是建立電源調度模型，其中的一個重要方面是需求側的靈活性管理。需求側管理通過智能化控制和預測分析，實現對用戶電力需求的動態調整。其中，預測模型可以基于歷史用電數據、天氣情況等因素，準確預測未來的電力需求趨勢，具體公式為

式中：D(t)表示時刻t的實際電力需求；D歷史(t)和D天氣(t)分別表示歷史用電數據和天氣因素對電力需求的影響。通過調整模型中的參數α和β，可以根據實際情況對歷史數據和天氣因素進行權衡，得到更為準確的電力需求預測結果。需求側管理還包括對用戶設備的智能控制，通過智能家居系統等實現對電器設備的遠程控制和優化調度[3]。通過調整用戶設備的運行狀態，實現對電力需求的靈活管理，減少系統負荷峰值，提高系統效率。

2.1.2 供給側管理

在電源調度與協同優化框架中，供給側管理是一個至關重要的方面，其目標是通過有效的電力供給管理實現電力系統的穩定供應和高效運行。供給側管理的核心在于建立合理的電源調度模型，其中供給側的靈活性管理至關重要。

在供給側管理中，需要考慮各類電源的特性，如傳統發電設備、分布式能源以及儲能設備等。通過對各類電源的運行特性、響應速度等進行深入分析，建立相應的數學模型，以實現對供給側的精確調度。其中，以分布式能源為例，可以通過模型考慮其不穩定性和間歇性，采用智能算法如強化學習等進行優化調度。此外，供給側管理需要綜合考慮電力系統的運行狀態、負荷需求、電網穩定性等因素。通過建立包含這些因素的綜合性電源調度模型，可以實現對供給側的整體優化。為了更好地應對電力系統的動態變化，供給側管理可以引入預測模型，對未來的負荷需求和可再生能源輸出等進行預測，以提前做好電源調度的準備。

2.2 協同優化算法

2.2.1 智能算法的引入

在電源調度與協同優化框架中，智能算法的引入是為了更有效地處理復雜的電力系統調度問題，提高系統的運行效率和靈活性。智能算法的應用可以針對電力系統的非線性、動態及多變問題，自適應、學習及優化的方式，實現電源調度的智能化與協同優化。一種常見的智能算法是遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）。在電源調度中，GA 可以模擬生物進化的過程，通過交叉、變異等操作產生新的電源調度方案，進而不斷優化適應度函數，找到最優解。具體流程包括初始化種群，定義適應度函數（反映調度方案的優劣），通過選擇、交叉及變異操作產生新一代的個體，不斷迭代直至滿足停止條件。這一過程中，GA 能夠全局搜索潛在的最優解，適應于復雜的電力系統調度問題。人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN）是一種常用的智能算法。通過ANN 模型學習電力系統的非線性映射關系，可以實現對電源調度問題的建模和優化，流程包括網絡結構設計、權重初始化、輸入數據傳播、誤差反向傳播及權重更新等[4]。

2.2.2 優化算法的協同作用

電源調度與協同優化框架中，優化算法的協同作用關鍵在于充分利用各算法的優勢，協同融合不同優化算法的特點，例如結合遺傳算法的全局搜索和粒子群算法的局部搜索形成混合算法，平衡全局搜索和局部搜索，提高搜索效率。多層次協同優化采用層次化結構，先宏觀調度再微觀調度，綜合考慮系統整體和局部特性。多目標優化算法通過同時考慮成本、可靠性及環境影響等目標，形成協調平衡的解集，為決策提供多樣化選擇[5]。

3 實驗與仿真

3.1 實驗環境與數據收集

分布式電源調度的實驗與仿真中，需要先搭建一個真實可靠的實驗環境。實驗環境的構建包括模擬實際配電網拓撲結構、集成各類分布式能源的設備和傳感器，并確保數據采集系統正常運行。為了模擬真實場景，選擇了一個典型的配電網拓撲結構，考慮電源、負載、線路等各個元素的布局和連接關系。在這個實驗環境中，包含了不同類型的分布式能源，如太陽能、風能等，并通過適當的接口與實驗平臺連接，實現了對分布式能源的模擬集成。數據收集是實驗的關鍵環節，利用各類傳感器和監測設備，實時采集電源、負載、線路等各個節點的電流、電壓、功率等關鍵參數。這些數據通過高精度的數據采集系統進行實時傳輸，確保數據的準確性和及時性。同時，為了更全面地考慮系統的動態性，引入了天氣狀況等外部因素的數據采集。在實驗過程中，通過實驗儀器、傳感器及監測系統不斷采集實時數據，并記錄各個節點的工作狀態和性能指標。這些數據為后續仿真和分析提供了有力的支持。通過在不同場景下進行實驗數據的收集，能夠更好地驗證電源調度與協同優化框架在實際應用中的性能和可行性。

3.2 分布式能源集成與調度實驗

文章設計了一個分布式能源集成與調度實驗，以驗證電源調度與協同優化框架的性能和可行性，具體流程如圖1 所示。通過模擬實際配電網拓撲結構，包括太陽能和風能等分布式能源的合理布局，部署了傳感器和監測設備實時采集各節點的電流、電壓、功率等參數。注重考慮系統動態性，引入外部因素數據采集，如天氣狀況，以更全面地模擬實際應用情境。實驗數據詳細記錄各節點的工作狀態和性能指標，為后續的仿真和結果分析提供有力支持，驗證電源調度與協同優化框架的實際效果。

圖1 分布式能源集成與調度的實驗流程

3.3 協同優化算法仿真與結果分析

通過分析協同優化算法在工業區和居民區2 個不同實驗場景的仿真結果，可以觀察到不同優化算法在功耗和可靠性方面的表現差異如表1 所示。在工業區，GA 的應用導致功耗顯著降低了12.5%，同時系統的可靠性提高8.2%。而在居民區，蟻群算法實現了11.2%的功耗降低和6.9%的可靠性提高。實驗結果充分說明，不同實驗場景下，選擇合適的協同優化算法能夠有效改善配電網的性能指標。通過深入分析仿真結果，能夠為實際配電網的協同優化調度提供有益的指導，使系統在不同環境下都能夠取得良好的調度效果。

表1 協同優化算法仿真結果

4 結 論

通過文章的研究，深入探討了分布式能源的種類與特性、配電網拓撲結構的考慮以及集成算法與調度策略的關鍵問題。在電源調度與協同優化框架的建立方面，成功構建了電源調度模型，實現了需求側管理和供給側管理的有效整合，并引入智能算法與優化算法相協同的方式，提高了調度的效率和可行性。文章的研究結果為配電網中分布式能源的高效調度提供了有益的理論和實證支持，對于未來智能電網的發展具有積極的推動作用。