毛曉明,葉嘉俊,魏煥政,李牧星
(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,廣州510006)
電力系統(tǒng)存在大量的隨機性因素,隨著風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng),不確定性因素進一步增加[1-3]。Borkowska于 1974年提出的概率潮流(Probabilistic Load Flow,PLF)分析方法通過計算節(jié)點電壓、線路功率及網(wǎng)損率的期望、方差、概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF)及累積分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function,CDF)等,掌握系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的概率統(tǒng)計特性[4]。
PLF計算方法有多種。其中,MCS方法雖有計算效率低等不足,但仍被認(rèn)為是最強大、最靈活和最準(zhǔn)確的PLF分析方法[5]。針對MCS的不足,人們將馬爾科夫過程(Markov Process,MP)引入到MCS中,形成了馬爾科夫鏈蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)模擬法[6-7]。可是,廣泛用于構(gòu)建馬爾科夫鏈的Metropolis-Hastings算法和Gibbs算法也存在如下不足:(1)Metropolis-Hastings算法需先指定一個便于隨機數(shù)生成的“建議”分布函數(shù),而給復(fù)雜的分布函數(shù)指定一個合適的“建議”分布函數(shù)是很困難的;(2)Gibbs算法需要先確定參數(shù)的滿條件分布,但滿條件分布復(fù)雜的變量無法直接采樣。這些缺點限制了MCMC方法的廣泛使用。
針對上述問題,文獻[8]將切片采樣(Slice Sampling,SS)技術(shù)[9]引入到電力系統(tǒng) PLF中,提高了傳統(tǒng)MCMC方法的計算精度及效率。本文在文獻[8]的基礎(chǔ)上,進一步引入Copula理論和拉丁超立方抽樣,以計及輸入變量間的相關(guān)性并提高計算效率,形成 CMCMCS-CI(Correlation Slice Sampling MCMC Simulation with Copula and Improved Latin Hypercube Sampling)算法。新方法采用Kendall秩相關(guān)系數(shù)度量隨機變量的相關(guān)程度,采用切片采樣的MCMC算法和Copula理論實現(xiàn)相關(guān)隨機變量初始樣本的采樣,采用改進的拉丁超立方采樣對初始樣本進行處理,降低樣本規(guī)模,在考慮隨機變量相關(guān)性的同時,進一步提高MCMC方法的計算效率。以改造后的IEEE-14節(jié)點測試系統(tǒng)為算例,驗證了所提方法的準(zhǔn)確性和有效性,在此基礎(chǔ)上研究風(fēng)、光出力相關(guān)性對電力系統(tǒng)概率潮流的影響。
通常由隨機變量的聯(lián)合分布可以方便地確定各自的邊緣分布,但由隨機變量的邊緣分布卻很難確定其聯(lián)合分布。Copula理論的提出和完善,一定程度上解決了這一問題[10],本文采用該理論來建立潮流計算中隨機關(guān)聯(lián)性變量的概率分布模型。
Copula理論認(rèn)為一個N維聯(lián)合分布函數(shù)可以分解為N個邊緣分布函數(shù)和一個連接Copula函數(shù),且變量間的相關(guān)關(guān)系可由這個連接函數(shù)表示[11]。Nelsen于2006年給出了 Copula函數(shù)的嚴(yán)格定義[12]:Copula函數(shù)是將隨機向量X1,X2,…,XN的聯(lián)合分布函數(shù) F(x1,x2,…,xn)與各自邊緣分布函數(shù) FX1(x1),F(xiàn)X2(x2),…,F(xiàn)XN(xn)相連接的連接函數(shù),即存在函數(shù)C(u1,u2,…,un)使:

Copula函數(shù)種類多樣[13],其中阿基米德Copula函數(shù)具有優(yōu)良的性質(zhì),已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
隨機變量間相關(guān)性度量的方法有很多,Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ有諸多優(yōu)點[14],本文選取Kendall秩相關(guān)系數(shù)。
設(shè)(x1,y1),(x2,y2)是二維隨機向量(X,Y)的 2個觀測值,如果(x1-x2)(y1-y2)>0,則稱(x1,y1)和(x2,y2)是和諧的(concordant);若(x1-x2)(y1-y2)<0,則稱它們是不和諧的(discordant)。
設(shè)(X1,Y1),(X2,Y2)是相互獨立且與(X,Y)同分布的二維隨機向量,則Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ定義為:

式中 P[(X1-X2)(Y1-Y2)>0]、P[(X1-X2)(Y1-Y2)<0]分別表示和諧及不和諧的概率。τ∈[-1,1]。τ∈[-1,0)、τ=0和 τ∈(0,1]分別表示隨機變量負相關(guān)、不能確定相關(guān)關(guān)系及正相關(guān)。
Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ可由Copula函數(shù)計算得到。例如,若隨機變量w1和 w2的 Copula函數(shù)為C(F1(w1),F(xiàn)2(w2)),則 τ可由下式得到[13]:

切片采樣是一種廣義的Gibbs采樣算法,在構(gòu)造可逆馬爾科夫轉(zhuǎn)移核時要先預(yù)定義一個恒定分布[15]。欲從集合Rn中抽取服從某個概率分布的變量x,且其概率密度函數(shù) g(x)與某一函數(shù) f(x)成正比,我們可以通過對g(x)曲線下方的(n+1)維空間隨機均勻采樣得到。
引入附加變量y,定義關(guān)于x和y的聯(lián)合分布,其中y在曲線 f(x)下的區(qū)域為 U={(x,y):0<y<f(x)},則(x,y)的聯(lián)合概率密度函數(shù) f(x,y)可以表示為[9]:

式中Z=∫f(x)d x。變量x的邊緣密度函數(shù)為:

對(x,y)進行抽樣,然后消去附加變量y即得到變量x的樣本。具體迭代步驟為:
(1)從區(qū)間(0,f(x0))隨機均勻生成 y,其中 x0為給定的初值,切片S(由y來定義)對應(yīng)的橫軸x值的集合為{x:f(x)>y};
(2)確定以x0為擴張基點且覆蓋S絕大部分區(qū)間的采樣區(qū)間 I=(L,R);
(3)從區(qū)間I均勻隨機地生成新變量x1。
單變量切片采樣算法的示意圖如圖1所示。圖中由y確定的水平切片S被曲線f(x)分割成許多小切片 S1、S2、S3,且與 S對應(yīng)的橫軸 x值均滿足f(x)>y;以x0為基點的樣本區(qū)間擴張到S外的區(qū)域前,寬度以w為步長持續(xù)增加,然后在擴張后的樣本區(qū)間I=(L,R)均勻隨機地生成新變量 x1。

圖1 單變量概率密度函數(shù)的切片采樣算法實現(xiàn)示意圖Fig.1 Single-variable slice sampling by simulating a sample from the region under its density function
由于函數(shù)f(x)的起伏會把水平切片S切割成許多小切片,使區(qū)間I呈現(xiàn)多重邊界,且有些概率密度模型很復(fù)雜,因此如何確定采樣區(qū)間成為切片采樣最棘手的問題。
針對這種情況,Neal提出了“Stepping-out”和“Shrinkage”算法來確定區(qū)間I的邊界。首先,以x0為基點定義一寬度為w的微型水平區(qū)間I。然后以w為步長重復(fù)擴張區(qū)間I,直到該區(qū)間超出水平切片S的范圍,即 f(x)≤y。由于采樣區(qū)間 I=(L,R)對應(yīng)的橫軸x值不一定全部滿足f(x)>y,所以若新生成的隨機數(shù)x1位于切片S外部,則收縮區(qū)間I兩端,然后再次生成x1,重復(fù)此過程直到生成的x1滿足f(x1)>y為止。隨著不滿足條件的隨機變量不斷被拒絕及區(qū)間I的收縮,符合條件的隨機數(shù)x1的生成概率逐漸增加。詳細步驟見文獻[9]。
通過與Gibbs算法類似的采樣方式(即:將每個變量的分布函數(shù)當(dāng)作條件性依賴于其它變量當(dāng)前值的單變量概率模型)對不同變量輪流依次采樣即可實現(xiàn)對多元分布概率模型的采樣。
將該算法應(yīng)用于PLF中,可改善采樣值在隨機變量分布中的覆蓋程度、提高樣本采樣效率,并顯著提高傳統(tǒng)MCMC方法的計算準(zhǔn)確度[8]。
傳統(tǒng)的拉丁超立方采樣(Latin hypercube sampling,LHS)[16]在對隨機變量 w進行采樣時,需要知道隨機變量的CDF表達式。但在很多情況下,w的CDF是未知或難以求取的,這就限制了LHS的應(yīng)用。針對這一不足,文獻[17]提出了一種基于離散數(shù)據(jù)的改進拉丁超立方采樣方法(ILHS),該方法只需依賴于隨機變量的CDF特性。
對于單個輸入隨機變量w1,在已知n個離散數(shù)據(jù) W1×n=[w1,w2,…,wn]的情況下,W1×n中任意樣本發(fā)生的概率為1/n。如果將w1的邊際累積分布函數(shù)均勻地分割成N個互不重疊的區(qū)間,那么每個區(qū)間包含 n/N個離散數(shù)據(jù),則樣本 W?1×N=[w?1,w?2,…,w?N](N≤n)可以通過下列步驟得到:
(1)將離散數(shù)據(jù)W1×n由小到大進行排序,得到向量 W′1×n=[w′1,w′2,…,w′n];
(2)將向量 W′1×n的第 i個元素 w′i賦值給向量W″1×N的第 k(k=1,2,…,N)個元素 w″k,即 w″k=w′i,其中i與k的關(guān)系如式(6)所示:

(3)對樣本 W″1×N=[w″1,w″2,…,w″N]進行隨機排序,即可得到樣本 W?1×N=[w?1,w?2,…,w?N]。
對于 m維輸入隨機變量向量 Wm×1=[w1,w2,…,wm]T,在已知n組離散數(shù)據(jù) Wm×n=[w1,w2,…,wm]T(wj=[wj1,…,wjn],j=1,2,…,m)的情況下,可由下列步驟得到相應(yīng)的LHS樣本矩陣Wm×N:
(1)采用單變量的ILHS方法對輸入隨機變量w1的n個離散數(shù)據(jù)w1=[w11,…,w1n]進行采樣,獲得樣本 w?1=[w?11,w?12,…,w?1-N];
(2)計算變量 w1的樣本 w?1的第 i(i=1,2,…,N)個元素 w?1(i)在 w1=[w11,…,w1n]的位置參數(shù)li,即 w?1(i)=w1(li);
(3)對于 Wm×1=[w1,w2,…,wm]T的第 h(h=2,…,m)個變量 wh,ILHS采樣得到的樣本為 w?h=[w?h1,w?h2,…,w?hN],其中 w?h的第 i個元素 w?h(i)為 wh=[wh1,wh2,…,whN]的第 li個元素 w″h(li),即w?h(i)=w″h(li);
(4)重復(fù)步驟(3)即可得到所有隨機變量的LHS采樣樣本,從而得到隨機變量向量Wm×1的樣本矩陣W?m×N=[w?1,w?2,…,w?m]T(w?i=[w?i1,w?i2,…,w?iN],i=1,2,…,m)。
步驟(3)確保了樣本矩陣 W?m×N中隨機變量的相關(guān)性與Wm×n中隨機變量相關(guān)性的一致。
將ILHS應(yīng)用于SS生成的初始樣本中,在保證隨機變量相關(guān)性的同時,進一步減小PLF的計算樣本的規(guī)模,進一步提高MCMC方法的計算效率。
生成滿足相關(guān)性及邊緣分布等要求的輸入隨機變量的樣本,是基于CMCMCS-CI采樣的概率潮流計算方法的關(guān)鍵。根據(jù)生成的樣本通過潮流方程式(7)計算得到系統(tǒng)節(jié)點電壓D及支路潮流H的值。

式中W節(jié)點注入功率向量;D為節(jié)點電壓狀態(tài)向量;H為支路輸出功率向量;f和g分別為節(jié)點功率和支路潮流方程。
具體步驟如下:
(1)輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、節(jié)點注入功率 Wm×1=[w1,w2,…,wm]T及采樣規(guī)模N等;
(2)根據(jù)節(jié)點注入功率Wm×1間的相關(guān)關(guān)系選擇合適的Copula函數(shù)描述其相關(guān)結(jié)構(gòu);
(3)根據(jù)選擇的Copula函數(shù)采用切片采樣算法采樣得到注入功率 Wm×1初始樣本矩陣 Wm×n=[w1,w2,…,wm]T(wj=[wj1,…,wjn],j=1,2,…,m);
(4)采用ILHS方法對初始樣本矩陣 Wm×n進行采樣獲得最終樣本矩陣 W?m×N=[w?1,w?2,…,w?m]T(w?i=[w?i1,w?i2,…,w?iN],i=1,2,…,m);
(5)將N組節(jié)點注入功率Wm×1的采樣值分別帶入式(7)依次采用牛頓-拉夫遜算法進行N次確定性潮流計算,獲得N組節(jié)點電壓、支路潮流等輸出隨機變量的計算值;
(6)應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)的方法統(tǒng)計節(jié)點電壓、支路潮流等輸出隨機變量的數(shù)字特征和概率分布。
本文建立風(fēng)電場及光伏電站聯(lián)合出力模型,研究高比例風(fēng)、光并網(wǎng)對電力系統(tǒng)概率潮流的影響。
研究表明,世界上大部分地區(qū)風(fēng)速和風(fēng)電場有功輸出滿足線性關(guān)系[18],即風(fēng)電場出力Pw的累積分布函數(shù)F(pw)和概率密度函數(shù)f(pw)可表示為:


式中風(fēng)電場風(fēng)速 v服從Weibull分布,且k、c分別代表Weibull分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù);k1=Pr/(vr-vci);k2=-k1vci;Pr、vci、vr分別表示風(fēng)電場的額定輸出功率、切入風(fēng)速和額定風(fēng)速。
據(jù)統(tǒng)計,世界上絕大部分地區(qū)的光伏輸出功率ppv的概率密度函數(shù) f(ppv)和累積分布函 F(ppv)數(shù)可表示為[2]:

式中Γ表示Gamma函數(shù);α、β分別表示Beta分布的形狀參數(shù);ppv、pmax分別表示光伏電站的實際和最大有功出力。
本文關(guān)注的是風(fēng)、光電場出力特性對電力系統(tǒng)概率潮流的影響,故風(fēng)電場和光伏電站均采用等值集中模型,即風(fēng)電場等效額定出力為所有風(fēng)機出力總和;光伏電站額定出力為所有光伏電池出力總和。
考慮到相鄰地區(qū)的風(fēng)電和光伏出力存在一定的負相關(guān)特性,本文選取Frank Copula函數(shù)作為風(fēng)-光聯(lián)合出力概率分布的連接函數(shù)。Frank Copula函數(shù)的密度函數(shù)可表示為[13]:

式中θ為隨機變量u、v的相關(guān)參數(shù)且θ≠0;當(dāng)θ>0時表示 u、v正相關(guān);θ→0時表示 u、v趨于獨立;θ<0時表示u、v負相關(guān)。
Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ與Frank Copula函數(shù)相關(guān)參數(shù)θ的關(guān)系為:

由式(1)、式(12)可得風(fēng)電場和光伏電站有功出力的聯(lián)合概率密度函數(shù)為:

式中 F(pw)、f(pw)和 F(ppv)、f(ppv)分別為風(fēng)電場和光伏電站有功出力的分布函數(shù)和概率密度函數(shù);相關(guān)參數(shù)θ可由式(13)求得。
在不同Kendall秩相關(guān)系數(shù)下,采用本文方法抽樣得到的100組風(fēng)電場和光伏電站出力的樣本數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 不同秩相關(guān)系數(shù)下風(fēng)、光電場有功出力Fig.2 Active power outputs of wind and photovoltaic farmswith different rank correlation coefficients
本文以圖3所示改造后的IEEE-14節(jié)點測試系統(tǒng)為算例進行仿真分析。假設(shè)風(fēng)電場W接入到節(jié)點13,光伏電站PV接入到節(jié)點14。系統(tǒng)發(fā)電機總裝機容量為572.4 MW,新能源裝機容量為200 MW,占比34.9%。風(fēng)機裝機容量100 MW,風(fēng)速服從尺度參數(shù)為14.117 8、形狀參數(shù)為2.017 8的 Weibull分布,且風(fēng)機的切入、額定、切出風(fēng)速分別為3 m/s、16 m/s和25 m/s。光伏發(fā)電裝機容量為100 MW,有功出力服從形狀參數(shù)為2.06和2.50的Beta分布。假設(shè)風(fēng)電場及光伏電站均采用功率因數(shù)為1的恒功率因數(shù)控制方式,所有負荷服從期望為穩(wěn)態(tài)值、標(biāo)準(zhǔn)差為期望值15%的正態(tài)分布。
采用本文概率潮流計算方法對圖3所示系統(tǒng)進行概率潮流分析,并與基于切片采樣的MCMC法得到的結(jié)果進行比較,驗證本文所提方法的準(zhǔn)確性和有效性。其中CMCMCS-CI的采樣規(guī)模為1 000次;切片采樣規(guī)模分別為105次和103次,認(rèn)為采樣規(guī)模為105次時計算所得結(jié)果為準(zhǔn)確值。

圖3 IEEE-14節(jié)點算例接線Fig.3 Diagram for IEEE 14-bus system
兩種方法所得節(jié)點14電壓幅值的期望μv、標(biāo)準(zhǔn)差σv,線路6-11有功功率期望μa、標(biāo)準(zhǔn)差σa,系統(tǒng)網(wǎng)損率期望μI、標(biāo)準(zhǔn)差σI如表1所示。

表1 IEEE-14節(jié)點系統(tǒng)概率潮流計算結(jié)果Tab.1 Probabilistic power flow results for IEEE 14-bus system
可見,采樣規(guī)模為103時,本文方法即可獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果,耗時304.67 s。而為得到準(zhǔn)確的結(jié)果,切片法需用時1 861.1 s。充分體現(xiàn)了改進的有效性和高效性。
由于光伏電站晚上不出力而夜晚的風(fēng)速往往較大,因此地理上毗鄰的風(fēng)電場及光伏電站往往具有較強的負相關(guān)關(guān)系,但由于風(fēng)資源和光照等自然因素的隨機性,仍存在小部分時間呈現(xiàn)正相關(guān)性。而風(fēng)、光出力相關(guān)性會改變含風(fēng)-光發(fā)電系統(tǒng)出力的概率分布,進而影響電力系統(tǒng)潮流分布。目前,關(guān)于風(fēng)電光出力相關(guān)性對電力系統(tǒng)概率潮流影響的研究鮮有報道。本文將風(fēng)、光出力的Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ分別設(shè)為 -0.9、-0.6、-0.3、τ→0、0.3、0.6和0.9,采用所提CMCMCS-CI概率潮流計算方法依次計算概率潮流,得到如下結(jié)果。
5.3.1 對節(jié)點電壓的影響
不同Kendall秩相關(guān)系數(shù)下,系統(tǒng)各節(jié)點電壓幅值和相角的期望值、標(biāo)準(zhǔn)差的變化曲線如圖4所示。風(fēng)、光的相關(guān)性對系統(tǒng)節(jié)點電壓幅值和相角的期望值影響較小,但對標(biāo)準(zhǔn)差影響較大,風(fēng)、光接入點最甚且標(biāo)準(zhǔn)差隨著τ的增大而增大。
不同Kendall秩相關(guān)系數(shù)下,節(jié)點14電壓幅值和相角的概率密度曲線和累積分布曲線分別如圖5所示。風(fēng)、光的相關(guān)性會影響系統(tǒng)節(jié)點電壓幅值和相角的概率分布,τ越大,風(fēng)、光出力變化的同步性越強,電壓幅值和相角的波動范圍越大,電壓越限的概率也越大。

圖4 節(jié)點電壓幅值、相角的期望和標(biāo)準(zhǔn)差ig.4 Mean values and standard deviations of bus voltagemagnitudes and phase angle

圖5 節(jié)點14電壓幅值、相角的概率密度和累積分布曲線Fig.5 PDF and CDF of voltagemagnitude and phase angle at bus 14
5.3.2 對線路有功的影響
不同Kendall秩相關(guān)系數(shù)下,系統(tǒng)各線路傳輸有功的期望、標(biāo)準(zhǔn)差的變化曲線如圖6所示。線路有功的期望基本不受風(fēng)電和光伏出力相關(guān)性的影響,但其標(biāo)準(zhǔn)差受到較大的影響,風(fēng)、光電站之間的線路(線路13-14)有功功率標(biāo)準(zhǔn)差隨著τ的增加而減小,其它線路有功功率的標(biāo)準(zhǔn)差隨著τ的增大而增大。
不同Kendall秩相關(guān)系數(shù)下,線路6-11傳輸有功的概率密度曲線和累積分布曲線如圖7所示。風(fēng)、光的相關(guān)性同樣會影響線路傳輸有功的概率分布。隨著τ增大,風(fēng)、光出力變化的同步性增強,線路傳輸功率波動加劇,越限的概率也增加。

圖6 線路有功功率的期望和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.6 Mean values and standard deviations of the active power in lines

圖7 線路6-11有功功率的概率密度曲線和累積分布曲線Fig.7 PDF and CDF of the active power in line 6-11
5.3.3 對網(wǎng)損率的影響
不同Kendall秩相關(guān)系數(shù)下,系統(tǒng)網(wǎng)損率的期望與標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。可見,τ增大時,系統(tǒng)網(wǎng)損率的期望μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ都會增大。對期望的影響并不顯著,最大變化率為12.16%;對標(biāo)準(zhǔn)差影響較大,最大變化率達63.43%。

表2 網(wǎng)損率的期望值與標(biāo)準(zhǔn)差Tab.2 Mean and standard deviations of network loss rate
不同Kendall秩相關(guān)系數(shù)下,網(wǎng)損率的概率密度曲線和累積分布曲線如圖8所示,風(fēng)、光相關(guān)程度會影響系統(tǒng)網(wǎng)損率的概率分布。秩相關(guān)系數(shù)τ越大,系統(tǒng)網(wǎng)損率變小的概率越大,即風(fēng)、光互補有助于減小系統(tǒng)功率的損耗。因此,在電力系統(tǒng)分析中,如果低估或忽略風(fēng)電場和光伏電站出力的相關(guān)關(guān)系,將無法準(zhǔn)確得到系統(tǒng)網(wǎng)損率的概率分布。

圖8 系統(tǒng)網(wǎng)損率的概率密度曲線和累積分布曲線Fig.8 PDF and CDF of system network loss rate
本文提出一種基于Copula理論、切片采樣技術(shù)結(jié)合拉丁超立方抽樣的MCMC方法,應(yīng)用于高比例風(fēng)、光發(fā)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的概率潮流計算中。新方法能靈活處理輸入隨機變量的相關(guān)性,在保證精度的同時進一步提高了MCMC方法的計算效率。以改造后的IEEE-14節(jié)點系統(tǒng)為算例,驗證了方法的準(zhǔn)確性和有效性,并得到一些有實際意義的結(jié)論:
(1)風(fēng)電光伏間的相關(guān)關(guān)系會對概率潮流計算的輸出隨機變量(節(jié)點電壓、線路傳輸功率、網(wǎng)損率等)的期望值、標(biāo)準(zhǔn)差及概率分布產(chǎn)生一定影響,且對期望值的影響較小,對標(biāo)準(zhǔn)差及概率分布影響較大;
(2)隨著Kendall秩相關(guān)系數(shù)τ的增大,輸出隨機變量(節(jié)點電壓、線路傳輸功率、網(wǎng)損率等)的波動性隨之增強;
(3)考慮風(fēng)、光出力的相關(guān)性可以更準(zhǔn)確地評估風(fēng)、光并網(wǎng)對電力系統(tǒng)運行的影響,有助于風(fēng)電場和光伏電站的選址及電網(wǎng)規(guī)劃。