基于模糊優化算法的電力應急電源設備自動化配置方法

文小琿

(陜西省地方電力(集團)有限公司，陜西 西安 710061)

城市信息化、現代化發展離不開電力系統的支持，瞬間供電暫停對于人們的生產與生活具有嚴重的影響，大部分的企業將會因此出現經濟損失[1-2]。因而，在現代電力系統中，控制系統運行的穩定性成為首要研究對象。電力系統中的設備故障具有突發性與不可控性，即便是設計了較為完善的管理機制，也會出現突發情況。因此，在高層建筑中大多會存在2個電源進行供電，當一個電源出現故障時，另一個電源完成供電工作。根據當前建筑電力要求，設定電力應急電源設備自動化配置方法成為保證建筑電力供應的主要途徑。

在近年來的研究中，國內外學者提出了大量的電力應急電源設備自動化配置方法，例如文獻[3]中提出了以多能源耦合為基礎的電源配置方法，此方法在一定程度上提高了應急電源設備配置的合理性。文獻[4]推導了LCCHVDC閉鎖故障時刻受端電網頻率和電壓的變化規律，采用灰色關聯分析方法分析了延遲聯切換流站無功補償裝置造成的低頻高壓現象，應對LCC-HVDC閉鎖故障。

在上述文獻的基礎上，為了獲取最優配置方案，節省電力系統運行成本并保持其穩定性，構建一種新型自動配置方法。因此，使用模糊優化算法完成優化設計過程，選擇出更適用于建筑的電源設備自動化配置方案。

1 設備自動化配置方法設計

將使用模糊優化算法對其進行優化，將電力應急電源設備自動化配置過程設定為3部分，具體內容：①相關文獻分析。獲取大量的模糊優化算法與電力應急電源設備自動化配置方法文獻，對其進行分析，對本次研究課題具有一定的了解。②自動化配置方法設計。將模糊優化算法融入當前設備自動化配置方法中，以當前方法為基礎，設計出一種更加有效的自動化配置方法。③實驗與總結。構建相應的電力系統模型，驗證文中提出方法的使用效果，并對此方法的優缺點以及發展方向進行總結。

1.1 確定電力應急電源設備位置

圖1 電力系統支路示意Fig.1 Schematic diagram of power system branch

根據上述圖像，可得到電力支路z的有效功率與無效功率，具體計算過程如下所示：

(1)

(2)

式中，Rz與Ez分別為電力支路的電阻與電抗；Iz為經過電力支路的電流方向；Wq與Vq分別為電力支路末端的有功功率與無功功率，在本次研究中，主要對電力系統線路的有功損耗與節點功率對設備定位的影響[5]，對Wq和Vq求偏導數，則有：

(3)

(4)

由上述公式可知，當q節點輸出功率為固定數值時，此節點的線損靈敏度較高。考慮到電網斷電后設備損壞的問題，選擇在線損靈敏度較高的位置安裝應急電源設備。

1.2 穩壓電容安裝設置

根據上述設定，為了保證后續配置方案設定的合理性與電力系統運行的穩定性，在電力系統中確定了應急電源的位置。對大量實際電容進行分析后，確定穩壓電容的參數(表1)。

表1 穩壓電容組參數Tab.1 Parameters of regulated capacitor bank

將電容引入電力系統后，對支路開關周期電流電壓平均值進行研究，具體計算公式如下：

(5)

對上述公式進行整合，則有：

(6)

忽略電路中二極管的壓降作用，將H設定為固定的計算參數代入上述公式中，則有：

(7)

根據上述公式，實現了穩定電容器的控制過程。當應急電源響應時，穩定電容器開始工作。為實現節能與應急電源設備配置的成本控制，以電容器安裝后的自動配置成本為核心目標函數，力求以最低的經濟成本獲得最高的運行效率，從而延長電力系統的使用壽命。配置成本計算過程如下所示：

Zall=Zs+Zh+Zy+Zj+Zg+Zk

(8)

式中，Zall為設備配置過程中的總成本；Zs為電容增加后的設備成本；Zh為應急電源置換成本；Zy為電力系統運行成本；Zj為應急電源使用后環境保護工程成本；Zg為電容增加后的購電成本；Zk為電網中其他設備耗費成本。

為降低計算難度，對電網的總產值進行計算，設定i為每年實際利益；F為電容與應急電源使用壽命；S為資金計算系數。則有：

(9)

使用此公式對增設電容后的電力系統運行成本展開計算。

1.3 電力應急電源設備自動化配置方案選擇

在上述兩部分的設計中，可以獲取到大量的應急電源設備配置方案，由于此配置方法需要滿足多個應用目標，為了降低各個目標之間的矛盾，設定每個目標的使用容許度，將其作為配置方法的選擇依據，并根據模糊優化算法進行求解。為了有效降低計算難度，使用Zimmerman模型對目標的最大使用限度χ與最優解ε進行分析[6-10]：

(10)

根據上述公式，得到相應的目標最大使用限度，為保證多個目標具有平等的參考性，根據其計算結果對每個目標展開分析，得到其最優解。為實現各目標平均最優解，使用算術平均算子的全補償性[11-13]，添加相應的χi≥χo，則最優解計算過程可體現為：

(11)

利用上述公式可求出配置方案的最優解，本研究采用隸屬函數斜率分析方法[14-16]，確保優化方案符合電力系統的要求，如圖2所示。

根據圖2確定最優解，改善不滿意目標并構建新的目標容許度極限值[17-20]，具體公式如下所示：

圖2 最優方案的隸屬函數Fig.2 Membership function of optimal scheme

(12)

根據上述計算過程，分析了上述應急電源設備的優化配置方案，得出了應急電源設備的最終配置方案。基于模糊優化算法的應急電源設備自動配置方法設計完成，獲取電力應急電源設備自動化配置方案，并在方案組中選擇最優方案，完成配置過程。

2 實例論證分析

2.1 實例構建

本次研究中提出了一種基于模糊優化算法的電力應急電源設備自動化配置方法，構建實驗環節對使用效果加以分析。由于電力系統實驗對于實際生活、工作的影響較大，使用實例實驗的形式完成方法分析過程。

為對電力系統進行高精度模擬，將城市中某建筑電力系統作為研究對象，獲取其電力系統相關參數，電力系統電力應急發電數據采集過程如圖3所示，使用Matlab軟件構建相應的實例電力系統，內部電力應急電源設備設置模式如圖4所示。同時，選擇合適的應急電源為此次分析提供相應的數據。

圖3 電力系統電力應急發電數據采集Fig.3 Data acquisition of power system emergency power generation

圖4 電源應急供電設備設置方式Fig.4 Setting mode of power emergency power supply equipment

通過實地分析，將應急電源設定為光伏應急電源，具體參數見表2。

表2 應急電源選型及相關參數設定Tab.2 Selection of emergency power supply and setting of relevant parameters

實驗中，將光伏應急電源作為研究對象，將其參數輸入到模擬電路中，并根據預先設定的實驗對比指標分析模糊優化方法的使用效果以及優劣性。

2.2 實驗方案設計

在本次實例實驗中，將實例電路中流經的電流設定為220 V直流電壓，充電曲線函數設定如下：

(13)

使用此公式對應急電源的使用過程展開控制，保證電路使用過程符合當前要求。本實驗所采用的比較指標是應急電源配置成本、電網負荷容量和電網電壓穩定性。

2.3 實驗結果分析

電網電壓波動幅度實驗結果、應急電源配置成本測試結果見表3。在本次實驗中，電網電壓穩定性體現為電網電壓波動幅度，通過實驗結果可以看出，模擬優化方法在使用后可保證實驗電網的穩定性，不對實驗電網的電壓輸出造成影響，穩壓電容的安裝具有一定的科學性，可有效保證電網運行效果；且模擬優化方法的應急電源配置成本較低，在多次計算中未出現較大變化。

表3 電網電壓波動幅度及應急電源配置成本Tab.3 Fluctuation range of power grid voltage and configuration cost of emergency power supply

電網負載能力測試結果如圖5所示。

圖5 電網負載能力Fig.5 Load capacity of power grid

由圖5可以看出，模擬優化方法使用后，電網的負載率沒有發生較大的變化，較為穩定，不僅可以獲得較好的配置方案，還可以在一定程度上控制電網的運行狀態，保證電網的運行效果，對電網的負載能力進行高精度的控制。

3 結語

城市建筑對于電力系統的依賴性不斷提升，為了避免突然斷電對工作與生活的影響，提出了一種更加科學的基于模糊優化算法的電力應急電源設備自動化配置方法，應用模糊C-均值聚類方法，確定電力應急電源設備位置，設定成本目標函數，力求在當前研究結果的基礎上，使建筑電力系統更加穩定，運行成本更低。