含分布式電源的配網無功優化混合算法

黃文斌 林宣鶴 陳偉偉

引言

據中國電力統計，2021年全社會用電量快速增長，電網結構不斷調整，裝機容量不斷增加，設備技術水平不斷提高，存在容量大、電壓質量差、功率比低、損耗率高、嚴重低壓遠距離和控制不足等問題。由于中國制造業的迅速發展，工業生產裝置數量日益增多，起動與制動現象越來越普遍，對電網形成了極大的影響，也影響著其他裝置的正常工作，對能效造成了嚴重威脅。城市供電網絡中為了滿足供電需要，將與用戶之間直接消耗的無功功率直接向根節點供電時，由于城市供電網絡產生了很大的電壓，城市配電網的總電壓水平相對較低。因此，城市配電網的消耗不斷提高。

一、含分布式電源的配網的現狀

（一）配電網無功優化的意義

根據各種耗電、轉換和傳輸元件的電壓等級，配電網可分為高壓配電網、中壓配電網和低壓配電網。主要的損耗、交換和傳輸元件，包括主異步電機、交流變壓器和輸電線路，因此產生了大量無用功率。電子傳感器可以在某部分存儲或吸收的電能，并反映出部分儲存的電能，無功功率控制不能直接消耗電能，而無用功耗的多少也只反映電子傳感器可以儲存和釋放電能的多少。但是，由于電網中的無用功率傳遞在電網的各種器件中形成了無功功率分量，從而造成總電壓增大，這些器件的有效損耗隨著電阻增大，能量消耗也隨之增大[1]。因此，盡管電網中的無功傳遞無法完全避免，但是電網中的無功傳遞卻能夠適應電壓調節的需要，特別是在遠程傳輸，從而能夠最大限度地降低無功消耗。

一旦沒有有效電源在電網中長距離傳播，進一步削弱電網壓力，將造成嚴重的電網崩潰。另外，當無效電源進入線路中，也會提高電力、變壓器和導線之間的有效電源消耗，進而降低功率因數，這也損害了電器的工作效能，狀況嚴重時，家用電器甚至可能無法正常運行。由于供電設施和輸電線路數量的增加，無功補償對供電系統的安全運行非常關鍵，需要補償更多的無功電源要克服電力系統中運行的許多問題，我們須對無功功率、無功補償和低電壓進行充分的管理，以提高配電網的電力品質，并發揮各功率器件的優點，以減少網損。無功功率控制系統的合理優化，將使電網工作變得更加安全、平穩和經濟。通過采用合理優化無功功率控制系統，能夠優化無功的分配，從而有效減少了功率因數損失和電流消耗，并提高了電流質量，使設備更加可靠、穩定地工作。

（二）分布式發電研究的意義

目前，分布式發電的定義尚未標準化，常用的定義分為兩類。首先，為了滿足某些用戶的需求或支持現有配電網的經濟運行，分散發電是必要的。近年來，由于電網供電不能滿足應急供電和邊遠地區的特殊需要，需要加大分布式電源發電和新能源發電來滿足供給需求，減少城市電網擁堵：在城市電網或中低壓輸電網中，增加供電能力，提供足夠的電能，可以根據使用能力形成分散發電。雖然電網中的無功傳遞無法完全避免，但是電網中的無功傳遞卻能夠適應電壓調節的需要，特別是在遠程傳輸，能夠最大限度地降低無功消耗。

供暖、空調和電力服務：內部和外部燃氣輪機、燃氣輪機和其他分散發電廠在供暖和制冷期間提供電能，滿足用戶的特殊需求，具有經濟性和控制靈活的優勢。

分散發電作為電網調峰的優化配置工具，可以根據電網的最大經濟活動調整分散發電的發電功率和儲能裝置，以填補輸電線路的谷峰，解決遠程供電問題，提供暖通空調服務。提高效率：大多數分布式發電機配備高效節能裝置，以充分利用能源。減少污染：分散的可再生能源發電產生的污染幾乎為零。其他分散發電也具有低排放、低噪音和遠低于一般集中發電功耗的特點[2]。

（三）分布式發電的問題探討

對電網損耗的影響，當分布式發電系統連接到近負荷配電網時，適用于整個配電系統電流分配的分布式發電技術可導致輸電網損耗的增加或減少。

當輸電網絡接入風能和太陽能系統時，當地氣候對其影響很大，其性能具有不規則變化的特點。因此，配電網的負荷分布總是變化的，系統的電流具有隨機變化的特點，需要一種快速、準確的智能算法來分析、監控和歸納分布式網絡系統的分布，從而使分布式網絡系統能夠安全、經濟地運行。

在靜止狀態下，當配電網中的電壓沿電流方向持續下降時，傳統的配電網結構通常是徑向的，由于傳輸到供電系統的有效功率降低，以及分布式發電系統提供的無效功率降低，饋線沿線每個負載節點的電壓升高。

（四）分布式電源的接入對配電網的影響

分布式發電是一種經濟高效、靈活且環保的發電方式，它對傳統的配電系統、電能質量、繼電保護配置、可靠性和電力市場規劃都有很大的影響。

配電網規劃是在現電網規劃和負荷預測曲線的基礎上，在滿足供電安全可靠的前提下，將分布式發電引入配電網，從而增加整個系統負荷預測，確定系統的最佳設計方案。配電網負荷節點設置分布式發電，實現用戶自供電。隨著分布式發電在配電網中的推廣應用，配電網負荷預測模型發生了變化，預測的復雜性和不確定性增加，影響了配電網的規劃。其次，將分布式發電引入配電網增加了整個規劃系統的復雜性。由于分布式系統的規劃問題是一個具有多個約束和目標的離散非線性動態規劃問題，其動態屬性往往與節點數有關。在分布式系統中，必須考慮數以千計的節點負載變化，隨著分散發電引入配電網，配電網的運行模式發生了變化。由于配電網是單向的電力流動，配電網的運行方式也發生了很大的變化，配電系統接入分布式電源后，其安全性和穩定性受到很大影響。

由于分散發電的間歇性，分散發電的實現依賴于電力電子控制技術，但通過多個電力電子裝置的應用，非線性負荷增加，會導致電壓波形畸變，電網變化，電網和諧污染。有兩個主要影響，諧波污染和電壓變化。電力電子設備的引入，不可避免地會給系統帶來許多諧波，諧波的幅度取決于分散發電和變流器的運行模式。配電網中分散發電的停運和輸出功率的短期大幅變化對配電網的電壓質量有負面影響。隨著配電網電流流向和規模的變化，配電網的電壓也會發生變化，原有的電壓控制方法已不能適應分布式配電系統的電壓控制方法，分散發電的配電網須滿足電能質量的要求。

分散發電對配電網繼電保護的影響，傳統的配電系統結構是放射狀的，具有結構靈活、供電可靠性高的特點，將分布式發電引入配電系統后，將輻射狀配電系統結構轉化為具有網絡化電源和用戶的電網。因此，當分布式發電機工作時，剩余電流減小，這可能導致繼電保護失效。

分散發電對分布式網絡的影響，分散發電機組接入配電網后，不僅會影響配電系統的規劃、電能質量和繼電保護，還存在配電網損耗、可靠性、電力市場和系統穩定性等問題，需要進一步研究。

二、無功優化混合算法

（一）含分布式電源的配電網無功優化

無功功率優化就是在給定的網絡結構、發電機容量和負荷分布條件下，調整各節點的無功補償，使有功損耗最小化，并滿足特定的約束條件。當發電分配集成到配電網中時，整個配電網的電流分布會發生變化，如果無效電源不同，發送到配電網的有效和無效能量也不同。因此，在分散發電整合后，不僅要重新分析無功優化問題，還要分析各種分散聚合方法對無功優化的影響。

（二）混合啟發式搜索算法的新應用

在遺傳算法的優化過程中，提出了仿真模型法、懲罰因子自適應調整機制和動態表達算法等現有的人工算法，并構造了一種混合搜索算法，實用新型適用于配電網無功優化領域。提高算法的質量和準確性。

在遺傳算子的雜交過程中，Hustick 04智能的整合使個體后代更加多樣化和定向。為了避免評估和淘汰機制中個體的“家庭壟斷”現象，在個體生存策略的初始階段，將適合度低于生存閾值的個體引入每個生存策略，以便他們能夠以恒定的概率生存。

將懲罰系數的自適應調整機制引入懲罰系數的極限電壓中，使得該可行解的個體適應性優于這一代。為了解決遺傳算法的“早熟”問題，提高算法的全局搜索性能，引入災難技術，使最優解保持在收斂準則下[3]。

（三）粒子群算法在無功優化中的應用

電力系統無功優化問題本質上是潮流計算中的優化問題。第一步：通過改變發電機電壓、變壓器和無功補償器的轉換率，可以降低網損，提高配電電壓，并通過初始化粒子的位置來解決相應優化問題，即設置無效的功率補償裝置，設置上限和下限，并初始化粒子的速度。在無功優化中，變壓器分接頭和無功裝置的變化是隨機初始化的。第二步：用變壓器和無功補償器的數據計算支路節點的潮流數據，得到不同粒子的合適值g（z），初始化整個pbest邊界和全局gbest邊界[4]。第三步：使用更新的公式計算確定粒子的位置和速度，并確保更新的粒子超過限制。第四步：用分支節點的原始數據替換變壓器和無效功率補償裝置的更新值，計算其自適應值g（z），并將其與pbest和gbest的值進行比較。第五步：確定重復次數是否最大，如果是最大，停止優化并產生最佳價值。否則，將重復次數增加1，然后返回第三步并繼續循環優化。在算法中使用最多的是PSO公式：

基本PSO公式

對于每個相關粒子的位置和更新速度的公式如下：

對于粒子i的第d維速度公式如下：

粒子i的第d維位置更新公式：

下圖1是粒子群算法的流程圖。

圖1 粒子群算法的流程圖

（四）粒子群算法計算流程

采用粒子群優化算法求解配電網誤差優化問題，計算順序如下步驟1 重復次數為0。隨機計算粒子群的位置（即配電網的無功補償節點）和粒子群的速度；步驟2 根據補償節點和最小運行模式計算每個補償節點的補償容量，并初始化局部和全局作為初始適用性計算函數的最佳值；步驟3更新粒子群：根據公式更新粒子的位置和速度。更新后，確保新粒子通過該線。如果是，應將顆粒位置用作適當的限值，以防止顆粒超過限值；步驟4 根據新節點電壓補償方法計算電流（如果沒有新的電流）；步驟5根據新的節點電壓補償方法計算電流，并將補償點添加到交點（交點已經是補償節點，然后在臨界相位點）。然后重新計算電流，直到節點電壓通過線路，然后將重復次數增加到步驟5，然后繼續執行步驟3；步驟6更新局部和全局最優值：使用步驟5中的計算結果計算相對于目標的新值。如果新的目標函數值小于之前所有目標函數值的最小值，則交換并更新最佳局部和全局值。如果目標函數的新值大于目標函數所有先前值的最小值，則局部最優值和全局最優值保持不變；步驟7 操作結束：當重復次數達到指定重復次數時，操作結束。

結論

近年來，隨著我國能源消費的不斷增加，人們對可再生能源進行了深入研究。將分布式能源整合到主電網的現象越來越普遍。無功功率控制系統的合理優化，使電網工作變得更加安全和平穩。通過采用合理優化無功功率控制系統，能夠優化無功的分配，從而有效減少了功率因數損失和電流消耗，并提高了電流質量，使設備正常工作。

面對中國可持續發展戰略要求，電網提出分散發電，極大地解決人類能源消耗與資源環境問題之間的矛盾。這有助于解決社會資源和環境保護兩大問題。通過分析分散發電的特點，提出了將分散發電接入配電網的初步方案，并指出了配電網計算中可能存在的一些問題，以適應或解決這些問題，從而簡化了分散配電網的無功補償配置，在不失去效力的情況下。