含多端柔性多狀態(tài)開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

李科， 郭新志， 于昊正， 李秋燕

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 河南， 鄭州 450052)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，SVC、SVG等電力設(shè)備的引入使配電網(wǎng)呈現(xiàn)出新氣象的同時(shí)也增加了配電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控復(fù)雜度，功率流向復(fù)雜、負(fù)載波動(dòng)增強(qiáng)、短路電流加大、設(shè)備壽命縮短、電壓越限等問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。為保證配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)以及相關(guān)電力設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，其中分布式電源數(shù)量大、接入容量占比高，合理調(diào)度其中的儲(chǔ)能單元、可控負(fù)荷即可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)優(yōu)化。本文介紹包含多端柔性多狀態(tài)開發(fā)的主動(dòng)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)控制策略優(yōu)化，力求提升配電網(wǎng)調(diào)控靈活性與供電可靠性。

1 概念解析與研究現(xiàn)狀

1.1 主動(dòng)配電網(wǎng)

主動(dòng)配電網(wǎng)是一種相對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的全新概念，傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般是被動(dòng)的接受分布式電源(DG)接入，主動(dòng)配電網(wǎng)則使用靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)管理潮流，統(tǒng)一調(diào)控區(qū)域內(nèi)的分布式電源，占據(jù)主動(dòng)性，它可管理與控制的資源主要為分布式電源、柔性負(fù)荷、儲(chǔ)能、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等。因?yàn)闀r(shí)間上空間上都具有復(fù)雜性，因此主動(dòng)配電網(wǎng)研究主要集中在規(guī)劃、運(yùn)行與調(diào)控方面[1]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 柔性多狀態(tài)開關(guān)

柔性開關(guān)技術(shù)也稱為軟常開節(jié)點(diǎn)(SNOP，Soft Normally Open Point)，其研究主要體現(xiàn)在換流器結(jié)構(gòu)、控制策略、器件材料與特點(diǎn)、可靠性等方面，柔性多狀態(tài)開關(guān)(Flexible Distribution Switch，F(xiàn)DS)的“多狀態(tài)”體現(xiàn)在：

(1) 潮流功率多狀態(tài)，傳輸功率連續(xù)可控。

(2) 定功率/電壓控制多狀態(tài)，控制模式柔性可調(diào)。

(3) 運(yùn)行組合方式多狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)可以靈活組合。

相對(duì)于常規(guī)開關(guān)簡(jiǎn)單通斷、耗時(shí)較長(zhǎng)、合環(huán)電流沖擊等問(wèn)題點(diǎn)來(lái)說(shuō)，使用柔性多狀態(tài)開關(guān)，具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1) 常規(guī)情況，功率因數(shù)和負(fù)荷率可實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，提高消納水平。

(2) 特殊情況，可實(shí)現(xiàn)不同電壓電網(wǎng)互聯(lián)，提供負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑，而且允許直流電源直接接入，可提供高質(zhì)量供電。

1.2.2 多端柔性多狀態(tài)開關(guān)

多端柔性多狀態(tài)開關(guān)指的是端口數(shù)大于等于3的設(shè)備，由于端口數(shù)加大，能連接的饋線數(shù)也會(huì)隨之增多，簡(jiǎn)而言之就是互聯(lián)程度大幅增大，對(duì)于提升配電網(wǎng)的調(diào)度靈活性有極大幫助。與此同時(shí)，因?yàn)槎鄠€(gè)端口連接的饋線可以互為備用，也可提高潮流轉(zhuǎn)供能力，提升供電可靠性。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

(1) 均衡饋線負(fù)荷。

(2) 改善潮流分布。

(3) 綜合控制，改善電壓水平。

(4) 提高消納能力。

(5) 確保供電不間斷，提升可靠性。

1.3 研究現(xiàn)狀

接入柔性多狀態(tài)開關(guān)對(duì)配電系統(tǒng)改善的確有很大作用，但還需要考慮價(jià)格以及容量問(wèn)題。目前研究最多的是三端口，后續(xù)涉及更多接口時(shí)成本會(huì)大幅增加，而且有研究表明其對(duì)配電網(wǎng)線路損耗的改善效果會(huì)隨著數(shù)目增多而減弱。總而言之，只靠不停增加柔性多狀態(tài)開關(guān)不能一直起到優(yōu)化作用，在主動(dòng)配電網(wǎng)中應(yīng)尋求基于FDS的多種手段的協(xié)調(diào)優(yōu)化，在不增加FDS數(shù)量的情況下得到更好的優(yōu)化效果[2]。

2 基于多端FDS的調(diào)控技術(shù)

2.1 促進(jìn)分布式電源消納能力

分布式電源主要包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等，不同情況需要處理成不同的模型進(jìn)行分析。接入分布式電源和柔性多狀態(tài)開關(guān)都會(huì)改變配電網(wǎng)潮流分布特性，支路潮流有可能超出饋線限值，各節(jié)點(diǎn)電壓也可能偏離標(biāo)稱電壓。多端柔性多狀態(tài)開關(guān)的靈活調(diào)控能力可以抑制潮流超限、節(jié)點(diǎn)電壓偏差越限問(wèn)題，進(jìn)而提升主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)分布式電源的消納能力。設(shè)端口功率分別是P1+JQ1和P2+JQ2，根據(jù)運(yùn)行約束條件可得出有功無(wú)功關(guān)系：

(1)

在饋線末端接入分布式電源，計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)接入DG最大容量SDG，max=PDG+JQDG，這時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓偏移為

(2)

由此可知，多端柔性多狀態(tài)開關(guān)通道調(diào)控饋線間的有功潮流、無(wú)功功率可增大分布式電源的消納能力，饋線之間達(dá)到負(fù)載均衡，降低節(jié)點(diǎn)電壓偏移量[3]。

2.2 電能質(zhì)量改善

FDS裝置可實(shí)時(shí)改變傳輸功率，包含功率因數(shù)補(bǔ)償、負(fù)序電流補(bǔ)償?shù)裙δ埽瑢?duì)于電能質(zhì)量治理有很大幫助。通過(guò)矢量控制技術(shù)可以快速連續(xù)地提供容性感性無(wú)功；采用純正序功能控制方式消除負(fù)序電流影響；在上游線路故障造成電壓驟降或者閃變時(shí)FDS可快速處理；可以精準(zhǔn)控制多條線路，有效抑制電壓越限等影響電能質(zhì)量的問(wèn)題。

2.3 優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的開閉環(huán)方式難以支撐多變的實(shí)際需求，利用FDS裝置對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

(1) 運(yùn)行特性：進(jìn)準(zhǔn)控制端口功率交換，快速跟蹤分布式電源動(dòng)態(tài)變化，協(xié)同饋線上其他資源實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)負(fù)載均衡。

(2) 時(shí)序特性：含多端FDS的配電網(wǎng)涉及分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷等時(shí)間不確定集合，且FDS調(diào)節(jié)功率具有時(shí)間連續(xù)性，優(yōu)化時(shí)序特性分析，達(dá)到高效優(yōu)化效果。

3 關(guān)鍵算法

3.1 改進(jìn)的多種群粒子算法

粒子群算法(PSO)在各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，求解能力強(qiáng)大，將需優(yōu)化問(wèn)題的解稱為“粒子”，在每次迭代過(guò)程中更新粒子參數(shù)，從無(wú)序到有序，最后得到最優(yōu)值。由于是標(biāo)準(zhǔn)算法，本文不再詳細(xì)闡述，著重介紹改進(jìn)后的粒子群算法。由于標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)，本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

(1) 根據(jù)粒子動(dòng)態(tài)半徑劃分種群，每次迭代采用不同的種群數(shù)目，尋找多模態(tài)函數(shù)的多極值。將局部最優(yōu)值pbest與粒子的歐氏距離均值作為每次迭代的動(dòng)態(tài)半徑：

(3)

(2) 引入拓?fù)錂C(jī)制，在種群內(nèi)部提高搜索能力，提高收斂速度，拓?fù)漤?xiàng)公式：

(4)

其中，T為粒子所在種群集合，N為粒子個(gè)數(shù)，V為粒子速度。

(3) 種群間信息共享，加快收斂，逐漸接近全局最優(yōu)。

(4) 改進(jìn)學(xué)習(xí)因子、權(quán)重等參數(shù)，增強(qiáng)全局搜索。

慣性權(quán)重：

w=wmin+(wmax-wmin)×rand()

(5)

學(xué)習(xí)因子：

c1=c1i+(c1f-c1i)×t/Tmax

c2=c2i+(c2f-c2i)×t/Tmax

(6)

3.2 改進(jìn)的離散一致性算法

由于離散一致性算法不能考慮每個(gè)智能體的約束條件，用于含多端FDS的配電網(wǎng)中無(wú)法顧及自身的容量約束等，因此本文采用一種改進(jìn)的考慮約束條件的一致性算法[4]。對(duì)于智能體i，計(jì)算步驟如下。

(1) 設(shè)∈Ni(k)，發(fā)生信息{xi(k),maxxi,minxi}，接受信息{xj(k),maxxj,minxj}。

(2) 得出中間變量的值：

(3) 得到以下值：

(12)

由此可以說(shuō)明，采用上述一致性算法可以收斂。

4 主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化建模

柔性多狀態(tài)開關(guān)是一種軟連接，在通斷2種狀態(tài)之外增加了功率連續(xù)可控狀態(tài)，可以控制所在饋線端的有功功率和無(wú)功功率，本文選擇正常條件下的PQ/PQ/UdcQ模式，設(shè)計(jì)多端口柔性多狀態(tài)開發(fā)運(yùn)行控制約束條件如下：

(1) 傳輸有功功率

(13)

(14)

其中，t為時(shí)段，ploss,m(t)為t時(shí)段第m端口有功損耗，Af,m為m端口損耗系統(tǒng)，pf,m為m端口傳輸有功功率，Qf,m為m端口輸出無(wú)功功率

(2) 輸出無(wú)功功率

(15)

(3) 接入容量

(16)

其中，Qf,m為m端口變流器接入容量。

5 主動(dòng)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

5.1 基于多端FDS的主動(dòng)配電網(wǎng)控制策略

基于多端FDS的主動(dòng)配電網(wǎng)可以有效控制配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障快速診斷、故障隔離以及快速恢復(fù)供電，確保主動(dòng)配電網(wǎng)在安全、經(jīng)濟(jì)的模式正常運(yùn)行。優(yōu)化框圖如圖1所示。

圖1 含多端FDS的主動(dòng)配電網(wǎng)控制策略

正常狀態(tài)下，通過(guò)PQ控制模式對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行預(yù)防控制，對(duì)即將越限的指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警。

故障狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)故障定位與隔離，由PQ模式無(wú)縫切換至V/f模式，支撐停電區(qū)域的電壓及頻率，確保不間斷供電，提升供電可靠性。

5.2 基于改進(jìn)多種群粒子算法的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化步驟

基于多端柔性多狀態(tài)開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化步驟如圖2所示。

(1) 設(shè)粒子數(shù)為I，維數(shù)為D，最大迭代次數(shù)T1，初始化位置，速度，局部最優(yōu)值，全局最優(yōu)值。

(2) 計(jì)算得到動(dòng)態(tài)半徑，構(gòu)建多種群，引入拓?fù)錂C(jī)制，更新權(quán)重因子、學(xué)習(xí)因子、拓?fù)湟蜃印⒎N群交流因子。

圖2 優(yōu)化步驟

(3) 計(jì)算子種群的最優(yōu)值。

(4) 根據(jù)以上值計(jì)算適應(yīng)度值，更新第i個(gè)粒子在第t代的局部最優(yōu)以及全局最優(yōu)值。

(5) 判斷是否達(dá)到迭代次數(shù)，達(dá)到退出，否則循環(huán)[5]。

5.3 基于離散一致性算法的饋線負(fù)載率自適應(yīng)控制

通過(guò)分?jǐn)傪伨€上的功率波動(dòng)可以將實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)盡量靠近經(jīng)濟(jì)調(diào)度。設(shè)饋線i上的負(fù)載率波動(dòng)量為

(17)

其中，pi為饋線i上的功率，pi，ref為未發(fā)生負(fù)荷時(shí)功率，pi，max為饋線i的容量。

假設(shè)忽略柔性多狀態(tài)開關(guān)的功勞損耗，則所有饋線上功率之和滿足

∑Δpi=∑(Δηipi，max)=const

(18)

利用前文介紹的離散一致性算法，可得到

(19)

由此可實(shí)現(xiàn)饋線負(fù)載率的自適應(yīng)控制。

5.4 基于離散一致性算法的電壓自適應(yīng)優(yōu)化策略

由于負(fù)荷波動(dòng)性可能導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)電壓偏低或偏高，利用前文所述的一致性算法構(gòu)建電壓控制優(yōu)化策略，在每個(gè)區(qū)域配電網(wǎng)選擇關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，電壓自適應(yīng)目標(biāo)函數(shù)為

(20)

6 算例驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略有效性，在改進(jìn)的IEEE33節(jié)點(diǎn)算例中以饋線負(fù)載率為例進(jìn)行分析。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖

假設(shè)節(jié)點(diǎn)24、25發(fā)生了波動(dòng)，利用本文的饋線負(fù)載率自適應(yīng)模型，得到測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 饋線負(fù)載率變化

由此可見，F(xiàn)DS容量較大時(shí)傳輸?shù)挠泄β瘦^大，饋線負(fù)載率波動(dòng)范圍大。即使實(shí)際運(yùn)行中存在一定的功率損耗，對(duì)饋線負(fù)載率的調(diào)控效果依然有效[6]。

7 總結(jié)

本文在對(duì)含分布式電源的主動(dòng)配電網(wǎng)分析的基礎(chǔ)上對(duì)基于多端柔性多狀態(tài)開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化進(jìn)行了研究，介紹了基于改進(jìn)的多種群粒子算法、改進(jìn)的離散一致性算法的饋線負(fù)載率自適應(yīng)控制策略、電壓自適應(yīng)控制策略，為包含多端柔性多狀態(tài)開關(guān)的主動(dòng)配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化提供了有效手段。但對(duì)FDS接入位置對(duì)分區(qū)的影響、運(yùn)行方案的適用性與經(jīng)濟(jì)性方面還需進(jìn)一步研究。