配電網(wǎng)節(jié)能降損優(yōu)化研究綜述

賈勇晨，葛麗娟

（內蒙古農業(yè)大學,內蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端,是為用戶輸送與分配電能的重要組成部分,對配電網(wǎng)節(jié)能降損技術的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

對配電網(wǎng)的結構與負荷進行分析,尋找最優(yōu)的運行方式,為配電網(wǎng)的優(yōu)化運行提供理論基礎。配電網(wǎng)運行方式的優(yōu)化,就是改變配電網(wǎng)絡中各支路分段開關與支路之間的聯(lián)絡開關的狀態(tài),對配電網(wǎng)的結構進行重構。近年來,對于配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的算法與模型的研究都有了很大的發(fā)展,有了多種方式的配電網(wǎng)規(guī)劃方法。

1 配電網(wǎng)節(jié)能降損的數(shù)學模型

1.1 目標函數(shù)

上式中W為線路損耗,i為支路編號,Pi為對應支路的有功功率,Qi為對應支路的無功功率,Ri為對應支路的的電阻值,Ui為對應支路前段節(jié)點電壓。

1.2 約束條件

對配電網(wǎng)進行重構時,不僅需要滿足潮流方程的約束,還需要滿足線路容量、電壓、電流的約束和網(wǎng)絡結構輻射狀運行約束。

式中，Ui、Uimin、Uimax分別為節(jié)點 的電壓、電壓下限、電壓上限；Ii、Iimin、Iimax分別為節(jié)點的電流、電流下限、電流上限；Si與Simax為流過線路 的功率與容許最大值；gk為迭代之后的網(wǎng)絡結構。G為配電網(wǎng)規(guī)劃后得到的輻射狀網(wǎng)絡結構集合[1]。

2 配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化

配電網(wǎng)絡通常呈放射狀運行，因此其重構問題實際上是在弧的權值隨流量非線性變化的網(wǎng)絡上尋找最小費用樹的問題，這一大規(guī)模、混和整型、非線性組合優(yōu)化問題，屬于非確定性多項式問題[2]。現(xiàn)階段求解這類問題主要采用的方法：利用數(shù)學理論的算法、根據(jù)啟發(fā)式的算法、人工智能算法。新興的電力電子器件改變了配電網(wǎng)的運行方式,同樣達到了對配電網(wǎng)節(jié)能降損的作用。

2.1 數(shù)學方法求解配電網(wǎng)重構

對配電網(wǎng)進行重構時,使用數(shù)學方法求解,就是根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)學理論對配電網(wǎng)進行重構。文獻[3]在求解配電網(wǎng)重構模型時,提出利用動態(tài)規(guī)劃算法,將重構問題分解成需要進行多階段決策的問題。文獻 [4]利用0-1整數(shù)規(guī)劃的方法將網(wǎng)損最小作為目標函數(shù),對網(wǎng)絡進行規(guī)劃。文獻 [5]將求解重構問題轉化為求解一個非線性整數(shù)優(yōu)化問題。文獻 [6]利用分時段優(yōu)化對動態(tài)重構中重構區(qū)間進行劃分,構造含開關操作費用及階梯式電價的綜合目標函數(shù)；文獻 [7]將錐優(yōu)化的思想融入到配電網(wǎng)重構當中,通過目標函數(shù)線性化和約束條件的錐轉化,對基本模型進行等價變換,生成配電網(wǎng)錐優(yōu)化模型；文獻 [8]提出了一種配電網(wǎng)差異化節(jié)能規(guī)劃思路,建立了基于前推回代潮流計算法和灰色關聯(lián)度預測法的節(jié)能潛力模型。

運用數(shù)學方法的優(yōu)勢是可以在有限的時間內求解出局部的最優(yōu)解,現(xiàn)如今隨著配電網(wǎng)逐漸增大,利用數(shù)學方法計算重構問題,計算時間有時會長到無法滿足工程的要求,故數(shù)學方法求解配電網(wǎng)重構問題只適用于小規(guī)模的配電系統(tǒng)當中,無法滿足當前大規(guī)模的配電網(wǎng)絡。

2.2 啟發(fā)式算法求解配電網(wǎng)重構

現(xiàn)代啟發(fā)式算法在求解組合最優(yōu)問題時表現(xiàn)出了卓越性能,使它在過去20a里受到了人們的廣泛關注。啟發(fā)式算法主要分為支路交換法與最優(yōu)流算法。文獻 [9]針對傳統(tǒng)支路交換法每交換一次開關就要進行一回潮流計算的不足,對其進行改進,使算法可以作出符合實際要求的設定,增大了人工可操控度,但改進后的算法只對弱環(huán)網(wǎng)結構的配電網(wǎng)有效。文獻 [10]提出將最優(yōu)流模式法改進，對配電網(wǎng)絡進行重構,將配電網(wǎng)絡重構的問題轉換為潮流優(yōu)化的問題,并且在求解最優(yōu)流模式時,使用了一種較為快速的單環(huán)網(wǎng)潮流算法,其缺點每次閉合開關后都需要進行一次潮流計算,檢查電流是否過大；文獻 [11]把動態(tài)重構問題分解為重構次數(shù)與時間間隔的組合,對各時段進行靜態(tài)網(wǎng)絡重構,不需進行潮流分析,縮短了網(wǎng)絡重構的時間。

運用啟發(fā)式算法對配電網(wǎng)進行重構時,需要與配電網(wǎng)重構的特性結合,計算速度較數(shù)學方法有了一定的提高,但由于配電網(wǎng)重構自身的特點,系統(tǒng)初始狀態(tài)會比較容易對結果產(chǎn)生影響,結果不能確定為最優(yōu)解。

2.3 人工智能算法求解配電網(wǎng)重構

人工智能算法包括：模擬退火法、粒子群算法、禁忌搜索法、蟻群優(yōu)化算法、混沌優(yōu)化算法、遺傳算法、和聲搜索法以及其他人工智能算法。但是單一的人工智能算法常常具有收斂速度較慢,易于陷入局部最優(yōu)解,魯棒性不強的特點,現(xiàn)代研究配電網(wǎng)重構問題時通常運用改進的人工智能算法或者將兩種算法相結合后再用以求解配電網(wǎng)重構問題。

文獻 [12]在對配電網(wǎng)模型進行求解時,引入退火動態(tài)罰因子,解決傳統(tǒng)遺傳算法在收斂速度、爬坡能力、魯棒性方面的不足,使算法的運行時間縮短,收斂于全局最優(yōu)解的次數(shù)增多。文獻 [13]應用回支關聯(lián)矩陣,使配電網(wǎng)始終為輻射狀網(wǎng)絡,避免了遺傳學算法在進行配電網(wǎng)重構時產(chǎn)生不可行解,再根據(jù)最優(yōu)流算法,生成最優(yōu)開關斷開組合,使尋優(yōu)效率提升。文獻 [14]提出了一種兼顧經(jīng)濟性和電能質量的網(wǎng)絡重構方法,再用歸一化方法將兩者融合,形成配電網(wǎng)性能指標,劃分重構時段,縮小了遺傳算法的尋優(yōu)空間,提升了算法的效率。文獻 [15]將混沌理論思想加入粒子群算法中,同教學優(yōu)化算法結合,保證了種群的多樣性和防止解的過早收斂,提高了算法的尋優(yōu)效率。文獻 [16]提出了根據(jù)Mayeda生成樹的新的編碼方式,并且提供了相應的解碼策略,利用粒子群算法對模型進行求解,根據(jù)Mayeda生成樹編碼的特點,使得解一直處于可行的范圍內,提升了算法的效率。文獻[17]對配電網(wǎng)進行重構時,為克服人工魚群算法在收斂速度方面較慢的缺點,將具有局部快速收斂性、易實現(xiàn)性的粒子群算法與其結合,使算法的收斂性、收斂速度得到提升。文獻 [18]根據(jù)圖解螞蟻系統(tǒng),對配電網(wǎng)進行重構,這一過程包含兩個部分,第一部分完成網(wǎng)絡的拓撲結構分析,第二部分通過模擬蟻群在構造圖中的行走過程完成搜索尋找最優(yōu)解。該算法極大地縮小了可行解的范圍,使算法的尋優(yōu)效率得到提高。文獻 [19]提出了一種整數(shù)型的量子粒子群算法,結合了將量子進化算法與粒子群算法的特點,以負荷曲線的單調性和幅值變化大小為依據(jù),劃分時間段,對配電網(wǎng)模型進行重構。文獻 [20]分析了配電網(wǎng)結構,將目標配電網(wǎng)用一種基本環(huán)矩陣表示；并且提出了一種可以避免不可行解產(chǎn)生的編碼方式,再利用改進后的和聲搜索算法求解網(wǎng)絡重構模型,具有更好的收斂性與尋優(yōu)快速性。文獻 [21-22]分析了配電網(wǎng)動態(tài)重構過程中開關的操作次數(shù)很難被控制的特點,利用最優(yōu)模糊C均值聚類法,并將其改進,分別與和聲搜索算法、化學反應算法結合,將這一過程分解為多個靜態(tài)問題,對每一個時間點的網(wǎng)絡進行重構,使算法的速度得到很大的提升。文獻 [23]提出了一種新型的雞群優(yōu)化算法,利用雞群優(yōu)化算法的高效全局和局部搜索能力,提高了尋優(yōu)效率，同粒子群算法進行比較，結果表明雞群優(yōu)化算法的尋優(yōu)速度更快。文獻 [24]提出了一種新型的二進制縱橫交叉算法,其中橫向交叉機制增強了全局搜索能力,縱向交叉機制保持了種群的多樣性,避免陷入局部最優(yōu)解,縱橫相結合使算法能夠快速尋找到全局最優(yōu)解。

目前在對配電網(wǎng)進行重構時,利用人工智能算法,可以較快地提升尋找全局最優(yōu)解的速度,但收斂速度卻下降了,同時在求解較為復雜的結構時,通常使得計算量過大,再利用該方法對配電網(wǎng)進行重構時會遇到許多困難。

2.4 新型電力電子器件

智能軟開關SNOP (soft normally open point)是安裝在聯(lián)絡開關處的新型電力電子裝置,是一種能夠比較精確地傳輸相連接的兩條線路的有功功率與無功功率的交換。文獻 [25]建立了一種使用SNOP后的配電網(wǎng)運行優(yōu)化模型,詳細比較了安裝SNOP后的配電網(wǎng)、進行網(wǎng)絡重構的配電網(wǎng),對比結果顯示：該方式同時對靜態(tài)、動態(tài)網(wǎng)絡潮流都有優(yōu)化效果,說明了安裝SNOP后的配電網(wǎng)具有很高的效率與潛力。

3 配電變壓器經(jīng)濟運行

配電網(wǎng)絡中的變壓器一般裝設于線桿或者配電所當中,容量普遍不高,直接向負載供電,是配電系統(tǒng)所有設備中消耗電能最多的,雖然其效率通常很高,但配電網(wǎng)規(guī)模較大,變壓器的數(shù)量就很可觀了。因為工作時間長,選擇的型號、運行的方式有問題,這樣就無法避免地造成了空載損耗。這時就需要讓變壓器運行在經(jīng)濟運行區(qū)間,使損耗最低。

文獻 [26]根據(jù)變壓器的多種運行方式下的損耗曲線,得出了變壓器的初始運行區(qū)間。通過分析各個運行區(qū)間的線路損耗,利用模糊決策法,得到最適合配電變壓器的經(jīng)濟運行區(qū)間。

負荷的變化會影響變壓器的運行,依據(jù)負荷的改變對變壓器進行配置,使變壓器運行在經(jīng)濟區(qū)間,通過技術改造來改善變壓器經(jīng)濟運行。

4 配電網(wǎng)無功補償

配電網(wǎng)絡線路中包括：有功功率、無功功率。任何配電網(wǎng)絡中都存在電阻,也無法避免線路中無功功率的交換,所以當無功電流通過電阻時,網(wǎng)絡就會產(chǎn)生電能的損耗。網(wǎng)絡中因無功功率的交換,而損耗的電能為

其中，ΔP為電能損耗量,R為電阻,P、Q分別為流經(jīng)電阻的有功功率與無功功率。

所以配電網(wǎng)電能的損耗,會因為無功功率在網(wǎng)絡中的交換而增加,為了降低無功功率流動帶來的電能損耗,可以在配電網(wǎng)絡中,無功負荷較為集中的區(qū)域投入無功補償,就近提供無功功率。

文獻 [27]提出了無功功率的優(yōu)化模型,通過變壓器的有載調壓、電容器的就近無功補償,對配電網(wǎng)絡結構進行重構,還將優(yōu)先次序的原則加入了無功功率優(yōu)化的過程。

5 結論

配電網(wǎng)節(jié)能降損技術仍處于研究階段,本文從對配電網(wǎng)的運行方式、配電變壓器的經(jīng)濟運行、配電網(wǎng)的無功補償,3個方面綜述了配電網(wǎng)節(jié)能降損的研究現(xiàn)狀及存在的問題,有如下結論。

a）對配電網(wǎng)運行方式的優(yōu)化是目前配電網(wǎng)節(jié)能降損的主要研究方向,具有多種優(yōu)化方法,研究主要考慮優(yōu)化算法的收斂性,收斂速度,魯棒性的強度,各種算法的組合雖然對計算的速度與收斂性都有提高,但是求解的方法仍然需要提高。

b）配電變壓器經(jīng)濟運行對降低配電網(wǎng)損耗尤為重要,現(xiàn)階段對于降低配電變壓器損耗的研究應將經(jīng)濟性、運行穩(wěn)定性、負荷情況綜合考慮。

c）目前對配電網(wǎng)進行無功補償?shù)姆椒?大都是根據(jù)電網(wǎng)無功功率配置的原則,或者是電網(wǎng)設計的規(guī)程進行無功功率的補償,這種方法宏觀指導性過強,很難對不同特性的配電網(wǎng)無功功率實現(xiàn)更加優(yōu)化的配置,應當綜合考慮配電網(wǎng)感性與容性的無功,進行無功功率的配置。

雖然當前對配電網(wǎng)節(jié)能降損優(yōu)化的研究比較深入,對配電網(wǎng)運行方式優(yōu)化的求解方法也有較大的發(fā)展,但是在配電網(wǎng)實用性方面依然沒有較大的進步,新興的電力電子器件對于配電網(wǎng)優(yōu)化方面具有巨大的潛力,但是其技術實現(xiàn)與成本效益仍需進一步研究。

[1] 馬草原，孫展展．基于雙重混合粒子群算法的配電網(wǎng)重構[J].電工技術學報，2016，31（11）：120-128.

[2] 余貽鑫，段剛.基于最短路算法和遺傳算法的配電網(wǎng)絡重構[J].中國電機工程學報，2000，20（9）：44-49.

[3] 劉柏私，謝開貴，周家啟．配電網(wǎng)重構的動態(tài)規(guī)劃算法 [J]．中國電機工程學報，2005，25(9)：29-34．

[4] A new 0-1 integer programming method of feeder reconfiguration for loss minimization in distribution systems[J].Electric Power Systems Research，1995，33(2)：125-131.

[5] Fan Jiyuan, Zhang Lan, John D M.Distribution network reconfiguration：single loop optimization[J].IEEE Trans on Power Systems，1996，11(3)：1643-1648．

[6] 黨存祿，李正發(fā).基于經(jīng)濟性的配電網(wǎng)動態(tài)重構優(yōu)化策略研究 [J].自動化與儀器儀表，2016（4） :112-114.

[7] 于瑩瑩．基于錐優(yōu)化的智能配電網(wǎng)優(yōu)化問題建模方法研究[D].天津：天津大學，2014.

[8] 姜飛，涂春鳴.配電網(wǎng)差異化節(jié)能規(guī)劃方法及其應用 [J].電網(wǎng)技術，2015，39（10）：2712-2718.

[9] 劉秋源，宮詩玖.基于支路交換法的配網(wǎng)重構方法分析 [J].電氣開關，2014（5） :55-58.

[10] 鄧佑滿，張伯明．配電網(wǎng)絡重構的改進最優(yōu)流模式算法 [J]．電網(wǎng)技術，1995，19(7)：47-50．

[11] 董家讀，馬獻樂．基于負荷變化的配電網(wǎng)重構研究 [J]．陜西電力，2013,41 (4):11-14.

[12] 張寧，馬孝義．采用退火遺傳算法的配電網(wǎng)優(yōu)化方法 [J]．重慶大學學報，2014，37(2)：76-82．

[13] 黃弦超，楊雨．基于電流分點編碼的遺傳算法在配電網(wǎng)重構中的應用 [J]．電力系統(tǒng)自動化，2013，37(19)：74-79．

[14] 田昊，呂林．計及電網(wǎng)運行特性的配電網(wǎng)動態(tài)重構 [J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43(1)：9-15．

[15] 時慧喆，劉志鵬．基于混合優(yōu)化算法的配電網(wǎng)動態(tài)重構研究[J] ．電氣技術，2016(6)：41-46．

[16] 林濟鏗，劉陽升．基于 Mayeda生成樹實用算法與粒子群算法的配電網(wǎng)絡重構 [J]．中國電機工程學報，2014，34(34)：6151-6158．

[17] 高博，韓冬．基于人工魚群和粒子群混合算法的配電網(wǎng)重構[J]．東北電力大學學報，2012，32（6）：10-13.

[18] 孫元博，張承學．基于圖解螞蟻系統(tǒng)的配電網(wǎng)動態(tài)重構 [J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（12）：73-78.

[19] 文娟，譚陽紅.基于量子粒子群算法目標優(yōu)化的配電網(wǎng)動態(tài)重構 [J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（16）：73-78.

[20] 陳春，汪沨.基于基本環(huán)矩陣與改進和聲搜索算法的配電網(wǎng)重構 [J]．電力系統(tǒng)自動化，2014，38（6）：55-60.

[21] 周潔潔，闕凌燕.采用改進最優(yōu)模糊C均值聚類和改進和聲搜索算法的配電網(wǎng)動態(tài)重構 [J]．機電工程，2015，32（4）：531-535.

[22] 王淳，高元海.采用最優(yōu)模糊C均值聚類和改進化學反應算法的配電網(wǎng)絡動態(tài)重構 [J]．中國電機工程學報，2014，34（10）：1682-1691.

[23] 王興成，胡漢梅.基于雞群優(yōu)化算法的配電網(wǎng)絡重構 [J]．電工電氣，2016(3)：20-24.

[24] 殷豪，周玉龍.二進制縱橫交叉算法在配電網(wǎng)重構中的應用[J] ．電網(wǎng)技術，2016，40（1）：270-275.

[25] 王成山，孫充勃.基于SNOP的配電網(wǎng)運行優(yōu)化及分析 [J]．電力系統(tǒng)自動化，2015，39（9）：82-88.

[26] 宋慧慧．配電變壓器經(jīng)濟運行與自動投切裝置研究 [D].沈陽：東北大學，2015.

[27] 邢海軍，程浩忠.基于多種主動管理策略的配電網(wǎng)綜合無功優(yōu)化 [J].電網(wǎng)技術，2015，39（6）：1504-1510.