含微網(wǎng)的配電網(wǎng)接線規(guī)劃算法研究

周洪益，侍紅兵，吳冬皓

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224008）

隨著清潔能源的飛快發(fā)展，分布式電源和微電網(wǎng)系統(tǒng)在中低壓配網(wǎng)中的接入容量越來越大，比例越來越高，成為智能電網(wǎng)的重要成分。

微電網(wǎng)的接入，提供了清潔型的能源，提高了電網(wǎng)可靠性、供電靈活性。同時，對中低壓配網(wǎng)的投資、規(guī)劃、運維工作，帶來了較大的改變，提高了配電網(wǎng)運行的復雜性和隨機性。隨著波動性清潔能源的接入，微電網(wǎng)在配網(wǎng)中的滲透率不斷上升。因此，必須提出含微網(wǎng)的規(guī)劃方法，確定微網(wǎng)接入對配電網(wǎng)規(guī)劃各個層面的影響，如網(wǎng)絡結構、接線方式、接入容量和位置等。

目前，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃方法，已經(jīng)難以適應新的形勢要求。國內(nèi)外科研人員，在明確分布式電源結構與特性的基礎上，開展了一系列研究，提出了一套較為完整的方法體系。但是，對于微電網(wǎng)作為一個實體，如何有機地嵌入配電網(wǎng)中，使微電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)、用戶之間能夠無縫融合，協(xié)調(diào)運行，互相補充，缺少系統(tǒng)的研究與實踐探索。

本文結合地區(qū)供電公司中低壓配網(wǎng)的實際情況，提出了含微網(wǎng)的配電網(wǎng)接線架構模型，研究快速求解算法，以期對實際微電網(wǎng)與配電網(wǎng)規(guī)劃工作提供參考。

1 接線規(guī)劃模型

配電網(wǎng)的接線形式，決定了配電網(wǎng)的基本運行方式、供電范圍，以及故障情況下的轉(zhuǎn)供能力，是配電網(wǎng)的最主要規(guī)劃內(nèi)容。

配電網(wǎng)接線規(guī)劃需要確定線路通道、投運時序、線路類型與傳輸容量。一方面，要根據(jù)現(xiàn)有電網(wǎng)情況如故障率、設備年限、接線方式等內(nèi)容，做好配電網(wǎng)的有序投資建設工作；另一方面，電網(wǎng)規(guī)劃應該同時考慮經(jīng)濟性、可靠性等要求。

其中，經(jīng)濟方面的要求主要包括各項建設與運維成本，如線路和設備的購買成本、安裝成本、運行維護成本，以及配電網(wǎng)正常運行時的線損。

可靠性要求主要包括線路和設備的缺陷率，常采用停電損失加設備更換成本，轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟性指標進行統(tǒng)一計算。

含有微電網(wǎng)的配電網(wǎng)規(guī)劃，與傳統(tǒng)中低壓電網(wǎng)規(guī)劃的不同在于：一是微電網(wǎng)的接入，提高了局部電網(wǎng)的線路和設備投資；二是運行方式的靈活變化，使得線損的計算，從單向潮流變成雙向潮流，提高了潮流計算的難度；三是故障后運行方式的變化。由于微電網(wǎng)可以脫網(wǎng)運行，提高了重要負荷的供電可靠率，提高了負荷節(jié)點的可靠性效益指標。

從上述幾點出發(fā)，建立以總體成本、線路損耗、缺陷停電損失最小為目標的計算模型如下：

其他條件要求包括：

（1）電壓要求

（2）電流要求

（3）潮流條件

圖1 微網(wǎng)與配電網(wǎng)雙向潮流

（4）反向潮流條件

由于微電網(wǎng)中清潔能源的波動特征，若滲透率太高，容量超過許可范圍，容易導致整個配電網(wǎng)的安全問題，顯著影響電壓質(zhì)量，出現(xiàn)電壓閃變、階躍等缺陷，甚至觸發(fā)繼保設備動作，嚴重影響配電網(wǎng)的正常運行。因此，在規(guī)劃時應根據(jù)實際條件，通過各種運行方式的計算，獲得微電網(wǎng)最大接入容許容量。微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的雙向潮流如圖1 所示。

（5）電網(wǎng)接線拓撲條件

配電網(wǎng)一般是雙環(huán)或單環(huán)規(guī)劃，輻射狀運行，因此需要滿足上述條件。m 和n 分別表示電網(wǎng)總節(jié)點和支部數(shù)量。

除上述條件以外，配電網(wǎng)規(guī)劃還要滿足國家調(diào)節(jié)政策、商業(yè)運作規(guī)則等要求，一般在技術規(guī)劃后深一步進行分析。

2 求解算法

2.1 潮流計算

配電網(wǎng)規(guī)劃中，必須采用合適的潮流計算方法，對各種拓撲接線方式進行運方計算，確定不同方案的線損、最大電流、電壓等重要指標值。中低壓配網(wǎng)的潮流計算方法，有其特殊的要求：一是適應配電網(wǎng)輻射狀運行的要求，對環(huán)網(wǎng)計算的要求不高；二是節(jié)點數(shù)量龐大，對算法的時間和空間復雜度要求較高；三是含微網(wǎng)的配電網(wǎng)潮流計算，需要考慮電源點和負荷點的功率與電壓特征；四是滿足不同接線方式的計算適應性，對廣度和深度不同的配電網(wǎng)接線形態(tài)，都具有較好的計算能力和收斂性。

基于以上要求，嘗試采用前推回代算法進行潮流計算。前推回代算法的步驟如下：已知配電網(wǎng)的始端電壓和末端負荷，以饋線為基本計算單位。

假定配電網(wǎng)所有的節(jié)點電壓都是標準電壓，根據(jù)負荷有功與無功功率，由線路終點向根節(jié)點依次計算，在這一過程中，只計算設備功率損耗，不計算電壓值，得到分支線上的電流值與功率值，推算出根節(jié)點功率；再反向計算，由根節(jié)點電壓和功率，向線路終點依次計算電壓值。不斷重復以上過程，直到滿足計算精度為止。

在計算過程中，首先要搜索節(jié)點關系，確定拓撲結構表。為了配合算法和避免復雜的網(wǎng)絡編號，采用節(jié)點結構體作為數(shù)據(jù)輸入結構，不用形成節(jié)點導納矩陣，就可以自動搜索節(jié)點關系，確定網(wǎng)絡的拓撲結構。其次，根據(jù)線路首末節(jié)點，就可以確定每個節(jié)點連接的節(jié)點及其關系，從而可以形成整體的樹狀的關系結構。為了形成層次關系，確定節(jié)點計算順序，要利用網(wǎng)絡拓撲結構，經(jīng)過多次按層遍歷的廣度優(yōu)先搜索，形成層次關系，確定前推后代潮流算法的節(jié)點計算順序。

2.2 規(guī)劃算法求解

傳統(tǒng)的規(guī)劃求解算法，一般包括遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡、模擬退火算法、蟻群優(yōu)化算法等。但這些算法都需要在一個確定的空間內(nèi)對不確定條件進行建模，計算復雜度與節(jié)點數(shù)量、分支線數(shù)量呈指數(shù)關系，難以解決具有海量節(jié)點的配電網(wǎng)最優(yōu)規(guī)劃問題。

因此，本文嘗試結合遺傳算法和模擬退火算法。同時兼顧兩種算法的優(yōu)點，彌補其不足。其中，遺傳算法是模擬生物進化的過程，通過初始群體的不斷交叉、變異、演化，逐漸逼近最優(yōu)解的方法。模擬退火算法，主要來自固體狀態(tài)的物質(zhì)降溫退火過程，可以模擬一種概率基礎上的優(yōu)化方法，這種算法依賴于隨機搜索技術，從而找出目標函數(shù)的全局優(yōu)化點。

基于兩種算法的優(yōu)點，提出遺傳和模擬退火結合算法如下。

（1）確定初始化參數(shù)：群體數(shù)量m，溫度T0，以及群體的最大遺傳N 代數(shù)量。

（2）設溫度迭代值l=0，形成初始群體Sl（i）。

（3）不斷生成新的群體：首先計算初始化群體中，以及個體的適應度值，確定生存可能概率，選擇m 個遺傳代碼演化成群體Sls(i+1)；其次，對該群體進行迭代、交叉形成群體Sly(i+1)；再次，對演化的群體按照適應度分化，形成子代群體Slz(k+1)；最后，校驗最大遺傳N 代時候滿足。

（4）重新設定溫度Tl+1=d(Tl)，Sl(i+1)=Sl（i）。若達到規(guī)劃目標條件，停止計算過程并獲得最優(yōu)解，反之重新開始第一步驟計算。

主要算法流程如圖2 所示。

圖2 求解算法流程圖

3 算例分析

對含有微網(wǎng)的配電網(wǎng)進行算例分析，其中規(guī)劃原始參數(shù)為：電纜型號為YJV22-3*400，每千米電阻和電抗分別為0.05Ω 和0.09Ω，載荷520 安培。線損成本按度電0.37 元計算。配電網(wǎng)缺陷率為每年每千米0.05 次，缺陷恢復時長為5～10 小時，每兆度電停電成本為2 萬元。采用上述第2節(jié)的算法進行配電網(wǎng)接線方式規(guī)劃求解，結果如圖3 所示。

圖3 含微網(wǎng)的接線方式規(guī)劃結果

4 結語

隨著環(huán)境問題的日益重視，含有清潔能源的微網(wǎng)必定越為重要。將微電網(wǎng)有機融入智能配電網(wǎng)中，從規(guī)劃層面進行優(yōu)化，能夠提高配電網(wǎng)骨干網(wǎng)架結構，降低運行損耗，提高核心用戶的供電可靠性。本文通過建立考慮微網(wǎng)的配電網(wǎng)規(guī)劃模型，利用遺傳模擬退火算法求解，用典型配電網(wǎng)規(guī)劃實例驗證了規(guī)劃模型和規(guī)劃方法的可行性。