考慮柔性負荷接入技術的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建*

曹 禎

(1.國網(wǎng)上海電力設計有限公司，上海 200001；2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引言

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)利用先進技術提高了電網(wǎng)多個方面的性能，包括電網(wǎng)可靠性、電能利用率、電能轉(zhuǎn)換效率和供電質(zhì)量等[1].智能電網(wǎng)運行的過程中涉及控制技術、傳輸技術和分布式數(shù)據(jù)傳輸技術等.智能電網(wǎng)在建設過程中的重要內(nèi)容是線路規(guī)劃，良好的線路規(guī)劃可以提升電能輸送效率與電能質(zhì)量，從而保證電力市場的穩(wěn)定，所以對智能電網(wǎng)線路進行規(guī)劃具有非常重要的研究意義[2].

肖楚飛等[3]提出基于慢同調(diào)理論的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法，該方法在慢同調(diào)理論的基礎上根據(jù)總線路數(shù)和弱連接線路數(shù)計算弱連接系數(shù)，以此構(gòu)建電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，結(jié)合慣性權(quán)重和自適應變異的粒子群算法以及拓撲連通修復策略求解該模型，實現(xiàn)電網(wǎng)線路的規(guī)劃，但是該方法沒有考慮工業(yè)高載能負荷，導致規(guī)劃的電路覆蓋率較低.陶莉等[4]提出基于拉格朗日對偶算法的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法，該方法將成本最小化、用戶效用最大化作為目標函數(shù)，以此構(gòu)建電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，利用拉格朗日對偶算法對模型求解，最終實現(xiàn)電網(wǎng)線路的規(guī)劃目標，但是該方法沒有考慮智能電網(wǎng)中存在的商業(yè)聚合負荷，線路規(guī)劃后的信號強度較低.樊金柱等[5]提出基于適應性指標的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法，該方法根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)選取適應性指標，以此為依據(jù)構(gòu)建電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，針對不同電網(wǎng)規(guī)劃方案，利用主成分分析法進行相關規(guī)劃方案決策，實現(xiàn)電網(wǎng)線路的規(guī)劃，該方法在規(guī)劃電網(wǎng)線路之前沒有考慮居民智能家用負荷，導致智能電網(wǎng)線路的傳輸性能較差.

為了解決上述方法中存在的問題，提出考慮柔性負荷接入技術的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建方法.

1 柔性負荷接入

構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型之前，對智能電網(wǎng)中不同類型的柔性負荷接入進行分析.

(1)工業(yè)高載能負荷

通過下式描述工業(yè)高載能負荷參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃的具體過程：

Pfl1，n=ηfl1-1,nμonPl1-ηfl1-2，nμoffPl1

(1)

式中：Pfl1，n為第n個時間段內(nèi)該類型負荷在智能電網(wǎng)線路規(guī)劃過程中的有功功率；μon為激勵系數(shù)；Pl1為該類型柔性負荷在用電區(qū)域內(nèi)的功率總值；μoff為該類型柔性負荷的中斷潛力系數(shù)；該類型負荷是否參與智能電網(wǎng)線路的規(guī)劃由決策系數(shù)ηfl1-1，n、ηfl1-2，n決定[6]，通常情況下決策系數(shù)滿足以下條件：

(2)

式中：Pload，n為第n個時間段內(nèi)的風力發(fā)電功率；PWT，n為風力發(fā)電在第n個時間段內(nèi)的負荷功率.

設Cfl1，n為工業(yè)柔性負荷在第n個時間段內(nèi)產(chǎn)生的補償成本，則補償成本函數(shù)表達式如下：

(3)

式中：Δt為某一固定時間段；CPoff為該類型負荷在電網(wǎng)線路規(guī)劃過程中的補償單價；CPon為該類型負荷在電網(wǎng)線路規(guī)劃過程中的激勵補償單價.

(2)商業(yè)聚合負荷

商業(yè)聚合負荷可以充分反映中小型商業(yè)用戶的需求[7]，通過下式描述商業(yè)聚合負荷參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃的過程：

Pfl2,n=-ηfl1-2,nkBcutμBcutPl2

(4)

式中：Pfl2,n為第n個時間段內(nèi)該類柔性負荷參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃的有功功率；μBcut為潛力系數(shù)；kBcut為負荷消減比例，式中的決策系數(shù)ηfl1-2,n滿足下列條件：

(5)

假設Cfl2,n為第n個時間段內(nèi)該類柔性負荷對應的補償成本，則補償成本函數(shù)的具體描述如下：

Cfl2,n=ηfl1-2,nCP,Bcut|Pfl2,n|Δt,

(6)

式中，CP,Bcut為補償單價.

(3)居民智能家用負荷

在智能電網(wǎng)飛速發(fā)展的背景下，居家智能電表被廣泛地應用在居民家庭中，電網(wǎng)系統(tǒng)可以通過智能電表獲取居民的電網(wǎng)需求信息，以此為依據(jù)規(guī)劃智能電網(wǎng)線路[8].該類型柔性負荷參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃產(chǎn)生的有功功率Pfl3,n可利用下式計算得到：

Pfl3,n=Pl3(ηpy,nμpy-ηfl1-3,nkHcutμHcut)

(7)

式中：Pl3為該類柔性負荷在用電區(qū)域內(nèi)的總值；kHcut為負荷消減比例；μpy為平移潛力系數(shù)；該類柔性負荷是否參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃由決策系數(shù)組ηpy,n、ηfl1-3,n決定，ηpy,n、ηfl1-3,n通常情況下符合下述公式[9]：

(8)

設Cfl3,n為第n個時間段內(nèi)該類柔性負荷產(chǎn)生的補償成本，其表達式如下：

(9)

式(9)為該類柔性負荷對應的補償成本函數(shù)，其中CP，Hcut為消減補償單價；CP，py為平移補償單價.

根據(jù)上述計算結(jié)果對智能電網(wǎng)的總運行成本C進行計算：

(10)

式中，Cg,n為發(fā)電成本.

2 智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型

2.1 模型構(gòu)建

考慮柔性負荷接入技術，將通信可靠性和鏈路成本作為約束指標，構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型.

通過提升站點成環(huán)率和路由可靠性可以保障電力傳輸網(wǎng)模型的可靠性，所有的鏈路都對應著不同的可靠性指標，且鏈路使用時間和工作時間可通過計算得到[10]，通過下式描述路由可靠性：

(11)

式中：φ為可靠性指標數(shù)量最大值；vj為最小業(yè)務路由值.

在此基礎上可以利用站點數(shù)N和成環(huán)站點數(shù)C對成環(huán)率進行計算，結(jié)果用R=C/N表示.

網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的緊密度可以由成環(huán)率反映，網(wǎng)絡的可靠性隨著成環(huán)率增大而變高，當鏈路出現(xiàn)故障時電網(wǎng)系統(tǒng)仍然可以正常工作[11]，設U代表的是網(wǎng)絡可靠性，可通過成環(huán)率和鏈路可靠性計算得到：

U=λ1L+λ2R，

(12)

式中：λ1為鏈路可靠性L對應的權(quán)重；λ2為成環(huán)率可靠性R對應的權(quán)重.

所有的鏈路成本都由運營成本和建設成本構(gòu)成[12]，設F代表的是智能電網(wǎng)線路規(guī)劃的成本，其計算公式如下：

(13)

式中：oi為線路在運營過程中產(chǎn)生的成本；ci為線路建設成本；當變量xi為0時，表明線路i沒有被選中，當變量xi為1時，表明線路i被選中.

在上述約束下，構(gòu)建智能電網(wǎng)電路規(guī)劃模型：

(14)

2.2 模型求解

在構(gòu)建考慮柔性負荷接入技術的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型后，采用改進小生鏡遺傳算法求解智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，具體過程如下：

(1)連通性檢驗并修正個體

為了獲取更多的模型可行解，本文主要利用連通性檢驗方式隨機產(chǎn)生個體，并對獨立消亡和孤島的不連通個體進行檢驗，以此完成個體修正[13].

(2)產(chǎn)生初始種群

計算修正后個體對應的目標值，并根據(jù)目標值大小對其進行排序，在此基礎上選取前M個目標值較大的個體構(gòu)成初始種群.

(3)選取適應度函數(shù)

通過下式計算個體的適應值F，并根據(jù)計算結(jié)果淘汰不符合要求的個體：

(15)

式中：F(x,y)為最小化目標值；Cmax為合理目標值的最大值.

(4)逆轉(zhuǎn)操作

后期群體通常趨于一致，為了解決這個問題，本文通過逆轉(zhuǎn)操作隨機選取的較差個體，以此提高個體在后期的多樣性，并增強算法在求解智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型時的局部尋優(yōu)能力[14].

(5)補算操作

利用變異操作獲取個體的子體時，有可能產(chǎn)生劣質(zhì)個體，為了提高個體的質(zhì)量，需要對其進行補算操作[15].

(6)小生鏡淘汰運算

小生鏡淘汰運算的實質(zhì)就是對個體群體中的海明距離||Xi-Xj||進行計算：

(16)

式中，xik、xjk為群體中存在的個體，當海明距離小于預先設定的距離Q時，對比個體之間的適應度，懲罰適應度較低的個體：

(17)

式中，q為懲罰項.通過上述過程保留下來的個體即為智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型的最優(yōu)解，輸出最優(yōu)解，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的線路規(guī)劃.

3 實驗與分析

為了驗證考慮柔性負荷接入技術的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建方法的整體有效性，需要對該方法進行測試.

測試區(qū)域有110 kV變電站3座，分別為變電站1、變電站2、變電站3，10 kV中壓線路16條，其中從變電站1出線5條，變電站2出線7條，變電站3出線4條.新建110 kV變電站1座，新增10 kV線路10條.

為了方便統(tǒng)計，對現(xiàn)有線路進行編號，結(jié)果如表1所示.

表1 線路編號

原有線路以及計劃新建線路的負荷情況如表2所示.

表2 負荷情況

表2(續(xù))

將本文方法應用至該區(qū)域的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃中，則規(guī)劃效果如圖1所示.

圖1 規(guī)劃效果Fig.1 Effect of planning

分析圖1可知，采用本文方法進行智能電網(wǎng)線路規(guī)劃后，線路覆蓋率增加，各變電站之間的聯(lián)系加強，且不存在獨立線路，說明考慮柔性負荷接入技術的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型應用效果更好.

將覆蓋率、信號強度和傳輸性能作為測試指標，測試考慮柔性負荷接入技術的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建方法(方法1)、基于慢同調(diào)理論的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法(方法2)和基于拉格朗日對偶算法的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法(方法3)的整體有效性.

(1)線路覆蓋率

不同方法的線路覆蓋率如圖2所示.

圖2 線路覆蓋率Fig.2 Line coverage

分析圖2中的數(shù)據(jù)可知，在不同區(qū)域中方法1規(guī)劃的智能電網(wǎng)線路的覆蓋率較高，均達到80%以上，方法2和方法3規(guī)劃的智能電網(wǎng)線路的覆蓋率在60%上下波動，說明這兩種方法規(guī)劃的線路無法覆蓋一些用電區(qū)域.對比測試結(jié)果可知，方法1規(guī)劃的智能電網(wǎng)線路覆蓋率最高，因為方法1在構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型之前，對不同類型的柔性負荷進行了分析，根據(jù)不同區(qū)域的柔性負荷規(guī)劃智能電網(wǎng)線路，提高了線路的覆蓋率.

(2)信號強度

不同方法的信號強度測試結(jié)果如圖3所示.

圖3 信號強度Fig.3 Signal strength

分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，不同區(qū)域接收的信號強度在不同方法中的差異較大，方法1規(guī)劃的智能電網(wǎng)中各區(qū)域的信號強度較高，方法2和方法3規(guī)劃的智能電網(wǎng)中各區(qū)域的信號強度較低，因為方法1分析了不同區(qū)域的柔性負荷，并根據(jù)分析結(jié)果進行了負荷補償，提高了信號接收區(qū)域的信號強度.

(3)傳輸性能

不同方法的傳輸性能測試結(jié)果如圖4所示.

圖4 傳輸性能測試結(jié)果Fig.4 Transmission performance test results

分析圖4可知，隨著傳輸距離的增加，方法1的信號強度基本保持不變，且信號強度處于平穩(wěn)狀態(tài)，說明信號基本不受傳輸距離的影響；隨著傳輸距離的增加，方法2和方法3的信號強度有所降低，且信號強度波動較大，表明以上兩種方法的信號強度受傳輸距離的影響較大.根據(jù)測試結(jié)果可知，方法1的傳輸性能較好，因為方法1在電網(wǎng)柔性負荷的基礎上將通信可靠性作為約束條件，構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，保障了電網(wǎng)通信的可靠性，提高了智能電網(wǎng)的傳輸性能.

4 結(jié)束語

電力網(wǎng)絡的規(guī)模、業(yè)務數(shù)量和業(yè)務種類隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展不斷增加，為了滿足用戶的業(yè)務需求，以及電力通信網(wǎng)絡的經(jīng)濟高效性和可靠性，需要對智能電網(wǎng)的路線進行規(guī)劃.目前智能電網(wǎng)線路規(guī)劃方法存在線路覆蓋率低、信號強度差和傳輸性能差的問題，提出考慮柔性負荷接入技術的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建方法，對智能電網(wǎng)不同類型的柔性負荷進行重點考慮，以此構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，通過求解模型實現(xiàn)智能電網(wǎng)線路的規(guī)劃.實驗結(jié)果表明，該方法提高了智能電網(wǎng)的線路覆蓋率及信號強度，并優(yōu)化了傳輸性能，為智能電網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎.