基于飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)＊

翟旭京,田壽濤,安 琪,陳偉偉,李靜雅

（國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

隨著我國(guó)電力需求增長(zhǎng)速度減緩，電力負(fù)荷供過(guò)于求，逐漸呈現(xiàn)飽和的趨勢(shì)。所以在規(guī)劃我國(guó)各地區(qū)的配電網(wǎng)布局時(shí)，還需要考慮各地區(qū)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的初步規(guī)模，并對(duì)配電網(wǎng)飽和負(fù)荷的規(guī)模及飽和時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而達(dá)到電力資源的合理配置及協(xié)調(diào)控制[1]。增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)有利于合理分配國(guó)家電力資源，減少國(guó)家不必要的投資。通過(guò)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)可以確定我國(guó)各區(qū)域配電網(wǎng)的最終規(guī)模，規(guī)劃發(fā)電站布置與配電網(wǎng)線路，避免出現(xiàn)增量配電網(wǎng)供電能力過(guò)剩或者容量得不到及時(shí)補(bǔ)充利用的情況，進(jìn)而協(xié)調(diào)我國(guó)各區(qū)域配電網(wǎng)的建設(shè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。

袁方方提出一種分布式光伏電源有功-無(wú)功解耦和對(duì)配電網(wǎng)電壓分區(qū)控制的協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)分析不同運(yùn)行狀態(tài)下，在分布式光伏電源有功出力接入的配電網(wǎng)的安全運(yùn)行的隱患，利用搭建的配電網(wǎng)模型，控制光伏電源的消納能力從而保障配電網(wǎng)的協(xié)同控制[3]。但該方法應(yīng)用條件過(guò)于局限，難以廣泛推行。Xiaoxue W 提出基于配電相量測(cè)量單元的配電網(wǎng)分布式電壓控制，將阻抗和功率信息未知的子網(wǎng)轉(zhuǎn)換為具有已知等效參數(shù)的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，采用多智能體系統(tǒng)的全分布式控制策略來(lái)控配電網(wǎng)電壓漂移，并在沒(méi)有電壓偏移的情況下優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)損耗[4]。該方法能夠減小配電網(wǎng)電力調(diào)度損耗，但調(diào)度穩(wěn)定性較差。針對(duì)上述方法存在的問(wèn)題，本文提出基于飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)Logistic模型，實(shí)現(xiàn)增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制。

2 增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)

2.1 城市配電網(wǎng)飽和負(fù)荷原因

增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)，首先需要對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷進(jìn)行提取，地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展一定程度后，呈現(xiàn)電力領(lǐng)域發(fā)展緩慢問(wèn)題，電力負(fù)荷逐漸飽和且波動(dòng)幅度較小，即該地區(qū)飽和負(fù)荷。在增量配電網(wǎng)中提取飽和負(fù)荷時(shí)，記錄數(shù)量的同時(shí)還需計(jì)算其出現(xiàn)時(shí)間與分布情況。

一個(gè)區(qū)域的各領(lǐng)域發(fā)展彼此之間都存在著十分必要的聯(lián)系，要想對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷進(jìn)行提取，則需要考慮飽和負(fù)荷飽和的特性，而該特性則需要從多角度進(jìn)行觀察進(jìn)而完成對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷的提取[5]。一個(gè)區(qū)域的負(fù)荷若達(dá)到飽和的狀態(tài)時(shí)，則該區(qū)域以下幾個(gè)方面也會(huì)呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

當(dāng)前我國(guó)不同地區(qū)都有各自城市化發(fā)展最終形態(tài)，由于受不同條件影響，存在差異性較大問(wèn)題，當(dāng)該區(qū)域的城市化發(fā)展趨于較為穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，則該區(qū)域的電力領(lǐng)域發(fā)展也將逐步達(dá)到飽和狀態(tài)，而此時(shí)增量配電網(wǎng)負(fù)荷也會(huì)趨于飽和狀態(tài)，也是最佳的飽和負(fù)荷提取階段[6]。

各區(qū)域的人均用電量可以從側(cè)面反映出增量配電網(wǎng)負(fù)荷是否趨于飽和狀態(tài)，隨著區(qū)域內(nèi)人均生活用電量逐漸穩(wěn)定，區(qū)域內(nèi)電力發(fā)展及增量配電網(wǎng)負(fù)荷也將趨于飽和。此時(shí)也是對(duì)配電網(wǎng)飽和負(fù)荷提取的最佳階段，同時(shí)也需要通過(guò)改進(jìn)Logistic模型對(duì)飽和負(fù)荷值的大小，出現(xiàn)的時(shí)間與分布進(jìn)行記錄[7]。

工業(yè)快速發(fā)展階段地區(qū)，工業(yè)用電消耗較大，形成快速增長(zhǎng)期，該工業(yè)進(jìn)程時(shí)，用電結(jié)構(gòu)也會(huì)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，工業(yè)用電量也會(huì)趨于一個(gè)固定區(qū)域值，此時(shí)該區(qū)域的增量配電網(wǎng)負(fù)荷也會(huì)趨于飽和狀態(tài)，是對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷提取的最佳階段，在通過(guò)改進(jìn)Logistic模型提取過(guò)程中需要記錄負(fù)荷值的大小，出現(xiàn)的時(shí)間與分布位置[8]。

2.2 剔除偽飽和負(fù)荷

由于部分飽和負(fù)荷受各區(qū)域某些特定因素影響可能出現(xiàn)“偽飽和負(fù)荷”的情況。因此本文將對(duì)提取的所有飽和負(fù)荷進(jìn)行充分分析，進(jìn)而減少“偽飽和負(fù)荷”對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)的影響。

針對(duì)我國(guó)的不同區(qū)域，都有詳盡的未來(lái)預(yù)期發(fā)展方向，但受地域與未來(lái)多領(lǐng)域發(fā)展影響，在該區(qū)域的城市化發(fā)展趨于較為穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，短期內(nèi)仍有可能出現(xiàn)較大幅度變化的情況，由于地域關(guān)系以及其他領(lǐng)域的相互帶動(dòng)，在該狀態(tài)下提取的飽和負(fù)荷中與其他領(lǐng)域聯(lián)系密切的飽和負(fù)荷需要再次進(jìn)行重要分析。從該區(qū)域的其他領(lǐng)域的發(fā)展前景作為參照基礎(chǔ)，進(jìn)而通過(guò)對(duì)飽和負(fù)荷進(jìn)行分析盡可能剔除“偽飽和負(fù)荷”的影響，其具體操作流程圖如圖1所示。

一個(gè)區(qū)域的人均用電量可以從側(cè)面反映出增量配電網(wǎng)負(fù)荷是否趨于飽和狀態(tài)，但對(duì)于流動(dòng)群體來(lái)說(shuō)，受該區(qū)域的生活水平與就業(yè)難易程度影響，人口數(shù)量可能在一年中的各階段變化幅度較大。因此人均用電量也會(huì)隨之而改變。為此在對(duì)區(qū)域人均生活用電量變化幅度不大情況下，提取的飽和負(fù)荷通過(guò)改進(jìn)Logistic模型進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)根據(jù)該區(qū)域的生活水平與就業(yè)難易程度參考其中，盡可能剔除“偽飽和負(fù)荷”對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)的影響，其具體操作流程圖如圖2所示。

圖2 區(qū)域人均生活用電量變化穩(wěn)定提取飽和負(fù)荷分析

對(duì)于該區(qū)域的用電結(jié)構(gòu)發(fā)展來(lái)說(shuō)，若工業(yè)用電量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，則說(shuō)明該區(qū)域的用電結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。但受國(guó)家未來(lái)對(duì)外經(jīng)濟(jì)政策影響，部分區(qū)域可能出現(xiàn)短時(shí)間用電結(jié)構(gòu)改變的情況，受未來(lái)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的影響，個(gè)別區(qū)域可能改變自身發(fā)展進(jìn)程以便得到更好的發(fā)展，因此應(yīng)對(duì)與國(guó)家未來(lái)對(duì)外經(jīng)濟(jì)政策影響和未來(lái)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的影響聯(lián)系密切的飽和負(fù)荷進(jìn)行充分分析。

2.3 基于改進(jìn)Logistic模型預(yù)測(cè)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)

由于傳統(tǒng)Logistic模型收斂性比較差，且未對(duì)隨機(jī)變量影響加以考慮，因此對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的精確性較低。本文采用改進(jìn)Logistic 模型對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，改進(jìn)Logistic 模型相比較傳統(tǒng)的Logistic 模型增加了一個(gè)隨機(jī)變量c，該隨機(jī)變量會(huì)隨著具體的原始數(shù)據(jù)的擬合情況而出現(xiàn)自動(dòng)改變與調(diào)整的情況。通過(guò)改進(jìn)Logistic 模型對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)的具體流程示意圖如圖3所示。

圖3 增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)具體流程示意圖

在該過(guò)程中，改進(jìn)Logistic模型首先會(huì)對(duì)城市化發(fā)展趨于較為穩(wěn)定的狀態(tài)下提取的飽和負(fù)荷通過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，將得到的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行保留儲(chǔ)存，同理，接下來(lái)本文會(huì)對(duì)區(qū)域人均生活用電量變化幅度較小情況下提取的飽和負(fù)荷與用電結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定且變化較小情況下提取的飽和負(fù)荷通過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將得到結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存，最終將三者獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，最終得到的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 預(yù)測(cè)結(jié)果示意圖

在該預(yù)測(cè)結(jié)果中，對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)共分為四個(gè)階段，0—T1 為初期發(fā)展增長(zhǎng)階段，該階段對(duì)應(yīng)發(fā)展進(jìn)程中0—Y1 部分，該部分屬于該預(yù)測(cè)區(qū)域未來(lái)發(fā)展起步階段最佳時(shí)間區(qū)域。T1—T2為快速增長(zhǎng)發(fā)展階段，其對(duì)應(yīng)的發(fā)展進(jìn)程為Y1—Y2部分，根據(jù)上圖可知在該階段該區(qū)域的發(fā)展進(jìn)度明顯提高，因此在該階段該區(qū)域應(yīng)加大發(fā)展投入力度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加快完成該區(qū)域未來(lái)目標(biāo)的目標(biāo)。T2—T3為后期快速增長(zhǎng)發(fā)展階段，對(duì)應(yīng)的發(fā)展進(jìn)程為Y2—Y3部分，在該階段雖然該區(qū)域的發(fā)展仍然迅速，但該區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)部分發(fā)展緩慢的現(xiàn)象，因此該區(qū)域此時(shí)在發(fā)展過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行合理投入，爭(zhēng)取做到利益最大化。T3—T4 為飽和增長(zhǎng)發(fā)展階段，對(duì)應(yīng)的為Y3—Y4 部分，在該階段該區(qū)域的發(fā)展已經(jīng)趨于飽和狀態(tài)，該區(qū)域在發(fā)展投入上的力度應(yīng)該適當(dāng)減小，進(jìn)而在保證發(fā)展的同時(shí)保持自身實(shí)力，等待下一個(gè)快速發(fā)展階段的來(lái)臨。

3 飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)下的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)

利用飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)值，實(shí)現(xiàn)增量配電網(wǎng)調(diào)度的時(shí)段控制及集中式自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制，達(dá)到配電網(wǎng)的準(zhǔn)確調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)下的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制。

3.1 時(shí)段控制

根據(jù)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)，能夠在用電量變化幅度較小的時(shí)段提取飽和負(fù)荷，得到準(zhǔn)確的配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，通過(guò)各區(qū)域的不同飽和負(fù)荷量實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電力調(diào)度自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

本文結(jié)合飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)，依據(jù)目前國(guó)內(nèi)對(duì)時(shí)段分時(shí)電價(jià)的劃分原則和山東地區(qū)峰、谷、平多個(gè)時(shí)段的具體劃分，提出針對(duì)電網(wǎng)用電的時(shí)段錯(cuò)峰控制策略。在用電量變化幅度較小的時(shí)段提取飽和負(fù)荷，得出一天中各個(gè)時(shí)段的負(fù)荷預(yù)測(cè)值，在負(fù)荷較高的時(shí)段實(shí)行低用電策略，完成增量配電網(wǎng)的自動(dòng)化時(shí)段協(xié)調(diào)控制。

3.2 集中式自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制

集中式優(yōu)化控制的目標(biāo)為減小負(fù)荷峰谷差，使負(fù)荷波動(dòng)最小化，實(shí)現(xiàn)平抑負(fù)荷。負(fù)荷最小化電力協(xié)調(diào)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)如下：

式中，minFref為負(fù)荷最小化電力協(xié)調(diào)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，N、L分別為電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)段、用電區(qū)域，Pb，t為配電網(wǎng)在t時(shí)段的負(fù)荷水平；pl，t表示在第l 個(gè)區(qū)域在t 時(shí)段內(nèi)的用電功率需求預(yù)測(cè)。

配電網(wǎng)各時(shí)段評(píng)論負(fù)荷水平如下：

通過(guò)時(shí)段控制實(shí)現(xiàn)增量配電網(wǎng)錯(cuò)峰用電，通過(guò)集中式自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)用電功率控制，最終實(shí)現(xiàn)基于飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為檢測(cè)所設(shè)計(jì)的基于飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)的準(zhǔn)確性與高效性，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的基于Logistic 模型的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)及基于長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)對(duì)比，檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)方法的效果。

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)可設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)可得到本文設(shè)計(jì)的基于飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)和傳統(tǒng)增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率對(duì)比圖，如圖5所示。

圖5 飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比圖

其中A、B、C、D、E、F 為該實(shí)驗(yàn)中預(yù)測(cè)的特定區(qū)域，所設(shè)計(jì)的方法通過(guò)改進(jìn)Logistic 模型首先對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷進(jìn)行了大量的提取，保證了獲取數(shù)據(jù)的普遍性，緊接著對(duì)提取的飽和負(fù)荷進(jìn)行分析，篩選出其中的對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)有作用的飽和負(fù)荷，剔除了無(wú)關(guān)變量，保證了最終對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，與傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法相比較，本文設(shè)計(jì)的方法不但增加了許多為飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)做基礎(chǔ)的階段，也在準(zhǔn)確性方面也得到了預(yù)期的回報(bào)。

在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證不同方法在增量配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制過(guò)程中的調(diào)度負(fù)荷波動(dòng)情況，得到對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 增量配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制過(guò)程中的調(diào)度負(fù)荷波動(dòng)

分析圖6可知，所設(shè)計(jì)基于飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)在電力調(diào)度過(guò)程中，負(fù)荷波動(dòng)保持在0.2kW 左右，而基于Logistic 模型的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)的負(fù)荷波動(dòng)平均值為2.0kW，基于長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)的負(fù)荷波動(dòng)平均值為1.9kW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)的調(diào)度負(fù)荷功率小，能夠有效實(shí)現(xiàn)電力準(zhǔn)確調(diào)度，保證電力調(diào)度自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究基于飽和負(fù)荷預(yù)測(cè)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)Logistic模型的特性對(duì)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷進(jìn)行階段性預(yù)測(cè)，將我國(guó)各區(qū)域城鄉(xiāng)差異，經(jīng)濟(jì)差異等影響因素考慮到其中，在我國(guó)各區(qū)域增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷大量提取后，對(duì)飽和負(fù)荷進(jìn)行分析，將對(duì)該區(qū)域沒(méi)有影響的飽和負(fù)荷進(jìn)行合理消除，最終在對(duì)各區(qū)域進(jìn)行合理增量配電網(wǎng)飽和預(yù)測(cè)，通過(guò)時(shí)段控制及集中式自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制。較于傳統(tǒng)的增量配電網(wǎng)自動(dòng)化協(xié)調(diào)控制方法，本文研究的方法更具有針對(duì)性與及時(shí)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提技術(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)增量配電網(wǎng)飽和負(fù)荷，使調(diào)度負(fù)荷波動(dòng)控制在最小范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制。