含多端柔性多狀態(tài)開關的主動配電網協(xié)調動態(tài)優(yōu)化

李科， 郭新志， 于昊正， 李秋燕

(國網河南省電力公司經濟技術研究院， 河南， 鄭州 450052)

0 引言

隨著電力電子技術的發(fā)展，SVC、SVG等電力設備的引入使配電網呈現出新氣象的同時也增加了配電網運行調控復雜度，功率流向復雜、負載波動增強、短路電流加大、設備壽命縮短、電壓越限等問題逐漸顯現。為保證配電網的電能質量，主動配電網技術以及相關電力設備應運而生，其中分布式電源數量大、接入容量占比高，合理調度其中的儲能單元、可控負荷即可實現配電網優(yōu)化。本文介紹包含多端柔性多狀態(tài)開發(fā)的主動配電網動態(tài)控制策略優(yōu)化，力求提升配電網調控靈活性與供電可靠性。

1 概念解析與研究現狀

1.1 主動配電網

主動配電網是一種相對于傳統(tǒng)配電網的全新概念，傳統(tǒng)配電網一般是被動的接受分布式電源(DG)接入，主動配電網則使用靈活的拓撲結構來管理潮流，統(tǒng)一調控區(qū)域內的分布式電源，占據主動性，它可管理與控制的資源主要為分布式電源、柔性負荷、儲能、無功補償設備等。因為時間上空間上都具有復雜性，因此主動配電網研究主要集中在規(guī)劃、運行與調控方面[1]。

1.2 關鍵技術

1.2.1 柔性多狀態(tài)開關

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

(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。

(3) 運行組合方式多狀態(tài)，運行狀態(tài)可以靈活組合。

相對于常規(guī)開關簡單通斷、耗時較長、合環(huán)電流沖擊等問題點來說，使用柔性多狀態(tài)開關，具有以下優(yōu)勢。

(1) 常規(guī)情況，功率因數和負荷率可實時調整，實現負載均衡，提高消納水平。

(2) 特殊情況，可實現不同電壓電網互聯(lián)，提供負荷轉供路徑，而且允許直流電源直接接入，可提供高質量供電。

1.2.2 多端柔性多狀態(tài)開關

多端柔性多狀態(tài)開關指的是端口數大于等于3的設備，由于端口數加大，能連接的饋線數也會隨之增多，簡而言之就是互聯(lián)程度大幅增大，對于提升配電網的調度靈活性有極大幫助。與此同時，因為多個端口連接的饋線可以互為備用，也可提高潮流轉供能力，提升供電可靠性。其優(yōu)勢主要體現在：

(1) 均衡饋線負荷。

(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 研究現狀

接入柔性多狀態(tài)開關對配電系統(tǒng)改善的確有很大作用，但還需要考慮價格以及容量問題。目前研究最多的是三端口，后續(xù)涉及更多接口時成本會大幅增加，而且有研究表明其對配電網線路損耗的改善效果會隨著數目增多而減弱?？偠灾豢坎煌Ｔ黾尤嵝远酄顟B(tài)開關不能一直起到優(yōu)化作用，在主動配電網中應尋求基于FDS的多種手段的協(xié)調優(yōu)化，在不增加FDS數量的情況下得到更好的優(yōu)化效果[2]。

2 基于多端FDS的調控技術

2.1 促進分布式電源消納能力

分布式電源主要包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電等，不同情況需要處理成不同的模型進行分析。接入分布式電源和柔性多狀態(tài)開關都會改變配電網潮流分布特性，支路潮流有可能超出饋線限值，各節(jié)點電壓也可能偏離標稱電壓。多端柔性多狀態(tài)開關的靈活調控能力可以抑制潮流超限、節(jié)點電壓偏差越限問題，進而提升主動配電網對分布式電源的消納能力。設端口功率分別是P1+JQ1和P2+JQ2，根據運行約束條件可得出有功無功關系：

(1)

在饋線末端接入分布式電源，計算得出節(jié)點接入DG最大容量SDG，max=PDG+JQDG，這時節(jié)點電壓偏移為

(2)

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

2.2 電能質量改善

FDS裝置可實時改變傳輸功率，包含功率因數補償、負序電流補償等功能，對于電能質量治理有很大幫助。通過矢量控制技術可以快速連續(xù)地提供容性感性無功；采用純正序功能控制方式消除負序電流影響；在上游線路故障造成電壓驟降或者閃變時FDS可快速處理；可以精準控制多條線路，有效抑制電壓越限等影響電能質量的問題。

2.3 優(yōu)化配電網運行

傳統(tǒng)配電網的開閉環(huán)方式難以支撐多變的實際需求，利用FDS裝置對配電網進行調度優(yōu)化，主要體現在以下兩點。

(1) 運行特性：進準控制端口功率交換，快速跟蹤分布式電源動態(tài)變化，協(xié)同饋線上其他資源實現配電網負載均衡。

(2) 時序特性：含多端FDS的配電網涉及分布式電源、儲能、負荷等時間不確定集合，且FDS調節(jié)功率具有時間連續(xù)性，優(yōu)化時序特性分析，達到高效優(yōu)化效果。

3 關鍵算法

3.1 改進的多種群粒子算法

粒子群算法(PSO)在各個領域均有廣泛應用，求解能力強大，將需優(yōu)化問題的解稱為“粒子”，在每次迭代過程中更新粒子參數，從無序到有序，最后得到最優(yōu)值。由于是標準算法，本文不再詳細闡述，著重介紹改進后的粒子群算法。由于標準粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)，本文在其基礎上進行改進，主要體現在以下幾點。

(1) 根據粒子動態(tài)半徑劃分種群，每次迭代采用不同的種群數目，尋找多模態(tài)函數的多極值。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態(tài)半徑：

(3)

(2) 引入拓撲機制，在種群內部提高搜索能力，提高收斂速度，拓撲項公式：

(4)

其中，T為粒子所在種群集合，N為粒子個數，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) 改進學習因子、權重等參數，增強全局搜索。

慣性權重：

w=wmin+(wmax-wmin)×rand()

(5)

學習因子：

c1=c1i+(c1f-c1i)×t/Tmax

c2=c2i+(c2f-c2i)×t/Tmax

(6)

3.2 改進的離散一致性算法

由于離散一致性算法不能考慮每個智能體的約束條件，用于含多端FDS的配電網中無法顧及自身的容量約束等，因此本文采用一種改進的考慮約束條件的一致性算法[4]。對于智能體i，計算步驟如下。

(1) 設∈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)

由此可以說明，采用上述一致性算法可以收斂。

4 主動配電網優(yōu)化建模

柔性多狀態(tài)開關是一種軟連接，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功功率，本文選擇正常條件下的PQ/PQ/UdcQ模式，設計多端口柔性多狀態(tài)開發(fā)運行控制約束條件如下：

(1) 傳輸有功功率

(13)

(14)

其中，t為時段，ploss,m(t)為t時段第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端口輸出無功功率

(2) 輸出無功功率

(15)

(3) 接入容量

(16)

其中，Qf,m為m端口變流器接入容量。

5 主動配電網動態(tài)優(yōu)化

5.1 基于多端FDS的主動配電網控制策略

基于多端FDS的主動配電網可以有效控制配電網的運行狀態(tài)，實現故障快速診斷、故障隔離以及快速恢復供電，確保主動配電網在安全、經濟的模式正常運行。優(yōu)化框圖如圖1所示。

圖1 含多端FDS的主動配電網控制策略

正常狀態(tài)下，通過PQ控制模式對配電網進行預防控制，對即將越限的指標進行預警。

故障狀態(tài)下，實現故障定位與隔離，由PQ模式無縫切換至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 基于改進多種群粒子算法的主動配電網優(yōu)化步驟

基于多端柔性多狀態(tài)開關的主動配電網優(yōu)化步驟如圖2所示。

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

(2) 計算得到動態(tài)半徑，構建多種群，引入拓撲機制，更新權重因子、學習因子、拓撲因子、種群交流因子。

圖2 優(yōu)化步驟

(3) 計算子種群的最優(yōu)值。

(4) 根據以上值計算適應度值，更新第i個粒子在第t代的局部最優(yōu)以及全局最優(yōu)值。

(5) 判斷是否達到迭代次數，達到退出，否則循環(huán)[5]。

5.3 基于離散一致性算法的饋線負載率自適應控制

通過分攤饋線上的功率波動可以將實際運行點盡量靠近經濟調度。設饋線i上的負載率波動量為

(17)

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

假設忽略柔性多狀態(tài)開關的功勞損耗，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)

由此可實現饋線負載率的自適應控制。

5.4 基于離散一致性算法的電壓自適應優(yōu)化策略

由于負荷波動性可能導致部分節(jié)點電壓偏低或偏高，利用前文所述的一致性算法構建電壓控制優(yōu)化策略，在每個區(qū)域配電網選擇關鍵節(jié)點，電壓自適應目標函數為

(20)

6 算例驗證分析

為驗證本文設計的優(yōu)化策略有效性，在改進的IEEE33節(jié)點算例中以饋線負載率為例進行分析。系統(tǒng)節(jié)點如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)節(jié)點圖

假設節(jié)點24、25發(fā)生了波動，利用本文的饋線負載率自適應模型，得到測試結果如圖4所示。

圖4 饋線負載率變化

由此可見，FDS容量較大時傳輸的有功功率較大，饋線負載率波動范圍大。即使實際運行中存在一定的功率損耗，對饋線負載率的調控效果依然有效[6]。

7 總結

本文在對含分布式電源的主動配電網分析的基礎上對基于多端柔性多狀態(tài)開關的主動配電網協(xié)調動態(tài)優(yōu)化進行了研究，介紹了基于改進的多種群粒子算法、改進的離散一致性算法的饋線負載率自適應控制策略、電壓自適應控制策略，為包含多端柔性多狀態(tài)開關的主動配電網動態(tài)優(yōu)化提供了有效手段。但對FDS接入位置對分區(qū)的影響、運行方案的適用性與經濟性方面還需進一步研究。