基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域電網(wǎng)分布式電源平衡技術(shù)

胡勇，李志超

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌，461000）

0 引言

隨著人口的急劇增加對(duì)能源的需求量不斷擴(kuò)大，全社會(huì)在安全供電中面臨著巨大挑戰(zhàn)，如何應(yīng)對(duì)環(huán)境問題與能源成本之間的矛盾，是當(dāng)下推動(dòng)電力改革的主要?jiǎng)恿?。受新能源的開發(fā)和再利用技術(shù)的成熟發(fā)展，部分國家已經(jīng)完成可能源行業(yè)的改革，在加快建設(shè)分布式電源進(jìn)程中取得了優(yōu)異的成果，我國也在配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中完成了不同能源的分布式建設(shè)。其中以風(fēng)電和光伏發(fā)電為主的分布式能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠較好的改善能源供需矛盾和環(huán)境污染等問題，在不同城市內(nèi)建立起光伏發(fā)電站和風(fēng)力發(fā)電站，以此完成大規(guī)模的安全供電模式。

但由于不同模式的分布式電源處于初始建立階段，在配電網(wǎng)的供電模型上仍存在不足，主要是在區(qū)域配電網(wǎng)組建過程中，對(duì)不同時(shí)段的發(fā)電峰期難以作出有效把控。即使在電網(wǎng)能效管理中逐漸從集約化處理，向分布式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，但對(duì)于如何合理分配電源中仍處于起步階段。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)多種電源平衡技術(shù)，以提高負(fù)荷均衡度為主的應(yīng)用方法，將靜態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)換器安置在用戶中，在實(shí)際用電過程中協(xié)調(diào)用電的功率，若出現(xiàn)不足以調(diào)度的余量功率時(shí)會(huì)造成調(diào)節(jié)失敗。當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)過大負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)短路故障，若不能及時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理，對(duì)造成配電網(wǎng)中的供電靈敏度降低等問題，產(chǎn)生財(cái)產(chǎn)損失。由此本文借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，重新對(duì)區(qū)域電網(wǎng)分布式電源的平衡技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為配電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供理論支持。

1 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域電網(wǎng)分布式電源平衡技術(shù)

■1.1 構(gòu)建區(qū)域配電網(wǎng)分布式調(diào)度模型

設(shè)計(jì)電源的平衡調(diào)度方法能夠?qū)Σ煌O(shè)備進(jìn)行能源有效管理，實(shí)現(xiàn)不同模式下分布式能源的有效調(diào)度，在配電網(wǎng)中完成用電的供需平衡。以此在配電網(wǎng)中建立分布式的調(diào)度模型，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)中能夠被收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行等量信號(hào)交換，在電力系統(tǒng)中公開處理所需的電力負(fù)荷問題，在供應(yīng)和需求兩者內(nèi)進(jìn)行電壓和電流交換。設(shè)置電網(wǎng)內(nèi)共包含

Q

個(gè)用電用戶，每個(gè)用戶的用電需求電力用

W

表示，在不同的電力需求下產(chǎn)生的電力數(shù)據(jù)構(gòu)成集合用

W

表示，其中

W

的數(shù)據(jù)均屬于

W

。不同用戶的用電需求產(chǎn)生的電力集合不同，根據(jù)每個(gè)用戶產(chǎn)生的電力數(shù)據(jù)，將能夠調(diào)度的電力集合表示為

W

，其中每個(gè)用電用戶數(shù)量用

q

表示，將不可調(diào)度的電力數(shù)據(jù)排除在集合內(nèi)，每個(gè)用戶產(chǎn)生的電力數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)為一組，計(jì)算其能夠用于調(diào)度的總負(fù)荷，表達(dá)式為：

■1.2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在初始化過程中不需要進(jìn)行假設(shè)，在對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)內(nèi)對(duì)不同的參數(shù)依次運(yùn)行，并按照順序標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電力負(fù)荷的調(diào)度轉(zhuǎn)換。模型中需要包含數(shù)據(jù)的輸出層和輸入層，以不同的神經(jīng)元數(shù)目進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，使預(yù)測的結(jié)果更加準(zhǔn)確，在電網(wǎng)的分布調(diào)度模型中加入三個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)測模塊，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在多個(gè)模塊中加入分類預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)，其中白盒預(yù)測為模型中的基礎(chǔ)定數(shù)，黑盒預(yù)測為電力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果，并通過灰盒混合的方式將兩個(gè)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整個(gè)，在相互校正的過程中對(duì)特定的參數(shù)進(jìn)行排序。將白盒測試中的校正法作為調(diào)度模型中的數(shù)據(jù)運(yùn)載類型，對(duì)采集過程中出現(xiàn)的缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行彌補(bǔ)，當(dāng)所有擬定的數(shù)據(jù)傳輸至模型層級(jí)內(nèi)，利用黑盒的歷史數(shù)據(jù)模擬規(guī)律進(jìn)行預(yù)測。在模型中建立數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)目設(shè)置非常重要，在整合后的電力數(shù)據(jù)中將其設(shè)置為初始集合

G

，其中隱含節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為集合樣本的

G

-1個(gè)，對(duì)應(yīng)的輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為

g

和

g

-1。在多個(gè)輪次的神經(jīng)訓(xùn)練過程中，加入隱含層的權(quán)值系數(shù)，分別對(duì)綜合樣本數(shù)據(jù)的誤差值

ass

進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)式為：

公式中：調(diào)度模型中擬合的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)用

f

表示，輸入層和輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)用

d

表示，電力負(fù)荷輸出的數(shù)據(jù)值用

g

表示，在不斷增加隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上，重復(fù)計(jì)算數(shù)據(jù)集合的預(yù)期誤差

ass

，在其達(dá)到最小值后完成的個(gè)數(shù)設(shè)定為節(jié)點(diǎn)序目值。根據(jù)訓(xùn)練后的誤差數(shù)值，在選定接入的電網(wǎng)中對(duì)連接電力的負(fù)荷進(jìn)行極值計(jì)算，將每個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)處的電流設(shè)置為

F

，大量電流流經(jīng)時(shí)以短路電流為阻抗預(yù)測，通過節(jié)點(diǎn)的電壓基準(zhǔn)比值進(jìn)行計(jì)算，在對(duì)不同數(shù)據(jù)依次計(jì)算后加入對(duì)應(yīng)誤差值，依次推斷出不同神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的負(fù)荷極值。將所有收集到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成負(fù)荷預(yù)測后，對(duì)不同的電力負(fù)荷極值進(jìn)行集合分類，按照其接收到的先后順序建立對(duì)應(yīng)功率矩陣，在動(dòng)態(tài)功率的分布模型下平衡電網(wǎng)電源。

■1.3 建立動(dòng)態(tài)功率矩陣平衡電網(wǎng)分布式電源

在負(fù)荷調(diào)度模型中設(shè)置多個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)功率理論，在對(duì)不同電力通信線路中建立其轉(zhuǎn)換矩陣，以此對(duì)分布式電源進(jìn)行調(diào)度和平衡控制。在電力系統(tǒng)的分析理論中，最常用的是基爾霍夫定律，表示在任意一個(gè)電力節(jié)點(diǎn)處，其支路所產(chǎn)生的輸入電流和輸出電流和代數(shù)總值為零，而其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的閉合電力電壓總值也為零。根據(jù)電力系統(tǒng)的線路連接結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)線路中的供電元件進(jìn)行電流的走向控制，以節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生相同負(fù)荷電流走向的信號(hào)進(jìn)行連通，若在其中產(chǎn)生線路走向關(guān)系時(shí)，即可表明在線路的兩端存在輸出電流和輸入電流的比值，能夠進(jìn)行對(duì)應(yīng)極值的分配。通過電網(wǎng)的分布結(jié)構(gòu)，采用圖論法進(jìn)行電力預(yù)測的負(fù)荷極值建立動(dòng)態(tài)矩陣，設(shè)置每個(gè)支路

x

的節(jié)點(diǎn)

z

兩端均包含連接的通路，在每個(gè)通路中對(duì)于任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)包含有向圖，對(duì)圖中所有節(jié)點(diǎn)

m

和支路

n

依次編號(hào)，在每條支路與對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)中設(shè)置關(guān)聯(lián)因素。當(dāng)相關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)矩陣中任意去掉一個(gè)支路，則在此基礎(chǔ)上可以得到另一個(gè)階級(jí)的動(dòng)態(tài)矩陣，兩個(gè)矩形中若存在線性關(guān)聯(lián)，則表示任意可以調(diào)度的支路都存在能夠控制的電流負(fù)荷，支線相關(guān)聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)元素對(duì)應(yīng)回路電流。在兩個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)中對(duì)所有支路建立起來的矩陣，進(jìn)行兩兩對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，當(dāng)相同方向電流的支路能夠?qū)?yīng)回路電流時(shí)，表示在其中的電力負(fù)荷調(diào)節(jié)完成。至此本文在構(gòu)建區(qū)域配電網(wǎng)的分布式調(diào)度模型基礎(chǔ)上，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測不同區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的負(fù)荷極值，通過負(fù)荷極值建立動(dòng)態(tài)功率關(guān)聯(lián)矩陣，用以控制區(qū)域電網(wǎng)中分布式電源的平衡，完成基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域電網(wǎng)分布式電源平衡技術(shù)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

■2.1 選擇測試電路結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的方法能夠在區(qū)域分布式電網(wǎng)起到電源平衡作用，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好效果，采用實(shí)驗(yàn)測試的方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)的電源模塊進(jìn)行驗(yàn)證。在SIMULINK測試工具箱中準(zhǔn)備模擬電力系統(tǒng)模塊，在其內(nèi)部配備電源模塊和基礎(chǔ)電路以及測量模塊，依次對(duì)接各個(gè)模塊，進(jìn)行元件的有效連接。此次實(shí)驗(yàn)主要測試電源模塊中不同類型的電流，在電力運(yùn)輸過程中的負(fù)載情況，在本文方法下是否能夠在超強(qiáng)負(fù)載介入中完成電源平衡。受測試步驟和線路連接過程影響，在對(duì)所需元件模型連接前設(shè)置好參數(shù)范圍，對(duì)擬建的分布式電網(wǎng)電路進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。此次測試對(duì)象選擇交流電機(jī)，分別對(duì)不同線路的電流通過負(fù)載進(jìn)行控制。交流電機(jī)的電路圖如圖1所示。

圖1 交流電機(jī)的電路圖

為達(dá)到電源平衡的要求，此次對(duì)電機(jī)的功率進(jìn)行控制，在選定的電路模型中加入四組同型號(hào)的永磁電機(jī)。每組電機(jī)的輸入電流為三相交流電，線路電壓控制在1160V，電機(jī)的電流輸通頻率均為80Hz。在電流流轉(zhuǎn)過程中，可以利用開關(guān)設(shè)置選擇不同的交相電流。當(dāng)I1號(hào)電機(jī)在選擇A相電流時(shí)，其他三組電機(jī)可以對(duì)其自身的轉(zhuǎn)速進(jìn)行模擬，將四組的交相電流進(jìn)行分配，并在統(tǒng)一的速度下傳入到測試工具箱中，完成電力的輸出反饋。測試開始前為使得出的結(jié)果更加真實(shí)有效，選擇兩組傳統(tǒng)的電源平衡方法做對(duì)照，連接在MATLAB測試平臺(tái)中，分別對(duì)三臺(tái)電機(jī)的輸出電流進(jìn)行控制。

■2.2 電路負(fù)載測試過程

電源平衡主要是在電網(wǎng)出現(xiàn)超高負(fù)載時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效控制，防止其過大電流對(duì)電機(jī)造成承載壓力，出現(xiàn)電網(wǎng)電力事故。在模擬好的電力系統(tǒng)中將四組電機(jī)安置于輸入電路主線內(nèi)，分別通過三種平衡方法進(jìn)行對(duì)比。將電機(jī)交相電流傳入至主線電路時(shí)增加一組越階信號(hào)，設(shè)置主線電路的頻率負(fù)載在160-550Hz范圍內(nèi)運(yùn)行，該信號(hào)出現(xiàn)在第四組電機(jī)電源接入狀態(tài)的第2s，整體測試時(shí)間持續(xù)4s，不同平衡方法下對(duì)該信號(hào)的控制效果如表1所示。

表1 不同方法下四組電機(jī)負(fù)載控制效果

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在對(duì)第四組電機(jī)進(jìn)行加壓處理前，每組電機(jī)的初始工作狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)第四組電機(jī)電源處的負(fù)載加入越階信號(hào)后，線路會(huì)發(fā)生較大抖動(dòng)，說明此時(shí)的電路受到干擾信號(hào)影響。

以三種方法平衡后的結(jié)構(gòu)來看，當(dāng)?shù)谒呐_(tái)電機(jī)加入負(fù)載后，通過本文方法平衡干預(yù)后，負(fù)載在2s時(shí)出現(xiàn)了變化然后歸于穩(wěn)定，處在比原來負(fù)載大的位置上，其他三組電力負(fù)載也分別在2s～3s時(shí)間段內(nèi)完成負(fù)載增加和穩(wěn)定的相對(duì)過程，在比原有負(fù)載大的位置上穩(wěn)定下來，說明能夠提高其他三組的電機(jī)負(fù)荷，達(dá)到第四臺(tái)電機(jī)額外負(fù)載的效果。但對(duì)于兩組傳統(tǒng)方法，雖然能夠?qū)⒓尤胴?fù)載的電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定控制后，并不能對(duì)其余三組電機(jī)完成加大負(fù)載，且時(shí)間均大于4s，在越階信號(hào)加入的情況下，會(huì)發(fā)生同一線路電機(jī)不穩(wěn)定的情況。

綜合測試結(jié)果來看，在電網(wǎng)電路內(nèi)包含加大負(fù)載的條件下，本文方法能夠?qū)⑵湓诙虝r(shí)間內(nèi)完成控制，通過多組電機(jī)的分載作用，使得電路的電源達(dá)到均衡的負(fù)荷狀態(tài)，具有實(shí)際應(yīng)用效果。

■2.3 電源平衡結(jié)果分析

為更加直觀的檢驗(yàn)本文方法對(duì)電源的均衡效果，仍以上述測試條件為例，在測試工具箱中對(duì)控制前后的電源電流進(jìn)行檢驗(yàn)。其中四組電機(jī)的初始電流為240A，越階信號(hào)承載的電流為160A，加入后使其一直保持在主線電路內(nèi)，在保證其他變量一致的情況下，每組方法的平衡控制時(shí)間均設(shè)置為2s，具體測試結(jié)果如表2、圖2所示。

表2 不同方法下電流變化結(jié)果（A）

圖2 不同方法下電流變化結(jié)果

根據(jù)上述內(nèi)容所示，在本文方法下四組電機(jī)的電流均穩(wěn)定在280A左右，表示在負(fù)載加入情況下，能夠?qū)^高壓力的電機(jī)進(jìn)行處理，達(dá)到均衡的效果。但兩組傳統(tǒng)方法在實(shí)際加載過程中，只能對(duì)加壓的電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定，在最終電流控制后其他三組電機(jī)的電流數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加壓電機(jī)，一旦長時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)電路故障。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看：在電網(wǎng)線路突然增加負(fù)荷時(shí)，利用本文方法能夠?qū)﹄娫吹呢?fù)載進(jìn)行快速處理，使其同一段線路中的電機(jī)負(fù)載保持基本一致的效果，能夠達(dá)到電源平衡的效果，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

3 結(jié)束語

本文在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的布置下，重新構(gòu)建電網(wǎng)的可調(diào)度模型，通過電力負(fù)荷的極值預(yù)測，完成不同模式下電源的分布調(diào)度平衡方法設(shè)計(jì)。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以多個(gè)電機(jī)的輸出電流為測試條件，在增加電力負(fù)荷的承載下，本文方法能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)電機(jī)的均衡分配，且每組電機(jī)的電流能夠恒定在一致狀態(tài)下，具有實(shí)際應(yīng)用效果。但由于在測試過程中只能對(duì)單一的電機(jī)進(jìn)行負(fù)載調(diào)節(jié)，產(chǎn)生的結(jié)果會(huì)具有一定偏差性。后續(xù)研究中會(huì)針對(duì)測試的電機(jī)進(jìn)行依次的負(fù)載加壓，進(jìn)行不同電機(jī)的電流均衡控制，為電網(wǎng)的超高壓運(yùn)行提供更加穩(wěn)定的電力控制方法，保證電力系統(tǒng)的安全供電。