計(jì)及配網(wǎng)有功無功協(xié)調(diào)運(yùn)行優(yōu)化的SST規(guī)劃方法實(shí)踐

王洛群

中國(guó)電建集團(tuán)核電工程有限公司 山東 濟(jì)南 250100

1 配網(wǎng)有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化研究

現(xiàn)階段，在對(duì)配網(wǎng)發(fā)展情況進(jìn)行分析時(shí)，可以確定有功功率與無功功率的耦合性比較強(qiáng)，而電壓分布效果受有功功率的影響比較大。近些年來，很多研究人員在對(duì)有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化方法進(jìn)行分析時(shí)，除了考慮主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式電源之外，還對(duì)一些可調(diào)控資源的作用進(jìn)行了分析。分布式電源與可調(diào)控資源都能夠保證配網(wǎng)的安全性與經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。除此之外，在配網(wǎng)有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化研究中，還要對(duì)市場(chǎng)電價(jià)進(jìn)行考慮。研究?jī)呻A段日前優(yōu)化調(diào)度模型，其中第一階段為日前調(diào)優(yōu)化調(diào)度，可以以次日負(fù)荷需求、電價(jià)預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)開展調(diào)度優(yōu)化工作。在這一分析中需要對(duì)市場(chǎng)電價(jià)、高比例分布式電源（DG）運(yùn)行成本、可中斷負(fù)荷價(jià)格等進(jìn)行充分考慮，才能夠保證DG機(jī)組組合、主網(wǎng)購(gòu)電量、用戶簽訂的可中斷負(fù)荷合同科學(xué)有效。第二階段的主要內(nèi)容為無功優(yōu)化，需要完成DG優(yōu)化，并利用無功補(bǔ)償裝置處理，防止電壓越限。在對(duì)有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法進(jìn)行分析時(shí)，還可以提出不同時(shí)間尺度條件中，對(duì)分布式電源進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的相關(guān)方案，在長(zhǎng)時(shí)間尺度下可以建立主動(dòng)配電網(wǎng)全局優(yōu)化控制模型；短時(shí)間尺度下要對(duì)功率控制誤差進(jìn)行考慮，確保主動(dòng)配網(wǎng)區(qū)域資質(zhì)控制算法應(yīng)用效果。

通過研究有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化算法，可以確定目前在配網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化中，利用人工智能算法可以降低優(yōu)化調(diào)度難度，并且人工智能算法的實(shí)現(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單，并且具有較強(qiáng)的適用性，在使用過程中對(duì)初始調(diào)節(jié)并不敏感。但是在人工智能算法應(yīng)用過程中很容易陷入局部最優(yōu)解，因此，需要進(jìn)行多次計(jì)算才能夠獲取最優(yōu)方案。因?yàn)樵谑褂眠^程中需要完成反復(fù)迭代，會(huì)影響計(jì)算效率。在數(shù)學(xué)優(yōu)化方法應(yīng)用過程中，可以確保獲取的問題解為最優(yōu)解，計(jì)算精度也比較高，但是計(jì)算的整體時(shí)間比較長(zhǎng)，適合在小規(guī)模配電網(wǎng)優(yōu)化問題解決過程中進(jìn)行應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增加的同時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)會(huì)越來越多，直接影響算法求解效率和速度。

在開展主動(dòng)配電網(wǎng)有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化時(shí)，其與單一的無功優(yōu)化研究相比，可以增加可調(diào)控資源，有利于提高優(yōu)化模型的完善性。但是優(yōu)化模型也會(huì)更加復(fù)雜，優(yōu)化難度會(huì)更大。除此之外，在配電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)入可再生資源后，為了保證有序發(fā)電，并在最大程度上對(duì)分布式能源進(jìn)行充分應(yīng)用，對(duì)可控資源的功率調(diào)節(jié)能力有較高要求，需要在最大程度上確保分布式電源的穩(wěn)定性，對(duì)不穩(wěn)定性因素進(jìn)行合理控制，防止出現(xiàn)電壓大幅度波動(dòng)問題。這樣才能夠保證配電系統(tǒng)的安全性以及穩(wěn)定性，這也是主動(dòng)配網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化過程中必須重視的重要問題[2]。

2 計(jì)及配網(wǎng)有功無功協(xié)調(diào)運(yùn)行優(yōu)化的SST規(guī)劃的作用

現(xiàn)階段，在高比例分布式電源（DG）不斷發(fā)展的過程中，配電系統(tǒng)朝著清潔能源方向轉(zhuǎn)變，但是為了提高分布式能源的綜合利用效率，保證系統(tǒng)的柔性調(diào)控能力，需要加強(qiáng)計(jì)及配網(wǎng)有功無功協(xié)調(diào)運(yùn)行優(yōu)化研究，并對(duì)在配網(wǎng)有功無功協(xié)調(diào)過程中的SST規(guī)劃工作進(jìn)行深入探索。固態(tài)變壓器SST作為可以利用全控型電力電子器件，能夠完成能量管理和功率控制。在應(yīng)用過程中交流和直流端口比較多，方便接入DG，保證組網(wǎng)方式的靈活性，此外，還可以有效調(diào)節(jié)電壓、開展無功補(bǔ)償以及潮流控制等工作，可以有效解決在DG接入配網(wǎng)后產(chǎn)生的很多問題。

現(xiàn)階段，在SST研究過程中主要研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物理模型以及相關(guān)的控制方法，對(duì)SST在配網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃問題的研究比較少。在對(duì)SST規(guī)劃方法進(jìn)行研究時(shí)，以傳統(tǒng)配電網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建SST穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模型，還可以將其與有載調(diào)壓變壓器進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)SST在主動(dòng)配電網(wǎng)開展無功調(diào)節(jié)方面具有突出的作用。在對(duì)SST控制方法進(jìn)行研究時(shí)，僅僅對(duì)其在外在特性進(jìn)行分析，可以構(gòu)建以SST為基礎(chǔ)的無功優(yōu)化模型。而以電壓偏移最小作為目標(biāo)的功率與電壓協(xié)調(diào)控制方法也是SST規(guī)劃應(yīng)用過程中的主要方法之一。此外，對(duì)SST協(xié)調(diào)配網(wǎng)有關(guān)運(yùn)行優(yōu)化問題進(jìn)行充分考慮，可以提出含有SST的優(yōu)化調(diào)度方案，在方案中需要完成交直流系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化。這些研究可以證明SST在配網(wǎng)運(yùn)行控制過程中，可以發(fā)揮調(diào)節(jié)潮流與無功補(bǔ)償作用。

但是目前在對(duì)SST進(jìn)行規(guī)劃應(yīng)用時(shí)，僅僅為系統(tǒng)有關(guān)資源的協(xié)調(diào)運(yùn)行，與輸電網(wǎng)本身存在一定區(qū)別。配電線網(wǎng)的有功無功耦合比較強(qiáng)，會(huì)忽略無功運(yùn)行，單純研究SST在配網(wǎng)協(xié)調(diào)過程中有功協(xié)調(diào)工作。這一分析并不全面，為了發(fā)揮SST在配網(wǎng)有功無功運(yùn)行協(xié)調(diào)與優(yōu)化過程中參與價(jià)值，需要對(duì)系統(tǒng)的有功無功協(xié)調(diào)運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)籌分析，精準(zhǔn)掌握SST運(yùn)行調(diào)控方法，為系統(tǒng)柔性調(diào)節(jié)能力提供有效保障。此外，全面分析SST電能調(diào)節(jié)作用，加強(qiáng)配網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中有功無功資源調(diào)配管理工作，才能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行的整體效益。除此之外，SST投資成本比較高也決定了在SST規(guī)劃過程中必須要加強(qiáng)全面分析和研究工作，確保SST規(guī)劃方案滿足配網(wǎng)運(yùn)行中有功無功優(yōu)化需求。但是目前在對(duì)SST規(guī)劃方案進(jìn)行分析時(shí)，大多數(shù)研究人員并不重視系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化問題，僅僅是開展單層規(guī)劃模型設(shè)計(jì)，在這一背景下，分析SST規(guī)劃方案的有效性時(shí)可能存在一些不足，無法全面掌握SST規(guī)劃方案在改善線路過載和電壓過低方面的價(jià)值。這一模型在應(yīng)用過程中忽視了SST高成本產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)問題，不能充分發(fā)揮SST在規(guī)劃過程中的經(jīng)濟(jì)性效益，也沒有深入探索SST規(guī)劃方法對(duì)規(guī)劃結(jié)果與運(yùn)行優(yōu)化耦合關(guān)系的影響。這一單層求解規(guī)劃模型會(huì)對(duì)SST規(guī)劃方法的合理性產(chǎn)生限制。因此，需要根據(jù)SST規(guī)劃方法的研究情況，完成規(guī)劃方法雙層模型分析。

3 SST規(guī)劃方法分析

3.1 上層規(guī)劃模型分析

在上層規(guī)劃模型研究過程中，在本文SST規(guī)劃方法設(shè)計(jì)過程中，需要準(zhǔn)確掌握SST的安裝位置、規(guī)劃容量，此外，還要綜合考慮不同時(shí)段下應(yīng)用場(chǎng)景不同時(shí)，配電網(wǎng)有功無功最優(yōu)狀態(tài)。在上層規(guī)劃模型設(shè)計(jì)過程中，需要將年綜合費(fèi)用控制在最小值作為目標(biāo)函數(shù)，其中主要參數(shù)包括SST等年值投資成本、年運(yùn)維成本、環(huán)境效益以及配電網(wǎng)年運(yùn)行成本等。

3.2 下層規(guī)劃模型分析

在下層規(guī)劃模型設(shè)計(jì)時(shí)，其與雙層傳遞的SST規(guī)劃設(shè)計(jì)模型存在一定差別。下層模型的主要目的是完成系統(tǒng)優(yōu)化，保證有功無功資源能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行。在具體的設(shè)計(jì)中需要將配電網(wǎng)日運(yùn)行成本最小作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 混合算法分析

在差分混合算法應(yīng)用過程中，應(yīng)用的算法為差分入侵雜草算法。在該算法使用過程中，需要綜合入侵雜草算法、差分進(jìn)化算法各自優(yōu)點(diǎn)，可以發(fā)揮入侵雜草算法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、魯棒性比較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠利用差分進(jìn)化算法防止陷入局部最優(yōu)。在解決非線性多元優(yōu)化問題時(shí)，差分入侵雜草算法的應(yīng)用相對(duì)普遍。在此次研究過程中主要是以待安裝的SST節(jié)點(diǎn)位置和容量為基礎(chǔ)完成上層優(yōu)化，下層設(shè)計(jì)需要將上層選擇的配置方案作為基礎(chǔ)，確保上下層設(shè)計(jì)之間的配合度，保證配網(wǎng)有功無功運(yùn)行協(xié)調(diào)進(jìn)行，獲取最優(yōu)解。之后上下層迭代求解，可以獲取最優(yōu)結(jié)果下的最優(yōu)SST規(guī)劃方案。

為了盡可能縮短在模型設(shè)計(jì)中的時(shí)間，可以利用主從式并行計(jì)算架構(gòu)，在該架構(gòu)使用中，要準(zhǔn)確掌握主處理器功能，加強(qiáng)雙層模型流程控制作業(yè)。先進(jìn)行上層雜草初始化處理，然后發(fā)送到兩個(gè)子處理器。應(yīng)用場(chǎng)景不同的情況需要先完成下層運(yùn)行最優(yōu)解計(jì)算，并將獲取的結(jié)果及時(shí)反饋到上層結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確計(jì)算年綜合費(fèi)用，確保上層迭代優(yōu)化效果[3]。

4 仿真模型分析

完成模型設(shè)計(jì)工作后，需要設(shè)置如下4種仿真規(guī)劃方案進(jìn)行模擬：方案1，為了保證SST協(xié)調(diào)配電網(wǎng)單有功資源運(yùn)行優(yōu)化效果，需要完成SST雙層規(guī)劃設(shè)計(jì)；方案2，為了保證SST協(xié)調(diào)配電網(wǎng)單無功資源優(yōu)化效果，需要完成SST雙層規(guī)劃設(shè)計(jì)；方案3，SST協(xié)調(diào)配電網(wǎng)有功無功資源運(yùn)行優(yōu)化，對(duì)SST進(jìn)行單層規(guī)劃設(shè)計(jì)；方案4，分析SST協(xié)調(diào)配電網(wǎng)有功無功資源運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)后，完成SST雙層規(guī)劃工作。

在具體的仿真設(shè)計(jì)過程中，所有的成本為等年率值，在完成仿真模型分析后，可以獲取以下結(jié)論：

在對(duì)比研究不同的SST協(xié)調(diào)有功無功運(yùn)行方案時(shí)，需要先對(duì)方案1、2、4在運(yùn)行中的具體效果和成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。主要研究利用SST協(xié)調(diào)配電網(wǎng)完成有功無功資源優(yōu)化后，對(duì)規(guī)劃模型的影響?？梢源_定方案4的年綜合費(fèi)用比方案1的年綜合費(fèi)用低91.1k$，比方案2的年綜合費(fèi)用低21.8k$。這代表在開展SST配網(wǎng)有功無功優(yōu)化方案設(shè)計(jì)工作時(shí)，利用雙層規(guī)劃設(shè)計(jì)可以提高規(guī)劃結(jié)果的經(jīng)濟(jì)效益。而與方案1和方案2相比，方案4配電網(wǎng)年運(yùn)行成本可以降低大約78。34k$和28.1k$，這進(jìn)一步證明了SST配網(wǎng)可以協(xié)調(diào)有功無功優(yōu)化資源運(yùn)行，大大減少配網(wǎng)運(yùn)行成本，并且可以提高SST規(guī)劃結(jié)果的可靠性，降低整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)成本。

在整體規(guī)劃結(jié)果中，SST接入系統(tǒng)的連接方式為中低壓雙交流系統(tǒng)，可以取代傳統(tǒng)配電變壓器與中壓交流以及低壓直流系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了無功調(diào)節(jié)，經(jīng)濟(jì)效益突出。在方案1中網(wǎng)損成本最小。因此，SST的無功調(diào)節(jié)能力比較強(qiáng)，能夠大大減少系統(tǒng)損益。方案1、方案4的主網(wǎng)購(gòu)電成本比較小，方案2的相關(guān)成本較大，主要是因?yàn)樵诜桨?設(shè)計(jì)過程中，沒有充分考慮系統(tǒng)中DG、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性負(fù)荷在有功調(diào)節(jié)方面的需求，如果僅僅利用主網(wǎng)購(gòu)電對(duì)系統(tǒng)有功資源進(jìn)行平衡，會(huì)影響購(gòu)電成本。方案4的總體運(yùn)行成本比方案1更佳，說明在SST規(guī)劃方法設(shè)計(jì)過程中，對(duì)系統(tǒng)有功無功資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，可以保證配電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，獲取更優(yōu)規(guī)劃方案。

對(duì)方案1、方案2和方案4的日運(yùn)行成本進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)如果單純考慮單有功或者單無功運(yùn)行，方案4在有功無功資源協(xié)調(diào)方面有積極優(yōu)勢(shì)，并且在高峰時(shí)段運(yùn)行時(shí)可以對(duì)配網(wǎng)資源進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)。這代表SST協(xié)調(diào)配網(wǎng)中有功無功運(yùn)行對(duì)DG、柔性負(fù)荷產(chǎn)生的波動(dòng)問題可以有效解決，有助于控制配電網(wǎng)系統(tǒng)成本。

對(duì)4個(gè)方案發(fā)出的無功功率進(jìn)行分析，方案4輸出的無功功率最低，而方案1發(fā)出的無功功率最多，說明SST規(guī)劃方法在有功無功協(xié)調(diào)運(yùn)行過程中對(duì)提高系統(tǒng)的潮流控制能力以及電壓調(diào)節(jié)能力有積極作用，同時(shí)可以控制SST無功補(bǔ)償壓力。為了對(duì)SST在協(xié)調(diào)配電網(wǎng)中的有功無功優(yōu)化進(jìn)行驗(yàn)證，需要了解有功無功優(yōu)化對(duì)電壓質(zhì)量的影響。在研究過程中需要了解系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的具體分布情況，選擇電壓最低的節(jié)點(diǎn)，證實(shí)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的SST聯(lián)合系統(tǒng)在有功無功運(yùn)行時(shí)，在峰、平、谷可以有效改善電壓偏差問題，從而緩解DG以及負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生的不良沖擊，峰時(shí)段的優(yōu)化效果比較突出[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在此次研究過程中，為了保證計(jì)及配電網(wǎng)有功無功運(yùn)行優(yōu)化效果，需要對(duì)投資成本、運(yùn)行成本以及環(huán)境效益等進(jìn)行充分考慮，才能夠構(gòu)建優(yōu)化水平比較高的SST模型。在具體的設(shè)計(jì)過程中需要完成SST規(guī)劃模型上層設(shè)計(jì)、下層設(shè)計(jì)以及算法分析工作，掌握協(xié)調(diào)主動(dòng)配電網(wǎng)有功無功協(xié)調(diào)對(duì)SST規(guī)劃產(chǎn)生的具體影響。之后通過不同方案模擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以獲取以下結(jié)論：①與單方面考慮有功/無功運(yùn)行和單層規(guī)劃方法相比，SST規(guī)劃方法的經(jīng)濟(jì)性以及安全性更加突出。②為了獲取更加合理的S ST規(guī)劃方案，按照中低壓雙交流系統(tǒng)進(jìn)行連接，可以獲取良好的無功調(diào)節(jié)效果以及經(jīng)濟(jì)效益。而以多端口為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的SST可以根據(jù)具體情況科學(xué)選擇接入節(jié)點(diǎn)、控制模式，這對(duì)提高SST規(guī)劃效果有積極作用。