分布式新能源發(fā)展趨勢(shì)及其多目標(biāo)優(yōu)化

李永剛，張志軍，吳亞偉，趙麗萍

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北張家口 075000）

1 背景

當(dāng)今世界正面臨著嚴(yán)重的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的中央化電力系統(tǒng)逐漸暴露出能源供應(yīng)不穩(wěn)定、環(huán)境污染和能源安全等問(wèn)題。在這一背景下，分布式新能源配電網(wǎng)作為一種可持續(xù)發(fā)展的能源供應(yīng)方案，逐漸受到關(guān)注。分布式新能源配電網(wǎng)不僅可整合可再生能源資源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等，減少碳排放和環(huán)境污染，還能促進(jìn)能源消費(fèi)者的參與，實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的多樣性和高效性。然而，分布式新能源配電網(wǎng)的復(fù)雜性和多樣性也給其運(yùn)行和管理帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

在分布式新能源配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)性和安全性成為了重要的研究目標(biāo)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、能源管理及安全性等多個(gè)目標(biāo)間存在著相互制約和權(quán)衡關(guān)系，因此需采用多目標(biāo)優(yōu)化方法來(lái)尋找最優(yōu)的解決方案。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)包括最小化系統(tǒng)成本、最大化系統(tǒng)容量等；能源管理目標(biāo)包括最小化能源浪費(fèi)、最大化能源利用效率等；安全性目標(biāo)包括最小化系統(tǒng)故障率、最大化系統(tǒng)可靠性等。因此，如何在多個(gè)目標(biāo)間找到合適的平衡點(diǎn)，是分布式新能源配電網(wǎng)優(yōu)化的核心問(wèn)題。

2 分布式新能源接入的配電網(wǎng)優(yōu)化思路

分布式新能源配電網(wǎng)是一種由分布式能源資源、儲(chǔ)能設(shè)備、負(fù)荷和其他能源設(shè)備組成的電力系統(tǒng)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)中央化電力系統(tǒng)更加分散，具有更多的能源節(jié)點(diǎn)和多樣的能源來(lái)源。分布式能源資源包括太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能、小水電等可再生能源，而儲(chǔ)能設(shè)備則是電池、超級(jí)電容等。這些分布式能源資源和儲(chǔ)能設(shè)備通常與智能電表、能量管理系統(tǒng)等技術(shù)相結(jié)合，形成一個(gè)相對(duì)自治的能源系統(tǒng)。圖1為一種分布式光伏供電系統(tǒng)運(yùn)行原理示意圖，圖2為近年來(lái)光伏發(fā)展趨勢(shì)圖。

圖1 分布式光伏系統(tǒng)運(yùn)行原理

圖2 光伏發(fā)展趨勢(shì)

分布式新能源配電網(wǎng)的能源組成多樣，主要包括以下方面。

（1）可再生能源（分布式能源資源）。包括太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能，這些能源資源的分布性和不確定性使系統(tǒng)的運(yùn)行更具挑戰(zhàn)性。

（2）儲(chǔ)能設(shè)備。儲(chǔ)能設(shè)備如電池、超級(jí)電容等能夠在能源供應(yīng)不足時(shí)儲(chǔ)存能量，在供應(yīng)過(guò)剩時(shí)釋放能量，有助于平衡能源波動(dòng)。

（3）負(fù)荷。負(fù)荷是電力系統(tǒng)的能量需求，包括住宅、商業(yè)和工業(yè)用電負(fù)荷。不同負(fù)荷類型和變化趨勢(shì)對(duì)能源調(diào)度提出了要求。

分布式新能源配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)包括以下方面。

（1）去中心化。分布式能源資源的廣泛布署，使電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)的中央化結(jié)構(gòu)向去中心化方向發(fā)展，能源流動(dòng)更加多樣。

（2）不確定性和波動(dòng)性?？稍偕茉吹牟淮_定性和波動(dòng)性使能源供應(yīng)具有一定的隨機(jī)性，需靈活的調(diào)度策略。

（3）靈活性。配電網(wǎng)的靈活性使其能夠適應(yīng)不同規(guī)模和類型的能源資源，有助于適應(yīng)未來(lái)的能源變革。

綜上所述，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型將綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、能源利用效率、容量及可靠性等多個(gè)方面，尋找最佳的能源分配和調(diào)度策略，以實(shí)現(xiàn)分布式新能源配電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。

3 優(yōu)化算法思考

分布式新能源配電網(wǎng)的多目標(biāo)優(yōu)化是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著分布式能源規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響也越來(lái)越大，如何通過(guò)科學(xué)的管理和調(diào)度手段，確保分布式能源的接入對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性沒(méi)有負(fù)面影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)分布式能源的協(xié)調(diào)管理和優(yōu)化，是亟待解決的問(wèn)題。圖3為多種新能源供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖3 新能源供電系統(tǒng)

未來(lái)的研究趨勢(shì)可能會(huì)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

（1）更加精細(xì)和全面的優(yōu)化目標(biāo)。除了考慮能源成本、碳排放量等現(xiàn)有目標(biāo)外，還將納入更多的影響因素，如環(huán)境質(zhì)量、用戶滿意度等。

（2）更復(fù)雜的優(yōu)化模型?？紤]到分布式新能源的多樣性和復(fù)雜性，需建立更復(fù)雜的優(yōu)化模型，以全面反映各種能源的特點(diǎn)和技術(shù)要求。

（3）更高效的優(yōu)化算法。為得到更好的優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)保證計(jì)算效率，需研究和開(kāi)發(fā)更高效的優(yōu)化算法。

（4）數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)。隨著數(shù)據(jù)的增加，如何保護(hù)數(shù)據(jù)安全和用戶隱私，將成為重要的研究?jī)?nèi)容。

（5）考慮更多影響因素。例如，未來(lái)的研究可能會(huì)考慮政策因素、市場(chǎng)需求、氣候變化等對(duì)分布式新能源配電網(wǎng)的影響。

解決分布式新能源配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，可考慮使用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法（Improved Multi-Objective Particle Swarm Optimization，IMOPSO）。以下是一個(gè)基于IMOPSO 的算法步驟和公式示范。

（1）初始化參數(shù)。設(shè)置粒子群大小、迭代次數(shù)、粒子維度等參數(shù)，初始化粒子的位置和速度。

（2）初始化外部存檔（帕累托前沿集）。初始化一個(gè)外部存檔，用于存儲(chǔ)非支配解。

（3）計(jì)算適應(yīng)度值。計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值，對(duì)應(yīng)于多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)適應(yīng)度值進(jìn)行非支配排序，確定每個(gè)粒子的非支配級(jí)別和擁擠度距離。

（4）更新外部存檔。將當(dāng)前粒子群的非支配解添加到外部存檔中。若外部存檔的大小超過(guò)預(yù)設(shè)容量，則進(jìn)行擁擠度距離排序，選擇保留一部分解。

（5）更新速度和位置。根據(jù)粒子的個(gè)人最優(yōu)解和群體最優(yōu)解及外部存檔中的解，更新粒子的速度和位置。

（6）邊界處理和約束處理。對(duì)于更新后的粒子位置，進(jìn)行邊界處理和約束處理，確保解的可行性。

（7）迭代更新。重復(fù)執(zhí)行步驟（3）～（6），直到達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)。

對(duì)于第i個(gè)粒子的第j個(gè)維度，可用以下公式表示：

對(duì)于第i個(gè)粒子的第j個(gè)維度，粒子位置更新公式為：

在IMOPSO 算法中，通過(guò)調(diào)整慣性權(quán)重、學(xué)習(xí)因子等參數(shù)，以及根據(jù)具體問(wèn)題的約束條件來(lái)優(yōu)化算法的性能。這將有助于改進(jìn)原始的MOPSO 算法，使其更適用于分布式新能源配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的求解。

多目標(biāo)粒子群優(yōu)化（MOPSO）算法改進(jìn)思路和優(yōu)勢(shì)如下。

（1）多維度速度更新。引入多維度速度更新策略，使粒子在多個(gè)維度上進(jìn)行更精細(xì)的搜索，提升搜索效率。

（2）自適應(yīng)權(quán)重因子。使用自適應(yīng)權(quán)重因子，根據(jù)每個(gè)粒子的貢獻(xiàn)度調(diào)整其在速度更新中的權(quán)重，增加個(gè)體多樣性。

（3）多樣性保持機(jī)制。引入多樣性保持機(jī)制，防止過(guò)早收斂，促進(jìn)算法搜索更多解。

（4）全局經(jīng)驗(yàn)更新。加入全局經(jīng)驗(yàn)更新，確保粒子在整個(gè)迭代過(guò)程中能夠受到全局最優(yōu)解的引導(dǎo)。

（5）邊界檢查優(yōu)化。在更新位置時(shí)加入邊界檢查機(jī)制，避免粒子飛出搜索空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章提出的措施使改進(jìn)的 MOPSO 算法可更加靈活、高效和穩(wěn)定地求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，提高其應(yīng)用的可行性和效果。通過(guò)多次迭代，IMOPSO 算法能夠得到一系列優(yōu)化解，這些解在不同優(yōu)化目標(biāo)間形成了權(quán)衡。根據(jù)這些解，決策者可選擇最適合實(shí)際需求和偏好的配置方案，從而實(shí)現(xiàn)分布式新能源配電網(wǎng)在多個(gè)目標(biāo)下的優(yōu)化。