基于特征融合的新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制方法

摘 要：傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制方法只能獲取網(wǎng)源特征信息，導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行成本較高，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于特征融合的新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制方法。通過(guò)提取和整合網(wǎng)源、負(fù)荷和儲(chǔ)能等各組成部分的特征信息，準(zhǔn)確計(jì)算出電力系統(tǒng)的缺電率。將不同特征信息進(jìn)行融合，設(shè)置相應(yīng)的約束條件，為優(yōu)化控制策略提供保障。通過(guò)分析網(wǎng)源、負(fù)荷和儲(chǔ)能等各組成部分的特征信息，確定協(xié)同控制策略的特性。劃分出L1-L5共5種新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制等級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于特征融合的新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制方法中，各設(shè)備運(yùn)行成本均最小，證明該方法能夠節(jié)省成本控制，提高新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制的有效性。

關(guān)鍵詞：特征融合；電力系統(tǒng)；網(wǎng)源荷儲(chǔ)；協(xié)同控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 73" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和電力系統(tǒng)的升級(jí)，新型電力系統(tǒng)逐漸成為主流。在新型電力系統(tǒng)中，網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制是關(guān)鍵技術(shù)之一，旨在實(shí)現(xiàn)能源的清潔、高效和可再生利用，同時(shí)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

特征融合是新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制中應(yīng)用的一種技術(shù)。該方法將不同來(lái)源和不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)特性進(jìn)行結(jié)合，為控制系統(tǒng)提供更全面、準(zhǔn)確的運(yùn)行狀態(tài)描述[1]。本文針對(duì)基于特征融合的新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制方法進(jìn)行了深入研究。

1 方法設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算網(wǎng)源荷儲(chǔ)負(fù)荷缺電率

負(fù)荷缺電率是衡量電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的重要指標(biāo)，表示電力系統(tǒng)中可用的發(fā)電容量與實(shí)際負(fù)荷容量間的比例。在新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制中，計(jì)算負(fù)荷缺電率對(duì)優(yōu)化資源配置、預(yù)防電網(wǎng)崩潰和保證電力供應(yīng)具有重要意義。為了計(jì)算負(fù)荷缺電率，首先需要獲取電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)源、負(fù)荷和儲(chǔ)能的功率、電壓以及電流等參數(shù)。其次，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)提取出有用的特征信息，如發(fā)電容量、實(shí)際負(fù)荷容量等。

負(fù)荷缺電率與系統(tǒng)綜合費(fèi)用呈反比關(guān)系。為了更好地度量電力供應(yīng)效率，本文提出了負(fù)荷缺電率的評(píng)估指標(biāo)[2]，分別如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

LPSP≤LPSPmax （2）

式中：LPSP為負(fù)荷缺電率；LPS（t）為t時(shí)刻的功率動(dòng)力差異；E（t）約為t時(shí)刻的負(fù)荷用電需求量；LPSPmax為負(fù)荷缺電率上限。

計(jì)算負(fù)荷缺電率時(shí)的注意事項(xiàng)如下。1）準(zhǔn)確估計(jì)發(fā)電容量。發(fā)電容量是電力系統(tǒng)中的可用資源，包括網(wǎng)源、負(fù)荷和儲(chǔ)能的發(fā)電能力。準(zhǔn)確估計(jì)發(fā)電容量可規(guī)避資源浪費(fèi)和電網(wǎng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際負(fù)荷容量。實(shí)際負(fù)荷容量是電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)負(fù)荷需求，監(jiān)測(cè)實(shí)際負(fù)荷容量可以及時(shí)了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，為優(yōu)化控制提供依據(jù)。電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)，需要考慮各種不確定性和動(dòng)態(tài)變化因素的影響，如天氣、季節(jié)以及政策等。

1.2 基于特征融合設(shè)置約束條件

由于電網(wǎng)與熱網(wǎng)相結(jié)合形成了新型電力系統(tǒng)，因此單純依靠電網(wǎng)中的儲(chǔ)能裝置來(lái)處理聯(lián)絡(luò)線的電力波動(dòng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。為此，本文針對(duì)新型電力系統(tǒng)中的電熱藕合設(shè)備，基于特征融合技術(shù)，以24h為全循環(huán)，結(jié)合儲(chǔ)能裝置、終端24h內(nèi)可再生能源以及負(fù)荷預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)，分析熱泵機(jī)組與蓄電池組的優(yōu)化工作狀態(tài)[3]。需要建立一個(gè)最小化的目標(biāo)函數(shù)，即從電網(wǎng)采購(gòu)的電力價(jià)格，如公式（3）所示。

（3）

式中：C為按時(shí)期劃分的電力網(wǎng)電價(jià)；P（h）為聯(lián)絡(luò)線路在不同時(shí)間段內(nèi)的有效功率。

根據(jù)公式（3）可得聯(lián)絡(luò)線有功功率約束條件。t時(shí)刻聯(lián)絡(luò)線上的有功功率如公式（4）所示。

P（t）=Pl（t）+Ph（t）-Pw（t）+Pn（t）-Pb（t） （4）

式中：P（t）為聯(lián)絡(luò)線路有效功率；Pl（t）為負(fù)荷運(yùn)輸過(guò)程有效功率；Ph（t）為供熱泵使用的有功功率；Pw（t）為光伏發(fā)電的有效功率；Pn（t）為給蓄電池充電的有功電源功率；Pb（t）為蓄電池被釋放時(shí)的有效功率。

聯(lián)絡(luò)線上的有功功率不能超過(guò)聯(lián)絡(luò)線的設(shè)計(jì)允許值，如公式（5）所示。

0≤P（t）≤maxP（t） （5）

公式（5）對(duì)熱泵系統(tǒng)的功耗進(jìn)行了限制。在t時(shí)刻，該熱泵組所消耗的全部電能是各熱泵所消耗的電能的總和，如公式（6）所示。

Ph（t）=∑Ph（t） （6）

熱泵機(jī)組所消耗的有功功率值應(yīng)控制在熱泵機(jī)組的允許范圍內(nèi)，如公式（7）所示。

0≤Ph（t）≤maxPh（t） （7）

基于特征融合設(shè)置約束條件是新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制中的重要環(huán)節(jié)之一。通過(guò)特征融合技術(shù)，可以更好地了解電力系統(tǒng)的實(shí)際情況和需求，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等。同時(shí)，還需要不斷研究和探索新的優(yōu)化算法和控制策略，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的不斷變化和發(fā)展。

1.3 確定網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制特性

“網(wǎng)源荷儲(chǔ)”的全面互動(dòng)和協(xié)同調(diào)節(jié)是新型電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制發(fā)展的必然趨勢(shì)，應(yīng)利用各種技術(shù)和管理方法提高電網(wǎng)的均衡能力，使經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

1.3.1 源層特性

電源層是新型電網(wǎng)的動(dòng)力源，包括可調(diào)式同步機(jī)、新型雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)、傳統(tǒng)異步感應(yīng)風(fēng)機(jī)以及交直流互變的光伏系統(tǒng)等?？烧{(diào)式同步機(jī)（如小型水力發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)等）具有同步勵(lì)磁電壓支持、主動(dòng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4]，其主動(dòng)控制模式隨頻率變化而改變，其一次調(diào)控模式如公式（8）所示。

P=P*+α?f （8）

式中：P、P*分別為同步發(fā)電機(jī)的真實(shí)出力與恒定出力的有效功率；α為用于同步燃?xì)鉁u輪的頻響系數(shù)；?f為系統(tǒng)的實(shí)際頻率和額定頻率間的偏離。

1.3.2 網(wǎng)層特性

大規(guī)模的分布式電源、不穩(wěn)定的風(fēng)光能接入電網(wǎng)，改變了新能源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布和電能輸送的單一性，會(huì)對(duì)新能源系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定并可靠運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。交互成本CJ與交互功率PJ（t）的關(guān)系如公式（9）所示。

（9）

式中：Cb（t）、Cs（t）分別為在一定時(shí)期t內(nèi)微網(wǎng)與大電網(wǎng)間的互濟(jì)電力采購(gòu)狀況和售電狀況；m（t）、n（t）分別為在一定時(shí)期t內(nèi)微網(wǎng)與大電網(wǎng)間的互濟(jì)電力購(gòu)買(mǎi)電價(jià)、售電電價(jià)；N為計(jì)劃調(diào)度期間的總數(shù)。

1.3.3 荷層特性

新型電力系統(tǒng)中的負(fù)載層對(duì)電網(wǎng)的電壓和頻率會(huì)進(jìn)行負(fù)反饋，也即當(dāng)電網(wǎng)的頻率增減時(shí)，負(fù)載消耗的電能就會(huì)相應(yīng)地增加或減少，這樣就可以調(diào)整系統(tǒng)的頻率，防止頻率再次增加或減少。如果系統(tǒng)電壓增加或減少，就會(huì)使負(fù)載的功耗增加或減少，進(jìn)而導(dǎo)致電壓下降或上升[5]。因此，進(jìn)行系統(tǒng)操作優(yōu)化時(shí)應(yīng)更關(guān)注現(xiàn)實(shí)。以上功率負(fù)載有功特征的靜態(tài)模型如公式（10）所示。

（10）

式中：P1、P2和P3分別為新型電力系統(tǒng)負(fù)荷的常阻抗、定電流和恒定電源中的有功分量；PN為新型電力系統(tǒng)負(fù)荷的額定功率；V、V0分別為新型電力系統(tǒng)的實(shí)際電壓和起始電壓；Lf為新型電力系統(tǒng)中頻率發(fā)生改變時(shí)產(chǎn)生的有功功率。

1.3.4 儲(chǔ)層特性

電力系統(tǒng)中的能量存儲(chǔ)能夠緩解新能源不確定因素對(duì)電網(wǎng)的沖擊，促進(jìn)新能源消納，降低運(yùn)營(yíng)成本。在負(fù)荷端，既能實(shí)現(xiàn)峰谷負(fù)荷，又能減少后備機(jī)組的容量，提高供電的柔性。模型的表達(dá)如公式（11）所示。

（11）

式中：Es（t）、Es（t-1）分別為t時(shí)段和（t-1）時(shí)段的電儲(chǔ)能容量；δs為儲(chǔ)能自放電率；ηsc為儲(chǔ)能充電效率；ηsd為儲(chǔ)能放電效率；Psc（t）、Psd（t）分別為充電、放電功率。

1.4 劃分新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制等級(jí)

新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制等級(jí)的劃分基于特征融合技術(shù)，將網(wǎng)源、負(fù)荷、儲(chǔ)能等各組成部分的特征信息進(jìn)行全面、準(zhǔn)確地提取和整合，并采用先進(jìn)的優(yōu)化算法和模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理和優(yōu)化控制。新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制等級(jí)的劃分如公式（12）所示。

L=f（x，y，z） （12）

式中：L表示協(xié)同控制等級(jí)；x表示網(wǎng)源特征信息；y表示負(fù)荷特征信息；z表示儲(chǔ)能特征信息；f表示將這些特征信息進(jìn)行融合并計(jì)算出協(xié)同控制等級(jí)的算法或模型。

新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制等級(jí)見(jiàn)表1。表1將網(wǎng)源、負(fù)荷、儲(chǔ)能的特征信息進(jìn)行了分類(lèi)，并根據(jù)這些特征信息劃分了不同的協(xié)同控制等級(jí)。其中，L1級(jí)表示最低的控制等級(jí)，L5級(jí)表示最高的控制等級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的需求和場(chǎng)景選擇相應(yīng)的協(xié)同控制等級(jí)進(jìn)行優(yōu)化和控制。同時(shí)，也可以根據(jù)實(shí)際情況和需求，對(duì)表1中的特征信息進(jìn)行補(bǔ)充和完善。例如，可以增加更多的網(wǎng)源、負(fù)荷和儲(chǔ)能特征信息[6]，或者將特征信息進(jìn)行組合和分解，以更好地適應(yīng)不同的協(xié)同控制等級(jí)和應(yīng)用場(chǎng)景。

綜上所述，劃分新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制等級(jí)是基于特征融合技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。通過(guò)劃分協(xié)同控制等級(jí)，可以更好地了解電力系統(tǒng)的實(shí)際情況和需求，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等。同時(shí)，也為進(jìn)一步探索和研究新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制技術(shù)提供了參考和依據(jù)。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文將某供電局110kV電網(wǎng)數(shù)據(jù)作為仿真案例數(shù)據(jù)。該新型電力系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示，該新型電力系統(tǒng)的具體參數(shù)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表2和表3，其中電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)分類(lèi)包括平衡節(jié)點(diǎn)、PQ節(jié)點(diǎn)與PV節(jié)點(diǎn)。

試驗(yàn)環(huán)境如下：硬件為高性能服務(wù)器，包括CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)等；軟件為Python編程語(yǔ)言，使用TensorFlow、Keras等深度學(xué)習(xí)框架和發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、負(fù)荷等組件的模擬。網(wǎng)源荷儲(chǔ)設(shè)備包括各種電源設(shè)備（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板等）、負(fù)荷設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)、電熱設(shè)備等）和儲(chǔ)能設(shè)備（如電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、超級(jí)電容器等）。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)用于采集電力系統(tǒng)和源荷儲(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電壓、電流和功率等參數(shù)。特征融合與協(xié)同控制算法實(shí)現(xiàn)設(shè)備即用于實(shí)現(xiàn)特征融合和協(xié)同控制算法的設(shè)備，包括高性能計(jì)算機(jī)、服務(wù)器或嵌入式系統(tǒng)等。其他輔助設(shè)備和儀器包括示波器、頻譜分析儀以及功率分析儀等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 試驗(yàn)說(shuō)明

為測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于特征融合的新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制方法的有效性，將其與含虛擬儲(chǔ)能的配網(wǎng)源荷協(xié)同區(qū)域穩(wěn)定控方法（方法1）、基于微電網(wǎng)群全消納的網(wǎng)源荷協(xié)同互動(dòng)控制方法（方法2）做比較，以新型電力系統(tǒng)線路編號(hào)1、3、9、12、16、20、24為研究對(duì)象（見(jiàn)表3），對(duì)3種方法、7個(gè)線路負(fù)荷容量進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，方法1和方法2負(fù)荷容量較低，最高僅為11.82kW、13.72kW，而本文方法對(duì)各線路的負(fù)荷容量均在15kW以上，最高為33.20kW。證明該方法能夠增加負(fù)荷容量，提高新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

在新型電力系統(tǒng)網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)同控制中，特征融合技術(shù)具有至關(guān)重要的作用。將不同類(lèi)型的特征信息進(jìn)行融合能夠有效提高控制策略的準(zhǔn)確性。在未來(lái)發(fā)展中，隨著智能化、自動(dòng)化技術(shù)不斷進(jìn)步，特征融合技術(shù)將在新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大作用，為推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

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