分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃研究

摘 要：在分布式電源并網(wǎng)發(fā)電的背景下，為了提高配電網(wǎng)規(guī)劃的合理性，同時(shí)降低總體的規(guī)劃運(yùn)營(yíng)成本，本文提出了分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃模型。該模型由2個(gè)部分組成。上層規(guī)劃模型用于確定分布式電源在配電網(wǎng)中的最佳接入位置和容量，其目標(biāo)函數(shù)為綜合運(yùn)行成本最低，約束條件包括孤島約束、潮流約束和容量約束等。下層規(guī)劃模型根據(jù)分布式電源的規(guī)劃方案，進(jìn)一步確定配電自動(dòng)化終端的安裝位置，其目標(biāo)函數(shù)為停電損失和終端成本最低，約束條件為系統(tǒng)可靠性。完成建模后，利用仿真軟件對(duì)IEEE 33節(jié)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃。結(jié)果顯示，其規(guī)劃成果的總成本和可靠性計(jì)算結(jié)果均優(yōu)于對(duì)照組，驗(yàn)證了規(guī)劃模型的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：分布式電源；自動(dòng)化終端；協(xié)同規(guī)劃

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 715" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

配電自動(dòng)化終端能夠遙測(cè)、遙控配電網(wǎng)中的一次設(shè)備，是電網(wǎng)智能化的重要基礎(chǔ)。隨著新能源并網(wǎng)發(fā)電規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，分布式電源的接入數(shù)量和總?cè)萘砍士焖偕仙厔?shì)。因此，在規(guī)劃配電網(wǎng)過(guò)程中應(yīng)強(qiáng)化分布式電源和配電自動(dòng)化終端的協(xié)同性，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)明確各類(lèi)設(shè)備的接入位置，從而控制安裝和運(yùn)營(yíng)成本。本文以綜合運(yùn)行成本、停電損失和配電自動(dòng)化成本最低為目標(biāo)，提出了協(xié)同規(guī)劃模型，該模型能夠提升配電網(wǎng)規(guī)劃質(zhì)量，并提高系統(tǒng)的可靠性。

1 分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃方法設(shè)計(jì)

1.1 分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃模型

1.1.1 協(xié)同規(guī)劃模型技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1.1.1 協(xié)同規(guī)劃的目標(biāo)

分布式電源和配電自動(dòng)化終端是配電網(wǎng)的重要組成部分，分布式電源包括光伏發(fā)電設(shè)備、風(fēng)力機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)備等。配電自動(dòng)化終端為配電網(wǎng)的二次設(shè)備，用于遠(yuǎn)程測(cè)量、通信和控制，監(jiān)控對(duì)象為包括分布式電源在內(nèi)的各類(lèi)一次設(shè)備[1]。

配電自動(dòng)化終端能夠提高配電網(wǎng)的可靠性，并能在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障情況下，利用遠(yuǎn)程控制快速形成孤島，提高非故障區(qū)域的供電可靠性。協(xié)同規(guī)劃的目標(biāo)是合理設(shè)置分布式電源、配電自動(dòng)化終端的位置，從而提高供電可靠性并降低綜合運(yùn)行成本。

1.1.1.2 基于協(xié)同規(guī)劃的雙層模型

本文設(shè)計(jì)的協(xié)同規(guī)劃模型分為上、下2層。上層規(guī)劃模型的控制目標(biāo)為綜合運(yùn)行成本最低，下層規(guī)劃模型的控制目標(biāo)為停電損失和配電自動(dòng)化終端投資運(yùn)行成本最低，整體的技術(shù)方案如圖1所示。上層規(guī)劃模型的主要作用是確定分布式電源的接入位置和容量，下層規(guī)劃模型以上層規(guī)劃模型生成的分布式電源規(guī)劃方案為基礎(chǔ)，進(jìn)一步明確配電自動(dòng)化終端和分段開(kāi)關(guān)的配置方案。2個(gè)階段的目標(biāo)函數(shù)均建立在成本控制的基礎(chǔ)上，并且上、下層規(guī)劃模型的輸出結(jié)果能夠相互作用，實(shí)現(xiàn)了配電自動(dòng)化終端與分布式電源的協(xié)同規(guī)劃[2]。

1.1.2 上層規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件

1.1.2.1 上層規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)

上層規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)以配電網(wǎng)綜合運(yùn)行成本最低為控制目標(biāo)。綜合運(yùn)行成本具有多個(gè)分項(xiàng)，包括線(xiàn)損、向上級(jí)網(wǎng)絡(luò)的購(gòu)電費(fèi)用和分布式電源的投資運(yùn)行成本等。

1.1.2.2 上層規(guī)劃模型的約束條件

根據(jù)技術(shù)方案，上層規(guī)劃模型具有多種約束條件，例如潮流約束、孤島約束、電壓約束以及分布式電源安裝容量約束等。

分布式電源安裝容量的約束條件如公式（1）所示。

（1）

式中：N為安裝分布式電源的節(jié)點(diǎn)總數(shù)量；Pdg，i為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布式電源安裝容量；Pload為電網(wǎng)中有功負(fù)荷的總和；δ為分布式電源在配電網(wǎng)中的滲透率；Pi，max為配電中節(jié)點(diǎn)i能夠安裝的分布式電源最大容量。

例如，在某配電網(wǎng)中，需要計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以安裝的分布式電源的最大容量，以滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定性和負(fù)載需求的約束條件。該配電網(wǎng)總有功負(fù)荷為5000kW，滲透率為20%，節(jié)點(diǎn)1能夠安裝的分布式電源最大容量為1000kW，節(jié)點(diǎn)2能夠安裝的分布式電源最大容量為800kW。則節(jié)點(diǎn)1的Pdg，1≤0.2×5000=1000kW，節(jié)點(diǎn)2的Pdg，2≤0.2×5000=1000kW，根據(jù)上述計(jì)算，分布式電源的安裝容量應(yīng)滿(mǎn)足以下約束條件：節(jié)點(diǎn)1的分布式電源安裝容量不超過(guò)1000kW，節(jié)點(diǎn)2的分布式電源安裝容量不超過(guò)800kW。

孤島劃分是提高配電網(wǎng)可靠性的重要技術(shù)措施。當(dāng)配電網(wǎng)中的局部區(qū)域出現(xiàn)故障時(shí)，采用孤島劃分對(duì)其進(jìn)行隔離。該技術(shù)能夠降低故障區(qū)域?qū)Ψ枪收蠀^(qū)域的干擾，從而保證其他區(qū)域能夠正常供電[3]。因此，在分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃中，需要設(shè)置孤島約束條件，如公式（2）所示。

（2）

式中：Y為孤島區(qū)域中配電自動(dòng)化終端的集合；PFDi為孤島中第i個(gè)分布式電源的發(fā)電量；PLj為孤島區(qū)域中第j個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功功率；Z為孤島區(qū)域中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的集合；Ploss1為孤島區(qū)域內(nèi)的線(xiàn)損。

對(duì)于電壓約束，要求系統(tǒng)中任意節(jié)點(diǎn)的電壓幅值不得超過(guò)最大、最小電壓閾值，即Umin≤Ui≤Umax。Ui為系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值，Umin為系統(tǒng)電壓幅值下限閾值，Umax為系統(tǒng)電壓幅值上限閾值[4]。

在某配電網(wǎng)中，孤島區(qū)域中的有功功率為3000kW，孤島區(qū)域中的線(xiàn)損為200kW，設(shè)孤島區(qū)域內(nèi)分布式電源的發(fā)電量為PFDi，最小電壓閾值為0.95，最大電壓閾值為1.05。根據(jù)上述公式，可得該電網(wǎng)孤島約束條件為Pload=3000+200=3200kW，根據(jù)給出的滲透率計(jì)算分布式電源的安裝容量，即Pdg，i≤δ?Pload，假設(shè)δ=0.3，則可得Pdg，i=0.3?3200=960kW，根據(jù)上述計(jì)算和約束條件，孤島模式下每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布式電源安裝容量應(yīng)滿(mǎn)足以下2個(gè)條件。1）分布式電源不超過(guò)960kW，以保證孤島區(qū)域能夠在故障情況下穩(wěn)定運(yùn)行。2）保證系統(tǒng)中任意節(jié)點(diǎn)的電壓在（0.95～1.05）p.u.，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性和正常運(yùn)行。

1.1.3 下層規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)及其約束條件

下層規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)包括2項(xiàng)成本因素，下層規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)的約束條件為配電網(wǎng)的可靠性。當(dāng)評(píng)估系統(tǒng)的可靠性時(shí)，可采用遞歸搜索算法，該方法采用遍歷的方式計(jì)算配電網(wǎng)中每條線(xiàn)路的停電可能性，進(jìn)而求出整體可靠性。

1.2 分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃模型求解

1.2.1 上層規(guī)劃模型求解方法

上層規(guī)劃采用改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法（ImprovedAdaptiveGeneticAlgorithm，IAGA），求解過(guò)程如下所示。1）向IAGA算法輸入基本參數(shù)，包括配電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)、分布式電源和種群數(shù)量，并且在這一基礎(chǔ)上設(shè)置迭代次數(shù)。2）對(duì)種群中的染色體進(jìn)行編碼，由于上層模型的優(yōu)化重點(diǎn)為分布式電源的位置，因此采用相對(duì)簡(jiǎn)單的整數(shù)編碼方式。在編碼集合中，每個(gè)元素的位置信息對(duì)應(yīng)一個(gè)分布式電源的位置，每個(gè)元素的數(shù)量信息對(duì)應(yīng)分布式電源的容量。在滿(mǎn)足滲透率約束的前提下，生成染色體種群[5]。3）根據(jù)IAGA算法的應(yīng)用原理對(duì)種群進(jìn)行遺傳迭代運(yùn)算，并且在該過(guò)程中同步完成孤島劃分，確定具體的孤島范圍。完成以上工作后，利用上、下層規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的函數(shù)值。在迭代運(yùn)算的過(guò)程中，以目標(biāo)函數(shù)F1數(shù)值最小為目標(biāo)，求解出種群個(gè)體的適應(yīng)度值和適應(yīng)度均值。4）對(duì)個(gè)體適應(yīng)度值進(jìn)行排序，逐漸篩選出適應(yīng)度較好的個(gè)體，將這些優(yōu)良個(gè)體作為選擇種群。5）根據(jù)IAGA算法進(jìn)行交叉運(yùn)算。6）根據(jù)IAGA算法進(jìn)行變異運(yùn)算，生成新的種群。7）利用約束條件判斷種群是否滿(mǎn)足要求，當(dāng)種群中的部分個(gè)體超過(guò)約束條件時(shí)，重新生成對(duì)應(yīng)的染色體，直至種群滿(mǎn)足約束條件[6]。8）在每一次迭代運(yùn)算中，篩選出最優(yōu)染色體。重復(fù)第3～8步，產(chǎn)生分布式電源的最佳位置方案，同時(shí)確定每個(gè)分布式電源對(duì)應(yīng)的合理安裝容量。

1.2.2 下層模型求解方法

上層規(guī)劃模型生成了配電網(wǎng)中分布式電源的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，下層規(guī)劃模型以分布式電源安裝位置為依據(jù)，進(jìn)一步確定分段開(kāi)關(guān)和配電自動(dòng)化終端的設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)調(diào)規(guī)劃[7]。下層規(guī)劃模型求解同樣采用IAGA算法，其求解流程如圖2所示。

2 分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃方法算例分析

2.1 算例模型和參數(shù)

在算例分析階段，本文采用IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)。將該系統(tǒng)中的線(xiàn)路設(shè)置為L(zhǎng)GJ-240，該型線(xiàn)路的阻抗參數(shù)取值為（0.107+j0.405）Ω/km，j為虛數(shù)單位。在IAGA算法中，將群眾中個(gè)體的數(shù)量、算法迭代次數(shù)分別設(shè)置為70、50，交叉概率的取值為[0.6，0.9]，變異概率的取值為[0.05，0.1]。算例模型的其他重要參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 協(xié)同規(guī)劃成果示意圖

利用本文設(shè)計(jì)的雙層規(guī)劃模型，對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃，得到的規(guī)劃成果如圖3所示。其中，DG為分布式電源，圓形實(shí)心為電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，方形實(shí)心代表配電自動(dòng)化終端的安裝位置，虛線(xiàn)框?yàn)楣聧u區(qū)域。分布式電源的接入位置為節(jié)點(diǎn)16和節(jié)點(diǎn)32，對(duì)應(yīng)的安裝容量為400kW、420kW。

2.2.2 基于不同自動(dòng)化終端的協(xié)同規(guī)劃成果經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

根據(jù)圖3所示的規(guī)劃成果計(jì)算規(guī)劃方案的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，包括綜合運(yùn)行成本、用戶(hù)停電損失費(fèi)用、配電自動(dòng)化終端安裝成本和平均供電可用率。由于配電自動(dòng)化終端包括“二遙”和“三遙”2種類(lèi)型，其采購(gòu)成本差異較大，前者為1.9萬(wàn)元/組，后者為5.5萬(wàn)元/組。考慮自動(dòng)化終端的類(lèi)型，根據(jù)不安裝配電自動(dòng)化終端、全部采用“三遙”終端、“三遙”終端+“二遙”終端3種方案計(jì)算以上4項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，所得結(jié)果見(jiàn)表2。

計(jì)算3種方案的各項(xiàng)成本之和，方案1的總成本為831.86+

12.39+4.18=848.43萬(wàn)元，方案2的總成本為848.38+32.71=881.09萬(wàn)元，方案3的總成本為833.41+10.56+6.98=850.95萬(wàn)元。顯然，如果僅考慮總成本最低，那么方案1最佳。平均供電可用率反映了供電系統(tǒng)的可靠性。比較可知，方案3的可靠性最高，其次為方案1。

3 結(jié)論

在分布式電源接入量和配電自動(dòng)化水平持續(xù)提高的背景下，配電網(wǎng)規(guī)劃工作應(yīng)該協(xié)同設(shè)計(jì)分布式電源和配電自動(dòng)化終端，一方面提高系統(tǒng)的可靠性，另一方面控制整體的安裝運(yùn)行成本，為了節(jié)約該問(wèn)題，本文建立了分布式電源與配電自動(dòng)化終端協(xié)同規(guī)劃模型。研究結(jié)論如下所示。1）協(xié)同規(guī)劃模型分為上、下2層模型。上層模型以綜合運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過(guò)規(guī)劃，能夠確定分布式電源在配電網(wǎng)中的接入位置和接入容量，即完成分布式電源規(guī)劃。下層規(guī)劃模型在分布式電源的規(guī)劃基礎(chǔ)上，將停電損失最低和配電自動(dòng)化終端安裝成本最低作為控制目標(biāo)，合理規(guī)劃出終端和分段開(kāi)關(guān)的安裝位置。2）該模型較復(fù)雜，涉及較多的參數(shù)和變量。本文在求解模型過(guò)程中采用改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法，直至獲得最優(yōu)解。3）利用IEEE33節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)協(xié)同規(guī)劃模型的應(yīng)用效果。結(jié)果顯示，該模型能夠有效確定分布式電源、配電自動(dòng)化終端的接入位置，同時(shí)完成孤島劃分。4）在配置自動(dòng)化終端過(guò)程中，為了節(jié)約成本，以滿(mǎn)足功能需求為基本前提，可優(yōu)先采用“二遙”終端。

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