基于模糊隸屬度的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制研究

摘 要：【目的】常規(guī)的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法主要使用MPC（Model Predictive Control）隨機(jī)預(yù)測(cè)模型來調(diào)整能源出力分布狀態(tài)，易受HESS內(nèi)部能量變化的影響，導(dǎo)致調(diào)度性能不佳。因此，提出一種基于模糊隸屬度的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法?！痉椒ā恳噪娋W(wǎng)運(yùn)行成本與負(fù)荷峰谷差為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相關(guān)目標(biāo)，并結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度損耗與模糊隸屬度，搭建電網(wǎng)調(diào)度高精度控制模型。在控制模型的支持下，確定電力負(fù)荷狀態(tài)輸出調(diào)度時(shí)間序列，結(jié)合目標(biāo)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度高精度控制。【結(jié)果】實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電網(wǎng)調(diào)度模糊隸屬度高精度控制方法的調(diào)度負(fù)荷值為112.35～128.14 kW，調(diào)度電壓偏差率為0.159%～0.175%，調(diào)度懲罰成本在1.7萬元以下，調(diào)度響應(yīng)精度在95%以上?！窘Y(jié)論】該電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法的控制效果較好，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低損耗電網(wǎng)調(diào)度提供了一定參考。

關(guān)鍵詞：模糊隸屬度；電網(wǎng)；調(diào)度；高精度；控制

中圖分類號(hào)：TM734" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）22-0004-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.001

Research on High-Precision Control of Power Grid Dispatch Based on Fuzzy Membership Degree

Abstract：[Purposes] The conventional high-precision control method for power grid scheduling mainly uses the MPC （Model Predictive Control） stochastic prediction model to adjust the energy output distribution state， which is easily affected by internal energy changes in HESS， resulting in poor scheduling performance. Therefore， a high-precision control method for power grid scheduling based on fuzzy membership degree is proposed. [Methods] Based on the operating cost of the power grid and the difference between peak and valley loads， this paper designs relevant objectives， and builds a high-precision control model for power grid scheduling by combining power grid scheduling losses and fuzzy membership degree. Under the support of the control model， this paper determines the power load status output scheduling time series， and combines it with the objective function to achieve high-precision control of power grid scheduling. [Findings] The designed high-precision control method for fuzzy membership degree in power grid scheduling has a scheduling load value between 112.35 kW and 128.14 kW， a scheduling voltage deviation rate between 0.159% and 0.175%， and a scheduling penalty cost of less than 17 000 yuan and the scheduling response accuracy is more than 95%. [Conclusions] The high-precision control method designed for power grid dispatch has a good control effect and high economic value， making a certain contribution to achieving high-quality and low loss power grid dispatch

Keywords： fuzzy membership degree; power grid; scheduling; high precision; control

0 引言

電網(wǎng)是一種承載電力輸送與分配任務(wù)的輸電線路整體，通常由輸配電、變電單元組成［1］。受工業(yè)化快速發(fā)展的影響，我國(guó)各個(gè)區(qū)域的電力需求激增，電網(wǎng)調(diào)度的難度也越來越高［2］。可運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)收集電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)［3］，并進(jìn)行合理調(diào)度決策，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的高精度調(diào)度。相關(guān)研究人員基于電網(wǎng)調(diào)度要求，設(shè)計(jì)出幾種常規(guī)的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法。吳曉剛等［4］利用隨機(jī)模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行儲(chǔ)能數(shù)值模擬，提高了樣本瞬間決策的完整性，但無法保證儲(chǔ)能的利用效率；張路等［5］提出了計(jì)及冶金負(fù)荷參與的電網(wǎng)負(fù)荷控制策略，并評(píng)估了調(diào)度削弱潛力，構(gòu)建了調(diào)度決策模型，但該方法的調(diào)度負(fù)荷過高，不滿足目前的高精度控制要求。為了保證電網(wǎng)的綜合運(yùn)行效益，本研究基于模糊隸屬度函數(shù)，設(shè)計(jì)出一種有效的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法。

1 電網(wǎng)調(diào)度模糊隸屬度高精度控制方法設(shè)計(jì)

1.1 基于模糊隸屬度生成電網(wǎng)調(diào)度高精度控制模型

模糊隸屬度可描述調(diào)度元素之間的強(qiáng)弱關(guān)系，并根據(jù)實(shí)際問題做出針對(duì)性地選擇。因此，本研究基于模糊隸屬度設(shè)計(jì)調(diào)度高精度控制方法，并生成電網(wǎng)調(diào)度高精度控制模型。將運(yùn)行成本與負(fù)荷峰谷差作為基礎(chǔ)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化［6］，目標(biāo)式[f]計(jì)算公式見式（1）。

[f=minfc， fp] （1）

式中：[fc]為調(diào)度運(yùn)行成本；[fp]為調(diào)度負(fù)荷的峰谷差值［7］。

此時(shí)，可按照不同的控制時(shí)間段來計(jì)算電網(wǎng)調(diào)度損耗[Cdae]，見式（2）。

[Cdae=λ-pΔt] （2）

式中：[λ]為綜合平均電價(jià)；[p]為調(diào)度售電效率；[Δt]為充放電時(shí)間［8］。

為了滿足電網(wǎng)高精度控制的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可設(shè)置可再生調(diào)度利用函數(shù)，計(jì)算其模糊隸屬度[FA]，見式（3）。

式中：[EK]為調(diào)度總功率；[ER]為調(diào)度約束比。

基于此，可對(duì)原本的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行歸一化單目標(biāo)轉(zhuǎn)換，大幅度降低了電網(wǎng)調(diào)度控制求解的復(fù)雜度，生成的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制模型如圖1所示。

由圖1可知，使用上述高精度控制模型可合理配置調(diào)度資源，調(diào)整出力比例，提高調(diào)度的綜合經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.2 設(shè)計(jì)電網(wǎng)調(diào)度分布式高精度控制策略

采用電網(wǎng)調(diào)度分布式高精度控制策略，將電網(wǎng)的調(diào)度控制功能分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，再由每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地信息和全局指令進(jìn)行自主控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行?？筛鶕?jù)電力負(fù)荷狀態(tài)輸出調(diào)度時(shí)間序列[PR（n）]，見式（4）。

[PR（n）=y（n-τ）] （4）

式中：[y]為調(diào)度負(fù)荷預(yù)測(cè)常量；[n]為綜合調(diào)度維度；[τ]為調(diào)度處理時(shí)間。

為了克服出現(xiàn)集中式控制的局限性，需要各個(gè)電力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互協(xié)作與信息共享，并根據(jù)本地情況作出快速響應(yīng)，此時(shí)得到的目標(biāo)函數(shù)[minC]見式（5）。

[minC=Cpcc+CFL+CMR+CDERG] （5）

式中：[Cpcc]為電網(wǎng)供配電成本；[CFL]為輸出負(fù)荷成本；[CMR]為分布式調(diào)度損耗值；[CDERG]為基礎(chǔ)懲罰參量。

基于此，設(shè)計(jì)的電網(wǎng)調(diào)度分布式高精度控制策略如圖2所示。

由圖2可知，上述分布式控制策略具有強(qiáng)大的自適應(yīng)性，能根據(jù)外部環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)整運(yùn)作策略。例如，在電力不足時(shí)，可自動(dòng)增加發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行強(qiáng)度，提高全局的用電效能。此外，該策略還可對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，從電力的生成、傳輸、分配等環(huán)節(jié)出發(fā)，優(yōu)化電力的生成和供應(yīng)，以最小的成本來滿足用戶需求；降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，提高可再生能源的利用率，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和碳減排目標(biāo)提供有效的手段。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于模糊隸屬度的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法的控制效果，本研究配置了有效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并將其與吳曉剛等［4］、張路等［5］提出的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度高精度控制的實(shí)驗(yàn)要求，本研究選用Windows10構(gòu)建R2019B MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的CPU為i7-6700，采用時(shí)間組合法來確定電網(wǎng)調(diào)度的邊界條件，并讀取電網(wǎng)負(fù)荷頻道，構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

由圖3可知，該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄈ舾蓚€(gè)與主網(wǎng)連接的分布式電源，變壓器額定容量設(shè)定為2 500 kVA，功率因數(shù)設(shè)定為0.85，調(diào)整充放電功率與荷電狀態(tài)，按照峰平谷時(shí)段要求設(shè)置電價(jià)。待完成上述步驟后，可預(yù)設(shè)電網(wǎng)調(diào)度負(fù)載，輸出電網(wǎng)調(diào)度高精度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，需要預(yù)設(shè)基礎(chǔ)功率調(diào)度曲線、調(diào)整調(diào)度時(shí)刻，確保并網(wǎng)波動(dòng)能滿足實(shí)驗(yàn)周期關(guān)系，分別用本研究設(shè)計(jì)的基于模糊隸屬度的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法、吳曉剛等［4］提出的基于隨機(jī)模型預(yù)測(cè)控制的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法、張路等［5］提出的計(jì)及負(fù)荷參與的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法進(jìn)行調(diào)度控制。使用PEPSE（Performance Evaluation of Power System Efficiencies）電力性能評(píng)估軟件輸出3種方法在不同調(diào)度時(shí)間內(nèi)的調(diào)度負(fù)荷值、調(diào)度電壓偏差率、調(diào)度懲罰成本、調(diào)度響應(yīng)精度指標(biāo)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，本研究設(shè)計(jì)的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法的調(diào)度時(shí)間穩(wěn)定（1.10～1.15 h），調(diào)度負(fù)荷適中（波動(dòng)范圍為112.35～128.14 kW）；調(diào)度響應(yīng)精度較高，均在95%以上；調(diào)度電壓偏差率極低（0.159%～0.175%），調(diào)度懲罰成本相對(duì)較低。吳曉剛等［4］提出的方法在調(diào)度時(shí)間上缺乏優(yōu)勢(shì)，且調(diào)度響應(yīng)精度普遍較低（在70 %左右）；調(diào)度電壓偏差率顯著較高，平均偏差率超過2%，可能導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，且調(diào)度懲罰成本非常高，遠(yuǎn)超其他2種方法。張路等［5］提出方法的調(diào)度響應(yīng)精度過低，只有60%～70%；調(diào)度電壓偏差率、調(diào)度懲罰成本也相對(duì)較高，部分情況超過3%。由此可知，本研究設(shè)計(jì)的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法在調(diào)度時(shí)間、調(diào)度負(fù)荷、調(diào)度響應(yīng)精度、調(diào)度電壓偏差率及調(diào)度懲罰成本方面均表現(xiàn)較好。

3 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代化電力需求激增的背景下，我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大，組成越來越復(fù)雜。為了滿足用戶的供配電質(zhì)量要求，優(yōu)化現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，需要對(duì)電力進(jìn)行有效的調(diào)度控制。受能源轉(zhuǎn)型與可再生能源接入的影響，目前電網(wǎng)調(diào)度存在調(diào)度波動(dòng)性、間歇性問題，無法保證控制精度。因此，本研究基于模糊隸屬度設(shè)計(jì)出一種有效的電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電網(wǎng)調(diào)度高精度控制方法的控制指標(biāo)良好，具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效性作出了一定的貢獻(xiàn)。

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