智能電網(wǎng)分布式電源自動控制建模技術(shù)研究

摘 要：本文針對電網(wǎng)資源高效利用與系統(tǒng)運行優(yōu)化問題，構(gòu)建了分布式電源和負荷的時序模型，并分析了配電終端布局。準確表征電網(wǎng)要素，建立風力與光伏發(fā)電系統(tǒng)時序模型，并考慮負荷特性優(yōu)化配電終端。提出分布式電源與配電自動化終端的協(xié)同規(guī)劃方法，采用孤島劃分和雙層規(guī)劃模型實現(xiàn)功能整合。結(jié)果顯示，本文所提集成建模與協(xié)調(diào)方法顯著提升了智能電網(wǎng)運行效率，優(yōu)化配置，協(xié)同規(guī)劃，提高了供電可靠性，并降低了運行成本。本文為智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用提供了新地理論支持，對進行電網(wǎng)規(guī)劃工作具有一定幫助。

關(guān)鍵詞：分布式電源；自動控制終端；孤島劃分

中圖分類號：TM 744" " 文獻標志碼：A

智能電網(wǎng)是未來能源系統(tǒng)發(fā)展的核心方向之一，采用融合信息通信技術(shù)與電力系統(tǒng)自動化技術(shù)，對電力網(wǎng)絡(luò)各環(huán)節(jié)進行智能監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度以及快速響應(yīng)。在此背景下，如何高效構(gòu)建分布式電源與自動控制終端的集成建模與協(xié)調(diào)機制，已成為目前的研究焦點。這一挑戰(zhàn)不僅要求相關(guān)從業(yè)者能夠精確構(gòu)建分布式電源、負荷的時序模型，而且需要經(jīng)過科學的布局分析，優(yōu)化配電終端的布局，實現(xiàn)電力資源的最大化利用。

1 分布式電源與配電自動化終端建模

1.1 風力發(fā)電系統(tǒng)時序出力模型

1.1.1 風速模型

風速模型是一種描述風場中風速隨時間變化的工具。在實際使用過程中，本文對歷史風速數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，獲取了風速具體參數(shù)[1]，其物理基礎(chǔ)模型全面考慮大氣環(huán)境、地形等多種因素，采用數(shù)值模擬或解析方法計算得到風速場，如公式（1）所示。

v（t）=v0e-αt+σW（t） （1）

式中：v（t）代表時間t處的風速；v0代表初始風速；α代表衰減系數(shù)，即風速隨時間的指數(shù)衰減速率；v0e-αt代表風速的指數(shù)衰減部分；σ代表風速波動的強度；σW（t）代表風速的隨機波動。

隨著時間t的增加，風速以指數(shù)形式降低，α越大，衰減速率越快。維納過程W（t）產(chǎn)生了一個平均值為零、方差為t的隨機變量序列，乘以σ表示風速在時間t的隨機波動范圍。本文選擇合適的初始風速v0、衰減系數(shù)α和維納過程的標準差σ，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或者氣象預(yù)測，生成具有實際情況波動特性的風速序列（見表1）。

1.1.2 風力發(fā)電輸出功率模型

通常情況下，風力發(fā)電機組的輸出功率與風速間并非簡單的線性關(guān)系，會受多種關(guān)鍵因素的影響。一方面，切入風速表示當風速達到某一閾值時，風力發(fā)電機組開始啟動并產(chǎn)生電力；切出風速代表風速超過某一上限后，出于安全考慮，風力發(fā)電機組將停止運轉(zhuǎn)。另一方面，功率曲線將不同的風速范圍與相應(yīng)的輸出功率范圍精確對應(yīng)，從而保證發(fā)電機組能夠穩(wěn)定運行和高效輸出[2]。此外，在實際運行過程中，機械摩擦、發(fā)電機效率以及變頻器損耗等因素均會對最終輸出功率產(chǎn)生影響。因此，為了獲得更準確的輸出功率預(yù)測值，必須對這些損耗進行綜合考量。本文引入風力發(fā)電輸出功率模型，如公式（2）所示。

（2）

式中：P（v）代表風速為v時的風力發(fā)電輸出功率；v代表當前的風速；vcut-in代表切入風速，當?shù)陀谠擄L速時，風力發(fā)電機組不產(chǎn)生功率；vrated代表額定風速，超過該風速，功率不再增加；Prated代表額定功率，即在額定風速下的最大輸出功率；η（v）代表損耗模型，考慮了機械摩擦、發(fā)電機效率和變頻器損耗等因素對實際輸出功率的影響。

在具體實踐中，本文監(jiān)測風速并輸入模型參數(shù)（vcut-in、vrated、Prated）、η（v），以計算當前時刻風力發(fā)電系統(tǒng)的實際發(fā)電能力（見表2）。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)時序出力模型

光伏發(fā)電輸出功率模型是一種數(shù)學工具，旨在深入理解并精準預(yù)測光伏系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的電能輸出。該系統(tǒng)能夠巧妙利用太陽能，將光能轉(zhuǎn)化為電能，其輸出效能受眾多因素影響，例如光照強度、光伏組件的溫度狀態(tài)以及組件自身的性能特點[3]。為了對系統(tǒng)的性能與工作效率進行更準確的評估，本文積極探索并開發(fā)了多樣化的輸出功率模型。這些模型基于物理定律和豐富的試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建，全面考量光照強度、溫度效應(yīng)以及光伏組件特性的變化，從而對系統(tǒng)電能輸出進行精準預(yù)測，如公式（3）所示。

Pout=τ?A?G?（1+β?（T-Tref）） （3）

式中：Pout代表光伏系統(tǒng)的輸出功率；τ代表光伏組件的效率；A代表光伏組件的表面積；G代表全球輻射總量；β代表溫度系數(shù)；T代表當前光伏組件的溫度；Tref代表光伏組件的參考溫度。

在具體實踐中，本文根據(jù)實時測量的光照強度G、光伏組件的溫度T，使用上述輸出功率模型計算預(yù)期的輸出功率Pout（見表3）。

1.3 負荷時序特性模型

負荷時序模型的時間分辨率通常以小時為單位，甚至精細至分鐘級別，旨在精確捕捉電力負荷隨時間的波動。更高的時間分辨率不僅能夠提供更準確、細致的負荷預(yù)測分析，而且是電力系統(tǒng)運行、調(diào)度的核心參數(shù)。此外，季節(jié)性變化對負荷模型的影響較顯著，特別是夏季與冬季的負荷模式呈現(xiàn)出截然不同的特點。夏季，由于高溫天氣持續(xù)，因此空調(diào)負荷會顯著上升；在冬季，由于廣泛使用加熱系統(tǒng)，因此負荷同樣會有顯著增加。為了確保系統(tǒng)規(guī)劃的有效性，負荷時序模型必須能夠精準捕捉并反映這些季節(jié)性變化，從而適應(yīng)不同季節(jié)的負荷需求，如公式（4）所示。

L（t）=Lannual×SF（t） （4）

（5）

式中：L（t）代表時間t處的負荷水平；Lannual代表年均負荷水平；SF（t）代表季節(jié)因子，描述負荷隨時間t的季節(jié)性變化；B代表季節(jié)性振幅系數(shù)；tsol代表季節(jié)性變化的相位，即負荷季節(jié)性變化的起始時間；Tseason代表季節(jié)性變化周期，通常為一年。

在具體實踐中，本文根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析或?qū)崟r監(jiān)測，確定Lannual、季節(jié)性變化的振幅系數(shù)B和相位tsol、周期Tseason的數(shù)值。進而根據(jù)當前時間t計算出季節(jié)因子SF（t），并將其應(yīng)用于Lannual，從而得到預(yù)期的負荷水平（見表4）。

2 分布式電源與配電自動化終端協(xié)同規(guī)劃

本文在進行分布式電源與配電自動化終端協(xié)同規(guī)劃工作過程中，引入上文列舉出的2種模型。一方面，使用風速模型和光伏發(fā)電系統(tǒng)時序出力模型來預(yù)測分布式電源的出力情況。另一方面，結(jié)合負荷時序特性模型，對配電自動化終端進行優(yōu)化配置，保證在各個時間段內(nèi)，分布式電源的出力能夠有效滿足負荷需求。此外，本文利用風力發(fā)電輸出功率模型和光伏發(fā)電時序出力模型，與配電自動化系統(tǒng)進行協(xié)同調(diào)度，使分布式電源與電網(wǎng)能夠優(yōu)化運行。

2.1 孤島劃分方法

孤島劃分方法能夠?qū)⒋箅娋W(wǎng)劃分成小規(guī)模、自主運行的孤島，以提高電網(wǎng)的可靠性和抗干擾能力。每個孤島由若干分布式能源資源和負載組成，能夠在主電網(wǎng)故障或預(yù)定條件下獨立運行，保證局部電力供應(yīng)的連續(xù)性。在具體實踐中，本文詳細分析了電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和電力設(shè)備的連接關(guān)系，確定電網(wǎng)中潛在的形成孤島的節(jié)點與環(huán)路[4]。此外，本文還考慮電力設(shè)備的變壓器的負載率、開關(guān)的運行狀態(tài)等實時工作狀態(tài)和負荷情況，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析，判斷各變壓器負載是否已經(jīng)接近飽和，保證電力穩(wěn)定供應(yīng)（如圖1所示）。

在實際應(yīng)用中，孤島劃分的啟發(fā)式搜索算法基于模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果，嘗試不同的孤島劃分方案，并評估每種方案的穩(wěn)定性，以選擇最佳解決方案，即采用遺傳算法進行多代演化，逐步優(yōu)化孤島內(nèi)部的電力平衡，以保證每個孤島在自主運行過程中能夠穩(wěn)定供電。算法需要考慮電網(wǎng)運行的電壓穩(wěn)定性、頻率控制等實際約束條件，采用數(shù)據(jù)模擬，保證每個孤島內(nèi)部的電力負載、分布式電源間能夠匹配平衡，避免電力波動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的負面影響。需要注意的是，由于電網(wǎng)狀態(tài)和負載需求會實時變化，啟發(fā)式搜索算法必須具備實時調(diào)整的能力。根據(jù)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)分析，當某個區(qū)域電力需求驟增時，算法可以快速重新劃分孤島邊界，以保證在最短時間內(nèi)實現(xiàn)電力平衡。

2.2 配電自動化配電網(wǎng)雙層規(guī)劃模型

2.2.1 上層目標函數(shù)和約束條件

在配電自動化的雙層規(guī)劃模型中，上層目標函數(shù)及其約束條件包括全局的資源分配與系統(tǒng)運行策略的優(yōu)化，其核心目的是保證整體電網(wǎng)運作的可行性。上層優(yōu)化目標是使電網(wǎng)的運行成本最小化，綜合考慮發(fā)電機組的運行成本、輸電線路的電阻損耗以及電力設(shè)備的維護費用。另一關(guān)鍵目標是使整體系統(tǒng)的效益最大化，例如電網(wǎng)的可靠性、供電質(zhì)量以及用戶滿意度等。細致權(quán)衡這些要素，系統(tǒng)能夠在經(jīng)濟效益與社會效益間找到最佳平衡點。

2.2.2 下層目標函數(shù)和約束條件

在優(yōu)化過程中，下層優(yōu)化的核心目標是減少局部節(jié)點內(nèi)部的電力損耗，包括電纜布局與選擇的優(yōu)化，旨在降低傳輸過程中的線損。另一關(guān)鍵目標是提高局部節(jié)點的電力供應(yīng)可靠性。在具體實踐中，本文提高了備用設(shè)備的容量、優(yōu)化了電力負載管理策略或增加了備用電源，以提高局部節(jié)點的電力供應(yīng)可靠性。此外，下層優(yōu)化必須全面考慮各種電力設(shè)備的具體運行約束。例如，電纜的最大電流承載能力、變壓器的負載限制以及發(fā)電機組的啟動、停止時間等。

2.3 基于遞歸搜索算法的可靠性評估方法

本文在分布式電源與配電自動化協(xié)同規(guī)劃中引入系統(tǒng)拓撲建模技術(shù)，利用抽象為電力設(shè)備和連接關(guān)系的拓撲結(jié)構(gòu)，展示電力流動路徑[5]。狀態(tài)空間定義包括系統(tǒng)所有工作狀態(tài)，能夠為可靠性評估提供基礎(chǔ)。遞歸搜索算法能夠探索狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑，分析故障傳播和影響，識別系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點。基于搜索結(jié)果，計算可靠性指標，支持決策者制定維護策略，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。本文運用可用性、平均無故障時間計算公式進行電力系統(tǒng)可靠性評估，如公式（6）、公式（7）所示。

（6）

（7）

式中：A代表系統(tǒng)的可用性；Top代表觀測時間段內(nèi)系統(tǒng)的總操作時間；Td代表觀測時間段內(nèi)系統(tǒng)停機的總時間；MTBF代表平均無故障時間；Nf代表觀測時間段內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)。

在具體實踐中，當計算可用性時，需要記錄系統(tǒng)的總運行時間與停機時間，再使用上述公式計算可用性的百分比。在此基礎(chǔ)上，記錄系統(tǒng)的總運行時間、觀測時間段內(nèi)發(fā)生的故障次數(shù)，進而使用上述公式計算平均無故障時間（見表5）。

3 結(jié)語

本文不僅促進了電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，而且在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用。時序出力模型能夠準確預(yù)測分布式電源在不同天氣、光照條件下的發(fā)電能力，為電網(wǎng)運營者提供可靠的運行數(shù)據(jù)。負荷時序特性模型能夠分析電網(wǎng)用戶的用電習慣和負荷波動情況。這些模型有助于更好地調(diào)節(jié)、優(yōu)化分布式電源的輸出，以匹配實際的電力需求。

即使在電網(wǎng)發(fā)生故障或部分失效情況下，有效的孤島劃分也能保證分布式電源和自動控制終端的穩(wěn)定運行。配電自動化的雙層規(guī)劃模型結(jié)合了上層、下層目標函數(shù)和約束條件，能夠在考慮分布式電源的情況下優(yōu)化電網(wǎng)的規(guī)劃。該方法不僅提高了電網(wǎng)的效率，而且能夠有效應(yīng)對復(fù)雜的電力供需波動。

基于遞歸搜索算法的可靠性評估方法為智能電網(wǎng)提供了一種全面而有效的評估工具。分析分布式電源的運行數(shù)據(jù)和電網(wǎng)的實際情況，能夠快速評估系統(tǒng)的可靠性，并采取必要的預(yù)防措施以降低故障風險。

參考文獻

[1]孫寧言，陳羽，徐丙垠，等.含高比例分布式電源配電網(wǎng)分布式供電恢復(fù)方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2024，48（10）：161-170.

[2]張麗，李昂，許守東，等.考慮合環(huán)延時的含分布式電源配電網(wǎng)合環(huán)電流協(xié)同控制方法[J].電工電能新技術(shù)，2024，43（5）：19-27.

[3]楊杉，喻希，羅朝旭，等.含換流器型分布式電源配電網(wǎng)的不對稱短路電流計算方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2024，52（10）：44-53.

[4]張子仲，田野，許泰峰，等.分布式電源應(yīng)用架構(gòu)的標準化建模及信息交互接口標準研究[J].供用電，2024，41（5）：10-17，27.

[5]王輝，王勇，張曉濱，等.構(gòu)網(wǎng)型分布式電源滲透率高的微電網(wǎng)潮流計算及優(yōu)化控制[J].電網(wǎng)與清潔能源，2024，40（4）：35-43.