姚岳

（國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西 忻州 034000）

遺傳算法在微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

姚岳

（國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西 忻州 034000）

為了在使用新能源時(shí)保持高效性和經(jīng)濟(jì)性，采用微電網(wǎng)技術(shù)可以解決分布式發(fā)電和電網(wǎng)之間的矛盾?；诖耸紫葟臉?gòu)建微電網(wǎng)能力管理系統(tǒng)和多智能主體系統(tǒng)的能量管理來介紹能量管理系統(tǒng)，然后從能量管理策略和遺傳算法流程入手探討了微電網(wǎng)能力管理優(yōu)化問題的相關(guān)措施，對基本遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，為電網(wǎng)能力管理系統(tǒng)更好地投入運(yùn)行，確保電網(wǎng)高效、持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

能量管理系統(tǒng)；微電網(wǎng)；遺傳算法

0 引言

微電網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微電源共同構(gòu)成的系統(tǒng)，它既可以把電能、熱能提供給用戶，還能夠利用電子元器件完成能量轉(zhuǎn)化以及提供相應(yīng)的控制。微電網(wǎng)能夠通過科學(xué)、恰當(dāng)、合理地變更內(nèi)部的微電源運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，達(dá)到控制負(fù)荷的目的，為了確保微電網(wǎng)運(yùn)行更穩(wěn)定，此外對遺傳算法進(jìn)行有效改進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行成本最低的目標(biāo)，所以對遺傳算法的微電網(wǎng)能力管理展開研究十分必要。

1 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

1.1 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)構(gòu)建

完整地構(gòu)建微電網(wǎng)能力管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由監(jiān)控和決策兩個(gè)部分組成。

微電網(wǎng)管理系統(tǒng)中屬于監(jiān)控系統(tǒng)的是中央控制器，而在該系統(tǒng)中起決策作用的是能量管理中心。微電網(wǎng)能力管理系統(tǒng)中還包含負(fù)荷、負(fù)荷控制器、分布式電源及蓄電池等元件。想要實(shí)現(xiàn)各分布式電源高效率運(yùn)行，在并網(wǎng)狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，微電網(wǎng)能力管理系統(tǒng)就可以將本地資源釋放出來，實(shí)現(xiàn)自行持續(xù)安全的供電，這樣人們的生產(chǎn)、生活均不會受到斷電的影響。中央控制器主要作用是監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)時(shí)交換能力管理中心數(shù)據(jù)。控制微電源的由微電源控制器來展開，該控制器主要以微電網(wǎng)中頻率和電壓改變來對微電源狀態(tài)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)功率的平衡。

在微電網(wǎng)沒有足夠電力時(shí)，以切換負(fù)荷的方式確保電網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)是由負(fù)荷控制器來實(shí)現(xiàn)的。在整體微電網(wǎng)中最為關(guān)鍵的部分是能量管理中心，它可以對中央控制器傳出來的所有節(jié)點(diǎn)電壓和功率狀況進(jìn)行分析，再把微電網(wǎng)的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過優(yōu)化計(jì)算確定下來。綜上所述，微電網(wǎng)能力管理系統(tǒng)中的能量管理中心要與各種控制器協(xié)調(diào)配合，使運(yùn)行性進(jìn)入最佳的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。

1.2 多智能主體系統(tǒng)類型的微電網(wǎng)管理

由智能分布式管理代替集中式管理是多智能主體系統(tǒng)的核心內(nèi)容，它是伴隨著微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)和優(yōu)化應(yīng)運(yùn)而生的一種微電網(wǎng)管理系統(tǒng)。單獨(dú)從技術(shù)上來說，是把一個(gè)大型且繁瑣的系統(tǒng)分割成為很多個(gè)小系統(tǒng)，且各小系統(tǒng)之間互相聯(lián)系。分割成一個(gè)個(gè)小系統(tǒng)之后便于管理，保持通信的小系統(tǒng)自主性加強(qiáng)，該種系統(tǒng)的工作模式使小系統(tǒng)在本區(qū)間內(nèi)可以不受約束自行工作，而相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)時(shí)，再協(xié)同合作。這與集中控制系統(tǒng)相比有兩大優(yōu)勢：可以根據(jù)不同主體的實(shí)際需求，來選取相異的優(yōu)化算法從而使整體優(yōu)化效率提升；另外多智能主體控制系統(tǒng)的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于集中控制系統(tǒng)。

在微電網(wǎng)中運(yùn)用多智能主體系統(tǒng)，其中的微電網(wǎng)管理元件是指組成微電網(wǎng)所需的元件，比如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池、負(fù)荷以及微型燃?xì)廨喌染鶎儆谖㈦娋W(wǎng)管理元件。初始化是以各智能主體不同的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)對其中元件行為加以規(guī)定，比如在對蓄電池組進(jìn)行初始化有以下過程：當(dāng)蓄電池組中有儲能占全部容量低于15%時(shí)，蓄電池組就會暫停向蓄電池供電；當(dāng)蓄電池組內(nèi)的儲能所占蓄電池總?cè)萘扛哂?5%的比例，且大電網(wǎng)的電壓低于標(biāo)準(zhǔn)2.5%時(shí)，開始向電網(wǎng)輸送電量。

信息處理主要是整理外部輸進(jìn)的信息，然后向預(yù)測環(huán)節(jié)輸送，它是連接微電源節(jié)點(diǎn)與外部的紐帶。

低級代理可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中各智能主體自行調(diào)節(jié)，即可以以自身需要為依據(jù)進(jìn)行自主控制。而高級代理必須對整體微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)展開全面考量，其作用是展開整體控制。

預(yù)估環(huán)節(jié)主要用于把微電網(wǎng)內(nèi)外部實(shí)際情況反饋給各智能主體，把參考數(shù)值提供給智能主體，為其下一步采取最優(yōu)措施提供保障。

詳細(xì)的運(yùn)轉(zhuǎn)流程如下：第一，在初始化環(huán)節(jié)把不相同主體的約束條件和基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)向各智能主體輸送；第二，低級代理會把各智能主體的微電網(wǎng)狀況提供給隸屬該智能主體的元件，讓其元件可以根據(jù)本身需要展開控制；把能夠?qū)崿F(xiàn)低級代理的主體運(yùn)轉(zhuǎn)情況向高級代理傳輸，然后高級代理以整體微電網(wǎng)實(shí)際需求為依據(jù)實(shí)現(xiàn)總體控制；高級代理處理各微電網(wǎng)的數(shù)據(jù)之后，再傳送到預(yù)估環(huán)節(jié)，預(yù)估環(huán)節(jié)對外電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行考量后，再把預(yù)測結(jié)果提供給高級代理。這樣周而復(fù)始地進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，就能夠在微電網(wǎng)可靠安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 微電網(wǎng)能量管理有效策略和優(yōu)化遺傳算法

2.1 能力管理策略

在本小節(jié)所講的能量管理策略是基于逆變器的能量管理策略，主要是以系統(tǒng)狀態(tài)為依據(jù)，迅速做出反應(yīng)的全方位控制策略，是轉(zhuǎn)換微電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的一種控制方法。

并網(wǎng)和孤網(wǎng)是兩種微電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)。以逆變器為基礎(chǔ)的能力管理策略認(rèn)為在大電網(wǎng)出現(xiàn)故障后，微電網(wǎng)立刻進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行階段，微電網(wǎng)以一個(gè)或者幾個(gè)微電源為依托，來調(diào)節(jié)頻次和電壓，而怎樣來控制微電源是能力管理策略的主要內(nèi)容。微電網(wǎng)的頻率和電壓取決于大電網(wǎng)，在微電網(wǎng)中保持每個(gè)微電源都在輸出最大功率的狀態(tài)下運(yùn)行，可以認(rèn)為整個(gè)微電網(wǎng)是一個(gè)可控的負(fù)荷或者電源。這時(shí)微電網(wǎng)中的所有微電源均不進(jìn)行調(diào)頻和調(diào)壓。因?yàn)樵谖㈦娋W(wǎng)中有較多的分布式電源，想要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行中運(yùn)行狀態(tài)之間的切換、在孤網(wǎng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)壓，就應(yīng)當(dāng)在能力管理策略中把逆變器控制方式輸入到微電網(wǎng)中。該種策略認(rèn)為微電網(wǎng)中的逆變器想要達(dá)到控制輸出儲能系統(tǒng)和各微電源的目的，可以通過測量本地節(jié)點(diǎn)信息來實(shí)現(xiàn)。逆變器可以以節(jié)點(diǎn)臨近網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷為依據(jù)進(jìn)行改變，應(yīng)采用以下幾種控制方法。

第一種：P/Q控制。一般來說，并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)，大電網(wǎng)承擔(dān)了負(fù)荷波動時(shí)所導(dǎo)致的頻率和電壓干擾帶來的風(fēng)險(xiǎn)，這時(shí)微電源不用展開調(diào)頻和調(diào)壓，以逆變器為基礎(chǔ)的能力管理策略認(rèn)為P/Q控制法適用控制當(dāng)前微電源。P/Q控制框圖如圖1所示。

圖1 P/Q控制框圖

在上述控制狀態(tài)下，控制器在控制有功功率時(shí)，可以采用原動機(jī)有功功率參考值Psetpoint結(jié)合PI1電壓控制器的方法，而以Qref這一參考值與實(shí)際測量無功功率Q相比較的方法為依據(jù)來展開，利用調(diào)節(jié)器PI2來實(shí)現(xiàn)調(diào)整無功功率。

第二種調(diào)差率控制：無功功率/電壓和有功功率/頻率是能量策略中調(diào)壓率控制的兩種方法。這兩種方法雖然在形狀上有很大差距，不過有相近的原理，均可以依據(jù)線路參數(shù)需求選擇控制策略。假如無功和有功潮流有一條線路，那么可以用以下兩個(gè)公式來表示有功功率和無功功率Q。

在高壓線路中電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于感抗時(shí)，可以近似地認(rèn)為cosδ=δ，sinδ=δ，因此可以將上述公式（1）改為

由此可以得出，功角和有功互相聯(lián)系，電壓差值與無功具有相關(guān)性。在高壓線路中調(diào)頻是由控制功角來完成，調(diào)壓則是由控制無功功率來實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于遺傳算法的流程

a）第一步把優(yōu)化問題的約束條件確定。

在確定約束條件時(shí)應(yīng)當(dāng)以微電源控制特點(diǎn)為依據(jù)，微型燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方式較為靈活，在控制有功功率時(shí)只要確定燃?xì)饬匣蛘唢L(fēng)速即可。因此在展開潮流計(jì)算時(shí)，可以將它設(shè)置成為一個(gè)PV類型的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)是由其電壓浮動和約束有功功率來組成相對應(yīng)的約束條件。

在式（3）中，節(jié)點(diǎn)的有功功率用Pk來表示，而無功功率則是Qk。

想要運(yùn)行太陽能發(fā)電板，就必須把逆變器連接到點(diǎn)網(wǎng)上才可以，由于一般跟蹤控制太陽能電板時(shí)需要在最大功率下展開，因此不用對其進(jìn)行約束。在對太陽能發(fā)電板展開計(jì)算時(shí)，只需知曉其是伴隨太陽輻射能量改變而改變，電壓恒定的PV節(jié)點(diǎn)即可。

作為直流電的蓄電池組而言，通?？刂菩铍姵乜梢杂脙煞N方法：假若控制時(shí)采用頻率和無功率的方式，在潮流計(jì)算過程中，可以將該類電池組當(dāng)做吸收和注入無功為零的節(jié)點(diǎn)PQ；控制過程中采取頻率和有電壓方法時(shí)，可以把該類蓄電池組當(dāng)做無功電源，在展開潮流計(jì)算時(shí)看作PV節(jié)點(diǎn)來運(yùn)算。為了能夠確保計(jì)算時(shí)的簡便性，設(shè)定本節(jié)點(diǎn)PV為節(jié)點(diǎn)，其約束條件公式為

在該表達(dá)式中，蓄電池組中有功功率用Pj來表示，其利用逆變器來進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓用Vj來表示。

為了確保微電網(wǎng)安全、正常、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，以上所取的節(jié)點(diǎn)值必須在潮流約束的范圍內(nèi)。

在公式（5）中，系統(tǒng)有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)用n表示，即表示節(jié)點(diǎn)數(shù)量；j也是一個(gè)節(jié)點(diǎn)且與i節(jié)點(diǎn)相連；Bij、Gij以及θ是i與j兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相角差和導(dǎo)納。

b)第二步確定目標(biāo)函數(shù)。

用戶可以依據(jù)自身的需要來決定微電網(wǎng)優(yōu)化目標(biāo)，大體上可以劃分為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和技術(shù)目標(biāo)。技術(shù)目標(biāo)主要在最小系統(tǒng)網(wǎng)損和電壓偏差這兩個(gè)方面體現(xiàn)出來，其公式如下。

在上述公式中本系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)用n來表示；在該系統(tǒng)中i個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓偏差數(shù)值用ΔVi來表示；i節(jié)點(diǎn)所能容忍的最大化偏差量用δVi來表示。

國內(nèi)，在-10%～+7%范圍內(nèi)的電壓偏差是擁有低電壓電網(wǎng)所容忍的偏差區(qū)間，因此在該章中也以該區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)，如果超過該區(qū)間就認(rèn)定微電網(wǎng)中電壓不達(dá)標(biāo)，最小的電壓偏差值的函數(shù)表達(dá)式為

為了使系統(tǒng)網(wǎng)損目標(biāo)最小化，應(yīng)當(dāng)使系統(tǒng)有最小化的有功功率和無功功率，下面是該表達(dá)公式（8）。

在上述公式中，系統(tǒng)的支路數(shù)用n來表示，有功損耗用ΔPL表示，無功功率損耗用ΔQL表示。

總之，微電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中其總優(yōu)化目標(biāo)可以表示為min(F)=min(ΔV，ΔSL，CF(P))。

c)第三步編碼：在遺傳算法中，應(yīng)以問題具體情況為依據(jù)采用最簡單的編碼方法。通常采用的是二進(jìn)制編碼法來進(jìn)行編碼。用該編碼法把遺傳算法中的解編制成為一個(gè)二進(jìn)制串，當(dāng)遺傳算法對解精度有越高的要求時(shí)，其二進(jìn)制串就越長。如P來表示變量時(shí)，有 [Pmin，Pmax]的取值范圍，要求精度精確到小數(shù)點(diǎn)的后4位，那么該變量就會被劃分為 (Pmax-Pmin)×104個(gè)部分。

d)第四步：適應(yīng)度評價(jià)。適應(yīng)度評價(jià)是遺傳算法中最為關(guān)鍵的一部分，是模仿生物界中的適者生存原則而構(gòu)建。選擇最恰當(dāng)?shù)氖褂枚群瘮?shù)能夠準(zhǔn)確、迅速地找出最優(yōu)解。在對算法進(jìn)行適應(yīng)度評價(jià)時(shí)，通常我們會用以下兩種方法來找適應(yīng)度函數(shù)。

第一種直接將f(x)這一目標(biāo)函數(shù)利用線性運(yùn)算向F it(x)轉(zhuǎn)化成為適應(yīng)度函數(shù)，例如

第二種方法想要求得最小值，只要用下面的方式轉(zhuǎn)化即可。

想要解決求得最大值的問題，只要用以下方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化即可。

上面的公式中無論是cmin還是cmax都能依照自己的需求來預(yù)先設(shè)置。

第三種方法：假若最小值問題被當(dāng)做目標(biāo)函數(shù)，只需做以下的轉(zhuǎn)化即可。

假若最大值問題作為目標(biāo)函數(shù)，只需做以下轉(zhuǎn)化即可。

這種方法與第二種方法有相近之處，c也可以依照自己的需求來預(yù)先設(shè)置。

e)第五步：設(shè)計(jì)遺傳算子、確定交叉和變異的整個(gè)流程。在設(shè)計(jì)遺傳過程中采用輪盤選擇算子方法有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：計(jì)算出每個(gè)染色體的適應(yīng)度值；把每個(gè)染色體中的適應(yīng)度值相加，測算出每個(gè)染色體被選中的概率；以各個(gè)染色體的概率為依據(jù)抽出新染色體。交叉時(shí)采用單點(diǎn)交叉算子的方法，這種方法首先把兩個(gè)染色體串的相同節(jié)點(diǎn)隨機(jī)抽出，然后將兩個(gè)抽出的父輩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交換生成子輩。

把單點(diǎn)交叉算子運(yùn)用在變異流程中。即隨機(jī)在任意一個(gè)染色體串中的節(jié)點(diǎn)中抽取一個(gè)，把抽取節(jié)點(diǎn)的二級制數(shù)中的0全部換成1以及把1全部換成0的過程。

在以上的遺傳算法中我們可以得知，基本的遺傳算法會有以下兩個(gè)問題：該算法比較“早熟”，也就說算法的最優(yōu)解是在局部被快速地找出，并不是在整體中找出；當(dāng)接近最優(yōu)解時(shí)，會呈現(xiàn)出左右搖晃的現(xiàn)象，不會快速地收斂到最優(yōu)解。

2.3 改進(jìn)遺傳算法

為了能夠彌補(bǔ)基本遺傳算法的不足，對遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)。交叉算子在尋找最優(yōu)解時(shí)無問題，不過在高適應(yīng)的前提下，單點(diǎn)交叉收斂難度較大，所以采用動態(tài)變異概率方法來規(guī)避損壞優(yōu)秀基因的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)全部染色體有較低適應(yīng)度時(shí)，就將交叉概率加大，相反有高適應(yīng)度時(shí)，把交叉概率縮小來保護(hù)優(yōu)秀基因。第二要對選擇算子進(jìn)行改進(jìn)，為了確保最優(yōu)種群持續(xù)進(jìn)化，本文采取保留最優(yōu)個(gè)體的方法，這樣就會在每代挑選出一個(gè)有最高適應(yīng)度的個(gè)體放在子輩中，從而使染色體達(dá)到最優(yōu)。

改進(jìn)算法的流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)遺傳算法流程

為了驗(yàn)證改進(jìn)遺傳算法的可行性，下面就通過微電網(wǎng)能量管理進(jìn)行驗(yàn)證。

前期明確陽光照射的溫度和強(qiáng)度、風(fēng)力、微型燃?xì)廨喌暮馁M(fèi)成本、本地電網(wǎng)的購售電量費(fèi)以及蓄電池容量和負(fù)荷量。計(jì)算流程如本文所述的遺傳算法流程，計(jì)算本地最優(yōu)解的狀態(tài)。

得出最優(yōu)工作狀態(tài)之后，在此符合模式下，依照當(dāng)前出售電量的價(jià)格，可以得出1天所花費(fèi)的支出為

而用傳統(tǒng)的微電網(wǎng)管理方式，計(jì)算出購買電量的耗費(fèi)與出售電量所得，可以得出最終采用改進(jìn)遺傳算法所得出的節(jié)省開支

根據(jù)計(jì)算可以得出每天可以節(jié)約116.62元的電量。

綜上可知，傳統(tǒng)形式的微電網(wǎng)控制方式只能確保微電網(wǎng)的運(yùn)行具有可靠性和安全性，而應(yīng)用本文的基于改進(jìn)遺傳算法的微電網(wǎng)能力管理可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性的最優(yōu)，因此應(yīng)用基于改進(jìn)遺傳算法的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)具有可行性。

3 結(jié)論

總之，基于遺傳算法的微電網(wǎng)管理能夠在很大程度上確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，為微電網(wǎng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供有力保障。隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，微電網(wǎng)管理也不斷地進(jìn)步，而基于智能主體系統(tǒng)的微電網(wǎng)管理適應(yīng)時(shí)代需求，是微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展中濃墨重彩的一筆，必然會得到廣泛推廣和應(yīng)用。

Research and App lication of Genetic Algorithm on M icro-grid Energy M anagement System

YAO Yue

（State Grid Xinzhou Power Supply Company of SEPC,Xinzhou,Shanxi 034000,China)

In order tomaintain efficiency and economywhen using renewable energy sources,micro-grid technology is adopted to solve the contradiction between distributed generation and power grid.Energy management system is introduced based on micro-grid energymanagementsystem andmulti-agentsystem,andmeasures formicro-grid energymanagementoptimization are explored according to energymanagementstrategies and genetic algorithm.Besides,the basic genetic algorithm is improved for gridmanagementsystem to be betterputinto operation so as to ensure efficient,sustainable and stable operation ofpowergrid.

energymanagementsystem;micro-grid;genetic algorithm

TM73

A

1671-0320（2016）05-0015-05

2016-06-06，

2016-07-27

姚 岳（1985），男，山西忻州人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)專業(yè)，碩士，工程師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。