楊本臣， 曹 留， 和敬祥

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

基于AHSPSO算法的DG并網(wǎng)位置優(yōu)化研究*

楊本臣， 曹 留， 和敬祥

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

為尋求不同接線模式下分布式電源接入位置對配網(wǎng)電壓優(yōu)化的規(guī)律性，以系統(tǒng)電壓影響參數(shù)最小化為目標(biāo)，以功率平衡、節(jié)點(diǎn)電壓、支路容量為約束條件，采用自適應(yīng)和聲搜索與粒子群優(yōu)化混合(AHSPSO)算法對不同接線模式下的DG并網(wǎng)位置進(jìn)行優(yōu)化，得出不同接線模式下的最優(yōu)接入位置。利用IEEE—33節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)模型進(jìn)行仿真對比，分析不同接線模式下DG的并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓影響的規(guī)律。結(jié)果表明:只有正確合理地配置不同接線模式下DG并網(wǎng)位置，才能夠更為有效地發(fā)揮電壓的支撐作用。

分布式電源； 自適應(yīng)粒子群和聲搜索算法； 并網(wǎng)位置； 接線模式

0 引 言

隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，分布式電源(distri-buted generation，DG) 作為一種有效利用可再生能源的新技術(shù)越來越多地應(yīng)用到配電系統(tǒng)當(dāng)中[1]。DG是指在用戶現(xiàn)場或靠近用戶現(xiàn)場配置較小的發(fā)電機(jī)組，用以滿足特殊用戶的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的發(fā)電形式[2]。DG接入配網(wǎng)能在保護(hù)環(huán)境、提高供電可靠性、減少停電事故、延緩輸配網(wǎng)建設(shè)、解決邊遠(yuǎn)地區(qū)電力需求等方面帶來良好的效益，但DG并入電網(wǎng)也使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)跟著DG并網(wǎng)位置的變更而不斷產(chǎn)生變化，改變了系統(tǒng)潮流，對配網(wǎng)電壓產(chǎn)生較大影響。而且我國城鄉(xiāng)配網(wǎng)的接線方式又以架空輻射狀、架空手拉手以及電纜單環(huán)網(wǎng)等三種方式為主，DG并網(wǎng)位置在三種接線模式中的改變，對電壓的影響也不盡相同。因此，有必要探究DG在不同接線模式下的并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓優(yōu)化的影響。

目前，針對這一問題許多學(xué)者都開展了研究。文獻(xiàn)[3]利用兩個(gè)測試系統(tǒng)，粗略分析了分布式發(fā)電對配電網(wǎng)可靠性、網(wǎng)絡(luò)損耗和電壓的影響；文獻(xiàn)[4]應(yīng)用Simulink軟件搭建33節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)系統(tǒng)，通過改變DG的并網(wǎng)位置來分析不同位置下的電壓分布狀況，并最終找出最優(yōu)的接入方案，但其只是通過仿真進(jìn)行分析，并沒有結(jié)合具體算法尋優(yōu)得到DG的最優(yōu)并網(wǎng)位置。文獻(xiàn)[5]基于輻射狀接線模式，探究了不同種類的DG在配網(wǎng)中接入不同位置時(shí)的電壓分布及網(wǎng)損大小狀況，并總結(jié)出并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓及網(wǎng)損的影響規(guī)律，但其只是針對輻射狀接線模式下的配網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究忽略了其他接線模式。文獻(xiàn)[6]通過PSASP軟件對同一網(wǎng)架下不同的DG并網(wǎng)方案分別進(jìn)行潮流計(jì)算，定量分析了DG 接入位置對配網(wǎng)電壓的影響，但其并沒有給出該接線模式下DG并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓優(yōu)化的規(guī)律性，對DG的實(shí)際應(yīng)用不具有參考作用。

本文基于自適應(yīng)和聲搜索粒子群優(yōu)化(AHSPSO)算法，以建立的系統(tǒng)電壓影響參數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合33節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配網(wǎng)系統(tǒng)，通過控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)的關(guān)合，切換到配電網(wǎng)的不同接線模式，找出不同接線模式下DG的最優(yōu)并網(wǎng)位置，并對比該接線模式下DG不同并網(wǎng)位置的電壓分布狀況，找出該接線模式下DG接入位置對配網(wǎng)電壓影響的規(guī)律性。

1 DG并網(wǎng)位置優(yōu)化模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

為了量化分析DG并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓的優(yōu)化作用，本文使用系統(tǒng)電壓影響參數(shù)η對DG并網(wǎng)后的電壓質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。η為用于定量評價(jià)分布式電源接入后對全系統(tǒng)電壓影響程度大小的指標(biāo)，它的值越小，表明DG并網(wǎng)后對電壓的支撐作用越好。目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中 n為配電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)；Ui為i節(jié)點(diǎn)的電壓值；Un為各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓的額定值。

1.2 約束條件

等約束條件主要為功率平衡約束

(2)

式中 Ps,Qs為平衡節(jié)點(diǎn)的注入功率；PDGi，QDGi為節(jié)點(diǎn)i上的DG的注入功率；PL，QL為配網(wǎng)總負(fù)荷；ΔP，ΔQ為配網(wǎng)總網(wǎng)損。

不等式約束條件主要包括節(jié)點(diǎn)電壓約束和支路傳輸功率約束

Ui,min≤Ui≤Ui,max

(3)

Si≤Si,max

(4)

式中 Ui,min，Ui,max分別為節(jié)點(diǎn)i上保證正常供電的電壓最小值和最大值；Si為線路i上流動(dòng)的功率；Si,max為線路i傳輸功率上限值。

2 模型求解算法

2.1 算法原理

和聲搜索(HS)算法[7]可進(jìn)行全局搜索，但該算法容易陷入局部最優(yōu)，且尋優(yōu)時(shí)隨機(jī)性很大，沒有方向性。而粒子群優(yōu)化(PSO)算法[8]由于具有較強(qiáng)的方向性，所以，在初期搜索時(shí)具有較好的收斂度，但到后期不能保證全局收斂[9]。因此，本文針對兩個(gè)算法取長補(bǔ)短，先利用PSO算法迭代產(chǎn)生HMS個(gè)解納入初始和聲記憶庫，然后結(jié)合HS全范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，找出最優(yōu)解。

在傳統(tǒng)的HS中音調(diào)調(diào)節(jié)概率PAR和音調(diào)微調(diào)擾動(dòng)大小bw都設(shè)定為常數(shù)。而在搜索初期，人們通常想讓PAR較小，bw較大，以達(dá)到在全范圍內(nèi)搜索的目的；而搜索后期，由于和聲記憶庫中的解變量代入目標(biāo)函數(shù)后所得結(jié)果差別不大，故希望讓PAR較大bw較小一些，以便在局部范圍內(nèi)找到最優(yōu)解。本文采用自適應(yīng)參數(shù)PAR，bw設(shè)計(jì)如下[10]

(5)

(6)

2.2 算法流程

針對本文提出的優(yōu)化模型進(jìn)行編碼。設(shè)所要接入的DG個(gè)數(shù)為S，則位置變量可表示為X=(X1,X2,…,XS)，其中，XS表示配網(wǎng)中任一節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。利用AHSPSO對位置變量X進(jìn)行優(yōu)化，流程如下：

1)確定配電網(wǎng)和DG的初始信息，并設(shè)置AHSPSO算法的基本參數(shù)。

2)初始化和聲記憶庫：采用PSO隨機(jī)生成HMS個(gè)解向量，并對其迭代MaxNum次。由于配網(wǎng)具有三種不同接線模式，在迭代過程中首先要判斷網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是否為輻射狀網(wǎng)絡(luò)，“是”則直接調(diào)用前推回代潮流計(jì)算方法進(jìn)行潮流計(jì)算，“否”則就進(jìn)行修正。迭代中PSO算法微粒更新按下式進(jìn)行

(7)

(8)

3)產(chǎn)生新解：通過新解生成原理每次迭代都可以生成M個(gè)新解，且每次迭代和聲參數(shù)都按式(5),式(6)動(dòng)態(tài)變化。

4)更新記憶庫：從HMS+M個(gè)解向量中選取HMS個(gè)優(yōu)秀的解來替換原來的HM個(gè)解。

5)終止迭代：判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到所設(shè)置的最大迭代次數(shù)NI，若是則終止迭代，輸出最優(yōu)值；否則，重復(fù)步驟(3)和步驟(4)。

基于AHSPSO算法的流程圖如圖1所示。

圖1 IEEE—33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)圖

3 算例分析

本文在PSCAD/EMTDC平臺(tái)搭建出如圖1所示的IEEE—33節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)系統(tǒng)，并通過控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)的關(guān)合，來切換到不同的接線方式進(jìn)行系統(tǒng)仿真，以在不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲蟹治霰容^DG接入位置對配網(wǎng)電壓的影響。系統(tǒng)初始設(shè)定的有功負(fù)荷為3 715 kW，無功負(fù)荷為2 300 kW，額定電壓為12.66 kV。所有節(jié)點(diǎn)負(fù)荷和支路阻抗參數(shù)見文獻(xiàn)[11]。

在分析DG不同并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓的影響時(shí)，為了使結(jié)果具有可比性，必須保證各DG的容量相同。仿真中設(shè)置了4個(gè)DG，并假設(shè)每個(gè)DG容量為系統(tǒng)容量的10 %。

3.1 架空網(wǎng)輻射狀接線

根據(jù)本文的優(yōu)化模型，對輻射狀網(wǎng)架下的并網(wǎng)位置進(jìn)行尋優(yōu)，得出了優(yōu)化結(jié)果，如表1中的方案1所示。從方案1中各DG的位置可看出，各DG呈沿饋線分散接入的形勢。為與優(yōu)化結(jié)果形成對比，分析出不同并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓的影響，本文在輻射狀接線模式下設(shè)置了另外4種方案與之對比。并計(jì)算出五種并網(wǎng)方案下的η值，如表2所示。

由表2的系統(tǒng)電壓影響參數(shù)可以看出，若分布式電源按優(yōu)化方案位置進(jìn)行并網(wǎng)對于配網(wǎng)整體的電壓支撐作用效果較為明顯。同時(shí)，分布式電源按方案2(線路末端接入)和方案5(集中接入)所示位置進(jìn)行并網(wǎng)對配網(wǎng)整體電壓的改善作用也較明顯。為更為直觀詳細(xì)的分析DG并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓的影響，本文給出了不同并網(wǎng)位置下各節(jié)點(diǎn)的電壓分布曲線，如圖2所示。

圖2 輻射狀接線節(jié)點(diǎn)電壓分布曲線

從圖中可以看出，優(yōu)化方案對各節(jié)點(diǎn)電壓的改善均較為理想，方案2的改善效果欠佳，而方案5雖然系統(tǒng)電壓影響參數(shù)也較低，但只是大幅度提高了接入點(diǎn)及所在饋線分支上的其他節(jié)點(diǎn)電壓，而對于其他線路上的節(jié)點(diǎn)電壓改善效果并不明顯。

通過以上分析可知，架空網(wǎng)輻射狀接線模式下，使用本文優(yōu)化方案，即分布式電源的并網(wǎng)位置呈沿線分散接入的形式效果較好。

3.2 架空網(wǎng)手拉手接線

手拉手接線模式下的設(shè)置的對比方案組及優(yōu)化結(jié)果如表3、表4所示。

表3 手拉手接線模式下的并網(wǎng)方案

表4 手拉手接線模式下的系統(tǒng)電壓影響參數(shù)

由表4可知，優(yōu)化方案能夠最大程度的提高環(huán)網(wǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓，方案2對電壓的改善性能最差。但從表3中的優(yōu)化方案可以看出，電源均在聯(lián)絡(luò)開關(guān)附近并網(wǎng)，在運(yùn)行方式改變時(shí)，易發(fā)生電壓閃變。而方案3和方案4既能對配網(wǎng)電壓起到很好的改善效果，又能避免電壓閃變，是兩種較為理想并網(wǎng)方案。從圖3中各節(jié)點(diǎn)的電壓分布可以看出，無論采用何種接入方式，DG接入能夠大幅度抬高配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓；不同的接入方式對環(huán)網(wǎng)所在的節(jié)點(diǎn)電壓影響各不相同，但對于環(huán)網(wǎng)外部的其他節(jié)點(diǎn)的電壓影響基本相同。

圖3 手拉手接線節(jié)點(diǎn)電壓分布曲線

因此，在架空網(wǎng)手拉手接線模式下，分布式電源采用沿環(huán)網(wǎng)分散接入或在環(huán)網(wǎng)中集中接入的并網(wǎng)方案均能對配網(wǎng)電壓有較好的改善效果。

3.3 電纜網(wǎng)單環(huán)式接線

電纜網(wǎng)單環(huán)式接線模式下的優(yōu)化結(jié)果及對照方案組的設(shè)置狀況與架空網(wǎng)手拉手接線相同，如表3所示。各個(gè)方案的系統(tǒng)電壓影響參數(shù)及節(jié)點(diǎn)電壓分布分別如表5、圖4所示。

可以看出，電纜網(wǎng)單環(huán)式接線與架空網(wǎng)手拉手接線的并網(wǎng)位置對電壓影響的規(guī)律性相同，只是在電壓分布上由于電纜線的線路阻抗較架空線小，減小了電壓降落，所以其各節(jié)點(diǎn)電壓均比架空線路較高。所以，從改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量的角度考慮，建議采用沿環(huán)網(wǎng)線路分散接入的模式。

表5 單環(huán)式接線模式下的系統(tǒng)電壓影響參數(shù)

圖4 電纜網(wǎng)單環(huán)式接線各方案節(jié)點(diǎn)電壓曲線

4 結(jié) 論

本文基于自適應(yīng)和聲粒子群搜索算法，以建立系統(tǒng)電壓影響參數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合IEEE-133節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配網(wǎng)系統(tǒng)，通過控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)的關(guān)合，得到不同接線模式下DG的最優(yōu)并網(wǎng)位置，并對比該接線模式下DG在其它位置并網(wǎng)時(shí)的系統(tǒng)電壓影響參數(shù)和電壓分布狀況，找出了該接線模式下DG并網(wǎng)位置對配網(wǎng)電壓影響的規(guī)律，并給出了不同接線模式下的并網(wǎng)建議，這對DG的實(shí)際應(yīng)用具有很好的參考作用。

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Study on optimization of DG access position on voltage distribution network based on AHSPSO algorithm*

YANG Ben-chen, CAO Liu，HE Jing-xiang

(Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University Liaoning,Huludao 125105,China)

For access to the location of the distributed power supply for the regularity of the distribution network voltage optimization under different connection mode,aiming to optimize the target of system voltage influence coefficient,use power balance,node voltage,branch capacity as constraints,and use AHSPSO algorithm for different connection mode of distributed power grid position to optimize the wiring mode different optimal access position.Using IEEE—33 node distribution network model for simulation comparison,analyze on influence regularity of DG grid position on distribution network voltage in different connection modes.The results show that only correctly and reasonably configurate DG access position in different connection mode can more effectively play a role of voltage support.

distributed generation(DG)； AHSPSO algorithm ； access to the location； connection mode

2016—06—12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51307076)；遼寧省教育廳一般資助項(xiàng)目(L2015213)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0053—04

TM 769

A

1000—9787(2017)06—0053—04

楊本臣(1975-)，男，博士，副教授，從事智能電網(wǎng)理論與技術(shù)工作，E—mail：ybc1975@126.com。