朱 勇 陶用偉 李澤群 何 靜 王常沛 石祖昌
(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司凱里供電局 凱里 556000)
配電網(wǎng)重構(gòu)的含義是當(dāng)配電網(wǎng)在正常運(yùn)行或故障運(yùn)行時(shí),利用網(wǎng)絡(luò)中分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)的改變使配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之變化,從而使配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)為最優(yōu)的一種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式[1]。
目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)含有分布式電源的配電網(wǎng)重構(gòu)已進(jìn)行了大量的研究。對(duì)于配電網(wǎng)重構(gòu)模型的建立,主要采用基于概率的場(chǎng)景分析法[2]、同步回代縮減法[3]等,而對(duì)于分布式電源和負(fù)荷的不確定性描述,可采用區(qū)間數(shù)法[4]、多狀態(tài)理論[5]等,且重構(gòu)模型中的各參數(shù)采用期望值[6]表示。在求解含分布式電源的配電網(wǎng)重構(gòu)時(shí),可采用改進(jìn)的二進(jìn)制量子粒子群算法[7]、遺傳算法[8]等。雖然不同程度地考慮了分布式電源和負(fù)荷的不確定性,但在實(shí)際情況中,分布式電源不僅有不確定性,同時(shí)分布式電源和負(fù)荷間還存在一定的相關(guān)性。
針對(duì)以上文獻(xiàn)的不足,本文引入機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型,以配電網(wǎng)有功網(wǎng)損滿足一定置信水平的悲觀值為目標(biāo),以節(jié)點(diǎn)電壓和支路功率不越線概率為約束條件,基于等概率轉(zhuǎn)換原則和Cholesky解提出了風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷相關(guān)隨機(jī)樣本抽樣方法,由此建立了同時(shí)考慮風(fēng)速、光照和負(fù)荷的不確定性和相關(guān)性的配電網(wǎng)重構(gòu)模型。
風(fēng)力發(fā)電的輸出功率取決于當(dāng)前時(shí)刻的風(fēng)速大小,而風(fēng)速主要受氣象因素的影響,目前,大部分研究一般認(rèn)為風(fēng)速服從weibull分布[9]。其概率密度函數(shù)以及概率分布函數(shù)表達(dá)式如下:
式中,v為風(fēng)速;c、k分別為威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。當(dāng)已知風(fēng)速后,風(fēng)力發(fā)電的輸出功率可由下式近似求得:
式中,Pr為風(fēng)力發(fā)電的額定有功輸出功率;vci、vr、vco分別風(fēng)力發(fā)電的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速。其中:
光伏電源主要依賴于太陽能電池,其輸出功率隨光照強(qiáng)度的變化而變化[10]。定義標(biāo)準(zhǔn)化光照強(qiáng)度H為實(shí)際光照強(qiáng)度r與最大光照強(qiáng)度rmax的比值,即
據(jù)統(tǒng)計(jì),在一定時(shí)段內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化光照強(qiáng)度H可近似看做服從Beta分布[11]。其概率密度函數(shù)以及累積分布函數(shù)表達(dá)式如下:
式中,Γ為Gamma函數(shù);α、β為Beta分布的形狀參數(shù)。已知光照強(qiáng)度后,其輸出功率可由下式近似求得[12]:
式中,A為光伏陣列的總面積;η為光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。
配電網(wǎng)中的負(fù)荷具有不確定性,一般認(rèn)為負(fù)荷服從正態(tài)分布。此時(shí),對(duì)于節(jié)點(diǎn)i,其有功功率PL的概率密度函數(shù)為
式中,μP、σP分別為負(fù)荷有功功率的期望和標(biāo)準(zhǔn)差;QL為負(fù)荷的無功功率;φ為負(fù)荷的功率因數(shù)角。
假定風(fēng)速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷采用隨機(jī)變量Xi表示,服從的累積分布函數(shù)用FXi表示。根據(jù)等概率轉(zhuǎn)換原則[13],可將隨機(jī)變量 Xi轉(zhuǎn)換為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量Yi。即
當(dāng)已知隨機(jī)變量序列{Yi}時(shí),則可通過下式的逆變換得到原始的風(fēng)速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷序列{Xi},即
式中,φ(Yi)為Yi的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)累積分布函數(shù),為累積分布函數(shù)FXi的逆函數(shù)。因此,結(jié)合相關(guān)系數(shù)定義和以上轉(zhuǎn)換關(guān)系可得轉(zhuǎn)換前后的相關(guān)系數(shù)的函數(shù)關(guān)系[14]為
式中,σi、σj分別為隨機(jī)變量 Xi、Xj的標(biāo)準(zhǔn)差,μi、μj分別為隨機(jī)變量 Xi、Xj的均值。 φρY(i,j)表示相關(guān)系數(shù)為ρy(i,j)的標(biāo)準(zhǔn)二元正態(tài)分布的概率密度函數(shù)。
由式(13)可看出,風(fēng)速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷任意兩者間的相關(guān)系數(shù)ρx(i,j)為變換后隨機(jī)變量Yi和Yj間相關(guān)系數(shù) ρy(i,j)的復(fù)雜非線性函數(shù),一定精度下可采用二分法由 ρx(i,j)求解得 ρy(i,j)。同時(shí),由于Yi服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,因此其協(xié)方差矩陣CY與相關(guān)系數(shù)矩陣相等。由此,產(chǎn)生具有相關(guān)性的風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷樣本數(shù)據(jù)的步驟如下:
步驟一:根據(jù)原始隨機(jī)變量分布模型、相關(guān)參數(shù)信息和相關(guān)系數(shù)由式(13)求解得變換后隨機(jī)變量協(xié)方差矩陣CY中的每個(gè)元素。
步驟二:對(duì)協(xié)方差矩陣CY進(jìn)行Cholesky分解[15],使得CY=LLT,得到下三角矩陣 L 。
步驟三:產(chǎn)生n維相互獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機(jī)向量W。
步驟四:利用矩陣 L對(duì)W進(jìn)行變換,使Y=LWT,得到具有相關(guān)性的正態(tài)分布向量Y,該向量滿足協(xié)方差矩陣為CY。
步驟五:對(duì)Y中每維向量分別進(jìn)行逆變換,計(jì)算出X中對(duì)應(yīng)的各元素,得到的X中每維向量即為服從不同指定分布同時(shí)具有給定相關(guān)系數(shù)ρx(i,j)的風(fēng)速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷樣本。
風(fēng)力發(fā)電和光伏電源并網(wǎng)后,一方面會(huì)引起配電網(wǎng)的潮流發(fā)生改變[16],另一方面風(fēng)力發(fā)電和光伏電源輸出功率的不確定性增大了配電網(wǎng)重構(gòu)問題的求解難度[17],傳統(tǒng)的配電網(wǎng)重構(gòu)模型不再適用于含風(fēng)力發(fā)電和光伏電源的配電網(wǎng)。
以滿足一定置信水平α的有功網(wǎng)損悲觀值最小為目標(biāo)函數(shù),其表達(dá)式為
式中,N為總支路數(shù);ki為開關(guān)狀態(tài)變量;ri為支路i的電阻;Pi、Qi分別為支路i流過的有功功率和無功功率;Vi為支路i的末端節(jié)點(diǎn)電壓。
在進(jìn)行配電網(wǎng)重構(gòu)過程中,還需滿足以下約束條件:
1)潮流約束
式中,Pi、Qi分別為節(jié)點(diǎn)i的注入有功功率和無功功率;Vi為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值;Gij、Bij和 θij分別為節(jié)點(diǎn)i、j之間的電導(dǎo)、電納和電壓相角差。
2)節(jié)點(diǎn)電壓約束
式中,Vimin和Vimax分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓上、下限值;βV為節(jié)點(diǎn)電壓需滿足的置信水平。
3)支路容量約束
式中,Sj,Sjmax分別為支路 j的視在功率和最大視在功率;βS為支路功率需滿足的置信水平。
4)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束
配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)必須保持輻射狀,且網(wǎng)絡(luò)中不存在孤島和環(huán)網(wǎng)[18]。
蒙特卡洛模擬法[19]具有原理簡(jiǎn)單,可考慮輸入隨機(jī)變量相關(guān)性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化以及精度高等優(yōu)點(diǎn),因此本文基于風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷間的相關(guān)模型,結(jié)合蒙特卡洛模擬給出了考慮風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷相關(guān)性的隨機(jī)潮流方法,其計(jì)算步驟如下:
步驟一:輸入網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù),風(fēng)速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷概率分布模型的相關(guān)參數(shù)信息,設(shè)定最大采樣規(guī)模為N,初始迭代次數(shù)k=0。
步驟二:由上一節(jié)的相關(guān)性分析方法產(chǎn)生具有相關(guān)性的N組風(fēng)速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷隨機(jī)樣本,根據(jù)光照強(qiáng)度和風(fēng)速的隨機(jī)樣本利用相應(yīng)的輸出功率模型計(jì)算風(fēng)力發(fā)電和光伏電源輸出的有功功率和無功功率,進(jìn)而得到配電網(wǎng)的N運(yùn)行狀態(tài)。
步驟三:基于配電網(wǎng)前推回代潮流計(jì)算方法,對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行第k次確定性潮流計(jì)算,并保留本次潮流計(jì)算結(jié)果,其中k<N。
步驟四:判斷隨機(jī)潮流是否滿足收斂條件,若不滿足,令k=k+1,返回上一步,進(jìn)行確定性潮流計(jì)算;若滿足,直接進(jìn)入下一步驟。本文采用的收斂判據(jù)為有功網(wǎng)損的方差系數(shù)。
步驟五:統(tǒng)計(jì)各次潮流計(jì)算結(jié)果,采用非參數(shù)核密度估計(jì)法擬合得到配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓、有功網(wǎng)損的概率分布,繪制概率密度曲線。
粒子群優(yōu)化算法由Kennedy和Eberhart教授于1995年首次提出[20],是受鳥群覓食行為啟發(fā),該算法的優(yōu)點(diǎn)在于易理解,簡(jiǎn)單,收斂速度快等。傳統(tǒng)的基本粒子群算法中,每個(gè)粒子代表問題的一個(gè)解,對(duì)應(yīng)一個(gè)適應(yīng)值,即目標(biāo)函數(shù)值。假設(shè)粒子為D維,第i個(gè)粒子的位置 Xi為[xi1,xi1,…,xiD],對(duì)應(yīng)飛行速度Vi為[vi1,vi1,…,viD],產(chǎn)生的個(gè)體最優(yōu)位置 Pi,best為[pi1,pi2,…,piD],全局最優(yōu)位置 Pg,best為[Pg1,Pg2,...,PgD],迭代過程中,粒子根據(jù)當(dāng)前的速度、全局最優(yōu)解以及粒子歷史最優(yōu)解進(jìn)行狀態(tài)更新,從而得到新的飛行速度和位置。其更新過程按下式進(jìn)行:
式中,w為慣性權(quán)重;vi為第i個(gè)粒子的速度;c1、c2為學(xué)習(xí)因子;r1和r2為區(qū)間[0,1]內(nèi)的隨機(jī)數(shù);xi為第i個(gè)粒子的位置;pi,best為第i個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)值;pg,best為全局最優(yōu)值。
在配電網(wǎng)重構(gòu)過程中,粒子的位置應(yīng)為整數(shù)值,而在傳統(tǒng)的基本粒子群算法中粒子的位置向量Xi為連續(xù)空間內(nèi)的值,因此,本文在實(shí)現(xiàn)整數(shù)粒子群算法的迭代過程中,將位置向量Xi進(jìn)行截?cái)嗳≌財(cái)嘁?guī)則為:當(dāng)位置向量Xi中某維元素值小于1時(shí),則該元素取為1;當(dāng)位置向量 Xi中某維元素值大于該環(huán)路中開關(guān)位置最大編碼時(shí),則該元素取環(huán)路中開關(guān)位置最大編碼值;當(dāng)處于兩者間時(shí),則該元素取最接近的開關(guān)位置編碼值。同時(shí)在粒子群中引入自適應(yīng)調(diào)整的慣性權(quán)重,如下式:
式中,wmax,wmin分別為慣性權(quán)重的最大值和最小值;k為粒子當(dāng)前迭代次數(shù);kmax為粒子最大迭代次數(shù)。
本文采用基于基本環(huán)路的整數(shù)編碼規(guī)則[21],選取包含支路數(shù)最少的閉合回路作為基本環(huán)路,將開關(guān)所在基本環(huán)路中的位置編號(hào)作為粒子編碼。將解環(huán)效果相同的支路合并為等效支路組進(jìn)行編號(hào),根據(jù)斷開開關(guān)所屬等效支路組建立斷開支路組向量M ,通過M 判斷該粒子是否為有效解[22]:
式中,N為獨(dú)立環(huán)路數(shù),與聯(lián)絡(luò)開關(guān)個(gè)數(shù)相同;mi為環(huán)路i中斷開開關(guān)對(duì)應(yīng)的支路組編號(hào)。
考慮風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷多維隨機(jī)變量之間的相關(guān)性的配電網(wǎng)重構(gòu)算法步驟如下,流程圖如圖1所示。
圖1 考慮相關(guān)性的配電網(wǎng)重構(gòu)流程圖
1)輸入配電網(wǎng)的初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),各支路阻抗,采用具有相關(guān)性的風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷隨機(jī)樣本數(shù)據(jù),并得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電和光伏電源輸出有功功率和無功功率。
2)隨機(jī)初始化粒子種群,設(shè)置算法參數(shù)、最大迭代次數(shù)為Gmax,初始迭代次數(shù)g=1。
3)基于斷開支路組向量依次判斷粒子的可行性,并對(duì)無效解進(jìn)行修復(fù);根據(jù)蒙特卡洛隨機(jī)潮流算法計(jì)算粒子的適應(yīng)度值,得到粒子的歷史最優(yōu)位置、全局最優(yōu)位置。
4)判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù),若未達(dá)到,令g=g+1,根據(jù)迭代公式對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更新,返回第3)步繼續(xù)迭代;若已達(dá)最大迭代次數(shù)Gmax,則輸出配電網(wǎng)重構(gòu)結(jié)果。
采用IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)[23]為例對(duì)本文算法進(jìn)行驗(yàn)證,并分析不同相關(guān)程度對(duì)配電網(wǎng)重構(gòu)的影響,IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)含有33個(gè)節(jié)點(diǎn),37條支路,5個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān),額定電壓為12.66kV,網(wǎng)絡(luò)總負(fù)荷為3715kW+j2300kvar。假設(shè)在節(jié)點(diǎn)24接入一臺(tái)額定功率為500kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī),其切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速分別為3m/s、13m/s、25m/s;在節(jié)點(diǎn)32接入一個(gè)光伏電源,該光伏電源包含4個(gè)光伏陣列,光伏陣列采用Pilkington SFM144H*250wp型太陽能電池組件[24],每個(gè)光伏陣列組件個(gè)數(shù)為400個(gè),單個(gè)組件面積為2.16m2,光電轉(zhuǎn)換效率為13.44%。風(fēng)速服從形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)c分別為1.83和9.93的威布爾分布,光照強(qiáng)度服從分布參數(shù)α和β分別為2.06和2.5的貝塔分布。風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電源采用恒功率因數(shù)控制,額定功率因數(shù)均為0.9。各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷以其期望值為均值,取標(biāo)準(zhǔn)差為10%。
圖2 IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)
表1為不同情形下的配電網(wǎng)的有功網(wǎng)損和標(biāo)準(zhǔn)差,其中情形1為不含風(fēng)力發(fā)電和光伏電源,只考慮負(fù)荷的不確定性;情形2~情形7為含風(fēng)力發(fā)電和光伏電源,考慮風(fēng)速、光照強(qiáng)度、負(fù)荷間相關(guān)系數(shù)分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1。
表1 不同情形下的配電網(wǎng)有功網(wǎng)損
首先,將含有風(fēng)力發(fā)電和光伏電源的情形2~7與不含風(fēng)力發(fā)電和光伏電源的情形1對(duì)比,配電網(wǎng)的有功網(wǎng)損期望值、90%置信度的有功網(wǎng)損悲觀值均明顯降低,說明分布式電源的接入能夠改善系統(tǒng)的潮流分布,減小配電網(wǎng)的有功網(wǎng)損,從而使系統(tǒng)能夠更加經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行;其次,對(duì)比情形2~7,有功網(wǎng)損的期望值隨相關(guān)系數(shù)的增大略有下降,但并不明顯,情形7與情形2相比,有功網(wǎng)損期望值減小了2.6078kW,但是隨著相關(guān)系數(shù)的增大,有功網(wǎng)損在90%置信度下的有功網(wǎng)損悲觀值均明顯降低,情形7與情形2相比,降低了33.2414kW;最后,對(duì)比情形2~7,隨著相關(guān)系數(shù)的增大,有功網(wǎng)損的標(biāo)準(zhǔn)差也明顯減小,情形7與情形2相比,有功網(wǎng)損標(biāo)準(zhǔn)差降低了20.9806kW,高達(dá)51.1%。由此可見,配電網(wǎng)的有功網(wǎng)損隨風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷的相關(guān)程度的變化而變化,因此,在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流分析時(shí)不能忽略其影響。
圖3給出了情形2~7的配電網(wǎng)有功網(wǎng)損的概率密度曲線,可得出以下結(jié)論:隨著相關(guān)系數(shù)的增大,配電網(wǎng)的有功網(wǎng)損分布更加集中,波動(dòng)減小。
圖3 有功網(wǎng)損概率密度曲線
圖4 和圖5分別為情形1~7的各節(jié)點(diǎn)電壓幅值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差曲線。由圖4和圖5可知:風(fēng)力發(fā)電和光伏電源接入配電網(wǎng)后,各節(jié)點(diǎn)電壓幅值的期望值均得到了明顯的提高,表明分布式電源的接入能夠有效改善各節(jié)點(diǎn)的電壓水平;隨著相關(guān)系數(shù)的增大,各節(jié)點(diǎn)電壓的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小,即電壓波動(dòng)減小。
圖4 各節(jié)點(diǎn)電壓幅值均值曲線
圖5 各節(jié)點(diǎn)電壓幅值標(biāo)準(zhǔn)差曲線
圖6為情形2~7節(jié)點(diǎn)18電壓幅值的概率密度曲線。分析圖6可得到如下結(jié)論:隨著相關(guān)系數(shù)的增大,節(jié)點(diǎn)18的電壓幅值分布更為集中,即波動(dòng)性減小,這與前述結(jié)論一致;在低電壓段和高電壓段時(shí),隨著相關(guān)系數(shù)的增大,節(jié)點(diǎn)的越線概率減小。
圖6 節(jié)點(diǎn)18的電壓概率密度曲線
基于以上的隨機(jī)潮流分析,設(shè)置最大迭代次數(shù)為50次,種群數(shù)量為50,目標(biāo)函數(shù)有功網(wǎng)損的置信水平α=0.9,節(jié)點(diǎn)電壓置信水平βV與支路功率置信水平 βS一致,即取 β=βV=βS=0.9,對(duì)IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)。
表2為情形2~7重構(gòu)前后90%置信水平下有功網(wǎng)損悲觀值的結(jié)果對(duì)比。由表2可知,通過重構(gòu),90%置信水平下的有功網(wǎng)損悲觀值均得到明顯降低,說明通過配電網(wǎng)重構(gòu)可有效改善系統(tǒng)潮流分布,減小配電網(wǎng)的有功網(wǎng)損,使配電網(wǎng)能夠更加經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。
表2 重構(gòu)前后結(jié)果對(duì)比
表3為情形2~7配電網(wǎng)的重構(gòu)結(jié)果。由表3可知,相關(guān)程度的強(qiáng)弱會(huì)引起配電網(wǎng)重構(gòu)結(jié)果發(fā)生變化,情形2~情形4(相關(guān)系數(shù)分別為0、0.2、0.4)斷開開關(guān)均為7、14、9、36、28;情形5和情形6(相關(guān)系數(shù)分別為0.6、0.8)斷開開關(guān)為7、14、9、32、37;情形7(相關(guān)系數(shù)為1)斷開開關(guān)為7、14、9、36、37;這主要是因?yàn)殡S著相關(guān)系數(shù)增大,電壓越線概率逐漸減小,因此,在對(duì)含有風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的配電網(wǎng)進(jìn)行重構(gòu)時(shí),忽略風(fēng)速、光照和負(fù)荷相關(guān)性會(huì)給重構(gòu)結(jié)果造成誤差。
表3 配電網(wǎng)重構(gòu)結(jié)果
本文基于等概率原則和Cholesky分解提出了風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷的相關(guān)隨機(jī)樣本抽樣方法,采用蒙特卡洛模擬法計(jì)算配電網(wǎng)的隨機(jī)潮流,并引入機(jī)會(huì)約束規(guī)劃理論建立了配電網(wǎng)重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。算例結(jié)果表明,風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷相關(guān)性強(qiáng)弱會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的潮流結(jié)果和重構(gòu)方案產(chǎn)生影響。因此,在對(duì)含風(fēng)力發(fā)電和光伏電源的配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算和重構(gòu)時(shí),不能忽略風(fēng)速、光照強(qiáng)度和負(fù)荷間的相關(guān)性,否則會(huì)對(duì)隨機(jī)潮流結(jié)果和重構(gòu)方案造成誤差。