曹 禎

(1.國(guó)網(wǎng)上海電力設(shè)計(jì)有限公司，上海 200001；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)利用先進(jìn)技術(shù)提高了電網(wǎng)多個(gè)方面的性能，包括電網(wǎng)可靠性、電能利用率、電能轉(zhuǎn)換效率和供電質(zhì)量等[1].智能電網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中涉及控制技術(shù)、傳輸技術(shù)和分布式數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等.智能電網(wǎng)在建設(shè)過(guò)程中的重要內(nèi)容是線路規(guī)劃，良好的線路規(guī)劃可以提升電能輸送效率與電能質(zhì)量，從而保證電力市場(chǎng)的穩(wěn)定，所以對(duì)智能電網(wǎng)線路進(jìn)行規(guī)劃具有非常重要的研究意義[2].

肖楚飛等[3]提出基于慢同調(diào)理論的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法，該方法在慢同調(diào)理論的基礎(chǔ)上根據(jù)總線路數(shù)和弱連接線路數(shù)計(jì)算弱連接系數(shù)，以此構(gòu)建電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，結(jié)合慣性權(quán)重和自適應(yīng)變異的粒子群算法以及拓?fù)溥B通修復(fù)策略求解該模型，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線路的規(guī)劃，但是該方法沒(méi)有考慮工業(yè)高載能負(fù)荷，導(dǎo)致規(guī)劃的電路覆蓋率較低.陶莉等[4]提出基于拉格朗日對(duì)偶算法的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法，該方法將成本最小化、用戶效用最大化作為目標(biāo)函數(shù)，以此構(gòu)建電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，利用拉格朗日對(duì)偶算法對(duì)模型求解，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線路的規(guī)劃目標(biāo)，但是該方法沒(méi)有考慮智能電網(wǎng)中存在的商業(yè)聚合負(fù)荷，線路規(guī)劃后的信號(hào)強(qiáng)度較低.樊金柱等[5]提出基于適應(yīng)性指標(biāo)的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法，該方法根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)選取適應(yīng)性指標(biāo)，以此為依據(jù)構(gòu)建電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，針對(duì)不同電網(wǎng)規(guī)劃方案，利用主成分分析法進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃方案決策，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線路的規(guī)劃，該方法在規(guī)劃電網(wǎng)線路之前沒(méi)有考慮居民智能家用負(fù)荷，導(dǎo)致智能電網(wǎng)線路的傳輸性能較差.

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，提出考慮柔性負(fù)荷接入技術(shù)的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建方法.

1 柔性負(fù)荷接入

構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型之前，對(duì)智能電網(wǎng)中不同類型的柔性負(fù)荷接入進(jìn)行分析.

(1)工業(yè)高載能負(fù)荷

通過(guò)下式描述工業(yè)高載能負(fù)荷參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃的具體過(guò)程：

Pfl1，n=ηfl1-1,nμonPl1-ηfl1-2，nμoffPl1

(1)

式中：Pfl1，n為第n個(gè)時(shí)間段內(nèi)該類型負(fù)荷在智能電網(wǎng)線路規(guī)劃過(guò)程中的有功功率；μon為激勵(lì)系數(shù)；Pl1為該類型柔性負(fù)荷在用電區(qū)域內(nèi)的功率總值；μoff為該類型柔性負(fù)荷的中斷潛力系數(shù)；該類型負(fù)荷是否參與智能電網(wǎng)線路的規(guī)劃由決策系數(shù)ηfl1-1，n、ηfl1-2，n決定[6]，通常情況下決策系數(shù)滿足以下條件：

(2)

式中：Pload，n為第n個(gè)時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電功率；PWT，n為風(fēng)力發(fā)電在第n個(gè)時(shí)間段內(nèi)的負(fù)荷功率.

設(shè)Cfl1，n為工業(yè)柔性負(fù)荷在第n個(gè)時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的補(bǔ)償成本，則補(bǔ)償成本函數(shù)表達(dá)式如下：

(3)

式中：Δt為某一固定時(shí)間段；CPoff為該類型負(fù)荷在電網(wǎng)線路規(guī)劃過(guò)程中的補(bǔ)償單價(jià)；CPon為該類型負(fù)荷在電網(wǎng)線路規(guī)劃過(guò)程中的激勵(lì)補(bǔ)償單價(jià).

(2)商業(yè)聚合負(fù)荷

商業(yè)聚合負(fù)荷可以充分反映中小型商業(yè)用戶的需求[7]，通過(guò)下式描述商業(yè)聚合負(fù)荷參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃的過(guò)程：

Pfl2,n=-ηfl1-2,nkBcutμBcutPl2

(4)

式中：Pfl2,n為第n個(gè)時(shí)間段內(nèi)該類柔性負(fù)荷參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃的有功功率；μBcut為潛力系數(shù)；kBcut為負(fù)荷消減比例，式中的決策系數(shù)ηfl1-2,n滿足下列條件：

(5)

假設(shè)Cfl2,n為第n個(gè)時(shí)間段內(nèi)該類柔性負(fù)荷對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償成本，則補(bǔ)償成本函數(shù)的具體描述如下：

Cfl2,n=ηfl1-2,nCP,Bcut|Pfl2,n|Δt,

(6)

式中，CP,Bcut為補(bǔ)償單價(jià).

(3)居民智能家用負(fù)荷

在智能電網(wǎng)飛速發(fā)展的背景下，居家智能電表被廣泛地應(yīng)用在居民家庭中，電網(wǎng)系統(tǒng)可以通過(guò)智能電表獲取居民的電網(wǎng)需求信息，以此為依據(jù)規(guī)劃智能電網(wǎng)線路[8].該類型柔性負(fù)荷參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃產(chǎn)生的有功功率Pfl3,n可利用下式計(jì)算得到：

Pfl3,n=Pl3(ηpy,nμpy-ηfl1-3,nkHcutμHcut)

(7)

式中：Pl3為該類柔性負(fù)荷在用電區(qū)域內(nèi)的總值；kHcut為負(fù)荷消減比例；μpy為平移潛力系數(shù)；該類柔性負(fù)荷是否參與智能電網(wǎng)線路規(guī)劃由決策系數(shù)組ηpy,n、ηfl1-3,n決定，ηpy,n、ηfl1-3,n通常情況下符合下述公式[9]：

(8)

設(shè)Cfl3,n為第n個(gè)時(shí)間段內(nèi)該類柔性負(fù)荷產(chǎn)生的補(bǔ)償成本，其表達(dá)式如下：

(9)

式(9)為該類柔性負(fù)荷對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償成本函數(shù)，其中CP，Hcut為消減補(bǔ)償單價(jià)；CP，py為平移補(bǔ)償單價(jià).

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果對(duì)智能電網(wǎng)的總運(yùn)行成本C進(jìn)行計(jì)算：

(10)

式中，Cg,n為發(fā)電成本.

2 智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型

2.1 模型構(gòu)建

考慮柔性負(fù)荷接入技術(shù)，將通信可靠性和鏈路成本作為約束指標(biāo)，構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型.

通過(guò)提升站點(diǎn)成環(huán)率和路由可靠性可以保障電力傳輸網(wǎng)模型的可靠性，所有的鏈路都對(duì)應(yīng)著不同的可靠性指標(biāo)，且鏈路使用時(shí)間和工作時(shí)間可通過(guò)計(jì)算得到[10]，通過(guò)下式描述路由可靠性：

(11)

式中：φ為可靠性指標(biāo)數(shù)量最大值；vj為最小業(yè)務(wù)路由值.

在此基礎(chǔ)上可以利用站點(diǎn)數(shù)N和成環(huán)站點(diǎn)數(shù)C對(duì)成環(huán)率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果用R=C/N表示.

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緊密度可以由成環(huán)率反映，網(wǎng)絡(luò)的可靠性隨著成環(huán)率增大而變高，當(dāng)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)仍然可以正常工作[11]，設(shè)U代表的是網(wǎng)絡(luò)可靠性，可通過(guò)成環(huán)率和鏈路可靠性計(jì)算得到：

U=λ1L+λ2R，

(12)

式中：λ1為鏈路可靠性L對(duì)應(yīng)的權(quán)重；λ2為成環(huán)率可靠性R對(duì)應(yīng)的權(quán)重.

所有的鏈路成本都由運(yùn)營(yíng)成本和建設(shè)成本構(gòu)成[12]，設(shè)F代表的是智能電網(wǎng)線路規(guī)劃的成本，其計(jì)算公式如下：

(13)

式中：oi為線路在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的成本；ci為線路建設(shè)成本；當(dāng)變量xi為0時(shí)，表明線路i沒(méi)有被選中，當(dāng)變量xi為1時(shí)，表明線路i被選中.

在上述約束下，構(gòu)建智能電網(wǎng)電路規(guī)劃模型：

(14)

2.2 模型求解

在構(gòu)建考慮柔性負(fù)荷接入技術(shù)的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型后，采用改進(jìn)小生鏡遺傳算法求解智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，具體過(guò)程如下：

(1)連通性檢驗(yàn)并修正個(gè)體

為了獲取更多的模型可行解，本文主要利用連通性檢驗(yàn)方式隨機(jī)產(chǎn)生個(gè)體，并對(duì)獨(dú)立消亡和孤島的不連通個(gè)體進(jìn)行檢驗(yàn)，以此完成個(gè)體修正[13].

(2)產(chǎn)生初始種群

計(jì)算修正后個(gè)體對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值，并根據(jù)目標(biāo)值大小對(duì)其進(jìn)行排序，在此基礎(chǔ)上選取前M個(gè)目標(biāo)值較大的個(gè)體構(gòu)成初始種群.

(3)選取適應(yīng)度函數(shù)

通過(guò)下式計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)值F，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果淘汰不符合要求的個(gè)體：

(15)

式中：F(x,y)為最小化目標(biāo)值；Cmax為合理目標(biāo)值的最大值.

(4)逆轉(zhuǎn)操作

后期群體通常趨于一致，為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文通過(guò)逆轉(zhuǎn)操作隨機(jī)選取的較差個(gè)體，以此提高個(gè)體在后期的多樣性，并增強(qiáng)算法在求解智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型時(shí)的局部尋優(yōu)能力[14].

(5)補(bǔ)算操作

利用變異操作獲取個(gè)體的子體時(shí)，有可能產(chǎn)生劣質(zhì)個(gè)體，為了提高個(gè)體的質(zhì)量，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)算操作[15].

(6)小生鏡淘汰運(yùn)算

小生鏡淘汰運(yùn)算的實(shí)質(zhì)就是對(duì)個(gè)體群體中的海明距離||Xi-Xj||進(jìn)行計(jì)算：

(16)

式中，xik、xjk為群體中存在的個(gè)體，當(dāng)海明距離小于預(yù)先設(shè)定的距離Q時(shí)，對(duì)比個(gè)體之間的適應(yīng)度，懲罰適應(yīng)度較低的個(gè)體：

(17)

式中，q為懲罰項(xiàng).通過(guò)上述過(guò)程保留下來(lái)的個(gè)體即為智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型的最優(yōu)解，輸出最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的線路規(guī)劃.

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證考慮柔性負(fù)荷接入技術(shù)的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建方法的整體有效性，需要對(duì)該方法進(jìn)行測(cè)試.

測(cè)試區(qū)域有110 kV變電站3座，分別為變電站1、變電站2、變電站3，10 kV中壓線路16條，其中從變電站1出線5條，變電站2出線7條，變電站3出線4條.新建110 kV變電站1座，新增10 kV線路10條.

為了方便統(tǒng)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有線路進(jìn)行編號(hào)，結(jié)果如表1所示.

表1 線路編號(hào)

原有線路以及計(jì)劃新建線路的負(fù)荷情況如表2所示.

表2 負(fù)荷情況

表2(續(xù))

將本文方法應(yīng)用至該區(qū)域的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃中，則規(guī)劃效果如圖1所示.

圖1 規(guī)劃效果Fig.1 Effect of planning

分析圖1可知，采用本文方法進(jìn)行智能電網(wǎng)線路規(guī)劃后，線路覆蓋率增加，各變電站之間的聯(lián)系加強(qiáng)，且不存在獨(dú)立線路，說(shuō)明考慮柔性負(fù)荷接入技術(shù)的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型應(yīng)用效果更好.

將覆蓋率、信號(hào)強(qiáng)度和傳輸性能作為測(cè)試指標(biāo)，測(cè)試考慮柔性負(fù)荷接入技術(shù)的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建方法(方法1)、基于慢同調(diào)理論的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法(方法2)和基于拉格朗日對(duì)偶算法的電網(wǎng)線路規(guī)劃方法(方法3)的整體有效性.

(1)線路覆蓋率

不同方法的線路覆蓋率如圖2所示.

圖2 線路覆蓋率Fig.2 Line coverage

分析圖2中的數(shù)據(jù)可知，在不同區(qū)域中方法1規(guī)劃的智能電網(wǎng)線路的覆蓋率較高，均達(dá)到80%以上，方法2和方法3規(guī)劃的智能電網(wǎng)線路的覆蓋率在60%上下波動(dòng)，說(shuō)明這兩種方法規(guī)劃的線路無(wú)法覆蓋一些用電區(qū)域.對(duì)比測(cè)試結(jié)果可知，方法1規(guī)劃的智能電網(wǎng)線路覆蓋率最高，因?yàn)榉椒?在構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型之前，對(duì)不同類型的柔性負(fù)荷進(jìn)行了分析，根據(jù)不同區(qū)域的柔性負(fù)荷規(guī)劃智能電網(wǎng)線路，提高了線路的覆蓋率.

(2)信號(hào)強(qiáng)度

不同方法的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3所示.

圖3 信號(hào)強(qiáng)度Fig.3 Signal strength

分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，不同區(qū)域接收的信號(hào)強(qiáng)度在不同方法中的差異較大，方法1規(guī)劃的智能電網(wǎng)中各區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度較高，方法2和方法3規(guī)劃的智能電網(wǎng)中各區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度較低，因?yàn)榉椒?分析了不同區(qū)域的柔性負(fù)荷，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了負(fù)荷補(bǔ)償，提高了信號(hào)接收區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度.

(3)傳輸性能

不同方法的傳輸性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示.

圖4 傳輸性能測(cè)試結(jié)果Fig.4 Transmission performance test results

分析圖4可知，隨著傳輸距離的增加，方法1的信號(hào)強(qiáng)度基本保持不變，且信號(hào)強(qiáng)度處于平穩(wěn)狀態(tài)，說(shuō)明信號(hào)基本不受傳輸距離的影響；隨著傳輸距離的增加，方法2和方法3的信號(hào)強(qiáng)度有所降低，且信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)較大，表明以上兩種方法的信號(hào)強(qiáng)度受傳輸距離的影響較大.根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，方法1的傳輸性能較好，因?yàn)榉椒?在電網(wǎng)柔性負(fù)荷的基礎(chǔ)上將通信可靠性作為約束條件，構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，保障了電網(wǎng)通信的可靠性，提高了智能電網(wǎng)的傳輸性能.

4 結(jié)束語(yǔ)

電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、業(yè)務(wù)數(shù)量和業(yè)務(wù)種類隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展不斷增加，為了滿足用戶的業(yè)務(wù)需求，以及電力通信網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)高效性和可靠性，需要對(duì)智能電網(wǎng)的路線進(jìn)行規(guī)劃.目前智能電網(wǎng)線路規(guī)劃方法存在線路覆蓋率低、信號(hào)強(qiáng)度差和傳輸性能差的問(wèn)題，提出考慮柔性負(fù)荷接入技術(shù)的智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型構(gòu)建方法，對(duì)智能電網(wǎng)不同類型的柔性負(fù)荷進(jìn)行重點(diǎn)考慮，以此構(gòu)建智能電網(wǎng)線路規(guī)劃模型，通過(guò)求解模型實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)線路的規(guī)劃.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法提高了智能電網(wǎng)的線路覆蓋率及信號(hào)強(qiáng)度，并優(yōu)化了傳輸性能，為智能電網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).