黃文斌 林宣鶴 陳偉偉

引言

據(jù)中國(guó)電力統(tǒng)計(jì)，2021年全社會(huì)用電量快速增長(zhǎng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，裝機(jī)容量不斷增加，設(shè)備技術(shù)水平不斷提高，存在容量大、電壓質(zhì)量差、功率比低、損耗率高、嚴(yán)重低壓遠(yuǎn)距離和控制不足等問題。由于中國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)裝置數(shù)量日益增多，起動(dòng)與制動(dòng)現(xiàn)象越來(lái)越普遍，對(duì)電網(wǎng)形成了極大的影響，也影響著其他裝置的正常工作，對(duì)能效造成了嚴(yán)重威脅。城市供電網(wǎng)絡(luò)中為了滿足供電需要，將與用戶之間直接消耗的無(wú)功功率直接向根節(jié)點(diǎn)供電時(shí)，由于城市供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了很大的電壓，城市配電網(wǎng)的總電壓水平相對(duì)較低。因此，城市配電網(wǎng)的消耗不斷提高。

一、含分布式電源的配網(wǎng)的現(xiàn)狀

（一）配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的意義

根據(jù)各種耗電、轉(zhuǎn)換和傳輸元件的電壓等級(jí)，配電網(wǎng)可分為高壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)。主要的損耗、交換和傳輸元件，包括主異步電機(jī)、交流變壓器和輸電線路，因此產(chǎn)生了大量無(wú)用功率。電子傳感器可以在某部分存儲(chǔ)或吸收的電能，并反映出部分儲(chǔ)存的電能，無(wú)功功率控制不能直接消耗電能，而無(wú)用功耗的多少也只反映電子傳感器可以儲(chǔ)存和釋放電能的多少。但是，由于電網(wǎng)中的無(wú)用功率傳遞在電網(wǎng)的各種器件中形成了無(wú)功功率分量，從而造成總電壓增大，這些器件的有效損耗隨著電阻增大，能量消耗也隨之增大[1]。因此，盡管電網(wǎng)中的無(wú)功傳遞無(wú)法完全避免，但是電網(wǎng)中的無(wú)功傳遞卻能夠適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)的需要，特別是在遠(yuǎn)程傳輸，從而能夠最大限度地降低無(wú)功消耗。

一旦沒有有效電源在電網(wǎng)中長(zhǎng)距離傳播，進(jìn)一步削弱電網(wǎng)壓力，將造成嚴(yán)重的電網(wǎng)崩潰。另外，當(dāng)無(wú)效電源進(jìn)入線路中，也會(huì)提高電力、變壓器和導(dǎo)線之間的有效電源消耗，進(jìn)而降低功率因數(shù)，這也損害了電器的工作效能，狀況嚴(yán)重時(shí)，家用電器甚至可能無(wú)法正常運(yùn)行。由于供電設(shè)施和輸電線路數(shù)量的增加，無(wú)功補(bǔ)償對(duì)供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行非常關(guān)鍵，需要補(bǔ)償更多的無(wú)功電源要克服電力系統(tǒng)中運(yùn)行的許多問題，我們須對(duì)無(wú)功功率、無(wú)功補(bǔ)償和低電壓進(jìn)行充分的管理，以提高配電網(wǎng)的電力品質(zhì)，并發(fā)揮各功率器件的優(yōu)點(diǎn)，以減少網(wǎng)損。無(wú)功功率控制系統(tǒng)的合理優(yōu)化，將使電網(wǎng)工作變得更加安全、平穩(wěn)和經(jīng)濟(jì)。通過采用合理優(yōu)化無(wú)功功率控制系統(tǒng)，能夠優(yōu)化無(wú)功的分配，從而有效減少了功率因數(shù)損失和電流消耗，并提高了電流質(zhì)量，使設(shè)備更加可靠、穩(wěn)定地工作。

（二）分布式發(fā)電研究的意義

目前，分布式發(fā)電的定義尚未標(biāo)準(zhǔn)化，常用的定義分為兩類。首先，為了滿足某些用戶的需求或支持現(xiàn)有配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，分散發(fā)電是必要的。近年來(lái)，由于電網(wǎng)供電不能滿足應(yīng)急供電和邊遠(yuǎn)地區(qū)的特殊需要，需要加大分布式電源發(fā)電和新能源發(fā)電來(lái)滿足供給需求，減少城市電網(wǎng)擁堵：在城市電網(wǎng)或中低壓輸電網(wǎng)中，增加供電能力，提供足夠的電能，可以根據(jù)使用能力形成分散發(fā)電。雖然電網(wǎng)中的無(wú)功傳遞無(wú)法完全避免，但是電網(wǎng)中的無(wú)功傳遞卻能夠適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)的需要，特別是在遠(yuǎn)程傳輸，能夠最大限度地降低無(wú)功消耗。

供暖、空調(diào)和電力服務(wù)：內(nèi)部和外部燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和其他分散發(fā)電廠在供暖和制冷期間提供電能，滿足用戶的特殊需求，具有經(jīng)濟(jì)性和控制靈活的優(yōu)勢(shì)。

分散發(fā)電作為電網(wǎng)調(diào)峰的優(yōu)化配置工具，可以根據(jù)電網(wǎng)的最大經(jīng)濟(jì)活動(dòng)調(diào)整分散發(fā)電的發(fā)電功率和儲(chǔ)能裝置，以填補(bǔ)輸電線路的谷峰，解決遠(yuǎn)程供電問題，提供暖通空調(diào)服務(wù)。提高效率：大多數(shù)分布式發(fā)電機(jī)配備高效節(jié)能裝置，以充分利用能源。減少污染：分散的可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的污染幾乎為零。其他分散發(fā)電也具有低排放、低噪音和遠(yuǎn)低于一般集中發(fā)電功耗的特點(diǎn)[2]。

（三）分布式發(fā)電的問題探討

對(duì)電網(wǎng)損耗的影響，當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)連接到近負(fù)荷配電網(wǎng)時(shí)，適用于整個(gè)配電系統(tǒng)電流分配的分布式發(fā)電技術(shù)可導(dǎo)致輸電網(wǎng)損耗的增加或減少。

當(dāng)輸電網(wǎng)絡(luò)接入風(fēng)能和太陽(yáng)能系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)ζ溆绊懞艽?，其性能具有不?guī)則變化的特點(diǎn)。因此，配電網(wǎng)的負(fù)荷分布總是變化的，系統(tǒng)的電流具有隨機(jī)變化的特點(diǎn)，需要一種快速、準(zhǔn)確的智能算法來(lái)分析、監(jiān)控和歸納分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分布，從而使分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

在靜止?fàn)顟B(tài)下，當(dāng)配電網(wǎng)中的電壓沿電流方向持續(xù)下降時(shí)，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)通常是徑向的，由于傳輸?shù)焦╇娤到y(tǒng)的有效功率降低，以及分布式發(fā)電系統(tǒng)提供的無(wú)效功率降低，饋線沿線每個(gè)負(fù)載節(jié)點(diǎn)的電壓升高。

（四）分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

分布式發(fā)電是一種經(jīng)濟(jì)高效、靈活且環(huán)保的發(fā)電方式，它對(duì)傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)配置、可靠性和電力市場(chǎng)規(guī)劃都有很大的影響。

配電網(wǎng)規(guī)劃是在現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃和負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線的基礎(chǔ)上，在滿足供電安全可靠的前提下，將分布式發(fā)電引入配電網(wǎng)，從而增加整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)，確定系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)方案。配電網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)設(shè)置分布式發(fā)電，實(shí)現(xiàn)用戶自供電。隨著分布式發(fā)電在配電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用，配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型發(fā)生了變化，預(yù)測(cè)的復(fù)雜性和不確定性增加，影響了配電網(wǎng)的規(guī)劃。其次，將分布式發(fā)電引入配電網(wǎng)增加了整個(gè)規(guī)劃系統(tǒng)的復(fù)雜性。由于分布式系統(tǒng)的規(guī)劃問題是一個(gè)具有多個(gè)約束和目標(biāo)的離散非線性動(dòng)態(tài)規(guī)劃問題，其動(dòng)態(tài)屬性往往與節(jié)點(diǎn)數(shù)有關(guān)。在分布式系統(tǒng)中，必須考慮數(shù)以千計(jì)的節(jié)點(diǎn)負(fù)載變化，隨著分散發(fā)電引入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)的運(yùn)行模式發(fā)生了變化。由于配電網(wǎng)是單向的電力流動(dòng)，配電網(wǎng)的運(yùn)行方式也發(fā)生了很大的變化，配電系統(tǒng)接入分布式電源后，其安全性和穩(wěn)定性受到很大影響。

由于分散發(fā)電的間歇性，分散發(fā)電的實(shí)現(xiàn)依賴于電力電子控制技術(shù)，但通過多個(gè)電力電子裝置的應(yīng)用，非線性負(fù)荷增加，會(huì)導(dǎo)致電壓波形畸變，電網(wǎng)變化，電網(wǎng)和諧污染。有兩個(gè)主要影響，諧波污染和電壓變化。電力電子設(shè)備的引入，不可避免地會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)許多諧波，諧波的幅度取決于分散發(fā)電和變流器的運(yùn)行模式。配電網(wǎng)中分散發(fā)電的停運(yùn)和輸出功率的短期大幅變化對(duì)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量有負(fù)面影響。隨著配電網(wǎng)電流流向和規(guī)模的變化，配電網(wǎng)的電壓也會(huì)發(fā)生變化，原有的電壓控制方法已不能適應(yīng)分布式配電系統(tǒng)的電壓控制方法，分散發(fā)電的配電網(wǎng)須滿足電能質(zhì)量的要求。

分散發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是放射狀的，具有結(jié)構(gòu)靈活、供電可靠性高的特點(diǎn)，將分布式發(fā)電引入配電系統(tǒng)后，將輻射狀配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有網(wǎng)絡(luò)化電源和用戶的電網(wǎng)。因此，當(dāng)分布式發(fā)電機(jī)工作時(shí)，剩余電流減小，這可能導(dǎo)致繼電保護(hù)失效。

分散發(fā)電對(duì)分布式網(wǎng)絡(luò)的影響，分散發(fā)電機(jī)組接入配電網(wǎng)后，不僅會(huì)影響配電系統(tǒng)的規(guī)劃、電能質(zhì)量和繼電保護(hù)，還存在配電網(wǎng)損耗、可靠性、電力市場(chǎng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，需要進(jìn)一步研究。

二、無(wú)功優(yōu)化混合算法

（一）含分布式電源的配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化

無(wú)功功率優(yōu)化就是在給定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)容量和負(fù)荷分布條件下，調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的無(wú)功補(bǔ)償，使有功損耗最小化，并滿足特定的約束條件。當(dāng)發(fā)電分配集成到配電網(wǎng)中時(shí)，整個(gè)配電網(wǎng)的電流分布會(huì)發(fā)生變化，如果無(wú)效電源不同，發(fā)送到配電網(wǎng)的有效和無(wú)效能量也不同。因此，在分散發(fā)電整合后，不僅要重新分析無(wú)功優(yōu)化問題，還要分析各種分散聚合方法對(duì)無(wú)功優(yōu)化的影響。

（二）混合啟發(fā)式搜索算法的新應(yīng)用

在遺傳算法的優(yōu)化過程中，提出了仿真模型法、懲罰因子自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制和動(dòng)態(tài)表達(dá)算法等現(xiàn)有的人工算法，并構(gòu)造了一種混合搜索算法，實(shí)用新型適用于配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化領(lǐng)域。提高算法的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

在遺傳算子的雜交過程中，Hustick 04智能的整合使個(gè)體后代更加多樣化和定向。為了避免評(píng)估和淘汰機(jī)制中個(gè)體的“家庭壟斷”現(xiàn)象，在個(gè)體生存策略的初始階段，將適合度低于生存閾值的個(gè)體引入每個(gè)生存策略，以便他們能夠以恒定的概率生存。

將懲罰系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制引入懲罰系數(shù)的極限電壓中，使得該可行解的個(gè)體適應(yīng)性優(yōu)于這一代。為了解決遺傳算法的“早熟”問題，提高算法的全局搜索性能，引入災(zāi)難技術(shù)，使最優(yōu)解保持在收斂準(zhǔn)則下[3]。

（三）粒子群算法在無(wú)功優(yōu)化中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化問題本質(zhì)上是潮流計(jì)算中的優(yōu)化問題。第一步：通過改變發(fā)電機(jī)電壓、變壓器和無(wú)功補(bǔ)償器的轉(zhuǎn)換率，可以降低網(wǎng)損，提高配電電壓，并通過初始化粒子的位置來(lái)解決相應(yīng)優(yōu)化問題，即設(shè)置無(wú)效的功率補(bǔ)償裝置，設(shè)置上限和下限，并初始化粒子的速度。在無(wú)功優(yōu)化中，變壓器分接頭和無(wú)功裝置的變化是隨機(jī)初始化的。第二步：用變壓器和無(wú)功補(bǔ)償器的數(shù)據(jù)計(jì)算支路節(jié)點(diǎn)的潮流數(shù)據(jù)，得到不同粒子的合適值g（z），初始化整個(gè)pbest邊界和全局gbest邊界[4]。第三步：使用更新的公式計(jì)算確定粒子的位置和速度，并確保更新的粒子超過限制。第四步：用分支節(jié)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)替換變壓器和無(wú)效功率補(bǔ)償裝置的更新值，計(jì)算其自適應(yīng)值g（z），并將其與pbest和gbest的值進(jìn)行比較。第五步：確定重復(fù)次數(shù)是否最大，如果是最大，停止優(yōu)化并產(chǎn)生最佳價(jià)值。否則，將重復(fù)次數(shù)增加1，然后返回第三步并繼續(xù)循環(huán)優(yōu)化。在算法中使用最多的是PSO公式：

基本PSO公式

對(duì)于每個(gè)相關(guān)粒子的位置和更新速度的公式如下：

對(duì)于粒子i的第d維速度公式如下：

粒子i的第d維位置更新公式：

下圖1是粒子群算法的流程圖。

圖1 粒子群算法的流程圖

（四）粒子群算法計(jì)算流程

采用粒子群優(yōu)化算法求解配電網(wǎng)誤差優(yōu)化問題，計(jì)算順序如下步驟1 重復(fù)次數(shù)為0。隨機(jī)計(jì)算粒子群的位置（即配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)）和粒子群的速度；步驟2 根據(jù)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)和最小運(yùn)行模式計(jì)算每個(gè)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)償容量，并初始化局部和全局作為初始適用性計(jì)算函數(shù)的最佳值；步驟3更新粒子群：根據(jù)公式更新粒子的位置和速度。更新后，確保新粒子通過該線。如果是，應(yīng)將顆粒位置用作適當(dāng)?shù)南拗?，以防止顆粒超過限值；步驟4 根據(jù)新節(jié)點(diǎn)電壓補(bǔ)償方法計(jì)算電流（如果沒有新的電流）；步驟5根據(jù)新的節(jié)點(diǎn)電壓補(bǔ)償方法計(jì)算電流，并將補(bǔ)償點(diǎn)添加到交點(diǎn)（交點(diǎn)已經(jīng)是補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)，然后在臨界相位點(diǎn)）。然后重新計(jì)算電流，直到節(jié)點(diǎn)電壓通過線路，然后將重復(fù)次數(shù)增加到步驟5，然后繼續(xù)執(zhí)行步驟3；步驟6更新局部和全局最優(yōu)值：使用步驟5中的計(jì)算結(jié)果計(jì)算相對(duì)于目標(biāo)的新值。如果新的目標(biāo)函數(shù)值小于之前所有目標(biāo)函數(shù)值的最小值，則交換并更新最佳局部和全局值。如果目標(biāo)函數(shù)的新值大于目標(biāo)函數(shù)所有先前值的最小值，則局部最優(yōu)值和全局最優(yōu)值保持不變；步驟7 操作結(jié)束：當(dāng)重復(fù)次數(shù)達(dá)到指定重復(fù)次數(shù)時(shí)，操作結(jié)束。

結(jié)論

近年來(lái)，隨著我國(guó)能源消費(fèi)的不斷增加，人們對(duì)可再生能源進(jìn)行了深入研究。將分布式能源整合到主電網(wǎng)的現(xiàn)象越來(lái)越普遍。無(wú)功功率控制系統(tǒng)的合理優(yōu)化，使電網(wǎng)工作變得更加安全和平穩(wěn)。通過采用合理優(yōu)化無(wú)功功率控制系統(tǒng)，能夠優(yōu)化無(wú)功的分配，從而有效減少了功率因數(shù)損失和電流消耗，并提高了電流質(zhì)量，使設(shè)備正常工作。

面對(duì)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，電網(wǎng)提出分散發(fā)電，極大地解決人類能源消耗與資源環(huán)境問題之間的矛盾。這有助于解決社會(huì)資源和環(huán)境保護(hù)兩大問題。通過分析分散發(fā)電的特點(diǎn)，提出了將分散發(fā)電接入配電網(wǎng)的初步方案，并指出了配電網(wǎng)計(jì)算中可能存在的一些問題，以適應(yīng)或解決這些問題，從而簡(jiǎn)化了分散配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償配置，在不失去效力的情況下。