李愛超，王 霞，張 景

（河北科技學(xué)院 智能制造工程學(xué)院，保定 071000）

0 引言

由于各地電力需求的增長，現(xiàn)有的電力線路容量有限，難以完全供給城市內(nèi)所有的電力需求。且由于家用電器、電動(dòng)汽車等電子產(chǎn)品數(shù)量的增加，直流電負(fù)荷不斷地增加帶來了大量的電力損耗成本。另外，現(xiàn)有的可再生能源大量接入配電網(wǎng)，其供電效應(yīng)的不確定性對電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)造成了巨大的壓力。傳統(tǒng)的電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)難以規(guī)劃當(dāng)前的電力網(wǎng)絡(luò)，電力調(diào)度與電力需求嚴(yán)重不符現(xiàn)象直接導(dǎo)致電能質(zhì)量下降等問題[1]。在電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)的同時(shí)，相關(guān)的研究人員正在研究解決問題的方法。其中，計(jì)及需求響應(yīng)的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法可以較好地保證電力的有效調(diào)度。基于自適應(yīng)步長ADMM的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，建立了日間電力自動(dòng)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，并設(shè)置了約束條件。然而這些方法只能在整體電力調(diào)度過程中保證調(diào)度結(jié)果的準(zhǔn)確性，在分布式的電力網(wǎng)絡(luò)中無法有效調(diào)度子系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)也難以保證不同電力節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配均勻性。因此，本文基于分布式控制模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多種時(shí)間尺度下該調(diào)度方法的可行性與優(yōu)越性。

1 基于分布式控制模型設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法

1.1 自動(dòng)化系統(tǒng)負(fù)荷值預(yù)測

電力自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)的核心點(diǎn)就在于對多時(shí)間尺度負(fù)荷的預(yù)測，在日內(nèi)實(shí)施調(diào)度計(jì)劃時(shí)，可以根據(jù)功率的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的緊張狀態(tài)，并在后續(xù)的負(fù)荷反彈過程中直接控制負(fù)荷管理中心。假設(shè)自動(dòng)化系統(tǒng)在某時(shí)間段內(nèi)所需功率負(fù)荷的容量為，則該段負(fù)荷容量的實(shí)際負(fù)荷功率可以表示如式(1)所示。

式(3)中，π(h，d)表示目標(biāo)h個(gè)目標(biāo)d之間的距離函數(shù)；πi(h，d)表示第i個(gè)目標(biāo)函數(shù)下二者的距離；表示該目標(biāo)函數(shù)的最大值；表示該目標(biāo)函數(shù)的最小值。由此可以在無窮大的邊界下定義擁擠距離的非邊界模型，為了避免預(yù)測模型因過早收斂得到局部最優(yōu)的解，可以在目標(biāo)重組的過程中設(shè)定各個(gè)元素的支配向量[2]。此時(shí)可以直接通過計(jì)算電力自動(dòng)化系統(tǒng)負(fù)荷值中的期望系數(shù)，來計(jì)算每個(gè)目標(biāo)的自適應(yīng)參數(shù)在分類對抗的過程中，可以得到計(jì)算公式如式(4)所示。

式(4)中，hp表示電力自動(dòng)化系統(tǒng)在時(shí)間p的預(yù)測負(fù)荷值；gj表示稀疏區(qū)域內(nèi)的搜索最優(yōu)解。通過式(4)，計(jì)算自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的預(yù)測負(fù)荷值，并據(jù)此設(shè)計(jì)調(diào)度優(yōu)化方法。

1.2 設(shè)計(jì)基于分布式控制模型的優(yōu)化調(diào)度方法

為解決不同信息在電力系統(tǒng)內(nèi)的沖擊與擁塞現(xiàn)象，并保證分布式控制模型的調(diào)度完整性，需要對其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，合理地提高網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)建立相關(guān)的控制模型。通過多時(shí)間尺度標(biāo)準(zhǔn)，以自動(dòng)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)特征為中心，基于實(shí)時(shí)調(diào)度確定系統(tǒng)運(yùn)行的同步方案。在此基礎(chǔ)上，可以將分布式控制模型的調(diào)度層次大致地區(qū)分為任務(wù)分配和任務(wù)調(diào)度兩個(gè)等級，在任務(wù)分配時(shí)，需要嚴(yán)格規(guī)定所有任務(wù)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，在任務(wù)調(diào)度時(shí)，需要在執(zhí)行之前準(zhǔn)確判斷所有任務(wù)的執(zhí)行方法[3]。任務(wù)分配時(shí)，應(yīng)代入任務(wù)分配算法的規(guī)則，保證分配到的任務(wù)在節(jié)點(diǎn)能力范圍之內(nèi)，不能分配超出節(jié)點(diǎn)能力范圍的任務(wù)。分布式任務(wù)調(diào)度的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 分配式調(diào)度控制模型結(jié)構(gòu)示意圖

首先需要將電力調(diào)度任務(wù)導(dǎo)入到任務(wù)分配起中，在分配任務(wù)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要首先讀取所有原始任務(wù)集，并使用任務(wù)分配器將加權(quán)處理的隊(duì)列全部分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，此時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力需要大于各節(jié)點(diǎn)分配的任務(wù)量。在分配任務(wù)的過程中，主要通過任務(wù)調(diào)度算法自外向內(nèi)輸入，每一個(gè)任務(wù)分配器都由i個(gè)隊(duì)列組成，其可以表示為(h1，h2，L，hi)。任務(wù)自分配器進(jìn)入節(jié)點(diǎn)后，需要通過權(quán)值屬性的高低計(jì)算個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力大小，并以此處理隊(duì)列任務(wù)的分配工作。此時(shí)，需要保證在多時(shí)間尺度內(nèi)建立一個(gè)滾動(dòng)的功率平衡，該平衡的表達(dá)式如式(5)所示。

式(5)中，tq表示日前階段的電力分配任務(wù)；th表示在日中各階段中的電力分配情況；Pi，h1表示在日間某個(gè)階段節(jié)點(diǎn)i的輸出功率；表示w時(shí)刻電能輸入的平均值；Fd表示系統(tǒng)在第d次修正時(shí)的預(yù)測值。如此，在多時(shí)間尺度的優(yōu)化調(diào)度過程中，各節(jié)點(diǎn)就會(huì)有一種相互獨(dú)立的趨勢，即節(jié)點(diǎn)能力大小不一，且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力都會(huì)在任務(wù)管理器中明確地表示出來[4]。調(diào)度算法分配了每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)階段的任務(wù)，只有完成任務(wù)才能夠在CPU中獲取相對應(yīng)的執(zhí)行權(quán)限。如果根據(jù)貧富相對平均的原則，可以將權(quán)值相對較小的任務(wù)隊(duì)列分配到權(quán)值屬性相對較高的節(jié)點(diǎn)中，保證高權(quán)值的節(jié)點(diǎn)在相對條件下自動(dòng)減少自身權(quán)值屬性，從而達(dá)到負(fù)載平衡。

1.3 建立電力自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化函數(shù)模型

1.3.1 目標(biāo)函數(shù)

在自動(dòng)化電力調(diào)度系統(tǒng)中，日間優(yōu)化模型是一種隨機(jī)的變量，不僅需要考慮用電單位的用電量，還需要結(jié)合多種目標(biāo)函數(shù)值，對其進(jìn)行約束分析。假設(shè)用電單位的用電量在概率空間中是一種隨機(jī)的模糊變量，則該模型可以滿足：

式(6)中，?(f)表示任意隨機(jī)變量f的可測函數(shù)，所有的f均屬于概率空間的參數(shù)；u(f)表示模糊變量的不確定性優(yōu)化系數(shù)；pi表示一個(gè)機(jī)會(huì)測度的約束值。在該模糊隨機(jī)變量的模型中，想要解決用電量的不確定性，可以得到一個(gè)隨機(jī)機(jī)會(huì)的約束目標(biāo)函數(shù)如式(7)所示。

式(8)中，pt表示電力運(yùn)行負(fù)荷的預(yù)測值；Ha表示電能在發(fā)電設(shè)施內(nèi)部損耗的日間運(yùn)行負(fù)荷；Hb表示在電網(wǎng)中損耗的負(fù)荷指標(biāo)；Hc表示在供電過程中損耗的負(fù)荷指標(biāo)；Hu表示負(fù)荷平移指標(biāo)；hg表示g個(gè)子系統(tǒng)的負(fù)荷功率。通過式(8)，可以建立一個(gè)自動(dòng)化電力調(diào)度系統(tǒng)的日間預(yù)測函數(shù)。

1.3.2 約束條件

在當(dāng)前的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)中，還需要設(shè)置大量的約束條件，以保證其在各個(gè)電力子系統(tǒng)中運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此該目標(biāo)函數(shù)需要在電能子系統(tǒng)的平移負(fù)荷中設(shè)置約束條件，在功率平衡中設(shè)置約束條件，并在電壓平衡中設(shè)置約束條件。在平移負(fù)荷的約束中，可以在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)將電能子系統(tǒng)的最大供電效應(yīng)作為負(fù)荷的最大值，如式(9)所示。

式(9)中，Pi(t)表示t時(shí)刻時(shí)i個(gè)子系統(tǒng)的供電能力；Pi，max表示i個(gè)子系統(tǒng)在所有時(shí)間刻度上最大供電負(fù)荷指標(biāo)?？梢砸源私⒉煌瑫r(shí)段的網(wǎng)損功率，其計(jì)算公式如式(10)所示。

式(10)中，Klo(t)表示t時(shí)刻內(nèi)能源系統(tǒng)功率平衡的約束式；K2h(t)和G2h(t)分別表示t時(shí)段內(nèi)電力子系統(tǒng)h的有功功率與無功功率；U2h(t)表示電力自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)的電壓水平[5]。結(jié)合以上公式，在配電網(wǎng)的自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)中保證各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓值，并滿足所有支路電路的電壓需求，可以得到約束表達(dá)式如式(11)所示。

式(11)中，Umin和Umax分別表示該時(shí)段內(nèi)電壓波動(dòng)的最小值和最大值；Ui(t)表示t時(shí)刻 i 節(jié)點(diǎn)電壓的負(fù)荷值。在以上公式下，可以將當(dāng)前的自動(dòng)化電力調(diào)度系統(tǒng)日間優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為非線性的優(yōu)化模型，依據(jù)此時(shí)的函數(shù)模型，可以直接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)多時(shí)間尺度的優(yōu)化調(diào)度。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了一種基于分布式控制模型的自動(dòng)化系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，為證明該調(diào)度方法在保證電力自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下，所需調(diào)整容量更少，其調(diào)度方法最佳，將其與已有的計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的調(diào)度方法、基于自適應(yīng)步長的調(diào)度優(yōu)化方法進(jìn)行對比，通過調(diào)度出力調(diào)整值判斷三種方法的優(yōu)劣。

2.1 電力自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)預(yù)測

在該系統(tǒng)框架中，以電能母線作為所有電力能量的匯集點(diǎn)，連接若干個(gè)電力子系統(tǒng)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)作為調(diào)度的能源支撐點(diǎn)，通過分布式控制模型實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的供能與用能互補(bǔ)。在實(shí)驗(yàn)中，采用某城市的實(shí)地電力數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上等比例縮小，并將經(jīng)典的10機(jī)系統(tǒng)以及1個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)組成該測試算例。通常情況下，進(jìn)行預(yù)測的時(shí)間間隔越短，則電力自動(dòng)化系統(tǒng)預(yù)測到結(jié)果越準(zhǔn)確，在該預(yù)測結(jié)果下得到的調(diào)度方法就越好。在多時(shí)間尺度的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度下，可以將整個(gè)時(shí)間系統(tǒng)分為三類，分別是日內(nèi)12h調(diào)度、日內(nèi)1h調(diào)度、日內(nèi)15min調(diào)度、日內(nèi)1min調(diào)度。分別將三類時(shí)間系統(tǒng)劃分為100個(gè)時(shí)段，可以得到不同時(shí)間尺度下電力自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)的電能出力預(yù)測曲線以及實(shí)測值如圖2所示。

圖2 電能處理功率預(yù)測值及實(shí)測值

在圖2中，日內(nèi)1min的電力自動(dòng)化系統(tǒng)出力功率預(yù)測值最接近出力功率的實(shí)測值，其預(yù)測偏差約為3.74%，日內(nèi)15min、日內(nèi)1h、日內(nèi)12h三類時(shí)間尺度的電力自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)出力功率的預(yù)測值相對實(shí)測值的預(yù)測偏差分別為6.74%、10.56%、12.37%。由此可見，在不同時(shí)間尺度的對比中，時(shí)間源越短，預(yù)測值越接近實(shí)測值。由于不同時(shí)間尺度的預(yù)測精度相差較大，其所得到的調(diào)整值也必然有很大的差距，因此在調(diào)整電力自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)度方案的過程中，應(yīng)將不同的時(shí)間源分別計(jì)算。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度調(diào)整值對比

通過系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度調(diào)整值的計(jì)算，可以判斷不同算法的調(diào)度優(yōu)化程度，進(jìn)而得到三種方法的對比結(jié)果。系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度調(diào)整值計(jì)算公式如式(12)所示。

式(12)中，Wf表示不同時(shí)間尺度下系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的調(diào)整值；ηi，m表示單位系統(tǒng)的出力調(diào)整功率，其中i表示電力機(jī)組的序號，m表示調(diào)整值的偏差系數(shù)；ΔPh表示機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最后一次滾動(dòng)調(diào)整的出力值；PL，t表示t時(shí)刻第L個(gè)負(fù)荷尺度的短期預(yù)測偏差?；谑?12)可以分別計(jì)算四種不同時(shí)間尺度下三種優(yōu)化調(diào)度方法的調(diào)整值，并得到數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度調(diào)整值

根據(jù)圖3中的數(shù)據(jù)可知，在日內(nèi)12h調(diào)度中，分布式控制模型的計(jì)劃調(diào)整平均值為4.76MW，計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)方法以及基于自適應(yīng)步長的調(diào)度方法調(diào)整平均值為10.35MW和12.11MW。日內(nèi)1h調(diào)度中，三種調(diào)度優(yōu)化方法的計(jì)劃平均調(diào)整量分別為3.06MW、8.02MW和7.19MW。日內(nèi)15min的調(diào)度過程中，計(jì)劃調(diào)整的平均值為2.54MW、6.22MW、4.69MW。日內(nèi)1min的調(diào)整平均值為1.77MW、3.84MW、3.79MW。在以上數(shù)據(jù)中，時(shí)間尺度間隔越長，系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度調(diào)整值就越高。且基于分布式控制模型的優(yōu)化調(diào)度方法明顯優(yōu)于計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度方法和基于自適應(yīng)步長的優(yōu)化調(diào)度方法。

3 結(jié)語

基于分布式控制模型的自動(dòng)化系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，不但優(yōu)化了負(fù)荷值的預(yù)測算法，還同步控制各目標(biāo)在不同節(jié)點(diǎn)中的調(diào)度結(jié)果，并據(jù)此設(shè)置目標(biāo)函數(shù)與約束條件。最后設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該優(yōu)化調(diào)度方法的優(yōu)越性，其調(diào)整值在不同的時(shí)間尺度下均小于其他對比方法。通過該調(diào)度優(yōu)化方法，可以更好地完善電力自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制，對實(shí)現(xiàn)逐級消除電力自動(dòng)化系統(tǒng)的功率偏差、提高電能質(zhì)量以及完善安全運(yùn)行機(jī)制均具備極大的促進(jìn)作用。在保證了電力自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性之后，便可以在保持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，使優(yōu)化調(diào)度方法更貼合實(shí)際，保證調(diào)度方法對每一個(gè)不同場景的適應(yīng)性。