呂曉潔

（中國(guó)國(guó)際工程咨詢(xún)有限公司，北京 100048）

作為社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵因素，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定關(guān)系到社會(huì)的發(fā)展。故準(zhǔn)確評(píng)估電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，對(duì)確保系統(tǒng)安全、提升電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益等具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

該文以深度學(xué)習(xí)為技術(shù)支撐，設(shè)計(jì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估方法。引入深度學(xué)習(xí)技術(shù)，建立系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)特征量的映射關(guān)系，利用預(yù)訓(xùn)練與微調(diào)，不斷更新模型參數(shù)，提升評(píng)估結(jié)果可靠性；合理設(shè)定光伏電池之間的距離，采用堆疊自動(dòng)編碼器，利于取得更完整且非冗余的數(shù)據(jù)特征，最終呈現(xiàn)精準(zhǔn)的評(píng)估結(jié)果。

1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估，首先分析分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。采用光伏電池組、匯流箱、微網(wǎng)逆變器等組件，構(gòu)建分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)[3]，如圖1 所示。

將該系統(tǒng)中晶硅電池與薄膜電池光伏組件串聯(lián)裝于建筑物頂部，將接收的太陽(yáng)輻射能量轉(zhuǎn)換為電能；利用微網(wǎng)逆變器[4]實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，用戶(hù)所用電能主要由交流配電裝置提供。

假設(shè)研究區(qū)域位于φ緯度，且電能電池組陣列前排最高點(diǎn)與后排最低點(diǎn)之間相差高度為H，則設(shè)定光伏電池之間的距離為d[5-6]，如式（1）所示：

1.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓變化

為準(zhǔn)確評(píng)估分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，基于發(fā)電系統(tǒng)接入低壓配電網(wǎng)的等效電路，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)電壓變化原因進(jìn)行深入探索。

已知并網(wǎng)點(diǎn)電壓為U，并網(wǎng)點(diǎn)負(fù)荷為PL+jQL，配電網(wǎng)的等值電壓與等值阻抗分別為Us、R+jX，光伏電源發(fā)出功率為P+jQ，接入配電網(wǎng)功率為Ps+jQs，根據(jù)光伏電源發(fā)出功率與接入配電網(wǎng)功率相關(guān)性[7]，得到：

若U0為并網(wǎng)點(diǎn)在發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)之前的電壓，則：

低壓配電網(wǎng)與高壓系統(tǒng)交互性較弱，網(wǎng)架較為簡(jiǎn)易，且免疫性相對(duì)偏低，無(wú)法進(jìn)行帶載調(diào)壓，故導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)等值電壓發(fā)生波動(dòng)[8]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)重載過(guò)程中電網(wǎng)的功率進(jìn)行支持，緩解配電網(wǎng)產(chǎn)生的負(fù)荷壓力，若配電網(wǎng)處于輕載階段，發(fā)電系統(tǒng)呈高出力狀態(tài)[9]，則發(fā)生過(guò)電壓?jiǎn)栴}的概率較高。因此，采用式（4）描述因光伏接入而形成的并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值ΔU。

根據(jù)該近似式可以看出，配電網(wǎng)的接入是導(dǎo)致分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓發(fā)生變化的主要誘因。

2 自動(dòng)編碼器下分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估

2.1 電壓穩(wěn)定性評(píng)估模式

基于所建分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)特征提取與分類(lèi)評(píng)估兩個(gè)階段，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估模式，如圖2 所示。

圖2 電壓穩(wěn)定性評(píng)估模式

圖2 中，左側(cè)提取的特征組成部分通常為負(fù)荷水平、電壓水平等物理量，可由光伏發(fā)電系統(tǒng)的物理量測(cè)量解得。

由于提取特征缺乏全面描述實(shí)際問(wèn)題的能力，僅能體現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的局部特征，在一定程度上限制了電壓穩(wěn)定性評(píng)估準(zhǔn)確度，故需要整合特征提取與分類(lèi)評(píng)估兩個(gè)階段，從根本上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征的自動(dòng)挖掘與分類(lèi)評(píng)估[10]。該評(píng)估模式令物理量測(cè)量與分類(lèi)結(jié)果之間建立直接映射關(guān)系，確保信息的完整度。

2.2 基于堆疊自動(dòng)編碼器的深度學(xué)習(xí)算法

針對(duì)上述分析的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于多種因素的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓發(fā)生一定變化。為了快速確定發(fā)電系統(tǒng)的電壓，該文借助深度學(xué)習(xí)算法[11]對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

深度學(xué)習(xí)算法中利用輸入層、輸出層以及隱含層構(gòu)建圖3 所示的自動(dòng)編碼器AE（Auto Encoder）。

圖3 自動(dòng)編碼器框架

該編碼器是一個(gè)對(duì)稱(chēng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用編碼與解碼流程，最小化輸入信息的重建偏差，取得最優(yōu)隱層表征。通過(guò)該技術(shù)原理，將影響電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)隱層表征[12]，以確定電壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

式中，sigmoid 激活函數(shù)分別用f、g表示。

當(dāng)輸入的電力系統(tǒng)電壓參數(shù)重建偏差L(x，z)較小時(shí)，編碼矩陣才具有初始信息特征，需要通過(guò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集搜尋自動(dòng)編碼器的最佳參數(shù)θ′，實(shí)現(xiàn)重建偏差L(x，z)最小化處理[13]，即：

訓(xùn)練集中隱藏層第j個(gè)神經(jīng)元的激活水平由下列平均激活量界定[14]，即：

在上述分析基礎(chǔ)上，采用稀疏性約束的目標(biāo)函數(shù)，求解最優(yōu)自動(dòng)編碼器參數(shù)，即求取分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓干擾參數(shù)θ′，如式（9）所示：

式中，稀疏懲罰項(xiàng)權(quán)值為γ，隱藏層單元數(shù)量為HD。

以取得具備完整性的非冗余電壓數(shù)據(jù)特征為目標(biāo)，將自動(dòng)編碼器堆疊，形成深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，完成堆疊自動(dòng)編碼器架構(gòu)。將編碼器下層輸出項(xiàng)設(shè)置為上層輸入項(xiàng)，經(jīng)堆疊得到關(guān)聯(lián)電力系統(tǒng)電壓的有效特征。

堆疊自動(dòng)編碼器數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練過(guò)程分別為預(yù)訓(xùn)練與微調(diào)，如圖4 所示。

圖4 堆疊自動(dòng)編碼器預(yù)訓(xùn)練圖

當(dāng)從下至上預(yù)訓(xùn)練一個(gè)l層的堆疊自動(dòng)編碼器時(shí)，需將訓(xùn)練樣本作為輸入項(xiàng)訓(xùn)練第一層，再將第k個(gè)隱藏層輸出作為輸入項(xiàng)訓(xùn)練第k+1 個(gè)隱藏層，完成各層預(yù)訓(xùn)練。對(duì)于編碼矩陣W與偏置向量b，利用梯度下降法[15]進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，并通過(guò)下列方程式更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第k層：

式中，學(xué)習(xí)率為ε。

基于底層量測(cè)數(shù)據(jù)r，利用設(shè)計(jì)堆疊自動(dòng)編碼器與softmax 回歸層分類(lèi)器，架構(gòu)電壓穩(wěn)定性評(píng)估模型，如圖5 所示。

圖5 電壓穩(wěn)定性評(píng)估模型

該模型通過(guò)描述底層量測(cè)數(shù)據(jù)與穩(wěn)定種類(lèi)間的非線(xiàn)性映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定性評(píng)估。利用模型基礎(chǔ)部分（即堆疊自動(dòng)編碼器）分層表達(dá)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)信息，獲得有效性特征，采用位于模型最上層的分類(lèi)器，通過(guò)softmax 回歸層劃分和輸出樣本穩(wěn)定種類(lèi)[16]。假設(shè)樣本存在n種穩(wěn)定種類(lèi)，則softmax回歸層的隱含函數(shù)關(guān)系為：

式中，網(wǎng)絡(luò)頂層下一層的輸出矢量為x，該網(wǎng)絡(luò)層與第一個(gè)、第二個(gè)輸出單元的權(quán)值矢量分別為θ1、θ2。

在訓(xùn)練電壓穩(wěn)定性評(píng)估模型過(guò)程中，根據(jù)無(wú)標(biāo)注訓(xùn)練數(shù)據(jù)集T1={r}1與有標(biāo)注訓(xùn)練數(shù)據(jù)集完成相關(guān)訓(xùn)練參數(shù)的設(shè)定；利用T1進(jìn)行堆疊自動(dòng)編碼器的預(yù)訓(xùn)練；采用T2按以下兩個(gè)步驟微調(diào)模型參數(shù)：

2）利用梯度下降算法，從上至下對(duì)模型參數(shù)展開(kāi)監(jiān)督優(yōu)化。

通過(guò)梯度下降算法尋優(yōu)處理代價(jià)函數(shù)，權(quán)重隨迭代更新，完成評(píng)估模型參數(shù)的微調(diào)，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定性評(píng)估。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

按照表1 所示配置參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。評(píng)估模型最優(yōu)參數(shù)如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境相關(guān)配置參數(shù)

表2 評(píng)估模型最優(yōu)參數(shù)

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)設(shè)定下，該文為了驗(yàn)證分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷母線(xiàn)電壓實(shí)際變化情況以及電壓穩(wěn)定性評(píng)估模型對(duì)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

令該文分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷約等于額定電壓，其光照強(qiáng)度為800 W/m2，溫度為26 ℃，單相額定有功功率為0.22 MW，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，其負(fù)荷電壓達(dá)218.3 V。通過(guò)降低光照強(qiáng)度、提升環(huán)境溫度以及發(fā)生瞬時(shí)性單相接地短路的方式，驗(yàn)證評(píng)估模型的免疫性，發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷母線(xiàn)電壓實(shí)際變化情況如圖6 所示。電壓穩(wěn)定性評(píng)估模型仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖6 發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷母線(xiàn)電壓實(shí)際變化情況

圖7 電壓穩(wěn)定性評(píng)估模型仿真結(jié)果

根據(jù)圖6 中負(fù)荷電壓實(shí)際情況可知，光照與溫度因素均未導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷母線(xiàn)發(fā)生電壓失穩(wěn)狀況，電壓較為穩(wěn)定，而短路故障因素使母線(xiàn)電壓迅速下跌，直到故障消失，電壓未恢復(fù)至故障發(fā)生前水平，說(shuō)明短路故障造成電壓失穩(wěn)；將實(shí)際電壓情況與該文方法判據(jù)指數(shù)結(jié)果（見(jiàn)圖7）作對(duì)比后可以看出，該文方法準(zhǔn)確評(píng)估了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定狀況，這是由于所提方法有效融合了特征提取與分類(lèi)評(píng)估，利用基于無(wú)監(jiān)督深度學(xué)習(xí)的堆疊自動(dòng)編碼器，挖掘出樣本數(shù)據(jù)集的規(guī)律與特征，獲取更完整且非冗余的數(shù)據(jù)特征。

4 結(jié)論

能耗與污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，為大力落實(shí)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，發(fā)揮太陽(yáng)能發(fā)電優(yōu)勢(shì)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)逐漸演變成未來(lái)能源領(lǐng)域的重要角色之一。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目已初見(jiàn)雛形，其并網(wǎng)技術(shù)更是在與電網(wǎng)的有效結(jié)合中起著關(guān)鍵作用，但隨之而來(lái)的電壓波動(dòng)成為需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。因此，該文結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建出一種分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性評(píng)估方法。該方法通過(guò)對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓變化的分析，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了其穩(wěn)定性的評(píng)估，具有一定的可行性。