郭曉澄

（廣東電網(wǎng)汕頭潮陽供電局，廣東 汕頭 515100）

0 引 言

配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制是當(dāng)前國內(nèi)外專家學(xué)者的研究重點(diǎn)，分布式電源、電池儲(chǔ)能、可中斷負(fù)荷的研究較為成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的電網(wǎng)規(guī)劃中。其中分布式電源具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)；電池儲(chǔ)能具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)和較好的儲(chǔ)放能力；可中斷負(fù)荷對電網(wǎng)的保護(hù)能力較好，安全性較高。在實(shí)際應(yīng)用過程中，單一的配電網(wǎng)供電模式難以應(yīng)對日益復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，常有經(jīng)濟(jì)成本較高、運(yùn)行方式單一、電網(wǎng)安全性不足的問題出現(xiàn)，基于此現(xiàn)象，充分遵循分解協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，在設(shè)計(jì)過程中更加關(guān)注規(guī)劃結(jié)果的合理性和經(jīng)濟(jì)性，采用樹形結(jié)構(gòu)編碼的改進(jìn)遺傳算法，并結(jié)合原對偶內(nèi)點(diǎn)法對模型求解，17節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證了本文所提模型和算法的有效性，同時(shí)表明源網(wǎng)荷儲(chǔ)的協(xié)調(diào)優(yōu)化對配電網(wǎng)架規(guī)劃結(jié)果和配電網(wǎng)負(fù)荷特性的改善作用[1]。

1 電池儲(chǔ)能出力時(shí)序動(dòng)態(tài)建模

電池的運(yùn)行周期直接影響儲(chǔ)存能力，單位運(yùn)行周期內(nèi)存越高，電池儲(chǔ)存能力越強(qiáng)?；诖?，本文對電池儲(chǔ)能情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

根據(jù)圖1可知，電池儲(chǔ)能核心在并網(wǎng)側(cè)和電池側(cè)之間，并網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能出力為PBES，電池側(cè)根據(jù)儲(chǔ)能狀態(tài)不同分為P+和P-。由此可以通過分段函數(shù)代表動(dòng)態(tài)建模的運(yùn)行狀態(tài)為

式中：t為時(shí)間；Δt為電池狀態(tài)轉(zhuǎn)換的間隔時(shí)間；η+為電池充電效率；η-為電池放電效率；λ為1個(gè)循環(huán)周期。[3]將式（1）進(jìn)行線性變換后得到

式中：Eba,i和Eba,t為電池儲(chǔ)能起始時(shí)間和儲(chǔ)滿時(shí)間的剩余電量。基于此動(dòng)態(tài)建模運(yùn)行電池5個(gè)周期后，計(jì)算得到電池最小電量系數(shù)平均值為0.2[4]。進(jìn)而將電池儲(chǔ)放周期設(shè)為24 h，使用式（2）中的儲(chǔ)放方式，得到電池儲(chǔ)能出力時(shí)序動(dòng)態(tài)建模如圖2所示。

2 建立規(guī)劃模型

為提升本次研究的科學(xué)性，本文根據(jù)目前配電網(wǎng)運(yùn)行情況和主要故障類型，將規(guī)劃建模分為A、B、C模型，其中模型A主要研究配電網(wǎng)架規(guī)劃的故障問題，優(yōu)化內(nèi)容集中在配電網(wǎng)架上；模型B主要研究電池儲(chǔ)能的故障問題，優(yōu)化內(nèi)容集中在電池儲(chǔ)能和電池控制方面；模型C主要研究可中斷負(fù)荷和分布式電源的協(xié)調(diào)配合問題，優(yōu)化內(nèi)容集中在配電網(wǎng)運(yùn)行方式上，A、B、C規(guī)劃建模的目標(biāo)函數(shù)和約束條件如表1所示[5]。

3 總體求解流程

基于上述建模情況，本文選擇使用原對偶內(nèi)點(diǎn)法作為主要算法，并結(jié)合樹形結(jié)構(gòu)編碼的改進(jìn)遺傳算法作為輔助算法，目的在于增加總體求解的自適應(yīng)性，減少人為計(jì)算造成的誤差，并為建模數(shù)據(jù)增加群體搜索功能和外擴(kuò)展功能，為求解后的算例分析打好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)樹形結(jié)構(gòu)編碼的改進(jìn)遺傳算法能夠?qū)⑴潆娋W(wǎng)架的結(jié)構(gòu)組成部分進(jìn)行樹狀結(jié)構(gòu)編碼，從而降低解算難度[6]。

本文模型求解過程如下文所述。

（1）首先從電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息庫中調(diào)取近5年的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括配電網(wǎng)功率、電網(wǎng)負(fù)荷、電池儲(chǔ)能輸出等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并使用K-means聚類法，對調(diào)用出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和建立模型，其中建立模型應(yīng)以應(yīng)用場景為分類要素，并結(jié)合不同場景的電網(wǎng)作業(yè)時(shí)間、電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最終聚類成3個(gè)及以上代表場景（本文聚類成a1、a2、a3，與模型A、B、C對應(yīng)）[7]。

（2）聚類代表場景后，應(yīng)按照樹狀結(jié)構(gòu)對配電網(wǎng)架進(jìn)行編碼，編碼采取由上至下、由少至多的原則，最終以prim最小樹的個(gè)數(shù)規(guī)劃種群，不同種群應(yīng)用不同規(guī)劃方案，最終對比優(yōu)劣情況（本文規(guī)劃出b1、b2、b3，3個(gè)種群，與模型A、B、C對應(yīng)）。

（3）確立代表場景和規(guī)劃種群后進(jìn)入計(jì)算環(huán)節(jié)，計(jì)算順序?yàn)槟Ｐ虲→模型B→模型A，首先在a1場景中計(jì)算b1種群和模型C的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并按照順序更換場景和種群，從而得到模型C的最優(yōu)配電網(wǎng)運(yùn)行方式；再將模型C最優(yōu)運(yùn)行數(shù)據(jù)中的電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)值和運(yùn)行費(fèi)用帶入模型B中，模型B繼續(xù)與場景和種群展開計(jì)算，獲取模型B最優(yōu)配電網(wǎng)運(yùn)行方式；最后將模型B的最優(yōu)運(yùn)行數(shù)據(jù)中的總負(fù)荷值進(jìn)行方差計(jì)算，從而獲取耗能最小的電池放電方式和消耗費(fèi)用[8]。

（4）上述計(jì)算完畢后應(yīng)進(jìn)行收斂性判斷，檢驗(yàn)上述計(jì)算結(jié)果的正確性，若檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)遺傳算法不收斂，應(yīng)重新聚類代表場景。

（5）若收斂性判斷和遺傳算法均通過驗(yàn)證，那么獲取的最優(yōu)運(yùn)行方式和最低消耗數(shù)值就是配電網(wǎng)架最優(yōu)的規(guī)劃方案。

4 算例分析

4.1 算例概況

本文1∶1還原某市配電網(wǎng)進(jìn)行算例分析，配電網(wǎng)規(guī)劃區(qū)節(jié)點(diǎn)為17個(gè)，具體節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2所示[9]。

表2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

通過表1節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以得出，節(jié)點(diǎn)1的有功負(fù)荷、無功負(fù)荷均為0，所以判斷是上級電網(wǎng)交匯點(diǎn)，不納入分析；另外節(jié)點(diǎn)8、節(jié)點(diǎn)11、節(jié)點(diǎn)14這3處為中斷負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，基于此，本次算計(jì)分析的分布式電源和電池儲(chǔ)能的設(shè)置情況如表3所示[10]。

表3 電池儲(chǔ)能和分布式電源設(shè)置情況

通過表2、表3數(shù)據(jù)和近一年內(nèi)電網(wǎng)維護(hù)成本、主動(dòng)管理成本記錄，計(jì)算獲得分布式電源、光伏、風(fēng)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)3種裝機(jī)類型的成本消耗表如表4所示。

表4 電池儲(chǔ)能和分布式電源成本消耗表

通過表3、表4可以得出，電池儲(chǔ)能不僅單位裝機(jī)容量更高，消耗成本也低于光伏、風(fēng)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)3種分布式電源。

4.2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化對配電網(wǎng)負(fù)荷特性的改善能力

為進(jìn)一步研究源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化對配電網(wǎng)負(fù)荷特性的改善能力，本文將最優(yōu)配電網(wǎng)運(yùn)行方式通過負(fù)荷曲線進(jìn)行體現(xiàn)，初始負(fù)荷特性曲線如圖3所示，最優(yōu)電池儲(chǔ)存能力如圖4所示[11]。

基于圖3和圖4，使用源網(wǎng)荷儲(chǔ)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，優(yōu)化后分為可中斷負(fù)荷和不可中斷負(fù)荷2種情況，其特性曲線如圖5、圖6所示。

根據(jù)圖5和圖6中峰值的變化情況和波動(dòng)性減緩，能夠計(jì)算出優(yōu)化前和優(yōu)化后2種情況的負(fù)荷峰值和方差如表5所示。

表5 優(yōu)化前后負(fù)荷情況對比

通過表5可以得出，優(yōu)化后不可中斷負(fù)荷對切除峰值效果較好、緩解負(fù)荷波動(dòng)較差；優(yōu)化后可中斷負(fù)荷對切除峰值效果較差、緩解負(fù)荷波動(dòng)較好，原因在于電池具備分布式電源不具備的儲(chǔ)放功能，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況協(xié)調(diào)使用2種優(yōu)化方式，達(dá)到切除峰值和緩解負(fù)荷波動(dòng)2種優(yōu)化效果的統(tǒng)一體現(xiàn)[12]。

5 結(jié) 論

綜上所述，本文首先進(jìn)行電池儲(chǔ)能出力時(shí)序動(dòng)態(tài)建模，然后建立A、B、C3種規(guī)劃模型，說明總體求解流程，并以某市電廠實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行算例分析，最終得到以下結(jié)論。

A、B、C 3種規(guī)劃模型能夠代表配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃中的絕大部分情況，保證規(guī)劃結(jié)果是安全性和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)方案。電池儲(chǔ)能相比于分布式電源具有裝機(jī)容量強(qiáng)、消耗成本低的優(yōu)勢，并且具備切除峰值和緩解負(fù)荷波動(dòng)2種功能，能夠提升配電網(wǎng)使用的穩(wěn)定性。本文建立的電池儲(chǔ)能出力時(shí)序動(dòng)態(tài)模型，能夠充分展現(xiàn)電池儲(chǔ)能的自適應(yīng)性，并考慮了可中斷負(fù)荷的最大中斷時(shí)間和中斷比例會(huì)對規(guī)劃結(jié)果造成影響，與實(shí)際應(yīng)用情況較為貼合。