國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司 李曉春

1 引言

隨著全球?qū)稍偕茉吹娜找嬷匾暫湍茉唇Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的推進，新能源的接入在配電網(wǎng)中變得越來越普遍和重要。然而，新能源的不穩(wěn)定性、間歇性和分布式特點給配電網(wǎng)的運行帶來了諸多問題。例如，供需之間的不平衡、電壓和頻率的波動、功率質(zhì)量的損耗等，給新能源的大規(guī)模接入配電網(wǎng)帶來了一系列的挑戰(zhàn)。為了確保配電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，需要對新能源接入下的配電網(wǎng)進行優(yōu)化運行研究。

2 新能源接入的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

2.1 新能源接入的現(xiàn)狀

新能源接入的范圍和規(guī)模不斷擴大，涵蓋了太陽能光伏、風(fēng)能、生物能等多種形式。在許多地區(qū)，已經(jīng)建立起大規(guī)模的新能源發(fā)電項目，同時也出現(xiàn)了分布式發(fā)電的興起，如分布式光伏電站和小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，這些新能源裝置直接或間接地與配電網(wǎng)相連，向網(wǎng)絡(luò)注入電力。

2.2 新能源接入挑戰(zhàn)與問題

新能源發(fā)電的特點是不穩(wěn)定和間歇性，受氣候條件和自然資源的影響較大，使新能源發(fā)電的功率產(chǎn)出難以準確預(yù)測，導(dǎo)致供需之間的不平衡和電網(wǎng)的不穩(wěn)定。大規(guī)模新能源接入可能引起電壓和頻率波動，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量產(chǎn)生影響，并且，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃和運行管理模式難以適應(yīng)新能源接入的要求，需要制定新的規(guī)劃策略和運行管理機制，以優(yōu)化新能源接入下的配電網(wǎng)運行[1]。

3 新能源接入配電網(wǎng)的運行優(yōu)化問題

3.1 問題描述與目標函數(shù)定義

一是新能源發(fā)電和負荷匹配問題：在配電網(wǎng)中，新能源的不穩(wěn)定性和間歇性使得新能源的發(fā)電量難以準確預(yù)測和控制，需要建立發(fā)電量和負荷之間的匹配關(guān)系，以實現(xiàn)供需平衡和最大化新能源利用率。

二是電壓和頻率控制問題：新能源接入可能導(dǎo)致電壓和頻率的波動，對電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電質(zhì)量造成影響，需要設(shè)計控制策略和優(yōu)化方法，確保電壓和頻率在合理范圍內(nèi)，并減小波動幅度。

三是節(jié)能與經(jīng)濟性問題：配電網(wǎng)的運行成本和能耗是需要考慮的重要因素。通過優(yōu)化配電網(wǎng)的運行策略，如合理調(diào)整負荷分配、優(yōu)化電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)等，可以實現(xiàn)節(jié)能和經(jīng)濟性的目標[2]。

為了解決新能源接入配電網(wǎng)的運行優(yōu)化問題，需要定義適當(dāng)?shù)哪繕撕瘮?shù)。應(yīng)綜合考慮的因素包括：最小化停電時間和頻率，確保用戶的供電可靠性和滿意度；最小化總體運行成本，包括發(fā)電成本、線損成本和設(shè)備運行維護成本；最小化電壓和頻率的波動幅度，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行；最大化新能源的利用率，提高可再生能源的占比和使用效率。

3.2 約束條件分析

在新能源接入的配電網(wǎng)中，優(yōu)化運行需要考慮各種約束條件，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性。新能源接入配電網(wǎng)優(yōu)化運行中的約束條件詳見表1。

表1 新能源接入配電網(wǎng)優(yōu)化運行中的約束條件

約束條件是在新能源接入的配電網(wǎng)中優(yōu)化運行時需要考慮的重要因素，確保了電網(wǎng)的穩(wěn)定運行、供需平衡和電力質(zhì)量滿足要求。

3.3 優(yōu)化模型建立

3.3.1 目標函數(shù)定義綜合考慮供電可靠性、供電成本、電網(wǎng)穩(wěn)定性和新能源利用率等因素，定義綜合目標函數(shù)：

式中，J表示綜合優(yōu)化目標函數(shù)，包括總體運行成本（Ccost）、停電時間和頻率（Creliability）、電壓和頻率波動（Cstability）和新能源利用率（Cutilization）。

每個目標函數(shù)前面的系數(shù)（α、β、γ、δ）表示其在綜合目標中的權(quán)重或重要性。

3.3.2 建立混合整數(shù)線性規(guī)劃模型

電力平衡約束，新能源注入功率必須與負荷需求相匹配，即Pgeneration=Pioad；電壓約束，各節(jié)點的電壓必須在預(yù)定范圍內(nèi)，即Vmin≤Vnode≤Vmax；頻率約束，電網(wǎng)的頻率必須保持在合理的范圍內(nèi)，即fmin≤f≤fmax；輸電線路容量約束，輸電線路的電流不能超過其額定容量，即Iline≤Imax；電壓跌落約束，電網(wǎng)中的電壓跌落必須在可接受的范圍內(nèi)，即Vdrop≤Vdropmax。

3.3.3 求解方法

根據(jù)模型的規(guī)模和復(fù)雜性，可以采用傳統(tǒng)的優(yōu)化算法（如線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃求解器）或啟發(fā)式算法（如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法）進行求解。

4 優(yōu)化方法與算法

4.1 傳統(tǒng)優(yōu)化算法

傳統(tǒng)優(yōu)化算法有線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃等算法，根據(jù)具體問題的特點和要求，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法來求解，以獲得配電網(wǎng)運行的最優(yōu)策略[3]。

4.2 智能優(yōu)化算法

常見的智能優(yōu)化算法有遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、蟻群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，這些智能優(yōu)化算法具有一定的并行性和自適應(yīng)性，能夠處理復(fù)雜的非線性問題，對于求解新能源接入配電網(wǎng)優(yōu)化問題具有一定的優(yōu)勢。

4.3 適用于新能源接入配電網(wǎng)的優(yōu)化方法選擇與比較

在新能源接入配電網(wǎng)的優(yōu)化研究中，選擇合適的優(yōu)化方法對于獲得高效、可靠的配電網(wǎng)運行策略至關(guān)重要[4]。新能源接入配電網(wǎng)的優(yōu)化方法的選擇與比較詳見表2。

表2 新能源接入配電網(wǎng)的優(yōu)化方法的選擇與比較

根據(jù)新能源接入配電網(wǎng)的特點和問題需求，如果問題具有復(fù)雜的非線性關(guān)系、非凸約束或涉及大量離散變量，智能優(yōu)化算法可能更適合；如果需要精確的最優(yōu)解，傳統(tǒng)優(yōu)化算法通常能夠提供更可靠的結(jié)果[5]。

5 案例研究與試驗結(jié)果

5.1 案例描述與數(shù)據(jù)收集

5.1.1 案例描述

選取一個具有10個供電節(jié)點和20個負荷節(jié)點的配電網(wǎng)作為案例研究對象，在該配電網(wǎng)中，已成功接入了一個光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有50 kW 的發(fā)電容量。

5.1.2 數(shù)據(jù)收集

收集并記錄配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，包括節(jié)點之間的連接關(guān)系和線路參數(shù)。例如，節(jié)點1和節(jié)點2之間有一條線路，其額定容量為10kVA。

收集并記錄配電網(wǎng)中各個負荷節(jié)點的負荷數(shù)據(jù)。例如，負荷節(jié)點1表示居民用電，其負荷大小為2kW；負荷節(jié)點2表示商業(yè)用電，其負荷大小為5kW。

收集并記錄光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電數(shù)據(jù)。例如，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率為0.15，即每單位光照下發(fā)電容量的15%。

收集并記錄配電網(wǎng)的實際運行數(shù)據(jù)，如節(jié)點電壓、線路功率流等。例如，節(jié)點1的電壓為220V，線路1的功率流為8kVA。

通過收集此類數(shù)據(jù)，可以建配電網(wǎng)模型，并進行優(yōu)化模型的求解和試驗分析。

5.2 模型求解與參數(shù)設(shè)置

5.2.1 模型求解方法

一是傳統(tǒng)優(yōu)化算法：對于本案例中的優(yōu)化問題，使用混合整數(shù)線性規(guī)劃算法進行求解。

二是智能優(yōu)化算法：采用遺傳算法作為智能優(yōu)化算法進行求解。遺傳算法通過模擬自然界的進化過程，能夠在搜索空間中找到較優(yōu)解。

5.2.2 參數(shù)設(shè)置

一是目標函數(shù)權(quán)重：優(yōu)化目標是最小化系統(tǒng)總線損耗和保持節(jié)點電壓在一定范圍內(nèi)，根據(jù)具體需求，可以設(shè)定兩個目標函數(shù)的權(quán)重，如系統(tǒng)總線損耗權(quán)重為0.8，節(jié)點電壓偏差權(quán)重為0.2。

二是約束條件設(shè)置：根據(jù)配電網(wǎng)的實際情況和要求，對約束條件進行設(shè)置。例如，節(jié)點電壓范圍可以設(shè)置為210V 至230V，線路功率限制可以根據(jù)線路容量設(shè)定。

三是優(yōu)化算法參數(shù)：對于遺傳算法，需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如種群大小、迭代次數(shù)、交叉率、變異率等。例如，可以設(shè)置種群大小為50，迭代次數(shù)為100，交叉率為0.8，變異率為0.1。

通過將參數(shù)設(shè)置和模型求解方法應(yīng)用于案例數(shù)據(jù)，可以得到優(yōu)化結(jié)果并進行進一步的分析。對比不同算法的求解效果，評估其在新能源接入配電網(wǎng)優(yōu)化問題上的適用性和性能。

5.3 試驗結(jié)果分析和討論

根據(jù)在前面的部分中建立的優(yōu)化模型，并使用所選的優(yōu)化算法進行求解，獲得試驗結(jié)果。

5.3.1 優(yōu)化結(jié)果

一是最優(yōu)目標函數(shù)值。通過求解優(yōu)化模型，獲得了最優(yōu)的目標函數(shù)值，即系統(tǒng)總線損耗的最小化。例如，得到一個最優(yōu)目標函數(shù)值為10kW。

二是決策變量值。對應(yīng)于最優(yōu)目標函數(shù)值，獲得相應(yīng)的決策變量值，如各節(jié)點的電壓和線路的功率流分配等。

5.3.2 性能評估

一是目標函數(shù)值對比?？梢詫⑺x的優(yōu)化方法與傳統(tǒng)算法進行對比，評估其在目標函數(shù)值上的性能差異。

二是約束條件滿足度。分析優(yōu)化結(jié)果，檢查是否滿足所設(shè)定的約束條件。例如，節(jié)點電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，線路功率是否不超過額定容量等，確保優(yōu)化結(jié)果的可行性和合規(guī)性。

三是收斂性和求解時間。評估所選優(yōu)化算法的收斂性和求解時間，觀察算法在迭代過程中的收斂速度和穩(wěn)定性，以及求解時間是否滿足實際應(yīng)用的要求。

5.3.3 結(jié)果討論

通過對試驗結(jié)果的分析和討論，對所選的優(yōu)化方法在新能源接入配電網(wǎng)優(yōu)化問題中的效果進行評估，并得出結(jié)論和進一步的研究方向。

6 結(jié)語

本文通過對新能源接入的配電網(wǎng)優(yōu)化運行問題的研究，選擇了適用的優(yōu)化方法并進行了試驗分析。研究結(jié)果表明，在新能源接入配電網(wǎng)中，優(yōu)化模型和所選優(yōu)化方法能夠有效提升系統(tǒng)性能和經(jīng)濟效益，并為進一步優(yōu)化配電網(wǎng)的運行和新能源的可持續(xù)發(fā)展提供了理論和實踐基礎(chǔ)。需要注意的是，本文的研究結(jié)果基于特定的案例和數(shù)據(jù)，實際應(yīng)用中的情況可能存在差異。因此，進一步的研究和實踐應(yīng)考慮具體的配電網(wǎng)特點和實際需求，以優(yōu)化新能源接入的配電網(wǎng)的運行和管理。