王星海,李 鑫,王世坤,王月茹,梅永超
(國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司,山東 淄博 255000)
配電網(wǎng)通常情況下閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈輻射狀。配電網(wǎng)的各支路中含有大量的分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān),調(diào)度員可以根據(jù)運(yùn)行需求來調(diào)整分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài),主要包括正常運(yùn)行狀態(tài)下的優(yōu)化重構(gòu)和故障狀態(tài)下的快速恢復(fù)重構(gòu)[1-3]。
近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)進(jìn)行了大量研究,取得了一系列的研究成果。配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)目標(biāo)方面,最常用的目標(biāo)有:降低配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗[4]、提高電壓質(zhì)量[5]、均衡線路負(fù)載[6]或綜合考慮多個(gè)目標(biāo)[7],但對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化重構(gòu)問題中目標(biāo)函數(shù)權(quán)重系數(shù)的確定方法都未涉及。求解配電網(wǎng)重構(gòu)主流的算法包括模擬退火法[8]、遺傳算法[9]、粒子群算法[10]、蟻群算法[11]、螢火蟲算法[12]、混合算法[13]等,目前遺傳算法的應(yīng)用較為普遍,但存在解的數(shù)量組合呈爆炸式、搜索效率低的問題。分布式電源(distributed generation,DG)滲透率的逐步提高,使配電網(wǎng)的供電方式由單電源輻射狀供電轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫绰?lián)合供電,供電方式的轉(zhuǎn)變使得配電網(wǎng)的優(yōu)化重構(gòu)更為復(fù)雜[14-15]。在分布式電源的處理方式上,大部分研究將其視為PQ 型[16]分布式電源來處理,對(duì)于分布式電源的不確定性和波動(dòng)性對(duì)配電網(wǎng)重構(gòu)的影響分析不夠全面和深入。
提出一種考慮分布式電源接入的配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化重構(gòu)方法。該方法的綜合目標(biāo)函數(shù)包括四部分:降低網(wǎng)損、均衡負(fù)載、提高電壓質(zhì)量、減少開關(guān)操作次數(shù)。應(yīng)用層次分析法確定目標(biāo)函數(shù)各部分的權(quán)重系數(shù),通過確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與方案層,構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型,科學(xué)地確定目標(biāo)函數(shù)各部分的權(quán)重系數(shù);考慮DG 接入的影響,采用改進(jìn)的遺傳算法作為優(yōu)化算法,搭建配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)決策支持系統(tǒng)架構(gòu),既滿足配電網(wǎng)靜態(tài)優(yōu)化重構(gòu)的需求,又能實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下的快速恢復(fù)重構(gòu)。利用MATLAB 對(duì)IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例搭建仿真模型,仿真結(jié)果驗(yàn)證算法的正確性。
配電網(wǎng)優(yōu)化目標(biāo)包括降低網(wǎng)損、均衡負(fù)載、減小電壓偏差,除此之外,目標(biāo)函數(shù)還考慮了減少分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作次數(shù)。操作開關(guān)會(huì)帶來短時(shí)停電,影響電力用戶用電體驗(yàn),產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失;開關(guān)操作次數(shù)的增加還會(huì)降低使用壽命、增加人力投入、帶來安全隱患等。因此,目標(biāo)函數(shù)為降低網(wǎng)損、均衡負(fù)載、提高電壓質(zhì)量與減少開關(guān)操作次數(shù)。
1)降低網(wǎng)損。
式中:f1為目標(biāo)函數(shù)的網(wǎng)損部分;N為支路總數(shù);i為支路編號(hào);Vi、Ri分別為末端電壓、線路阻抗;Pi、Qi分別為有功功率、無功功率;ki為支路分段開關(guān)或聯(lián)絡(luò)開關(guān)的通斷狀態(tài),ki=0 表示斷開,ki=1 表示閉合[17]。
2)均衡負(fù)載。
式中:f2為目標(biāo)函數(shù)的均衡負(fù)載部分;Ii、Iimax分別為流過支路i的實(shí)際電流、最大允許電流。
3)提高電壓質(zhì)量。
式中:f3為目標(biāo)函數(shù)的電壓質(zhì)量部分;j為節(jié)點(diǎn)編號(hào);n、Vj和VjE分別為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)量、節(jié)點(diǎn)j的電壓和節(jié)點(diǎn)j的額定電壓。
4)減少開關(guān)操作次數(shù)。
式中:f4為目標(biāo)函數(shù)的開關(guān)操作次數(shù)部分分別為支路i重構(gòu)前后的開關(guān)通斷狀態(tài),取值為0 表示斷開,取值為1 表示閉合。
在配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)過程中,需要滿足約束條件如下。
1)潮流平衡約束,即全網(wǎng)功率平衡;
2)支路容量約束,即重構(gòu)后各支路上的功率不允許超過限定值,設(shè)Si為支路i的功率為支路i的最大允許容量,則支路容量約束為
3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束,根據(jù)配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn),優(yōu)化重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟獫M足既不出現(xiàn)孤島也不出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)的要求;
4)節(jié)點(diǎn)電壓約束,要保證重構(gòu)后的配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓不越限,設(shè)分別為節(jié)點(diǎn)j的電壓上下限,則節(jié)點(diǎn)電壓約束為
5)DG 功率約束,要保證重構(gòu)后的配電網(wǎng)各DG的有功功率和無功功率在允許的范圍內(nèi),設(shè)PDGj、QDGj分別為節(jié)點(diǎn)j的DG 有功功率和無功功率分別為節(jié)點(diǎn)j的DG 有功功率的上下限分別為節(jié)點(diǎn)j的DG 無功功率的上下限,則DG 功率約束為:
DG 接入配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí),通常可以等效為PQ 節(jié)點(diǎn)、PV 節(jié)點(diǎn)或PI 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理[18]。
1)PQ 節(jié)點(diǎn)。等效為PQ 節(jié)點(diǎn)的DG 可以簡單理解為其輸出的有功功率和無功功率是不變的,因此可以處理為“負(fù)的負(fù)荷”,通常來說,風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等類型的DG 可以當(dāng)作PQ 節(jié)點(diǎn)來處理。
2)PV 節(jié)點(diǎn)。PV 節(jié)點(diǎn)可以認(rèn)為輸出恒定的有功功率且節(jié)點(diǎn)電壓始終保持不變,微型燃?xì)廨啓C(jī)、采用電壓控制策略的光伏電池、燃料電池等可以等效為PV 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。
3)PI 節(jié)點(diǎn)。PI 節(jié)點(diǎn)可以看作輸出的有功功率恒定,且流過節(jié)點(diǎn)的電流保持不變,采用電流控制策略的光伏電池、儲(chǔ)能系統(tǒng)等通常可以等效為PI 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。
考慮到四部分目標(biāo)函數(shù)量綱的不同,選取minmax 方法,對(duì)四部分目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行歸一化處理。
將四部分目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行處理后,可得到最終的目標(biāo)函數(shù)為
式中:a、b、c、d分別為目標(biāo)函數(shù)降低網(wǎng)損、均衡負(fù)載、提高電壓質(zhì)量、減少開關(guān)操作次數(shù)的權(quán)重系數(shù)。
層次分析法是一種常用的權(quán)重決策分析方法,通過目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次,將定性問題轉(zhuǎn)化為定量問題進(jìn)行分析。選取層次分析法來計(jì)算目標(biāo)函數(shù)各部分的權(quán)重系數(shù)[19]。
建立層次結(jié)構(gòu)模型是評(píng)估權(quán)重系數(shù)的核心步驟,該指標(biāo)體系包含了三層。
目標(biāo)層:目標(biāo)層為各層指標(biāo)的最終反映,文中的目標(biāo)層選為配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行A。
準(zhǔn)則層:綜合考慮影響配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的因素,將目標(biāo)展開研究,形成評(píng)估目標(biāo)層的準(zhǔn)則,包括安全效益B1、用戶效益B2、社會(huì)效益B3、經(jīng)濟(jì)效益B4。
方案層:于文中研究而言,為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可選的備選方案包括了降低網(wǎng)損C1、均衡負(fù)載C2、提高電壓質(zhì)量C3、減少開關(guān)操作次數(shù)C4。
配電網(wǎng)重構(gòu)目標(biāo)函數(shù)層次結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。
圖1 配電網(wǎng)重構(gòu)目標(biāo)函數(shù)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchical structure model of objective function for distribution network reconfiguration
判斷矩陣的含義是:相對(duì)于上一層次指標(biāo),本層次中有關(guān)指標(biāo)的相對(duì)重要程度。通過對(duì)同一層次中的因素兩兩對(duì)比,按照重要性進(jìn)行等級(jí)評(píng)定,從而實(shí)現(xiàn)由定性向定量的轉(zhuǎn)化,兩兩比較的結(jié)果構(gòu)成判斷矩陣。采用1—9 標(biāo)度法[20]來確定判斷矩陣,各級(jí)標(biāo)度含義如表1 所示。
表1 1—9標(biāo)度法含義Table 1 Meaning of 1-9 scale method
采用專家打分的方式,確定各層次的判斷矩陣,并采用yaahp 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出綜合目標(biāo)函數(shù)的各層權(quán)重系數(shù)和一致性判斷結(jié)果如下。
以A-B 的計(jì)算為例,判斷矩陣為
計(jì)算可得,上述判斷矩陣符合一致性檢驗(yàn)結(jié)果,A-B 的權(quán)重系數(shù)為[ 0.49 0.13 0.23 0.15 ]。
同理,B1-C 的判斷矩陣為
B2-C 的判斷矩陣為
B3-C 的判斷矩陣為
B4-C 的判斷矩陣為
上述判斷矩陣經(jīng)驗(yàn)證均滿足一致性檢驗(yàn)要求,根據(jù)yaahp 軟件計(jì)算結(jié)果可得,方案層中目標(biāo)函數(shù)四部分的權(quán)重為:a=0.353 0、b=0.254 7、c=0.221 3、d=0.171 0。
為將上述數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用,開發(fā)了配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)決策支持系統(tǒng),系統(tǒng)架構(gòu)分為展示層、服務(wù)層與數(shù)據(jù)層,如圖2 所示。
圖2 配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)決策支持系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of decision support system for distribution network optimization and reconfiguration
根據(jù)配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)流程,將展示層設(shè)計(jì)為三個(gè)模塊:
1)數(shù)據(jù)采集模塊。用于采集配電網(wǎng)、DG 及負(fù)荷的各類數(shù)據(jù),如有功功率、無功功率、電壓、開關(guān)狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等,并將數(shù)據(jù)上傳于后端服務(wù)器,作為優(yōu)化重構(gòu)算法的數(shù)據(jù)來源。
2)參數(shù)設(shè)置模塊。用于設(shè)置優(yōu)化算法的相關(guān)參數(shù),包括了四部分目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)a、b、c、d的設(shè)置,通過設(shè)置四個(gè)權(quán)重系數(shù)的不同大小,可以決定優(yōu)化的方向,從而得到不同的優(yōu)化結(jié)果;參數(shù)設(shè)置模塊還可以設(shè)置某一個(gè)或幾個(gè)開關(guān)狀態(tài)為指定狀態(tài),不參與優(yōu)化過程中的狀態(tài)變化,該功能可應(yīng)用于配電網(wǎng)故障時(shí)的恢復(fù)重構(gòu)。
3)結(jié)果輸出模塊。用于輸出配電網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果,包括優(yōu)化后的開關(guān)狀態(tài)、配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率及電壓等,還包括了目標(biāo)函數(shù)網(wǎng)絡(luò)損耗、電壓偏差、開關(guān)操作次數(shù)等。
遺傳算法是一種通過模擬生物自然進(jìn)化過程,從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解搜索的人工智能優(yōu)化算法,基本操作有選擇、交叉和變異,編碼方式有二進(jìn)制和十進(jìn)制,文中選用最常見的二進(jìn)制編碼方式。
遺傳算法進(jìn)行配電網(wǎng)重構(gòu)的難點(diǎn)之一在于解的數(shù)量組合呈爆炸式,且交叉和變異過程中會(huì)產(chǎn)生大量的不可行解,導(dǎo)致尋優(yōu)效率降低。為盡量減少交叉和變異過程中不可行解的產(chǎn)生,文中采用基于環(huán)路的方式,具體方法如下:
1)假設(shè)配電網(wǎng)中所有的分段和聯(lián)絡(luò)開關(guān)均閉合,從而找出網(wǎng)絡(luò)中所有的環(huán)路;
2)對(duì)于交叉算子而言,選擇需要進(jìn)行交叉的兩條染色體,隨機(jī)選取一個(gè)有且僅有一個(gè)開關(guān)斷開的環(huán)路進(jìn)行交叉,可以保證交叉后子代染色體中斷開開關(guān)的總數(shù)不變,從而大大減少了孤島和環(huán)網(wǎng)的產(chǎn)生,不可行解的數(shù)量將大幅降低;
3)對(duì)于變異算子而言,同樣選取有且僅有一個(gè)開關(guān)斷開的環(huán)路進(jìn)行單點(diǎn)變異,也可以大幅降低不可行解的數(shù)量。
基于改進(jìn)的遺傳算法,配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)算法步驟如下:
1)生成初始種群,對(duì)初始種群進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算;
2)選擇、交叉與變異。選擇操作采用輪盤賭選擇方式,結(jié)合精英保留策略;交叉和變異操作的位置由隨機(jī)數(shù)確定,經(jīng)過交叉和變異之后可以產(chǎn)生新的個(gè)體;
3)可行解校驗(yàn)與再選擇。經(jīng)過交叉、變異后產(chǎn)生的新個(gè)體中會(huì)有大量的不可行解,需要對(duì)新個(gè)體依次進(jìn)行可行性校驗(yàn),及時(shí)淘汰不可行解,根據(jù)淘汰的不可行解的數(shù)量從附帶種群中進(jìn)行二次選擇,保證種群數(shù)量充足;
4)計(jì)算種群個(gè)體的適應(yīng)度,并判斷是否達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù),若是,則輸出優(yōu)化結(jié)果,若否,則返回步驟2)。
遺傳算法優(yōu)化流程如圖3 所示。
圖3 遺傳算法迭代流程Fig.3 Flowchart of genetic algorithm iteration
以IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)為例,采用MATLAB為操作語言,設(shè)定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓為12.66 kV,電源節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值為1,文獻(xiàn)[21]給出了線路阻抗及節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況,設(shè)置遺傳算法種群數(shù)量為50,最大迭代次數(shù)為100,節(jié)點(diǎn)和支路編號(hào)如圖4 所示,圖中黑色數(shù)字代表節(jié)點(diǎn)編號(hào),紅色數(shù)字代表支路編號(hào)(對(duì)應(yīng)分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān))。
圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)Fig.4 IEEE 33 node distribution system
為了驗(yàn)證文中方法的正確性,利用MATLAB 分別對(duì)不同算例進(jìn)行了仿真分析,首先在不考慮DG接入的情況下,設(shè)置了4 個(gè)算例。
算例①:系統(tǒng)重構(gòu)前。
算例②:網(wǎng)損最小單一目標(biāo)函數(shù)重構(gòu),即通過參數(shù)設(shè)置模塊使權(quán)重系數(shù)滿足a=1、b=0、c=0、d=0。
算例③:電壓質(zhì)量最高單一目標(biāo)函數(shù)重構(gòu),即設(shè)置權(quán)重系數(shù)滿足a=0、b=0、c=1、d=0。
算例④:文中提出的多目標(biāo)函數(shù)重構(gòu),仿真算例中權(quán)重系數(shù)的設(shè)置為a=0.353 0、b=0.254 7、c=0.2213、d=0.171 0。
仿真結(jié)果如表2 和圖5 所示。
表2 不同算例仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of different examples
圖5 不同算例對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓幅值Fig.5 Node voltage amplitude corresponding to different calculation examples
從表2 和圖5 可以看出,采用文中的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后,網(wǎng)損約降低1/3,電壓質(zhì)量得到明顯提升,最低節(jié)點(diǎn)電壓可以提高到0.93 pu 以上,提高了2%左右,電壓分布更加均勻,改善了網(wǎng)絡(luò)電壓水平,這表明文中提出的重構(gòu)算法可以顯著提升配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。另外,文中的方法與單一目標(biāo)函數(shù)重構(gòu)方法相比,開關(guān)操作次數(shù)顯著降低,對(duì)網(wǎng)損、電壓質(zhì)量等其他指標(biāo)影響甚微,因而文中選取的綜合目標(biāo)函數(shù)更有現(xiàn)實(shí)意義。
為驗(yàn)證文中方法在配電網(wǎng)故障時(shí)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)效果,分別設(shè)置線路故障(支路25 斷開)與節(jié)點(diǎn)故障(節(jié)點(diǎn)12 及其相連支路斷開),對(duì)兩種故障進(jìn)行了動(dòng)態(tài)恢復(fù)重構(gòu),結(jié)果如表3 所示。
表3 動(dòng)態(tài)重構(gòu)結(jié)果Table 3 Dynamic reconfiguration results
由表3 可知,因故障導(dǎo)致配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化時(shí),應(yīng)用該算法可以迅速完成網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)恢復(fù)重構(gòu),實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域的快速復(fù)電,保障非故障區(qū)域的節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量符合要求,網(wǎng)絡(luò)損耗較低。因此,該算法應(yīng)用于配電網(wǎng)故障動(dòng)態(tài)恢復(fù)重構(gòu)時(shí),滿足快速性、供電可靠性與經(jīng)濟(jì)性要求。
在考慮分布式電源接入的情況下,仿真算例中接入了4 臺(tái)分布式電源DG1—DG4,額定容量分別為60 kW、80 kW、120 kW、200 kW,功率因數(shù)分別為0.85、0.9、0.9、0.8,分別接入節(jié)點(diǎn)5、9、26、31。
采用多目標(biāo)函數(shù)重構(gòu)方法,仿真算例中權(quán)重系數(shù)的設(shè)置仍為a=0.353 0、b=0.254 7、c=0.221 3、d=0.171 0,對(duì)接入DG 的配電網(wǎng)進(jìn)行重構(gòu),結(jié)果如表4 所示。
表4 考慮DG接入的重構(gòu)結(jié)果Table 4 Reconfiguration results conidering DG access
由表4 可知,接入分布式電源后,節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量有所提高,采用文中的方法重構(gòu)后,網(wǎng)損降低了28.84%,節(jié)點(diǎn)最低電壓提高了3.10%,結(jié)果證明了該方法對(duì)降低網(wǎng)損與提高節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量作用明顯。
在5.4 節(jié)仿真條件的基礎(chǔ)上,對(duì)比了文中提出的算法與常用的粒子群算法、蟻群算法和模擬退火算法的重構(gòu)結(jié)果,如表5 所示。
表5 不同算法結(jié)果Table 5 Different algorithm results
由表5 可知,文中算法相比于其他三種算法在目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化重構(gòu)結(jié)果上性能更優(yōu),且重構(gòu)時(shí)間最短,具有一定的對(duì)比優(yōu)勢。
建立考慮分布式電源接入的配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化重構(gòu)模型,選取了降低網(wǎng)損、均衡負(fù)載、提高電壓質(zhì)量、減少開關(guān)操作次數(shù)為目標(biāo)函數(shù),使得重構(gòu)算法更具有實(shí)用性與推廣價(jià)值。為更科學(xué)地確定目標(biāo)函數(shù)各部分的權(quán)重系數(shù),引入了層次分析法,通過確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與方案層,構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。搭建了配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)決策支持系統(tǒng)架構(gòu),滿足了數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置與結(jié)果輸出的需求。采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的靜態(tài)優(yōu)化重構(gòu)與動(dòng)態(tài)故障恢復(fù)重構(gòu)。通過仿真算例證明,文中算法可以正確、高效地實(shí)現(xiàn)含分布式電源接入的配電網(wǎng)的多目標(biāo)優(yōu)化,對(duì)實(shí)際配電網(wǎng)重構(gòu)有一定的參考意義。