侯祖鋒，陳建鈿，丘冠新，楊葉昕，徐春華，曹安瑛

考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略

侯祖鋒，陳建鈿，丘冠新，楊葉昕，徐春華，曹安瑛

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000)

針對傳統(tǒng)配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略存在的均衡度低、耗時長的問題，提出了考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略。根據(jù)分布式電源的無功調(diào)節(jié)原理，設(shè)計了配電網(wǎng)安全態(tài)勢功能模型，在引入數(shù)據(jù)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，評估了配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢。利用配電網(wǎng)兩級的輸出信道帶寬，構(gòu)建了影響配電網(wǎng)兩級電力負(fù)載的期望方程?；谂潆娋W(wǎng)節(jié)點(diǎn)耗能因子矩陣，得到了配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的負(fù)載輸出項(xiàng)，完成配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的統(tǒng)計分析。通過制定配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)兩級的動態(tài)無功調(diào)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略的均衡系數(shù)大于0.7，調(diào)度耗時在5 s以下，不僅具有更高的均衡度，還可以確保配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度具有更高的效率。

分布式電源；無功調(diào)節(jié)；配電網(wǎng)；無功調(diào)度；安全態(tài)勢；統(tǒng)計分析

0 引言

伴隨著社會的發(fā)展，電力系統(tǒng)也在飛速發(fā)展，配電網(wǎng)中承載的業(yè)務(wù)越來越多，電力負(fù)荷也越來越大，因此有必要對配電網(wǎng)進(jìn)行無功調(diào)度設(shè)計，以提高其調(diào)度能力[1]。為了提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，對配電網(wǎng)進(jìn)行兩級動態(tài)無功調(diào)度設(shè)計，基于分布式電源無功電源調(diào)節(jié)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)均衡調(diào)度法，構(gòu)建配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度均衡模型，根據(jù)該模型對配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兩級動態(tài)無功均衡調(diào)度，有效優(yōu)化配電網(wǎng)的負(fù)荷能力，提升配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的效果，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]?；诜植际诫娫礋o功調(diào)節(jié)，研究配電網(wǎng)兩級的動態(tài)無功調(diào)度策略，對配電網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的意義[3]。

文獻(xiàn)[4]針對配電網(wǎng)在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)增大后運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，提出了基于主動配電網(wǎng)的動態(tài)無功調(diào)節(jié)方法。該方法可以有效地降低配電網(wǎng)的整體運(yùn)行成本，利用線性化技術(shù)將主動配電網(wǎng)動態(tài)無功轉(zhuǎn)化為最小二階函數(shù)，并對函數(shù)進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的優(yōu)化。仿真實(shí)驗(yàn)證明，該主動配電網(wǎng)的動態(tài)無功調(diào)節(jié)方法，可以有效提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[5]基于模型控制提出了一種配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度方法，用來降低配電網(wǎng)運(yùn)行的開銷。首先利用主動配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建兩級動態(tài)無功調(diào)度模型，根據(jù)模型對配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時反饋，同時考慮到配電網(wǎng)的耦合性，減少其他因素對配電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷帶來的影響，通過兩級動態(tài)無功調(diào)度來優(yōu)化配電網(wǎng)，從而降低無功設(shè)備的運(yùn)行成本，在保證配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件下成功降低配電網(wǎng)的運(yùn)行開銷。通過仿真計算分析可證明，基于模型控制的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度方式可有效降低配電網(wǎng)運(yùn)行的開銷。但是上述兩種方法進(jìn)行配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的均衡度較低，導(dǎo)致調(diào)度效果較差，調(diào)度效率較低。

隨著配電網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的難度逐漸增大。為了保證配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低其運(yùn)行成本，并根據(jù)上述方法存在的問題，本文基于分布式電源無功調(diào)節(jié)條件，以配電網(wǎng)的負(fù)載均衡為基礎(chǔ)，對配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度方法進(jìn)行研究。通過采用分布式電源的無功調(diào)節(jié)原理，構(gòu)建了配電網(wǎng)安全態(tài)勢功能模型；應(yīng)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢進(jìn)行評估，根據(jù)評估結(jié)果，對配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度進(jìn)行統(tǒng)計分析；構(gòu)建配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得到最優(yōu)解即完成配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了本文所提方法的有效性。

1 配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略設(shè)計

1.1 配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估

在對配電網(wǎng)兩級實(shí)施動態(tài)無功調(diào)度的過程中，首先根據(jù)分布式電源的無功調(diào)節(jié)原理[6]，將態(tài)勢感知應(yīng)用到配電網(wǎng)的安全態(tài)勢感知中。因此設(shè)計了配電網(wǎng)安全態(tài)勢功能模型，如圖1所示。

在圖1中，數(shù)據(jù)層的主要功能是配電網(wǎng)兩級數(shù)據(jù)的采集與提取[7]，信息層的功能是融合配電網(wǎng)兩級的數(shù)據(jù)，知識層則負(fù)責(zé)提取與評估配電網(wǎng)的安全態(tài)勢。

基于分布式電源無功調(diào)節(jié)構(gòu)建配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度模型，并應(yīng)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)[8]，得到配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估步驟如下：

Step 1 根據(jù)配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度模型建立配電網(wǎng)的二級指標(biāo)體系[9]，以此確定配電網(wǎng)評估的區(qū)域。

Step 2 構(gòu)建一個基于配電網(wǎng)的辨別矩陣，對配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度模型進(jìn)行量化評估，確定配電網(wǎng)的隸屬度，得到評估矩陣。

Step 3 構(gòu)建配電網(wǎng)的辨別矩陣。

整個辨別過程中最關(guān)鍵的步驟就是確定權(quán)重系數(shù)[10]，利用數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)構(gòu)建辨別矩陣，即

辨別矩陣的特性包括：

Step 4 對配電網(wǎng)辨別矩陣進(jìn)行運(yùn)算。

辨別矩陣的運(yùn)算是求取配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的特征向量的過程[11]，通過辨別矩陣運(yùn)算出配電網(wǎng)的特征向量的值。

Step 5 通過求取配電網(wǎng)的特征向量值，計算出每一個無功調(diào)度評估指標(biāo)的權(quán)重，并將其進(jìn)行歸一化處理。

Step 6 將歸一化處理后的合成配電網(wǎng)進(jìn)行安全態(tài)勢評估[12]，利用上述步驟中的辨別矩陣，結(jié)合權(quán)重向量對配電網(wǎng)進(jìn)行評估運(yùn)算，如式(3)所示。

式中：為權(quán)重矩陣；r為權(quán)重系數(shù)；為評估矩陣。

根據(jù)上述計算結(jié)果，采用加權(quán)平均法[13]，對配電網(wǎng)的安全態(tài)勢進(jìn)行評估。

Step 7 綜合配電網(wǎng)安全態(tài)勢的評估結(jié)果。

首先對配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢進(jìn)行論述，確定配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度過程中的評估內(nèi)容，在配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢中提取樣本信息，對樣本進(jìn)行指標(biāo)提取，在配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估中分析構(gòu)建配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的策略，確定需要選擇的評估方法，最后基于配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知過程，完成對配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢的評估。

1.2 配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的統(tǒng)計分析

在對配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢進(jìn)行評估的過程中，設(shè)定配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功增長率為，一維矢量為X，配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度輸出信號的帶寬為

由于配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的信號強(qiáng)度受配電網(wǎng)負(fù)載的影響[14-16]，在配電網(wǎng)最大負(fù)載的情況下，得到配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為

1.3 制定配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略

配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略的制定，首先采用遺傳算法對配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得到最優(yōu)解，完成配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度，具體算法如下：

Step 1 對配電網(wǎng)進(jìn)行編碼。配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度包括兩種方式，一是利用用戶分配比特進(jìn)行動態(tài)無功調(diào)度[19]，二是利用子載波進(jìn)行動態(tài)無功調(diào)度[20]。假設(shè)配電網(wǎng)的傳輸信道中有個子載波，配電網(wǎng)中存在個客戶，那么給配電網(wǎng)中個子載波分配個客戶，得到第個用戶被分配的子載波為。結(jié)合遺傳學(xué)算法，設(shè)配電網(wǎng)的子載波是長度為的染色體，那么染色體中存在的基因?yàn)榈趥€客戶分配的子載波為，并對配電網(wǎng)中的子載波設(shè)置進(jìn)行上限設(shè)定，該子載波的上限代表整個配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度過程中和用戶分配的關(guān)系[21]。

Step 2 形成配電網(wǎng)的初始群體。首先將子載波分配給配電網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)最多的用戶，要求滿足配電網(wǎng)中每個用戶在使用網(wǎng)絡(luò)時最低傳輸率需要的子載波不低于R[22]，則第個用戶被分配的子載波為m，計算公式如式(8)所示。

當(dāng)用戶在配電網(wǎng)中的子載波數(shù)量達(dá)到m值時，停止對用戶的分配，剩下的用戶分配剩余的子載波，直到全部分配完為止，形成配電網(wǎng)的初始群體。

Step 3 計算配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的適應(yīng)度。當(dāng)配電網(wǎng)兩級為用戶分配載波時，需要結(jié)合無功調(diào)度的約束條件，計算出電能在配電網(wǎng)兩級傳輸?shù)臅r速，將其作為適應(yīng)度計算的約束條件，適應(yīng)度越高傳輸時速越快。

Step 4 對配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度進(jìn)行運(yùn)算。采用遺傳學(xué)的子載波選擇方法對配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度進(jìn)行運(yùn)算，防止子載波的局部分布呈現(xiàn)不均的問題[23]。

Step 5 利用遺傳學(xué)算法進(jìn)行操作。影響配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的因素主要有兩個，分別是變異因素m和交叉因素c[24]。以遺傳學(xué)計算方法構(gòu)建配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度模型，通過遺傳算法對該模型進(jìn)行操作，在遺傳學(xué)中個體的生成速度受交叉因素c影響，當(dāng)交叉因素c變大時，個體就會遭到破壞，從而對遺傳算法的運(yùn)算過程造成影響，導(dǎo)致搜索變慢。當(dāng)變異因素m變小時，新的基因結(jié)構(gòu)無法生成，從而出現(xiàn)搜索停滯的現(xiàn)象。利用遺傳學(xué)算法進(jìn)行操作得到最優(yōu)解，使變異因素和交叉因素均勻分布，此時將c逐漸變小，為了避免局部收斂的現(xiàn)象，搜索過程中基因變異的幾率較大[25-29]。配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度方法通過變異因素m和交叉因素c完成對策略的調(diào)整。

Step 6 保留精英。配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度采用精英保留的方式，不僅保留了不同時代的精英個體，還避免了精英個體間的交叉和變異，將精英個體保留到下一代中。

Step 7 終止條件。當(dāng)遺傳搜索算法計算出配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的精英個體迭代次數(shù)達(dá)到時，終止迭代操作，得到最優(yōu)解，完成配電網(wǎng)的兩級動態(tài)無功調(diào)度。

根據(jù)以上步驟，制定了配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)兩級的動態(tài)無功調(diào)度。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略在應(yīng)用時的有效性，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel(R) Core(TM) i5-2520M處理器、8 GB內(nèi)存、Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)分析。所有分析模型均采用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)。配電網(wǎng)的均衡系數(shù)為

圖2 均衡系數(shù)測試結(jié)果

從圖2的結(jié)果可以看出，在多次迭代過程中，采用考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略時，經(jīng)過式(11)的計算，得到該方法的均衡系數(shù)都大于0.7，采用文獻(xiàn)[5]的無功調(diào)度策略時，均衡系數(shù)為0.1～0.3，采用文獻(xiàn)[4]的無功調(diào)度策略時，均衡系數(shù)為0.3～0.6。通過對比可知，考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略得到的均衡系數(shù)最高。原因是本文設(shè)計的無功調(diào)度策略可以根據(jù)分布式電源無功調(diào)節(jié)的原理，保證配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的均衡度。

在分布式電源無功調(diào)節(jié)作用下，對比測試了文獻(xiàn)[4]的無功調(diào)度策略、文獻(xiàn)[5]的無功調(diào)度策略和考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略，采用調(diào)度耗時衡量三種調(diào)度策略的調(diào)度效率，結(jié)果如圖3所示。

從圖3的結(jié)果可以看出，采用考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略時，調(diào)度耗時在5 s以下，其他兩種無功調(diào)度策略的最大調(diào)度耗時分別為10 s和25 s。通過對比可知，考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略通過選擇遺傳算子，避免出現(xiàn)局部早熟和收斂的情況，大大縮短了配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度耗時，從而提高了配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度效率。

圖3 調(diào)度耗時對比結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出了考慮分布式電源無功調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略，考慮到分布式電源無功調(diào)節(jié)的原理，評估了配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢，通過對配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度的統(tǒng)計分析，制定了配電網(wǎng)兩級動態(tài)無功調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)兩級的動態(tài)無功調(diào)度。結(jié)果顯示，本文設(shè)計的無功調(diào)度策略可以保證調(diào)度的均衡度，提高調(diào)度效率。

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Two-level dynamic reactive power scheduling strategy in a distribution network considering reactive power regulation of distributed generation

HOU Zufeng, CHEN Jiandian, QIU Guanxin, YANG Yexin, XU Chunhua, CAO Anying

(Zhuhai Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Zhuhai 519000, China)

There are problems of low balance and longtime consumption in the traditional two-level dynamic reactive power dispatching strategy of a distribution network. Thus a two-level dynamic reactive power dispatching strategy of the distribution network considering the reactive power regulation of distributed power generation is proposed. According to the principle of reactive power regulation of distributed power, a functional model of the security situation of the distribution network is designed. Based on the introduction of data processing technology, the network security of the distribution network is evaluated. The two-stage output channel bandwidth of the network is used to construct the expectation equation affecting the two-level power load. Based on the node energy consumption factor matrix of the network, the load output item of the two-level dynamic reactive power dispatch is obtained, and the statistical analysis of the two-level dynamic reactive power dispatch of the network is completed. By formulating the two-level dynamic reactive power dispatching strategy of the distribution network, the two-level dynamic reactive power dispatching is realized. The experimental results show that the equilibrium coefficient of the two-level dynamic reactive power dispatching strategy of the network considering the distributed power reactive power regulation is greater than 0.7, and the dispatching time is fewer than 5 seconds. This not only has a higher degree of equilibrium, but also can ensure that the distribution network two-level dynamic reactive power dispatch has higher efficiency.

This work is supported by the Science and Technology Project of China Southern Power Grid Co., Ltd. (No. GDKJXM20201748).

distributed power supply; reactive power regulation; distribution network; reactive power dispatching; security situation; statistical analysis

10.19783/j.cnki.pspc.210947

南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助(GDKJXM20201748)

2021-07-22；

2021-09-15

侯祖鋒(1985—)，男，通信作者，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)自動化信息系統(tǒng)建設(shè)；E-mail: houzufeng198508@163.com

陳建鈿(1983—)，男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣踊?/p>

丘冠新(1974—)，男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)殡姎夤こ膛c自動化。

(編輯 張愛琴)