張 凱，張喚橋，王心怡，王宏茹，王曉博

（國(guó)網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

目前，隨著環(huán)境污染和資源危機(jī)的加劇，人們對(duì)能量的需求越來越大，而光電、風(fēng)電等新能源具有環(huán)境污染小、參與面廣、生態(tài)效益高等特點(diǎn)?？紤]到太陽能和風(fēng)能的隨機(jī)性、可變性和不穩(wěn)定性，在配電網(wǎng)規(guī)劃過程中有效地解決了這一問題，構(gòu)建多電源的配電網(wǎng)規(guī)劃方法具有重要的意義[1]。而多電源規(guī)劃模型主要有兩種：第一種是確定性規(guī)劃模型，第二種是隨機(jī)規(guī)劃模型。利用光伏電源并將其與傳統(tǒng)能源連接是規(guī)劃的決定性因素之一。因此，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)，整個(gè)規(guī)劃模型可以在沒有實(shí)質(zhì)性變化的情況下完成。隨機(jī)模型主要考慮配電網(wǎng)中與光、風(fēng)電源供電相關(guān)的不確定性因素，光、風(fēng)電源供電改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)的電壓和電容，增加每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率，改變電流[2]。

1 計(jì)及多電源的配電網(wǎng)規(guī)劃原則

配電系統(tǒng)為分布式電力系統(tǒng)，與小用戶相鄰，可獨(dú)立發(fā)電。分布式電源通常在幾千瓦到50 MW之間。分布式能源包括可再生能源和不可再生能源，用于能源生產(chǎn)的可再生能源包括風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、海洋能等；不可再生的能源包括?nèi)燃機(jī)、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等。小型光伏發(fā)電機(jī)作為一種分散發(fā)電方式，在清潔能源的生產(chǎn)過程中受到了廣泛關(guān)注[3]。因此，需要以分布式電源為例，分析配電網(wǎng)規(guī)劃中可再生能源分布的不確定性因素。利用有限容量，建立了配電網(wǎng)規(guī)劃模型，考慮分散在孤立網(wǎng)絡(luò)中的風(fēng)電場(chǎng)和其他發(fā)電機(jī)的最佳位置；考慮風(fēng)能和太陽能的隨機(jī)性，風(fēng)速對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的影響，光照強(qiáng)度、溫度、環(huán)境和風(fēng)速對(duì)太陽能發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的影響，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境成本；考慮內(nèi)燃機(jī)燃料電池和微電網(wǎng)的優(yōu)化布置方案等情況，從而進(jìn)行計(jì)及多電源的配電網(wǎng)規(guī)劃分析。

2 計(jì)及多電源配電網(wǎng)規(guī)劃階段步驟

太陽能的生產(chǎn)取決于許多因素，尤其是天氣條件。在雨天、陰天和下雪天，太陽能功率明顯低于額定功率。因此，光伏發(fā)電是不可持續(xù)和偶然的，地球自轉(zhuǎn)意味著太陽能具有“白天有能源，晚上沒有能源”的間歇性。由于太陽能的不穩(wěn)定性、隨機(jī)性和間歇性，與電網(wǎng)的融合將影響電網(wǎng)的運(yùn)行，其影響程度與其位置和容量密切相關(guān)。風(fēng)能取決于天氣條件，風(fēng)力大小對(duì)風(fēng)能的發(fā)電情況有著最為直接的影響。

多電源配電網(wǎng)規(guī)劃階段步驟包括：（1）收集和分析原始數(shù)據(jù)，包括能源消耗、用戶能源需求、現(xiàn)有能源供應(yīng)條件、負(fù)荷分布、區(qū)域環(huán)境條件、國(guó)家政策等；（2）負(fù)荷預(yù)測(cè)，包括用戶在預(yù)期水平和網(wǎng)絡(luò)上所需的能量；（3）在負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立了配電網(wǎng)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了配電網(wǎng)規(guī)劃算法，確保配電網(wǎng)滿足最大負(fù)荷要求；（4） 根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件，對(duì)多電源接入的電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)；（5）為了找到更有效的解決方案，對(duì)接入系統(tǒng)的多電源規(guī)劃方案進(jìn)行了評(píng)估[4]。

3 配電網(wǎng)規(guī)劃模型的構(gòu)建

3.1 空間數(shù)據(jù)挖掘與集成

根據(jù)不同類型配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，安裝數(shù)據(jù)采集裝置，并獲取實(shí)時(shí)產(chǎn)生的空間電力負(fù)荷數(shù)據(jù)。其中典型的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由圖1可知，配電網(wǎng)主要由變電站、配電線路、配電變壓器、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)和刀閘等組成，因此本文將負(fù)荷數(shù)據(jù)采集裝置安裝在各模塊中，將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果作為預(yù)測(cè)空間電力負(fù)荷的參考數(shù)據(jù)。

3.2 電力負(fù)荷預(yù)測(cè)

在對(duì)綜合空間電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力負(fù)荷的變化規(guī)律，判斷和預(yù)測(cè)負(fù)荷的分布與未來發(fā)展趨勢(shì)[5]。采用彈性系數(shù)法預(yù)測(cè)多電源配電網(wǎng)的空間電力負(fù)荷水平，電力彈性系數(shù)定義為：

式中，變量Δα和Δβ分別表示當(dāng)?shù)氐膰?guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的年平均增長(zhǎng)率和電量平均年增長(zhǎng)率。由此可以得出空間電力負(fù)荷的預(yù)測(cè)公式為：

式中，E表示基準(zhǔn)年用電量，該參數(shù)的取值與歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)有關(guān)。在確定電網(wǎng)規(guī)劃年度的總電量后，利用式（3）求取規(guī)劃年度的計(jì)算最大負(fù)荷，即：

式中，Tmax為年最大負(fù)荷持續(xù)時(shí)間。聯(lián)立式（1）～式（3），可以得出單位地區(qū)內(nèi)空間電力負(fù)荷的預(yù)測(cè)值，同理將研究范圍進(jìn)行分區(qū)，并分別計(jì)算各個(gè)區(qū)域的電力負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，并得出電力負(fù)荷的空間分布規(guī)律。

3.3 配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型

在計(jì)及多電源的配電網(wǎng)規(guī)劃中，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃，采用未來階段與現(xiàn)有階段進(jìn)行分離，并且又將兩者的結(jié)果進(jìn)行規(guī)劃的一種方法[5]。因此，每次規(guī)劃都是從全局出發(fā)，對(duì)整個(gè)問題進(jìn)行全優(yōu)解的計(jì)算，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法設(shè)計(jì)的多電源配電網(wǎng)規(guī)劃模型建立流程如圖2所示。

圖2 計(jì)及多電源的配電網(wǎng)規(guī)劃模型建立流程

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試本文方法設(shè)計(jì)的計(jì)及多電源的配電網(wǎng)規(guī)劃方法的應(yīng)用效果，選擇某地區(qū)計(jì)及風(fēng)電、光伏等多電源接入的配電網(wǎng)作為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)配電網(wǎng)的情況分為多個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行A、B、C、D編號(hào)，其中A區(qū)域的負(fù)荷分布密度最高。利用上文的配電網(wǎng)規(guī)劃模型進(jìn)行不同區(qū)域的配電網(wǎng)規(guī)劃，得出如表1所示的配電網(wǎng)規(guī)劃基本情況。

表1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域多電源配電網(wǎng)基本情況

4.1 規(guī)劃前后的多電源配電網(wǎng)規(guī)劃效果

規(guī)劃前后的多電源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。分析可知，優(yōu)化后增加了輻射式網(wǎng)絡(luò)8回，單聯(lián)絡(luò)式網(wǎng)絡(luò)11回，兩聯(lián)絡(luò)式網(wǎng)絡(luò)7回，且各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連通性好，不存在孤立節(jié)點(diǎn)，說明利用本文方法的多電源配電網(wǎng)規(guī)劃效果更好。

圖3 多電源配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)果

4.2 負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果

為了形成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，除了本文所設(shè)計(jì)模型外，還設(shè)置了計(jì)及諧波指標(biāo)影響的含分布式電源配電網(wǎng)多目標(biāo)規(guī)劃的文獻(xiàn)[6]模型和計(jì)及分布式電源的配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的文獻(xiàn)[7]模型作為實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)對(duì)比模型[6,7]。得出如圖4所示的配電網(wǎng)規(guī)劃預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

圖4 預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率

由圖4可知，本文模型方法的配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)95%左右，文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]方法的負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別為80%和85%左右，遠(yuǎn)低于本文模型方法。表明本文模型方法的配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率更高。主要是由于本文方法根據(jù)不同類型配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，安裝數(shù)據(jù)采集裝置，并獲取實(shí)時(shí)產(chǎn)生的空間電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，使得預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率更高。

4.3 規(guī)劃效率

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同模型的電源規(guī)劃和網(wǎng)架規(guī)劃所用時(shí)間進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

表2 電源規(guī)劃和網(wǎng)架規(guī)劃所用時(shí)間比較（單位/s）

由表2可知，本文模型方法的電源規(guī)劃和網(wǎng)架規(guī)劃所使用的時(shí)間比文獻(xiàn)[6]模型方法與文獻(xiàn)[7]模型方法所有的時(shí)間都短，表明本文模型方法的配電網(wǎng)規(guī)劃效果更高，主要是由于本文方法采用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，使得規(guī)律效率更高。

5 結(jié) 論

太陽能和風(fēng)能具有不確定性供電的特點(diǎn)，多電源接入配電網(wǎng)將從傳統(tǒng)的單極輻射網(wǎng)絡(luò)切換到更復(fù)雜的多極系統(tǒng)，也將對(duì)配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響，因此采用合理的配電網(wǎng)規(guī)劃方法，對(duì)于提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用。本文方法的多電源配電網(wǎng)規(guī)劃效果好，規(guī)劃效率高，實(shí)際應(yīng)用效果好。