張仁和

國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏銀川，750000

0 引言

在分布式電源的接入作用下，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運(yùn)作模式發(fā)生了新的變化，不再是以簡單的輻射受電網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)行載體，而是更加側(cè)重于復(fù)雜的電源網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在實(shí)際環(huán)境因素的影響下，分布式電源的輸出表現(xiàn)出了明顯的間歇性和不確定性，并且為了適應(yīng)實(shí)際用電需求總量的變化，發(fā)展出了以穩(wěn)定供電為目標(biāo)的反調(diào)峰特性。通常情況下，配網(wǎng)規(guī)劃階段的考慮因素相對(duì)單一，對(duì)配網(wǎng)內(nèi)其他資源的利用程度相對(duì)較低，受大規(guī)模分布式電源的作用，電力系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行也成了資源配置的重要前提。

分布式電源并網(wǎng)資源管理是關(guān)系到電力系統(tǒng)配電合理性和可靠性的關(guān)鍵，受客觀因素影響，用電負(fù)荷存在一定的動(dòng)態(tài)特征，波峰和波谷階段的差異較大，為了適應(yīng)這種波動(dòng)，對(duì)并網(wǎng)配置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化研究是十分必要的。以區(qū)間魯棒控制為基礎(chǔ)對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)配置，可以降低儲(chǔ)能成本開銷，但是對(duì)資源的利用程度仍存在提升空間[1]。將改進(jìn)的FPA算法應(yīng)用于分布式光伏配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化研究中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的充分利用，但是穩(wěn)定性依舊存在波動(dòng)[2]。

因此，本文提出了基于改進(jìn)粒子群算法的分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置方法，并開展了試驗(yàn)和測試，對(duì)配置方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1 分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置方法

1.1 構(gòu)建分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)

受分布式電源屬性特征的影響，對(duì)其進(jìn)行配置研究的過程中需要綜合考慮不同的參數(shù)，為此，本文在進(jìn)行配置前建立了分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)，并將其當(dāng)作改進(jìn)粒子群算法計(jì)算的依據(jù)。在具體的計(jì)算過程中，考慮算法能夠適應(yīng)多投入多產(chǎn)出的相對(duì)效率分析，本文采用超效率數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的方法。

根據(jù)分布式電源機(jī)組的輸入和輸出數(shù)據(jù)，將其輸入超效率DEA模型中，并設(shè)立了各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)向量R={r1,r2,…ri}，將其作為超效率DEA模型的決策單元，此時(shí)分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

式中，f（*）表示分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)，xi表示目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，X表示分布式電源機(jī)組的總輸入數(shù)據(jù)，ri表示對(duì)應(yīng)xi的權(quán)重系數(shù)，Ci表示分布式電源機(jī)組對(duì)應(yīng)xi的輸出數(shù)據(jù)，Pi表示對(duì)應(yīng)xi的輸出功率。

在此模式下，要得到配置優(yōu)化的最小化目標(biāo)值和最大化目標(biāo)值，必須要結(jié)合機(jī)組的歷史輸出負(fù)荷數(shù)據(jù)極值和儲(chǔ)能系統(tǒng)的允許負(fù)荷數(shù)據(jù)極值。假設(shè)配電系統(tǒng)的歷史用電負(fù)荷峰值為Wmax，波谷值為Wmin，那么分別將其作為超效率DEA模型決策單元輸入的閾值范圍，在系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度的限制下，目標(biāo)函數(shù)需要滿足：

式中，W（xi）表示目標(biāo)函數(shù)的負(fù)荷參數(shù)。

用電負(fù)荷處于波谷階段時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)是主要的能量輸入階段。因此，此時(shí)應(yīng)有：

式中，Qmax和Qmin分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)允許輸入負(fù)荷的最大值和最小值，Q（xi）表示目標(biāo)函數(shù)的輸入負(fù)荷參數(shù)。

通過這樣的方式，確定改進(jìn)粒子群算法尋優(yōu)的范圍，為分布式電源并網(wǎng)配置的合理性提供保障。

1.2 改進(jìn)粒子群算法的配置尋優(yōu)

在上述基礎(chǔ)上，本文采用粒子群算法實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源并網(wǎng)配置的尋優(yōu)計(jì)算，但是考慮到其波動(dòng)性，本文在粒子群算法中引入了螢火蟲機(jī)制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)其的改進(jìn)，提高尋優(yōu)的效率。

首先，本文將配置參數(shù)作為螢火蟲，其亮度和吸引度決定粒子的移動(dòng)方向和單位移動(dòng)步距。螢火蟲的相對(duì)熒光亮度可以表示為：

式中，L（xi）代表相對(duì)熒光亮度，Lmax表示螢火蟲的最大熒光亮度，即最優(yōu)配置參數(shù)對(duì)應(yīng)的熒光亮度值，其具體參數(shù)信息為上文1.1部分超效率DEA模型輸出的目標(biāo)函數(shù)值，λ表示光強(qiáng)吸收作用，e表示熒光亮度波動(dòng)變化，dij代表螢火蟲i與螢火蟲j的間距。

其次就是對(duì)螢火蟲吸引度的計(jì)算，可以表示為：

式中，A（xi）代表螢火蟲的吸引度，Amax代表螢火蟲的最大吸引度，即最優(yōu)配置參數(shù)對(duì)應(yīng)的吸引度值，同樣對(duì)應(yīng)1.1部分超效率DEA模型輸出的目標(biāo)函數(shù)值。為了防止粒子群算法在尋找最優(yōu)的歷程中落入部分最優(yōu)[3]，本文設(shè)置了隨機(jī)擾動(dòng)值，其取值范圍為[0.02,0.05]，在此基礎(chǔ)上對(duì)分布式電源的并網(wǎng)配置進(jìn)行尋優(yōu)。其計(jì)算過程如圖1所示。

圖1 基于改進(jìn)粒子群的分布式電源的并網(wǎng)配置尋優(yōu)方法

按照?qǐng)D1所示的方式，首先根據(jù)符合約束條件的并網(wǎng)配置參數(shù)，對(duì)螢火蟲的位置進(jìn)行初始化，在此基礎(chǔ)上分別將輸出的目標(biāo)函數(shù)作為粒子群算法的尋優(yōu)目標(biāo)，求出對(duì)應(yīng)情況下的最優(yōu)配置參數(shù)。計(jì)算粒子群算法的尋優(yōu)參數(shù)與螢火蟲之間的距離，將亮度和吸引度作為指標(biāo)，進(jìn)行趨近計(jì)算，直至目標(biāo)函數(shù)的亮度無限接近螢火蟲的最大亮度值，將此時(shí)的參數(shù)作為最終的配置尋優(yōu)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了證明本文提出的基于改進(jìn)粒子群算法的分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置方法的有效性，以實(shí)際配電網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行了測試分析。選擇基于區(qū)間魯棒控制的配電信息物理雙層設(shè)備協(xié)調(diào)配置方法和基于改進(jìn)FPA算法的含分布式光伏配電網(wǎng)選址定容的多目標(biāo)優(yōu)化方法作為對(duì)比方法，比較三種方法的應(yīng)用性能[4]。

2.1 測試環(huán)境

本文開展測試的配電系統(tǒng)中，共包含25個(gè)節(jié)點(diǎn)，并以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男问浇⒘诉B接關(guān)系。系統(tǒng)配電線路的25個(gè)節(jié)點(diǎn)中，有19個(gè)為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)編號(hào)為F01、F02…F19；T節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2個(gè)，對(duì)應(yīng)編號(hào)為T01、T02；電源點(diǎn)數(shù)量為1個(gè)，對(duì)應(yīng)編號(hào)為D00；末梢節(jié)點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)，對(duì)應(yīng)編號(hào)為M01、M02、M03。對(duì)該配電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其首端電壓強(qiáng)度為15.0kV，對(duì)應(yīng)機(jī)組的初始相位為0，儲(chǔ)能裝置的額定容量為 100MV·A。受分布式結(jié)構(gòu)的作用，配電系統(tǒng)的可靠性為0.95，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)調(diào)度管理操作的順利執(zhí)行。在該配電系統(tǒng)覆蓋的用電范圍內(nèi)，負(fù)荷波動(dòng)表現(xiàn)出了明顯的特征，對(duì)應(yīng)的高峰時(shí)段為9:00～13:00和18:00～21:00，波谷時(shí)段為0:00～5:00。為了適應(yīng)這種用電變化特征，分布式電源設(shè)置了反調(diào)峰特性參數(shù)，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)供電負(fù)荷的波動(dòng)強(qiáng)度，但是也降低了負(fù)荷低谷期的資源利用率，出現(xiàn)了棄風(fēng)現(xiàn)象，高峰期因供電不足發(fā)生的切負(fù)荷現(xiàn)象也偶有發(fā)生。對(duì)配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中，可平移分布式電源的單位電量成本為0.25元/kW·h，可轉(zhuǎn)移分布式電源的單位電量成本為0.75元/kW·h，靈活分布式電源的單位電量成本為0.80元/kW·h，儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存單位電量的成本為104.50元/年。

在此基礎(chǔ)上，分別采用三種方法統(tǒng)計(jì)其資源配置效果?？紤]到配電系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)用電需求的保障，因此本文統(tǒng)計(jì)了10個(gè)測試日內(nèi)系統(tǒng)負(fù)荷由于供電異常出現(xiàn)切負(fù)荷的次數(shù)。為了最大限度提高對(duì)資源的利用率，對(duì)負(fù)荷低谷期的棄風(fēng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以10個(gè)測試日的總值作為最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]。

2.2 測試結(jié)果

在上述基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了三種方法的測試結(jié)果。首先，分析了10個(gè)測試日內(nèi)系統(tǒng)負(fù)荷由于供電異常在高峰時(shí)期出現(xiàn)切負(fù)荷的次數(shù)。其次，對(duì)比三種方法：區(qū)間魯棒控制方法雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)高峰時(shí)期出現(xiàn)切負(fù)荷次數(shù)的有效控制，但是切負(fù)荷總數(shù)為26次，日均仍達(dá)到2次以上；改進(jìn)FPA算法的切負(fù)荷總數(shù)為19次，波動(dòng)性較強(qiáng)，日最小切負(fù)荷次數(shù)為1次，最大次數(shù)達(dá)到了4次，穩(wěn)定性相對(duì)較低；本文所用方法的切負(fù)荷總數(shù)為2次，僅在測試第5天和第8天各出現(xiàn)1次切負(fù)荷，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)峰值用電需求的穩(wěn)定供電。

在上述基礎(chǔ)上，對(duì)10個(gè)測試日內(nèi)系統(tǒng)負(fù)荷在低谷時(shí)期的棄風(fēng)總量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見表1。

表1 配電系統(tǒng)棄風(fēng)總量（kW）

從表1中可以看出，在三種方法中，區(qū)間魯棒控制方法在低谷時(shí)期的棄風(fēng)量最大值達(dá)到了156.37kW，最小值也達(dá)到了106.85kW，10個(gè)測試日棄風(fēng)總量為1251.79kW；改進(jìn)FPA算法與之相比有所提升，但測試期間的棄風(fēng)總量也達(dá)到了1104.32kW。觀察本文方法的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，其單日棄風(fēng)總量基本穩(wěn)定在50.00kW以內(nèi)，且測試期間的棄風(fēng)總量也僅為461.54kW，低于改進(jìn)FPA算法642.78kW，與區(qū)間魯棒控制方法相比降低了63.13%。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置方法可以提高配電系統(tǒng)對(duì)資源的利用率。

3 結(jié)語

本文提出基于改進(jìn)粒子群算法的分布式電源并網(wǎng)優(yōu)化配置方法，降低了在波峰階段出現(xiàn)切負(fù)荷的次數(shù)，同時(shí)還能夠降低波谷階段的棄風(fēng)量，提高了電力系統(tǒng)的運(yùn)行效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源的有效利用。

由于時(shí)間限制，本文方法在實(shí)驗(yàn)中僅針對(duì)10個(gè)測試日的電網(wǎng)切負(fù)荷情況進(jìn)行了測試，雖然當(dāng)前結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)需求，但是還需要更多測試來提高設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性與魯棒性。在接下來的研究中，將進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)測試，以期為相關(guān)電力資源管理部門工作的開展提供技術(shù)支持，保障城市用電環(huán)境的安全，提高供電質(zhì)量。