智能配电网有功自治互动建模研究

邓昆英，汪凤娇，饶 杰

（1.广东电网公司佛山供电局，广东佛山 528000；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510640）

智能配电网有功自治互动建模研究

邓昆英1，汪凤娇2，饶 杰1

（1.广东电网公司佛山供电局，广东佛山 528000；2.华南理工大学电力学院，广东广州 510640）

为解决配电网峰谷差日益增大的现实问题，从经济性、对环境的影响和对资源的需求等方面对现有削峰填谷措施进行了对比分析，并提出电网主动式互动型智能配电网的理念；在深入研究小区与配电网之间自治互动工作模式的基础上，建立了调配方案的统一模型，并分析了不同的优化目标及其求解方法；最后采用动态规划法对模型进行求解和算例验证，结果表明方案可行。

智能配电网；削峰填谷；动态规划法；有功自治

0 引言

最近几年来，随着我国经济不断发展和电力体制改革及电源建设步伐的加快，长期制约我国经济发展和人民生活的电力供应紧缺问题基本上得到缓解。但是，由于用电结构已经发生根本性的变化，必将造成电网峰谷差日益增大，峰谷比下调，调峰能力下降[1]。现阶段，我国峰谷比大约为10∶0.7，美国峰谷比为1∶0.25，俄罗斯、日本等峰谷比分别为1∶0.52、1∶0.4。由此可见，我国用电结构面临的调峰任务和压力日益严峻。

居民用电峰谷是造成电网季节性峰谷的主要原因，在居民用电负荷中，（晚7点至9点）空调对电网最高负荷起决定性作用[2]。目前常用的削峰填谷技术措施有：采用蓄冷蓄热技术、抽水蓄能、电池储能、调整轮休制度、拉闸限电等。

电力蓄冷蓄热技术使用条件有比较大的限制，需要有明显的峰谷电价差，而且综合经济技术要比较合理[3]；抽水蓄能电站可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，但投资昂贵[4-5]；电池储能方面，由于在成本和效率方面具有的突出优点，液流蓄电应是大规模电能储存的首选技术之一[6-7]；超级电容是目前储能方面的研究热点，利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量，但在实际中推广应用还尚需时日。传统粗放式拉闸限电虽能显著解决电压尖峰，但却会影响生产生活用电。

由此可见，现有调峰调谷手段在经济性及环境保护方面均存在不同程度的缺陷。因此，如何在电力供应不足的情况下，为用户制定合理科学的拉闸限电方案，使其按照公平、公正、公开的原则，实现社会和供电企业的社会效益和经济效益最优化，成为电力公司急需解决的问题。

本文提出了电网主动式互动型智能配电网的理念，首先详细阐述了小区与配电网之间的自治互动工作模式，建立了调配方案的统一模型，并在其基础上针对不同的优化目标进行了细化研究。最后采用动态规划法对模型进行求解和算例验证，结果表明方案可行。

1 主动式互动型智能配电网

主动式互动型智能配电网是本文提出的一种新理念，它是指电网公司仍然处于主导地位，但是增加了用户与电网公司的互动环节，其核心是如何将功率最为合理地分配给相应的用户，体现出智能性。增强与用户的互动性，可使电量的生产和使用更有计划性，更有利于电网公司管理。

基于自治互动的调控技术，其工作模式大致可以分为三种。

第一种为计划限电，在用电高峰期，电网公司根据以往的负荷情况预测近期各区域用电负荷，再根据电网供电量、各小区变压器容量等实际情况生成各小区限电策略。

第二种为小区自治调控，当小区突发紧急用电事故时，居民楼调控装置采集实时数据信息，上传给小区调控装置。小区调控装置制定限电方案，再发送给相应的居民楼控制装置，完成负荷的切除。

第三种为小区与电网互动调控，根据小区用户等级，用电情况等信息，物业管理员制定相应的限电方案，通过小区调控装置返回给电网公司管理软件。管理软件对小区上传的控制方案进行判断，然后将决策命令反馈给小区调控装置。若反馈的命令为该限电方案可行，则小区调控装置将调控命令发送给各居民楼调控装置，由各居民楼调控装置对断路器进行相应的动作，完成限电策略；反之则中止限电方案。

计划限电和电网与小区的互动调控工作模式比较简单，可直接进行人工控制，无需自动控制，而第二种小区自治调控方式需由调控装置自主调控，因此只针对小区的自治调控工作模式进行算法研究。

2 自治互动数学建模

数学建模是自治互动调控技术的基础，将这一具体工程实际问题抽象化，变为数学领域的问题，并从数学逻辑上对该问题加以研究解决。

小区的统一数学模型如下：

其中：λi用以表示用户实时用电情况，λi=1表示用户处于用电状态，λi=0反之，其初始值设为1；ni表示每栋楼的用户数；pi表示每栋楼的用户平均有功功率；n为小区的楼栋数。

3 优化目标及算法研究

根据小区的自治调控的工作模式，其优化目标主要包括功率最优、停电次数最优和供电可靠性优化三种情况，下面分别讨论。

3.1 功率最优

以功率最大化为优化目标，按照供电公司所给的可供功率，尽可能地寻找最接近或者相等的供电组合，即功率浪费最少。

其中：Pi为每栋楼的总功率。

这属于单一优化问题，目标函数只有单一解，解决这种问题最简单的方法就是枚举法，选出最接近供电公司可供有功功率限额的供电方案，进行供电，无须考虑其他约束条件。除了枚举法之外还可以利用查表法，首先将楼栋功率的所有组合以表格的形式存放，组合功率之和按从小到大排列。每次收到供电公司可供有功功率限额之后，按照可供有功功率限额的大小来进行查表，选择最相近的组合，这样问题就变成了单纯的比较大小问题。

3.2 停电次数最优

以用户停电次数为优化目标，每次停电时，罗列出所有的可供停电组合，按照用户的已停电次数来选择停电组合，使所有用户的停电次数基本相等。

其中：ti为每栋楼用户停电次数。

轮流停电需要注意每栋楼用户的停电次数，每次停电时需要考虑该栋楼以前的停电状态，即过去状态会影响当前状态，需要选择一定的循环方式，将楼栋重新排列，避免特定楼宇重复停电的情况出现，尽量使楼栋停电次数接近。轮流停电就用户来说应该是最好的，因为停电次数比较平均。可以采用两种方式：（1）按固定时间循环，每周、每月或者每季度结束之后将楼栋序列号按照一定的方式，例如按楼栋数循环滚动、按照停电次数的多少进行重新排列、相邻楼栋交换排列等；（2）按特定日区分：将楼栋分为工作日可停电和周末可停电两组，在一定时间之后，调换两组中的楼栋序列，或将楼栋按照周一到周日中某天可停电分类，需要停电时就从当天可以停电的楼栋中选择，一定时间后调整可停电日期。

3.3 供电可靠性优化

以电力系统可靠性为优化目标，尽量较少停电用户数，使可以供电的用户数达到最大，以保障电力系统运行的稳定性。

式（4）中：Ni为每栋楼的供电用户数。

由于供电可靠性由户均停电时间决定，因此该问题要使供电用户数最多，即：如何选取供电的楼栋数，使供电的楼栋总有功功率小于等于供电公司可供有功功率限额，而且使可供电用户数最多。该问题可借助数学领域的背包问题来解决，背包问题是一种组合优化的问题，问题可以描述为：给定一组物品，每种物品都有自己的重量和价格，在限定的总重量内，如何选择，才能使得物品的总价格最高，问题的名称来源于如何选择最合适的物品放置于给定背包中。背包问题的典型算法有枚举法、回溯法和动态规划法等，本文最后采用动态规划法对算例进行求解。

动态规划的基本思想就是将求解的较大问题一层一层地分解为较小的同类子问题，直到可以直接求出子问题的解为止。原问题的解依赖于所有大量的重复。而动态规划相应的特点就是对于重复出现的子问题只在第一次遇到时加以求解，并把答案保存起来，让以后再遇到时直接引用，不必重新求解，从而节省大量的计算时间[8-9]。

就供电可靠性优化问题而言，用背包问题描述为，将n栋楼放入功率为P的背包中，使供电用户数最大。参考0-1背包问题的解法思路，用子问题定义状态：即 f[i][P]表示前i栋楼的功率正好等于供电局可供有功功率限额，它们可供电用户数。则其状态转移方程为：

“将前i栋楼放入容量为P的背包中”这个子问题，若只考虑第i栋楼的策略（供或不供），那么就可以转化为一个只牵扯前i-1栋楼的问题。如果不供第i栋楼，那么问题就转化为“将前i-1栋楼放入P的供电解集中”，供电用户数为f[i-1][P]；如果供第i栋楼，那么问题就转化为“前i-1栋楼放入剩下的功率为P-p[i]的供电解集中”，此时能获得的最大用户数就是 f[i-1][P-p[i]]再加上通过放入第i栋楼增加的供电用户数n[i]，具体算法流程图如图1所示。

图1 动态规划算法流程图

4 算法验证

采用的算例为一个四楼宇的小区，小区基本参数包括楼宇数、各楼宇有功功率实时值、各楼宇实时用电户数及小区有功功率限额，具体计算数据见表1。

表1 原始计算数据

采用横向和纵向两种方式进行比较分析，以验证算法的有效性。横向比较，即各楼宇用电用户数不变，功率限额变化；纵向比较，即各楼宇用电用户数变化，功率限额不变。

对数据1分别按可供有功为100 kW和120 kW进行了计算，可供有功为100 kW时，1、2号栋楼的功率和为92.51，小于供电局可供有功功率100，可供电用户数为50，为当前用户数最大，所以1、2号楼继续供电，3、4号楼停电，同理可供有功为120 kW，2、3号楼继续供电，1、4号楼停电，计算结果准确无误。

对数据2和数据3按可供有功为110 kW进行了计算，楼宇数同为4，但各楼宇有功功率和用户数不同，因而两组的结果不同，数据2计算结果为1、4号楼继续供电，2、3号楼停电，数据3计算结果为3、4号楼继续供电，1、2号楼停电,计算结果与理论结果相符。

5 结论

本文提出了主动式互动型智能配电网这一理念，在此基础上研究了自治互动技术工作模式。采用理论分析和算例验证相结合的方法对自治互动调控技术进行了研究，以小区为研究对象，建立了相关的数学模型，最后采用动态规划法对算例进行了求解，结果与理论分析相符，表明文中提出的自治互动技术可行。

［1］中电联统计信息部.2011年全国电力供需与经济运行形势分析预测报告［R］.中国电力企业联合会，2012.

［2］杨建萍.南京市居民用电负荷特性分析与思考［J］.电力需求侧管理，2002，4（2）：24-27.

［3］张永铨.中国蓄冷技术现状与展望［A］.2005中日热泵蓄能技术与产品交流会论文集［C］.2005：19-23.

［4］顾晓亮.抽水蓄能电站效益综合评价研究［D］.合肥：合肥工业大学，2010.

［5］Hively，D.Gardner，Johannes，T.Ferguson，J.Energy Storage Methods for Renewable Energy Integration and Grid Support［A］.Energy 2030 Conference［C］，2008：1-6.

［6］王保国，陈金庆，朱顺泉.发展蓄电储能技术实现电力能源可持续发展［A］.第一届循环经济与生态工业学术研讨会论文集［C］，2006：258-267.

［7］赵建成，周喆，安爱明，等.电力需求侧管理-削峰填谷各种措施的对比分析［A］.北京市土木建筑学会第一届暖通空调专业委员会学术年会论文集［C］，2006：190-195.

［8］曹周进.0-1背包问题之穷举、搜索、动态规划算法探讨 ［J］.电脑知识与技术，2009，5（12）：3193-3194.

［9］王乐，王世卿，张静乐，等.基于Matlab的0-1背包问题的动态规划方法求解［J］.计算机技术与发展，2006，16（4）：88-89，92.

Modeling of Active and Autonomous Interaction in Smart Distribution Grid

DENG Kun-ying1，WANG Feng-jiao2，RAO Jie1
（1.Foshan Power Supply Bureau，Foshan 528000，China；2.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

To solve the growing problems of poor distribution network of peak-valley，existing measures of peak load shifting were compared from the economy，the environmental impact and demand for resources.The concept of active interactive smart distribute grid was put forward.Based on the analysis of the interactive modes between the community and the distribution network，uniform model of deployment was established.The different optimization targets and their algorithm were discussed.Finally，the method of dynamic programming was used for the model calculation and example verification.The results showed that the scheme is feasible.

smart distribution grid；peak load shifting；self-regulation dynamic programming；active interactive

TM76

A

1009－9492(2014)02－0004－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.002

邓昆英，男，1972年生，广东茂名人，硕士研究生，高级工程师。研究领域：电网运行方式、调度管理、停电检修策略。

(编辑：阮 毅)

2013－08－25