含分布式电源的配网无功优化混合算法

黄文斌 林宣鹤 陈伟伟

引言

据中国电力统计，2021年全社会用电量快速增长，电网结构不断调整，装机容量不断增加，设备技术水平不断提高，存在容量大、电压质量差、功率比低、损耗率高、严重低压远距离和控制不足等问题。由于中国制造业的迅速发展，工业生产装置数量日益增多，起动与制动现象越来越普遍，对电网形成了极大的影响，也影响着其他装置的正常工作，对能效造成了严重威胁。城市供电网络中为了满足供电需要，将与用户之间直接消耗的无功功率直接向根节点供电时，由于城市供电网络产生了很大的电压，城市配电网的总电压水平相对较低。因此，城市配电网的消耗不断提高。

一、含分布式电源的配网的现状

（一）配电网无功优化的意义

根据各种耗电、转换和传输元件的电压等级，配电网可分为高压配电网、中压配电网和低压配电网。主要的损耗、交换和传输元件，包括主异步电机、交流变压器和输电线路，因此产生了大量无用功率。电子传感器可以在某部分存储或吸收的电能，并反映出部分储存的电能，无功功率控制不能直接消耗电能，而无用功耗的多少也只反映电子传感器可以储存和释放电能的多少。但是，由于电网中的无用功率传递在电网的各种器件中形成了无功功率分量，从而造成总电压增大，这些器件的有效损耗随着电阻增大，能量消耗也随之增大[1]。因此，尽管电网中的无功传递无法完全避免，但是电网中的无功传递却能够适应电压调节的需要，特别是在远程传输，从而能够最大限度地降低无功消耗。

一旦没有有效电源在电网中长距离传播，进一步削弱电网压力，将造成严重的电网崩溃。另外，当无效电源进入线路中，也会提高电力、变压器和导线之间的有效电源消耗，进而降低功率因数，这也损害了电器的工作效能，状况严重时，家用电器甚至可能无法正常运行。由于供电设施和输电线路数量的增加，无功补偿对供电系统的安全运行非常关键，需要补偿更多的无功电源要克服电力系统中运行的许多问题，我们须对无功功率、无功补偿和低电压进行充分的管理，以提高配电网的电力品质，并发挥各功率器件的优点，以减少网损。无功功率控制系统的合理优化，将使电网工作变得更加安全、平稳和经济。通过采用合理优化无功功率控制系统，能够优化无功的分配，从而有效减少了功率因数损失和电流消耗，并提高了电流质量，使设备更加可靠、稳定地工作。

（二）分布式发电研究的意义

目前，分布式发电的定义尚未标准化，常用的定义分为两类。首先，为了满足某些用户的需求或支持现有配电网的经济运行，分散发电是必要的。近年来，由于电网供电不能满足应急供电和边远地区的特殊需要，需要加大分布式电源发电和新能源发电来满足供给需求，减少城市电网拥堵：在城市电网或中低压输电网中，增加供电能力，提供足够的电能，可以根据使用能力形成分散发电。虽然电网中的无功传递无法完全避免，但是电网中的无功传递却能够适应电压调节的需要，特别是在远程传输，能够最大限度地降低无功消耗。

供暖、空调和电力服务：内部和外部燃气轮机、燃气轮机和其他分散发电厂在供暖和制冷期间提供电能，满足用户的特殊需求，具有经济性和控制灵活的优势。

分散发电作为电网调峰的优化配置工具，可以根据电网的最大经济活动调整分散发电的发电功率和储能装置，以填补输电线路的谷峰，解决远程供电问题，提供暖通空调服务。提高效率：大多数分布式发电机配备高效节能装置，以充分利用能源。减少污染：分散的可再生能源发电产生的污染几乎为零。其他分散发电也具有低排放、低噪音和远低于一般集中发电功耗的特点[2]。

（三）分布式发电的问题探讨

对电网损耗的影响，当分布式发电系统连接到近负荷配电网时，适用于整个配电系统电流分配的分布式发电技术可导致输电网损耗的增加或减少。

当输电网络接入风能和太阳能系统时，当地气候对其影响很大，其性能具有不规则变化的特点。因此，配电网的负荷分布总是变化的，系统的电流具有随机变化的特点，需要一种快速、准确的智能算法来分析、监控和归纳分布式网络系统的分布，从而使分布式网络系统能够安全、经济地运行。

在静止状态下，当配电网中的电压沿电流方向持续下降时，传统的配电网结构通常是径向的，由于传输到供电系统的有效功率降低，以及分布式发电系统提供的无效功率降低，馈线沿线每个负载节点的电压升高。

（四）分布式电源的接入对配电网的影响

分布式发电是一种经济高效、灵活且环保的发电方式，它对传统的配电系统、电能质量、继电保护配置、可靠性和电力市场规划都有很大的影响。

配电网规划是在现电网规划和负荷预测曲线的基础上，在满足供电安全可靠的前提下，将分布式发电引入配电网，从而增加整个系统负荷预测，确定系统的最佳设计方案。配电网负荷节点设置分布式发电，实现用户自供电。随着分布式发电在配电网中的推广应用，配电网负荷预测模型发生了变化，预测的复杂性和不确定性增加，影响了配电网的规划。其次，将分布式发电引入配电网增加了整个规划系统的复杂性。由于分布式系统的规划问题是一个具有多个约束和目标的离散非线性动态规划问题，其动态属性往往与节点数有关。在分布式系统中，必须考虑数以千计的节点负载变化，随着分散发电引入配电网，配电网的运行模式发生了变化。由于配电网是单向的电力流动，配电网的运行方式也发生了很大的变化，配电系统接入分布式电源后，其安全性和稳定性受到很大影响。

由于分散发电的间歇性，分散发电的实现依赖于电力电子控制技术，但通过多个电力电子装置的应用，非线性负荷增加，会导致电压波形畸变，电网变化，电网和谐污染。有两个主要影响，谐波污染和电压变化。电力电子设备的引入，不可避免地会给系统带来许多谐波，谐波的幅度取决于分散发电和变流器的运行模式。配电网中分散发电的停运和输出功率的短期大幅变化对配电网的电压质量有负面影响。随着配电网电流流向和规模的变化，配电网的电压也会发生变化，原有的电压控制方法已不能适应分布式配电系统的电压控制方法，分散发电的配电网须满足电能质量的要求。

分散发电对配电网继电保护的影响，传统的配电系统结构是放射状的，具有结构灵活、供电可靠性高的特点，将分布式发电引入配电系统后，将辐射状配电系统结构转化为具有网络化电源和用户的电网。因此，当分布式发电机工作时，剩余电流减小，这可能导致继电保护失效。

分散发电对分布式网络的影响，分散发电机组接入配电网后，不仅会影响配电系统的规划、电能质量和继电保护，还存在配电网损耗、可靠性、电力市场和系统稳定性等问题，需要进一步研究。

二、无功优化混合算法

（一）含分布式电源的配电网无功优化

无功功率优化就是在给定的网络结构、发电机容量和负荷分布条件下，调整各节点的无功补偿，使有功损耗最小化，并满足特定的约束条件。当发电分配集成到配电网中时，整个配电网的电流分布会发生变化，如果无效电源不同，发送到配电网的有效和无效能量也不同。因此，在分散发电整合后，不仅要重新分析无功优化问题，还要分析各种分散聚合方法对无功优化的影响。

（二）混合启发式搜索算法的新应用

在遗传算法的优化过程中，提出了仿真模型法、惩罚因子自适应调整机制和动态表达算法等现有的人工算法，并构造了一种混合搜索算法，实用新型适用于配电网无功优化领域。提高算法的质量和准确性。

在遗传算子的杂交过程中，Hustick 04智能的整合使个体后代更加多样化和定向。为了避免评估和淘汰机制中个体的“家庭垄断”现象，在个体生存策略的初始阶段，将适合度低于生存阈值的个体引入每个生存策略，以便他们能够以恒定的概率生存。

将惩罚系数的自适应调整机制引入惩罚系数的极限电压中，使得该可行解的个体适应性优于这一代。为了解决遗传算法的“早熟”问题，提高算法的全局搜索性能，引入灾难技术，使最优解保持在收敛准则下[3]。

（三）粒子群算法在无功优化中的应用

电力系统无功优化问题本质上是潮流计算中的优化问题。第一步：通过改变发电机电压、变压器和无功补偿器的转换率，可以降低网损，提高配电电压，并通过初始化粒子的位置来解决相应优化问题，即设置无效的功率补偿装置，设置上限和下限，并初始化粒子的速度。在无功优化中，变压器分接头和无功装置的变化是随机初始化的。第二步：用变压器和无功补偿器的数据计算支路节点的潮流数据，得到不同粒子的合适值g（z），初始化整个pbest边界和全局gbest边界[4]。第三步：使用更新的公式计算确定粒子的位置和速度，并确保更新的粒子超过限制。第四步：用分支节点的原始数据替换变压器和无效功率补偿装置的更新值，计算其自适应值g（z），并将其与pbest和gbest的值进行比较。第五步：确定重复次数是否最大，如果是最大，停止优化并产生最佳价值。否则，将重复次数增加1，然后返回第三步并继续循环优化。在算法中使用最多的是PSO公式：

基本PSO公式

对于每个相关粒子的位置和更新速度的公式如下：

对于粒子i的第d维速度公式如下：

粒子i的第d维位置更新公式：

下图1是粒子群算法的流程图。

图1 粒子群算法的流程图

（四）粒子群算法计算流程

采用粒子群优化算法求解配电网误差优化问题，计算顺序如下步骤1 重复次数为0。随机计算粒子群的位置（即配电网的无功补偿节点）和粒子群的速度；步骤2 根据补偿节点和最小运行模式计算每个补偿节点的补偿容量，并初始化局部和全局作为初始适用性计算函数的最佳值；步骤3更新粒子群：根据公式更新粒子的位置和速度。更新后，确保新粒子通过该线。如果是，应将颗粒位置用作适当的限值，以防止颗粒超过限值；步骤4 根据新节点电压补偿方法计算电流（如果没有新的电流）；步骤5根据新的节点电压补偿方法计算电流，并将补偿点添加到交点（交点已经是补偿节点，然后在临界相位点）。然后重新计算电流，直到节点电压通过线路，然后将重复次数增加到步骤5，然后继续执行步骤3；步骤6更新局部和全局最优值：使用步骤5中的计算结果计算相对于目标的新值。如果新的目标函数值小于之前所有目标函数值的最小值，则交换并更新最佳局部和全局值。如果目标函数的新值大于目标函数所有先前值的最小值，则局部最优值和全局最优值保持不变；步骤7 操作结束：当重复次数达到指定重复次数时，操作结束。

结论

近年来，随着我国能源消费的不断增加，人们对可再生能源进行了深入研究。将分布式能源整合到主电网的现象越来越普遍。无功功率控制系统的合理优化，使电网工作变得更加安全和平稳。通过采用合理优化无功功率控制系统，能够优化无功的分配，从而有效减少了功率因数损失和电流消耗，并提高了电流质量，使设备正常工作。

面对中国可持续发展战略要求，电网提出分散发电，极大地解决人类能源消耗与资源环境问题之间的矛盾。这有助于解决社会资源和环境保护两大问题。通过分析分散发电的特点，提出了将分散发电接入配电网的初步方案，并指出了配电网计算中可能存在的一些问题，以适应或解决这些问题，从而简化了分散配电网的无功补偿配置，在不失去效力的情况下。