含多端柔性多状态开关的主动配电网协调动态优化

李科， 郭新志， 于昊正， 李秋燕

(国网河南省电力公司经济技术研究院， 河南， 郑州 450052)

0 引言

随着电力电子技术的发展，SVC、SVG等电力设备的引入使配电网呈现出新气象的同时也增加了配电网运行调控复杂度，功率流向复杂、负载波动增强、短路电流加大、设备寿命缩短、电压越限等问题逐渐显现。为保证配电网的电能质量，主动配电网技术以及相关电力设备应运而生，其中分布式电源数量大、接入容量占比高，合理调度其中的储能单元、可控负荷即可实现配电网优化。本文介绍包含多端柔性多状态开发的主动配电网动态控制策略优化，力求提升配电网调控灵活性与供电可靠性。

1 概念解析与研究现状

1.1 主动配电网

主动配电网是一种相对于传统配电网的全新概念，传统配电网一般是被动的接受分布式电源(DG)接入，主动配电网则使用灵活的拓扑结构来管理潮流，统一调控区域内的分布式电源，占据主动性，它可管理与控制的资源主要为分布式电源、柔性负荷、储能、无功补偿设备等。因为时间上空间上都具有复杂性，因此主动配电网研究主要集中在规划、运行与调控方面[1]。

1.2 关键技术

1.2.1 柔性多状态开关

柔性开关技术也称为软常开节点(SNOP，Soft Normally Open Point)，其研究主要体现在换流器结构、控制策略、器件材料与特点、可靠性等方面，柔性多状态开关(Flexible Distribution Switch，FDS)的“多状态”体现在：

(1) 潮流功率多状态，传输功率连续可控。

(2) 定功率/电压控制多状态，控制模式柔性可调。

(3) 运行组合方式多状态，运行状态可以灵活组合。

相对于常规开关简单通断、耗时较长、合环电流冲击等问题点来说，使用柔性多状态开关，具有以下优势。

(1) 常规情况，功率因数和负荷率可实时调整，实现负载均衡，提高消纳水平。

(2) 特殊情况，可实现不同电压电网互联，提供负荷转供路径，而且允许直流电源直接接入，可提供高质量供电。

1.2.2 多端柔性多状态开关

多端柔性多状态开关指的是端口数大于等于3的设备，由于端口数加大，能连接的馈线数也会随之增多，简而言之就是互联程度大幅增大，对于提升配电网的调度灵活性有极大帮助。与此同时，因为多个端口连接的馈线可以互为备用，也可提高潮流转供能力，提升供电可靠性。其优势主要体现在：

(1) 均衡馈线负荷。

(2) 改善潮流分布。

(3) 综合控制，改善电压水平。

(4) 提高消纳能力。

(5) 确保供电不间断，提升可靠性。

1.3 研究现状

接入柔性多状态开关对配电系统改善的确有很大作用，但还需要考虑价格以及容量问题。目前研究最多的是三端口，后续涉及更多接口时成本会大幅增加，而且有研究表明其对配电网线路损耗的改善效果会随着数目增多而减弱。总而言之，只靠不停增加柔性多状态开关不能一直起到优化作用，在主动配电网中应寻求基于FDS的多种手段的协调优化，在不增加FDS数量的情况下得到更好的优化效果[2]。

2 基于多端FDS的调控技术

2.1 促进分布式电源消纳能力

分布式电源主要包括风力发电、光伏发电等，不同情况需要处理成不同的模型进行分析。接入分布式电源和柔性多状态开关都会改变配电网潮流分布特性，支路潮流有可能超出馈线限值，各节点电压也可能偏离标称电压。多端柔性多状态开关的灵活调控能力可以抑制潮流超限、节点电压偏差越限问题，进而提升主动配电网对分布式电源的消纳能力。设端口功率分别是P1+JQ1和P2+JQ2，根据运行约束条件可得出有功无功关系：

(1)

在馈线末端接入分布式电源，计算得出节点接入DG最大容量SDG，max=PDG+JQDG，这时节点电压偏移为

(2)

由此可知，多端柔性多状态开关通道调控馈线间的有功潮流、无功功率可增大分布式电源的消纳能力，馈线之间达到负载均衡，降低节点电压偏移量[3]。

2.2 电能质量改善

FDS装置可实时改变传输功率，包含功率因数补偿、负序电流补偿等功能，对于电能质量治理有很大帮助。通过矢量控制技术可以快速连续地提供容性感性无功；采用纯正序功能控制方式消除负序电流影响；在上游线路故障造成电压骤降或者闪变时FDS可快速处理；可以精准控制多条线路，有效抑制电压越限等影响电能质量的问题。

2.3 优化配电网运行

传统配电网的开闭环方式难以支撑多变的实际需求，利用FDS装置对配电网进行调度优化，主要体现在以下两点。

(1) 运行特性：进准控制端口功率交换，快速跟踪分布式电源动态变化，协同馈线上其他资源实现配电网负载均衡。

(2) 时序特性：含多端FDS的配电网涉及分布式电源、储能、负荷等时间不确定集合，且FDS调节功率具有时间连续性，优化时序特性分析，达到高效优化效果。

3 关键算法

3.1 改进的多种群粒子算法

粒子群算法(PSO)在各个领域均有广泛应用，求解能力强大，将需优化问题的解称为“粒子”，在每次迭代过程中更新粒子参数，从无序到有序，最后得到最优值。由于是标准算法，本文不再详细阐述，着重介绍改进后的粒子群算法。由于标准粒子群算法容易陷入局部最优，本文在其基础上进行改进，主要体现在以下几点。

(1) 根据粒子动态半径划分种群，每次迭代采用不同的种群数目，寻找多模态函数的多极值。将局部最优值pbest与粒子的欧氏距离均值作为每次迭代的动态半径：

(3)

(2) 引入拓扑机制，在种群内部提高搜索能力，提高收敛速度，拓扑项公式：

(4)

其中，T为粒子所在种群集合，N为粒子个数，V为粒子速度。

(3) 种群间信息共享，加快收敛，逐渐接近全局最优。

(4) 改进学习因子、权重等参数，增强全局搜索。

惯性权重：

w=wmin+(wmax-wmin)×rand()

(5)

学习因子：

c1=c1i+(c1f-c1i)×t/Tmax

c2=c2i+(c2f-c2i)×t/Tmax

(6)

3.2 改进的离散一致性算法

由于离散一致性算法不能考虑每个智能体的约束条件，用于含多端FDS的配电网中无法顾及自身的容量约束等，因此本文采用一种改进的考虑约束条件的一致性算法[4]。对于智能体i，计算步骤如下。

(1) 设∈Ni(k)，发生信息{xi(k),maxxi,minxi}，接受信息{xj(k),maxxj,minxj}。

(2) 得出中间变量的值：

(3) 得到以下值：

(12)

由此可以说明，采用上述一致性算法可以收敛。

4 主动配电网优化建模

柔性多状态开关是一种软连接，在通断2种状态之外增加了功率连续可控状态，可以控制所在馈线端的有功功率和无功功率，本文选择正常条件下的PQ/PQ/UdcQ模式，设计多端口柔性多状态开发运行控制约束条件如下：

(1) 传输有功功率

(13)

(14)

其中，t为时段，ploss,m(t)为t时段第m端口有功损耗，Af,m为m端口损耗系统，pf,m为m端口传输有功功率，Qf,m为m端口输出无功功率

(2) 输出无功功率

(15)

(3) 接入容量

(16)

其中，Qf,m为m端口变流器接入容量。

5 主动配电网动态优化

5.1 基于多端FDS的主动配电网控制策略

基于多端FDS的主动配电网可以有效控制配电网的运行状态，实现故障快速诊断、故障隔离以及快速恢复供电，确保主动配电网在安全、经济的模式正常运行。优化框图如图1所示。

图1 含多端FDS的主动配电网控制策略

正常状态下，通过PQ控制模式对配电网进行预防控制，对即将越限的指标进行预警。

故障状态下，实现故障定位与隔离，由PQ模式无缝切换至V/f模式，支撑停电区域的电压及频率，确保不间断供电，提升供电可靠性。

5.2 基于改进多种群粒子算法的主动配电网优化步骤

基于多端柔性多状态开关的主动配电网优化步骤如图2所示。

(1) 设粒子数为I，维数为D，最大迭代次数T1，初始化位置，速度，局部最优值，全局最优值。

(2) 计算得到动态半径，构建多种群，引入拓扑机制，更新权重因子、学习因子、拓扑因子、种群交流因子。

图2 优化步骤

(3) 计算子种群的最优值。

(4) 根据以上值计算适应度值，更新第i个粒子在第t代的局部最优以及全局最优值。

(5) 判断是否达到迭代次数，达到退出，否则循环[5]。

5.3 基于离散一致性算法的馈线负载率自适应控制

通过分摊馈线上的功率波动可以将实际运行点尽量靠近经济调度。设馈线i上的负载率波动量为

(17)

其中，pi为馈线i上的功率，pi，ref为未发生负荷时功率，pi，max为馈线i的容量。

假设忽略柔性多状态开关的功劳损耗，则所有馈线上功率之和满足

∑Δpi=∑(Δηipi，max)=const

(18)

利用前文介绍的离散一致性算法，可得到

(19)

由此可实现馈线负载率的自适应控制。

5.4 基于离散一致性算法的电压自适应优化策略

由于负荷波动性可能导致部分节点电压偏低或偏高，利用前文所述的一致性算法构建电压控制优化策略，在每个区域配电网选择关键节点，电压自适应目标函数为

(20)

6 算例验证分析

为验证本文设计的优化策略有效性，在改进的IEEE33节点算例中以馈线负载率为例进行分析。系统节点如图3所示。

图3 系统节点图

假设节点24、25发生了波动，利用本文的馈线负载率自适应模型，得到测试结果如图4所示。

图4 馈线负载率变化

由此可见，FDS容量较大时传输的有功功率较大，馈线负载率波动范围大。即使实际运行中存在一定的功率损耗，对馈线负载率的调控效果依然有效[6]。

7 总结

本文在对含分布式电源的主动配电网分析的基础上对基于多端柔性多状态开关的主动配电网协调动态优化进行了研究，介绍了基于改进的多种群粒子算法、改进的离散一致性算法的馈线负载率自适应控制策略、电压自适应控制策略，为包含多端柔性多状态开关的主动配电网动态优化提供了有效手段。但对FDS接入位置对分区的影响、运行方案的适用性与经济性方面还需进一步研究。