计及低碳排放和需求侧管理的主动配电网双层规划研究_孙春山.pdf

632023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYMANAGEMENT AND ECONOMY管理与经济计及低碳排放和需求侧管理的主动配电网双层规划研究孙春山 魏光明 邱 东 张 斌 杜瑞峰（国网甘肃省电力公司兰州供电公司）摘要：目前，我国正处于从“能源大国”向“能源强国”过渡的阶段，在电力工业向低碳、智能方向转型的过程中，迫切需要解决可再生能源出力波动大、负荷水平低、系统安全运行可靠性低等问题。为此，本文提出了计及低碳排放和需求侧管理的主动配电网双层规划模型，上层采用粒子群算法（PSO）进行模型构建和优化，下层模型采用混沌粒子群优化算法（CPSO）进行求解。通过算例仿真验证了本文所提方法的有效性。关键词：计及低碳排放；需求侧管理；主动配电网；双层规划0 引言随 着 可 再 生 能 源 的 快 速 发 展，分 布 式 电 源（Distributed Generation，DG）在配电网中的渗透率逐年升高，传统的配电系统也面临着巨大的挑战1。随着用户侧储能技术、需求侧管理（Demand Side Management，DSM）技术的不断发展，主动配电网的概念应运而生。主动配电网是以用户为中心，实现用户对配电网可控和自适应运行2。由于主动配电网具有主动调控、自愈和自我平衡等功能，其规划需兼顾经济性和碳排放两方面。因此，本文提出了一种计及低碳排放和需求侧管理的主动配电网双层规划模型，在考虑低碳排放和需求侧管理的前提下，对主动配电网进行双层规划模型的设计，以达到碳排放最小，经济性最优。1 主动配电网规划目标与原则在主动配电网规划中，其目标可分为经济性、可靠性、环保性等。在经济性方面，应使主动配电网投资成本与网损成本最小；在可靠性方面，应确保主动配电网中各设备运行的可靠性；在环保性方面，应使主动配电网的碳排放量最低3。为了满足这些目标，主动配电网规划时应遵循以下原则：要以满足用户对供电质量的需求为目标，以提高供电可靠性和安全性为重点，充分利用分布式电源的灵活性与高效性；要充分考虑未来政策、市场机制等外部因素对电网规划方案的影响；要兼顾电源布局、负荷分布、网架结构等多种因素，实现全网平衡；要结合当前主动配电网建设实际情况，合理规划各部分结构；要充分考虑主动配电网规划方案的经济性、可靠性与环保性。考虑到未来可再生能源发电技术的发展，上述目标在规划时应加以调整。2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 632023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 632023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23642023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYMANAGEMENT AND ECONOMY管理与经济使其对多维空间中的问题求解效果更加显著6-7。基于此，本文采用粒子群算法来求解计及低碳排放和需求侧管理的主动配电网双层规划模型。该方法在一定程度上提高了粒子群算法的寻优精度。设定配电网的上层与下层规划目标函数为：式中，Pe为配电网规划投资成本；Hd为配电网负荷量预测结果；Pe为配电网年运行费用；P1为上层电网与下层电网的运行费用。为保证此目标函数的可运算性，通过分区后区域的有功功率与无功功率13平衡情况对其进行约束，即：式中，Pi、Qi、Di分别为分区 i 处注入的有功、无功和电压；Hij、Lij、ij分别为分区后区域 i 与 j 之间的电导、电纳与相角差。则配电网输出功率限制可表示为：式中，Qu min、Qu max以及 Pu min、Pu max分别为配电网输出的无功功率以及有功功率的上限以及下限。通过上式可得到配电网电量输出中的变压器控制约束条件为：式中，To min、To max分别为规划后配电网变压器输出的上限与下限。将上述约束条件作为式（1）的计算约束条件，并使用文中设计的目标优化方法求解过程作为式（1）的求解过程，通过此方式得到智能配电网分层规划结果。至此，基于混合粒子群优化的智能配电网分层规划模型构建完成。3.2 含混沌序列的混合优化算法为了提高算法的寻优能力，在上层模型中，本2 主动配电网双层规划因素上层为问题的优化模型，下层为问题的求解模型。其中，上层模型以分布式电源和需求侧管理投资费用最小为目标函数，下层模型以运行维护费用最小为目标函数。其中，上层的优化目标函数可以通过下层的规划问题得到，而下层的规划问题则需要上层给出指导。考虑到 DG 和 DSM 是主动配电网规划中的重要组成部分，而分布式电源和需求侧管理的规划又与分布式电源接入位置密切相关4。因此，在上层优化模型中，可通过约束条件来控制分布式电源的接入位置。对于分布式电源来说，其安装位置取决于其特性、功率和成本等因素；对于需求侧管理来说，其安装位置取决于其特性、用户需求和参与约束等因素5。同时，在下层规划模型中还需要考虑一个重要的参数碳排放量。随着低碳经济的发展和能源结构调整，低碳排放是未来电网发展的重要方向之一。在碳排放约束条件中引入碳排放系数 K 为用户可再生能源的输出功率与负荷功率之差，反映了用户对可再生能源发电的消费能力。3 主动配电网分层规划模型优化与求解在此次研究中，将分层规划过程设定为上层规划以及下层规划两部分。采用粒子群算法对上层规划进行模型优化，采用混沌粒子群优化算法对下层规划进行求解。3.1 粒子群算法粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是一种基于群体智能的全局优化算法，基本原理是将个体最优位置和最差位置信息通过一个个体的位置更新公式来获取，随着种群中粒子的数目不断增加，算法迭代次数也随之增加，速度和加速度也不断增加，这就需要大量的运算来保证算法能够快速收敛，从而（1）（2）（4）（3）（5）（6）2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 642023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 642023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23652023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYMANAGEMENT AND ECONOMY管理与经济文采用了粒子群算法（PSO），该算法对粒子群进行全局搜索，在一定程度上提高了全局搜索能力；为了避免早熟现象的发生，采用了混沌序列来控制初始种群的规模。下层模型中，由于考虑了需求侧管理中的负荷管理策略，因此采用混沌粒子群优化算法（Chaotic Particle Swarm Optimization，CPSO）对下层模型进行求解8，具体求解过程如下。3.2.1 初始种群规模控制种群规模越大，越容易陷入局部最优，为了避免早熟现象的发生，本文采用混沌序列控制种群规模。混沌序列是由一系列无规则的随机数组成的，一般有以下几种：指数序列、正弦序列、三角函数序列、对数序列和三角函数对数序列等。由于三角函数对数序列与指数序列相比具有更高的数值稳定性，因此本文采用三角函数对数序列来产生混沌序列。3.2.2 混沌搜索参数控制本文采用混沌搜索参数控制算法，该算法主要是通过改变种群规模和随机数的大小来调整混沌搜索的搜索速度和全局优化能力。本文中混沌搜索参数为：g=1.5，s=8，m=0.1。3.2.3 CPSO 算法的步骤1）混沌序列随机生成初始种群，控制种群规模为 10100 个粒子，并将这些粒子随机地分配到各个种群中；2）对每一个粒子进行计算，若粒子的值超过了阈值，则将其更新到当前最优位置；如果粒子的值小于阈值，则更新到当前最优位置；3）对当前位置的所有粒子进行计算，若当前最优位置与其之前最优位置相差较远，则将该粒子放回群体中重新计算；4）若当前最优位置与之前最优位置相差较远，则将该粒子放回群体中重新计算；5）对每一个个体的种群进行更新，同时对每个个体的种群进行全局搜索；6）对全局搜索得到的最优解进行处理，并将其保存到最终的全局搜索结果中；7）对每一个个体的种群进行更新。4 试验分析4.1 试验准备为了验证计及低碳排放和需求侧管理的主动配电网双层规划研究，进行仿真试验。以下述配电网为例，此电网中共有 8 个，以及若干支路，根据当地配电网规划计划需要此配电网规划为 15 个节点，20 条支路。图 1 为初始配电网，图中实线表示已连接电路，虚线表示新增电路，14、15 为配电网电源节点，其余为用户负荷节点。4.2 试验分析采用本文所提方法、文献 3 方法和文献 4 方法进行对比分析。测定图 1 中主动配电网规划后的能源节约总量，结果如图 2 所示。图 1 配电网结构（a）本文方法2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 652023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 652023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23662023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYMANAGEMENT AND ECONOMY管理与经济从图 2 可知，文献 3 方法和文献 4 方法的节能效果明显低于本文所提方法。主要是由于本文所提方法考虑低碳排放和需求侧管理，进行主动配电网双层规划，规划合理，考虑因素多，使得节能效果好。为进一步验证本文方法的有效性，对配电网电力污染物总量进行对比分析，不同方法的测试结果如图3 所示。由图 3 可知，本文方法的配电网电力污染物总量低于文献 3 模型和文献 4 模型，在冬季和夏季的污染控制能力都较好。主要是由于本文所提方法采用了粒子群算法来求解计及低碳排放和需求侧管理的主动配电网双层规划模型，该方法在一定程度上提高了粒子群算法的寻优精度，使污染控制能力。5 结束语本文建立了计及低碳排放和需求侧管理的主动配（a）本文方法（b）文献 3 方法（b）文献 3 方法（c）文献 4 方法（c）文献 4 方法图 2 配电网节约能源总量图 3 配电网电力污染物总量电网双层规划模型，上层模型以分布式电源和需求侧管理投资费用最小为目标函数，下层模型以运行维护费用最小为目标函数。通过粒子群算法对上层模型进行优化，采用混沌粒子群优化算法对下层模型进行求解。试验测试结果表明，本文所提方法的节能效果更好，配电网电力污染物总量更低，碳排放更少。该方法对于提高系统安全运行可靠性和降低运营成本具有一定的指导意义。（下转第71页）2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 662023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 662023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23712023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYMANAGEMENT AND ECONOMY管理与经济234567参考文献1678参考文献12345杨嘉静，程若发，许立斌.计及新能源接入的主动配电网多目标优化仿真 J.计算机仿真，2022，39（9）：108-113，393.杨东俊，涂智福，徐敬友，等.计及低碳排放和需求侧管理的主动配电网双层规划 J.武汉大学学报（工学版），2022，55（7）：709-715.李继宇，范映.主动配电网源-网-荷双层规划研究 J.电器与能效管理技术，2021（1）：9-15.汪慧敏，杨苹，余雁琳.基于双层粒子群算法的主动配电网分布式电源规划 J.计算机与数字工程，2021，49（9）：1930-1935.叶亮，吕智林，王蒙，等.基于最优潮流的含（上接第66页）多微网的主动配电网双层优化调度 J.电力系统保护与控制，2020，48（18）：27-37.汪慧敏，杨苹，余雁琳.基于双层粒子群算法的主动配电网分布式电源规划 J.计算机与数字工程，2021，49（9）：1930-1935.王钦亮，高桂革.基于改进粒子群优化算法的主动配电网规划 J.上海电机学院学报，2020，23（6）：346-350.杨晓雷，姚剑峰，姚国强，等.基于混沌粒子群算法的配电网分布式电源优化配置 J.电工技术，2018（22）：91-93，95.（收稿日期：2023-04-22）技术。3）基于多目标优化的配电网规划模型。建立基于多目标优化的配电网规划模型，在考虑电网经济运行和安全运行约束条件下，以投资成本最小为目标函数，以网损最小、电压水平最低为约束条件，采用改进的粒子群算法进行求解。4）考虑新能源出力随机性、波动性和间歇性的新能源出力预测技术。研究基于机器学习的新能源出力预测模型，分析新能源出力预测误差对负荷预测结果的影响。总之，电网规划是提高新能源利用效率的重要手段，随着新能源发电技术的不断发展，需要不断完善区域电网规划方案，科学合理地使用各项规划技术，使电网运行更加安全可靠。黄欣，吴伟杰，张伊宁，等.新能源发展中的电网规划关键技术分析 J.电子技术，2022，51（10）：242-243.回俊龙，许成哲.新能源发展的电网规划关键技术研究 J.冶金管理，2021（11）：60-61.王立平.协同新能源发展的电网规划关键技术J.电子世界，2020（24）：178-179.朱思曈，姜浩潍.基于新能源协同发展的电网规划关键技术探讨 J.中国设备工程，2019（4）：179-180.张红宇.新能源发展的电网规划关键技术研究J.科技风，2017（26）：167.陈丹，董少峤，何成明.新能源发展有待电网规划建设统筹布局 J.能源与环境，2016（6）：41.王佐.基于大规模新能源接入的电网规划风险预警系统研究 J.能源与环保，2022，44（12）：203-208.（收稿日期：2023-04-22）2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 712023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 712023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23