基于改進(jìn)遺傳算法的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃

楊 軒

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430000）

電力系統(tǒng)涉及到用電、配電、輸電、發(fā)電等各環(huán)節(jié)，且電氣設(shè)備構(gòu)成包括電能的消耗、分配、輸送和生產(chǎn)。結(jié)合發(fā)電機(jī)對(duì)高壓所輸出的電網(wǎng)進(jìn)行輸送，以抵達(dá)目標(biāo)需要，再借助于降壓變壓器，將配送電網(wǎng)所輸送的電壓以各種等級(jí)形式構(gòu)建網(wǎng)架分配電能。

1 課題研究目的與意義

伴隨著國(guó)內(nèi)城市發(fā)展速度的加快，普通城市電網(wǎng)難以滿(mǎn)足電能質(zhì)量要求，尤其是用電負(fù)荷急劇增長(zhǎng)，要求供電負(fù)荷和供電質(zhì)量滿(mǎn)足持續(xù)增長(zhǎng)需求。然而，近年來(lái)大中型城市電網(wǎng)改造難度增加，尤其是中低壓電網(wǎng)壓力在夏季復(fù)合增長(zhǎng)，曾在城市配電網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)建規(guī)劃過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)落后局面。為此，需要快速加強(qiáng)配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃設(shè)計(jì)，明確供電調(diào)度需求，擴(kuò)大配電容量。傳統(tǒng)常使用手工計(jì)算配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃方案，主要思路是對(duì)比經(jīng)濟(jì)技術(shù)并結(jié)合可行方案選擇優(yōu)化。而由于供電條件限制，部分城市改擴(kuò)建配電網(wǎng)難度增加，所選方案并非最優(yōu)方案。部分配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃工作人員僅以以往經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施最終所推薦的方案并不能滿(mǎn)足現(xiàn)代電力供應(yīng)需求，且存在主觀性和局限性。隨著供電技術(shù)水平的發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷優(yōu)化，智能算法可應(yīng)用于配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃設(shè)計(jì)的實(shí)際工作當(dāng)中。

2 分布式發(fā)電配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型

2.1 配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型

結(jié)合運(yùn)行成本和前期線(xiàn)路投資建設(shè)最小作為目標(biāo)函數(shù)的目的，在選擇變電站位置當(dāng)中予以?xún)?yōu)化，配電線(xiàn)路用戶(hù)會(huì)結(jié)合運(yùn)營(yíng)成本和投資最小需求展開(kāi)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。具體規(guī)劃任務(wù)在于確定位置以及用電負(fù)荷、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線(xiàn)型選擇，以保障區(qū)域性供電需求質(zhì)量滿(mǎn)足要求，結(jié)合配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃成本最小的原則，以及當(dāng)?shù)匾阎l(fā)電狀態(tài)和用電量構(gòu)建地點(diǎn)，時(shí)間確定條件下選擇何時(shí)架設(shè)多少回配電線(xiàn)路，以保障投資運(yùn)營(yíng)年費(fèi)用達(dá)到最優(yōu)值，模型要考慮資金投資價(jià)值以及年費(fèi)用最小，因此構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)如下：

在公式當(dāng)中，C作為配電線(xiàn)路的建造費(fèi)用，n是設(shè)備的使用壽命，i作為貼現(xiàn)率，Ct在t一年整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中的運(yùn)行費(fèi)用結(jié)合水平年作為目標(biāo)，整個(gè)設(shè)備使用壽命一般為20 a。由于貼現(xiàn)率是0.1，假定該設(shè)備整體的使用年限、運(yùn)行費(fèi)用相等，最終可以轉(zhuǎn)化成公式：

由于在整個(gè)配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃設(shè)計(jì)當(dāng)中需要考慮諸多目標(biāo)因素的影響，除技術(shù)和經(jīng)濟(jì)之外，還要考慮整體環(huán)境、區(qū)域政治、社會(huì)影響力。為此，在規(guī)劃過(guò)程當(dāng)中所使用的目標(biāo)還是要考慮投資和成本預(yù)算，以及后期對(duì)環(huán)境造成的影響，線(xiàn)路網(wǎng)損情況用電載荷能力，注重網(wǎng)損設(shè)計(jì)為最小值以及可靠性為最大值，確保環(huán)境影響為最小以及電網(wǎng)荷載能力為最大。

2.2 分布式發(fā)電配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃

2.2.1 介紹

配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃調(diào)度的根本目標(biāo)是滿(mǎn)足用戶(hù)需求，幫助用戶(hù)提高終端供電可靠性。在具體應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，綜合運(yùn)營(yíng)管理模式的有效創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單權(quán)責(zé)平衡，協(xié)調(diào)管理、統(tǒng)一規(guī)劃的組織體系，形成資產(chǎn)周期成本最小的原則，在運(yùn)行維護(hù)建設(shè)當(dāng)中，減小負(fù)荷損耗，降低電網(wǎng)損耗，以提高整個(gè)電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃調(diào)度的周期設(shè)施壽命。在電網(wǎng)資產(chǎn)網(wǎng)架規(guī)劃設(shè)計(jì)當(dāng)中，整體結(jié)合配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃當(dāng)中有關(guān)升級(jí)建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)改造建設(shè)，在網(wǎng)架規(guī)劃建設(shè)當(dāng)中與后期的運(yùn)行調(diào)度相結(jié)合，綜合基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)工程建設(shè)改造結(jié)合智能技術(shù)優(yōu)化。

2.2.2 案例分析

在案例當(dāng)中涉及25個(gè)節(jié)點(diǎn)的110 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中的相關(guān)網(wǎng)架案例予以規(guī)劃調(diào)度，初始網(wǎng)如圖1所示。

圖1 初始網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

在初始網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中實(shí)線(xiàn)作為前期以經(jīng)具備的線(xiàn)路，虛線(xiàn)是有待進(jìn)一步規(guī)劃的線(xiàn)路，其中涉及到的節(jié)點(diǎn)需要與原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，連接過(guò)程當(dāng)中需要結(jié)合分布式電源作為新增負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，而結(jié)合文獻(xiàn)研究當(dāng)中相關(guān)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)需要結(jié)合分布式電源布置在饋線(xiàn)末端，提高整體供電可靠性，減小負(fù)荷，減少平均停電時(shí)間。在接入所使用的分布式電源節(jié)點(diǎn)之后，在原有的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)新建電源。

（1）規(guī)劃成本參數(shù)

實(shí)際應(yīng)用案例當(dāng)中，結(jié)合配電網(wǎng)具體網(wǎng)架規(guī)劃設(shè)計(jì)，考慮到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及成本具體設(shè)置，要明確規(guī)劃成本參數(shù)，首先是對(duì)110 kV配電網(wǎng)線(xiàn)路的成本，假定其參考值是80萬(wàn)元，結(jié)合分布式電源所使用的設(shè)備容量的運(yùn)營(yíng)投資成本20萬(wàn)元，進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，結(jié)合國(guó)情投入分布電源。借助于遺傳算法對(duì)整體投資成本，假設(shè)其為30萬(wàn)元，結(jié)合電網(wǎng)當(dāng)中的負(fù)荷增容，在原來(lái)配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中增加網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并滿(mǎn)足負(fù)荷增長(zhǎng)需要，在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中可能會(huì)忽視復(fù)合增長(zhǎng)成本。

（2）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)規(guī)劃當(dāng)中，綜合考慮的是植入?yún)?shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)，結(jié)合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，新增的負(fù)荷也是575 MW。在假定該配件網(wǎng)站當(dāng)中所要規(guī)劃的網(wǎng)架需要新增2臺(tái)5 MWp分布式電源，當(dāng)中因數(shù)功率是0.9，參考節(jié)點(diǎn)參數(shù)，明確各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，明確支路的參數(shù)信息。

3 改進(jìn)的遺傳算法原理

3.1 應(yīng)用改進(jìn)遺傳算法

綜合考慮所連接的分布式電源，后期設(shè)備，需要明確在配電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中的線(xiàn)路成本、安裝成本、綜合成本降低、成本優(yōu)化目標(biāo)結(jié)合。連接可再生能源作為發(fā)電電源，例如，增加風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電在分布式電源當(dāng)中的應(yīng)用，可以強(qiáng)化配電網(wǎng)環(huán)保能力，綜合所使用的改進(jìn)遺傳算法，對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)架進(jìn)行擴(kuò)容建設(shè)，實(shí)現(xiàn)有效調(diào)度。

（1）染色體編碼，結(jié)合電源、分布式電源具體容量變量和安裝的位置，使用編碼方法，假設(shè)所安裝的復(fù)合節(jié)點(diǎn)上的分布式電源，以每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝對(duì)應(yīng)的電源允許節(jié)點(diǎn)安裝的一串算法。輻射狀的配電網(wǎng)具體運(yùn)算量可以結(jié)合改進(jìn)后的遺傳算法實(shí)行染色體編碼，具體公式如下：其中按照第一行節(jié)點(diǎn)予以編號(hào)，并結(jié)合分布式電源配置情況編排第二行數(shù)據(jù)信息，其中C的數(shù)值作為所對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷遺傳算法建設(shè)情況，代表電源的容量，而C等于0時(shí)，則代表這一節(jié)點(diǎn)不存在異常算法。如果當(dāng)初等于0的時(shí)候，證明該處沒(méi)有分布式電源。

（2）適應(yīng)值計(jì)算。目標(biāo)函數(shù)當(dāng)中的網(wǎng)損最小的表，公式如下：

規(guī)劃年網(wǎng)損f（x）作為矢量，N作為可選線(xiàn)路數(shù)，可獲取染色體的擴(kuò)展式如下：

在擴(kuò)展規(guī)劃當(dāng)中，x作為可選用的線(xiàn)路，如果它的值顯示為1，代表選擇了該線(xiàn)路，如果表示0則不選擇該線(xiàn)路。在確保配電網(wǎng)網(wǎng)架具體調(diào)度的輻射性和連通性的時(shí)候，利用x代替，具體滿(mǎn)足條件如下：

綜合考慮電壓約束的一系列條件，進(jìn)一步對(duì)函數(shù)進(jìn)行修正，達(dá)到適應(yīng)函數(shù)，公式如下：

在公式當(dāng)中，約束條件是ST，懲罰系數(shù)是U，約束條件個(gè)數(shù)為M。

（3）遺傳操作。綜合所改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行雙點(diǎn)交叉操作，具體概率當(dāng)中的交叉概率一點(diǎn)的交叉概率是0.9，二點(diǎn)的交叉概率是0.6，而變異概率在第一位交叉點(diǎn)的變異概率是0.1，第二個(gè)交叉點(diǎn)的變異概率是0.001。

3.2 計(jì)算結(jié)果

綜合由改進(jìn)后的遺傳算法對(duì)案例進(jìn)行規(guī)劃，可以得到有關(guān)分布式電源的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 分布式電源的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃表

接入了分布式電源之后，可以進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度發(fā)揮主動(dòng)管理的效用，相關(guān)調(diào)度研究較少，而分布式電源協(xié)同微網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化之后，參與到高滲透率的配電管理系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)調(diào)度管理模型。尤其是考慮配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃當(dāng)中實(shí)現(xiàn)的接頭控制，借助于混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃的方法予以求解，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，并對(duì)有功出力調(diào)度實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。其中，配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的調(diào)度架構(gòu)包括等值負(fù)荷曲線(xiàn)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模塊予以劃分，配電網(wǎng)模塊包括不可調(diào)度和復(fù)合預(yù)測(cè)值，短時(shí)間內(nèi)不能頻繁操作，根據(jù)時(shí)段予以劃分構(gòu)建網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)度的分布式協(xié)調(diào)調(diào)度模型進(jìn)行求解，最終得到最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

考慮到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和可調(diào)度的分布式有功出力，動(dòng)態(tài)調(diào)整具體流程如下。

步驟一：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)24 h復(fù)合預(yù)測(cè)和不可調(diào)度的分布式處理預(yù)測(cè)，并結(jié)合文獻(xiàn)方法進(jìn)行調(diào)度。

步驟二：對(duì)初始等值復(fù)合曲線(xiàn)予以分段預(yù)測(cè)，不可調(diào)度的分布式節(jié)點(diǎn)處理預(yù)測(cè)結(jié)果，可調(diào)度的分布式取額定功率共同合成初始的負(fù)荷聚集時(shí)段劃分。

步驟三：配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，應(yīng)結(jié)合日前調(diào)度模型予以計(jì)算，構(gòu)建網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)度模型，在求解當(dāng)中予以?xún)?yōu)化。

步驟四：修正等值負(fù)荷曲線(xiàn)分段優(yōu)化，得到可以調(diào)度的分布式處理值進(jìn)行修正，結(jié)合時(shí)段劃分記錄結(jié)果。

步驟五：判斷比較，對(duì)比不同處理點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)束，輸出最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及可調(diào)度的分布式電源優(yōu)化處理。而這種基于改進(jìn)遺傳算法的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃形成的協(xié)調(diào)調(diào)度規(guī)劃模型，具體思路是結(jié)合等值曲線(xiàn)時(shí)段予以劃分，優(yōu)化每個(gè)時(shí)段開(kāi)關(guān)狀態(tài)和分布式出力建模。規(guī)劃前后網(wǎng)損情況見(jiàn)表2，分布式發(fā)電配電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 規(guī)劃前后網(wǎng)損對(duì)比

圖2 分布式發(fā)電配電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

在分布式電源應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行靈活性的應(yīng)用，推進(jìn)供電可靠性。本文結(jié)合發(fā)電形式、規(guī)模以及配電網(wǎng)進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃需求，綜合采用可再生能源，降低消耗和損耗，對(duì)配電網(wǎng)、電源、潮流以及分布式影響，結(jié)合改進(jìn)的智能遺傳算法，對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)架予以綜合探究得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜合闡述，明確供電可靠性對(duì)于促進(jìn)配電網(wǎng)的優(yōu)化作用。綜合分布式電源應(yīng)用到配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，以討論分布式電源具體模型，并結(jié)合運(yùn)行規(guī)劃對(duì)電力系統(tǒng)的影響，提出了解決多端電源配電網(wǎng)規(guī)劃的重要意義。

（2）明確配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃的流程和步驟，結(jié)合技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行建模，綜合前期投資成本，明確網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性約束，對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓約束展開(kāi)分析。綜合多目標(biāo)，降低對(duì)環(huán)境的影響，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型以作為多目標(biāo)，優(yōu)化計(jì)入分布式電源，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行詳細(xì)研究，進(jìn)一步優(yōu)化函數(shù)，形成相關(guān)研究的網(wǎng)架規(guī)劃。

在本文研究過(guò)程當(dāng)中，配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃綜合及調(diào)度已作為電力系統(tǒng)的構(gòu)成部分滿(mǎn)足整體運(yùn)行需求，但相關(guān)研究仍存在著不足之處。前期投資運(yùn)營(yíng)從運(yùn)營(yíng)成本以及后期的檢修成本尚未統(tǒng)一計(jì)算到其中，尤其配電網(wǎng)運(yùn)行之后是否影響后期的生命周期，需要進(jìn)一步研究。