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第39卷第21期2011年l1月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.39NO.21Nov.1.2O11基于有功网损最优的分布式电源规划朱勇,杨京燕,张冬清(华北电力大学(北京),北京102206)摘要:研究了分布式电源的优化规划问题。在分布式电源单个容量、个数和位置未知的情况下,建立了包含分布式电源的配电网有功网损目标函数,模型中引入了电压水平约束,并将其转化为惩罚因子的形式并入目标函数。运用Matlab软件编写了粒子群算法和配电网潮流计算程序,采用改进的自适应权重粒子群算法进行目标函数寻优,最后得到了有功网损最小的分布式电源接入方案。通过算例分析,验证了该模型及方法的正确性和有效性。关键词:分布式电源;优化规划;粒子群算法;智能电网;有功网损Planningofdistributedgenerationbasedonoptimalrealpowerlosses—ZHUYong,YANGJing-yan,ZHANGDongqing(NorthChinaElectricPowerUniversity,BeOing102206,China)Abstract:TheoptimalplanningofDistributedGeneration(DG)isresearched.Undertheconditionthatthesinglecapacity,numberandpositionofDistributedGenerationareuncertain,anoptimalobjectivefunctionofactivepowerlossfordistributionnetworkwithDGisestablished,andthevoltagelevelconstraintisintroducedwhichismergedintoobjectivefimctionintheformofpunishmentfactor.TheParticleSwarmOptimization(PSO)algorithmandthecalculationprogramofpowerflowaleprogrammedbasedonMatlabsoftware.AnimprovedPSOalgorithmisusedtooptimizetheplanningofDGandtheoptimalschemeisattainedatlast.Throughthecaseanalysis,themethodisprovedtobecorrectandeffective.KeywordstDG;optimalplanning;PSOalgorithm;smartgrid;realpowerlosses中图分类号:TM715文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2011)21.0012050引言目前,大电网与分布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式,是21世纪电力工业的发展方向LlJ。而要实施这种结合,智能电网将发挥至关重要的作用。2009年上半年,国家电网公司首次向社会公布“”了智能电网发展计划,到2020年,可全面建成“”统一的坚强智能电网J,在这样的背景下,分布式电源将会得到广泛应用。然而,分布式电源的位置和容量会对配电网的很多方面产生影响,比如电能质量、电网可靠性、配网损耗、继电保护等L3J。DG接入后,单辐射网络变成双端或多端网络,从而给继电保护的设置和动作值的整定增加一定的难度。分布式电源的接入位置及容量不当,不仅会增加网损,还会降低可靠性水平pJ。因此,分布式电源的优化规划显得十分重要。文献【6】采用了改进的遗传算法,对分布式电源的选址和定容进行了寻优,但是遗传算法存在算法复杂,计算速度慢,有时会收敛到局部最优解等不足。文献【7]采用了改进的粒子群算法进行电力系统机组的组合优化。文献[8】用粒子群算法对基于电能质量的DG接入进行了优化。文献【9】建立了风力发电、光伏发电、燃气轮机发电三种不同的发电模型,采用粒子群算法确定了各种不同发电形式的优化容量配置。可见,粒子群算法对于求解优化问题是一种有效工具。本文根据配电网的特点,采用快速辐射型配网潮流计算方法,并结合粒子群算法进行目标函数寻优,得到了分布式电源的最优接入方案。1配网潮流计算分布式发电通常在66kV以下的配网电压等级并网,对于配电网,一般都是闭环配置,开环运行,以辐射的形式向用户供电。文献【10]提出了一种包朱勇,等基于有功网损最优的分布式电源规划.13.含分布式电源的快速辐射型配网潮流计算方法。如对于图1的网络。PL2l十jQ1PL2+jQL2图1含有分布式电源的配网线路Fig.1DistributionnetworkwithDGP,:--f(P『_12+Q)iVy_,-PL(1)i+PQ,=Q一(JF)+Q--)/2一QLz式中:是节点流出的有功功率;是,节OiQ点i流出的无功功率;是节点i的电压;是节点i与其下一节点所联支路电阻;Xi是节点i与其下一节点所联支路电抗;PL,是节点i的有功负荷;QL是节点i的无功负荷;为节点f的分布式电源有功注入量;Qgf为节点i的分布式电源无功注入量。各节点电压计算可用下面公式::2_.一2(P一+.Q一)+3)始端节点1的初始迭代注入功率可用下式计算:L+PP=yp(4)1t0rL斗O。=喜Q~∑。=Q,+Q式中:lfac协为有功网损近似值;Qfac。为无功网损近似值:为电网主馈线节点数。Pfac。和Qfaetor分别用公式(6)和(7)计算。()+()—Pfactor--—(6)IJF'Hl(8)鼢百jnIP+Q-_l1(9)—L0S,I卜0式中:PLf为节点i与其下一节点所联支路的有功网损;OLos。为节点i与其下一节点所联支路的无功网损。根据上述方法进行潮流计算,具体步骤如下。1)根据电网线路图确定主要馈线,一般选择线路最长,节点最多的线路为主馈线。2)电网注入功率始端的节点电压已知且保持不变,如图1中的节点1,当电网含有分支时,如分支节点2,把各分支包含的所有节点负荷之和作为初始的分支注入功率,这样各分支节点的初始负荷就是分支注入功率与原固有的节点负荷之和,对于节点2,则分别为PL2+芝尸,,Q。+Q,。3)由式(4)、(5)、(6)、(7)形成始端节点1的初始迭代注入功率。4)进行主馈线的潮流计算,由式(1)、(2)、(3)更新各节点功率和电压,当尸n与Qn的绝对值小于10时,主馈线的潮流收敛。5)如果Pn与Qn的绝对值不小于lO~,则用公式P.=JF)1.old--P和Q=Q1.old-Q更新主馈线始端注入功率。6)执行步骤4)到5),直至满足与Qn的值小于l0~,主馈线的第一次潮流收敛。7)将主馈线潮流计算得到的分支节点电压值作为各分支节点的初始迭代电压,按照主馈线潮流计算方法完成支路潮流计算。8)由各分支潮流计算可以得到注入各分支功率,即为主馈线流入各分支的负荷,这样更新的各分支节点负荷就为新的注入分支功率与原固有的节点负荷之和,计算方法同2)。9)第二次进行步骤3)到5)的主馈线潮流计算,得到的各分支节点电压值再次作为各分支潮流计算的注入节点电压。10)第二次进行各分支潮流计算,直至收敛,(恤)亡立竺二二三三_.。c72_霪娄群体智能算法,它是下面两式是支路的实际网损,计算公式如下:一种台方法。蔷势享.14.电力系统保护与控制科学研究,又特别适合工程应用[11-12]。文献[131里运用了改进的自适应权重粒子群算法,更好地平衡了粒子群算法的全局搜索能力和局∞部搜索能力,其核心内容主要是改变每次迭代的∞值。的计算公式如下:.;+!!!.::;!’,,厂(10)—.n0),ff∞式(10)中:CO分别表示CO的最大值和最小值;示粒子当前的目标函数值,f.v ̄Nfmin分别为当前所有粒子的平均目标函数值和粒子的最小目标函数值。2.2分布式电源优化规划模型建立有功网损目标函数,并引入电压约束,模型如下:minf:1;1P一(11)一Loss,—s.t.UiminUi0(12)一Ui0(13)文献[14]提出了一种解决约束的粒子群算法,将电压采用惩罚因子的形式并入目标函数,最后得到:minf=ZPL0s。,十(()(14)其中:∑‰“”H():m()))(15)qi(u)=max([O,g)】)(16){…O(q))=10,q)<0.00120,qi(u)0・118)“100,qf()1300,qf()>1√(Ji})=膏(19)式中:为节点i的电压;i为节点i的最小允许值;Uim为节点i的最大允许值;为电网支路数;H(u)为电压惩罚因子;m为约束方程个数;()为第i个约束方程的越界值;k为迭代次数。2.3基于粒子群算法的分布式电源规划步骤1)输入原始的网络参数,并确定其他参数。本算法取种群规模40,最大迭代次数200,Cl=2,C2=2,∞∞max=O.9,min=0.4。2)随机生成各个粒子的值和初始速度,运用第二部分的辐射型配网快速潮流计算方法计算网络潮流,并计算目标函数值,记录其中最小的目标函数值PBest,各个粒子目标函数值Bf和最优粒子Best。3)更新迭代次数,由式(10)计算09,然后更新各粒子速度和位置。4)进行潮流计算和各粒子目标函数值计算,与第2)步的各个粒子目标函数值FPBest进行比较,更新并记录其中最小的粒子目标函数及微粒。5)重复步骤3)到4),直至达到最大迭代次数。6)输出最优粒子f和最小目标函数值朋f。‘3算例分析以10个节点并包含分支的配电网为例,电网电压等级为20kV,节点1电压幅值20kV,规定分布式电源安装容量的最大值不超过所有有功负荷总量的10%,每个分布式电源的功率因数取0.9。另外,考虑潮流反向对继电保护的影响,所有容量均不大于所安装节点的负荷,电压偏差规定在±5%以内。3.1线路图及支路、节点数据配电网线路如图2所示。PLS+jQL8凡lo+jQLtO图2配电网线路Fig.2Linesofdistributionnetwork节点负荷情况如表1所示。表1节点负荷Tlab.1Theloadofbuses配电网线路阻抗值如表2所示。.16.电力系统保护与控制[2][3][4][5][6][7][8]impactonpowersystem[J].AutomationofElectric—PowerSystems,2001,25(12):5356.魏希文,邱晓燕,李兴源,等.含风电场的电网多目标无功优化【J].电力系统保护与控制,2010,38(17):107.108.—WEIXi-wen,QIUXiao-yan,LIXingyuan,eta1.Multi-objectivereactivepoweroptimizationinpowersystemwithwindfarm[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(17):107.108.张勇,吴淳.分布式发电机在配电网中的优化配置[J】.电力系统保护与控制,2010,38(11):33.34.ZHANGYong,WUChun.OptimalplacementofDGunitindistributionsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(11):33.34.周卫,张尧,夏成军,等.分布式发电对配电网继电保护的影nl ̄[J1.电力系统保护与控制,2010,38(3):1.3.ZHOUWei,ZHANGYao,XIACheng-jun,eta1.Effectofdistributedgenerationonrelayprotectionofdistributedsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(3):1.3.宋祺鹏,宋晓辉,杨亮.分布式电源对配电网规划的影响[J].电气时代,2010(4):74.75.SONGQi-peng,SONGXiao-hui,YANGLiang.TheinfluenceofDGondistributionnetworkplanning[J].ElectricalEra,2010(4):74.75.邱晓燕,夏莉丽,李兴源.智能电网建设中分布式电源的规划[J].电网技术,2010,34(4):7-10.—QIUXiaoyan,XIALi-li,LIXing-yuan.Planningofdistributedgenerationinconstructionofsmartgrid[J].PowerSystemTechnology,2010,34(4):7-l0.蒲维,滕欢,张力.改进PSO算法解决电力系统机组优化组合问题[J].西华大学学报:自然科学版,2007,—26(9):7880.PUWei,TENGHuan,ZHANGLi.TheoptimalcombinationofpowersystemunitbasedonimprovedPSO[J].JournalofXihuaUniversity:NaturalScience,2007,26(9):78.80.Alinejad-BeromiY,SedighizadehM,SadighiM.AparticleswarlTloptimizationforsittingandsizingofdistributedgenerationindistributionnetworktoimprovevoltageprofileandreduceTHDandlosses[C].//UniversitiesPowerEngineeringConference,UPEC,43rdInternational,2008.[9]庄雷明.城市电网规划中分布式电源容量的优化配置【D].北京:华北电力大学,2010.ZHUANGLei-ming.Theoptimizationofdistributedpowercapacityinurbangridplanning[D].BeOing:NorthChinaElectricPowerUniversity,2010.—[10]AbuMoutiFS,El-HawaryME.Anewandfastpowerflowsolutionalgorithmforradialdistributionfeedersincludingdistributedgenerations[J].ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonSystems,ManandCybernetics,2007:2668-2673.[11]张婷婷.配电网规划中分布式电源的选址和定容的研究[D】.成都:西南交通大学,2010.ZHANGTing-ting.StudyonsittingandsizingofDGindistributednetworkplanning[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2010.[12]李炳字,萧蕴诗,汪镭.PSO算法在工程优化问题中—的应用[J].计算机工程与应用,2004,18(3):7476.—LIBing-yu,XIAOYunshi,WANGLei.TheoptimalapplicationofPSOintheproject[J].ComputerScienceandApplication,2004,18(3):74-76.[13]纪震,廖惠连,吴青化.粒子群算法及应用[M】.北京:科学出版社,2009.JIZhen,LIAOHuilian,WUQing-hua.PSOalgorithmanditsapplication[M].Beijing:SciencePress,2009.[14]ParsopoulosKonstantinosE,VrahatisMichaelN.Particleswarn'loptimizationmethodforconstrainedoptimizationproblems[J].IntelligentTechnologies・TheoryandApplications,2002.收稿Et期:201O-11_24;修回日期:201O-12-20作者简介:朱勇(1985-),男,硕士研究生,研究电力系统规划,—电力系统分析、运行与控制等;Email:zhuyong58@yahoo.com.cn杨京燕(1952-),女,教授,研究电力系统分析、运行与控制,电力系统规划与可靠性等;张冬清(1986-),男,硕士研究生,研究电力系统继电保护
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