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考虑电压越限安全的电网柔性负荷调控优化
摘要：为确保电容器功率曲线的有效拟合，提出了考虑电压越限安全的电网柔性负荷调控优化方法。根据电压偏离量，确定电压安全越限标准，并以此为基础，考虑电压越限安全标准推导配电表达式。针对电网负荷实施柔性规划并联合目标调控函数，定义具体的优化约束条件，完成电网柔性负荷调控优化方法的设计。实验结果表明，在保障电压越限安全的情况下，用电设备实时功率与额定功率之间的差值较小，符合有效拟合功率曲线的实际应用需求。
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负荷调控是电力系统中的重要环节,其目的是通过管理和控制用电设备的用电行为,以平衡电力供需,确保电网的稳定运行｡在现代电力系统中,电压越限是一种常见的问题,可能导致电网设备损坏､供电不稳定､电力质量下降,甚至引发事故｡电网柔性负荷调控是一种能够对电网实时响应并调整负荷的方法[1],可以通过灵活地调整用户负荷来平衡供需关系,降低电压波动和频率偏差,以及减少电网的有功损耗｡针对电网特性,需要研究一种柔性负荷调控方法｡
针对电网的调控,梁纪峰等[2]提出了考虑负荷提前通知时间的协同调控方法｡基于云边协同调控架构,对配电网中的电量负荷行为进行调节,再按照交替方向乘子法分别求解电压､电流,以定义最佳的调控方案｡申洪涛等[3]提出了考虑DG及负荷时序性的电网综合调控方法,以配电网有功损耗及电压偏差为目标,对电力负荷量进行综合求解,再利用随机森林模型和长短期记忆神经网络,对配电负荷及DG出力进行预测｡ZhouX等[4]针对用电量增加导致电网负荷大的问题,提出了一种智能电网错峰负荷调节方法,减少高峰时期的整体用电量｡LiuM等[5]针对新能源的快速发展,导致电网调峰难的问题,建立了一种以电力系统总发电成本最低为目标的优化模型,以实现供需平衡｡但上述方法存在不能确保实时功率曲线､额定功率曲线有效拟合关系的问题,易使电网出现超负荷运行的情况｡
针对上述问题,设计考虑电压越限安全的电网柔性负荷调控优化方法｡电压越限是指电力系统中的电压偏离了正常范围,包括电压过高和过低,有可能对电力系统的运行安全造成不利影响｡考虑电压越限安全则是在保障电压稳定性的基础上,对电网中的负荷信号进行调试,从而在避免电压偏离的同时,完善配电网的布局｡
1、配电网安全标准
电压偏离量,也称电压偏差,是指电容器实际电压与额定电压之间的差异｡一般来说,电压偏离量越小,说明电力系统的电压稳定性越好,供电质量也就越高｡在柔性电网中,电压偏离量通常表示为百分比形式,因为这样可以更容易地比较出不同电压等级下的电力信号偏离程度[6]｡设W0表示电力信号额定负载向量,W1表示电力信号实际负载向量,δ0表示额定电力配比系数,δ1表示实际电力配比系数,χ0表示额定电压越限值,χ1表示实际电压越限值,联立上述物理量,可将电压偏离量计算式表示为:
定义电压安全越限标准,就是在已知电压偏离量的情况下,确定负荷电压的波峰与波谷值,其中波峰参量对应负荷电压的最大值,波谷参量对应负荷电压的最小值｡关于安全越限可以理解为电压定义值的绝对安全性,在柔性电网中,只有保障实时负载电压的最大值与最小值均保持在用电设备额定电压的数值区间之内,才能确保安全越限标准符合配电网中的电量负载情况[7-8]｡在式(1)的基础上,可将电压越限安全标准定义式表示为:
基于电压越限安全标准求解配电表达式应考虑电压相角条件,使其保持在合理的数值范围之内｡电压相角是描述电压信号波形相对于参考点的相位偏移角度[9-10]｡在柔性电网体系中,电压通常是随时间变化的正弦波,而相角则用来表示这个正弦波在某一时刻所处的位置｡γ表示电压信号在既定参考节点处的波形向量,利用该物理量,可将电压相角γ′表示为:
式中,ΔD表示单位时间内的电压信号越限传输均值,φ表示基于电压越限安全标准的配电力信号调相参数｡依照电压越限安全标准约束电力信号谐波在电网中的传输行为,有助于确保配电网的安全稳定运行,并优化系统的负荷性能｡
2、电网柔性负荷的调控优化
柔性规划电网负荷,就是在充分考虑电压越限安全问题的情况下,对电力信号进行按需分配｡简单来说,就是将负荷量充盈区域的电力信号分走一部分,以用于弥补负荷量匮乏区域的电量亏空,从而使电网呈现出较为稳定的负荷状态,也就能够有效避免用电设备出现超负荷或低水平负荷的运行情况[11-12]｡柔性是对配电网闭环运行能力的评价,使部分关键节点或支路变成柔性节点或柔性支路,并以这些节点或支路带动整个电网的运行,以确保用电设备实时功率曲线能够更好拟合额定功率曲线｡
规定d1表示柔性节点(支路)内的电力信号负荷量,d2表示关键节点(支路)内的电力信号负荷量,二者之间存在式(5)所示的数值转换关系:
式中,g2表示关键节点(支路)内的电力信号负荷强度,ϕ表示电力信号转换系数｡
联立式(4)､式(5),可将电网负荷的柔性规划定义式表示为:
目标调控函数以优化电网柔性负荷为目标,在调度周期内,可以优化配电网运行成本,从而对越限电压值进行有效控制｡考虑电压越限安全标准的情况下,目标调控函数的取值应为一项可变的参考条件,当电容器实时功率低于额定功率水平时,调控函数取值相对较高,表示柔性电网中可调控的电力信号相对较多;反之,若电容器实时功率高于额定功率水平,则表示柔性电网中可调控的电力信号相对较少[13-14]｡设f表示考虑电压越限安全标准所定义的电力信号调控参数,h表示柔性电网中的电力信号目标负荷向量,λ表示电网运行成本调节系数｡在上述物理量的支持下,联立式(6),可将电网柔性负荷的目标调控函数定义为:
在电网柔性负荷的目标调控中,约束条件反映了电网运行的物理限制和安全要求,已知目标调控函数,针对柔性负荷条件实施约束,能够确保对电力信号的有效调控,从而避免用电设备实时功率出现明显的波动变化状态｡配电网所定义的约束条件只针对电力信号的电压负荷值,因此在用电设备运行过程中,根据约束条件表达式,可以准确计算电压越限值的浮动范围[15-16]｡
约束条件优化的目标是在满足所有约束条件的前提下,使电网的运行成本最低或某个性能指标最优｡通过不断调整控制变量,可以找到满足约束条件的最优解,从而指导电网的实际运行｡
3、实验分析
3.1额定功率计算
选取10台电容器机组作为研究对象,其在参与电网运行时所能负荷的额定电压与电流情况如表1所示｡
表1电容器机组额定电量负荷能力
对于电容器机组额定功率的计算参考式(9):
式中,U表示额定电压,I表示额定电流｡利用表1中的电量负荷参数进行计算,可知1-10号电容器机组的额定功率分别为218.08､228.60､189.20､215.76､255.15､233.40､224.48､230.69､231.28､230.26W｡
3.2柔性电网布线
将10台电容器机组以并联的方式接入柔性电网之中,其正极端口与电网高压端相接,负极端口与电网低压端相接｡
该次实验以电容器机组为研究对象,通过比较不同调控方法下电容器实时功率曲线与额定功率曲线的拟合效果(以二者数值差的绝对值或均方根误差衡量),评估方法的负荷调控能力｡
3.3实验数据
应用考虑电压越限安全的电网柔性负荷调控优化方法(A组)､考虑负荷提前通知时间的协同调控方法(B组)､考虑DG及负荷时序性的电网综合调控方法(C组)进行实验,记录不同方法作用下,电容器机组实时功率的数值变化情况,如图1所示｡
分析图1可知,A组用电设备实时功率的均值水平相对较高,B组､C组的功率均值水平则明显低于A组,表明所提方法的负荷调控效果更好｡
利用图1中的功率参数,计算功率曲线之间的拟合关系,具体差值情况如表2所示｡
图1用电设备实时功率
表2额定功率与实时功率差值
根据表2可知,A组方法作用下,电容器实时功率曲线与额定功率曲线之间的拟合关系更为有效,即考虑电压越限安全的电网柔性负荷调控优化方法的应用,更符合有效拟合功率曲线的实际应用需求｡
4、结束语
在考虑电压越限安全的电网柔性负荷调控优化研究中,探讨了通过整合柔性负荷资源､优化调度策略以实现电网稳定运行的方法｡通过引入电压越限安全约束,确保了在整个调控过程中电网的电压稳定,有效避免了因用电设备实时功率曲线与额定功率曲线拟合关系较弱引起的潜在风险｡
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基金资助:南方电网公司科技项目(GDKJXM20208290);
文章来源:戴彦旭,蔡安铭,汤健东,等.考虑电压越限安全的电网柔性负荷调控优化[J].电子设计工程,2025,33(13):158-161.
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主办单位：中国南方电网有限责任公司技术研究中心
出版地方：广东
专业分类：电力
国际刊号：1674-0629
国内刊号：44-1643/TK
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创刊时间：2007年
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2025-07-07
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