基于模糊优化算法的电力应急电源设备自动化配置方法

文小珲

(陕西省地方电力(集团)有限公司，陕西 西安 710061)

城市信息化、现代化发展离不开电力系统的支持，瞬间供电暂停对于人们的生产与生活具有严重的影响，大部分的企业将会因此出现经济损失[1-2]。因而，在现代电力系统中，控制系统运行的稳定性成为首要研究对象。电力系统中的设备故障具有突发性与不可控性，即便是设计了较为完善的管理机制，也会出现突发情况。因此，在高层建筑中大多会存在2个电源进行供电，当一个电源出现故障时，另一个电源完成供电工作。根据当前建筑电力要求，设定电力应急电源设备自动化配置方法成为保证建筑电力供应的主要途径。

在近年来的研究中，国内外学者提出了大量的电力应急电源设备自动化配置方法，例如文献[3]中提出了以多能源耦合为基础的电源配置方法，此方法在一定程度上提高了应急电源设备配置的合理性。文献[4]推导了LCCHVDC闭锁故障时刻受端电网频率和电压的变化规律，采用灰色关联分析方法分析了延迟联切换流站无功补偿装置造成的低频高压现象，应对LCC-HVDC闭锁故障。

在上述文献的基础上，为了获取最优配置方案，节省电力系统运行成本并保持其稳定性，构建一种新型自动配置方法。因此，使用模糊优化算法完成优化设计过程，选择出更适用于建筑的电源设备自动化配置方案。

1 设备自动化配置方法设计

将使用模糊优化算法对其进行优化，将电力应急电源设备自动化配置过程设定为3部分，具体内容：①相关文献分析。获取大量的模糊优化算法与电力应急电源设备自动化配置方法文献，对其进行分析，对本次研究课题具有一定的了解。②自动化配置方法设计。将模糊优化算法融入当前设备自动化配置方法中，以当前方法为基础，设计出一种更加有效的自动化配置方法。③实验与总结。构建相应的电力系统模型，验证文中提出方法的使用效果，并对此方法的优缺点以及发展方向进行总结。

1.1 确定电力应急电源设备位置

图1 电力系统支路示意Fig.1 Schematic diagram of power system branch

根据上述图像，可得到电力支路z的有效功率与无效功率，具体计算过程如下所示：

(1)

(2)

式中，Rz与Ez分别为电力支路的电阻与电抗；Iz为经过电力支路的电流方向；Wq与Vq分别为电力支路末端的有功功率与无功功率，在本次研究中，主要对电力系统线路的有功损耗与节点功率对设备定位的影响[5]，对Wq和Vq求偏导数，则有：

(3)

(4)

由上述公式可知，当q节点输出功率为固定数值时，此节点的线损灵敏度较高。考虑到电网断电后设备损坏的问题，选择在线损灵敏度较高的位置安装应急电源设备。

1.2 稳压电容安装设置

根据上述设定，为了保证后续配置方案设定的合理性与电力系统运行的稳定性，在电力系统中确定了应急电源的位置。对大量实际电容进行分析后，确定稳压电容的参数(表1)。

表1 稳压电容组参数Tab.1 Parameters of regulated capacitor bank

将电容引入电力系统后，对支路开关周期电流电压平均值进行研究，具体计算公式如下：

(5)

对上述公式进行整合，则有：

(6)

忽略电路中二极管的压降作用，将H设定为固定的计算参数代入上述公式中，则有：

(7)

根据上述公式，实现了稳定电容器的控制过程。当应急电源响应时，稳定电容器开始工作。为实现节能与应急电源设备配置的成本控制，以电容器安装后的自动配置成本为核心目标函数，力求以最低的经济成本获得最高的运行效率，从而延长电力系统的使用寿命。配置成本计算过程如下所示：

Zall=Zs+Zh+Zy+Zj+Zg+Zk

(8)

式中，Zall为设备配置过程中的总成本；Zs为电容增加后的设备成本；Zh为应急电源置换成本；Zy为电力系统运行成本；Zj为应急电源使用后环境保护工程成本；Zg为电容增加后的购电成本；Zk为电网中其他设备耗费成本。

为降低计算难度，对电网的总产值进行计算，设定i为每年实际利益；F为电容与应急电源使用寿命；S为资金计算系数。则有：

(9)

使用此公式对增设电容后的电力系统运行成本展开计算。

1.3 电力应急电源设备自动化配置方案选择

在上述两部分的设计中，可以获取到大量的应急电源设备配置方案，由于此配置方法需要满足多个应用目标，为了降低各个目标之间的矛盾，设定每个目标的使用容许度，将其作为配置方法的选择依据，并根据模糊优化算法进行求解。为了有效降低计算难度，使用Zimmerman模型对目标的最大使用限度χ与最优解ε进行分析[6-10]：

(10)

根据上述公式，得到相应的目标最大使用限度，为保证多个目标具有平等的参考性，根据其计算结果对每个目标展开分析，得到其最优解。为实现各目标平均最优解，使用算术平均算子的全补偿性[11-13]，添加相应的χi≥χo，则最优解计算过程可体现为：

(11)

利用上述公式可求出配置方案的最优解，本研究采用隶属函数斜率分析方法[14-16]，确保优化方案符合电力系统的要求，如图2所示。

根据图2确定最优解，改善不满意目标并构建新的目标容许度极限值[17-20]，具体公式如下所示：

图2 最优方案的隶属函数Fig.2 Membership function of optimal scheme

(12)

根据上述计算过程，分析了上述应急电源设备的优化配置方案，得出了应急电源设备的最终配置方案。基于模糊优化算法的应急电源设备自动配置方法设计完成，获取电力应急电源设备自动化配置方案，并在方案组中选择最优方案，完成配置过程。

2 实例论证分析

2.1 实例构建

本次研究中提出了一种基于模糊优化算法的电力应急电源设备自动化配置方法，构建实验环节对使用效果加以分析。由于电力系统实验对于实际生活、工作的影响较大，使用实例实验的形式完成方法分析过程。

为对电力系统进行高精度模拟，将城市中某建筑电力系统作为研究对象，获取其电力系统相关参数，电力系统电力应急发电数据采集过程如图3所示，使用Matlab软件构建相应的实例电力系统，内部电力应急电源设备设置模式如图4所示。同时，选择合适的应急电源为此次分析提供相应的数据。

图3 电力系统电力应急发电数据采集Fig.3 Data acquisition of power system emergency power generation

图4 电源应急供电设备设置方式Fig.4 Setting mode of power emergency power supply equipment

通过实地分析，将应急电源设定为光伏应急电源，具体参数见表2。

表2 应急电源选型及相关参数设定Tab.2 Selection of emergency power supply and setting of relevant parameters

实验中，将光伏应急电源作为研究对象，将其参数输入到模拟电路中，并根据预先设定的实验对比指标分析模糊优化方法的使用效果以及优劣性。

2.2 实验方案设计

在本次实例实验中，将实例电路中流经的电流设定为220 V直流电压，充电曲线函数设定如下：

(13)

使用此公式对应急电源的使用过程展开控制，保证电路使用过程符合当前要求。本实验所采用的比较指标是应急电源配置成本、电网负荷容量和电网电压稳定性。

2.3 实验结果分析

电网电压波动幅度实验结果、应急电源配置成本测试结果见表3。在本次实验中，电网电压稳定性体现为电网电压波动幅度，通过实验结果可以看出，模拟优化方法在使用后可保证实验电网的稳定性，不对实验电网的电压输出造成影响，稳压电容的安装具有一定的科学性，可有效保证电网运行效果；且模拟优化方法的应急电源配置成本较低，在多次计算中未出现较大变化。

表3 电网电压波动幅度及应急电源配置成本Tab.3 Fluctuation range of power grid voltage and configuration cost of emergency power supply

电网负载能力测试结果如图5所示。

图5 电网负载能力Fig.5 Load capacity of power grid

由图5可以看出，模拟优化方法使用后，电网的负载率没有发生较大的变化，较为稳定，不仅可以获得较好的配置方案，还可以在一定程度上控制电网的运行状态，保证电网的运行效果，对电网的负载能力进行高精度的控制。

3 结语

城市建筑对于电力系统的依赖性不断提升，为了避免突然断电对工作与生活的影响，提出了一种更加科学的基于模糊优化算法的电力应急电源设备自动化配置方法，应用模糊C-均值聚类方法，确定电力应急电源设备位置，设定成本目标函数，力求在当前研究结果的基础上，使建筑电力系统更加稳定，运行成本更低。