计及配网有功无功协调运行优化的SST规划方法实践

王洛群

中国电建集团核电工程有限公司 山东 济南 250100

1 配网有功无功协调优化研究

现阶段，在对配网发展情况进行分析时，可以确定有功功率与无功功率的耦合性比较强，而电压分布效果受有功功率的影响比较大。近些年来，很多研究人员在对有功无功协调优化方法进行分析时，除了考虑主动配电网系统的分布式电源之外，还对一些可调控资源的作用进行了分析。分布式电源与可调控资源都能够保证配网的安全性与经济效益，具有重要的应用价值[1]。除此之外，在配网有功无功协调优化研究中，还要对市场电价进行考虑。研究两阶段日前优化调度模型，其中第一阶段为日前调优化调度，可以以次日负荷需求、电价预测为基础开展调度优化工作。在这一分析中需要对市场电价、高比例分布式电源（DG）运行成本、可中断负荷价格等进行充分考虑，才能够保证DG机组组合、主网购电量、用户签订的可中断负荷合同科学有效。第二阶段的主要内容为无功优化，需要完成DG优化，并利用无功补偿装置处理，防止电压越限。在对有功无功协调优化调度方法进行分析时，还可以提出不同时间尺度条件中，对分布式电源进行协调控制的相关方案，在长时间尺度下可以建立主动配电网全局优化控制模型；短时间尺度下要对功率控制误差进行考虑，确保主动配网区域资质控制算法应用效果。

通过研究有功无功协调优化算法，可以确定目前在配网协调优化中，利用人工智能算法可以降低优化调度难度，并且人工智能算法的实现方式比较简单，并且具有较强的适用性，在使用过程中对初始调节并不敏感。但是在人工智能算法应用过程中很容易陷入局部最优解，因此，需要进行多次计算才能够获取最优方案。因为在使用过程中需要完成反复迭代，会影响计算效率。在数学优化方法应用过程中，可以确保获取的问题解为最优解，计算精度也比较高，但是计算的整体时间比较长，适合在小规模配电网优化问题解决过程中进行应用。在网络规模不断增加的同时，计算数据会越来越多，直接影响算法求解效率和速度。

在开展主动配电网有功无功协调优化时，其与单一的无功优化研究相比，可以增加可调控资源，有利于提高优化模型的完善性。但是优化模型也会更加复杂，优化难度会更大。除此之外，在配电网系统中进入可再生资源后，为了保证有序发电，并在最大程度上对分布式能源进行充分应用，对可控资源的功率调节能力有较高要求，需要在最大程度上确保分布式电源的稳定性，对不稳定性因素进行合理控制，防止出现电压大幅度波动问题。这样才能够保证配电系统的安全性以及稳定性，这也是主动配网调度优化过程中必须重视的重要问题[2]。

2 计及配网有功无功协调运行优化的SST规划的作用

现阶段，在高比例分布式电源（DG）不断发展的过程中，配电系统朝着清洁能源方向转变，但是为了提高分布式能源的综合利用效率，保证系统的柔性调控能力，需要加强计及配网有功无功协调运行优化研究，并对在配网有功无功协调过程中的SST规划工作进行深入探索。固态变压器SST作为可以利用全控型电力电子器件，能够完成能量管理和功率控制。在应用过程中交流和直流端口比较多，方便接入DG，保证组网方式的灵活性，此外，还可以有效调节电压、开展无功补偿以及潮流控制等工作，可以有效解决在DG接入配网后产生的很多问题。

现阶段，在SST研究过程中主要研究拓扑结构的物理模型以及相关的控制方法，对SST在配网系统运行规划问题的研究比较少。在对SST规划方法进行研究时，以传统配电网为基础，构建SST稳态运行模型，还可以将其与有载调压变压器进行对比，发现SST在主动配电网开展无功调节方面具有突出的作用。在对SST控制方法进行研究时，仅仅对其在外在特性进行分析，可以构建以SST为基础的无功优化模型。而以电压偏移最小作为目标的功率与电压协调控制方法也是SST规划应用过程中的主要方法之一。此外，对SST协调配网有关运行优化问题进行充分考虑，可以提出含有SST的优化调度方案，在方案中需要完成交直流系统调度优化。这些研究可以证明SST在配网运行控制过程中，可以发挥调节潮流与无功补偿作用。

但是目前在对SST进行规划应用时，仅仅为系统有关资源的协调运行，与输电网本身存在一定区别。配电线网的有功无功耦合比较强，会忽略无功运行，单纯研究SST在配网协调过程中有功协调工作。这一分析并不全面，为了发挥SST在配网有功无功运行协调与优化过程中参与价值，需要对系统的有功无功协调运行进行统筹分析，精准掌握SST运行调控方法，为系统柔性调节能力提供有效保障。此外，全面分析SST电能调节作用，加强配网系统运行中有功无功资源调配管理工作，才能够实现配电网运行的整体效益。除此之外，SST投资成本比较高也决定了在SST规划过程中必须要加强全面分析和研究工作，确保SST规划方案满足配网运行中有功无功优化需求。但是目前在对SST规划方案进行分析时，大多数研究人员并不重视系统运行优化问题，仅仅是开展单层规划模型设计，在这一背景下，分析SST规划方案的有效性时可能存在一些不足，无法全面掌握SST规划方案在改善线路过载和电压过低方面的价值。这一模型在应用过程中忽视了SST高成本产生的经济问题，不能充分发挥SST在规划过程中的经济性效益，也没有深入探索SST规划方法对规划结果与运行优化耦合关系的影响。这一单层求解规划模型会对SST规划方法的合理性产生限制。因此，需要根据SST规划方法的研究情况，完成规划方法双层模型分析。

3 SST规划方法分析

3.1 上层规划模型分析

在上层规划模型研究过程中，在本文SST规划方法设计过程中，需要准确掌握SST的安装位置、规划容量，此外，还要综合考虑不同时段下应用场景不同时，配电网有功无功最优状态。在上层规划模型设计过程中，需要将年综合费用控制在最小值作为目标函数，其中主要参数包括SST等年值投资成本、年运维成本、环境效益以及配电网年运行成本等。

3.2 下层规划模型分析

在下层规划模型设计时，其与双层传递的SST规划设计模型存在一定差别。下层模型的主要目的是完成系统优化，保证有功无功资源能够协调运行。在具体的设计中需要将配电网日运行成本最小作为主要设计目标。

3.3 混合算法分析

在差分混合算法应用过程中，应用的算法为差分入侵杂草算法。在该算法使用过程中，需要综合入侵杂草算法、差分进化算法各自优点，可以发挥入侵杂草算法结构相对简单、鲁棒性比较强的优势，同时能够利用差分进化算法防止陷入局部最优。在解决非线性多元优化问题时，差分入侵杂草算法的应用相对普遍。在此次研究过程中主要是以待安装的SST节点位置和容量为基础完成上层优化，下层设计需要将上层选择的配置方案作为基础，确保上下层设计之间的配合度，保证配网有功无功运行协调进行，获取最优解。之后上下层迭代求解，可以获取最优结果下的最优SST规划方案。

为了尽可能缩短在模型设计中的时间，可以利用主从式并行计算架构，在该架构使用中，要准确掌握主处理器功能，加强双层模型流程控制作业。先进行上层杂草初始化处理，然后发送到两个子处理器。应用场景不同的情况需要先完成下层运行最优解计算，并将获取的结果及时反馈到上层结构，准确计算年综合费用，确保上层迭代优化效果[3]。

4 仿真模型分析

完成模型设计工作后，需要设置如下4种仿真规划方案进行模拟：方案1，为了保证SST协调配电网单有功资源运行优化效果，需要完成SST双层规划设计；方案2，为了保证SST协调配电网单无功资源优化效果，需要完成SST双层规划设计；方案3，SST协调配电网有功无功资源运行优化，对SST进行单层规划设计；方案4，分析SST协调配电网有功无功资源运行优化目标后，完成SST双层规划工作。

在具体的仿真设计过程中，所有的成本为等年率值，在完成仿真模型分析后，可以获取以下结论：

在对比研究不同的SST协调有功无功运行方案时，需要先对方案1、2、4在运行中的具体效果和成本进行统计。主要研究利用SST协调配电网完成有功无功资源优化后，对规划模型的影响。可以确定方案4的年综合费用比方案1的年综合费用低91.1k$，比方案2的年综合费用低21.8k$。这代表在开展SST配网有功无功优化方案设计工作时，利用双层规划设计可以提高规划结果的经济效益。而与方案1和方案2相比，方案4配电网年运行成本可以降低大约78。34k$和28.1k$，这进一步证明了SST配网可以协调有功无功优化资源运行，大大减少配网运行成本，并且可以提高SST规划结果的可靠性，降低整个系统在运行过程中的经济成本。

在整体规划结果中，SST接入系统的连接方式为中低压双交流系统，可以取代传统配电变压器与中压交流以及低压直流系统进行连接，实现了无功调节，经济效益突出。在方案1中网损成本最小。因此，SST的无功调节能力比较强，能够大大减少系统损益。方案1、方案4的主网购电成本比较小，方案2的相关成本较大，主要是因为在方案2设计过程中，没有充分考虑系统中DG、储能系统、柔性负荷在有功调节方面的需求，如果仅仅利用主网购电对系统有功资源进行平衡，会影响购电成本。方案4的总体运行成本比方案1更佳，说明在SST规划方法设计过程中，对系统有功无功资源进行优化调节，可以保证配电网系统的经济性，获取更优规划方案。

对方案1、方案2和方案4的日运行成本进行分析。发现如果单纯考虑单有功或者单无功运行，方案4在有功无功资源协调方面有积极优势，并且在高峰时段运行时可以对配网资源进行综合协调。这代表SST协调配网中有功无功运行对DG、柔性负荷产生的波动问题可以有效解决，有助于控制配电网系统成本。

对4个方案发出的无功功率进行分析，方案4输出的无功功率最低，而方案1发出的无功功率最多，说明SST规划方法在有功无功协调运行过程中对提高系统的潮流控制能力以及电压调节能力有积极作用，同时可以控制SST无功补偿压力。为了对SST在协调配电网中的有功无功优化进行验证，需要了解有功无功优化对电压质量的影响。在研究过程中需要了解系统节点电压的具体分布情况，选择电压最低的节点，证实了优化设计的SST联合系统在有功无功运行时，在峰、平、谷可以有效改善电压偏差问题，从而缓解DG以及负荷波动产生的不良冲击，峰时段的优化效果比较突出[4]。

5 结束语

总而言之，在此次研究过程中，为了保证计及配电网有功无功运行优化效果，需要对投资成本、运行成本以及环境效益等进行充分考虑，才能够构建优化水平比较高的SST模型。在具体的设计过程中需要完成SST规划模型上层设计、下层设计以及算法分析工作，掌握协调主动配电网有功无功协调对SST规划产生的具体影响。之后通过不同方案模拟仿真实验，可以获取以下结论：①与单方面考虑有功/无功运行和单层规划方法相比，SST规划方法的经济性以及安全性更加突出。②为了获取更加合理的S ST规划方案，按照中低压双交流系统进行连接，可以获取良好的无功调节效果以及经济效益。而以多端口为基础设计的SST可以根据具体情况科学选择接入节点、控制模式，这对提高SST规划效果有积极作用。