程言宁
湖北工业大学 电气与电子工程学院 430068
摘要：本文采用鲁棒优化和遗传算法研究分析了含风电电力系统的输电网规划问题，在确保电网电能质量的前提下，以减少电网的运行费用为诉求进行了输电网规划。本文还结合了甘肃电网“十三五”规划的要求，研究了其三百三十千伏及以上电压等级的输电网的优化问题。
关键词：鲁棒优化；风电；输电网规划
引言
随着经济的快速发展，不可再生能源加倍消耗，导致了环境的不可逆污染问题，现下世界面临着情势异常严峻的挑战。为解决经济高效和可靠安全之间的矛盾，为平衡好能源使用和环境问题，必须努力地、踊跃地发展可再生能源，鼎力开发新能源。从而，各种含有新能源的系统规划应运而生，这其中含风电的电力系统的分析规划也被提上了日程。
1.含风电电力系统的输电网建模
中国的海岸线很长，占地面积大，风能资源丰富且容易获得，所以发展风力发电具有广阔的前景。在陆地和近海岸线处，可以开发利用的风能储备充足，如果可以充分利用这些能源，可以提供相当可观的电能。由于地形因素，风能是我国最容易获得也是最多的一种可再生能源，我国政府加强了对风力发电技术的发展。我国的风力发电产业已逐渐超过了世界上其他国家。关于风电机组的数学模型有这样几种：一是经济性模型。顾名思义，这种模型最根本的是经济性指标。以自然年为时间计量单位，考量为期一年的时间中包括了建设输电网的成本、输电网正常安全稳定工作的成本以及维修费用等等在内的一系列可能产生的费用，并预期其中的某一项、某几项甚至全部的成本取得极小值；二是可靠性模型。衡量评价输电网是否满足人们实际需求的一个很重要的标准就是停电的频率和每次停电时的时间长短。简而言之，是否停电也是判断输电网是否出现故障和衡量输电网工作可靠性最简单的方法。可靠性模型就以停电缺电造成的社会损失作为性能参数指标来进行分析研究；三是灵活性模型。由于社会各方面的发展日新月异，城市的建设也不断更新改变着原有的规划方案，因此，输电网所负担承载着的用电负荷以及用户数量很有可能在短时间内（或者三五年内）就会发生变化。如果一个输电网系统不具有良好的向外扩展延伸的性能，那么就不足以适应飞速发展的电力系统，存在的价值就极大地下降了，被社会淘汰也指日可待。
风速模型采用四分量法，即将风速分为基本风、阵风、渐变风和随机风四个分量。
1）基本风速。风力发电机能产生电能就是利用风力，所以风力在全部环节中都是不可缺少的。主导着用电端所得传送的电功率的大小的因素是风力电场的平均风速。风速可由风电场测风所得的 Weibull分布参数近似确定，即：
（为常数）
2）由于风速具有随机性，阵风主要用来模拟输电网动态稳定运行过程中的突发状况的。
3）对风速的渐变变化特性用渐变风来模拟。
4）为描述在指定相对高度上风速变化的随机特性，可用随机风速来模拟。
综上所述其数学模型为：。
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2.含风电电力系统的输电网整体运行分析
含风电电力系统的输电网在正常运行时处于并网运行模式，当某部分输电网出现故障时混合输电网将进入到孤岛运行模式。本文将分析两种并网运行模式和两种孤岛运行模式。并网运行模式一是混合输电网中的分布式电源传输的电能不仅可以满足本身的用电负荷所需的有功功率，还有一些多余电能时，这些多余的有功功率可以传送给配电网端。配电网为风力发电机组提供励磁无功功率，并为微电网中的无功负荷提供无功功率；并网运行模式二是 混合微电网中的分布式电源传输的电能连本身的用电负荷所需的有功功率都无法满足时，配电网可以拟补所缺有功功率。配电网为风力发电机组提供励磁无功功率，并为微电网中的无功负荷提供无功功率；孤岛运行模式一是储能系统进入蓄电模式时。此时风力发电，光伏发电，燃料电池所产生的电能足够用户使用，所以多余的电能来给蓄电池充电。以此风力发电系统励磁和微电网内部的无功功率都由蓄电池来提供；孤岛运行模式二是风力发电机组和光伏阵列所发有功功率小于负荷所需，此时储能系统进行放电，实现微电网内有功功率的平衡，同时储能系统为风力发电机组提供励磁无功功率，也为电网内部无功负荷提供所需无功功率。
3.鲁棒优化和遗传算法简介
鲁棒优化不同于多场景优化，区别就在于鲁棒优化属于精准型和确定型的优化方法，如果需要优化的数据不变，则采用鲁棒优化得到的规划结果也保持一致。利用鲁棒优化分析方法的重中之重就在于，确定恰当的随机因素范围，确保问题的可解性，在这个前提条件下对所要分析研究的问题采取模型重构。由于所要探求的含风电电力系统的输电网规划问题中，需要给出的规划结果能够抵御一定的随机因素的扰动，并在适当的合理范围内保持正常稳定运行，因此更适合利用鲁棒优化完成分析求解。
遗传算法有交叉和变异操作，通过复制、交叉、突变等过程，渐渐筛选掉解中适应度函数值较低的，从而提高适应度函数值较高的解所占的比例。GA既可以求全局最优解也可以求局部近似解，但是遗传算法并不保证一定能获得问题的最优解。遗传算法以通过维护一个潜在解的群体执行了多方向的搜索的方式，并进行了“数字化”的编码，支持这些方向上的信息的构成和交换。种群里面的个体就是这些数字化的编码。在之后的解码过程完成时，用目标函数（或者说用适应度函数）对每一个种群中的个体进行适应度的评估。一般说来，以面为单位的搜索往往比以点为单位的搜索更能够发现全局最优解。
4.有关甘肃省电网的“十三五”规划
我们使用遗传算法和鲁棒优化共同分析含风电电力系统的输电网规划问题。在MATLAB软件中采取遗传算法研究前文中已经建立的数学模型，初始化参数设置为：GA变异率是零点零五，GA交叉率是零点九，种群总数是二十，累计迭代次数是十。目标函数表达式为：
经过分析后我们发现，甘肃省由于地理位置特殊的原因，会造成投入的风力机组装机位置不会大范围的分散，而在甘肃省电网“十三五”规划方案中，需求的风力机组容量又相对多，这就必然导致输电支路的输送负担过重，从而必须增加架线来分担和缓解原有电网线路的输送压力。甘肃省现阶段负荷水平相对比较低，如果想要在二零二零年完成电网的“十三五”发展规划，就需要缓解某些节点和支路的电能输送压力，并且需要增加一定数目的输电线路以提高风力发电的消纳能力，需要增加一定的投入的建设费用。
5.结语
本文主要研究和分析了含风电的电力系统的输电网的规划课题，采用了鲁棒优化方法和遗传算法，希冀寻求到能够降低电力系统输电网建设成本的规划方案，并对甘肃省电网“十三五”期间的工作提出了建议。
参考文献：
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[2]丁浩，高峰，刘坤，等. 基于鲁棒优化的含风电工业微电网经济调度模型[J]. 电力系统自动化，2015（17）：160-167.
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论文作者:程言宁
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/23
标签：输电网论文; 电网论文; 电力系统论文; 风电论文; 功率论文; 风速论文; 电能论文; 《防护工程》2018年第15期论文;