計及負荷精細化建模的主動配電網雙層規(guī)劃模型

顧曉文

摘 要：科學技術的發(fā)展迅速，現階段我國能源結構仍以不可再生的化石燃料資源為主，能源短缺和環(huán)境污染問題已成為燃眉之急。因此，低污染、靈活方便、高可靠性的DG（分布式電源）的有效推廣與利用受到了越來越多的關注。但傳統配電網受限于其被動控制方式，難以應對具有間歇性、波動性特征的分布式電源所帶來的一系列問題，無論是配電網規(guī)劃還是主動配電網規(guī)劃，截至目前，對配電網規(guī)劃的文獻大多集中在解決某些局部問題上。然而，未來主動配電網中必然存在較多的分布式能源，因此，對如何協調各類資源、實現資源的高效利用展開研究具有重要意義。通常配電網規(guī)劃多采用恒功率負荷模型，忽略了負荷的電壓靜特性。這類簡化處理方法無法精確表征不同類型負荷的真實需求，以恒定功率負荷作為配電網規(guī)劃的重要組成部分，提出合理的配電網規(guī)劃模型，但所涉及的負荷模型較為粗糙，導致系統分析結果過于樂觀或悲觀。因此在未來配電網規(guī)劃建模中有必要考慮負荷的電壓靜特性，便于規(guī)劃運行人員對負荷類型構成進行直觀掌控，通過數值方法進行快速求解。

關鍵詞：計及負荷精細化建模;主動配電網;雙層規(guī)劃模型

引言

面對世界性的能源和環(huán)境問題，僅靠增加電源和變電站建設投資來滿足迅速增長的電力需求的傳統電力規(guī)劃方式已凸現其不可持續(xù)性?；诰C合資源戰(zhàn)略規(guī)劃理論，從全社會角度，考慮光伏電源和可中斷負荷為代表的廣義電源，建立了主動配電網區(qū)域能源擴展優(yōu)化的雙層規(guī)劃模型。上層規(guī)劃以廣義電源的建設、發(fā)電和污染治理的總成本最低為目標，優(yōu)化各類電源裝機容量;下層規(guī)劃以網損最小為目標，為廣義電源選址定容。最后結合單純形法和改進PSO算法進行求解。

1雙層規(guī)劃框架

“源-荷-儲”協調規(guī)劃問題涉及到規(guī)劃及運行兩方面，是一個多層嵌套問題：DG和ESS的配置容量會影響到運行時的電網損耗，該影響體現在DG和ESS的配置容量代表了其功率的可調范圍;反過來，年網損費用也會影響到DG和ESS的配置，該影響體現在年網損費用是配置DG和ESS容量時目標函數的一部分。本文根據多層優(yōu)化理論，基于分解協調的思想，建立綜合考慮“源-荷-儲”協調的雙層規(guī)劃模型。在上層規(guī)劃中實現年綜合費用最小化，下層協調運行規(guī)劃中實現年網損費用最小化。年綜合費用包含DG及ESS的年投資費用和年維護費用、DR年成本和電網年網損費用。因此，上層規(guī)劃中將年綜合費用最小作為目標函數，將DG及ESS在候選安裝位置的安裝容量作為優(yōu)化變量，DG及ESS的最大安裝容量作為約束條件;下層規(guī)劃將年網損費用最小作為目標函數，DG、ESS及可中斷負荷的功率作為優(yōu)化變量，潮流方程、節(jié)點電壓、線路電流、ESS及DG的運行、可中斷負荷的中斷量作為約束條件。上層規(guī)劃中的DG及ESS的規(guī)劃方案用于計算下層規(guī)劃的目標函數，并將對應每個時段的系統網損、DG、ESS、可中斷負荷、運行狀態(tài)等返回上層規(guī)劃，用于準確計算上層目標函數，最終得出DG、ESS的最優(yōu)規(guī)劃方案，以及DG、ESS、可中斷負荷的最優(yōu)運行策略。

2基于IRSP的主動配電網區(qū)域能源擴展雙層規(guī)劃模型

雙層規(guī)劃是一種具有二層遞階結構的系統優(yōu)化問題，上層規(guī)劃和下層規(guī)劃分別都有各自的目標函數和約束條件，通過上下層間的優(yōu)化迭代最終求得全局最優(yōu)解。本文提出基于IRSP的主動配電網區(qū)域能源擴展雙層規(guī)劃模型，上層模型規(guī)劃宏觀總量層面的區(qū)域能源配置方案，下層模型規(guī)劃微觀運行層面的各類電源選址定容及系統優(yōu)化運行的方案。首先，上層規(guī)劃將各類電源的規(guī)劃容量傳遞給下層規(guī)劃，下層規(guī)劃在此基礎上以系統運行網損最小為目標，模擬系統運行情況，優(yōu)化各類電源在待選節(jié)點上的安裝容量，并將最小網損結果返回給上層規(guī)劃;然后，上層規(guī)劃基于該結果修正各類電源隨發(fā)電利用小時變化的單位容量IRSP綜合成本曲線，再次優(yōu)化電源規(guī)劃容量;最終，通過上下層規(guī)劃迭代，求解得到全社會成本最小的IRSP區(qū)域能源擴展規(guī)劃方案。

3 ADN規(guī)劃研究與方案對比分析

針對所提的模型和算法，分3種場景進一步進行規(guī)劃研究。Case1考慮上一小節(jié)所示的計及風光儲與充電站的協同規(guī)劃;Case2不考慮充電站的規(guī)劃，將EV充電需求平均分配給各個充電站;Case3不考慮DG的儲能優(yōu)化策略?；诓煌囊?guī)劃思路進行仿真計算，得到3組場景對應的最優(yōu)折中解分別為方案I、方案II和方案III。（1）基于所提的綜合協同規(guī)劃，方案I將支路4、8、10、12、13、15～18、21、23～25、28、29、31、33、36升級為線型1;將支路1～3、7、11、14、30、32、34、37升級為線型2;新建線路編號為39、43、45、46、49、50、56、59、60。WG節(jié)點25和28安裝30kW，PV節(jié)點11和18安裝10kW，同時在節(jié)點25安裝風儲能設備。EV充電站的建站位置選在節(jié)點4、6、12，對應的充入容量為240.6kW、200.5kW和160.4kW。該方案總成本為5769.4萬元，電壓質量指標為0.168。其中，投資、運維和購電成本分別為679.3萬元、269.2萬元、4820.9萬元;（2）方案II將支路10～15、17、20～22、24、27、29、30、35、37升級為線型1;將支路1～4、6、7、23、25、28、36升級為線型2;新建線路編號為39、43、45、46、48～50、57、59、60。WG節(jié)點22和25分別安裝60kW、20kW，同時在節(jié)點22安裝風儲能設備。EV充電站的建站位置選在節(jié)點4、6、12、19、28，對應的充入容量均為120.3kW。該方案總成本為5792.4萬元，電壓質量指標為0.151。其中，投資、運維和購電成本分別為708.2萬元、270.3萬元、4814萬元;（3）方案III將支路2、5、8、9、13、15、16、18、23、24、28、29、31、34、36升級為線型1;將支路1、3、4、7、12、14、21、22、30、35、37升級為線型2;新建線路編號為39、43、45、46、49、50、56、57、59、60。WG節(jié)點22、25和28分別安裝50kW、130kW、40kW，PV節(jié)點31安裝30kW。EV充電站的建站位置選在節(jié)點4、12、28，對應的充入容量分別為240.6kW、200.5kW和160.4kW。該方案總成本為6056.2萬元，電壓質量指標為0.3176。其中，投資、運維和購電成本分別為1060.2萬元、280萬元、4716萬元。雖然其增加了儲能投資成本，但儲能協調優(yōu)化策略可以在負荷低谷期儲存過剩的DG出力，并在負荷高峰期進行釋放，大大提高了DG的利用率。當規(guī)劃的總負荷需求固定時，其可以有效降低DG的投資成本和運維成本。

結語

通過投資運行耦合關聯和線性化等值處理，將其轉化為混合整數二階錐規(guī)劃模型進行求解，結果表明采用負荷的精細化模型，能為主動配電網協同規(guī)劃提供一定的參考。同時，系統電壓更趨于穩(wěn)定，提高配電網系統的供電可靠性，使得上下層相互影響作用，得到更優(yōu)的規(guī)劃方案，滿足規(guī)劃要求。此外通過對上下層變量關聯建模和線性等值處理，引入二階錐松弛，將原模型轉化為單層混合整數線性規(guī)劃，大大提高了求解速度和計算精度。

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