基于機會約束規(guī)劃的增量配電網(wǎng)接入規(guī)劃

白忠彬

(福建省配電售電有限責任公司，福建省 福州市 350001)

0 引言

在新一輪電力改革背景下，我國穩(wěn)步推進售電側改革，逐步向市場放開售配電業(yè)務，推動了增量配電網(wǎng)的快速發(fā)展，提高了主體電網(wǎng)的運營效率[1-3]。在源、荷不確定因素的影響下，如何優(yōu)化增量配電網(wǎng)接入主體電網(wǎng)的接入點，這一問題亟待解決。

增量配電網(wǎng)內(nèi)部眾多新元素的引入，如可再生能源、電化學儲能等，將對增量配電網(wǎng)的接入規(guī)劃產(chǎn)生較大影響。分布式清潔能源呈現(xiàn)出的隨機性與間歇性，給主體電網(wǎng)的電能質(zhì)量與運行經(jīng)濟性帶來巨大壓力[4-5]。文獻[6]兼顧了新能源接入的投資與運行費用，提出了分布式電源接入微網(wǎng)的優(yōu)化方法;文獻[7]計及分布式光伏接入配電網(wǎng)下對主體電網(wǎng)的影響，并研究了典型場景下不同接入方式的電壓合格率。

為了保證增量配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)供電穩(wěn)定性，提高清潔能源的消納率，需要配置一定的儲能系統(tǒng)[8-10]。文獻[11]綜合考慮了供電可靠性與穩(wěn)定性，兼顧了投資、運維成本，優(yōu)化分布式清潔能源與儲能接入配電網(wǎng)的接入方案。

然而，上述文獻一方面未能充分考慮源、荷的不確定性，而機會約束規(guī)劃則能描述這一不確定性，約束不確定性不利條件下的決策在一定程度上不滿足約束條件，即約束條件成立的概率不低于某一置信水平，使得約束條件具有一定的彈性;另一方面，目前的分布式電源與儲能系統(tǒng)作為獨立節(jié)點接入，增量配電網(wǎng)接入規(guī)劃的研究尚且不完善。如何應用機會約束規(guī)劃描述增量配電網(wǎng)中源、荷的不確定性，并進一步構建增量配電網(wǎng)的接入規(guī)劃與主體電網(wǎng)的評價模型，尚需深入研究。

本文提出一種基于機會約束規(guī)劃的增量配電網(wǎng)接入規(guī)劃研究方法。首先，綜合考慮增量配電網(wǎng)接入的輸電線路架設成本、供電可靠性、網(wǎng)損與電壓質(zhì)量，分別構建了增量配電網(wǎng)投資主體的接入規(guī)劃模型與主體電網(wǎng)對于接入方案的評價模型;其次，采用機會約束規(guī)劃刻畫分布式電源與負荷的不確定性，并對機會約束規(guī)劃中的不確定性進行線性化;最后，通過改進IEEE 33節(jié)點的仿真算例分析增量配電網(wǎng)與主體電網(wǎng)的接入點選擇，驗證方法的有效性。

1 增量配電網(wǎng)建模

1.1 分布式風電模型

在本文中，分布式風力發(fā)電為隨機變量，假設風電的實際出力由風電預測出力與預測偏差二者共同決定，則風力發(fā)電的出力為

式中:PW(t))分別為風電t時刻的實際功率與預測功率;N為t時刻風力發(fā)電預測偏差，一般認為其滿足均值為0的正態(tài)分布[12];eW(t)為風力發(fā)電正態(tài)分布的標準差。

1.2 儲能系統(tǒng)充放電模型

儲能系統(tǒng)作為優(yōu)質(zhì)調(diào)峰調(diào)頻資源，具有響應快、動作迅速的特點，通過調(diào)控儲能充放電行為，優(yōu)化增量配電網(wǎng)的運行。

儲能系統(tǒng)的充放電模型為

式中:E(t)為儲能t時刻的荷電量;Pcha(t)、Pdis(t)為t時刻充、放電功率;ηcha為充電效率;ηdis為放電效率;Δt為優(yōu)化時段，取為1 h。

1.3 電力負荷模型

電力負荷與風力發(fā)電均為隨機變量，電力負荷也是由電力負荷預測數(shù)據(jù)與預測偏差二者組成，即

式中:PL(t)分別為負荷t時刻的實際功率與預測功率;N為t時刻負荷需求預測偏差;eL(t)為負荷功率正態(tài)分布的標準差。

2 增量配電網(wǎng)接入評價指標

增量配電網(wǎng)規(guī)劃的目的是在滿足運行條件的基礎下，盡可能使得運行主體效益最優(yōu)化。本文從經(jīng)濟性、供電可靠性以及電壓質(zhì)量3個方面著手，構建增量配電網(wǎng)接入規(guī)劃模型與評價模型。

2.1 經(jīng)濟性

經(jīng)濟性包括新建線路全壽命周期凈年值[13]、增量配電網(wǎng)的網(wǎng)損成本以及主體配電網(wǎng)的損耗費用。新建線路運行損耗成本、新建線路的凈現(xiàn)值、新建線路的凈年值、增量配電網(wǎng)的網(wǎng)損成本以及整個配電網(wǎng)的總網(wǎng)損成本分別為

式中:CP(l)為第l條支路上的年網(wǎng)損;I(l，t)為第l條支路t時刻的電流;R(l)為第l條支路上的電阻;Ty為目標優(yōu)化時段，本算例中取為1年;pg為單位電能的價格;CNPV為新建線路的全壽命周期凈現(xiàn)值;CCI、CP(y)、CCM(y)、CCF(y)、CCD分別 為 接入支路初始投資成本、第y年的運行損耗成本、第y年的維護成本、第y年的檢修成本以及期末退役成本，其中年維護成本與年檢修成本均取為初始投資成本的1.5%;q為貼現(xiàn)率，取為6%;N為線路的最大生命周期，取為20年;CL為新建線路全壽命周期凈年值;CPZ為增量配電網(wǎng)的網(wǎng)損成本;CPC為主體配電網(wǎng)的損耗費用;NC為線路總數(shù)[14]。

2.2 供電可靠性

配電網(wǎng)的供電可靠性是研究配電網(wǎng)接入規(guī)劃與評價建模的基礎[15]。本文選取增量配電網(wǎng)缺額電費用CR作為增量配電網(wǎng)的可靠性評估，CR表達式為

式中:K為線路的供電可靠性系數(shù);P(t)為t時刻新建線路上的有功功率;psell(t)為t時刻的售電價格。

2.3 電壓質(zhì)量

本算例中選取電壓偏移量作為增量配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量評估指標[16]，增量配電網(wǎng)的電壓偏移的懲罰的表達式分別為

式中:Uj(t)為t時刻節(jié)點j的電壓為t時刻節(jié)點j的額定電壓;Nz為增量配電網(wǎng)的節(jié)點數(shù);pu為單位電壓偏移量的懲罰。

式中:CPC為增量配網(wǎng)接入下整個配電網(wǎng)的網(wǎng)損;CSC為增量配網(wǎng)接入下整個配電網(wǎng)電壓偏移的懲罰。

3.2 約束條件

(1) 潮流約束。

式中:Uj-max、Uj-min分別為節(jié)點j電壓的上、下限;α-、α+為支路電流的置信度，本算例中取為95%;Il-max、Il-min分別為支路l電流的上、下限。

(2) 節(jié)點功率平衡約束。

式中:Pi(t)、Qi(t)分別為t時刻節(jié)點i的有功功率與無功功率;Gij、Bij分 別為支路ij的電導與電納;θij為節(jié)點i和節(jié)點j電壓的相角差。

(3) 儲能運行約束。

3 增量配電網(wǎng)接入規(guī)劃與評價建模

3.1 目標函數(shù)

考慮不確定場景的情況下，研究并確定增量配網(wǎng)接入方法與評價方法，即增量配電網(wǎng)與主體電網(wǎng)的網(wǎng)架結構已確定的基礎上進行接入規(guī)劃。配電網(wǎng)接入規(guī)劃的目的是在滿足安全運行條件的基礎上，盡可能使得增量配電網(wǎng)的效益最優(yōu)化，接入評價的目的是針對不同接入方式下，主體電網(wǎng)運行效益的評估[17]。本文從經(jīng)濟性、供電可靠性以及電壓質(zhì)量3個方面建立增量配網(wǎng)的接入設計規(guī)劃模型，從經(jīng)濟性與電壓質(zhì)量2個方面建立主體電網(wǎng)對增量配網(wǎng)的接入設計評價模型。目標函數(shù)表達式分別為

式中:E(t)為儲能t時段荷電量;EN為儲能額定容量;γmax、γmin為荷電狀態(tài)的上、下限;Pcha-max、Pdis-max為充、放電功率的上限。

(4) 發(fā)電機組運行約束。

式中:PG-max、QG-max為火電機組出力上限;PW-max、QW-max為風電機組出力上限。

(5) 歐姆定律約束。

式中:rij、xij分別為線路i、j的阻抗、感抗;Pij(t)、Qij(t)、Iij(t)分別為t時刻的有功、無功以及電流。

3.3 機會約束規(guī)劃線性化

機會約束規(guī)劃公式可以通過線性化為

式中:NG、NW、NL分別為火電的機組數(shù)量、風電機組的數(shù)量與負荷的數(shù)量;ζG(n，l)、ζW(m，l)、ζL(r，l)分別為第n臺火電機組、第m臺風電機組與第r個負荷有功功率的變化對支路l電流的影響;βl(t)為t時刻支路l最大的過流概率[18]。

4 仿真分析

4.1 算例概括

本文采用IEEE 33節(jié)點作為主體電網(wǎng)，將一個含有風電、儲能的2節(jié)點作為增量配網(wǎng)，其結構如圖1所示。單位線路的投資成本為6萬元/km，單位長度導線的可靠運行概率為0.998，儲能系統(tǒng)的充、放電功率分別取為0.935與0.944。風電功率、負荷功率的預測曲線如圖2所示，主體電網(wǎng)平衡節(jié)點外負荷曲線如圖3所示，分時電價如表1所示。

表1 分時電價Table 1 Time of use electricity price of power grid

圖1 原始線路圖Fig.1 Original circuit diagram

圖2 增量配電網(wǎng)風電功率、負荷功率預測曲線Fig.2 Wind power and load forecasting curve of incremental distribution network

圖3 主體電網(wǎng)2—32節(jié)點負荷功率曲線Fig.3 Load curve of 2-32 nodes of main power grid

節(jié)點34、35為增量配電網(wǎng)節(jié)點，待選的接入位置并網(wǎng)線路數(shù)據(jù)如表2所示，單位長度電阻參數(shù)為0.666 88Ω/km，電抗參數(shù)為1.048 62Ω/km[19]。

表2 并網(wǎng)線路數(shù)據(jù)Table 2 Grid connected line data

4.2 結果分析

4.2.1 增量配電網(wǎng)接入規(guī)劃結果分析

增量配電網(wǎng)的接入設計優(yōu)化結果如表3所示，由表3可知:

表3 增量配電網(wǎng)的接入設計優(yōu)化結果Table 3 Optimization results of access of incremental distribution network 元

(1) 網(wǎng)損成本與線路的接入點相關，增量配電網(wǎng)從35節(jié)點接入的網(wǎng)損僅為34節(jié)點接入產(chǎn)生網(wǎng)損的22.70%，由于風電-負荷節(jié)點相較于荷-儲節(jié)點更能夠滿足自身的用電需求，節(jié)省了增量配網(wǎng)區(qū)域內(nèi)部功率傳輸所產(chǎn)生的電能損耗。

(2) 增量配電網(wǎng)運行穩(wěn)定性對于接入規(guī)劃的成本影響最小，增量配電網(wǎng)從35節(jié)點接入的電壓偏移量僅為34節(jié)點接入的42.03%。

本節(jié)算例得出的數(shù)據(jù)中，可以得出接入點為21、34所對應的成本是最小的，年成本為2 334.34元。但從增量配網(wǎng)損耗成本與電壓偏移角度來看，35節(jié)點中的儲能設施能夠優(yōu)化配網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。

4.2.2 主體電網(wǎng)接入評價結果分析

主體電網(wǎng)的接入設計評價結果如表4所示，由表4可知:

表4 主體電網(wǎng)的接入設計評價結果Table 4 Evaluation results of access design of main power grid元

(1) 主體電網(wǎng)的年網(wǎng)損費用占比較大，對于接入方案評價影響的占比高，當接入點選擇為19、35的年網(wǎng)損費用最低的，響應的年成本也是最低的。

(2) 主體電網(wǎng)的電壓偏移量懲罰成本同樣對接入方案的評價有較大的影響，當增量配網(wǎng)從22節(jié)點接入時，增量配電網(wǎng)中風電可以提高線路末端的電壓，避免線路末端節(jié)點電壓下降產(chǎn)生懲罰成本。

本節(jié)算例得出的數(shù)據(jù)中，可以得出接入點為19、35所對應的年成本是最小的，年成本為407 635.28元。但從增量配電網(wǎng)電壓偏移角度開看，增量配電網(wǎng)中的分布式電源與儲能設施能夠顯著優(yōu)化存量配電網(wǎng)末端的節(jié)點電壓。

5 結論

針對增量配電網(wǎng)的接入優(yōu)化設計與評價問題，綜合考慮了增量配電網(wǎng)接入電網(wǎng)的經(jīng)濟性、可靠性與穩(wěn)定性，兼顧了各類的約束條件，建立了基于機會約束規(guī)劃的增量配電網(wǎng)接入規(guī)劃模型與評價模型。通過機會約束規(guī)劃條件的線性化，得到不同接入點選擇下的經(jīng)濟性。通過仿真分析，得到以下結論:

(1) 對于增量配電網(wǎng)的投資用戶而言，選擇更接近主體電網(wǎng)的聯(lián)絡線接入能夠節(jié)約其線路架設成本的凈年值，提高其供電可靠性。

(2) 從主體電網(wǎng)的角度上來看，更期待增量配電網(wǎng)接入其配電網(wǎng)的末端提高其各個節(jié)點的電壓質(zhì)量，從靈活性資源較為豐富的含儲能節(jié)點接入，利用儲能的高效充、放電減少整個電網(wǎng)運行損耗。