考慮可靠性的交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架與分布式電源協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃

金國彬，劉玉龍，李國慶，辛業(yè)春，李 雙

考慮可靠性的交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架與分布式電源協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃

金國彬，劉玉龍，李國慶，辛業(yè)春，李 雙

(現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點實驗室(東北電力大學(xué))，吉林 吉林 132012)

含高比例分布式電源接入的交直流混合配電網(wǎng)是未來配電網(wǎng)發(fā)展的重要過渡形式，且隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對于配電網(wǎng)可靠性的要求越來越高。提出了一種考慮可靠性的交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架與分布式電源協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計方法。在場景構(gòu)建階段，該方法考慮了配電網(wǎng)中各分布式電源出力的相關(guān)性和時序性以及各負(fù)荷功率的時序性。在可靠性評估階段，針對交直流混合配電網(wǎng)的運行特點，建立了完善的同時考慮穩(wěn)態(tài)和故障運行下可靠性的綜合評估體系，通過建立各可靠性指標(biāo)間的聯(lián)系，客觀地將可靠性指標(biāo)與經(jīng)濟性指標(biāo)進行統(tǒng)一量綱處理。在優(yōu)化階段，對交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及分布式電源接入容量設(shè)計了雙層協(xié)同優(yōu)化策略。同時，建立了完備的線路故障抽樣模型。以修改的IEEE 33節(jié)點交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃算例驗證了所提方法的優(yōu)越性和有效性。

交直流混合配電網(wǎng)；可靠性；分布式電源；優(yōu)化規(guī)劃

0 引言

隨著清潔可再生能源的大力發(fā)展以及電力電子裝備的大量應(yīng)用，在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中，各種典型的直流類電源、負(fù)荷比例逐步增加，交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架形式逐步得到重視和發(fā)展[1-4]。而考慮可靠性的規(guī)劃設(shè)計，對于交直流混合配電網(wǎng)的改造和設(shè)計至關(guān)重要。國內(nèi)外學(xué)者對此展開了各種研究。

文獻[5-7]針對配電網(wǎng)網(wǎng)架與分布式電源(distributed generation, DG)的接入容量進行了雙層優(yōu)化設(shè)計。其中，文獻[5]分別從電網(wǎng)公司、電源供應(yīng)商和社會角度出發(fā)構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化模型，得到了電壓偏差最小、多主體利益最大化的優(yōu)化結(jié)果。文獻[6-7]通過概率潮流計算和多目標(biāo)粒子群算法，得到了電壓偏差最小、網(wǎng)損最低的優(yōu)化結(jié)果。但是，通常在允許范圍內(nèi)的電壓偏差不會對配電網(wǎng)的可靠運行產(chǎn)生直接影響。因此，以電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化規(guī)劃對提升配電網(wǎng)的可靠性作用有限。文獻[8-10]在規(guī)劃過程中考慮了故障下的可靠性約束條件，但并不能達到綜合經(jīng)濟性和可靠性的最優(yōu)結(jié)果。文獻[11-15]均考慮避免故障下的孤島以減少失負(fù)荷，從而有利于提高配電網(wǎng)運行的可靠性，但均沒有考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)供可能導(dǎo)致的節(jié)點電壓越限風(fēng)險。文獻[16]提出了通過最小割集法評價配電網(wǎng)可靠性的評估方法，但該方法只能從網(wǎng)絡(luò)連通性方面分析配電網(wǎng)的可靠性，不能充分考慮到配電網(wǎng)各源、荷單元的波動性。文獻[17-18]提出了不同的配電網(wǎng)運行越限風(fēng)險指標(biāo)用于評估配電網(wǎng)運行的可靠性。其中，文獻[17]通過層次分析法制定各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重，該方法需要提前確定各指標(biāo)間的相對重要程度。文獻[18]通過熵權(quán)法確定各指標(biāo)間的權(quán)重，該方法在本質(zhì)上默認(rèn)各指標(biāo)的重要度相同。文獻[19]將越限風(fēng)險指標(biāo)轉(zhuǎn)化為懲罰成本，綜合考慮經(jīng)濟性進行分布式光伏優(yōu)化規(guī)劃，但其懲罰成本的設(shè)定缺乏理論依據(jù)。

現(xiàn)有文獻所提配電網(wǎng)越限風(fēng)險指標(biāo)僅考慮了穩(wěn)態(tài)運行條件，且在評估綜合指標(biāo)時，各可靠性指標(biāo)(電壓越限風(fēng)險指標(biāo)、支路越限風(fēng)險指標(biāo)及失負(fù)荷指標(biāo))的定權(quán)重方法都存在很大程度上的主觀性。在評估電壓越限風(fēng)險時，現(xiàn)有文獻將各節(jié)點的電壓越限風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重設(shè)置為等權(quán)重，忽略了節(jié)點中連接負(fù)荷的負(fù)荷量和負(fù)荷重要度，不能在評價體系中體現(xiàn)出不同節(jié)點的重要程度差異。

通常，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的規(guī)劃秉持“閉環(huán)設(shè)計，開環(huán)運行”的原則[20]。這種開環(huán)運行的輻射網(wǎng)在接入光伏(photovoltaic generation, PV)、風(fēng)機(wind turbine generation, WT)等出力不確定的DG后，在DG出力大且輕負(fù)載時段可能會出現(xiàn)末端電壓升高甚至越上限以及功率倒送的情況；在DG出力小且重負(fù)載時段可能會出現(xiàn)網(wǎng)損嚴(yán)重，末端電壓降低甚至越下限的情況[21]。這是由輻射狀配電網(wǎng)的供電路徑單一、潮流方向單一的運行特點所導(dǎo)致的。根據(jù)《交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計指導(dǎo)原則》(Q/GDW 11722—2017)：中壓交直流混合配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以設(shè)計為環(huán)型，從而使得供電路徑更加靈活，很大程度上降低了配電網(wǎng)電壓越限的概率。

此外，環(huán)型運行狀態(tài)的交直流混合配電網(wǎng)在發(fā)生-1故障時不會出現(xiàn)孤島而出現(xiàn)直接失負(fù)荷，但依然可能由于轉(zhuǎn)供路徑過長而導(dǎo)致部分節(jié)點電壓過低，或者由于轉(zhuǎn)供路線單一導(dǎo)致部分潮流超上限，從而產(chǎn)生失負(fù)荷風(fēng)險。因此，有必要將-1故障時的越限指標(biāo)納入目標(biāo)函數(shù)對網(wǎng)架進行優(yōu)化，從而提高配電網(wǎng)在-1故障下的供電可靠性。

在DG接入位置確定的情況下，各DG的接入容量會影響配電網(wǎng)各區(qū)域的源荷匹配率，進而影響配電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)和故障運行下的可靠性。因此，合理的DG接入容量規(guī)劃也對配電網(wǎng)的可靠性有重要意義。

通常，配電網(wǎng)的故障集合中存在一些比較極端的故障場景，這些場景出現(xiàn)概率相對很小，而如果令優(yōu)化過程在滿足這些極端故障場景下的可靠性約束下進行，其優(yōu)化結(jié)果會過于保守，很大程度上犧牲了經(jīng)濟性。而且在實際運行中，仍可以通過各調(diào)度單元的調(diào)度使配電網(wǎng)的可靠性達到要求。因此，在規(guī)劃階段，將可靠性作為指標(biāo)，綜合考慮經(jīng)濟性和可靠性的優(yōu)化規(guī)劃更具有實際意義。

針對交直流混合配電網(wǎng)的運行特點，本文建立了一種交直流混合配電網(wǎng)可靠性評估體系，該評估體系綜合考慮了正常穩(wěn)態(tài)運行和故障運行的可靠性指標(biāo)，并對節(jié)點電壓越限指標(biāo)的權(quán)重做了進一步細化，從而在優(yōu)化規(guī)劃過程中優(yōu)先保障最大量的最重要負(fù)荷的供電可靠性。并且，本文通過遞歸調(diào)用可靠性評估函數(shù)，分析越限支路故障對配電網(wǎng)造成的進一步影響，客觀建立了支路越限功率指標(biāo)和節(jié)點電壓越限指標(biāo)、失負(fù)荷指標(biāo)之間的關(guān)系，再通過懲罰成本的形式將可靠性指標(biāo)和經(jīng)濟性指標(biāo)統(tǒng)一量級，構(gòu)造了考慮可靠性和經(jīng)濟性的目標(biāo)函數(shù)，很大程度上避免了各項指標(biāo)間在定權(quán)重上的主觀性。

此外，本文在場景構(gòu)造階段考慮了同一配電網(wǎng)中的各單元功率之間的相關(guān)性，并考慮了同一節(jié)點可能接入不同重要等級負(fù)荷的工程實際，從而提高了本文所提方法在實際工程中的廣泛適用性。

1 配電網(wǎng)運行場景構(gòu)建

1.1 DG出力建模

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，配電網(wǎng)中的DG出力具有時序性特點：各DG出力的概率分布參數(shù)在不同時段具有較大的差異性，且在同一配電網(wǎng)中，光照強度、風(fēng)速之間一般具有一定的負(fù)相關(guān)性；不同地點的光照強度和風(fēng)速一般具有正相關(guān)性。為了更好地模擬實際配電網(wǎng)中的DG出力場景，本文基于Nataf變換生成了符合同一配電網(wǎng)中光照強度和風(fēng)速相關(guān)性的光照強度樣本和風(fēng)速樣本[22]。

1.1.1 PV出力模型

光伏的輸出功率取決于光照強度，短時間內(nèi)光照強度變化規(guī)律可由Beta 分布表示，不同日期相同時段的光照強度服從相同參數(shù)的Beta分布，不同時段具有數(shù)值不同的形狀參數(shù)。圖1為不同時段的PV出力形狀參數(shù)。

圖1 不同時段的PV出力形狀參數(shù)

參照文獻[23]，不同日期相同時段的PV輸出功率概率模型如式(1)所示。

1.1.2 WT出力模型

WT的輸出功率取決于風(fēng)速，短時間內(nèi)風(fēng)速變化可由威布爾分布描述，不同日期相同時段的風(fēng)速服從相同參數(shù)的威布爾分布，不同時段具有數(shù)值不同的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。圖2所示為不同時段的WT出力分布參數(shù)。

圖2 不同時段的WT出力分布參數(shù)

參考文獻[24]，不同日期相同時段的WT輸出功率概率模型如式(2)和式(3)所示。

1.2 負(fù)荷功率模型

式中：為負(fù)荷功率；和分別為負(fù)荷功率期望值和方差。

1.3 支路故障抽樣模型

線路的故障抽樣是通過式(5)所示的抽樣表達式得到線路的運行狀態(tài)(故障與正常運行)[25]，從而得到線路故障與運行時間序列，如圖4所示。該支路故障抽樣模型能夠體現(xiàn)出線路運行狀態(tài)的隨機性，并且在實際工況中可以根據(jù)各線路的老化情況設(shè)定表達式參數(shù)值，調(diào)整各條線路的故障頻率。

式中：和分別為支路的運行時段和故障時段；和分別為支路的故障率和修復(fù)率；為(0,1)內(nèi)的隨機數(shù)。

2 交直流混合配電網(wǎng)可靠性評估

2.1 交直流混合配電網(wǎng)可靠性評估體系

本文所提配電網(wǎng)可靠性評估體系不僅模擬了配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行下各種場景的越限指標(biāo)，還通過模擬配電網(wǎng)各條線路發(fā)生故障的工況對配電網(wǎng)的影響來評估配電網(wǎng)在各種故障工況下的供電可靠性，通過將負(fù)荷節(jié)點進行分類能夠定性分析出各個節(jié)點的運行狀態(tài)，為后續(xù)的配電網(wǎng)的定量可靠性評估奠定基礎(chǔ)。所提可靠性評估體系如圖5所示。

圖5 可靠性評估體系

首先，將配電網(wǎng)發(fā)生故障后的所有負(fù)荷節(jié)點分為3類。第1類節(jié)點：與上級電網(wǎng)連接的負(fù)荷節(jié)點；第2類節(jié)點：不與上級電網(wǎng)連接但與分布式電源連接的負(fù)荷節(jié)點；第3類節(jié)點：既不與上級電網(wǎng)連接也不與分布式電源連接的負(fù)荷節(jié)點。其中，第2類節(jié)點構(gòu)成含分布式電源孤島，第3類節(jié)點構(gòu)成無源孤島。然后，通過潮流計算來評估第一類負(fù)荷節(jié)點區(qū)域的風(fēng)險越限指標(biāo)，根據(jù)節(jié)點重要度倒序?qū)Φ?類節(jié)點進行切負(fù)荷直至孤島內(nèi)滿足功率平衡約束，對于第3類負(fù)荷節(jié)點直接切負(fù)荷。

本文的可靠性指標(biāo)綜合考慮了交直流混合配電網(wǎng)在正常運行狀態(tài)下越限風(fēng)險指標(biāo)和故障運行狀態(tài)下的失負(fù)荷指標(biāo)與越限風(fēng)險指標(biāo)，既有利于提高配電網(wǎng)在正常穩(wěn)態(tài)運行時的可靠性，又能兼顧提高配電網(wǎng)發(fā)生故障時的可靠性，從而從整體上綜合提高交直流混合配電網(wǎng)的可靠性。

2.2 越限風(fēng)險指標(biāo)

2.2.1電壓越限風(fēng)險指標(biāo)

在配電網(wǎng)中，節(jié)點電壓的越限指標(biāo)直接關(guān)系到配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，圖6所示為節(jié)點電壓與其越限嚴(yán)重度之間的關(guān)系，節(jié)點的電壓越限嚴(yán)重度越高，失負(fù)荷風(fēng)險越大。本文將節(jié)點電壓越限嚴(yán)重度作為失負(fù)荷風(fēng)險系數(shù)，根據(jù)式(6)—式(10)得到電壓越限風(fēng)險懲罰成本。

圖6 節(jié)點電壓與其越限嚴(yán)重度之間的關(guān)系

(8)

為了優(yōu)化保障最大量最重要負(fù)荷的用電可靠性，本文將各節(jié)點電壓越限指標(biāo)的權(quán)重依據(jù)各節(jié)點的重要度進行設(shè)置，即重要度越高的負(fù)荷節(jié)點獲得更大的權(quán)重。節(jié)點重要度既取決于節(jié)點接入負(fù)荷的負(fù)荷等級，也取決于節(jié)點接入負(fù)荷的負(fù)荷量。同時，考慮到配電網(wǎng)中單個節(jié)點可能接入不同重要等級負(fù)荷的工程實際，本文將節(jié)點接入的各級負(fù)荷的負(fù)荷重要等級與負(fù)荷量乘積的累加和作為各節(jié)點電壓越限指標(biāo)的權(quán)重，如式(10)所示。

2.2.2功率越限風(fēng)險指標(biāo)

當(dāng)配電網(wǎng)的支路有功功率接近上限甚至越限時，可能會導(dǎo)致線路過電流和過負(fù)荷保護裝置動作。因此，支路有功功率越限的嚴(yán)重度越高，線路的停運概率越大，而越限支路停運又可能進一步導(dǎo)致其他支路有功功率越限、其他節(jié)點電壓越限和失負(fù)荷情況，此時需要再次根據(jù)本文所提的可靠性評估體系對越限支路停運后的配電網(wǎng)進行可靠性分析，得到越限支路停運后的電壓越限懲罰成本和失負(fù)荷懲罰成本，并以支路停運風(fēng)險作為懲罰成本系數(shù)與越限支路停運后的懲罰成本相乘，最后疊加到支路越限懲罰成本中。

本文將支路功率越限嚴(yán)重度作為支路停運風(fēng)險系數(shù)，再通過遞歸調(diào)用可靠性評估函數(shù)分析越限支路停運后的配電網(wǎng)可靠性，遞歸調(diào)用可靠性評估體系的終止條件為配電網(wǎng)中不再出現(xiàn)越限支路，最后將各層遞歸調(diào)用得到的懲罰成本疊加得到支路越限懲罰成本，從而將支路功率越限與其故障后導(dǎo)致的各節(jié)點越限或失負(fù)荷聯(lián)系起來。支路功率和越限嚴(yán)重度之間的關(guān)系如圖7所示，支路越限懲罰成本計算如式(11)—式(16)所示。

圖7 支路功率和越限嚴(yán)重度之間關(guān)系

2.3 失負(fù)荷指標(biāo)

各負(fù)荷點的失負(fù)荷指標(biāo)如式(17)所示。

年失負(fù)荷懲罰成本如式(18)所示。

3 交直流混合配電網(wǎng)雙層優(yōu)化模型

3.1 雙層協(xié)同優(yōu)化方法

交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化適合采用二進制粒子群算法進行求解；而DG接入容量優(yōu)化適合采用十進制粒子群算法進行求解。考慮到網(wǎng)架優(yōu)化和分布式電源優(yōu)化之間存在相互影響，同時，將兩種類型的變量統(tǒng)一進行編碼非常復(fù)雜繁瑣。因此，為了得到最優(yōu)的網(wǎng)架優(yōu)化與分布式電源優(yōu)化的組合方案，本文采用雙層規(guī)劃模型交替迭代的方式對優(yōu)化規(guī)劃模型進行求解。當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在迭代過程中不再更新，且兩次迭代的目標(biāo)函數(shù)值偏差小于設(shè)定閾值，則滿足收斂條件，輸出迭代過程中最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與DG接入容量組合方案。雙層協(xié)同優(yōu)化流程如圖8所示。

圖8 雙層協(xié)同優(yōu)化流程圖

在雙層協(xié)同優(yōu)化中，上層模型以網(wǎng)架擴增方案為優(yōu)化變量，通過二進制粒子群算法進行優(yōu)化；下層模型以DG接入容量為優(yōu)化變量，通過十進制粒子群算法進行優(yōu)化。通過雙層模型的交替迭代求解得到考慮可靠性的最優(yōu)的交直流混合配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與DG接入容量組合。雙層協(xié)同優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 雙層協(xié)同優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 上層模型

3.2.1上層目標(biāo)函數(shù)

上層模型以年運行成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，具體包括：交直流混合配電網(wǎng)增設(shè)線路的年投資成本及運維成本、年網(wǎng)損費用及各可靠性指標(biāo)的懲罰成本。

1) 增設(shè)線路建設(shè)的年均攤成本

2) 年運維成本

3) 年網(wǎng)損費用

4) 越限懲罰成本

3.2.2上層約束條件

上層約束條件為節(jié)點功率平衡方程約束條件和變換器功率方程約束條件。本文按照文獻[26]所提方法求解交直流混合配電網(wǎng)潮流。

1) 變換器功率平衡約束條件

(28)

2) 節(jié)點功率平衡約束條件

3) 孤島內(nèi)功率平衡約束條件

3.3 下層模型

3.3.1下層目標(biāo)函數(shù)

下層模型以DG接入效益最大化為目標(biāo)函數(shù)，具體包括：建設(shè)DG帶來的環(huán)境凈收益，各可靠性指標(biāo)的懲罰成本。

(34)

1) DG發(fā)電等效的環(huán)境收益

2) DG接入的年投資成本

3) DG接入的年運維成本

4) 年運行網(wǎng)損費用

同上層模型。

5) 可靠性指標(biāo)懲罰成本

同上層模型。

3.3.2下層約束條件

1) DG接入節(jié)點裝機容量約束

2) DG總裝機容量約束

3) 功率平衡約束條件

變換器功率平衡約束條件、節(jié)點功率平衡約束條件和孤島內(nèi)功率平衡約束條件同上層模型。

4 算例

本文算例以改造的IEEE 33節(jié)點交直流混合配電網(wǎng)為基本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如圖10所示為待優(yōu)化IEEE 33節(jié)點交直流混合配網(wǎng)。圖中實線連接為改造IEEE 33節(jié)點基本網(wǎng)架已建設(shè)線路；虛線連接為可建設(shè)線路；實心黑色節(jié)點為交流節(jié)點；空心白色節(jié)點為直流節(jié)點；連接WT節(jié)點為風(fēng)機接入節(jié)點；連接PV節(jié)點為光伏接入節(jié)點；紅色三角標(biāo)注為重要度最高的4個節(jié)點。從圖8中可以看出，該網(wǎng)架的特點是無論選取任何線路建設(shè)方案，當(dāng)線路1-2發(fā)生故障時，都會使整個配電網(wǎng)進入孤島運行狀態(tài)，可能出現(xiàn)大面積失負(fù)荷。同時，如果通過節(jié)點22增加上級電網(wǎng)與中間部分節(jié)點的互聯(lián)線路，當(dāng)線路2-3發(fā)生故障時，所有負(fù)荷的功率都由左側(cè)線路傳輸，這一方面可能會使中間部分和右側(cè)部分節(jié)點的電能傳輸路徑更長，右側(cè)部分的節(jié)點成為潮流末端部分節(jié)點而出現(xiàn)節(jié)點電壓越限；另一方面可能使左側(cè)部分線路出現(xiàn)支路功率越限的情況。

圖10 待優(yōu)化IEEE33節(jié)點交直流混合配網(wǎng)

1) 算例1：不同可靠性指標(biāo)的優(yōu)化方法對比

算例1將3種優(yōu)化方法的優(yōu)化結(jié)果做對比分析。方法1：僅考慮穩(wěn)態(tài)風(fēng)險指標(biāo)而不考慮故障下可靠性指標(biāo)的優(yōu)化方法；方法2：故障下僅考慮失負(fù)荷指標(biāo)而不考慮故障下越限指標(biāo)的優(yōu)化方法；方法3：本文所提優(yōu)化方法。不同優(yōu)化方法下的DG接入容量如表1所示；不同優(yōu)化方法下的各項指標(biāo)對比如表2所示；方法1、方法2和方法3的網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果分別如圖11—圖13所示。

表1 不同優(yōu)化方法下的DG接入容量

表2 不同優(yōu)化方法下的各項指標(biāo)對比

圖11 方法1網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果

圖12 方法2網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果

圖13 方法3網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果

從圖11可以看出，該方法更傾向于用最經(jīng)濟的線路建設(shè)來增加供電路徑以提高配電網(wǎng)各區(qū)域間的能量互動，進而降低配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時的越限指標(biāo)。但是，當(dāng)線路13-14、30-31等發(fā)生故障時(如圖14所示)，會使得一部分節(jié)點成為孤島節(jié)點，從而可能出現(xiàn)失負(fù)荷。從表2中可看到方法1的失負(fù)荷懲罰成本最高。故障下節(jié)點失負(fù)荷時間對比如圖14所示。從圖14也可以看出，方法1的優(yōu)化結(jié)果相比于方法2和方法3的優(yōu)化結(jié)果，線路14-18、31-33的失負(fù)荷時間普遍增加。因此，僅考慮穩(wěn)態(tài)運行越限的優(yōu)化方法在發(fā)生故障后配電網(wǎng)的可靠性很低。

圖14 故障下節(jié)點失負(fù)荷時間對比

從圖12中可以看出，方法2在優(yōu)化過程中用最經(jīng)濟的線路建設(shè)方式將所有節(jié)點連入環(huán)內(nèi)，從而保證在配電網(wǎng)發(fā)生-1故障時(除1-2線路外)不會出現(xiàn)直接失負(fù)荷情況，但是當(dāng)線路2-3發(fā)生故障時，會導(dǎo)致配電網(wǎng)右側(cè)包括4個重要節(jié)點的很多節(jié)點的供電路徑過長，從而出現(xiàn)許多節(jié)點的電壓越下限情況。

方法3和方法2相比，進一步考慮了故障下可能出現(xiàn)的越限風(fēng)險指標(biāo)，為避免因為線路2-3故障導(dǎo)致右側(cè)節(jié)點電壓越限，方法3的DG接入容量優(yōu)化結(jié)果表現(xiàn)為WT3和PV2接入容量偏大，該優(yōu)化結(jié)果一方面可以抬升右側(cè)節(jié)點的節(jié)點電壓，降低節(jié)點電壓越限風(fēng)險，另一方面可以降低功率大范圍轉(zhuǎn)移帶來的功率損耗，減小潮流上游支路的轉(zhuǎn)供壓力，降低支路功率越限風(fēng)險。同時，圖13所示的網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果通過建設(shè)線路11-22，與方法2相比在線路2-3故障時縮短了上級電網(wǎng)向重要節(jié)點5、節(jié)點6和節(jié)點24 的供電距離，并且當(dāng)線路3-4、線路4-5、線路5-6發(fā)生故障時，縮短了上級電網(wǎng)向重要節(jié)點30的供電距離。方法2和方法3在故障下電壓越限概率對比和支路功率越限概率對比分別如圖15和圖16所示，可以看出在故障下方法3相比于方法2的可靠性更高。

圖15 方法2和方法3在故障下節(jié)點電壓越限概率對比

圖16 方法2和方法3在故障下支路功率越限概率對比

從表2中可看出，因為3種優(yōu)化結(jié)果的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)都增加了互聯(lián)，提高了供電靈活性，所以穩(wěn)態(tài)條件下的電壓越限風(fēng)險和支路功率越限風(fēng)險為0。而區(qū)域源荷匹配率較高的配電網(wǎng)可以降低配電網(wǎng)的運行網(wǎng)損，因此，表1所示的DG接入容量優(yōu)化結(jié)果中方法1和方法2的PV1接入容量相對于方法3更大，這是由于PV1的接入位置處于工業(yè)負(fù)荷區(qū)，而光伏出力曲線和工業(yè)負(fù)荷功率曲線的匹配率更高的緣故。

2) 算例2：不同節(jié)點重要度優(yōu)化結(jié)果對比

算例2將不同節(jié)點設(shè)置為高重要度節(jié)點，均通過本文所提方法進行優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)果進行對比分析。方案1將節(jié)點5、6、25、30設(shè)置為高重要度節(jié)點，其優(yōu)化結(jié)果如算例1方法3所示。方案2將節(jié)點14、15、31、32設(shè)置為高重要度節(jié)點，方案2網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果如圖17所示，方案2的DG接入容量優(yōu)化結(jié)果如表3所示。故障下節(jié)點電壓越限概率對比如圖18所示。

表3 方案2的DG接入容量優(yōu)化結(jié)果

圖17 方案2網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果

圖18 故障下節(jié)點電壓越限概率對比

從優(yōu)化結(jié)果對比上可以看出，優(yōu)化過程中會將更多資源向高重要度節(jié)點傾斜，配電網(wǎng)中的節(jié)點重要度設(shè)置不同會影響優(yōu)化結(jié)果，因此有必要將重要度作為電壓越限指標(biāo)的權(quán)重以優(yōu)先保障高重要度節(jié)點的供電可靠性。

5 結(jié)論

本文針對交直流混合配電網(wǎng)的運行特點，提出了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與DG協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計方法。具體結(jié)論如下：

1) 在場景構(gòu)建階段，將各源荷單元的概率密度函數(shù)參數(shù)變化與Nataf變換相結(jié)合，生成了具有相關(guān)性和時序性的源荷出力樣本，由此構(gòu)建的場景更貼合工程實際。

2) 在可靠性評估階段，建立了綜合考慮穩(wěn)態(tài)和故障運行條件下可靠性的可靠性評估體系，細化了電壓越限風(fēng)險指標(biāo)，建立了支路功率越限指標(biāo)、電壓越限指標(biāo)和失負(fù)荷指標(biāo)間的聯(lián)系，將各可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為與經(jīng)濟性同一量級的懲罰成本，避免了各指標(biāo)在定權(quán)重上的主觀性。

3) 在優(yōu)化階段，采用雙層迭代求解可以得到整體可靠性最優(yōu)的優(yōu)化規(guī)劃方案。

4) 算例分析表明，相比于只考慮穩(wěn)態(tài)條件，綜合考慮穩(wěn)態(tài)和故障運行可靠性的優(yōu)化規(guī)劃更具優(yōu)勢。雖然在穩(wěn)態(tài)運行時，源荷匹配率的弱化導(dǎo)致網(wǎng)損輕微增大，更多指標(biāo)的約束導(dǎo)致新建線路成本的提升，但是，故障后潮流末端的電壓越限風(fēng)險和潮流首端支路功率的越限風(fēng)險可得以大幅度降低，從而利于全面提高配電網(wǎng)的可靠性。

此外，本文所提優(yōu)化規(guī)劃方法的優(yōu)化結(jié)果可以根據(jù)節(jié)點重要度的不同分布情況而進行靈活調(diào)整，從而優(yōu)先保障最大量、最重要負(fù)荷的供電可靠性。

[1] 曾嘉思, 徐習(xí)東, 趙宇明. 交直流配電網(wǎng)可靠性對比[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(9): 2582-2589.

ZENG Jiasi, XU Xidong, ZHAO Yuming. Reliability comparison of AC and DC distribution network[J]. Power System Technology, 2014, 38(9): 2582-2589.

[2] 馬釗, 周孝信, 尚宇煒, 等. 未來配電系統(tǒng)形態(tài)及發(fā)展趨勢[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2015, 35(6): 1289-1298.

MA Zhao, ZHOU Xiaoxin, SHANG Yuwei, et al. Form and development trend of future distribution system[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(6): 1289-1298.

[3] 馬釗, 焦在濱, 李蕊. 直流配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2017, 41(10): 3348-3357.

MA Zhao, JIAO Zaibin, LI Rui. Network structures and key technologies of DC distribution systems[J]. Power System Technology, 2017, 41(10): 3348-3357.

[4] 張璐, 唐巍, 盧瑩, 等. 面向新型源荷接入的交直流混合配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J]. 供用電, 2020, 37(10): 3-9, 21.

ZHANG Lu, TANG Wei, LU Ying, et al. Overview of hybrid AC/DC distribution network key technologies facing novel source and load integration[J]. Distribution & Utilization, 2020, 37(10): 3-9, 21.

[5] 劉飛, 熊曉琪, 查鵬程, 等. 直流配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與分布式光伏多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2020, 40(12): 3754-3764.

LIU Fei, XIONG Xiaoqi, CHA Pengcheng, et al. Multi- objective collaborative optimization for DC distribution network configuration and distributed photovoltaic[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(12): 3754-3764.

[6] 張永會, 鹿麗, 潘超, 等. 計及風(fēng)-光-荷時序特性的主動配電網(wǎng)源-儲規(guī)劃策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(20): 48-56.

ZHANG Yonghui, LU Li, PAN Chao, et al. Planning strategies of source-storage considering wind- photovoltaic-load time characteristics[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(20): 48-56.

[7] 楊曉萍, 王李謹(jǐn). 基于概率潮流的含分布式電源配電網(wǎng)優(yōu)化[J]. 太陽能學(xué)報, 2021, 42(8): 71-76.

YANG Xiaoping, WANG Lijin. Optimization of distributed power distribution network based on probabilistic load flow[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2021, 42(8): 71-76.

[8] AHMED H, ELTANTAWY A, SALAMA M. A planning approach for the network configuration of AC-DC hybrid distribution systems[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2018, 9(3): 2203-2213.

[9] 方陳, 張翔, 程浩忠, 等. 主動管理模式下含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(4): 823-829.

FANG Chen, ZHANG Xiang, CHENG Haozhong, et al. Framework planning of distribution network containing distributed generation considering active management[J]. Power System Technology, 2014, 38(4): 823-829.

[10] ZHAO Li, WU Wenchuan, XUE Tai, et al. A reliability- constrained expansion planning model for mesh distribution networks[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2021, 36(2): 948-960.

[11] GAO Yajing, HU Xiaobo, YANG Wenhai, et al. Multi- objective bilevel coordinated planning of distributed generation and distribution network frame based on multiscenario technique considering timing characteristics[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2017, 8(4): 1415-1429.

[12] MANSOR N N, LEVI V. Operational planning of distribution networks based on utility planning concepts[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2019, 34(3): 2114-2127.

[13]唐俊熙, 王梓耀, 張俊瀟, 等. 基于文化蟻群算法的高可靠多電源配電網(wǎng)規(guī)劃模型[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(7): 99-107.

TANG Junxi, WANG Ziyao, ZHANG Junxiao, et al. High reliability multi-power distribution network planning model based on memetic ant colony algorithm[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(7): 99-107.

[14]徐小琴, 鄭旭, 王思聰, 等. 基于改進遺傳退火算法的輸配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(15): 124-131.

XU Xiaoqin, ZHENG Xu, WANG Sicong, et al. Coordinated planning method of transmission and distribution network based on an improved genetic annealing algorithm[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(15): 124-131.

[15] 羅志剛, 韋鋼, 朱蘭, 等. 含分布式電源的城市配電網(wǎng)交直流改造方案綜合決策[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(11): 87-94.

LUO Zhigang, WEI Gang, ZHU Lan, et al. Comprehensive decision on AC/DC transformation scheme of urban distribution network with distributed generator[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(11): 87-94.

[16] 潘翀, 袁霞, 唐倫. 大型城市高壓配電網(wǎng)可靠性分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(3): 131-138.

PAN Chong, YUAN Xia, TANG Lun. Reliability analysis for high voltage distribution network in big cities[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(3): 131-138.

[17]馬燕飛, 楊小款, 王子建, 等. 基于風(fēng)險價值的大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)運行風(fēng)險評估[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2021, 45(3): 849-855.

MA Yanfei, YANG Xiaokuan, WANG Zijian, et al. Operation risk assessment for power system with large-scale wind power integration based on value at risk[J]. Power System Technology, 2021, 45(3): 849-855.

[18] WANG Lei, YUAN Minyu, ZHANG Fan, et al. Risk assessment of distribution networks integrating large-scale distributed photovoltaics[J]. IEEE Access, 2019, 7: 59653-59664.

[19] WANG Lei, YUAN Minyu, ZHANG Fan, et al. Research on large-scale photovoltaic planning based on risk assessment in distribution network[J]. Journal of Electrical Engineering & Technology, 2020, 15(3): 1107-1114.

[20]王成山, 王瑞, 于浩, 等. 配電網(wǎng)形態(tài)演變下的協(xié)調(diào)規(guī)劃問題與挑戰(zhàn)[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2020, 40(8): 2385-2396.

WANG Chengshan, WANG Rui, YU Hao, et al. Challenges on coordinated planning of smart distribution networks driven by source-network-load evolution[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(8): 2385-2396.

[21] 袁敏鈺. 大規(guī)模分布式光伏接入配電網(wǎng)的風(fēng)險評估及規(guī)劃研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2020.

YUAN Minyu. Research on risk assessment and planning of distribution networks integrating large-scale distributed photovoltaics[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2020.

[22]陳璨, 吳文傳, 張伯明, 等. 考慮光伏出力相關(guān)性的配電網(wǎng)概率潮流[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(9): 41-47.

CHEN Can, WU Wenchuan, ZHANG Boming, et al. Probabilistic load flow of distribution network considering correlated photovoltaic power output[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(9): 41-47.

[23]孫乾, 許珊, 朱姝豫, 等. 考慮DG時序特性及EV時空特性的配電網(wǎng)規(guī)劃[J]. 電力自動化設(shè)備, 2020, 40(10): 30-38.

SUN Qian, XU Shan, ZHU Shuyu, et al. Distribution network planning considering DG timing characteristics and EV spatiotemporal characteristics[J]. Electric Power Automation Equipment, 2020, 40(10): 30-38.

[24]張長久, 賈清泉, 趙鐵軍, 等. 考慮需求響應(yīng)的增量配電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化配置[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2020, 32(8): 7-16.

ZHANG Changjiu, JIA Qingquan, ZHAO Tiejun, et al. Optimal configuration of distributed generations in incremental distribution network considering demand-side response[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2020, 32(8): 7-16.

[25]李江, 劉偉波, 李國慶, 等. 基于序貫蒙特卡洛法的直流配電網(wǎng)可靠性評估與預(yù)測[J]. 太陽能學(xué)報, 2018, 39(1): 154-162.

LI Jiang, LIU Weibo, LI Guoqing, et al. DC distribution networks reliability evaluation and prediction based on sequential Monte Carlo method[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(1): 154-162.

[26] 金國彬, 石超, 李國慶, 等. 基于網(wǎng)絡(luò)矩陣的交直流混合配電網(wǎng)潮流計算[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(24): 52-61.

JIN Guobin, SHI Chao, LI Guoqing, et al. Power flow calculation of an AC-DC hybrid distribution network based on a network matrix[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(24): 52-61.

Collaborative optimization planning of an AC/DC hybrid distribution network frame and distributed power generation considering reliability

JIN Guobin, LIU Yulong, LI Guoqing, XIN Yechun, LI Shuang

(Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology Ministry of Education (Northeast Electric Power University), Jilin 132012, China)

The AC/DC hybrid distribution network with a high proportion of distributed generation access is an important transitional form for the development of the future distribution network. With the development of power systems, the requirements for the reliability of the distribution network have increased. This paper proposes a method of collaborative optimization planning and design for an AC/DC hybrid distribution network framework and distributed generation, a method that considers reliability. In scenario construction, the correlation and timing of output of each distributed generation and the timing of each load power are considered. A comprehensive reliability evaluation system considering steady- and fault-operation is established from the operational characteristics of AC-DC hybrid distribution network. This is done by establishing the relationship between the reliability indicators, where the reliability and economic indicators are objectively processed in a unified dimension. A two-layer collaborative optimization strategy is designed for AC-DC hybrid distribution network structure and distributed generation access capacity. At the same time, a complete line fault sampling model is established. The superiority and effectiveness of the proposed method are verified by an example of the optimization planning of a modified IEEE 33-bus AC-DC hybrid distribution network.

AC/DC hybrid distribution network; reliability; distributed generation; optimized planning

10.19783/j.cnki.pspc.220065

國家重點研發(fā)計劃項目資助(2018YFB0904703)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2018YFB0904703).

2022-01-15；

2022-02-28

金國彬(1977—)，男，博士，副教授，研究方向為新能源發(fā)電及其并網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)、電能質(zhì)量治理；E-mail: jgbjgb2005@126.com

劉玉龍(1995—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向為交直流混合配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃。E-mail: 2863227890@ qq.com

(編輯 魏小麗)