李文龍,張華東,于寶鑫
(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司,河北 承德 067000)
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,配電網(wǎng)的發(fā)展逐漸復(fù)雜化,為避免生產(chǎn)用電和居民日常生活用電質(zhì)量下降,需要對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行合理的規(guī)劃[1]。此外,在“城市能源互聯(lián)網(wǎng)”這一概念提出的背景下,一定程度上電網(wǎng)接入電源多元化改變了配電網(wǎng)運(yùn)行方式以及配電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷變化[2]。因此,需要重新評(píng)估電力企業(yè)供電的可靠性?;诖耍潆娋W(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目逐漸成為電力企業(yè)研究重點(diǎn),每年國(guó)家電網(wǎng)公司都會(huì)花費(fèi)大量支出立項(xiàng)研究配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目[3]。然而,配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目數(shù)量龐大,且存在一些規(guī)劃范圍重復(fù)的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,浪費(fèi)電力企業(yè)資源。為此,需要優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)規(guī)劃的有序性和精準(zhǔn)性。
國(guó)內(nèi)外電力企業(yè)十分重視配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選,可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。目前,國(guó)內(nèi)外將配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選分為評(píng)價(jià)排序和模型求解兩類。配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目評(píng)價(jià)排序優(yōu)選方法主要有層次分析法、AHP法、灰色關(guān)聯(lián)度法、熵值組合法、投資效益評(píng)價(jià)法等,這類方法具有較強(qiáng)的主觀性,評(píng)價(jià)結(jié)果不夠客觀[4];模型求解類的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)化方法則考慮了可靠性水平、饋線迫切度、全壽命周期經(jīng)濟(jì)性、收益/成本分析等因素,此類方法的客觀性更強(qiáng),規(guī)劃方案更為科學(xué)[5]。文獻(xiàn)[6]提出了一種電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目管理模式選擇方式,結(jié)合矢量投影、灰色關(guān)聯(lián)、TOPSIS這3種評(píng)價(jià)排序方法,計(jì)算項(xiàng)目權(quán)重,建立項(xiàng)目選擇模型;文獻(xiàn)[7]提出了不確定性下柔性分布式多能源發(fā)電系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃,在評(píng)估長(zhǎng)期不確定性下運(yùn)行和投資階段的靈活性,并將其轉(zhuǎn)化為隨機(jī)混合整數(shù)線性規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)分布式多能源發(fā)電系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃;文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于貪婪算法的城區(qū)配電網(wǎng)智能規(guī)劃模型,采用最短路徑尋優(yōu)方法構(gòu)建城區(qū)配電網(wǎng)的分布式電源接入模型,利用貪婪算法全局尋優(yōu)輸電路徑,根據(jù)尋優(yōu)結(jié)果選取更優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)劃方案;文獻(xiàn)[9]提出基于多策略改進(jìn)的遺傳算法在配電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用,以配電網(wǎng)年運(yùn)行費(fèi)用模糊期望值最小為目標(biāo)函數(shù),融合配電網(wǎng)模糊潮流算法,計(jì)算配網(wǎng)潮流值,利用遺傳算法改進(jìn)整數(shù)編碼方式求解配網(wǎng)規(guī)劃模型。
以上方法對(duì)于配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選有一定的幫助,但均沒(méi)有考慮效益耦合和時(shí)序關(guān)聯(lián)特性,無(wú)法提取出項(xiàng)目效益耦合特性,效益參數(shù)獲取不全面,使得規(guī)劃投入成本高、效益不高。基于此,本文提出一種基于效益耦合和時(shí)序關(guān)聯(lián)特性的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型,建立項(xiàng)目效益耦合方程,提取項(xiàng)目效益耦合特性,設(shè)計(jì)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)化約束,以項(xiàng)目最大投資效益為目標(biāo)建立優(yōu)選模型。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有2種方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,為有限預(yù)算下配電網(wǎng)多區(qū)域項(xiàng)目?jī)?yōu)選提供依據(jù)。
配電網(wǎng)規(guī)劃的單個(gè)與綜合項(xiàng)目之間、單個(gè)與單個(gè)項(xiàng)目之間都存在效益耦合關(guān)系,即當(dāng)配電網(wǎng)規(guī)劃的2個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目一同投入使用時(shí),其存在效益重疊的部分,可以綜合提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性;當(dāng)配電網(wǎng)規(guī)劃的2個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目間存在范圍重疊和功能重復(fù)時(shí),其存在的重疊部分會(huì)降低單一項(xiàng)目運(yùn)行效益[10]。特別是電網(wǎng)接入電源出現(xiàn)多元化的情況,各種分布式電源的接入,會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷的變化。基于此,將配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益耦合分為相容和扶持2種,而這2種效益耦合可以通過(guò)計(jì)算項(xiàng)目耦合度,確定項(xiàng)目效益耦合特性。
為此,將配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目記為xi(i=1,2,…,I),其中,I表示優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目數(shù)量,假設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的序參量為ζi,配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)后的功效參數(shù)為Gi,則其效益耦合的有序功效函數(shù)為
(1)
式中f(ζi)為配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的有序程度,當(dāng)f(ζi)無(wú)線趨近于0時(shí),配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目有序程度極低;當(dāng)f(ζi)無(wú)線趨近于1時(shí),配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目有序程度極高;+表示ζi取值為正,-表示ζi取值為負(fù);Gmax、Gmin分別為配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目穩(wěn)定臨界的上限、下限。
采用線性加權(quán)的方式,集成式(1)計(jì)算得到的配電網(wǎng)項(xiàng)目序參量ζ,則有
wI≥0,∑wI=1
(2)
式中wI為配電網(wǎng)規(guī)劃第i個(gè)項(xiàng)目xi相對(duì)于第j個(gè)項(xiàng)目xj的權(quán)重。
由式(1)、(2)可知,配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目耦合與磁鏈中的電感效益耦合較為相似,為此,仿照電感矩陣建立配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益耦合方程:
(3)
其中,O為配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益耦合度。O的閾值為(0,1),則配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益耦合度值越接近于1,配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益耦合度越高。
在建設(shè)過(guò)程中,由于配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目需要按照一定的時(shí)間順序?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)以及項(xiàng)目的正常運(yùn)行[11],為此,根據(jù)時(shí)序關(guān)聯(lián)規(guī)則定義,確定配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的時(shí)序關(guān)聯(lián)特性。假設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目集合I的時(shí)間序列為τ={τ1,τ2,…,τI},將L作為項(xiàng)目時(shí)間序列滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度,將I的時(shí)間序列τ離散成配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目xi和xj的時(shí)間序列τ1(xi)和τ2(xj):
(4)
根據(jù)式(4),給定常數(shù)a,則配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目xi和xj的時(shí)間序列τ1(xi)和τ2(xj)存在如下3種條件[12]:
(5)
式中M(τ1(xi),τ2(xj))為τ1(xi)、τ2(xj)中元素重疊次數(shù)。
當(dāng)式(5)中的第1式成立時(shí),則xi中的部分配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目包含xj中的部分配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,因此,xi、xj具有依賴時(shí)間序列特性;當(dāng)式(5)中的第2式成立時(shí),則xi中的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目不包含xj中的部分配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,但是兩者之間還存在緊密聯(lián)系,因此,xi與xj具有互補(bǔ)時(shí)間序列特性;當(dāng)式(5)中的第3式成立時(shí),則xi中的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目不包含xj中的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,且還相互影響,因此,xi、xj具有互斥時(shí)間序列特性。
根據(jù)上述對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目耦合效益和時(shí)序關(guān)聯(lián)特性分析結(jié)果,設(shè)計(jì)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間和資源、資源轉(zhuǎn)移、工期、邏輯、項(xiàng)目依賴以及互斥和互補(bǔ)等約束條件,考慮電網(wǎng)接入電源多元化因素,約束配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選條件。
建設(shè)時(shí)間及建設(shè)資源:在建設(shè)過(guò)程中,配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目投入時(shí)間一定,因此需要設(shè)定項(xiàng)目完工時(shí)間,也稱建設(shè)時(shí)間約束,即從項(xiàng)目建設(shè)開(kāi)始,在設(shè)定的完工時(shí)間內(nèi),完成配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè),以此來(lái)保證配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目收益和使用。此外,配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中,存在多個(gè)建設(shè)階段,每個(gè)階段所需要的人工、設(shè)備等都存在一定的差異[13]。所以,其每個(gè)階段所需要的建設(shè)資源都屬于配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選的約束條件?;诖?,設(shè)計(jì)配電網(wǎng)第i個(gè)規(guī)劃項(xiàng)目時(shí)間約束和資源約束,其表達(dá)式為
(6)
此外在規(guī)劃過(guò)程中,配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目資源還存在上一階段的資源未用完而移交到下一階段繼續(xù)使用的現(xiàn)象。為此,在式(6)的資源約束基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)資源轉(zhuǎn)移約束:
(7)
建設(shè)工期:當(dāng)xi為優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目時(shí),需要根據(jù)xi建設(shè)配電網(wǎng),此時(shí)的施工周期必須處于連續(xù)施工狀態(tài)。而配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中,優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目必須符合項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)步驟、建設(shè)狀態(tài),這種符合條件可以稱為邏輯約束[14]。為此,設(shè)計(jì)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目施工工期和邏輯約束,其表達(dá)式為
(8)
根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目所具有的時(shí)序關(guān)聯(lián)特性,設(shè)計(jì)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的依賴、互斥、互補(bǔ)之間的約束關(guān)系,其約束表達(dá)式為
(9)
根據(jù)約束條件式(9),當(dāng)t時(shí)間內(nèi)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目xt,j和xt,i之間為依賴關(guān)系,且xt,i依賴xt,j,則xt,i的建設(shè)完工時(shí)間必然比xt,j的建設(shè)完工時(shí)間晚,因此,xt,i的工期大于等于xt,j的工期;當(dāng)t時(shí)間內(nèi)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目xt,j和xt,i之間為互斥關(guān)系,則配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選只能選出一個(gè),因此,2個(gè)項(xiàng)目相乘將小于等于0;當(dāng)t時(shí)間內(nèi)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目xt,j和xt,i之間為互補(bǔ)關(guān)系,需要2個(gè)項(xiàng)目同時(shí)運(yùn)行才能讓配電網(wǎng)產(chǎn)生效益,則xt,j和xt,i的建設(shè)投入時(shí)間必須一致,因此,xt,i的工期必須等于xt,j的工期。
根據(jù)式(6)~(9),依據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益耦合和時(shí)序關(guān)聯(lián)特性,以配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目最大投資效益為目標(biāo),建立優(yōu)選模型:
F=max$=
(10)
依據(jù)約束條件式(6)~(9)、優(yōu)選模型式(10)得到的最大投資效益值,優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目。
選擇文獻(xiàn)[8]中基于貪婪算法和文獻(xiàn)[9]中基于遺傳算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型作為此次實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法,將存在多電源接入的某地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目作為此次實(shí)驗(yàn)算例,比較本文方法與文獻(xiàn)[8]、[9]方法對(duì)該配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的優(yōu)化結(jié)果,驗(yàn)證本文方法研究模型的優(yōu)越性。
實(shí)驗(yàn)選擇的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目規(guī)劃年限均為5 a,每個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)壽命周期為20 a,其規(guī)劃的項(xiàng)目基本數(shù)據(jù)如表1所示,16個(gè)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的建設(shè)位置均處于該區(qū)域63 km2的市中心,16個(gè)項(xiàng)目在市中心需要承擔(dān)30 MW/km2的負(fù)荷密度,供電質(zhì)量需要達(dá)到A+。因此,3組方法優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目產(chǎn)電比系數(shù)需要達(dá)到23.28元/(kW/h)。
表1 配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of distribution network planning project
實(shí)驗(yàn)的總成本¥和效益¥l,i計(jì)算公式為
(11)
式中 ¥1為投資成本;¥2為人力成本;¥3為設(shè)備使用成本;εl為第l個(gè)供電區(qū)域產(chǎn)電比系數(shù);δ為電價(jià)系數(shù);ΔEl,i為配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)完成后年均減少的電量損失。
根據(jù)式(11),計(jì)算3組項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型,優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目成本和效益。
實(shí)驗(yàn)選擇的配電網(wǎng)規(guī)劃區(qū)域建設(shè)項(xiàng)目的投資成本為1 800萬(wàn)元,人力成本為350萬(wàn)元,設(shè)備使用成本為350萬(wàn)元。3組配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目成本不能超過(guò)區(qū)域設(shè)置的投資總成本。
2.3.1 配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選結(jié)果對(duì)比
3組配電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)選模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的項(xiàng)目?jī)?yōu)選條件,從表1中優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目以及項(xiàng)目建設(shè)年份如圖1所示(0表示該配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目未入選),可以看出,基于貪婪算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型16項(xiàng)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目均入選,且項(xiàng)目入選時(shí)間均為配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的第1年;基于遺傳算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型與本文研究模型優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目較為接近,但是,僅配電網(wǎng)規(guī)劃1~7項(xiàng)目?jī)?yōu)選建設(shè)年份不一致。根據(jù)圖1,依據(jù)表1中配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目基本數(shù)據(jù),采用式(11)分別計(jì)算優(yōu)選項(xiàng)目成本和效益。
圖1 3組模型優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目對(duì)比Figure 1 Comparison of distribution network planning under three types of models
2.3.2 優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目成本對(duì)比
3組配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選項(xiàng)目成本對(duì)比結(jié)果如圖2所示,可以看出,基于貪婪算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,在建設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的5 a內(nèi),所需要的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)成本為2 400萬(wàn)元;基于遺傳算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,在建設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的5 a內(nèi),所需要的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)成本為1 744萬(wàn)元;本文研究模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,在建設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目的5 a內(nèi),所需要的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)成本為1 280萬(wàn)元。
圖2 優(yōu)選項(xiàng)目成本對(duì)比Figure 2 Cost comparison of preferred projects
由此可見(jiàn),3組配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,均在此次建設(shè)配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目總投入成本內(nèi)。但是,本文研究模型相較基于貪婪算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型和基于遺傳算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,所需要的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)成本分別降低了1 120、464萬(wàn)元。因此,本文研究模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目成本低。
2.3.3 優(yōu)選配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益對(duì)比
3組配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選項(xiàng)目效益對(duì)比結(jié)果如圖3所示,可以看出,基于貪婪算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,5 a內(nèi)的項(xiàng)目收益為4.2×104萬(wàn)元;基于遺傳算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,5 a內(nèi)的項(xiàng)目收益為4.5×104萬(wàn)元;本文研究模型的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,5 a內(nèi)的項(xiàng)目收益為4.8×104萬(wàn)元,相較基于貪婪算法和基于遺傳算法的項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目,本文研究模型5 a內(nèi)的項(xiàng)目收益分別高0.6×104、0.3×104萬(wàn)元。由此可見(jiàn),本文研究模型優(yōu)選的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益高。
圖3 優(yōu)選項(xiàng)目效益對(duì)比Figure 3 Benefit comparison of optimized projects
為了解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法無(wú)法得到更高效益的問(wèn)題,本研究設(shè)計(jì)一種新的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選模型。充分考慮配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益耦合和時(shí)序關(guān)聯(lián)特性,并將其作為項(xiàng)目?jī)?yōu)選依據(jù),設(shè)計(jì)項(xiàng)目?jī)?yōu)選約束條件。仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示與文獻(xiàn)方法相比,本文提出的配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目?jī)?yōu)選方案成本更低,項(xiàng)目效益較高,有效降低了優(yōu)選項(xiàng)目建設(shè)成本。但是此次研究模型,未曾考慮配電網(wǎng)建設(shè)潮流、負(fù)荷等因素對(duì)項(xiàng)目建設(shè)影響,在今后的研究中,還需考慮配電網(wǎng)建設(shè)潮流、負(fù)荷等影響因素,進(jìn)一步提高配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)效益。
電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)2022年6期