新型電力系統(tǒng)背景下基于源荷的配電網(wǎng)規(guī)劃方法

李德彥

(廣州市電力工程設(shè)計院有限公司)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 傳統(tǒng)的化石型能源對環(huán)境造成了嚴重的影響, 因此需要大力發(fā)展新能源發(fā)電, 以減輕對于環(huán)境的影響[1]。大量的新能源接入將成為配電網(wǎng)發(fā)展的新特點, 多種型式的新能源和負荷的大規(guī)模接入會對配電網(wǎng)的設(shè)計和規(guī)劃造成一定影響[2-3]。對配電網(wǎng)進行網(wǎng)格化規(guī)劃是配電網(wǎng)規(guī)劃的新熱點, 核心思想是將配電網(wǎng)進行合理分割, 由繁入簡。本文根據(jù)“網(wǎng)上電網(wǎng)”強大的數(shù)據(jù)采集能力和業(yè)務(wù)協(xié)同能力,從源荷接入對于配電網(wǎng)影響的方向切入, 提出了基于源荷接入的配電網(wǎng)規(guī)劃方法, 并構(gòu)建了參考網(wǎng)格區(qū)域化自管理的基于源荷接入的配電網(wǎng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型, 經(jīng)過算例驗證, 本文所提出的方法有效[4-5]。

1 源荷接入對配電網(wǎng)的影響分析

源荷的接入逐步實現(xiàn)了從 “無源”配電網(wǎng)到“有源”配電網(wǎng)的過渡, 這就使得配電網(wǎng)的規(guī)劃更加復(fù)雜。為了確保多元負荷與配電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)運行,需要對電源和負荷進行合理規(guī)劃, 現(xiàn)對常規(guī)電源和負荷進行分析。

電動汽車能夠?qū)崿F(xiàn)有序充電和無序充電, 并且具備反向供電能力, 其無序充電能夠?qū)е掠秒姼叻迤谂潆娮儔浩髦剌d運行, 電動汽車的交通網(wǎng)絡(luò)和充電樁的布局情況會直接影響到配電網(wǎng)的負載分布情況, 在進行配電網(wǎng)規(guī)劃時要充分考慮接入設(shè)備的負載率、電能質(zhì)量、分布式電源消納能力等[6]。

分布式光伏具有隨機性、波動性、間歇性的特點,短時間可能造成設(shè)備負載不平衡, 長時間會影響電力平衡, 分布式光伏的集中區(qū)域式接入會改變整個配電網(wǎng)的潮流分布, 在進行配電網(wǎng)規(guī)劃時要充分考慮接入設(shè)備的反向負載率、電能質(zhì)量、分布式電源消納能力等。

分布式儲能能夠在用電高峰期釋放電能, 在用電低谷期儲存電能, 起到削峰填谷的作用, 能夠均衡區(qū)域負荷, 在進行配電網(wǎng)規(guī)劃時要充分考慮接入設(shè)備的雙向負載率、電能質(zhì)量、分布式電源消納能力等。

需求響應(yīng)負荷能夠合理配置配電網(wǎng)資源, 優(yōu)化負荷曲線, 提高配電網(wǎng)運行可靠性, 協(xié)同多設(shè)備優(yōu)化運行, 在進行配電網(wǎng)規(guī)劃時要充分考慮接入設(shè)備的負載率、分布式電源消納能力等。

2 基于源荷接入的配電網(wǎng)供電網(wǎng)格劃分

基于源荷接入的網(wǎng)格化規(guī)劃對于分布式電源的消納具有重要意義, 從供電分區(qū)、供電網(wǎng)格、供電單元這三個最基本層次展開劃分。供電分區(qū)的劃分要以地理形態(tài)和行政邊界作為劃分原則; 供電網(wǎng)格要保證供電范圍相對獨立, 應(yīng)包含兩到四個變電站, 站間具有較強的中壓聯(lián)絡(luò)性; 供電單元由相鄰的, 性質(zhì)類似的, 供電要求基本一致的地塊構(gòu)成。

供電網(wǎng)格的劃分要充分考慮不同類型源荷的互補特性, 以及網(wǎng)格架構(gòu)對源荷的承載能力(主要包括了負載率、電壓達標(biāo)率、諧波含量等)。

利用“網(wǎng)上電網(wǎng)”的網(wǎng)格化規(guī)劃模塊能夠?qū)崿F(xiàn)供電網(wǎng)格的可視化管理, 構(gòu)建配電網(wǎng)設(shè)備與供電網(wǎng)格之間的關(guān)聯(lián)性, 從而得到一套孿生態(tài)電網(wǎng)。通過圖形化的方式提取配電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù), 為規(guī)劃方案的制定提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 參考網(wǎng)格區(qū)域化自管理的基于源荷接入的配電網(wǎng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型

隨著大量新型源荷接入配電網(wǎng), 對配電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟性都產(chǎn)生了一定程度的影響。為了實現(xiàn)新型源荷接入條件下網(wǎng)格區(qū)域化配電網(wǎng)性能的提升, 基于配電網(wǎng)可靠性和經(jīng)濟性進行研究, 再以可靠性和經(jīng)濟性為雙規(guī)劃目標(biāo), 來構(gòu)建規(guī)劃模型。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

基于多個不同類型源荷接入到配電網(wǎng)中, 配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)可以采用多個供電網(wǎng)格的可靠性指標(biāo)疊加的方法來描述:

式中,CL為配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo),CL.k.j和pload.k.j分別為供電網(wǎng)格內(nèi)負荷的停電損失和停電概率,NL為配電網(wǎng)的停電次數(shù),τR為單次停電所耗費時長,N為供電網(wǎng)格內(nèi)存在的負荷數(shù)量,Sk.j為供電網(wǎng)格內(nèi)負荷節(jié)點的運行狀態(tài),Pk,j(t) 為供電網(wǎng)格內(nèi)負荷節(jié)點的實時功率。

基于配電網(wǎng)在供電網(wǎng)格管理下的自管理模式, 能夠自主進行故障診斷并完成故障隔離, 并且在供電網(wǎng)格內(nèi)部完成故障處理、故障恢復(fù), 則在故障恢復(fù)階段, 供電網(wǎng)格內(nèi)負荷節(jié)點的實時功率可以描述為:

式中,PD.k,j(t) 為供電網(wǎng)格內(nèi)負荷節(jié)點的實時需求功率,PPV.k,j(t) 為供電網(wǎng)格內(nèi)負荷節(jié)點的光伏實時功率,PESS.k,j(t) 為供電網(wǎng)格內(nèi)負荷節(jié)點的儲能實時功率。

配電網(wǎng)的經(jīng)濟性指標(biāo)可以通過多個供電網(wǎng)格的經(jīng)濟性指標(biāo)綜合得到: 源荷的投資主要包括了建設(shè)費用和維護費用兩部分, 對于配電網(wǎng)整體可以描述為:

式中,Ctotal為經(jīng)濟性指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù),Cinv為源荷投資費用,Cope為源荷維護費用,Cbuy為購電費用,Cpro為削峰填谷作用產(chǎn)生的收益。

3.2 約束調(diào)節(jié)

(1) 潮流分布約束:

式中,Pi和Qi分別描述了配電網(wǎng)中不同節(jié)點有功功率參數(shù)和無功功率參數(shù),Ui和Uj分別為不同節(jié)點的電壓參數(shù),Bij和Gij分別為不同節(jié)點之間的電導(dǎo)參數(shù)和電納參數(shù),θij為節(jié)點電壓的向量夾角。

(2) 節(jié)點電壓約束:

式中,Ui.max和Ui,min分別為節(jié)點電壓的最大值和最小值。

(3) 節(jié)點源荷容量約束:

式中,Pyh.i為節(jié)點源荷的總功率,Pyh.i.max為節(jié)點源荷總功率的最大限制值。

(4) 配電網(wǎng)源荷總?cè)萘考s束:

式中,λPV為具備并網(wǎng)運行條件的源荷容量與配電網(wǎng)總?cè)萘康谋戎?PL.i為配電網(wǎng)的不同節(jié)點的實時功率。

(5) 儲能約束:

式中,SOC.i.min和SOC.i.max分別為節(jié)點儲能單元的狀態(tài)最小限制值和最大限制值,PESS.i和PESS.i.max分別描述了不同節(jié)點的儲能單元的運行功率參數(shù)和總?cè)萘可舷拗怠?/p>

(6) 配電網(wǎng)供電網(wǎng)格可靠性約束:

式中,CL.k為配電網(wǎng)供電網(wǎng)格的可靠性指標(biāo),Ck.max為配電網(wǎng)供電網(wǎng)格的停電損失極限值,RL.k為配電網(wǎng)供電網(wǎng)格的供電可靠概率,T為規(guī)劃周期。

3.2 模型求解

為了求對這種多目標(biāo)規(guī)劃問題進行快速求解, 本文選用多目標(biāo)遺傳算法。經(jīng)過Nash 均衡處理的模型為:

式中,u1(x) 和u2(x) 分別為各自獲取利益最大化的方向,d1和d2分別為雙方博弈無法進行位置。

基于Nash 均衡線性變換的不變的基本原則, 再結(jié)合式(1) 和式(3) 的可靠性和經(jīng)濟性規(guī)劃目標(biāo),得到優(yōu)化模型為:

式中,C為配電網(wǎng)多目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù),C1為停電損失邊界參數(shù),C2為投資邊界參數(shù)。

利用多目標(biāo)遺傳算法對基于Nash 均衡的配電網(wǎng)供電網(wǎng)格規(guī)劃模型進行運算, 其具體步驟為:

(1) 完成種群初始化: 確定種群大小、變量編碼方式、交叉率、迭代次數(shù)等參數(shù), 從而得到隨機種群;

(2) 完成目標(biāo)函數(shù)計算: 根據(jù)單個個體具體情況, 提取出相應(yīng)的可靠性和經(jīng)濟性子目標(biāo), 再通過目標(biāo)函數(shù)中, 求解得到總適應(yīng)度函數(shù);

(3) 選擇交叉變異: 根據(jù)個體適應(yīng)度與總體適應(yīng)度的比值, 隨機選取父代個體并以父代交叉點為基準(zhǔn)繁殖, 得到新染色體后再完成變異, 最后得到新個體。

(4) 尋取適應(yīng)度最優(yōu)個體: 若群體適應(yīng)度變化不顯著, 或者已經(jīng)達到規(guī)定迭代次數(shù), 則進行第(5) 步, 否則返回第(2) 步。

(5) 得到配電網(wǎng)供電網(wǎng)格的規(guī)劃方案和供電網(wǎng)格內(nèi)新型源荷的配置位置和配置容量。

4 算例分析

分別選取城郊網(wǎng)絡(luò)、城區(qū)網(wǎng)絡(luò)、村鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)劃算例分析, 得到三類地區(qū)的規(guī)劃方案, 其Pareto 前沿如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 城郊網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化Pareto 前沿

圖2 城區(qū)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化Pareto 前沿

圖3 村鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化Pareto 前沿

從圖1 ～圖3 曲線可以發(fā)現(xiàn), 本文所提出的方法能夠計算得到完整的Pareto 前沿和Nash 均衡最優(yōu)解,三張圖中的曲線變化趨勢基本一致。但從具體數(shù)據(jù)分析可以看出提升效果最為明顯的是村鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò), 城郊網(wǎng)絡(luò)提升不明顯, 城區(qū)網(wǎng)絡(luò)提升效果最有限。

5 結(jié)束語

針對于大量新型源荷接入配電網(wǎng)運行導(dǎo)致的配電網(wǎng)可靠性降低、經(jīng)濟性不佳的問題, 本文基于“網(wǎng)上電網(wǎng)”系統(tǒng)的基礎(chǔ), 構(gòu)建了參考網(wǎng)格區(qū)域化自管理的基于源荷接入的配電網(wǎng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型, 并采用了遺傳算法進行了模型的求解, 通過算例驗證表明了該方法的有效性, 對于配電網(wǎng)發(fā)展較落后的地區(qū), 該方法對于供電可靠性和經(jīng)濟性的提高作用顯著。