計(jì)及負(fù)荷精細(xì)化建模的主動(dòng)配電網(wǎng)雙層規(guī)劃模型

顧曉文

摘 要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，現(xiàn)階段我國能源結(jié)構(gòu)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(guān)注。但傳統(tǒng)配電網(wǎng)受限于其被動(dòng)控制方式，難以應(yīng)對(duì)具有間歇性、波動(dòng)性特征的分布式電源所帶來的一系列問題，無論是配電網(wǎng)規(guī)劃還是主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃，截至目前，對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的文獻(xiàn)大多集中在解決某些局部問題上。然而，未來主動(dòng)配電網(wǎng)中必然存在較多的分布式能源，因此，對(duì)如何協(xié)調(diào)各類資源、實(shí)現(xiàn)資源的高效利用展開研究具有重要意義。通常配電網(wǎng)規(guī)劃多采用恒功率負(fù)荷模型，忽略了負(fù)荷的電壓靜特性。這類簡(jiǎn)化處理方法無法精確表征不同類型負(fù)荷的真實(shí)需求，以恒定功率負(fù)荷作為配電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，提出合理的配電網(wǎng)規(guī)劃模型，但所涉及的負(fù)荷模型較為粗糙，導(dǎo)致系統(tǒng)分析結(jié)果過于樂觀或悲觀。因此在未來配電網(wǎng)規(guī)劃建模中有必要考慮負(fù)荷的電壓靜特性，便于規(guī)劃運(yùn)行人員對(duì)負(fù)荷類型構(gòu)成進(jìn)行直觀掌控，通過數(shù)值方法進(jìn)行快速求解。

關(guān)鍵詞：計(jì)及負(fù)荷精細(xì)化建模;主動(dòng)配電網(wǎng);雙層規(guī)劃模型

引言

面對(duì)世界性的能源和環(huán)境問題，僅靠增加電源和變電站建設(shè)投資來滿足迅速增長(zhǎng)的電力需求的傳統(tǒng)電力規(guī)劃方式已凸現(xiàn)其不可持續(xù)性。基于綜合資源戰(zhàn)略規(guī)劃理論，從全社會(huì)角度，考慮光伏電源和可中斷負(fù)荷為代表的廣義電源，建立了主動(dòng)配電網(wǎng)區(qū)域能源擴(kuò)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(shè)、發(fā)電和污染治理的總成本最低為目標(biāo)，優(yōu)化各類電源裝機(jī)容量;下層規(guī)劃以網(wǎng)損最小為目標(biāo)，為廣義電源選址定容。最后結(jié)合單純形法和改進(jìn)PSO算法進(jìn)行求解。

1雙層規(guī)劃框架

“源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)規(guī)劃問題涉及到規(guī)劃及運(yùn)行兩方面，是一個(gè)多層嵌套問題：DG和ESS的配置容量會(huì)影響到運(yùn)行時(shí)的電網(wǎng)損耗，該影響體現(xiàn)在DG和ESS的配置容量代表了其功率的可調(diào)范圍;反過來，年網(wǎng)損費(fèi)用也會(huì)影響到DG和ESS的配置，該影響體現(xiàn)在年網(wǎng)損費(fèi)用是配置DG和ESS容量時(shí)目標(biāo)函數(shù)的一部分。本文根據(jù)多層優(yōu)化理論，基于分解協(xié)調(diào)的思想，建立綜合考慮“源-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)的雙層規(guī)劃模型。在上層規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)年綜合費(fèi)用最小化，下層協(xié)調(diào)運(yùn)行規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)年網(wǎng)損費(fèi)用最小化。年綜合費(fèi)用包含DG及ESS的年投資費(fèi)用和年維護(hù)費(fèi)用、DR年成本和電網(wǎng)年網(wǎng)損費(fèi)用。因此，上層規(guī)劃中將年綜合費(fèi)用最小作為目標(biāo)函數(shù)，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(wǎng)損費(fèi)用最小作為目標(biāo)函數(shù)，DG、ESS及可中斷負(fù)荷的功率作為優(yōu)化變量，潮流方程、節(jié)點(diǎn)電壓、線路電流、ESS及DG的運(yùn)行、可中斷負(fù)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(jì)算下層規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)，并將對(duì)應(yīng)每個(gè)時(shí)段的系統(tǒng)網(wǎng)損、DG、ESS、可中斷負(fù)荷、運(yùn)行狀態(tài)等返回上層規(guī)劃，用于準(zhǔn)確計(jì)算上層目標(biāo)函數(shù)，最終得出DG、ESS的最優(yōu)規(guī)劃方案，以及DG、ESS、可中斷負(fù)荷的最優(yōu)運(yùn)行策略。

2基于IRSP的主動(dòng)配電網(wǎng)區(qū)域能源擴(kuò)展雙層規(guī)劃模型

雙層規(guī)劃是一種具有二層遞階結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)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(biāo)函數(shù)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(dòng)配電網(wǎng)區(qū)域能源擴(kuò)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(yùn)行層面的各類電源選址定容及系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)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(chǔ)上以系統(tǒng)運(yùn)行網(wǎng)損最小為目標(biāo)，模擬系統(tǒng)運(yùn)行情況，優(yōu)化各類電源在待選節(jié)點(diǎn)上的安裝容量，并將最小網(wǎng)損結(jié)果返回給上層規(guī)劃;然后，上層規(guī)劃基于該結(jié)果修正各類電源隨發(fā)電利用小時(shí)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(huì)成本最小的IRSP區(qū)域能源擴(kuò)展規(guī)劃方案。

3 ADN規(guī)劃研究與方案對(duì)比分析

針對(duì)所提的模型和算法，分3種場(chǎng)景進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)劃研究。Case1考慮上一小節(jié)所示的計(jì)及風(fēng)光儲(chǔ)與充電站的協(xié)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(gè)充電站;Case3不考慮DG的儲(chǔ)能優(yōu)化策略?；诓煌囊?guī)劃思路進(jìn)行仿真計(jì)算，得到3組場(chǎng)景對(duì)應(yīng)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(xié)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(jí)為線型1;將支路1～3、7、11、14、30、32、34、37升級(jí)為線型2;新建線路編號(hào)為39、43、45、46、49、50、56、59、60。WG節(jié)點(diǎn)25和28安裝30kW，PV節(jié)點(diǎn)11和18安裝10kW，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)25安裝風(fēng)儲(chǔ)能設(shè)備。EV充電站的建站位置選在節(jié)點(diǎn)4、6、12，對(duì)應(yīng)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(zhì)量指標(biāo)為0.168。其中，投資、運(yùn)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(jí)為線型1;將支路1～4、6、7、23、25、28、36升級(jí)為線型2;新建線路編號(hào)為39、43、45、46、48～50、57、59、60。WG節(jié)點(diǎn)22和25分別安裝60kW、20kW，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)22安裝風(fēng)儲(chǔ)能設(shè)備。EV充電站的建站位置選在節(jié)點(diǎn)4、6、12、19、28，對(duì)應(yīng)的充入容量均為120.3kW。該方案總成本為5792.4萬元，電壓質(zhì)量指標(biāo)為0.151。其中，投資、運(yùn)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(jí)為線型1;將支路1、3、4、7、12、14、21、22、30、35、37升級(jí)為線型2;新建線路編號(hào)為39、43、45、46、49、50、56、57、59、60。WG節(jié)點(diǎn)22、25和28分別安裝50kW、130kW、40kW，PV節(jié)點(diǎn)31安裝30kW。EV充電站的建站位置選在節(jié)點(diǎn)4、12、28，對(duì)應(yīng)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(zhì)量指標(biāo)為0.3176。其中，投資、運(yùn)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(chǔ)能投資成本，但儲(chǔ)能協(xié)調(diào)優(yōu)化策略可以在負(fù)荷低谷期儲(chǔ)存過剩的DG出力，并在負(fù)荷高峰期進(jìn)行釋放，大大提高了DG的利用率。當(dāng)規(guī)劃的總負(fù)荷需求固定時(shí)，其可以有效降低DG的投資成本和運(yùn)維成本。

結(jié)語

通過投資運(yùn)行耦合關(guān)聯(lián)和線性化等值處理，將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃模型進(jìn)行求解，結(jié)果表明采用負(fù)荷的精細(xì)化模型，能為主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃提供一定的參考。同時(shí)，系統(tǒng)電壓更趨于穩(wěn)定，提高配電網(wǎng)系統(tǒng)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(duì)上下層變量關(guān)聯(lián)建模和線性等值處理，引入二階錐松弛，將原模型轉(zhuǎn)化為單層混合整數(shù)線性規(guī)劃，大大提高了求解速度和計(jì)算精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇文輝，林章歲，李喜蘭，等.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定的影響研究[J].電測(cè)與儀表，2014，51（14）：41-46.

[2]曾博，劉念，張玉瑩，等.促進(jìn)間歇性分布式電源高效利用的主動(dòng)配電網(wǎng)雙層場(chǎng)景規(guī)劃方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（9）：155-163.

[3]方陳，張翔，程浩忠，等.主動(dòng)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.

[4]朱勇，楊京燕，張冬清.基于有功網(wǎng)損最優(yōu)的分布式電源規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（21）：12-16.