计及规模化电蓄热设备接入配电网多目标扩展规划方法

1.本发明属于配电网规划技术领域，具体涉及计及规模化电蓄热设备接入配电网多目标扩展规划方法。


背景技术：

2.大规模电热设备接入配电网引起的负荷增长会导致配电网负荷承载能力不足，而电蓄热设备接入配电网能够有效移峰填谷，降低用电高峰期负荷需求。现有技术中，首先是以提高场景有效性为目的生成热负荷，但现有建模方法考虑因素相对单一，建模精度不足。然后是蓄热式电锅炉运行策略的决策，传统的两段式运行策略及分组投入/退出运行策略灵活性不足，且不能有效利用风、光等清洁电源供电。最后是配电网的扩展规划，现有技术多为以经济性为目标的单目标规划，难以同时兼顾配电系统运行可靠性及线路负载率均匀性。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种计及规模化电蓄热设备接入配电网多目标扩展规划方法，具有热负荷建模精度高、配电网规划后线路负载率均匀性强的特点。
4.本发明所采用的技术方案是，计及规模化电蓄热设备接入配电网多目标扩展规划方法，具体按照以下步骤实施：
5.步骤1、在热传递特性的分析中结合风速，建立由建筑围护结构形成的采暖建筑内部温度时变方程，根据温度时变方程建立电热负荷模型；
6.步骤2、建立关于蓄热电锅炉的模型；
7.步骤3、建立配电网双层多目标规划模型；
8.步骤4、嵌套的混合粒子群优化算法求解。
9.本发明的特点还在于：
10.步骤1具体过程为：
11.计算τ时刻建筑空间内部通过墙面与室外热传递获得的热量q
wall
，表示为：
12.q
wall
(τ)＝vb
wallhin
[t
in
(τ)-t
out
(τ)]τ＝1,2,...,24
ꢀꢀꢀ
(1)
[0013]
式中：v为供热面积；b
wall
为单位供暖面积内等效墙体面积；h
in
为单位面积墙体内表面与空气的传热系数，它与墙体内表面温度有关；t
in
(τ)、t
out
(τ)分别为τ时刻室内、外温度；
[0014]
τ时刻室内通过窗户与室外热传递获得的热量，表示为：
[0015]qwin
(τ)＝vb
wincwinawinzwin
ꢀꢀꢀ
(2)
[0016]
式中，b
win
为单位供暖面积内等效窗户面积；a
win
为单位面积窗户的太阳辐射得热系数；c
win
为玻璃冷负荷系数；z
win
为玻璃的遮阳系数；
[0017]
τ时刻室内经空气交换得热量q
out
(τ)，表示为：
[0018]
[0019]
式中：为室外风速；g
out
为综合换热系数；
[0020]
τ时刻经供暖系统送入室内的热量q
eb
(τ)，表示为：
[0021]qeb
(τ)＝q
eb
(τ) p
eb
(τ)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0022]
式中，q
eb
(τ)为τ时刻蓄热电锅炉提供的热量；p
eb
(τ)为τ时刻直热式电采暖设备提供的热量；
[0023]
由建筑围护结构形成的采暖建筑内部温度时变方程为：
[0024][0025]
式中，ca为电热负荷需求量；
[0026]
根据温度时变方程建立电热负荷模型，即为公式(5)中的ca。
[0027]
步骤2蓄热电锅炉包括电锅炉和蓄热装置，步骤2具体过程为：
[0028]
对电锅炉建立出力模型，表示为：
[0029]heb,t
＝p
eb
η
ah
ꢀꢀꢀ
(6)
[0030]
式中：p
eb
和h
eb,t
分别为t时段电锅炉用电量和制热量；η
ah
为电锅炉电热转换效率；
[0031]
对蓄热装置建立蓄热容量数学模型，表示为：
[0032][0033]
式中：q
t
为t时段蓄热装置蓄热量；μ为散热损失率；q
in,t
、q
out,t
为t时刻的吸放热功率；λ
in,t
、λ
out,t
为t时刻的吸放热效率。
[0034]
步骤3中配电网双层多目标规划模型包括上层规划模型和下层规划模型；
[0035]
配电网双层多目标规划具体指：
[0036]
上层规划通过对蓄热电锅炉运行策略的决策，实现碳排放量最小化；
[0037]
下层规划以配电网规划总成本和系统负载率均匀性为目标，对配电网进行多目标扩展规划。
[0038]
步骤3中建立上层规划模型具体过程为：
[0039]
建立上层规划模型的目标函数及约束条件，具体为：
[0040]
上层规划模型以碳排放量最小为目标建立目标函数，表示为：
[0041][0042]
式中，为系统总碳排放量；t为设备运行时间周期；α为火电机组综合碳排放系数；p
t
为火电机组t时段出力；δt为时间间隔；
[0043]
上层规划模型的约束条件，表示为：
[0044]
功率平衡约束：
[0045][0046][0047]
式中，pi和qi分别为节点i的有功和无功总出力；p
ifl
，q
ifl
分别为节点i流出的有功及无功；p
ihs
，q
ihs
分别为节点i上的蓄热电锅炉消耗的有功以及储存的热量；ω为节点i的相
邻节点集合；θ
ij
为两节点之间的电压相角差；
[0048]
节点电压约束：
[0049]vi,min
≤vi≤v
i,max
ꢀꢀꢀ
(11)
[0050]
式中，vi为节点i电压；v
i,min
，v
i,max
分别为节点i电压上、下限；
[0051]
支路电流约束：
[0052]
|ii|≤|i
i,max
|
ꢀꢀꢀ
(12)
[0053]
式中，ii为线路i电流；i
i,max
为线路最大载流量；
[0054]
蓄热电锅炉出力约束：
[0055]qmin
≤q
t
≤q
max t＝1,2,
…
,24
ꢀꢀꢀ
(13)
[0056][0057][0058]
式(13)、(14)、(15)中，q
t
为蓄热装置在t时段末的储热容量；和为t时刻输入、输出热功率；q
max
和q
min
分别为储热装置的容量上、下限；q
in,min
、q
in,max
和q
out,min
，q
out,max
分别为输入、输出热功率的上、下限；
[0059]
可靠性约束：
[0060]
p
t,s
≥p
t,m t＝1,2,
…
,24
ꢀꢀꢀ
(16)
[0061]
式中，p
t,s
为t时刻火电、风、光机组总出力；p
t,m
为极端气象条件下t时刻电热负荷需求量；
[0062]
电源出力约束：
[0063][0064][0065][0066]
式中，分别为t时刻光伏、风电、火电机组出力；分别为t时刻光伏、风电、火电机组出力；分别为t时刻光伏、风电、火电机组出力上、下限。
[0067]
步骤3中建立下层规划模型具体过程为：
[0068]
建立下层规划模型的目标函数及约束条件，具体为：
[0069]
以经济性及负载率均匀性为目标建立下层规划模型的目标函数，表示为：
[0070]
1)均匀性目标函数：
[0071]
负载率为配电线路实际传输功率与其极限传输功率的比值，将其作为衡量配电网均匀性的指标，线路i的负载率li的表达式如下：
[0072][0073]
式中：i＝1,2,3
…
m，ci、c
imax
分别为配电线路实际传输功率及传输功率最大值；定义向量l＝[l1,l2,
…
,lm]
t
为某一时段内配电网中所有线路的负载率向量，为l1～lm的平均值，不均匀度表示如下：
[0074]
h＝λh1 μh2ꢀꢀꢀ
(21)
[0075][0076]
h2＝max{li}-min{li}
ꢀꢀꢀ
(23)
[0077]
式中：h1为配电网负载率方差，表征系统中负载率平均分布情况；h2为配电网负载率极差，表征系统中负载率最差偏差值；λ和μ是二者的权重系数，分别表征h1与h2的影响程度，二者的和为1；
[0078]
2)经济性目标函数
[0079]
在配电网规划中，以全社会年综合成本最小为目标，其包括配电网投资成本、配电网运行成本，表示为：
[0080]
min f1＝min(o1 o2)
ꢀꢀꢀ
(24)
[0081]
式中：o1为配电网投资成本；o2为配电网运行成本；
[0082]
下层规划模型的约束条件为：
[0083]
配电网规划投资成本约束：
[0084]
在整个规划期内要求建设总成本小于成本上限，即
[0085][0086]
式中：y是线路的候选集合；cy是单位容量新建线路的费用；ly为单条新建线路的容量；xy为线路投建0，1变量，当xy＝1时，线路投建，当xy＝0时，线路不投建，c
1,max
是配电网线路投资成本最大费用；
[0087]
配电网规划中，线路传输容量的上下限约束为
[0088]
p
i,d,min
≤p
i,d
≤p
i,d,max
ꢀꢀꢀ
(28)
[0089]
式中：p
i,d
是线路i的实际传输容量；p
i,d,min
、p
i,d,max
分别是第i条线传输容量上、下限；
[0090]
配电网规划中，新建线路的条数不应超过某一限值，其约束为：
[0091]
0≤y≤y
max
ꢀꢀꢀ
(29)
[0092]
式中：y
max
为待选线路条数上限值；
[0093]
节点功率平衡约束：
[0094]
配电网中注入节点的功率与节点负荷需求的差值应等于支路上消耗的功率，即
[0095][0096]
式中：p
h,z
和p
h,f
分别为注入节点h的有功及节点h的负荷需求；b
hm
为节点h、m间线路电纳；θh、θm为节点h、m间相角；h为配电网节点集合，其中h、m∈h；
[0097]
线路潮流约束：
[0098]
要求两节点间线路上的传输功率不大于该条线路的最大允许传输功率，即
[0099]
uhum(g
hm
cosθ
hm
b
hm
sinθ
hm
)≤p
hmmax
ꢀꢀꢀ
(31)
[0100]
式中：p
hmmax
为节点m的和节点h间线路的功率上限。
[0101]
步骤4具体过程为：
[0102]
步骤4.1、建立配电网的节点配电系统模型，向模型中输入配电网参数、初始网架结构、配电网线路选型及安装运行成本；
[0103]
步骤4.2、初始化上层粒子种群和迭代次数，根据公式(5)建模得典型日电热负荷曲线，将其叠加到典型日电负荷曲线上获得含电热负荷的负荷曲线，对含电热负荷的负荷曲线的纵坐标进行整数编码，随机产生上层初始粒子群；
[0104]
步骤4.3、由上层目标函数及条件约束，由原始电采暖设备各时段出力，通过粒子群算法寻优获得蓄热电锅炉各时段出力，剔除并更新不满足约束条件的方案，将蓄热电锅炉蓄热量产生的电负荷需求叠加到含电热负荷的负荷曲线上，将叠加后获得的曲线作为基础参数输入到下层模型；
[0105]
步骤4.4、初始化下层粒子的迭代次数和种群，对待建线路的安装位置进行二进制编码，随机产生下层粒子速度及位置，初始化下层粒子群；
[0106]
步骤4.5、根据上层确定的蓄热电锅炉各时段出力方案进行线路扩建，并返回步骤4.3；
[0107]
步骤4.6、计算建设成本、运行成本、负载率方差、系统负载率极差，执行下层规划模型的目标函数，根据步骤4.3叠加后获得的曲线更新下层各网架结构方案对应的线路各决策变量个体极值和全体极值，将全体极值作为各方案对应的最优解；更新下层粒子的速度和位置；
[0108]
步骤4.7、判断是否满足下层规划模型收敛条件，是则转向下一步骤，否则返回步骤4.5；
[0109]
步骤4.8、根据下层规划结果，进行上层的碳排放量计算，结合下层数据，执行上层规划模型的目标函数，得到上层个体极值，将上层个体极值作为全局极值，并更新上层粒子的速度和位置；
[0110]
步骤4.9、判断是否满足上层规划模型收敛条件，是则执行步骤4.10，否则返回步骤4.3；
[0111]
步骤4.10、输出下层全局极值作为最优规划方案。
[0112]
本发明的有益效果是，
[0113]
本发明计及规模化电蓄热设备接入配电网多目标扩展规划方法，具有热负荷建模精度高、配电网规划后线路负载率均匀性强的特点。首先，为提高典型场景有效性，综合考虑建筑物结构、室内外热传递特性以及光照强度等气象因素生成热负荷，同时在热传递因素方面考虑风速影响，这种方法能更加精确的实现热负荷的建模；其次在蓄热式电锅炉运行策略的决策方面，本发明考虑风光电源各时段出力特性，以碳排放最低为目标确定蓄热式电锅炉的运行策略，在降低碳排放的同时，更加灵活的运行策略也能够有效移峰填谷，减小用电高峰时段配电网供电压力。最后，本发明以经济性及负载率均匀性为目标对配电网进行多目标扩展规划，采用嵌套的混合粒子群优化算法进行求解，求解结果具有总成本低、线路负载率均匀性强的特点。
附图说明
[0114]
图1是本发明计及规模化电蓄热设备接入的配电网多目标扩展规划的建筑热过程影响因素图；
[0115]
图2是本发明计及规模化电蓄热设备接入的配电网多目标扩展规划的双层规划结构图；
[0116]
图3是嵌套的混合粒子群优化算法求解流程图；
[0117]
图4是ieee33配电系统初始网络结构图；
[0118]
图5是本发明实施例中典型场景数据曲线图；
[0119]
图6是本发明实施例中典型日室外温度曲线图；
[0120]
图7是本发明实施例中含电热负荷的典型日负荷曲线图；
[0121]
图8是本发明实施例中3种模型蓄热时段及蓄热量变化图；
[0122]
图9是本发明实施例中3种模型优化后负荷曲线图；
[0123]
图10是本发明实施例中3种模型负载率均匀性变化示意图。
具体实施方式
[0124]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0125]
计及规模化电蓄热设备接入配电网多目标扩展规划方法，具体按照以下步骤实施：
[0126]
步骤1、在对建筑热负荷特性建模时，需要充分考虑室外温度、建筑结构和室内外热传递的影响。在热传递特性的分析中考虑风速的影响，使热负荷的建模结果更加精确。影响建筑热过程的各类因素如图1，基于建筑热过程影响因素的分析，由建筑围护结构形成的采暖建筑内部温度时变方程为：
[0127][0128]
式中，ca为电热负荷需求量；q
wall
(τ)为τ时刻建筑空间内部通过墙面与室外热传递获得的热量；q
win
(τ)为τ时刻室内通过窗户与室外热传递获得的热量；q
out
(τ)为τ时刻室内经空气交换得热量；q
eb
(τ)为τ时刻经供暖系统送入室内的热量。
[0129]
根据温度时变方程建立电热负荷模型，即为公式(5)中的ca。
[0130]
针对公式(5)中各部分建立时变方程：
[0131]
(1)计算τ时刻建筑空间内部通过墙面与室外热传递获得的热量q
wall
，表示为：
[0132]qwall
(τ)＝vb
wallhin
[t
in
(τ)-t
out
(τ)]τ＝1,2,...,24
ꢀꢀꢀ
(1)
[0133]
式中：v为供热面积；b
wall
为单位供暖面积内等效墙体面积；h
in
为单位面积墙体内表面与空气的传热系数，它与墙体内表面温度有关；t
in
(τ)、t
out
(τ)分别为τ时刻室内、外温度；
[0134]
(2)τ时刻室内通过窗户与室外热传递获得的热量，表示为：
[0135]qwin
(τ)＝vb
wincwinawinzwin
ꢀꢀꢀ
(2)
[0136]
式中，b
win
为单位供暖面积内等效窗户面积；a
win
为单位面积窗户的太阳辐射得热系数；c
win
为玻璃冷负荷系数；z
win
为玻璃的遮阳系数；
[0137]
(3)τ时刻室内经空气交换得热量q
out
(τ)，表示为：
[0138][0139]
式中：为室外风速；g
out
为综合换热系数；
[0140]
(4)供暖设备产热量指由供暖系统传入室内的热量。供暖系统在此特指直热式电采暖设备和蓄热式电锅炉；τ时刻经供暖系统送入室内的热量q
eb
(τ)，表示为：
[0141]qeb
(τ)＝q
eb
(τ) p
eb
(τ)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0142]
式中，q
eb
(τ)为τ时刻蓄热电锅炉提供的热量；p
eb
(τ)为τ时刻直热式电采暖设备提供的热量.
[0143]
步骤2、建立关于蓄热电锅炉的模型，蓄热电锅炉包括电锅炉和蓄热装置；具体过程为：
[0144]
电锅炉也是能量形式转换的耦合单元，依靠电器元件通电达到加热目的。同时，电锅炉不产生燃烧的化学反应，能实现零碳排放，制热效率与自动化程度高。对电锅炉建立出力模型，表示为：
[0145]heb,t
＝p
eb
η
ah
ꢀꢀꢀ
(6)
[0146]
式中：p
eb
和h
eb,t
分别为t时段电锅炉用电量和制热量；η
ah
为电锅炉电热转换效率，取值一般大于95％；
[0147]
电锅炉加装蓄热装置后，打破传统的“以热定电”的运行模式，能有效移峰填谷，使电锅炉的用电情况不受热负荷需求限制，可根据风、光电源出力情况灵活决策电蓄热锅炉的运行策略。对蓄热装置建立蓄热容量数学模型，表示为：
[0148][0149]
式中：q
t
为t时段蓄热装置蓄热量；μ为散热损失率；q
in,t
、q
out,t
为t时刻的吸放热功率；λ
in,t
、λ
out,t
为t时刻的吸放热效率。二者取值范围均为88％～92％。
[0150]
步骤3、双层规划模型上、下层之间是相互响应的，同时上、下层之间信息相互传递。在满足电网运行可靠性前提下，综合考虑配电网规划总成本、负载率均匀性和碳排放量等，建立双层规划模型。上层规划通过对蓄热式电锅炉运行策略的决策，实现碳排放量最小化。在上层所确定的运行策略基础上，下层规划以配电网规划总成本和系统负载率均匀性为目标，对配电网进行多目标扩展规划。双层规划结构如图2所示。
[0151]
上层结合风、光电源出力特性，以碳排放量最低为目标进行蓄热式电锅炉运行策略的决策，并将决策结果对负荷的影响叠加到典型日负荷曲线上传递给下层，作为配电网扩展规划的基础。上层模型以更加灵活的方法进行蓄热式电锅炉运行策略的决策，在实现低碳目标的同时，还能与下层之间传递相关信息，提高配电系统均匀性。
[0152]
建立上层规划模型具体过程为：
[0153]
建立上层规划模型的目标函数及约束条件，具体为：
[0154]
上层以碳排放量最小为目标函数。在电源侧，风、光电源能够实现零碳排放，主要的碳排放来源为火电机组，因此只需计算火电机组碳排放即可，表达式如下：
[0155][0156]
式中，为系统总碳排放量；t为设备运行时间周期，取值为24h；α为火电机组综合碳排放系数，取值为0.85～0.95kg/(kw
·
h)；p
t
为火电机组t时段出力；δt为时间间隔，取值为1h。
[0157]
结合实际配电网的运行要求，上层模型约束包括：
[0158]
1)功率平衡约束：
[0159][0160][0161]
式中，pi和qi分别为节点i的有功和无功总出力；p
ifl
，q
ifl
分别为节点i流出的有功及无功；p
ihs
，q
ihs
分别为节点i上的蓄热电锅炉消耗的有功以及储存的热量；ω为节点i的相邻节点集合；θ
ij
为两节点之间的电压相角差；
[0162]
2)节点电压约束：
[0163]vi,min
≤vi≤v
i,max
ꢀꢀꢀ
(11)
[0164]
式中，vi为节点i电压；v
i,min
，v
i,max
分别为节点i电压上、下限；
[0165]
3)支路电流约束：
[0166]
|ii|≤|i
i,max
|
ꢀꢀꢀ
(12)
[0167]
式中，ii为线路i电流；i
i,max
为线路最大载流量；
[0168]
4)蓄热电锅炉出力约束：
[0169]qmin
≤q
t
≤q
max t＝1,2,
…
,24
ꢀꢀꢀ
(13)
[0170][0171][0172]
式(13)、(14)、(15)中，q
t
为蓄热装置在t时段末的储热容量；和为t时刻输入、输出热功率；q
max
和q
min
分别为储热装置的容量上、下限；q
in,min
、q
in,max
和q
out,min
，q
out,max
分别为输入、输出热功率的上、下限；
[0173]
5)可靠性约束：
[0174]
p
t,s
≥p
t,m t＝1,2,
…
,24
ꢀꢀꢀ
(16)
[0175]
式中，p
t,s
为t时刻火电、风、光机组总出力；p
t,m
为极端气象条件下t时刻电热负荷需求量；
[0176]
6)电源出力约束：
[0177][0178][0179][0180]
式中，分别为t时刻光伏、风电、火电机组出力；分别为t时刻光伏、风电、火电机组出力；分别为t时刻光伏、风电、火电机组出力上、下限。
[0181]
下层规划以配电网规划总成本和系统负载率均匀性为目标，对配电网进行多目标扩展规划。建立下层规划模型具体过程为：
[0182]
建立下层规划模型的目标函数及约束条件，具体为：
[0183]
以经济性及负载率均匀性为目标建立下层规划模型的目标函数，表示为：
[0184]
1)均匀性目标函数：
[0185]
在配电网运行过程中，由于系统内各设备及配电网网架运行时各项参数具有差异性，且各设备在运行过程中被多种随机因素影响，因此当配电系统发生波动时，在时空上会
具有不均匀的特征。负载率为配电线路实际传输功率与其极限传输功率的比值，将其作为衡量配电网均匀性的指标较为合理。线路i的负载率li的表达式如下：
[0186][0187]
式中：i＝1,2,3
…
m，ci、c
imax
分别为配电线路实际传输功率及传输功率最大值；定义向量l＝[l1,l2,
…
,lm]
t
为某一时段内配电网中所有线路的负载率向量，为l1～lm的平均值，不均匀度表示如下：
[0188]
h＝λh1 μh2ꢀꢀꢀ
(21)
[0189][0190]
h2＝max{li}-min{li}
ꢀꢀꢀ
(23)
[0191]
式中：h1为配电网负载率方差，表征系统中负载率平均分布情况；h2为配电网负载率极差，表征系统中负载率最差偏差值；λ和μ是二者的权重系数，分别表征h1与h2的影响程度，二者的和为1；
[0192]
2)经济性目标函数
[0193]
在配电网规划中，以全社会年综合成本最小为目标，其包括配电网投资成本、配电网运行成本，表示为：
[0194]
min f1＝min(o1 o2)
ꢀꢀꢀ
(24)
[0195]
式中：o1为配电网投资成本；o2为配电网运行成本；各成本具体计算方法如下。
[0196]
配电网投资成本：
[0197]
在配电网规划中，根据每条线路的建设成本及容量，将配电网新建线路投资成本表达为：
[0198][0199]
式中：y是线路的候选集合；cy是单位容量新建线路的费用；ly为单条新建线路的容量；xy为线路投建0，1变量，当xy＝1时，线路投建，当xy＝0时，线路不投建。
[0200]
配电网运行成本：
[0201]
配电网在规划期内需要考虑运行成本，将年运行成本表示为一定比例的配电网投资成本，具体表示为
[0202][0203]
式中：m表示原有的线路集合；p
l
是原有线路集合中第l条线路的容量；m是线路的运行维护成本系数，可取2％～5％。
[0204]
下层规划模型的约束条件为：
[0205]
配电网规划投资成本约束：
[0206]
在整个规划期内要求建设总成本小于成本上限，即
[0207][0208]
式中：y是线路的候选集合；cy是单位容量新建线路的费用；ly为单条新建线路的容量；xy为线路投建0，1变量，当xy＝1时，线路投建，当xy＝0时，线路不投建，c
1,max
是配电网线
路投资成本最大费用；
[0209]
配电网规划中，线路传输容量的上下限约束为
[0210]
p
i,d,min
≤p
i,d
≤p
i,d,max
ꢀꢀꢀ
(28)
[0211]
式中：p
i,d
是线路i的实际传输容量；p
i,d,min
、p
i,d,max
分别是第i条线传输容量上、下限；
[0212]
配电网规划中，新建线路的条数不应超过某一限值，其约束为：
[0213]
0≤y≤y
max
ꢀꢀꢀ
(29)
[0214]
式中：y
max
为待选线路条数上限值；
[0215]
节点功率平衡约束：
[0216]
配电网中注入节点的功率与节点负荷需求的差值应等于支路上消耗的功率，即
[0217][0218]
式中：p
h,z
和p
h,f
分别为注入节点h的有功及节点h的负荷需求；b
hm
为节点h、m间线路电纳；θh、θm为节点h、m间相角；h为配电网节点集合，其中h、m∈h；
[0219]
线路潮流约束：
[0220]
要求两节点间线路上的传输功率不大于该条线路的最大允许传输功率，即
[0221]
uhum(g
hm
cosθ
hm
b
hm
sinθ
hm
)≤p
hmmax
ꢀꢀꢀ
(31)
[0222]
式中：p
hmmax
为节点m的和节点h间线路的功率上限。
[0223]
步骤4、嵌套的混合粒子群优化算法求解，模型中，上层的蓄热式电锅炉运行策略传递到下层，下层将配电网规划结果传递到上层，上层更新参数后，再进行下一轮的上下层迭代求解。上、下层之间循环迭代，获得最终的蓄热式电锅炉运行策略及配电网扩展规划结果。
[0224]
采用嵌套的混合粒子群优化算法进行优化求解。双层优化模型在各自寻优过程中具有交互关联性，下层配电网扩展规划基于上层蓄热电锅运行策略及典型场景的决策结果，同时下层模拟求得的总运行成本和负载率均匀性又将返回上层，作为上层优化目标的一部分，通过双层迭代寻优，完善最终规划结果。算法流程图如图3所示，，具体过程为：
[0225]
步骤4.1、建立配电网的节点配电系统模型，向模型中输入配电网参数、初始网架结构、配电网线路选型及安装运行成本；
[0226]
步骤4.2、初始化上层粒子种群和迭代次数，根据公式(5)建模得典型日电热负荷曲线，将其叠加到典型日电负荷曲线上获得含电热负荷的负荷曲线，对含电热负荷的负荷曲线的纵坐标进行整数编码，随机产生上层初始粒子群；
[0227]
步骤4.3、由上层目标函数及条件约束，由原始电采暖设备各时段出力，通过粒子群算法寻优获得蓄热电锅炉各时段出力，剔除并更新不满足约束条件的方案，将蓄热电锅炉蓄热量产生的电负荷需求叠加到含电热负荷的负荷曲线上，将叠加后获得的曲线作为基础参数输入到下层模型；
[0228]
步骤4.4、初始化下层粒子的迭代次数和种群，对待建线路的安装位置进行二进制编码，随机产生下层粒子速度及位置，初始化下层粒子群；
[0229]
步骤4.5、根据上层确定的蓄热电锅炉各时段出力方案进行线路扩建，并返回步骤4.3；
[0230]
步骤4.6、计算建设成本、运行成本、负载率方差、系统负载率极差，执行下层规划模型的目标函数，根据步骤4.3叠加后获得的曲线更新下层各网架结构方案对应的线路各决策变量个体极值和全体极值，将全体极值作为各方案对应的最优解；更新下层粒子的速度和位置；
[0231]
步骤4.7、判断是否满足下层规划模型收敛条件，是则转向下一步骤，否则返回步骤4.5；
[0232]
步骤4.8、根据下层规划结果，进行上层的碳排放量计算，结合下层数据，执行上层规划模型的目标函数，得到上层个体极值，将上层个体极值作为全局极值，并更新上层粒子的速度和位置；
[0233]
步骤4.9、判断是否满足上层规划模型收敛条件，是则执行步骤4.10，否则返回步骤4.3；
[0234]
步骤4.10、输出下层全局极值作为最优规划方案。
[0235]
实施例
[0236]
本发明以ieee33配电系统为算例进行仿真验证。ieee33配电系统初始网络如图4：
[0237]
该配电系统节点数为33，基准电压为12.66kv，线路条数为32，功率基准值取10mv
·
a，候选线路条数为32。
[0238]
蓄热式电锅炉共50mw，已知其预期安装位置分别为节点2、6、10、14、30。采用的负荷、风电出力及光伏出力数据来自实际的变电站、风电场及光伏发电厂，室外温度来源于东北某地区实际数据。按照负荷、风电、光伏、室外温度的历史数据选择供暖季典型场景。典型场景数据如图5所示，室外温度如图6所示。
[0239]
在给定的供暖建筑结构特性参数和气象条件下，将光照强度、建筑参数等因素(具体参数见表1)代入式(1)～(5)求取系统的热负荷需求量。将热负荷叠加到电负荷上，结果如图7。
[0240]
表1
[0241][0242]
为证明本发明所提方法的有效性和合理性，考虑配电网规划的经济性、碳排放、网络拓扑结构的均匀性、将本发明模型与多种模型进行对比分析。具体如下：模型1，蓄热式电锅炉在传统的两段式控制方式下对配电网进行单层多目标规划；模型2，不考虑均匀性对配电网进行双层单目标规划；模型3，本发明所提双层多目标规划方法。
[0243]
图8为3种模型运行策略决策结果，采用图8决策结果后的优化效果如图9。3种模型
下碳排放量分别为640.99t、420.57t、446.37t。
[0244]
由模型1和模型3对比可知：模型1蓄热时段固定，均为用电低谷期，而模型3蓄热时段更加灵活。相较于模型1而言，模型3优化后负荷曲线更加平滑，削峰填谷效果好且碳排放量减少30.4％。这是因为在模型1中，蓄热式电锅炉运行方式为传统的两段式控制方式，而更加灵活的运行策略能够更好地发挥蓄热式电锅炉移峰特性，且模型1没有考虑风、光电源出力特性，蓄热式电锅炉在火电机组占比大的时段蓄热，因此碳排放量增大。
[0245]
由模型2和模型3对比可知：模型2蓄热时段较少，但就总体而言，各时段蓄热量更大。模型3优化后削峰填谷效果略优于模型2，但碳排放量增加5.7％。这是因为在模型3中，下层目标函数综合考虑经济性及负载率均匀性两个目标，对蓄热式电锅炉运行条件的限制更大，模型2没有负载率均匀性限制，能够更高效的在风、光电源出力占比大的时段进行蓄热，因此碳排放量更少。尽管总成本及碳排放量方面，模型2均略强于模型3，但是由于模型2并未考虑负载率均匀性影响，系统可靠性差，均匀性的分析将在下文阐述。
[0246]
3种模型新建配电线路结果如表2所示，规划总成本等相关指标如表3所示。各模型负载率均匀性指标如图10所示。
[0247]
表2
[0248][0249][0250]
注：新建线路中的m(i-j)，表示在节点i和节点j之间新建编号m的一条线。
[0251]
表3
[0252][0253]
由模型1和模型3对比可知：模型3新建线路条数与模型1相比减少2条，总成本减少19.7％。这是因为蓄热式电锅炉在模型1中的两段式控制方式下，蓄热时段负荷增长明显，线路承载能力不足，导致新建线路条数增多，总成本增大。均匀性方面，模型1中蓄热式电锅炉安装节点在蓄热时段负载波动大，负载率极差增大，因此模型1均匀性略差。
[0254]
由模型2和模型3对比可知：模型3新建线路条数与模型2相比增加了1条，总成本增加10.2％。这是因为在模型3中，下层目标函数考虑了负载率均匀性目标，对线路承载能力有更高要求，为了维持负载率均匀性水平，需要扩建更多线路，因此总成本更高。在均匀性方面，由于模型2并未考虑负载率均匀性影响，会有部分配电线路负载率接近阈值，此时线路处于重载状态，若某条线路发生发生故障，则容易引发大规模潮流转移，造成大规模连锁性故障。而模型3综合考虑了配电网的网络拓扑结构，使得配电网的线路负载率更加均匀，有效提高系统运行可靠性。
[0255]
通过上述方式，本发明计及规模化电蓄热设备接入配电网多目标扩展规划方法，具有热负荷建模精度高、配电网规划后线路负载率均匀性强的特点。首先，为提高典型场景有效性，综合考虑建筑物结构、室内外热传递特性以及光照强度等气象因素生成热负荷，同时在热传递因素方面考虑风速影响，这种方法能更加精确的实现热负荷的建模；其次在蓄热式电锅炉运行策略的决策方面，本发明考虑风光电源各时段出力特性，以碳排放最低为目标确定蓄热式电锅炉的运行策略，在降低碳排放的同时，更加灵活的运行策略也能够有效移峰填谷，减小用电高峰时段配电网供电压力。最后，本发明以经济性及负载率均匀性为目标对配电网进行多目标扩展规划，采用嵌套的混合粒子群优化算法进行求解，求解结果具有总成本低、线路负载率均匀性强的特点。