一种交直流混合配电网规划方法、介质及系统与流程

1.本发明涉及交直流混合配电网规划技术领域，尤其涉及一种交直流混合配电网规划方法、介质及系统。


背景技术：

2.交直流混合配电网的拓扑结构如图1所示，直流配电网和交流配电网通过电压源换流器vsc(voltage source converter)连接构成交直流混合配电网。直流配电网中接有各类直流负荷、光伏机组、储能装置等。交流配电网中接有交流负荷、风电机组、光伏机组等。通过高效调度各种泛在灵活性资源可实现交直流混合配电网的安全经济运行和高效决策。
3.含光伏和风电等分布式电源、交直流负荷以及储能在内的全要素交直流配电网络示意图如图2所示，其特点在于电力电子装置是其中的核心环节，因此交直流混合配电网具有高度电力电子化特征，可以大幅提升系统的稳定性、可控性和灵活性；另一方面，其兼容交直流两种电能形式，在为当前交流负荷供电的同时便于高比例可再生能源的接入，降低了系统复杂度，能够提高能量传输效率。
4.配电网的灵活性应具备应对不同时间尺度下单个或多个单元的波动性和随机不确定性，包括风机和光伏出力的不确定性以及电动汽车等新型负荷需求的不确定性。因此，配电网的灵活性具有多时间尺度、双向调节、多分布空间的多维特征，电力系统的供需平衡可以满足不同的时间尺度的变化。一方面，电力系统内的灵活性资源的可调度灵活性容量是随着系统的时序变化而发生变化，在系统运行的不同时刻，灵活性资源的参数也实时发生变化。另一方面，电力系统灵活性资源的响应时间和响应速度是不同的，和灵活性需求之间存在明显的差异。因此，在配电网规划中基于供需平衡考虑灵活性具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种交直流混合配电网规划方法、介质及系统，以解决现有技术进行交直流混合配电网规划未考虑灵活性资源的问题。
6.第一方面，提供一种交直流混合配电网规划方法，包括：
7.建立由下层运行层的目标函数和上层规划层的目标函数组成的交直流混合配电网规划的双层模型；
8.分别确定所述运行层和所述规划层的目标函数的约束条件；
9.分别在所述运行层和所述规划层的约束条件下，求解所述双层模型，输出最优的灵活性资源的位置和容量，使按照所述最优的灵活性资源的位置和容量规划所述交直流混合配电网；
10.其中，所述运行层的目标函数为：
11.minf1＝cf c
om
c
env
c
dr
cg c
loss
c
dre
；
12.f1表示系统年运行成本，cf表示燃料成本，c
om
表示灵活资源运维成本，c
env
表示污
染物治理成本，c
dr
表示需求响应负荷补偿成本，cg表示主网购电成本，c
loss
表示网损成本，c
dre
表示弃风弃光惩罚费用；
13.其中，所述规划层的目标函数包括：
14.系统综合经济性目标函数：
15.minf2＝f1 c
inv
；
16.f2表示系统年综合成本，c
inv
表示灵活资源投资成本，c
inv,mt
表示微型燃气轮机单位容量投资成本，c
inv,ess
表示电力系统储能设备单位容量投资成本，p
i,mt
表示节点i的微型燃气轮机安装容量，e
i,ess
表示节点i的电力系统储能设备安装容量，n
mt
表示微型燃气轮机待安装数量，n
ess
表示电力系统储能设备待安装数量，n表示灵活资源经济使用年限，r表示折现率；以及，
17.系统综合安全性目标函数：
[0018][0019]cscs
表示系统综合安全性指标，c
lss,s,t,l
表示场景s发生的总时间τ内第l条输电线路故障的负荷安全供电率指标，ns表示场景数量，n
l
表示输电线路数量，h表示安全分析时长；节点i为ieee39节点中的节点，取值范围为1-39；
[0020]
所述灵活性资源的位置和容量为节点i的微型燃气轮机安装容量和节点i的电力系统储能设备安装容量。
[0021]
第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述第一方面实施例所述的交直流混合配电网规划方法。
[0022]
第三方面，提供一种交直流混合配电网规划系统，包括：如上述第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。
[0023]
这样，本发明实施例，通过考虑系统灵活性供需关系，建立灵活资源运行-规划联合优化的双层模型。引入灵活性不足率和系统综合安全性指标进行评估，通过综合配置多种灵活资源能有效降低网损和系统弃风弃光率，提高系统经济性和灵活性资源的调节能力，从而提高交直流混合配电网的灵活性。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1是交直流混合配电网拓扑结构；
[0026]
图2是全要素交直流配电网络示意图；
[0027]
图3是本发明实施例的交直流混合配电网规划方法的流程图；
[0028]
图4是本发明实施例的双层模型互动关系示意图；
[0029]
图5是不同技术方案下网损与弃风弃光率关系示意图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
电力系统的核心是电力电量平衡，即根据规划年的负荷需求确定电力系统规划年的装机容量及需新增的容量，保证系统的可靠性及火电机组合理的利用小时数。传统规划仅仅考虑电力电量平衡，通过新建发电厂满足负荷增长及充裕度需求，没有考虑到灵活性的需求。然而随着可再生能源比例的增加，系统的需求不仅仅是单纯的负荷，灵活性需求也逐步凸显，并且已经远远超过传统电力系统的灵活性需求，有必要对灵活性的平衡与匹配进行专项分析。灵活性平衡已经成为系统安全稳定运行的关键和核心。
[0032]
基于此，本发明实施例公开了一种交直流混合配电网规划方法。该方法考虑灵活性供需平衡。本发明实施例以微型燃气轮机(microturbine，mt)、电力系统储能设备(energy storage system，ess)和需求响应(demand response，dr)负荷为灵活性资源，这三种可控资源都具备优良的灵活性调节能力。
[0033]
如图3所示，该方法包括如下的步骤：
[0034]
步骤s1：建立由下层运行层的目标函数和上层规划层的目标函数组成的交直流混合配电网规划的双层模型。
[0035]
具体的，运行层的目标函数采用如下的式(1)表示：
[0036]
(1)minf1＝cf c
om
c
env
c
dr
cg c
loss
c
dre
。
[0037]
其中，f1表示系统年运行成本。cf表示燃料成本。c
om
表示灵活资源运维成本。c
env
表示污染物治理成本。c
dr
表示需求响应负荷补偿成本。cg表示主网购电成本。c
loss
表示网损成本。c
dre
表示弃风弃光惩罚费用。
[0038]
具体的，规划层的目标函数包括：
[0039]
一、系统综合经济性目标函数，具体采用如下的式(2)表示：
[0040]
(2)minf2＝f1 c
inv
。
[0041]
其中，f2表示系统年综合成本。c
inv
表示灵活资源投资成本。
[0042]
具体的，c
inv
采用如下的式(3)计算：
[0043]
(3)
[0044]
其中，c
inv,mt
表示微型燃气轮机单位容量投资成本。c
inv,ess
表示电力系统储能设备单位容量投资成本。p
i,mt
表示节点i的微型燃气轮机安装容量，e
i,ess
表示节点i的电力系统储能设备安装容量。n
mt
表示微型燃气轮机待安装数量。n
ess
表示电力系统储能设备待安装数量。n表示灵活资源经济使用年限。r表示折现率。
[0045]
二、系统综合安全性目标函数，具体采用如下的式(4)表示：
[0046]
(4)
[0047]
其中，c
scs
表示系统综合安全性指标。c
lss,s,t,l
表示场景s发生的总时间τ内第l条输电线路故障的负荷安全供电率指标。ns表示场景数量。n
l
表示输电线路数量。h表示安全分析时长。在一具体的实施例中，h＝4h。
[0048]
本发明实施例的规划层还引入了上述的系统综合安全性指标对系统安全分析各场景对应总时间τ内n-1故障下的负荷安全供电能力进行评判，以评估系统综合安全性。该指标描述了系统在发生支路故障下，由内部电源形成孤岛而维持系统负荷持续供电能力。
[0049]
步骤s2：分别确定运行层和规划层的目标函数的约束条件。
[0050]
具体的，运行层的目标函数的约束条件包括：
[0051]
一、需求响应负荷变化量限值约束如式(6)所示：
[0052]
(6)
[0053]
其中，p
load,t
表示t时刻用户负荷。α
min
表示响应时段内移除负荷响应系数的下限。α
max
表示响应时段内移除负荷响应系数的上限。β
min
表示响应时段内增加负荷响应系数的下限。β
max
表示响应时段内增加负荷响应系数的上限，p
l,cut,t
表示t时刻需求响应负荷移除的负荷。p
l,add,t
表示t时刻需求响应负荷增加的负荷。
[0054]
在一具体的实施例中，α
min
＝0，α
max
＝0.5，β
min
＝0，β
max
＝0.5。
[0055]
二、灵活运行指标约束如式(7)所示：
[0056]
(7)f
loss
《σ。
[0057]
其中，f
loss
表示系统灵活不足率。σ表示系统灵活性不足率上限。
[0058]
具体的，系统灵活不足率f
loss
的算式如式(8)所示：
[0059]
(8)
[0060]
其中，ξ表示权重系数。表示系统上调灵活性不足率。表示系统下调灵活性不足率。表示所有场景内系统向上供给的和。表示所有场景内系统向下供给的和。
[0061]
若系统灵活性供应大于灵活性需求，则灵活性充足；否则灵活性不足。为了更直观量化灵活性供需关系，本发明实施例引入灵活性不足率作为系统灵活性评价指标。式(8)即为将系统上调灵活性不足率和下调灵活性不足率统一成系统灵活性不足率。具体的，系统上调灵活性不足率和系统下调灵活性不足率的算式如式(9)所示：
[0062]
(9)
[0063]
其中，ps表示场景s的发生概率。τ表示场景s发生的总时间。f
td,down
表示所有场景内向下灵活性需求之和。f
td,up
表示所有场景内向上灵活性需求之和。表示t时刻微型燃气轮机上调灵活性供应。表示t时刻微型燃气轮机下调灵活性供应。表示t时刻电力系统储能设备上调灵活性供应。表示t时刻电力系统储能设备下调灵活性供应。表示t时刻需求响应负荷上调灵活性供应。表示t时刻需求响应负荷下调灵活性供应。
[0064]
具体的，微型燃气轮机上调灵活性供应和微型燃气轮机下调灵活性供应的算式如式(10)所示：
[0065]
(10)
[0066]
其中，r
up
表示微型燃气轮机上调节功率速率。r
down
表示微型燃气轮机下调节功率速率。表示微型燃气轮机最大输出功率。表示微型燃气轮机最小输出功率。p
mt,t
表示t时刻微型燃气轮机的出力。δt表示时间间隔。
[0067]
具体的，电力系统储能设备上调灵活性供应和电力系统储能设备下调灵活性供应的算式如式(11)所示：
[0068]
(11)
[0069]
其中，p
dis,max
表示放电最大功率。p
ch,max
表示充电最大功率。e
ess
表示电力系统储能设备额定电量。η
dis
表示电力系统储能设备放电效率。η
ch
表示电力系统储能设备充电效率。soc
max
表示电力系统储能设备荷电状态最大值。soc
min
表示电力系统储能设备荷电状态最小值。soc
t
表示t时刻电力系统储能设备荷电状态。
[0070]
具体的，需求响应负荷上调灵活性供应和需求响应负荷下调灵活性供应的算式如式(12)所示：
[0071]
(12)
[0072]
其中，f
l,cut,t
表示t时刻需求响应负荷移除的用电功率，f
l,add,t
表示t时刻需求响应负荷增加的用电功率。
[0073]
三、灵活性资源出力约束
[0074]
其中，灵活性资源出力约束包括电力系统储能设备和微型燃气轮机的出力量化交直流混合配电网灵活性供给能力的约束，如式(13)所示：
[0075]
(13)
[0076]
其中，i为电力系统储能设备和微型燃气轮机的节点集合，分别表示t时刻上、下调灵活性供给；分别为t时刻灵活性资源的上、下限出力，p
it
为t时刻灵活性资源实际出力，分别为各灵活性资源的爬坡、滑坡速率，δt表示时间间隔。具体的，规划层的目标函数的约束条件包括：
[0077]
一、灵活资源容量约束如式(14)所示：
[0078]
(14)
[0079]
其中，表示节点i的微型燃气轮机的最大安装容量。表示节点i的电力系统储能设备最大安装容量。
[0080]
二、系统综合安全性约束如式(15)所示：
[0081]
(15)c
scs
≥η。
[0082]
其中，η表示系统综合安全性限值。
[0083]
三、交流区域潮流约束
[0084]
潮流约束是将交流区域原disflow潮流模型中的非线性项通过二阶锥松弛转换得到凸化线性潮流约束，如式(16)、(17)、(18)、(19)所示。
[0085]
(16)
[0086]
(17)
[0087]
(18)
[0088]
(19)
[0089]
其中，r
ij
、x
ij
分别表示节点i
→
j之间电阻、电抗；u(j)、v(j)分别表示以节点j为末端和首端的支路节点集合；分别表示在节点j处注入总有功、无功功率；分别表示j节点处灵活性资源的有功、无功功率；分别表示t时刻流过支路i
→
j的有功、无功功率；分别表示t时刻主网流向配电网的有功、无功功率；分别表示支路电流和节点i电压的平方；表示节点j电压的平方；分别表示t时刻节点j处常规负荷、可中断负荷；分别表示t时刻节点j处常规负荷、可中断负荷。
[0090]
四、直流区域潮流约束
[0091]
直流区域潮流方程经过线性化后与交流区域类似，如式(20)所示：
[0092]
(20)
[0093]
其中，分别表示t时刻节点i处电力系统储能设备充、放电功率；表示t时刻节点j处分布式光伏实际出力。
[0094]
五、电力系统储能设备运行约束，如式(21)、(22)所示：
[0095]
(21)
[0096]
(22)
[0097]
其中，分别表示t时刻节点i处电力系统储能设备的最大充、放电功率；分别表示t时刻节约束点i处电力系统储能设备充、放电状态，0表示充电，1表示放电；e
i,t
、分别表示t时刻节点i处电力系统储能设备电量与最大允许电量；e
i,t 1
表示t 1时刻节点i处电力系统储能设备电量；η
i,ch
、η
i,dis
分别表示ess充、放电效率，分别表示t时刻节点i处电力系统储能设备的充、放电功率。
[0098]
六、与主网交互功率约束，如式(23)所示：
[0099]
(23)
[0100]
其中，分别表示变电站节点i注入有功功率上、下限；分别表示变电站节点i注入有功功率上、下限；分别表示变电站节点i注入无功功率上、下限，分别表示t时刻主网流向配电网的节点i的有功、无功功率。
[0101]
七、安全约束，如式(24)所示：
[0102]
(24)
[0103]
其中，u
i,max
、u
i,min
分别表示节点i电压安全运行上、下限；分别表示t时刻交流支路i
→
j传输有功、无功功率；表示t时刻直流支路i
→
j传输有功功率；分别表示交、直流支路i
→
j最大传输容量；ui表示节点i电压。
[0104]
八、电力系统储能设备额定功率和额定容量上、下限约束，如式(25)所示：
[0105]
(25)
[0106]
其中，p
ess,max
、p
ess,min
分别表示电力系统储能设备额定功率上、下限；e
ess,max
、e
ess,min
分别表示电力系统储能设备的额定容量的上、下限；p
ess,n
表示电力系统储能设备功率，e
ess,n
表示电力系统储能设备的额定容量。
[0107]
步骤s3：分别在运行层和规划层的约束条件下，求解双层模型，输出最优的灵活性资源的位置和容量，使按照最优的灵活性资源的位置和容量规划交直流混合配电网。
[0108]
灵活性资源的位置和容量为节点i的微型燃气轮机安装容量和节点i的电力系统储能设备安装容量，即通过本发明实施例的方法最终得到在特定节点规划的微型燃气轮机安装容量和电力系统储能设备安装容量，从而可依此进行规划。
[0109]
粒子群优化算法(particle swarm optimization，pso)是一种利用微粒模拟飞鸟捕食行为，不断更新粒子位置和速度，寻找目标最优解的优化算法。该算法因收敛速度快，搜索能力强的特点而受到广泛应用。基于此，本发明实施例求解双层模型的算法为改进粒子群算法，其是一种采用惯性权重因子和学习因子调整的改进粒子群算法，可进一步优化粒子搜索能力，提高运算收敛性。本发明实施例采用的改进粒子群算法为如下的文献公开的改进粒子群算法：徐岩，张荟，孙易洲.基于变异粒子群算法的主动配电网故障恢复策略[j].电力自动化设备，2021，41(12):45-53。
[0110]
采用改进粒子群算法求解的过程中，将灵活性资源的位置和容量作为改进例子群算法的粒子的位置和速度。
[0111]
该步骤的具体过程如下：
[0112]
(1)初始化灵活性资源的位置和容量。
[0113]
(2)以灵活性资源出力为决策变量，在运行层的目标函数的约束条件下，求解运行层的目标函数，得到系统年运行成本。
[0114]
其中，采用k-means聚类算法对风光荷年历史数据进行处理，将风光荷随机特性用不同季节不同气候下多个典型场景确定化描述，即得到算例分析中的初始参数，包括交流配电网电压等级、直流配电网电压等级、总有功负荷、总无功负荷、vsc容量、分布式光伏、分布式风电相关数据。这些数据输入算法中以进行相应的求解，得到系统年运行成本及灵活性资源出力。
[0115]
(3)将系统年运行成本返回到规划层，以灵活性资源的位置和容量为决策变量，在规划层的目标函数的约束条件下，求解规划层的目标函数，得到更新的灵活性资源的位置和容量。
[0116]
(4)重复上述的步骤(2)和步骤(3)，直到满足收敛条件，输出最优的灵活性资源的位置和容量。
[0117]
其中，收敛条件为：前后迭代值之差达到迭代精度或迭代次数达到最大次数。迭代次数可根据经验确定。
[0118]
其中运行层的决策变量为灵活性资源的出力，通过优化决策灵活性资源出力使目标函数达到最优，目标函数最优。
[0119]
上述的计算过程，运行层以系统灵活性不足率为灵活运行评价指标，以系统年综合运行成本最优为目标函数，对灵活资源的出力进行优化，规划层还以系统年综合成本最优为目标，对灵活资源位置和容量进行全方位综合规划；运行层将优化各时段灵活性资源出力情况得到的年运行成本反馈到规划层，规划层和运行层进行上下互动，共同决策出灵活性资源最优配置方案，互动关系如图4所示。
[0120]
为了验证本发明实施例的技术方案的微型燃气轮机、电力系统储能设备和需求响应负荷，这三种灵活资源对提升系统性能的有效性，设定以下三种方案进行验证：1)不考虑系统灵活性，即无灵活资源参与，不计σ和η约束；2)灵活资源仅为微型燃气轮机和需求响应负荷的双层模型，不计σ和η约束；3)灵活资源为微型燃气轮机、电力系统储能设备和需求响应负荷的双层模型，不计σ和η约束。对上述方案进行求解，得出三种方案下系统弃风弃光量与网损量关系见图5。
[0121]
由图5可见，方案2)比方案1)的网损下降20.9％，弃风弃光率下降8.8％；方案3)又比方案2)降低网损23.2％，降低弃风弃光率5.9％。结果表明在含高比例分布式可再生能源(distributed renewable energy，dre)配电网中配置灵活资源能有效提高dre利用率，降低网损；且综合利用多种灵活资源时配电网能最大化减少网损和弃风弃光率，提高系统运行水平。
[0122]
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的交直流混合配电网规划方法。
[0123]
本发明实施例还公开了一种交直流混合配电网规划系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。
[0124]
综上，本发明实施例，通过考虑系统灵活性供需关系，建立灵活资源运行-规划联合优化的双层模型。引入灵活性不足率和系统综合安全性指标进行评估，通过综合配置多
种灵活资源能有效降低网损和系统弃风弃光率，提高系统经济性和灵活性资源的调节能力，从而提高交直流混合配电网的灵活性。
[0125]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。