计及负荷精细化建模的主动配电网双层规划模型

顾晓文

摘 要：科学技术的发展迅速，现阶段我国能源结构仍以不可再生的化石燃料资源为主，能源短缺和环境污染问题已成为燃眉之急。因此，低污染、灵活方便、高可靠性的DG（分布式电源）的有效推广与利用受到了越来越多的关注。但传统配电网受限于其被动控制方式，难以应对具有间歇性、波动性特征的分布式电源所带来的一系列问题，无论是配电网规划还是主动配电网规划，截至目前，對配电网规划的文献大多集中在解决某些局部问题上。然而，未来主动配电网中必然存在较多的分布式能源，因此，对如何协调各类资源、实现资源的高效利用展开研究具有重要意义。通常配电网规划多采用恒功率负荷模型，忽略了负荷的电压静特性。这类简化处理方法无法精确表征不同类型负荷的真实需求，以恒定功率负荷作为配电网规划的重要组成部分，提出合理的配电网规划模型，但所涉及的负荷模型较为粗糙，导致系统分析结果过于乐观或悲观。因此在未来配电网规划建模中有必要考虑负荷的电压静特性，便于规划运行人员对负荷类型构成进行直观掌控，通过数值方法进行快速求解。

关键词：计及负荷精细化建模;主动配电网;双层规划模型

引言

面对世界性的能源和环境问题，仅靠增加电源和变电站建设投资来满足迅速增长的电力需求的传统电力规划方式已凸现其不可持续性。基于综合资源战略规划理论，从全社会角度，考虑光伏电源和可中断负荷为代表的广义电源，建立了主动配电网区域能源扩展优化的双层规划模型。上层规划以广义电源的建设、发电和污染治理的总成本最低为目标，优化各类电源装机容量;下层规划以网损最小为目标，为广义电源选址定容。最后结合单纯形法和改进PSO算法进行求解。

1双层规划框架

“源-荷-储”协调规划问题涉及到规划及运行两方面，是一个多层嵌套问题：DG和ESS的配置容量会影响到运行时的电网损耗，该影响体现在DG和ESS的配置容量代表了其功率的可调范围;反过来，年网损费用也会影响到DG和ESS的配置，该影响体现在年网损费用是配置DG和ESS容量时目标函数的一部分。本文根据多层优化理论，基于分解协调的思想，建立综合考虑“源-荷-储”协调的双层规划模型。在上层规划中实现年综合费用最小化，下层协调运行规划中实现年网损费用最小化。年综合费用包含DG及ESS的年投资费用和年维护费用、DR年成本和电网年网损费用。因此，上层规划中将年综合费用最小作为目标函数，将DG及ESS在候选安装位置的安装容量作为优化变量，DG及ESS的最大安装容量作为约束条件;下层规划将年网损费用最小作为目标函数，DG、ESS及可中断负荷的功率作为优化变量，潮流方程、节点电压、线路电流、ESS及DG的运行、可中断负荷的中断量作为约束条件。上层规划中的DG及ESS的规划方案用于计算下层规划的目标函数，并将对应每个时段的系统网损、DG、ESS、可中断负荷、运行状态等返回上层规划，用于准确计算上层目标函数，最终得出DG、ESS的最优规划方案，以及DG、ESS、可中断负荷的最优运行策略。

2基于IRSP的主动配电网区域能源扩展双层规划模型

双层规划是一种具有二层递阶结构的系统优化问题，上层规划和下层规划分别都有各自的目标函数和约束条件，通过上下层间的优化迭代最终求得全局最优解。本文提出基于IRSP的主动配电网区域能源扩展双层规划模型，上层模型规划宏观总量层面的区域能源配置方案，下层模型规划微观运行层面的各类电源选址定容及系统优化运行的方案。首先，上层规划将各类电源的规划容量传递给下层规划，下层规划在此基础上以系统运行网损最小为目标，模拟系统运行情况，优化各类电源在待选节点上的安装容量，并将最小网损结果返回给上层规划;然后，上层规划基于该结果修正各类电源随发电利用小时变化的单位容量IRSP综合成本曲线，再次优化电源规划容量;最终，通过上下层规划迭代，求解得到全社会成本最小的IRSP区域能源扩展规划方案。

3 ADN规划研究与方案对比分析

针对所提的模型和算法，分3种场景进一步进行规划研究。Case1考虑上一小节所示的计及风光储与充电站的协同规划;Case2不考虑充电站的规划，将EV充电需求平均分配给各个充电站;Case3不考虑DG的储能优化策略。基于不同的规划思路进行仿真计算，得到3组场景对应的最优折中解分别为方案I、方案II和方案III。（1）基于所提的综合协同规划，方案I将支路4、8、10、12、13、15～18、21、23～25、28、29、31、33、36升级为线型1;将支路1～3、7、11、14、30、32、34、37升级为线型2;新建线路编号为39、43、45、46、49、50、56、59、60。WG节点25和28安装30kW，PV节点11和18安装10kW，同时在节点25安装风储能设备。EV充电站的建站位置选在节点4、6、12，对应的充入容量为240.6kW、200.5kW和160.4kW。该方案总成本为5769.4万元，电压质量指标为0.168。其中，投资、运维和购电成本分别为679.3万元、269.2万元、4820.9万元;（2）方案II将支路10～15、17、20～22、24、27、29、30、35、37升级为线型1;将支路1～4、6、7、23、25、28、36升级为线型2;新建线路编号为39、43、45、46、48～50、57、59、60。WG节点22和25分别安装60kW、20kW，同时在节点22安装风储能设备。EV充电站的建站位置选在节点4、6、12、19、28，对应的充入容量均为120.3kW。该方案总成本为5792.4万元，电压质量指标为0.151。其中，投资、运维和购电成本分别为708.2万元、270.3万元、4814万元;（3）方案III将支路2、5、8、9、13、15、16、18、23、24、28、29、31、34、36升级为线型1;将支路1、3、4、7、12、14、21、22、30、35、37升级为线型2;新建线路编号为39、43、45、46、49、50、56、57、59、60。WG节点22、25和28分别安装50kW、130kW、40kW，PV节点31安装30kW。EV充电站的建站位置选在节点4、12、28，对应的充入容量分别为240.6kW、200.5kW和160.4kW。该方案总成本为6056.2万元，电压质量指标为0.3176。其中，投资、运维和购电成本分别为1060.2万元、280万元、4716万元。虽然其增加了储能投资成本，但储能协调优化策略可以在负荷低谷期储存过剩的DG出力，并在负荷高峰期进行释放，大大提高了DG的利用率。当规划的总负荷需求固定时，其可以有效降低DG的投资成本和运维成本。

结语

通过投资运行耦合关联和线性化等值处理，将其转化为混合整数二阶锥规划模型进行求解，结果表明采用负荷的精细化模型，能为主动配电网协同规划提供一定的参考。同时，系统电压更趋于稳定，提高配电网系统的供电可靠性，使得上下层相互影响作用，得到更优的规划方案，满足规划要求。此外通过对上下层变量关联建模和线性等值处理，引入二阶锥松弛，将原模型转化为单层混合整数线性规划，大大提高了求解速度和计算精度。

参考文献：

[1]苏文辉，林章岁，李喜兰，等.分布式电源对配电网静态电压稳定的影响研究[J].电测与仪表，2014，51（14）：41-46.

[2]曾博，刘念，张玉莹，等.促进间歇性分布式电源高效利用的主动配电网双层场景规划方法[J].电工技术学报，2013，28（9）：155-163.

[3]方陈，张翔，程浩忠，等.主动管理模式下含分布式发电的配电网网架规划[J].电网技术，2014，38（4）：823-829.

[4]朱勇，杨京燕，张冬清.基于有功网损最优的分布式电源规划[J].电力系统保护与控制，2011，39（21）：12-16.