“源”“网”协同利益主体下的配电网双层规划探讨

●李若雯

随着能源市场的快速发展和环境保护日益被重视，具有清洁优势的大规模分布式电源（DG）在配电网中发挥越来越重要的作用，但由于风机发电的随机性，大大限制了其在配电网里的消纳率。现阶段，我国电网处于从被动电网向主动配电网过渡的重要阶段，存在“源”“网”不协调的问题，采用传统的规划方法已经很难适应新形势下的配电网。随着电力市场的发展，配电网由单一利益主体往多利益主体发展。因此，考虑多利益主体的“源”“网”协同的主动配电网规划模型和方法成为亟待研究的重点。

目前，已有不少学者对含DG的主动配电网规划进行研究，大部分研究集中在DG选址定容、网架规划单层的规划模型，且主要考虑配电网为唯一利益主体的配电网规划。然而，在主动配电网规划中，一方面，DG 的选址和定容对网架规划的影响是不可忽略，需要在规划时期考虑DG 的配置，避免网架建设的过度投资、“源”“网”发展不协调等问题；另一方面，随着电力体制的深度改革，我国正在有序建设电力市场，配电网规划和运营中产生了多个利益主体，如配电系统运营商、DG 运营商、集群负荷用户等，在进行配电网规划时，应统筹考虑多方的利益，促进“源”“网”的协调发展。因此，同时考虑配电网系统运营商和DG运营商的利益最大化的综合规划更具有研究价值和工程价值。

综上研究与分析，本文分析了配电网网架规划和DG选址定容的相互作用，建立了考虑双利益主体的“源”“网”协同双层规划模型，并利用改进混合粒子群算法和遗传算法嵌套的双层优化算法对所建模型进行求解，以24 节点的实际配电网规划区域为算例，验证模型的合理性和有效性。

一、“源”“网”协同双层规划数学模型

本文考虑“源”“网”两侧的规划问题，涉及两个利益主体，分别为配电系统运营商和DG运营商，利用双层优化模型能更准确的描述所要解决的问题。上层为配电网网架规划问题，下层为DG规划问题，上下层联动，保证在双方利益获利最大的情况下获得网架规划方案以及DG优化配置方案。

（一）上层规划模型

1.目标函数

上层规划对象为配电网的网架，规划的内容是配电网网架设计方案，以配电系统运营商各种成本的年综合值之和最小为目标函数，其各部分具体费用如下：

公式（1）中，Cupper为配电系统运营商的年综合费用等年值，为向上级购电的年费用，为向DG 独立运营商购电的年费用，为网架新建线路成本折算到寿命周期的等年值，为配电网运行的网损年费用，为DG 并网后减少的环保费用。目标函数中各部分费用的计算公式如下所示：

公式（2）中，T 为一天的划分时段数，Δt 为每个时段的间隔时间，Cbuy1,t为第t时段向上级电网购电的电价，Pload,t为第t 时段网络原始总负荷，PDG,t为第t时段DG有功出力值。

公式（5）中，Ploss,t为第t时段网络有功损耗。

公式（6）中，Nv为污染物的种类，Cp,v、Ce,v为第v种污染物的排放罚款和环境价值，Ev为燃煤发电产生第v种污染物排放量。

2.约束条件

根据实际配电网建设和运行要求，上层规划模型应满足以下要求：

1）配电网接线方式约束。按照实际运行情况，配电网一般开环运行。因此，要求所生成网架为辐射状网络，不存在环路。

2）配电网连通性约束。要求新增负荷点和DG接入点与上级电源形成联络，不存在孤点、孤链、孤岛。

3）规划方案中新建线路的负载率满足配电网规划导则的要求。

（二）下层规划模型

1.目标函数

下层的规划对象是DG运营商的投资问题，规划内容为DG 接入位置以及容量，以DG 运营商获利最大为目标，各部分具体费用如下：

公式（7）中，Clower为DG运营商收益的年综合值，为DG 运营商卖电给配电网公司的收益，为新能源发电的政府补贴，为DG 投资成本，为DG的运维成本。

公式（9）中，CG,t为DG 发电的政府单位补贴费用系数。

公式（10）中，CDG为单位容量DG 投资成本，V为DG待接入点数，yd为0-1变量，yd=0表示第d 个待选节点不接入DG，yd=1 表示第d 个待选节点接入DG，为单台风机的额定功率；Nd为第d 个待选节点接入风机的台数；r 为贴现率；n 为DG设备的寿命周期。

公式（11）中：CDGop为DG单位运维费用。

2.约束条件

1）下层涉及到配电网潮流计算，需要满足有功、无功平衡约束，节点电压约束，线路载流量约束。

（12）（13）（14）式中，Pi,t、Qi,t为第t 时段节点i的有功和无功注入，Ui,t、Uj,t为第t时段节点i和节点j的电压幅值，Gi,j、Bi,j为节点i与节点j间的电导和电纳，θi,j为节点i 与节点j 电压间的相角差，为节点i 电压幅值的上下限值，Sij,t为第t时段支路ij 的功率值，为支路ij 的传输功率极值。

2）DG容量接入需要按照一定的比例，过高的接入容量会给电网带来节点电压过高、电压波动等不良影响。

节点接入容量约束：

DG总安装容量约束：

（16）式中，PLoad为系统原始负荷总和，η 为DG安装总量占系统负荷的比值。

二、双层规划框架

在双层规划模型中，处于上层的决策者先给出决策，因此称为领导者，下层决策者要在领导者给出的既定决策下做出自己的决策，因此称为跟随者。上、下层决策模型的目标函数和约束条件没有必然的联系，但是任何一方的变量会参与或影响到另一方的决策制定过程。上-下两层形成“领导-跟随”的关系。

在本文中，上层“网”规划层以配电系统运营商最小年综合成本为目标，进行网架优化建设，把网络拓扑传递给下层“源”规划层；下层在当前网架下，以DG 运营商收益最大为目标进行DG的选址定容，并将满足约束条件下的DG容量和位置传回上层；上层在新的DG 配置下进行网架优化，选出新建线路集，形成新的网络拓扑传给下层，进行下一轮优化。上-下两层的变量和数据传递如图1。

图1 配电网双层规划框架图

三、“源”“网”协同双层规划模型求解

本文给出的“源”“网”协同双层规划模型属于复杂的混合整数非线性多层规划问题，具有计算量大，求解难度高的特点，为了高效准确求解所建立模型，采用双层混合优化算法。上层(网层)采用改进的混合粒子群算法，下层(源层)采用遗传算法，下层算法嵌套在上层在算法里面，遵循双层优化模型下层跟随上层的原则，设计的双层优化算法的计算流程如图2、图3所示。

四、算例结果与分析

（一）算例概况

以某城市24 节点实际规划区域的配电网为算例，验证本文所建双层规划模型的合理性和准确性。规划区域网络结构如图4所示，其中0节点为电源点，拟新增负荷点23个，编号为1～23。DG考虑风力发电，根据实际地理位置情况可以确定8个风机接入待选节点，以实心黑色节点表示，编号为4、5、7、12、14、15、19、20，空心黑色节点为纯负荷节点，实线为待选新建线路共50条。为了简化算例，对网架中线路做统一处理，阻抗参数取为（0.025+0.006j）Ω/km。典型的负荷曲线和风电出力曲线分别如图5和图6所示，其中分布式电源安装总容量占系统原始负荷的最大比值为25%。

仿真环境：MATLAB 平台，算法的基本参数设定：上层种群20 个，交叉换位概率0.85，最大迭代次数100 次；下层个体数50 个，交叉概率为0.6，代沟（子代和父代之间的重叠）为0.85，最大迭代次数为100次。

图2 上层决策模型求解流程图

图4 规划区域网络结构图

图3 下层决策模型求解流程图

图5 典型日负荷曲线

图6 风电出力曲线

算例中涉及参数：表1为风电发电的技术及经济参数，表2、表3、表4为环保效益参数，表5为电价信息。

表1 风电发电技术及经济参数

表2 污染物排放量参数

表3 电力行业主要污染物的环境价值

表4 电力行业主要污染气体的排放罚款

表5 电价信息

（二）算例结果与分析

运用本文提出的双层规划模型对待规划区域进行了网架设计和DG 配置。为了研究DG 配置和配电网协同规划的优越性，利用同一算例分别求解不同情况下的配电网规划方案，其中方案一不考虑DG 接入的网架规划，方案二为DG 配置和网架协同规划。

1.网架和分布式电源规划结果以及分析

图7 为方案一的网架方案，图8 为方案二的网架方案，即所提“源”“网”协同规划模型得到的配电网规划网架，图9 为方案二的DG 接入的节点位置和容量。

图7 未考虑DG接入的配电网网架规划方案

图8 考虑DG接入的配电网网架规划方案

图9 方案二分布式电源接入位置以及容量图

图10 节点电压对比图

通过对比两种方案下网架的差异，可发现DG一般选择在负荷较大点接入，可实现负荷就地平衡，减少网络中有功、无功的流动，降低网损、避免节点电压过低，图10 为方案一和方案二在同一单时段的电压幅值对比，从图中可知，方案二合理接入DG后，节点电压幅值标幺值比方案一更接近1。

2.规划费用对比与分析

上述两个规划方案的费用如表6所示。

表6 两种规划方案成本比较

通过数据对比分析，可得出以下结论：

1） 虽然方案二较方案一引入了DG 的相关费用，但配电网运营商的年综合费用较方案一减少了69.53 万元，而DG 运营商可获得年最大利润为166.87 万元，说明DG 合理的接入位置和容量可减少配电网投资和运维费用，实现DG运营商和配电网运营商的获利双赢。

2）在新能源接入的背景下，配电网公司的购电途径多样化，不再单一从上级电网购电，方案二中从上级购电和DG 购电的费用分别为1348.52万元、401.79万元，其总额较方案一仅从上级购电费用减少了25.52万元。

3）引入DG 后，配电网从上级购电减少，部分负荷能实现就地平衡，减少了网络中功率的流动，从而达到降损的效果，方案二较方案一网损费用减少了1.98万元。

4）从环保效益的角度上分析，利用清洁型的DG 发电后，方案二较方案一较少了31.6 万的环保费用，说明引入可再生新能源后，配电网的环保性能更好，与我国倡导绿色电力的可持续发展理念相吻合。

五、结语

本文基于双层优化理论，建立了“源”“网”协同的双层规划模型，采用改进的混合粒子群算法和遗传算法双层嵌套算法对模型进行求解。通过算例验证分析表明：

1.在规划配电网网架规划时，考虑DG 的选址定容配置，更加符合未来电网大规模DG并网的背景，充分利用新能源的优点，可以避免配电网的过度投资，优化线路路径。

2.考虑多利益主体的配电网规划，更加符合未来我国电力市场发展完善的实际情况，可以有效提高“源”侧以及“网”侧的投资商的收益，实现共赢。

3.随着配电网的新要素增加，规划模型变得更加复杂，双层及以上的多层规划方法能更好地包含配电网的新要素。

本文考虑的“源”“网”协同的规划方案，对学者研究主动配电网的工作有一定的指导作用。随着配电网中DG、电动汽车、参与需求侧响应的用户的增多，考虑“源”“网”“荷”协同规划方法是下一步研究工作的重点。