城市场景需求下中压直流配电网规划的选优分析方案

庄海军，刘 捷，唐 华，靳一奇

（1.国网郑州供电公司，河南 郑州 450000；2.国网河南能源互联网电力设计院有限公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

风电、光伏等能源逐渐成为配电网的重要组成部分，受其不确定性的影响，使配电网的规划难度增加，无法适应配电网灵活性的规划需求。为了解决这一问题，研究人员设计了多种配电网规划方法。其中，基于低压侧直供潜力的配电网规划方案与基于地理信息聚类分区的配电网规划方案的应用范围较广。基于低压侧直供潜力的配电网规划方案主要是引入反馈变量，优化配电网规划模型的目标函数，进而提高该方案的规划有效性[1]。基于地理信息聚类分区的配电网规划方案主要利用密度峰值聚类方法，获得配电网等效负荷点的位置信息，并在规划模型中进行统一求解[2]。以上两种方法均存在不同程度的弊端，无法平衡配电网的供需关系，导致配电网规划网损费用升高[3]。城市场景需求主要是根据城市供求关系生成一个需求场景，实现场景下的灵活规划[4]。因此，本文在城市场景需求的视角下设计了中压直流配电网规划方案优化方法。

1 基于城市场景需求中压直流配电网规划方案优化设计

1.1 生成配电网城市场景需求

配电网中接入清洁能源的比例越来越高，能源的随机性、波动性均为配电网规划带来了灵活性需求。电力系统本身存在供需平衡的限制，依靠配电网自身的调节能力无法解决供需平衡问题[5]。因此，本文根据价格与激励两个需求，生成了配电网的城市场景需求，如图1所示。

如图1所示，基于价格的城市场景需求主要包括分时电价、实时电价、尖峰折扣、尖峰电价；基于激励的城市场景需求主要包括基于计划的激励场景与基于市场的激励场景[6]。本文将分时电价、实时电价、尖峰折扣、尖峰电价作为配电网规划的不确定性因素，在规划的过程中，分析中压直流配电网的供需平衡关系。

图1 城市需求场景

1.2 基于城市场景需求建立配电网供需平衡规划指标

本文在上述配电网城市场景需求下对配电网规划的离散状态进行分析。假设能源规划的典型日由季度特性设定，在单位时间光照幅度不变的条件下，将全年规划分为A个周期[7]。在A个周期内第i个时间段的约束区间为(VM,i,max−VM,i,min)，将约束区间切分成n个离散状态，则：

式中：km,i为单位离散状态的范围。在该范围内的能源输出功率为K(p)，相应的离散状态为

式中：R(p)为K(p)的离散状态。

配电网规划的过程中，离散状态R(p)的离散值越大，配电网资源的规划越不平均，无法平衡配电网的供需关系。本文在上述能源离散的场景下，建立配电网供需平衡规划指标[8]。将配电网平均供电可靠率、平均停电频率作为供需平衡的规划指标，其中平均供电可靠率的计算公式为

式中：Tm为平均供电可靠率指标；ΔTm为供电可靠率的差值；ti为中压配电网第i个用户的停电时间；Ta为Tm的目标值。

平均停电频率的计算公式为

式中：Ts为平均停电频率；ΔTs平均停电频率的差值；sm为配电网中第m个用户的总停电频率。

为了实现配电网的灵活性资源规划，本文在供需平衡规划指标下构建出配电网规划模型，模型表达式为

式中：ηs为配电网规划模型；fk为配电网规划模型的目标函数；κmax-i为年最大负荷损耗小时数。ηs越大，配电网规划对象的规划需求越高，规划产生的网损费用越高。

本文以方案整体网损费用为评价目标，以年度投资为约束条件，确定最终方案为

式中：Y为优先投资成本；Fu为年度总投资。

经过上述规划方案优化后，城市场景灵活性规划效果更好，供需关系更加平衡，能够有效降低配网规划过程中的网损费用，为电力企业提供可观的经济效益。

2 实 验

为了验证本文设计的规划方案是否具有实用价值，本文对上述方案进行了实验分析。最终的实验结果则以基于低压侧直供潜力的配电网规划方案、基于地理信息聚类分区的配电网规划方案与本文设计的基于城市场景需求的配电网规划方案进行对比的形式呈现，具体实验过程及实验结果如下所述。

2.1 实验过程

本文选取出8个配电网储能装置，装置总量为500～4 000 kW，充放电功率为5 kW，电池储能为30 kW·h，设定的规划周期为25 h，调度时间间隔为5 h。当调用储能规划配电网时，配电网承担规划损耗费用，由此分析配电网规划前后净负荷的变化情况如图2所示。

图2 配电网规划前后净负荷变化

如图2所示，配电网未规划时，负荷在1 000～5 000 kW范围内变化，负荷相对较高，配电网承担的规划损耗费用随之升高，影响配电网规划的经济效益。经过规划后，配电网负荷在2 000～4 000 kW的范围内变化，负荷波动变化较小，由此产生的配电网规划损耗随之减少，配电网承担的规划损耗费用随之减少，配电网规划的经济效益更高。在此条件下，对配电网规划前后的城市场景需求变化进行分析，如图3所示。

图3 配电网规划前后对城市场景需求的变化

如图3所示，配电网未规划时，城市场景灵活性需求率主要在20%～120%的范围内变化，配电网的灵活性资源规划效果不佳。经过规划之后，城市场景灵活性需求率主要在40%～100%的范围内变化，波动较小，能够更加灵活地规划配电网资源。

2.2 实验结果

在上述实验条件下，本文选取出500～4 000 kW的中压直流配电网储能装置总量作为实验基本指标，配电网规划投入费用随着储能总量的增加而增加。在此条件下，本文将基于低压侧直供潜力配电网规划方案的网损费用、基于地理信息聚类分区的配电网规划方案的网损费用以及本文设计的基于城市场景需求的配电网规划方案的网损费用进行对比，具体实验结果如表1所示。

表1 实验结果

如表1所示，本文选取出中压直流配电网储能装置的总量在500～4 000 kW范围变化，投入费用随着储能总量的增加而增加。在其他条件均一致的情况下，基于低压侧直供潜力配电网规划方案的网损费用均超过了50万元，配电网规划过程中产生的损耗费用较高，降低了配电网规划的经济效益；基于地理信息聚类分区的配电网规划方案的网损费用在22.23万～88.56万元的范围内波动，在储能总量较少时网损费用较低，而储能总量越大，网损费用越高。综合文献[1]方法与文献[2]方法来看，文献[1]方法的网损费用波动较小，但在储能总量为500 kW时，初始网损费用已经处于偏高状态，后续的网损费用只会更高；文献[2]方法的网损费用波动较大，初始网损费用较低，后续网损费用越来越高，无法保证配电网的经济可靠性运行。而本文设计的基于城市场景需求的配电网规划方案的网损费用偏低，在20.21万～55.56万元的范围内波动，波动较小，可以保证配电网的经济可靠运行，符合本文研究目的。

3 结 论

近些年来，配电网的规划过程中主要满足了电能质量与可靠性，通过降低配电网投资成本的方式提高配电网系统的经济效益。但是此种方式存在网架规划与负荷等制约，使配电网规划的过程中无法灵活地分配资源，无法应对城市场景需求。因此，本文在城市场景需求的视角下设计了中压直流配电网规划的优化方案。将灵活性纳入到配电网规划过程中，在经济适用的基础上将配电网进行有效规划。