新型电力系统背景下基于源荷的配电网规划方法

李德彦

(广州市电力工程设计院有限公司)

0 引言

随着经济的发展, 传统的化石型能源对环境造成了严重的影响, 因此需要大力发展新能源发电, 以减轻对于环境的影响[1]。大量的新能源接入将成为配电网发展的新特点, 多种型式的新能源和负荷的大规模接入会对配电网的设计和规划造成一定影响[2-3]。对配电网进行网格化规划是配电网规划的新热点, 核心思想是将配电网进行合理分割, 由繁入简。本文根据“网上电网”强大的数据采集能力和业务协同能力,从源荷接入对于配电网影响的方向切入, 提出了基于源荷接入的配电网规划方法, 并构建了参考网格区域化自管理的基于源荷接入的配电网多目标协调规划模型, 经过算例验证, 本文所提出的方法有效[4-5]。

1 源荷接入对配电网的影响分析

源荷的接入逐步实现了从 “无源”配电网到“有源”配电网的过渡, 这就使得配电网的规划更加复杂。为了确保多元负荷与配电网之间的协调运行,需要对电源和负荷进行合理规划, 现对常规电源和负荷进行分析。

电动汽车能够实现有序充电和无序充电, 并且具备反向供电能力, 其无序充电能够导致用电高峰期配电变压器重载运行, 电动汽车的交通网络和充电桩的布局情况会直接影响到配电网的负载分布情况, 在进行配电网规划时要充分考虑接入设备的负载率、电能质量、分布式电源消纳能力等[6]。

分布式光伏具有随机性、波动性、间歇性的特点,短时间可能造成设备负载不平衡, 长时间会影响电力平衡, 分布式光伏的集中区域式接入会改变整个配电网的潮流分布, 在进行配电网规划时要充分考虑接入设备的反向负载率、电能质量、分布式电源消纳能力等。

分布式储能能够在用电高峰期释放电能, 在用电低谷期储存电能, 起到削峰填谷的作用, 能够均衡区域负荷, 在进行配电网规划时要充分考虑接入设备的双向负载率、电能质量、分布式电源消纳能力等。

需求响应负荷能够合理配置配电网资源, 优化负荷曲线, 提高配电网运行可靠性, 协同多设备优化运行, 在进行配电网规划时要充分考虑接入设备的负载率、分布式电源消纳能力等。

2 基于源荷接入的配电网供电网格划分

基于源荷接入的网格化规划对于分布式电源的消纳具有重要意义, 从供电分区、供电网格、供电单元这三个最基本层次展开划分。供电分区的划分要以地理形态和行政边界作为划分原则; 供电网格要保证供电范围相对独立, 应包含两到四个变电站, 站间具有较强的中压联络性; 供电单元由相邻的, 性质类似的, 供电要求基本一致的地块构成。

供电网格的划分要充分考虑不同类型源荷的互补特性, 以及网格架构对源荷的承载能力(主要包括了负载率、电压达标率、谐波含量等)。

利用“网上电网”的网格化规划模块能够实现供电网格的可视化管理, 构建配电网设备与供电网格之间的关联性, 从而得到一套孪生态电网。通过图形化的方式提取配电网的运行数据, 为规划方案的制定提供数据依据。

3 参考网格区域化自管理的基于源荷接入的配电网多目标协调规划模型

随着大量新型源荷接入配电网, 对配电网的可靠性和经济性都产生了一定程度的影响。为了实现新型源荷接入条件下网格区域化配电网性能的提升, 基于配电网可靠性和经济性进行研究, 再以可靠性和经济性为双规划目标, 来构建规划模型。

3.1 目标函数

基于多个不同类型源荷接入到配电网中, 配电网的可靠性指标可以采用多个供电网格的可靠性指标叠加的方法来描述:

式中,CL为配电网的可靠性指标,CL.k.j和pload.k.j分别为供电网格内负荷的停电损失和停电概率,NL为配电网的停电次数,τR为单次停电所耗费时长,N为供电网格内存在的负荷数量,Sk.j为供电网格内负荷节点的运行状态,Pk,j(t) 为供电网格内负荷节点的实时功率。

基于配电网在供电网格管理下的自管理模式, 能够自主进行故障诊断并完成故障隔离, 并且在供电网格内部完成故障处理、故障恢复, 则在故障恢复阶段, 供电网格内负荷节点的实时功率可以描述为:

式中,PD.k,j(t) 为供电网格内负荷节点的实时需求功率,PPV.k,j(t) 为供电网格内负荷节点的光伏实时功率,PESS.k,j(t) 为供电网格内负荷节点的储能实时功率。

配电网的经济性指标可以通过多个供电网格的经济性指标综合得到: 源荷的投资主要包括了建设费用和维护费用两部分, 对于配电网整体可以描述为:

式中,Ctotal为经济性指标的目标函数,Cinv为源荷投资费用,Cope为源荷维护费用,Cbuy为购电费用,Cpro为削峰填谷作用产生的收益。

3.2 约束调节

(1) 潮流分布约束:

式中,Pi和Qi分别描述了配电网中不同节点有功功率参数和无功功率参数,Ui和Uj分别为不同节点的电压参数,Bij和Gij分别为不同节点之间的电导参数和电纳参数,θij为节点电压的向量夹角。

(2) 节点电压约束:

式中,Ui.max和Ui,min分别为节点电压的最大值和最小值。

(3) 节点源荷容量约束:

式中,Pyh.i为节点源荷的总功率,Pyh.i.max为节点源荷总功率的最大限制值。

(4) 配电网源荷总容量约束:

式中,λPV为具备并网运行条件的源荷容量与配电网总容量的比值,PL.i为配电网的不同节点的实时功率。

(5) 储能约束:

式中,SOC.i.min和SOC.i.max分别为节点储能单元的状态最小限制值和最大限制值,PESS.i和PESS.i.max分别描述了不同节点的储能单元的运行功率参数和总容量上限值。

(6) 配电网供电网格可靠性约束:

式中,CL.k为配电网供电网格的可靠性指标,Ck.max为配电网供电网格的停电损失极限值,RL.k为配电网供电网格的供电可靠概率,T为规划周期。

3.2 模型求解

为了求对这种多目标规划问题进行快速求解, 本文选用多目标遗传算法。经过Nash 均衡处理的模型为:

式中,u1(x) 和u2(x) 分别为各自获取利益最大化的方向,d1和d2分别为双方博弈无法进行位置。

基于Nash 均衡线性变换的不变的基本原则, 再结合式(1) 和式(3) 的可靠性和经济性规划目标,得到优化模型为:

式中,C为配电网多目标规划的目标函数,C1为停电损失边界参数,C2为投资边界参数。

利用多目标遗传算法对基于Nash 均衡的配电网供电网格规划模型进行运算, 其具体步骤为:

(1) 完成种群初始化: 确定种群大小、变量编码方式、交叉率、迭代次数等参数, 从而得到随机种群;

(2) 完成目标函数计算: 根据单个个体具体情况, 提取出相应的可靠性和经济性子目标, 再通过目标函数中, 求解得到总适应度函数;

(3) 选择交叉变异: 根据个体适应度与总体适应度的比值, 随机选取父代个体并以父代交叉点为基准繁殖, 得到新染色体后再完成变异, 最后得到新个体。

(4) 寻取适应度最优个体: 若群体适应度变化不显著, 或者已经达到规定迭代次数, 则进行第(5) 步, 否则返回第(2) 步。

(5) 得到配电网供电网格的规划方案和供电网格内新型源荷的配置位置和配置容量。

4 算例分析

分别选取城郊网络、城区网络、村镇网络进行规划算例分析, 得到三类地区的规划方案, 其Pareto 前沿如图1、图2、图3 所示。

图1 城郊网络优化Pareto 前沿

图2 城区网络优化Pareto 前沿

图3 村镇网络优化Pareto 前沿

从图1 ～图3 曲线可以发现, 本文所提出的方法能够计算得到完整的Pareto 前沿和Nash 均衡最优解,三张图中的曲线变化趋势基本一致。但从具体数据分析可以看出提升效果最为明显的是村镇网络, 城郊网络提升不明显, 城区网络提升效果最有限。

5 结束语

针对于大量新型源荷接入配电网运行导致的配电网可靠性降低、经济性不佳的问题, 本文基于“网上电网”系统的基础, 构建了参考网格区域化自管理的基于源荷接入的配电网多目标协调规划模型, 并采用了遗传算法进行了模型的求解, 通过算例验证表明了该方法的有效性, 对于配电网发展较落后的地区, 该方法对于供电可靠性和经济性的提高作用显著。