新型電力系統背景下基于源荷的配電網規劃方法

李德彥

(廣州市電力工程設計院有限公司)

0 引言

隨著經濟的發展, 傳統的化石型能源對環境造成了嚴重的影響, 因此需要大力發展新能源發電, 以減輕對于環境的影響[1]。大量的新能源接入將成為配電網發展的新特點, 多種型式的新能源和負荷的大規模接入會對配電網的設計和規劃造成一定影響[2-3]。對配電網進行網格化規劃是配電網規劃的新熱點, 核心思想是將配電網進行合理分割, 由繁入簡。本文根據“網上電網”強大的數據采集能力和業務協同能力,從源荷接入對于配電網影響的方向切入, 提出了基于源荷接入的配電網規劃方法, 并構建了參考網格區域化自管理的基于源荷接入的配電網多目標協調規劃模型, 經過算例驗證, 本文所提出的方法有效[4-5]。

1 源荷接入對配電網的影響分析

源荷的接入逐步實現了從 “無源”配電網到“有源”配電網的過渡, 這就使得配電網的規劃更加復雜。為了確保多元負荷與配電網之間的協調運行,需要對電源和負荷進行合理規劃, 現對常規電源和負荷進行分析。

電動汽車能夠實現有序充電和無序充電, 并且具備反向供電能力, 其無序充電能夠導致用電高峰期配電變壓器重載運行, 電動汽車的交通網絡和充電樁的布局情況會直接影響到配電網的負載分布情況, 在進行配電網規劃時要充分考慮接入設備的負載率、電能質量、分布式電源消納能力等[6]。

分布式光伏具有隨機性、波動性、間歇性的特點,短時間可能造成設備負載不平衡, 長時間會影響電力平衡, 分布式光伏的集中區域式接入會改變整個配電網的潮流分布, 在進行配電網規劃時要充分考慮接入設備的反向負載率、電能質量、分布式電源消納能力等。

分布式儲能能夠在用電高峰期釋放電能, 在用電低谷期儲存電能, 起到削峰填谷的作用, 能夠均衡區域負荷, 在進行配電網規劃時要充分考慮接入設備的雙向負載率、電能質量、分布式電源消納能力等。

需求響應負荷能夠合理配置配電網資源, 優化負荷曲線, 提高配電網運行可靠性, 協同多設備優化運行, 在進行配電網規劃時要充分考慮接入設備的負載率、分布式電源消納能力等。

2 基于源荷接入的配電網供電網格劃分

基于源荷接入的網格化規劃對于分布式電源的消納具有重要意義, 從供電分區、供電網格、供電單元這三個最基本層次展開劃分。供電分區的劃分要以地理形態和行政邊界作為劃分原則; 供電網格要保證供電范圍相對獨立, 應包含兩到四個變電站, 站間具有較強的中壓聯絡性; 供電單元由相鄰的, 性質類似的, 供電要求基本一致的地塊構成。

供電網格的劃分要充分考慮不同類型源荷的互補特性, 以及網格架構對源荷的承載能力(主要包括了負載率、電壓達標率、諧波含量等)。

利用“網上電網”的網格化規劃模塊能夠實現供電網格的可視化管理, 構建配電網設備與供電網格之間的關聯性, 從而得到一套孿生態電網。通過圖形化的方式提取配電網的運行數據, 為規劃方案的制定提供數據依據。

3 參考網格區域化自管理的基于源荷接入的配電網多目標協調規劃模型

隨著大量新型源荷接入配電網, 對配電網的可靠性和經濟性都產生了一定程度的影響。為了實現新型源荷接入條件下網格區域化配電網性能的提升, 基于配電網可靠性和經濟性進行研究, 再以可靠性和經濟性為雙規劃目標, 來構建規劃模型。

3.1 目標函數

基于多個不同類型源荷接入到配電網中, 配電網的可靠性指標可以采用多個供電網格的可靠性指標疊加的方法來描述:

式中,CL為配電網的可靠性指標,CL.k.j和pload.k.j分別為供電網格內負荷的停電損失和停電概率,NL為配電網的停電次數,τR為單次停電所耗費時長,N為供電網格內存在的負荷數量,Sk.j為供電網格內負荷節點的運行狀態,Pk,j(t) 為供電網格內負荷節點的實時功率。

基于配電網在供電網格管理下的自管理模式, 能夠自主進行故障診斷并完成故障隔離, 并且在供電網格內部完成故障處理、故障恢復, 則在故障恢復階段, 供電網格內負荷節點的實時功率可以描述為:

式中,PD.k,j(t) 為供電網格內負荷節點的實時需求功率,PPV.k,j(t) 為供電網格內負荷節點的光伏實時功率,PESS.k,j(t) 為供電網格內負荷節點的儲能實時功率。

配電網的經濟性指標可以通過多個供電網格的經濟性指標綜合得到: 源荷的投資主要包括了建設費用和維護費用兩部分, 對于配電網整體可以描述為:

式中,Ctotal為經濟性指標的目標函數,Cinv為源荷投資費用,Cope為源荷維護費用,Cbuy為購電費用,Cpro為削峰填谷作用產生的收益。

3.2 約束調節

(1) 潮流分布約束:

式中,Pi和Qi分別描述了配電網中不同節點有功功率參數和無功功率參數,Ui和Uj分別為不同節點的電壓參數,Bij和Gij分別為不同節點之間的電導參數和電納參數,θij為節點電壓的向量夾角。

(2) 節點電壓約束:

式中,Ui.max和Ui,min分別為節點電壓的最大值和最小值。

(3) 節點源荷容量約束:

式中,Pyh.i為節點源荷的總功率,Pyh.i.max為節點源荷總功率的最大限制值。

(4) 配電網源荷總容量約束:

式中,λPV為具備并網運行條件的源荷容量與配電網總容量的比值,PL.i為配電網的不同節點的實時功率。

(5) 儲能約束:

式中,SOC.i.min和SOC.i.max分別為節點儲能單元的狀態最小限制值和最大限制值,PESS.i和PESS.i.max分別描述了不同節點的儲能單元的運行功率參數和總容量上限值。

(6) 配電網供電網格可靠性約束:

式中,CL.k為配電網供電網格的可靠性指標,Ck.max為配電網供電網格的停電損失極限值,RL.k為配電網供電網格的供電可靠概率,T為規劃周期。

3.2 模型求解

為了求對這種多目標規劃問題進行快速求解, 本文選用多目標遺傳算法。經過Nash 均衡處理的模型為:

式中,u1(x) 和u2(x) 分別為各自獲取利益最大化的方向,d1和d2分別為雙方博弈無法進行位置。

基于Nash 均衡線性變換的不變的基本原則, 再結合式(1) 和式(3) 的可靠性和經濟性規劃目標,得到優化模型為:

式中,C為配電網多目標規劃的目標函數,C1為停電損失邊界參數,C2為投資邊界參數。

利用多目標遺傳算法對基于Nash 均衡的配電網供電網格規劃模型進行運算, 其具體步驟為:

(1) 完成種群初始化: 確定種群大小、變量編碼方式、交叉率、迭代次數等參數, 從而得到隨機種群;

(2) 完成目標函數計算: 根據單個個體具體情況, 提取出相應的可靠性和經濟性子目標, 再通過目標函數中, 求解得到總適應度函數;

(3) 選擇交叉變異: 根據個體適應度與總體適應度的比值, 隨機選取父代個體并以父代交叉點為基準繁殖, 得到新染色體后再完成變異, 最后得到新個體。

(4) 尋取適應度最優個體: 若群體適應度變化不顯著, 或者已經達到規定迭代次數, 則進行第(5) 步, 否則返回第(2) 步。

(5) 得到配電網供電網格的規劃方案和供電網格內新型源荷的配置位置和配置容量。

4 算例分析

分別選取城郊網絡、城區網絡、村鎮網絡進行規劃算例分析, 得到三類地區的規劃方案, 其Pareto 前沿如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 城郊網絡優化Pareto 前沿

圖2 城區網絡優化Pareto 前沿

圖3 村鎮網絡優化Pareto 前沿

從圖1 ～圖3 曲線可以發現, 本文所提出的方法能夠計算得到完整的Pareto 前沿和Nash 均衡最優解,三張圖中的曲線變化趨勢基本一致。但從具體數據分析可以看出提升效果最為明顯的是村鎮網絡, 城郊網絡提升不明顯, 城區網絡提升效果最有限。

5 結束語

針對于大量新型源荷接入配電網運行導致的配電網可靠性降低、經濟性不佳的問題, 本文基于“網上電網”系統的基礎, 構建了參考網格區域化自管理的基于源荷接入的配電網多目標協調規劃模型, 并采用了遺傳算法進行了模型的求解, 通過算例驗證表明了該方法的有效性, 對于配電網發展較落后的地區, 該方法對于供電可靠性和經濟性的提高作用顯著。