CN105405067A - 一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法。本发明包括以下步骤：规划区域调研分析，确定规划目标和决策变量；根据规划目标和决策变量列出目标函数，其中外层规划目标函数为净现值；内层规划目标函数包括DG削减量和主动负荷削减量；列出外层规划约束项和内层规划约束项；根据内层规划目标函数、外层规划目标函数、相关约束项生成主动配电网自愈规划模型；对主动配电网自愈规划模型进行优化然后计算，以得到最优决策。充分考虑了主动配电网长期的投资成本和短期的运行经济性，最大程度上提高电网中储能系统、线路的资产利用率。

Description

一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，特别涉及一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法。

背景技术

配电网扩展规划是电力系统规划的一个重要研究领域。近年来，在2006年由CIGRE提出的ADN(ActiveDistributionNetwork，主动配电网)概念成为了众多电力规划领域学者的关注重点。ADN的一个重要特点是集成控制系统对于多种形式的DER(DistributedEnergyResources，分布式能源)进行控制，例如DG(DistributedGeneration，分布式发电)、CL(ControllableLoad，可控负荷)和ESS(EnergyStorageSystem，储能系统)。显而易见，DER的集成会对传统配电网扩展规划产生很大的影响。传统的配电网规划主要可划分为：变电站规划、网架规划、变电站–网架联合规划。

而自愈是智能配电网的重要特征，也是其建成的重要标志。配电网自愈是指配电网的自我预防和自我恢复的能力，这种能力来源于对电网重要参数的监测和有效的控制策略。其中，自我预防是通过系统正常运行时对电网进行实时评价和持续优化来完成的，而自我恢复是电网经受到扰动或发生故障时，系统自动进行故障检测、隔离并恢复供电来实现的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。本发明方法能提高电网中变电站、线路的资产利用率，并且简单方便。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种考虑自愈功能的主动配电网规划方法，包括以下步骤：

步骤1、规划区域调研分析，确定规划目标和决策变量；

步骤2、根据规划目标和决策变量列出目标函数，其中外层规划目标函数为净现值，即收益与网络综合费用之差；网络综合费用包括规划期投资建设成本、运行维护成本、DG及主动负荷削减成本；内层规划目标函数包括DG削减量和主动负荷削减量；

步骤3、列出约束项；

外层规划约束项包括网络连通性限制、网络辐射性限制、系统供电不足期望值小于最大值限制、系统平均中断时间小于最大值限制和建设逻辑约束；内层规划约束项包括节点电压限制、线路及变压器容量限制、主动负荷削减量限制、新能源出力调整量限制和功率平衡约束；

步骤4、根据内层规划目标函数、外层规划目标函数、相关约束项生成主动配电网自愈规划模型；

步骤5、对主动配电网自愈规划模型进行优化然后计算，以得到最优决策。

步骤1所述的规划区域调研分析，确定规划目标和决策变量，具体如下：

确定规划区域，调研规划地区的法律政策和土地类型，从而确定变电站位置；

预测规划地区的负荷、得到规划地区的负荷分布和典型日负荷曲线，进而结合变电站位置得到规划区内全部可建线路；

调研规划地区可接受的新能源渗透率，得到新能源的典型日出力曲线，确定DG出力调整量；所述的典型日负荷曲线包含昼负荷峰值和夜负荷峰值；

调研规划地区主动负荷分布及容量，确定主动负荷削减量；

调研规划地区自动化设备的安装情况费用。

决策目标分为内层决策目标和外层决策目标，外层决策目标为最大化项目净现值，内层决策目标为最大化DG出力和最小化主动负荷削减量；

决策变量分为内层决策变量和外层决策变量，外层决策变量包括线路或者变压器替换、增容、拆除或者新建的选型方案，内层决策变量包括DG的出力和主动负荷削减量。具体地在该模型中，决策变量被划分为两组：

(1)外层决策变量，包括x_j,t,a＝1表示在第t年于第j条线路或第j座变电站架设a种类型的线路；x_j,t,a＝0表示在第t年于第j条线路或第j座变电站不架设a种类型的线路；X_j,t＝1表示在第t年线路j或者变电站j在网络中，X_j,t＝0表示在第t年线路j或者变电站j不在网络中。

(2)内层决策变量，包括P_curtail,DG表示DG削减量，P_curtail,load表示主动负荷削减量。

步骤2所述的根据规划目标和决策变量列出目标函数，具体如下：

外层规划目标函数为：

Profit＝Rev+C_U-(C_Inv+C_Opt+C_Mnt+C_Int)(1)

其中，Profit为净现值，Rev为电费收入，C_Inv为规划期投资建设成本、C_Opt为运行成本、C_Mnt为维护成本、C_Int为中断成本、C_U为新能源补贴收入。

内层规划目标函数为：

P_curtail＝P_curtail,DG+P_curtail,load(2)

其中，P_curtail,DG为DG削减量，P_curtail,load为主动负荷削减量。

步骤2中的外层规划目标函数划分为以下六个部分：

(1)电网的电费收入Rev

(2)新能源补贴收入C_U

(3)规划期投资建设成本C_Inv：包括替换改造线路、新建线路、新建变压器、变电站扩容成本、自动化设备投资成本。

(4)主动配电网的运行成本C_Opt：包括线路损耗、变电站运行成本。

(5)主动配电网的维护成本C_Mnt：包括线路、变电站、自动化设备维护成本。

(6)主动配电网的中断成本C_Int：包括失负荷所造成的经济损失。

由此生成外层规划目标函数如公式(1)：

Profit＝Rev+C_U-(C_Inv+C_Opt+C_Mnt+C_Int)(1)

其中，

$\mathrm{Re}v={\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T\frac{1}{{(1+0.5r)}^{2t+1}}\·P_D\left(t\right)\·C_{kWh}---\left(3\right)$

$P_D\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_{lb}}{P}_{Dj}\left(t\right)\·{\mathrm{LDF}}_j\·(8760-U_j(t\left)\right)---\left(4\right)$

式(3)和(4)中：P_D(t)表示第t年的负荷消耗平均总电量；C_kWh表示每kwh的买卖收益；P_Dj(t)表示节点j的负荷峰值；LDF_j表示节点j的负荷因数；U_j(t)表示第t年节点j的负荷平均故障时间；N_lb表示负荷节点的总数量；r表示年利率；T表示规划总年限。

式(5)中：N_stype表示所有变电站类型的总数；表示变电站a的单位投资成本；N_ftype表示所有线路类型的总数；L_j表示线路j的长度；表示a类型线路的单位投资成本；IC_brk表示断路器的投资成本；表示线路j上是否有断路器；IC_rcls表示重合器的单位投资成本；表示线路j上是否有重合器；IC_fuse表示熔断器的单位投资成本；表示线路j上是否有熔断器；表示把线路a替换成线路b的单位投资成本；N_f表示所有现存和备选线路的总数量；IC_cap表示电容器的单位投资成本；表示节点j上是否有电容器；IC_sw表示远程控制开关的单位投资成本；表示节点j上是否有远程控制开关；IC_fpi表示故障指示器的单位投资成本；表示节点j上是否有故障指示器。

$\begin{array}{c}{C}_{Opt}=\underset{j=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{X_{j,t}}{{\left(1+0.5r\right)}^{2t+1}}\·\left(8760{\mathrm{LF}}_j\·P_{L_j}\left(t\right)\·C_{loss}\right)\\ +{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_{sb}}{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T\frac{1}{{\left(1+0.5r\right)}^{2t+1}}\·\left(8760s_{{\mathrm{smax}}_j}\left(t\right)\·{\mathrm{OC}}_{sub}\right)---\left(6\right)\end{array}$

式(6)中：LF_j表示线路j线损因数；表示第t年线路j的有功损耗；C_loss表示单位能量线损成本；N_sb表示变电站的总数量；表示第t年变电站j的容量；OC_sub表示变电站每年运行成本。

式(7)中：MC_sub表示变电站年维护成本；MC_f表示线路单位长度每年维护成本；MC_brk表示断路器单位容量每年的维护成本；MC_rcl表示重合器每年的维护成本；MC_fuse表示熔断器每年的维护成本；MC_cap表示电容器每年的维护成本；MC_sw表示远程控制开关每年的维护成本；MC_fpi表示故障指示器每年的维护成本。

$C_{Int}={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_{lb}}{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T\frac{1}{{(1+0.5r)}^{2t+1}}\·({\mathrm{VOLL}}_j\·{\mathrm{EENS}}_i(t\left)\right)---\left(8\right)$

式(8)中：VOLL_j表示节点j失负荷所造成的经济损失，EENS_i(t)表示第t年节点j的负荷供电不足期望值。

步骤3所列出的约束项中，外层规划约束包括以下几个方面：

(1)网络连通性约束

Contin＝1(9)

式(9)中：Contin＝1表示线路是连通的，Contin＝0表示线路是不连通的；

(2)网络辐射性限制

Count_f＝Count_lb(10)

式(10)中：Count_f＝Count_lb表示线路是辐射状的，反之，线路是非辐射状的。

(3)系统供电不足期望值小于最大值限制

$AENS\left(t\right)\≤{\mathrm{AENS}}_{th}\∀t\∈\{1,...,T\}---\left(11\right)$

其中

${\mathrm{EENS}}_m\left(t\right)=U_m\left(t\right)\·P_{D_m}\left(t\right)\·{\mathrm{LF}}_m---\left(13\right)$

$SAIDI\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{N_{lb}}{\mathrm{\ω}}_m\·U_m\left(t\right)\·N_{{\mathrm{cstmr}}_m}}{N_{cstmr}}---\left(14\right)$

$EENS\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{N_{lb}}{\mathrm{EENS}}_m\left(t\right)---\left(15\right)$

$AENS\left(t\right)=\frac{EENS\left(t\right)}{N_{cstmr}}---\left(16\right)$

式(11)～(16)中：AENS表示系统供电不足期望值；AENS_th表示系统供电不足期望值的最大值；u(j,m)表示节点m的负荷在j元素(变电站或者线路)故障时的失电时间；U_m为节点m的失电时间；表示节点m的负荷峰值；LF_m表示节点m的负荷因数；SAIDI表示系统平均中断持续时间；N_cstmr表示用户总数量；表示节点m的用户数量。

(4)系统平均中断时间小于最大值限制

$SAIDI\left(t\right)\≤{\mathrm{SAIDI}}_{th}\∀t\∈\{1,...,T\}---\left(17\right)$

(5)建设逻辑约束

${\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T{\mathrm{\Σ}}_{a=1}^{N_{stype}}{x}_{j,t,a}\≤{\mathrm{Expan}}_j\∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{sb}---\left(18\right)$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^T{\mathrm{\Σ}}_{a=1}^{N_{ftype}}{x}_{j,\mathrm{\τ},a}\≤0& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{fe},\∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(19\right)$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^T{\mathrm{\Σ}}_{a=1}^{N_{ftype}}{x}_{j,\mathrm{\τ},a}\≤1& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{ff},\∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(20\right)$

$\begin{array}{cc}-1\≤{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^T{x}_{j,\mathrm{\τ},a}\≤0& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{fe},\∀a\∈{\mathrm{Typ}}_j,\∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(21\right)$

$\begin{array}{cc}0\≤{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^T{x}_{j,\mathrm{\τ},a}\≤1& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{ff},\∀a\∈\{1,...,N_{ftype}\},\∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(23\right)$

式(18)～(23)中：Expan_j表示变电站j能够增加的变压器总台数；N_stype表示变电站容量的类型；Ω_sb表示现有和备选变电站的集合；Ω_fe表示现有线路的集合；Ω_ff表示备选线路的集合；Typ_j表示线路j的类型。

步骤3所列出的约束项中，内层规划约束包括以下几个方面：

(1)节点电压限制

式(24)中：V_nom表示电压基准值；δ_V表示电压的可波动幅值。

(2)线路及变压器容量限制

式(25)和(26)中：表示节点j的变电站有功功率；表示节点j的变电站无功功率；表示变电站j的视在功率最大值；表示节点j的线路有功功率；表示节点j的线路无功功率；表示线路j的视在功率最大值。

(3)主动负荷削减量限制

式(27)和(28)中：为节点i的主动负荷有功功率；为节点i的主动负荷有功功率最大值；为主动负荷所在节点的集合；为节点i的主动负荷无功功率；为节点i的主动负荷无功功率最大值；

(4)新能源出力调整量限制

式(29)和(30)中：为节点i的分布式电源有功功率；为节点i的分布式电源有功功率最大值；为分布式电源所在节点的集合；为节点i的分布式电源无功功率；为节点i的分布式电源无功功率最大值；

(5)功率平衡约束

$\left\{\begin{array}{c}{P}_j+P_{DG,j}-P_{L,j}=U_j\underset{k\∈J}{\Σ}{U}_k(G_{j,k}{\mathrm{cos\δ}}_{j,k}+B_{j,k}{\mathrm{sin\δ}}_{jk})\\ Q_j-Q_{L,j}=U_j\underset{k\∈J}{\Σ}{U}_k(G_{j,k}{\mathrm{sin\δ}}_{j,k}+B_{j,k}{\mathrm{cos\δ}}_{jk})\end{array}\right.---\left(31\right)$

式(31)中：P_j、Q_j分别为j节点的有功、无功注入功率，P_DG,j为节点j接的分布式电源注入有功功率，P_L,j、Q_L,j分别为j节点负荷的有功、无功功率，G_j,k+B_j,k为支路j-k的导纳，U_j为节点j的电压值。

步骤4通过数学规划建模工具YALMIP进行建模，生成主动配电网自愈规划模型。

步骤5对主动配电网自愈规划模型进行优化过程中，外层规划问题使用遗传算法反复迭代求解优化，内层规划问题使用内点法求解优化，最终确定最优的规划方案。

本发明有益效果如下：

内层规划和外层规划的决策变量及约束项生成了考虑自愈功能的主动配电网规划模型，以得到最优决策，通过优化模型对决策变量进行优化，充分考虑了主动配电网长期的投资成本和短期的运行经济性，最大程度上提高电网中储能系统、线路的资产利用率。

附图说明

图1为根据本发明实施例的主动配电网自愈规划方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法。具体包括以下步骤：

S101：规划区域调研分析，确定规划目标和决策变量,具体如下：

确定规划区域，调研规划地区的法律政策和土地类型，从而确定变电站位置；

预测规划地区的负荷、得到规划地区的负荷分布和典型日负荷曲线，进而结合变电站位置得到规划区内全部可建线路；

调研规划地区可接受的新能源渗透率，得到新能源的典型日出力曲线，确定DG出力调整量；所述的典型日负荷曲线包含昼负荷峰值和夜负荷峰值；

调研规划地区主动负荷分布及容量，确定主动负荷削减量；

调研规划地区自动化设备的安装情况费用。

决策目标分为内层决策目标和外层决策目标，外层决策目标为最大化项目净现值，内层决策目标为最大化DG出力和最小化主动负荷削减量；

决策变量分为内层决策变量和外层决策变量，外层决策变量包括线路或者变压器替换、增容、拆除或者新建的选型方案，内层决策变量包括DG的出力和主动负荷削减量。具体地在该模型中，决策变量被划分为两组：

(1)外层决策变量，包括x_j,t,a＝1表示在第t年于第j条线路或第j座变电站架设a种类型的线路；x_j,t,a＝0表示在第t年于第j条线路或第j座变电站不架设a种类型的线路；X_j,t＝1表示在第t年线路j或者变电站j在网络中，X_j,t＝0表示在第t年线路j或者变电站j不在网络中。

(2)内层决策变量，包括P_curtail,DG表示DG削减量，P_curtail,load表示主动负荷削减量。

S102根据规划目标和决策变量列出目标函数，其中外层规划目标函数为净现值，即收益与网络综合费用之差；网络综合费用包括规划期投资建设成本、运行维护成本、DG及主动负荷削减成本；内层规划目标函数包括DG削减量和主动负荷削减量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，外层规划目标函数为：

Profit＝Rev+C_U-(C_Inv+C_Opt+C_Mnt+C_Int)(1)

其中，Profit为净现值，Rev为电费收入，C_Inv为规划期投资建设成本、C_Opt为运行成本、C_Mnt为维护成本、C_Int为中断成本、C_U为新能源补贴收入。

内层规划目标函数为：

P_curtail＝P_curtail,Dg+P_curtail,load(2)

其中，P_curtail,DG为DG削减量，P_curtail,load为主动负荷削减量。

具体地，本发明实施例的自愈规划模型的主要目标是从配网公司角度出发使配电网在多阶段的净现值最大同时又要能保证最大化消纳新能源。因此，目标函数对应地需要从多个维度衡量主动配电网的建设方案。

将外层规划目标函数划分为以下六个部分：

(1)电网的电费收入Rev

(2)新能源补贴收入C_U

(3)规划期投资建设成本C_Inv：包括替换改造线路、新建线路、新建变压器、变电站扩容成本、自动化设备投资成本。

(4)主动配电网的运行成本C_Opt：包括线路损耗、变电站运行成本。

(5)主动配电网的维护成本C_Mnt：包括线路、变电站、自动化设备维护成本。

(6)主动配电网的中断成本C_Int：包括失负荷所造成的经济损失。

由此生成外层规划目标函数如公式(1)：

Profit＝Rev+C_U-(C_Inv+C_Opt+C_Mnt+C_Int)(1)

其中，

$\mathrm{Re}v={\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T\frac{1}{{(1+0.5r)}^{2t+1}}\·P_D\left(t\right)\·C_{kWh}---\left(3\right)$

$P_D\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_{lb}}{P}_{Dj}\left(t\right)\·{\mathrm{LDF}}_j\·(8760-U_j(t\left)\right)---\left(4\right)$

式(3)和(4)中：P_D(t)表示第t年的负荷消耗平均总电量；C_kWh表示每kwh的买卖收益；P_Dj(t)表示节点j的负荷峰值；LDF_j表示节点j的负荷因数；U_j(t)表示第t年节点j的负荷平均故障时间；N_lb表示负荷节点的总数量；r表示年利率；T表示规划总年限。

式(5)中：N_stype表示所有变电站类型的总数；表示变电站a的单位投资成本；N_ftype表示所有线路类型的总数；L_j表示线路j的长度；表示a类型线路的单位投资成本；IC_brk表示断路器的投资成本；表示线路j上是否有断路器；IC_rcls表示重合器的单位投资成本；表示线路j上是否有重合器；IC_fuse表示熔断器的单位投资成本；表示线路j上是否有熔断器；表示把线路a替换成线路b的单位投资成本；N_f表示所有现存和备选线路的总数量；IC_cap表示电容器的单位投资成本；表示节点j上是否有电容器；IC_sw表示远程控制开关的单位投资成本；表示节点j上是否有远程控制开关；表示故障指示器的单位投资成本；表示节点j上是否有故障指示器。

$\begin{array}{c}{C}_{Opt}=\underset{j=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\Σ}}}\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\frac{X_{j,t}}{{\left(1+0.5r\right)}^{2t+1}}\·\left(8760{\mathrm{LF}}_j\·P_{L_j}\left(t\right)\·C_{loss}\right)\\ +{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_{sb}}{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T\frac{1}{{\left(1+0.5r\right)}^{2t+1}}\·\left(8760s_{{\mathrm{smax}}_j}\left(t\right)\·{\mathrm{OC}}_{sub}\right)---\left(6\right)\end{array}$

式(6)中：表示线路j线损因数；()表示第t年线路j的有功损耗；表示单位能量线损成本；表示变电站的总数量；()表示第t年变电站j的容量；表示变电站每年运行成本。

式(7)中：表示变电站年维护成本；表示线路单位长度每年维护成本；表示断路器单位容量每年的维护成本；表示重合器每年的维护成本；表示熔断器每年的维护成本；表示电容器每年的维护成本；表示远程控制开关每年的维护成本；表示故障指示器每年的维护成本。

$C_{Int}={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{N_{lb}}{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T\frac{1}{{(1+0.5r)}^{2t+1}}\·({\mathrm{VOLL}}_j\·{\mathrm{EENS}}_i(t\left)\right)---\left(8\right)$

式(8)中：表示节点j失负荷所造成的经济损失，()表示第t年节点j的负荷供电不足期望值。

S103列出约束项；

外层规划约束项包括网络连通性限制、网络辐射性限制、系统供电不足期望值小于最大值限制、系统平均中断时间小于最大值限制和建设逻辑约束；内层规划约束项包括节点电压限制、线路及变压器容量限制、主动负荷削减量限制、新能源出力调整量限制和功率平衡约束。

具体地，外层规划约束包括以下几个方面：

(1)网络连通性约束

Contin＝1(9)

式(9)中：Contin＝1表示线路是连通的，Contin＝0表示线路是不连通的；

(2)网络辐射性限制

Count_f＝Count_lb(10)

式(10)中：Count_f＝Count_lb表示线路是辐射状的，反之，线路是非辐射状的；

(3)系统供电不足期望值小于最大值限制

$\begin{array}{cc}AENS\left(t\right)\≤{\mathrm{AENS}}_{th}& \∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(11\right)$

其中

${\mathrm{EENS}}_m\left(t\right)=U_m\left(t\right)\·P_{D_m}\left(t\right)\·{\mathrm{LF}}_m---\left(13\right)$

$SAIDI\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{N_{lb}}{\mathrm{\ω}}_m\·U_m\left(t\right)\·N_{{\mathrm{cstmr}}_m}}{N_{cstmr}}---\left(14\right)$

$EENS\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{N_{lb}}{\mathrm{EENS}}_m\left(t\right)---\left(15\right)$

$AENS\left(t\right)=\frac{EENS\left(t\right)}{N_{cstmr}}---\left(16\right)$

式(11)～(16)中：AENS表示系统供电不足期望值；AENS_h表示系统供电不足期望值的最大值；u(j,m)表示节点m的负荷在j元素(变电站或者线路)故障时的失电时间；U_m为节点m的失电时间；表示节点m的负荷峰值；LF_m表示节点m的负荷因数；SAIDI表示系统平均中断持续时间；N_cstmr表示用户总数量；表示节点m的用户数量。

(4)系统平均中断时间小于最大值限制

$\begin{array}{cc}SAIDI\left(t\right)\≤{\mathrm{SAIDI}}_{th}& \∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(17\right)$

(5)建设逻辑约束

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^T{\mathrm{\Σ}}_{a=1}^{N_{stype}}{x}_{j,t,a}\≤{\mathrm{Expan}}_j& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{sb}\end{array}---\left(18\right)$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^T{\mathrm{\Σ}}_{a=1}^{N_{ftype}}{x}_{j,\mathrm{\τ},a}\≤0& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{fe},\∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(19\right)$

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^T{\mathrm{\Σ}}_{a=1}^{N_{ftype}}{x}_{j,\mathrm{\τ},a}\≤1& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{ff},\∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(20\right)$

$\begin{array}{cc}-1\≤{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^T{x}_{j,\mathrm{\τ},a}\≤0& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{fe},\∀a\∈{\mathrm{Typ}}_j,\∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(21\right)$

$\begin{array}{cc}0\≤{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^T{x}_{j,\mathrm{\τ},a}\≤1& \∀j\∈{\mathrm{\Ω}}_{ff},\∀a\∈\{1,...,N_{ftype}\},\∀t\∈\{1,...,T\}\end{array}---\left(23\right)$

式(18)～(23)中：Expan_j表示变电站j能够增加的变压器总台数；N_stype表示变电站容量的类型；Ω_sb表示现有和备选变电站的集合；Ω_fe表示现有线路的集合；Ω_ff表示备选线路的集合；Typ_j表示线路j的类型。

具体地，内层规划约束包括以下几个方面：

(1)节点电压限制

式(24)中：V_nom表示电压基准值；δ_V表示电压的可波动幅值。

(2)线路及变压器容量限制

式(25)和(26)中：表示节点j的变电站有功功率；表示节点j的变电站无功功率；表示变电站j的视在功率最大值；表示节点j的线路有功功率；表示节点j的线路无功功率；表示线路j的视在功率最大值。

(3)主动负荷削减量限制

式(27)和(28)中：为节点i的主动负荷有功功率；为节点i的主动负荷有功功率最大值；为主动负荷所在节点的集合；为节点i的主动负荷无功功率；为节点i的主动负荷无功功率最大值；

(4)新能源出力调整量限制

式(29)和(30)中：为节点i的分布式电源有功功率；为节点i的分布式电源有功功率最大值；为分布式电源所在节点的集合；为节点i的分布式电源无功功率；为节点i的分布式电源无功功率最大值；

(5)功率平衡约束

$\left\{\begin{array}{c}{P}_j+P_{DG,j}-P_{L,j}=U_j\underset{k\∈J}{\Σ}{U}_k(G_{j,k}{\mathrm{cos\δ}}_{j,k}+B_{j,k}{\mathrm{sin\δ}}_{jk})\\ Q_j-Q_{L,j}=U_j\underset{k\∈J}{\Σ}{U}_k(G_{j,k}{\mathrm{sin\δ}}_{j,k}+B_{j,k}{\mathrm{cos\δ}}_{jk})\end{array}\right.---\left(31\right)$

式(31)中：P_j、Q_j分别为j节点的有功、无功注入功率，P_DG,j为节点j接的分布式电源注入有功功率，P_L,j、Q_L,j分别为j节点负荷的有功、无功功率，G_j,k+B_j,k为支路j-k的导纳，U_j为节点j的电压值。

S104根据内层规划目标函数、外层规划目标函数、相关约束项生成主动配电网自愈规划模型。

进一步地，主动配电网自愈模型可以通过数学规划建模工具包如YALMIP进行建模，并利用优化软件如Gurobi、CPLEX等进行计算。

S105对主动配电网自愈规划模型进行优化然后计算，以得到最优决策；其中，外层规划问题使用遗传算法反复迭代求解优化，内层规划问题使用内点法求解优化，最终确定最优的规划方案。

实施例

在本发明的一个实施例中，主动配电网自愈规划模型可以对外层规划使用遗传算法，内层规划使用内点法。参照图2所示，该程序流程包括以下步骤：

(1)输入网络参数及初始计算参数

(2)生成初始种群

(3)针对当代种群得出重构的网络

(4)计算最优潮流

(5)得DG出力和负荷削减的最优值

(6)计算当代种群个体投资净现值

(7)网架的供电可靠性指标计算

(8)计算适应度函数

(9)判断是否达到收敛条件

内层规划和外层规划的决策变量及约束项生成了考虑自愈功能的主动配电网规划模型，以得到最优决策，通过优化模型对决策变量进行优化，充分考虑了主动配电网长期的投资成本和短期的运行经济性，最大程度上提高电网中储能系统、线路的资产利用率。

Claims (8)

1.一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、规划区域调研分析，确定规划目标和决策变量；

步骤2、根据规划目标和决策变量列出目标函数，其中外层规划目标函数为净现值，即收益与网络综合费用之差；网络综合费用包括规划期投资建设成本、运行维护成本、DG及主动负荷削减成本；内层规划目标函数包括DG削减量和主动负荷削减量；

步骤3、列出约束项；

外层规划约束项包括网络连通性限制、网络辐射性限制、系统供电不足期望值小于最大值限制、系统平均中断时间小于最大值限制和建设逻辑约束；内层规划约束项包括节点电压限制、线路及变压器容量限制、主动负荷削减量限制、新能源出力调整量限制和功率平衡约束；

步骤4、根据内层规划目标函数、外层规划目标函数、相关约束项生成主动配电网自愈规划模型；

步骤5、对主动配电网自愈规划模型进行优化然后计算，以得到最优决策。

2.根据权利要求1所述的一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，其特征在于步骤1所述的规划区域调研分析，确定规划目标和决策变量，具体如下：

确定规划区域，调研规划地区的法律政策和土地类型，从而确定变电站位置；

预测规划地区的负荷、得到规划地区的负荷分布和典型日负荷曲线，进而结合变电站位置得到规划区内全部可建线路；

调研规划地区可接受的新能源渗透率，得到新能源的典型日出力曲线，确定DG出力调整量；所述的典型日负荷曲线包含昼负荷峰值和夜负荷峰值；

调研规划地区主动负荷分布及容量，确定主动负荷削减量；

调研规划地区自动化设备的安装情况费用；

决策目标分为内层决策目标和外层决策目标，外层决策目标为最大化项目净现值，内层决策目标为最大化DG出力和最小化主动负荷削减量；

决策变量分为内层决策变量和外层决策变量，外层决策变量包括线路或者变压器替换、增容、拆除或者新建的选型方案，内层决策变量包括DG的出力和主动负荷削减量；具体地在该模型中，决策变量被划分为两组：

(1)外层决策变量，包括x_j，t，a＝1表示在第t年于第j条线路或第j座变电站架设a种类型的线路；x_j，t，a＝0表示在第t年于第j条线路或第j座变电站不架设a种类型的线路；X_j，t＝1表示在第t年线路j或者变电站j在网络中，X_j，t＝0表示在第t年线路j或者变电站j不在网络中；

(2)内层决策变量，包括P_curtail，DG表示DG削减量，P_{curtail，load}表示主动负荷削减量。

3.根据权利要求2所述的一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，其特征在于步骤2所述的根据规划目标和决策变量列出目标函数，具体如下：

外层规划目标函数为：

Profit＝Rev+C_U-(C_Inv+C_Opt+C_Mnt+C_Int)(1)

其中，Profit为净现值，Rev为电费收入，C_Inv为规划期投资建设成本、C_Opt为运行成本、C_Mnt为维护成本、C_Int为中断成本、C_U为新能源补贴收入；

内层规划目标函数为：

P_curtail＝P_curtail，DG+P_{curtail，load}(2)

其中，P_curtail，DG为DG削减量，P_{curtail，load}为主动负荷削减量。

4.根据权利要求3所述的一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，其特征在于步骤2中的外层规划目标函数划分为以下六个部分：

(1)电网的电费收入Rev

(2)新能源补贴收入C_U

(3)规划期投资建设成本C_Inv：包括替换改造线路、新建线路、新建变压器、变电站扩容成本、自动化设备投资成本；

(4)主动配电网的运行成本C_Opt：包括线路损耗、变电站运行成本；

(5)主动配电网的维护成本C_Mnt：包括线路、变电站、自动化设备维护成本；

(6)主动配电网的中断成本C_Int：包括失负荷所造成的经济损失；

由此生成外层规划目标函数如公式(1)：

Profit＝Rev+C_U-(C_Inv+C_Opt+C_Mnt+C_Int)(1)

其中，

式(3)和(4)中：P_D(t)表示第t年的负荷消耗平均总电量；C_kwh表示每kwh的买卖收益；P_Dj(t)表示节点j的负荷峰值；LDF_j表示节点j的负荷因数；U_j(t)表示第t年节点j的负荷平均故障时间；N_lb表示负荷节点的总数量；r表示年利率；T表示规划总年限；

式(5)中：N_stype表示所有变电站类型的总数；表示变电站a的单位投资成本；N_ftype表示所有线路类型的总数；L_j表示线路j的长度；IC_fa表示a类型线路的单位投资成本；IC_brk表示断路器的投资成本；表示线路j上是否有断路器；IC_rcls表示重合器的单位投资成本；表示线路j上是否有重合器；IC_fuse表示熔断器的单位投资成本；表示线路j上是否有熔断器；表示把线路a替换成线路b的单位投资成本；N_f表示所有现存和备选线路的总数量；IC_cap表示电容器的单位投资成本；表示节点j上是否有电容器；IC_sw表示远程控制开关的单位投资成本；表示节点j上是否有远程控制开关；IC_fpi表示故障指示器的单位投资成本；表示节点j上是否有故障指示器；

式(6)中：LF_j表示线路j线损因数；表示第t年线路j的有功损耗；C_loss表示单位能量线损成本；N_sb表示变电站的总数量；表示第t年变电站j的容量；OC_sub表示变电站每年运行成本；

式(7)中：MC_sub表示变电站年维护成本；MC_f表示线路单位长度每年维护成本；MC_brk表示断路器单位容量每年的维护成本；MC_rcl表示重合器每年的维护成本；MC_fuse表示熔断器每年的维护成本；MC_cap表示电容器每年的维护成本；MC_sw表示远程控制开关每年的维护成本；MC_fpi表示故障指示器每年的维护成本；

式(8)中：VOLL_j表示节点j失负荷所造成的经济损失，EENS_i(t)表示第t年节点j的负荷供电不足期望值。

5.根据权利要求4所述的一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，其特征在于步骤3所列出的约束项中，外层规划约束包括以下几个方面：

(1)网络连通性约束

Contin＝1(9)

式(9)中：Contin＝1表示线路是连通的，Contin＝0表示线路是不连通的；

(2)网络辐射性限制

Count_f＝Count_lb(10)

式(10)中：Count_f＝Count_lb表示线路是辐射状的，反之，线路是非辐射状的；

(3)系统供电不足期望值小于最大值限制

其中

式(11)～(16)中：AENS表示系统供电不足期望值；AENS_th表示系统供电不足期望值的最大值；u(j，m)表示节点m的负荷在j元素(变电站或者线路)故障时的失电时间；U_m为节点m的失电时间；表示节点m的负荷峰值；LF_m表示节点m的负荷因数；SAIDI表示系统平均中断持续时间；N_cstmr表示用户总数量；表示节点m的用户数量；

(4)系统平均中断时间小于最大值限制

(5)建设逻辑约束

式(18)～(23)中：Expan_j表示变电站j能够增加的变压器总台数；N_stype表示变电站容量的类型；Ω_sb表示现有和备选变电站的集合；Ω_fe表示现有线路的集合；Ω_ff表示备选线路的集合；Typ_j表示线路j的类型。

6.根据权利要求4所述的一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，其特征在于步骤3所列出的约束项中，内层规划约束包括以下几个方面：

(1)节点电压限制

式(24)中：V_nom表示电压基准值；δ_V表示电压的可波动幅值；

(2)线路及变压器容量限制

式(25)和(26)中：表示节点j的变电站有功功率；表示节点j的变电站无功功率；表示变电站j的视在功率最大值；表示节点j的线路有功功率；表示节点j的线路无功功率；表示线路j的视在功率最大值；

(3)主动负荷削减量限制

式(27)和(28)中：为节点i的主动负荷有功功率；为节点i的主动负荷有功功率最大值；为主动负荷所在节点的集合；为节点i的主动负荷无功功率；为节点i的主动负荷无功功率最大值；

(4)新能源出力调整量限制

式(29)和(30)中：为节点i的分布式电源有功功率；为节点i的分布式电源有功功率最大值；为分布式电源所在节点的集合；为节点i的分布式电源无功功率；为节点i的分布式电源无功功率最大值；

(5)功率平衡约束

式(31)中：P_j、Q_j分别为j节点的有功、无功注入功率，P_DG，j为节点j接的分布式电源注入有功功率，P_L，j、Q_L，j分别为j节点负荷的有功、无功功率，G_j，k+B_j，k为支路j-k的导纳，U_j为节点j的电压值。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，其特征在于步骤4通过数学规划建模工具YALMIP进行建模，生成主动配电网自愈规划模型。

8.根据权利要求5或6所述的一种基于两层规划的多阶段主动配电网自愈规划方法，其特征在于步骤5对主动配电网自愈规划模型进行优化过程中，外层规划问题使用遗传算法反复迭代求解优化，内层规划问题使用内点法求解优化，最终确定最优的规划方案。