CN105608501A - 一种优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法，包括：步骤S1：获取系统运行预测数据、网架结构数据，新能源规划数据和新能源要达到的消纳水平；步骤S2：建立电网规划模型；步骤S3：求解所述电网规划模型；步骤S4：建立新能源与新建线路的建设时序模型；步骤S5：求解所述新能源与新建线路的建设时序模型。本发明针对新能源送出受阻问题，有效提高了新能源消纳水平；在对电网进行规划时，考虑系统负荷增长趋势，兼顾新能源装机增长，从调峰能力，网架约束，潮流分布，系统运行成本及运行效益等多角度综合考虑新能源消纳问题，通过优化新建线路与新能源建设时序使新建线路的利用率及新能源的运行效益达到最优。

Description

一种优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法

技术领域

本发明涉及一种中长期电网规划方法，尤其是一种优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法，属于电网规划技术领域。

背景技术

风电、光伏等新能源发电的发展已显示出明显的经济与环境效益，未来新能源将在我国电网结构中占据越来越重要的地位。然而，新能源出力的随机波动特性给电网的安全稳定运行带来挑战。由于电网网架传输能力不足导致弃风弃光严重制约了新能源大规模并网，因此，亟需建立面向新能源消纳的电网规划方法，使得电网网架结构更好的适应新能源的发展。

在未来比较长的时期内，新能源发电仍会以比较快的速度发展，在这样的背景下，考虑新能源消纳的电网规划的目标，内涵与方法都会发生比较大的变化。新能源并网消纳与电网建设投资经济性的有效协调将成为电网规划重点考虑的问题。面向新能源消纳的电网规划方法的根本目标是实现新能源合理消纳，充分发挥新能源低碳，节能与环保的作用。对于电网规划而言，新能源的合理消纳有两方面的要求，一方面电网要有足够的灵活性包容新能源出力的剧烈波动，尽量减少弃风弃光现象；另一方面，电网消纳新能源不能造成电网规划投资成本的明显上升。

现有的电网规划方法鲜有针对新能源并网提出的，且一般只是通过考虑技术与经济指标对备选的几个规划方案择优选取，而这种方案的合理性往往依赖于规划人员的经验，难以获得最优的电网规划方案；另外现有的电网规划方法大多是根据负荷增长趋势，在满足系统运行安全等约束条件下，以投资费用最小为目标确定新建线路，而没有在规划过程中将新能源的发展考虑进去，有一定的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法。

本发明采用下述技术方案：

一种优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取系统运行预测数据：包括网架结构数据，新能源规划数据和新能源要达到的消纳水平；所述系统运行预测数据包括负荷增长预测数据，各电源装机规模，机组出力上下限值；所述网架结构数据包括网架总节点数N，现阶段限制新能源送出线路集Ω₀及每条线路传输功率极限值允许新建线路走廊m，线路走廊允许新建线路条数n_m，新建线路k引起的多接纳新能源的容量S_k，新建线路传输功率极限值所述新能源规划数据包括新能源规划年装机容量S_t，风电场及光伏电站总数n_a，各风电场及光伏电站装机容量，新能源出力数据。新能源消纳水平包括弃风弃光量占新能源总发电量的比例η；

步骤S2：建立电网规划模型：所述电网规划模型考虑新建每条线路对提高新能源消纳水平的影响，以线路总投资费用f最低为目标函数，确定新建线路集：

$\min f=\underset{i,j\∈\mathrm{\φ}}{\Σ}{C}_{ij}{n}_{ij},i,j\≤N---\left(1\right)$

其中，i,j为网络节点，φ为网络节点的集合,N为网架总节点数；n_ij表示线路走廊i-j之间扩建线路回数，C_ij为线路走廊i-j之间扩建一回线路的投资费用；线路走廊i-j之间扩建一回线路的投资费用C_ij由节点i,j之间的线路传输功率极限值P_ij ^max及两节点之间的线路长度l_ij决定；

所述电网规划模型需要满足以下约束条件：

——线路潮流约束：

P_ij＝B_ij(θ_i-θ_j)i,j≤N(2)

P_ij为节点i,j之间线路流过的有功功率，B_ij为节点i,j之间一条线路的电纳，θ_i,θ_j分别为节点i，j的电压相角；

——待选线路传输功率极限约束：

$\left|P_{ij}\right|\≤n_{ij}{P}_{ij}^{max},i,j\≤N---\left(3\right)$

其中，P_ij为走廊i-j线路传输功率总值，n_ij表示线路走廊i-j之间扩建线路回数，为线路走廊i-j新建一回线路传输功率极限值；

——网架节点功率平衡约束：

∑A_ilP_l＝P_Gi-P_Dii≤N(4)

其中，N为系统节点数，Ω_i为与节点i相连的支路集，A_il为节点i与支路l的关联系数，P_l为与节点i相连的支路l的潮流，P_Gi和P_Di分别为节点i的电源出力与负荷；

——系统节点电压约束：

V_i ^min≤V_i≤V_i ^maxi≤N(5)

其中，V_i为节点i的电压值，V_i ^min，V_i ^max为节点i的电压下限值与上限值；

——输电走廊约束：

$0\≤n_{ij}\≤n_{ij}^{\max },i,j\≤N---\left(6\right)$

其中，为支路i,j之间允许架设的输电线路数量最大值；

——新能源消纳水平约束：

η≤η^max(7)

其中，η为弃新能源比例，η^max为弃新能源比例最大值；

步骤S3：求解所述电网规划模型，确定新建线路集Ω；

步骤S4：建立新能源与新建线路的建设时序模型：

${\mathrm{maxf}}_2=\underset{t=1}{\overset{n_t}{\Σ}}\left(G_1\right(a,t)+G_2(x,t)+G_3(x,t\left)\right),1\≤a\≤n_a,1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(8\right)$

其中，n_a为待建的风电场或光伏电站总数,n_t为将计算周期T分成的时段数，n_x为新建线路总数；G₁(a,t)为新建风电场或光伏电站a在t时段内的运行收益，G₂(x,t)为线路x在时段t内的运行费用，G₃(x,t)为线路x在时段t内的过负荷惩罚费用；

步骤S5：求解所述新能源与新建线路的建设时序模型。

所述步骤S4中新建风电场或光伏电站a在t时段内的运行收益G₁(a,t)为：

$G_1(a,t)=\underset{a=1}{\overset{n_a}{\Σ}}{C}_1\frac{T}{n_t}\·\mathrm{\η}(a,t)\·S_a\·r(a,t),1\≤a\≤n_a,1\≤t\≤n_t---\left(9\right)$

其中，S_a为电站a的装机容量，C₁为电站发电收益系数，η(a,t)为电站a在时段t的发电效率，r(a,t)为电站a与时段t的关联系数，属于矩阵R_a×t中的元素，R_a×t表示新建的所有风电场或光伏电站在时段t的建设情况，若风电场或光伏电站a在时段t已建设，则r(a,t)＝1，否则为0。

所述步骤S4中线路x在时段t内的运行费用G₂(x,t)为：

$G_2(x,t)=\underset{x=1}{\overset{n_x}{\Σ}}(\frac{C_2}{n_t}\frac{T^2}{8760}{r}_x\·P_x^2\·u(x,t\left)\right),1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(10\right)$

其中，C₂为线路x年网损费用系数，P_x为线路x在时段t内的输送有功功率，r_x为新建线路x的电阻，u(x,t)为线路x与时段t的关联系数，属于U_x×t中的元素，U_x×t为建线路与新能源的建设时序组合矩阵，表示新建线路在时段t的建设情况，若线路x在t时段已建设则其对应元素u(x,t)＝1，否则为0。

所述步骤S4中线路x在时段t内的过负荷惩罚费用G₃(x,t)为：

$G_3(x,t)=\underset{x=1}{\overset{n_x}{\Σ}}{C}_3\frac{T}{n_t}\·\max (0,(P_x-P_x^{\max }\left)\right)\·u(x,t),1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(11\right)$

其中，C₃为过负荷惩罚系数，为线路x的最大传输功率，表示取0和两者的较大值。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明针对新能源送出受阻问题，提出一种面向新能源消纳的电网规划方法，有效提高了新能源消纳水平；

2、本方法在对电网进行规划时，以新能源最终要达到的消纳水平作为电网规划是否合理的重要评判标准，考虑系统负荷增长趋势，兼顾新能源装机增长，从调峰能力，网架约束，潮流分布，系统运行成本及运行效益等多角度综合考虑新能源消纳问题，通过优化新建线路与新能源建设时序使新建线路的利用率及新能源的运行效益达到最优；

3、本方法提出一种新能源建设与网架建设时序的最优组合方法，建立基于运行效益最优的新能源及网架建设时序模型，并通过粒子群等智能算法求解，得出新建线路与新能源建设时序组合。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取系统运行预测数据：包括网架结构数据，新能源规划数据和新能源要达到的消纳水平；所述系统运行预测数据包括负荷增长预测数据，各电源装机规模，机组出力上下限值；所述网架结构数据包括网架总节点数N，现阶段限制新能源送出线路集Ω₀及每条线路传输功率极限值允许新建线路走廊m，线路走廊允许新建线路条数n_m，新建线路k引起的多接纳新能源的容量S_k，新建线路传输功率极限值所述新能源规划数据包括新能源规划年装机容量S_t，风电场及光伏电站总数n_a，各风电场及光伏电站装机容量，新能源出力数据。新能源消纳水平包括弃风弃光量占新能源总发电量的比例η；

步骤S2：建立电网规划模型：所述电网规划模型考虑新建每条线路对提高新能源消纳水平的影响，以线路总投资费用f最低为目标函数，确定新建线路集：

$\min f=\underset{i,j\∈\mathrm{\φ}}{\Σ}{C}_{ij}{n}_{ij},i,j\≤N---\left(1\right)$

其中，i,j为网络节点，φ为网络节点的集合,N为网架总节点数；n_ij表示线路走廊i-j之间扩建线路回数，C_ij为线路走廊i-j之间扩建一回线路的投资费用；线路走廊i-j之间扩建一回线路的投资费用C_ij由节点i,j之间的线路传输功率极限值P_ij ^max及两节点之间的线路长度l_ij决定；

所述电网规划模型需要满足以下约束条件：

——线路潮流约束：

P_ij＝B_ij(θ_i-θ_j)i,j≤N(2)

P_ij为节点i,j之间线路流过的有功功率，B_ij为节点i,j之间一条线路的电纳，θ_i,θ_j分别为节点i，j的电压相角；

——待选线路传输功率极限约束：

$\left|P_{ij}\right|\≤n_{ij}{P}_j^{max},i,j\≤N---\left(3\right)$

其中，P_ij为走廊i-j线路传输功率总值，n_ij表示线路走廊i-j之间扩建线路回数，为线路走廊i-j新建一回线路传输功率极限值；

——网架节点功率平衡约束：

∑A_ilP_l＝P_Gi-P_Dii≤N(4)

其中，N为系统节点数，Ω_i为与节点i相连的支路集，A_il为节点i与支路l的关联系数，P_l为与节点i相连的支路l的潮流，P_Gi和P_Di分别为节点i的电源出力与负荷；

——系统节点电压约束：

V_i ^min≤V_i≤V_i ^maxi≤N(5)

其中，V_i为节点i的电压值，V_i ^min，V_i ^max为节点i的电压下限值与上限值；

——输电走廊约束：

$0\≤n_{ij}\≤n_{ij}^{\max },i,j\≤N---\left(6\right)$

其中，为支路i,j之间允许架设的输电线路数量最大值；

——新能源消纳水平约束：

η≤η^max(7)

其中，η为弃新能源比例，η^max为弃新能源比例最大值；

步骤S3：求解所述电网规划模型，确定新建线路集Ω；

步骤S4：建立新能源与新建线路的建设时序模型：

${\mathrm{maxf}}_2=\underset{t=1}{\overset{n_t}{\Σ}}\left(G_1\right(a,t)+G_2(x,t)+G_3(x,t\left)\right),1\≤a\≤n_a,1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(8\right)$

其中，n_a为待建的风电场或光伏电站总数,n_t为将计算周期T分成的时段数，n_x为新建线路总数；G₁(a,t)为新建风电场或光伏电站a在t时段内的运行收益，G₂(x,t)为线路x在时段t内的运行费用，G₃(x,t)为线路x在时段t内的过负荷惩罚费用；

步骤S5：求解所述新能源与新建线路的建设时序模型。

所述步骤S4中新建风电场或光伏电站a在t时段内的运行收益G₁(a,t)为：

$G_1(a,t)=\underset{a=1}{\overset{n_a}{\Σ}}{C}_1\frac{T}{n_t}\·\mathrm{\η}(a,t)\·S_a\·r(a,t),1\≤a\≤n_a,1\≤t\≤n_t---\left(9\right)$

其中，S_a为电站a的装机容量，C₁为电站发电收益系数，η(a,t)为电站a在时段t的发电效率，r(a,t)为电站a与时段t的关联系数，属于矩阵R_a×t中的元素，R_a×t表示新建的所有风电场或光伏电站在时段t的建设情况，若风电场或光伏电站a在时段t已建设，则r(a,t)＝1，否则为0。

所述步骤S4中线路x在时段t内的运行费用G₂(x,t)为：

$G_2(x,t)=\underset{x=1}{\overset{n_x}{\Σ}}(\frac{C_2}{n_t}\frac{T^2}{8760}{r}_x\·P_x^2\·u(x,t\left)\right),1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(10\right)$

其中，C₂为线路x年网损费用系数，P_x为线路x在时段t内的输送有功功率，r_x为新建线路x的电阻，u(x,t)为线路x与时段t的关联系数，属于U_x×t中的元素，U_x×t为建线路与新能源的建设时序组合矩阵，表示新建线路在时段t的建设情况，若线路x在t时段已建设则其对应元素u(x,t)＝1，否则为0。

所述步骤S4中线路x在时段t内的过负荷惩罚费用G₃(x,t)为：

$G_3(x,t)=\underset{x=1}{\overset{n_x}{\Σ}}{C}_3\frac{T}{n_t}\·max(0,(P_x-P_x^{\max }\left)\right)\·u(x,t),1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(11\right)$

其中，C₃为过负荷惩罚系数，为线路x的最大传输功率，表示取0和两者的较大值。

本发明针对新能源送出受阻问题，以提高新能源消纳水平为最终目标，将新能源并网时序引入到电网规划中。步骤S2以未来一段时期后新能源消纳达到一定水平的前提下，考虑各种约束条件及新建每条线路对提高新能源消纳水平的影响，建立电网规划数学模型。步骤S3以新能源最终要达到的消纳水平作为电网规划是否合理的重要评判标准，采用人工鱼群等智能算法求解模型，选出所有满足消纳水平的电网规划方案，以新建线路投资总费用最低为目标，确定新建线路集。步骤S5中在求解新建线路与新能源建设时序模型时，以一段时间T为周期，将这一周期分成若干时间点n_t，则新能源与新建线路在不同的时间点建设将会有不同的时序组合，通过计算系统在每一种时序组合下一个周期的运行效益，取效益最好的组合方式作为新能源与新建线路的建设时序。

Claims (4)

1.一种优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：获取系统运行预测数据、网架结构数据、新能源规划数据和新能源要达到的消纳水平；所述系统运行预测数据包括负荷增长预测数据，各电源装机规模，机组出力上下限值；所述网架结构数据包括网架总节点数N，现阶段限制新能源送出线路集Ω₀及每条线路传输功率极限值允许新建线路走廊m，线路走廊允许新建线路条数n_m，新建线路k引起的多接纳新能源的容量S_k，新建线路传输功率极限值所述新能源规划数据包括新能源规划年装机容量S_t，风电场及光伏电站总数n_a，各风电场及光伏电站装机容量，风电场及光伏电站典型日出力曲线；新能源消纳水平包括弃风弃光量占新能源总发电量的比例η；

步骤S2：建立电网规划模型：所述电网规划模型考虑新建每条线路对提高新能源消纳水平的影响，以线路总投资费用f最低为目标函数，确定新建线路集：

$\min f=\underset{i,j\∈\mathrm{\φ}}{\Σ}{C}_{ij}{n}_{ij},i,j\≤N---\left(1\right)$

其中，i,j为网络节点，φ为网络节点的集合,N为网架总节点数；n_ij表示线路走廊i-j之间扩建线路回数，C_ij为线路走廊i-j之间扩建一回线路的投资费用；线路走廊i-j之间扩建一回线路的投资费用C_ij由节点i,j之间的线路传输功率极限值及两节点之间的线路长度l_ij决定；

所述电网规划模型需要满足以下约束条件：

——线路潮流约束：

P_ij＝B_ij(θ_i-θ_j)i,j≤N(2)

P_ij为节点i,j之间线路流过的有功功率，B_ij为节点i,j之间一条线路的电纳，θ_i,θ_j分别为节点i，j的电压相角；

——待选线路传输功率极限约束：

$\left|P_{ij}\right|\≤n_{ij}{P}_{ij}^{max},i,j\≤N---\left(3\right)$

其中，P_ij为走廊i-j线路传输功率总值，n_ij表示线路走廊i-j之间扩建线路回数，为线路走廊i-j新建一回线路传输功率极限值；

——网架节点功率平衡约束：

$\underset{l\∈{\mathrm{\Ω}}_i}{\Σ}{A}_{il}{P}_l=P_{Gi}-P_{Di},i\≤N---\left(4\right)$

其中，Ω_i为与节点i相连的支路集，A_il为节点i与支路l的关联系数，P_l为与节点i相连的支路l的潮流，P_Gi和P_Di分别为节点i的电源出力与负荷；

——系统节点电压约束：

$V_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{\max },i\≤N---\left(5\right)$

其中，V_i为节点i的电压值，为节点i的电压下限值与上限值；

——输电走廊约束：

$0\≤n_{ij}\≤n_{ij}^{\max },i,j\≤N---\left(6\right)$

其中，为节点i,j之间允许架设的输电线路数量最大值；

——新能源消纳水平约束：

$\mathrm{\η}\≤{\mathrm{\η}}^{max}---\left(7\right)$

其中，新能源消纳水平η为弃新能源比例，η^max为弃新能源比例最大值；

步骤S3：求解所述电网规划模型，确定新建线路集Ω；

步骤S4：建立新能源与新建线路的建设时序模型：

${\mathrm{maxf}}_2=\underset{t=1}{\overset{n_t}{\Σ}}\left(G_1\right(a,t)+G_2(x,t)+G_3(x,t\left)\right),1\≤a\≤n_a,1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(8\right)$

其中，n_a为待建的风电场或光伏电站总数,n_t为将计算周期T分成的时段数，n_x为新建线路总数；G₁(a,t)为新建风电场或光伏电站a在t时段内的运行收益，G₂(x,t)为线路x在时段t内的运行费用，G₃(x,t)为线路x在时段t内的过负荷惩罚费用；

步骤S5：求解所述新能源与新建线路的建设时序模型。

2.根据权利要求1所述的优化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法，其特征在于：

所述步骤S4中新建风电场或光伏电站a在时段t内的运行收益G₁(a,t)为：

$G_1(a,t)=\underset{a=1}{\overset{n_a}{\Σ}}{C}_1\frac{T}{n_t}\·\mathrm{\η}(a,t)\·S_a\·r(a,t),1\≤a\≤n_a,1\≤t\≤n_t---\left(9\right)$

其中，S_a为电站a的装机容量，C₁为电站发电收益系数，η(a,t)为电站a在时段t的发电效率，r(a,t)为电站a与时段t的关联系数，属于矩阵R_a×t中的元素，R_a×t表示新建的所有风电场或光伏电站在时段t的建设情况，若风电场或光伏电站a在时段t已建设，则r(a,t)＝1，否则为0。

3.根据权利要求1所述的化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法，其特征在于：所述步骤S4中线路x在时段t内的运行费用G₂(x,t)为：

$G_2(x,t)=\underset{x=1}{\overset{n_x}{\Σ}}(\frac{C_2}{n_t}\frac{T^2}{8760}{r}_x\·P_x^2\·u(x,t\left)\right),1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(10\right)$

其中，C₂为线路x年网损费用系数，P_x为线路x在时段t内的输送有功功率，r_x为新建线路x的电阻，u(x,t)为线路x与时段t的关联系数，属于U_x×t中的元素，U_x×t为建线路与新能源的建设时序组合矩阵，表示新建线路在时段t的建设情况，若线路x在t时段已建设则其对应元素u(x,t)＝1，否则为0。

4.根据权利要求1所述的化新能源建设与并网时序的中长期电网规划方法，其特征在于：所述步骤S4中线路x在时段t内的过负荷惩罚费用G₃(x,t)为：

$G_3(x,t)=\underset{x=1}{\overset{n_x}{\Σ}}{C}_3\frac{T}{n_t}\·max(0,(P_x-P_x^{\max }\left)\right)\·u(x,t),1\≤t\≤n_t,1\≤x\≤n_x---\left(11\right)$

其中，C₃为过负荷惩罚系数，为线路x的最大传输功率，表示取0和两者的较大值。