CN108549966A - 一种考虑运行灵活性的配电网规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑运行灵活性的配电网规划方法。主要包括建立配电网总体规划流程；建立变电站优化规划流程；建立中压线路优化规划流程；以规划总成本最小确定最优规划方案。本发明提供的技术方案旨在通过考虑运行控制手段对配电网规划的影响，采用多层优化规划技术解决配电网规划方案容量利用率低、建设成本高等问题。

Description

一种考虑运行灵活性的配电网规划方法

技术领域

本发明涉及配电网规划领域，具体而言，涉及一种考虑运行灵活性的配电网规划方法。

背景技术

随着越来越多的分布式可调度电源接入配电网，电网的网架结构变得更加灵活，同时负荷侧的需求管理也不断增强，上述灵活性资源给配电网运行控制方式带来了变化。因此，在配电网进行规划时，一方面需要满足未来电网的负荷增长以及用户和电网对经济可靠性等方面的要求，另一方面，还需要考虑灵活性资源在配电网运行控制中削峰填谷、灵活转供等方面的积极作用。然而，采用传统确定性的配电网规划方法，可能产生电网容量的利用率低、投资建设成本高、故障风险难于掌控等问题。因此，配电网的规划应综合考虑到运行控制手段对配电网的影响。

发明内容

本发明实施例提供了一种考虑运行灵活性的配电网规划方法，通过考虑运行控制手段对配电网规划方案的影响，采用多层优化规划技术解决配电网规划方案容量利用率低、建设成本高等问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种考虑运行灵活性的配电网规划方法，包括：建立配电网总体规划流程；建立变电站优化规划流程；建立中压线路优化规划流程；以规划总成本最小确定最优规划方案。本发明提供的技术方案旨在考虑运行控制手段和需求侧管理对配电网影响，采用多层优化规划技术解决电网容量利用率低、建设成本高的技术问题。

在本发明实施例中，采用多层优化的方法，首先建立了配电网总体规划流程；其次建立了变电站优化规划流程，利用微分进化优化算法确定了最优的变电站规划方案及相应的变电站成本；建立了中压线路优化规划流程，基于各变电站规划方案对中压线路进行了优化规划并确定了最优方案及其对应成本；最后根据变电站及中压线路成本总和最小确定配电网的总体规划方案。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的配电网总体规划流程图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的配电网多层优化规划流程图；

图3是根据本发明实施例的一种可选的变电站优化规划流程图；

图4是根据本发明实施例的一种可选的中压线路优化规划流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种考虑运行灵活性的配电网多层优化规划方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的考虑运行灵活性的配电网规划方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1，建立配电网总体规划流程。

步骤S2，建立变电站优化规划流程。

步骤S3，建立中压线路优化规划流程。

步骤S4，以规划总成本最小确定最优规划方案。

基于上述步骤所限定的方案，可以获知，首先建立了配电网总体规划流程，在该流程确定了配电网规划目标函数、确定了配电网规划所满足的约束条件并建立了配电网总体规划流程图；其次建立了变电站优化规划流程，利用微分进化优化算法确定了最优的变电站规划方案及相应的变电站成本；建立了中压线路优化规划流程，基于变电站规划方案对中压线路进行了优化规划并确定了中压线路最优规划方案及对应成本，最后根据成本总和最小确定配电网的总体规划方案。

容易注意到的是，本申请采用了多层优化的方法对配电网进行规划。另外，对变电站成本和中压线路成本进行求和的过程，实质上是对配电网的建设成本以及运维费用的求和过程，即以配电网的建设成本和运维费用之和最小作为目标函数，建立了配电网的优化规划模型，进而根据配电网的优化规划模型对配电网进行规划。在整个规划过程中综合考虑了运行控制手段等对配电网规划的影响，进而能够有助于提升对配电网规划的科学性和经济性，以及指导未来配电网的建设和发展。

由上述内容可知，本申请所提供的考虑运行灵活性的配电网多层优化规划方法可以达到对配电网进行合理规划的目的，从而实现了提高电网容量的利用率的技术效果，进而通过考虑运行控制手段对配电网规划方案的影响，采用多层优化规划技术解决电网容量利用率低、建设成本高等问题。

在一种可选的实施例中，建立配电网优化规划模型及流程，包括如下步骤：

步骤S11，确定配电网规划的目标函数；

步骤S12，确定配电网规划所满足的约束条件；

步骤S13，建立配电网总体规划流程图；

进一步，步骤S11确定配电网规划的目标函数：

(1)构建配电网的建设成本的目标函数CAPEX：

CAPEX＝C_T+C_ML

在上式中，C_T为变电站的建设成本，C_ML为中压线路的建设成本，其中，

在上式中，N^tr和N^br分别为待选的变电站和中压线路数目；α_{T_i}为用于反映第i个变电站是否包含在规划方案之中，如果α_{T_i}＝1，则该规划方案中包含第i个变电站；如果α_{T_i}＝0，则该规划方案中不包含第i个变电站；C_{T_i}为第i个变电站的建设成本；β_{ML_i}为用于表征第i条中压线路是否包含在规划方案之中，如果β_{ML_i}＝1，则规划方案中包含第i条中压线路；如果β_{ML_i}＝0，则规划方案不包含第i条中压线路；C_{ML_i}为第i条中压线路的建设成本；l_{ML_i}为第i条中压线路的长度，单位为km；p_{ML_i}为第i条中压线路的单位长度投资成本，单位为元/km。

(2)构建配电网的运维成本OPEX

其中，运维成本至少包括维护成本系统损耗成本补偿成本需求侧管理成本缺供电成本以及网络重构成本运维成本OPEX满足下式：

其中，OPEX_t为每年的运维成本，为现值系数，p(％)为年利率。

维护成本满足下式：

其中，为第t年中第i个变电站的维护成本；为第t年中第i条中压线路的维护成本。

系统损耗成本满足下式：

其中，为第t年中第i条中压线路的电能损耗；p_s为系统电价，单位为元/kWh。

补偿成本满足下式：

其中，为在第t年中第i个出力削减DG由于出力被削减造成的损失电量；p_{DG_ci}为第i个出力削减DG单位电量削减对应的补偿费用；N_{DG_gc}为可控出力削减DG总数目。

需求侧管理成本满足下式：

其中，为在第t年中第i个参与DSR的用户用电量减少的总量；p_{DSR_i}为第i个用户参与需求侧响应对应的单位电量补偿费用；N_DSR为参与DSR的负荷(或用户)数目。

缺供电成本主要由故障造成的缺供电成本和配电网重构产生的缺供电成本组成，即缺供电成本满足下式：

其中，为第i条线路由故障造成的缺供电成本；为第i条线路由于网络重构造成的缺供电成本；p_PL为单位缺供电量造成的经济损失；λ_i为第i条线路的故障率(每公里馈线每年的故障次数)；L_i为第i条线路的长度，单位为km；N_{loc_i}和N_{rep_i}为第i条线路故障定位和修复时段各自的隔离负荷点(用户)数量；t_loc和t_rep为故障定位和修复的持续时间；P_j为第j个节点(或用户)的负荷值；N_{RC_i}为第i条线路在第t年中的网络重构次数；N_{RCP_j}为第j次网络重构中造成停电的用户数量；t_{RC_j}为完成第j次网络重构所需的时间。

网络重构成本主要由开关损耗费用以及人工费用等部分组成，其中，网络重构成本满足下式：

进一步，步骤S12确定配电网规划所满足的约束条件：

在构建配电网建设成本的目标函数CAPEX以及运维成本OPEX之后，需要构建约束条件，例如，电网中的电源出力和功率消耗应时刻保持平衡、节点电压应维持在一定的范围内、线路中传输的功率应小于线路的最大允许功率、分布式电源的出力及参与DSR用户的可调负荷均应保持在规定范围内、网络拓扑规划的线路路径应在备选路径内。其中，约束条件可以为但不限于功率平衡约束条件、节点电压约束条件、线路传输功率约束条件、分布式电源出力约束条件、DSR负荷调整约束条件、规划路径约束条件。

(1)功率平衡约束条件：

在上式中，P_i为第i个节点负荷值；P_{loss_i}为第i条线路上的有功损耗；P_{DSR_i}为第i个参与DSR的负荷削减值；P_{DG_i}为第i个分布式电源的有功出力值；为第i个分布式电源的有功出力削减值；P_grid为大电网输送的有功功率值(功率倒送时该值为负)；N_node为节点总数目；N_br为线路总数目；N_DG为分布式电源总数目；N_{DG_gc}为可控分布式电源总数目；N_DSR为参与DSR的负荷数目。

(2)节点电压约束条件：

其中，U_i为第i个节点的电压值；为第i个节点的允许电压最大值；为第i个节点的允许电压最小值。

(3)线路传输功率约束条件：

其中，P_{br_i}为第j条支路的有功功率值；为第j条支路的最大允许功率值。

(4)分布式电源出力约束条件：

其中，P_{DG_i}为第i个分布式电源的有功出力；为第i个分布式电源的有功出力最大值；为第i个分布式电源的有功出力最小值。

(5)DSR负荷调整约束条件：

其中，为第i个参与DSR的负荷削减上限。

(6)规划路径约束条件：

其中，plan_br为网络拓扑规划线路集合；candidate_br为网络拓扑待选线路集合。

进一步，步骤S13建立配电网总体规划流程图：

如图2所示的一种可选的配电网多层优化规划流程图，由图2可知，在建立了配电网目标函数并且获得配电网的相关数据之后，调用变电站优化规划流程，生成m个变电站规划方案，并从m个变电站规划方案中确定第一个变电站规划方案，根据第一个变电站规划方案确定变电站选址定容结果以及变电站成本；然后，根据变电站选址定容结果确定中压线路规划方案，以及根据中压线路规划方案确定中压线路的成本，进而可计算得到在第一个变电站规划方案中变电站成本以及中压线路规划方案中的中压线路成本的总和，即得到成本总和。然后，再计算第二个变电站规划方案下的成本总和，以此类推，基于上述方法分别计算出m个变电站规划方案中每个变电站规划方案对应的成本总和，即直到i＝m为止。最后，使用成本总和最小的变电站规划方案及其对应的中压线路规划方案作为配电网的最终规划方案。

在实施例中，如图3所示为一种变电站优化规划流程，建立变电站优化规划流程包括如下步骤：

步骤S21，收集整理规划相关原始数据；

步骤S22，确定变电站座数范围；

步骤S23，对变电站的容量组合进行线性规划；

步骤S24，微分进化优化算法参数设置及优化流程；

步骤S25，确定最优规划方案及其对应的变电站成本；

进一步，步骤S21收集整理规划相关原始数据：

收集整理规划相关原始数据。包括试点区域概况、电量负荷总量现状值及预测值、空间负荷预测结果(包括每个地块的负荷值、地理坐标值及其供电电压等级)、变电站投资估算单价及规划设计导则规定的变电站主变容量和对应台数等。

进一步，步骤S22确定变电站座数范围：

根据导则规定的容载比范围(R_smin～R_smax)和负荷预测值(P_f，由负荷预测值P_L和灵活性资源等因素共同决定)可计算所需容量的上下限(S_min～S_max)；根据导则规定的变电站主变台数和主变容量组合，可得到变电站容量的上下限(C_min～C_max)；由前两步计算结果则可得到变电站数量范围(n_min～n_max)。计算公式如下：

S_min＝R_smin*P_f

S_max＝R_smax*P_f

其中，Ceil为向上取整函数。

进一步，步骤S23对变电站的容量组合进行线性规划：

确定n座变电站在不超过容载比范围的对应建设投资最小的容量组合，变电站容量的取值由导则规定的变电站主变容量和对应台数来确定。假设变电站可选容量有m种，即(S₁，S₂，…，S_m)，对应的投资分别为(I₁，I₂，…，I_m)，n座中各种容量变电站对应的数量分别为(x₁，x₂，…，x_m)，则对应的整数线性规划问题可描述为：

进一步，步骤S24微分进化优化算法参数设置及优化流程：

(1)为变电站数量n赋值(从n＝n_min开始逐步加1直到n＝n_max)，设置微分进化算法中的种群数量Np，终止迭代次数C，变异因子F，杂交因子C_R。对于每个n值，都进行如下的变电站优化规划流程。

(2)明确优化变量并进行种群初始化。优化变量为n座变电站的横坐标、纵坐标，共2×n个变量，其中横坐标、纵坐标变量取值范围由试点区域范围决定。

(3)分别进行变异和交叉操作，生成子代种群。检查子代种群是否满足变量取值范围的约束，不满足条件的按下式进行处理。

(4)分别计算父代种群和子代种群的适应值，然后进行选择操作，并记录当前最佳个体和对应的适应值。本发明中，选择规划方案中各变电站负载率的标准差作为适应值：

a)首先基于变电站个数及其坐标值，使用Voronoi法确定变电站的供电范围；

b)统计每个变电站的供电范围内负荷点的负荷值之和，即该变电站所带负荷；

c)根据变电站容量值和负荷值，计算每个变电站的负载率；

d)由n个变电站的负载率得到标准差值，即该优化问题的适应值。

进一步，步骤S25计算最优规划方案下的变电站成本：

(1)重复步骤S23-步骤S24直到达到终止迭代次数C；

(2)在优化结果中，固定供电范围不变，根据最小负荷距的原则调整每个变电站在其供电范围内的位置，作为变电站的最终站址；

(3)输出变电站最优规划方案及对应的成本。

图4为对应变电站规划方案下的一种中压线路优化规划流程图。由图4可知，建立中压线路优化规划流程具体包括如下步骤：

步骤S31，在已生成的变电站规划方案下，采用随机生成树方法生成每个变电站的中压线路规划方案。

步骤S32，生成中压线路的站间联络线规划方案，目标是使联络线投资最少，即联络线总长度最短；当中压线路条数为奇数时，有一条线路保持辐射状接线。

步骤S33，进行运行状态的划分，将一年的负荷和DG运行情况划分为若干个典型状态，统计每种状态的持续时间，延伸至规划期的n年；或者采用四季典型日，用四季中的某一天来代表一个季节，再延伸至规划期。

步骤S34，生成的变电站和中压线路规划方案，进行每种典型状态的运行计算，当出现违反约束条件的情况时，进行配电网重构、负荷削减、DG出力削减和网络重构等操作，并计算运行成本。具体调整方法如下：

a)当节点电压过低时，对相应中压线路上可参与DSR的负荷进行削减。

b)当节点电压过高时，采用削减DG出力的方式。

c)当前两种方式不能满足条件时，采用网络重构方法。

需要说明的是，在目标函数中增加罚函数，对中压线路传输功率越限的部分进行惩罚，这样可以对节点电压约束和线路传输功率约束分别进行处理，简化了流程。

步骤S35，若采取各种方案后，还不能满足约束条件，则该规划方案被舍弃。

步骤S36，计算该规划方案下的建设成本和运行成本总和，作为目标函数值返回。

步骤S37，基于微分进化方法，对规划方案进行交叉、变异及选择操作，生成下一代中压线路规划方案。在每代迭代结束时，通过对比，留存成本较小的方案。重复步骤S32～步骤S37，直到迭代次数满足条件。

步骤S38，输出最终的规划方案。

实施例2

实施例2是本申请所述的方法及流程在某供电区配电网规划问题的实际应用情况。

假设供电区域为B类供电区，综合考虑到该典型B类供电区规划过程中在一个给定的时间段内使建设投资(CAPEX)和运维费用(OPEX)之和最小，以及考虑实施主动运行和管理(包含网络重构、负荷响应(LR)和DG出力削减等)需要的投资。该典型B类供电区地块总面积约为12.4km²，规划年总负荷预测结果为131MW，负荷密度约为10.6MW/km²，包括居住、商业金融、行政办公、市政设施等性质的用地。

在得到上述数据之后，根据导则规定的容载比范围(1.9～2.1)和负荷预测值(131MW)可计算所需容量的上下限(249MW～275MW)；根据导则规定，B类供电区的单台容量推荐值为63MVA、50MVA和40MVA，主变台数推荐值为2或3台，据此可计算得到变电站容量的上下限(80MVA～189MVA)；可得到变电站数量范围(n_min～n_max)。计算公式如下：

其中，Ceil为向上取整函数。

然后，再确定每种变电站数量下对应的主变容量组合。具体的，利用线性规划方法，确定变电站数量为n时不超过容载比范围的对应建设投资最小的容量组合。根据导则，变电站可选容量有m＝6种，即(80MVA，100MVA，120MVA，126MVA，150MVA，189MVA)，对应的投资I_i如表1所示。

表1不同主变容量对应的投资成本

主变容量组成	投资成本
		2*40MVA	3500万元
3*40MVA	4300万元
		2*50MVA	4000万元
3*50MVA	5000万元
		2*63MVA	4600万元
3*63MVA	5900万元

其中，n座变电站中各种容量变电站对应的数量分别为(x₁，x₂，…，x_m)，求解相应的线性规划问题可得到优化结果如表2所示。

表2不同主变容量对应的投资成本

变电站数量	对应容量(MVA)	总投资成本(万元)
			2	2*50、3*50	9000
3	2*40、2*40、2*50	11000
			4	2*40、2*40、2*40、2*40	14000

需要说明的是，当变电站的数量为4座时，实际上得到的容量方案对应的容载比不满足要求，可不考虑。

然后，调用微分进化算法，对每种变电站数量下的方案进行供电范围的优化。本专利中只对3座变电站的方案进行供电范围的优化。调用微分进化算法，根据变电站供电范围的优化结果，2*40MVA、2*40MVA、2*50MVA三座变电站的负载率分别为50.12％、50.55％和50.56％。在得到供电范围的优化结果之后，根据最小负荷距的原则调整每个变电站在其供电范围内的位置，作为变电站的最终站址。根据变电站站址优化结果，2*40MVA、2*40MVA、2*50MVA三座变电站最终站址的坐标分别为(3114，1863)、(4801，2424)和(1497，3193)，单位为m。

在完成了对变电站站址的优化之后，需要对中压线路进行优化规划。该典型B类供电去内共有地块107个，假设其中有30％的用户可参与需求侧响应，负荷调整范围为总负荷的0～10％；假设有20％的地块安装了DG，DG出力占总负荷的30％，调整范围为DG出力的0～100％。

应用中压线路规划模型，得到最终中压线路优化规划结果如表3所示。最终得到的优化规划方案的总成本为18647.9万元，其中建设投资成本为15253.9万元，规划期内的运维成本为3394.0万元。

表3中压线路联络线优化规划结果

最后，根据变电站以及中压线路的优化结果之后，即可确定配电网的优化规划成本，如表4所示。

表4优化规划方案的成本计算结果

需要说明的是，本申请所提供的考虑运行灵活性的配电网规划方法以建设投资(CAPEX)和运维费用(OPEX)之和最小为目标函数，同时考虑到实施主动灵活运行和管理(包含网络重构、负荷响应和DG出力削减等)需要的费用建立了配电网规划模型。综合考虑变电站及线路优化建立了配电网规划流程，并采用多层优化技术方法对配电网规划模型进行求解，从而得出最优的规划方案，可以有效提升配电网规划的科学性与经济性，指导配电网的规划和发展。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑运行灵活性的配电网多层优化规划方法，其特征在于，包括：

建立配电网总体规划流程；

建立变电站优化规划流程；

建立中压线路优化规划流程；

以规划总成本最小确定最优规划方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立配电网总体规划流程包括：

确定所述配电网规划的目标函数；

确定所述配电网规划所满足的约束条件；

建立所述配电网总体规划流程图。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述配电网目标函数包括：所述配电网投资建设成本、所述配电网运行及维护成本，其中，所述配电网投资建设成本包括变电站及中压线路投资建设成本；所述配电网运行及维护包括变电站及中压线路的维护成本、系统损耗成本、DG未最大化利用时的补偿成本、需求侧管理成本、缺供电成本和网络重构成本等。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立变电站优化规划流程包括：

收集整理规划相关原始数据；

基于负荷预测结果、导则要求的变电站容量及台数，确定变电站座数范围，每个变电站座数对应一个变电站规划方案；

针对每个变电站座数，利用整数线性规划方法，确定其对应的建设投资最小的容量组合；基于微分进化优化算法及Voronoi法确定变电站供电范围；根据最小负荷距的原则调整每个变电站在其供电范围内的位置。

计算每个变电站座数对应变电站规划方案的成本并保存其选址定容结果。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立中压线路优化规划流程包括：

针对每个变电站座数对应的变电站规划方案：

采用随机生成树方法生成每个变电站的中压线路规划方案；按照路径最短原则进行联络线规划；进行运行状态的划分，并针对每种典型运行状态进行潮流计算；若该方案不违反约束条件或者违反约束条件但通过运行控制手段调整后满足约束条件，则保留该方案并计算其中压线路的建设成本和运行成本总和；若违反约束条件且调整后仍然不满足约束条件，则舍弃该方案；

基于上述思路，采用微分进化算法进行优化，保存中压线路建设成本和运行成本总和最小的规划方案及其成本值，该方案即为对应变电站规划方案下的中压线路规划方案。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以规划总成本最小确定最优规划方案包括：

计算各变电站规划方案下变电站与中压线路规划方案的成本总和，通过对比分析选取成本最小的变电站规划方案及其对应的中压线路规划，作为最终的配电网总体规划方案。