CN108681823A - 一种含微电网的配电网分布式电源规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含微电网的配电网分布式电源规划方法，其包括以下步骤：步骤一，确定含微电网的配电网分布式电源规划应满足的约束为微电网运行域约束；步骤二，确定含微电网的配电网分布式电源规划应考虑的因素为经济性、环保性和可靠性，将可靠性和环保性转化为经济性指标进行加权求和作为规划目标；步骤三，采用粒子群算法对模型进行求解，得到最优规划方案。本发明以经济性、环保性和可靠性最优为目标的分布式电源规划模型，能够有效降低分布式电源并网对微电网运行边界的影响，保证微电网的灵活可控性；保证规划方案的安全性，适用于含微电网的配电网分布式电源规划，实际仿真表明所提方法的有效性和合理性。

Description

一种含微电网的配电网分布式电源规划方法

技术领域

本发明属于配电网规划技术领域，具体涉及一种含微电网的配电网分布式电源规划方法。

背景技术

随着人口的增长和用电负荷需求的不断攀升，配电网需要扩容规划才能满足未来用能需求。分布式电源以风、光、储等结合形式为主，具有巨大的发展空间和潜力。现代配电网逐步向智能配电网发展，在现代配电网中，分布式电源种类繁多、组合运行方式多样、分布式设备数量庞大，需考虑负荷、光伏和风电等多种能源的时序特性差异，研究多种能源互补的微电源优化配置规划技术，设计相应的能源规划方案，从而保证配电网规划的合理性、可靠性、和经济性，意义重大。

经过对现有技术文献的检索发现，基于安全域的智能配电网安全高效运行模式(肖峻，贺琪博，苏歩芸.基于安全域的智能配电网安全高效运行模式[J].电力系统自动化，2014，38(19)：52-60.)分析了配电系统安全域理论对配电网的影响，提出了智能电网下基于安全域的配电网安全高效运行新模式。但是该文献只讨论了安全域对配电网系统的影响，并没有对基于安全域分析下的配电网规划进行深入探讨和分析。考虑环境成本和时序特性的微网多类型分布式电源选址定容规划(徐迅,陈楷,龙禹,等.考虑环境成本和时序特性的微网多类型分布式电源选址定容规划[J].电网技术,2013,37(4):914-921)基于不同类型负荷和分布式电源的时序特性以及不同类型分布式电源的环保性能，建立考虑环境成本的微网分布式电源选址定容规划模型。但是该文献没有对分布式电源的原始数据进行归类简化，也没有对微网的运行安全域进行建模和阐述。主动配电网中分布式电源和微网的运行域(王博，肖峻，周济，等.主动配电网中分布式电源和微网的运行域[J].电网技术.2017(02):363-372.)刻画了微电网的安全运行域的概念和模型，提出了配电网中考虑微电网安全域的必要性，考虑微电网安全域对提高配电网的安全性能有重要影响。但是没有针对微电网安全域模型，进行含微电网的配电网内的分布式电源进行规划分析。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目是解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种含微电网的配电网分布式电源规划方法；该方法建立以经济性、环保性和可靠性最优为目标的分布式电源规划模型，为降低分布式电源并网对微电网运行的影响，引入运行域模型定量刻画微电网的运行边界，并利用区间算术将其转化为规划模型的约束条件，通过粒子群算法对模型进行求解，得出最优规划方案。

为实现上述目的，本发明公开的技术方案是：一种含微电网的配电网分布式电源规划方法，其包括以下步骤：

步骤一，确定含微电网的配电网分布式电源规划应满足的约束为微电网运行域约束；

步骤二，确定含微电网的配电网分布式电源规划应考虑的因素为经济性、环保性和可靠性，将可靠性和环保性转化为经济性指标进行加权求和作为规划目标；

步骤三，采用粒子群算法对模型进行求解，得到最优规划方案。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其中，所述电网运行域定义为含微电网的配电网在安全运行约束条件下所允许的微电网最大出力范围，其约束具体如下：

式中，Ω_MG为配电网中MG的运行域；P_MG.i、Q_MG.i分别为MGi有功和无功出力，规定MG充电为正，放电为负；分别为MGi有功和无功最大放电功率；分别为MGi有功和无功最大充电功率；m为配电网中MG总数量；为线路额定容量；为线路潮流；U_i、U_i.max和U_i.min分别为节点i电压及其上、下限；P_i、Q_i分别为节点i有功和无功功率；Ω_n为与节点i直接相连的所有节点集合；G_ij、B_ij分别为节点间导纳的实部和虚部；θ_ij为节点间电压相位。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其中，所述步骤二中规划模型的目标函数为：

min C＝-λ₁(C_T+C_om-C_sell+C_up+C_Mt)+λ₂(C_env+C_loss)+λ₃C_EENS

式中，λ₁、λ₂、λ₃分别为经济性、环保性、可靠性指标的权重。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述经济性指标包括售电收益费用C_sell、分布式电源及储能投资费用C_T、分布式电源及储能维护费用C_OM、线路升级投资费用C_up和线路运行维护费用C_Mt；计算C_T公式为：

式中：C_T为分布式电源及储能的投资费用；r为贴现率；n为分布式电源及储能的经济适用年限；为第i类分布式电源单位容量投资费用；P_DG.i为第i类分布式电源装机容量；为储能投资费用；P_BS为储能装机容量；

计算C_OM的公式为：

式中：C_OM为分布式电源及储能的年运行维护费用；和分别为第i类分布式电源和储能的单位电量运行维护费用；为储能在t时段的发电量；

计算售电年收益C_sell的公式为：

式中：C_sell为的售电年收益；为第i类分布式电源单位发电量补贴电价；为第i类分布式电源的上网电价；为第i类分布式电源在t时段的发电量；N_DG为分布式电源种类；

计算线路升级所需投资费用C_up的公式为：

式中：C_up为线路升级所需投资费用；e_i为0-1变量，0表示第i条线路未被选中，1表示被选中；l_i为第i条线路长度；C_L.i为第i条线路单位长度的固定投资；N_L为线路总数；T为线路寿命周期；

计算线路运行所需要的维护费用C_Mt的公式为：

式中：C_Mt为线路运行所需要的维护费用；C_M.i为第i条线路单位长度的运行维护费用。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述环保性指标包括分布式电源的降低网损收益C_loss和减排收益C_env；

计算分布式电源的全年累计降损收益C_loss的公式为：

式中：C_loss为分布式电源的全年累计降损收益；c_loss为损耗电价；I_t.l和I_t'_,l分别为接入分布式电源前后t时段，第L条支路上的电流；R_l为第L条支路的电阻；

计算减排收益C_env的公式为：

式中：R为排放的污染气体总类；β_r表示不同污染气体的治理费用；α_r,G、α_r,DE分别表示主网和柴油机单位发电量的污染气体排放系数；P_t ^G和P_t ^DE分别为t时段主网和柴油发电机的发电量。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其中，所述可靠性指标为停电损失费用C_EENS；具体计算公式为：

式中：T_i为负荷节点i的故障平均停电持续时间；C_Ri为节点i每kW负荷单位停电时间对应的停电损失费用；P_LD.i为节点i的负荷大小。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其中，所述步骤三中采用粒子群算法求解模型的具体流程如下：

A.获取网架信息、历史负荷数据及风速、光照和温度等气象数据；

B.生成风光荷典型日时序曲线；

C.初始化粒子群位置和速度，每个粒子代表一种分布式电源规划方案；

D.分别采用常规潮流计算和区间潮流计算方法计算模型中的目标函数(适应度)和约束条件，其中计算目标函数时将微电网视为负荷节点，在校验约束条件时计及微电网出力不确定性，将其出力范围作为区间数进行区间潮流计算，若满足约束条件，进行下一步；否则，将粒子的适应度加上惩罚因子，进行下一步；

E.根据适应度更新个体最优位置和全体最优位置，并判断是否满足收敛条件，若是，输出全体最优值作为最优规划方案，否则更新每个粒子的位置，产生新种群，返回步骤D。

本发明的有益效果：本发明以经济性、环保性和可靠性最优为目标的分布式电源规划模型，为降低分布式电源并网对微电网运行的影响，引入运行域模型定量刻画微电网的运行边界，并利用区间算术将其转化为规划模型的约束条件，通过粒子群算法对模型进行求解，得出最优规划方案。此外，该方法以微电网运行域作为规划的约束，能够有效降低分布式电源选址定容对配电网原有微电网运行空间的影响，保证规划方案的安全性，适用于含微电网的配电网分布式电源规划，实际仿真表明所提方法的有效性和合理性。

附图说明

图1是本发明的步骤流程图。

图2是基于粒子群算法的模型求解流程图。

图3是IEEE33节点配电网示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1和2所示，本发明公开了一种含微电网的配电网分布式电源规划方法，其包括以下步骤：

步骤一，确定含微电网的配电网分布式电源规划应满足的约束为微电网运行域约束；

步骤二，确定含微电网的配电网分布式电源规划应考虑的因素为经济性、环保性和可靠性，将可靠性和环保性转化为经济性指标进行加权求和作为规划目标；

步骤三，采用粒子群算法对模型进行求解，得到最优规划方案。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其中，所述电网运行域定义为含微电网的配电网在安全运行约束条件下所允许的微电网最大出力范围，其约束具体如下：

式中，Ω_MG为配电网中MG的运行域；P_MG.i、Q_MG.i分别为MGi有功和无功出力，规定MG充电为正，放电为负；分别为MGi有功和无功最大放电功率；分别为MGi有功和无功最大充电功率；m为配电网中MG总数量；为线路额定容量；为线路潮流；U_i、U_i.max和U_i.min分别为节点i电压及其上、下限；P_i、Q_i分别为节点i有功和无功功率；Ω_n为与节点i直接相连的所有节点集合；G_ij、B_ij分别为节点间导纳的实部和虚部；θ_ij为节点间电压相位。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其中，所述步骤二中规划模型的目标函数为：

min C＝-λ₁(C_T+C_om-C_sell+C_up+C_Mt)+λ₂(C_env+C_loss)+λ₃C_EENS

式中，λ₁、λ₂、λ₃分别为经济性、环保性、可靠性指标的权重。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述经济性指标包括售电收益费用C_sell、分布式电源及储能投资费用C_T、分布式电源及储能维护费用C_OM、线路升级投资费用C_up和线路运行维护费用C_Mt；计算C_T公式为：

式中：C_T为分布式电源及储能的投资费用；r为贴现率；n为分布式电源及储能的经济适用年限；为第i类分布式电源单位容量投资费用；P_DG.i为第i类分布式电源装机容量；为储能投资费用；P_BS为储能装机容量；

计算C_OM的公式为：

式中：C_OM为分布式电源及储能的年运行维护费用；和分别为第i类分布式电源和储能的单位电量运行维护费用；为储能在t时段的发电量；

计算售电年收益C_sell的公式为：

式中：C_sell为的售电年收益；为第i类分布式电源单位发电量补贴电价；为第i类分布式电源的上网电价；为第i类分布式电源在t时段的发电量；N_DG为分布式电源种类；

计算线路升级所需投资费用C_up的公式为：

式中：C_up为线路升级所需投资费用；e_i为0-1变量，0表示第i条线路未被选中，1表示被选中；l_i为第i条线路长度；C_L.i为第i条线路单位长度的固定投资；N_L为线路总数；T为线路寿命周期；

计算线路运行所需要的维护费用C_Mt的公式为：

式中：C_Mt为线路运行所需要的维护费用；C_M.i为第i条线路单位长度的运行维护费用。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述环保性指标包括分布式电源的降低网损收益C_loss和减排收益C_env；

计算分布式电源的全年累计降损收益C_loss的公式为：

式中：C_loss为分布式电源的全年累计降损收益；c_loss为损耗电价；I_t.l和I_t'_,l分别为接入分布式电源前后t时段，第L条支路上的电流；R_l为第L条支路的电阻；

计算减排收益C_env的公式为：

式中：R为排放的污染气体总类；β_r表示不同污染气体的治理费用；α_r,G、α_r,DE分别表示主网和柴油机单位发电量的污染气体排放系数；P_t ^G和P_t ^DE分别为t时段主网和柴油发电机的发电量。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其中，所述可靠性指标为停电损失费用C_EENS；具体计算公式为：

式中：T_i为负荷节点i的故障平均停电持续时间；C_Ri为节点i每kW负荷单位停电时间对应的停电损失费用；P_LD.i为节点i的负荷大小。

所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其中，所述步骤三中采用粒子群算法求解模型的具体流程如下：

A.获取网架信息、历史负荷数据及风速、光照和温度等气象数据；

B.生成风光荷典型日时序曲线；

C.初始化粒子群位置和速度，每个粒子代表一种分布式电源规划方案；

D.分别采用常规潮流计算和区间潮流计算方法计算模型中的目标函数(适应度)和约束条件，其中计算目标函数时将微电网视为负荷节点，在校验约束条件时计及微电网出力不确定性，将其出力范围作为区间数进行区间潮流计算，若满足约束条件，进行下一步；否则，将粒子的适应度加上惩罚因子，进行下一步；

E.根据适应度更新个体最优位置和全体最优位置，并判断是否满足收敛条件，若是，输出全体最优值作为最优规划方案，否则更新每个粒子的位置，产生新种群，返回步骤D。

本发明以IEEE33节点配电网为例进行验证分析，拓扑结构如图3所示，其中节点13、18、22、23、32为微电网接入点，各微电网的出力情况见表1，分布式电源待选接入点为10、14、16、21、30、33，参数见表2，风速、光照强度和各类型负荷的年变化曲线参考文献徐迅.考虑环境成本和时序特性的微网多类型分布式电源选址定容规划[J].电网技术，2013，37(4)：914-921。

表1微电网出力情况

表2分布式电源参数

本发明选取两种规划方案进行对比：

方案1：考虑微电网运行域约束的分布式电源规划；

方案2：不考虑微电网运行域约束的分布式电源规划。

各方案规划结果和成本如表3和表4所示。

表3不同方案下的选址定容结果

表4不同方案下的费用构成

根据方案1和方案2的选址定容结果，计及微电网最大出力范围，采用区间潮流算法校验2种方案下线路潮流以及节点电压约束，结果表明线路潮流均满足约束条件，而部分节点电压存在越限问题。其中，微电网接入点的区间电压如表5所示。

表5方案1和方案2的微电网接入点区间电压

方案	1	3
			MG1区间电压	[1.0048,1.0344]	[1.0291,1.0584]
MG2区间电压	[1.0035,1.0392]	[1.0300,1.0657]
			MG3区间电压	[0.9997,1.0053]	[1.0080,1.0136]
MG4区间电压	[0.9958,1.0014]	[1.0001,1.0056]
			MG5区间电压	[1.0118,1.0410]	[1.0243,1.0539]

由表5可以看出，方案1中各MG接入点的区间电压均在允许范围内，而方案2中MG1、MG2和MG5的区间电压上限超出电压约束范围。由此可知，考虑运行域的规划方案避免了对原有MG运行域的进一步限制。相反，若采取不考虑运行域的规划结果，在DER接入后，MG在其最大出力范围内运行将存在一定的电压越限风险，必须将MG出力控制在一定范围内，这加大了MG的控制难度，更提高了配电网的运行风险。

从表3可以看出，在未考虑MG运行域的方案2中PVG和WTG的配置容量均大于方案1，而ESS的配置容量却远小于二者之和，导致方案2在实际运行时易受新能源出力波动性的影响，出现上述的电压越限风险。

综上分析，在含微电网的配电网分布式电源规划时考虑微电网安全运行域的问题，利用微电网安全域模型作为规划的约束条件，保证了分布式电源规划方案的安全性，有效改善分布式电源并网对微电网运行的影响

本发明以经济性、环保性和可靠性最优为目标的分布式电源规划模型，为降低分布式电源并网对微电网运行的影响，引入运行域模型定量刻画微电网的运行边界，并利用区间算术将其转化为规划模型的约束条件，通过粒子群算法对模型进行求解，得出最优规划方案。此外，该方法以微电网运行域作为规划的约束，能够有效降低分布式电源选址定容对配电网原有微电网运行空间的影响，保证规划方案的安全性，适用于含微电网的配电网分布式电源规划，实际仿真表明所提方法的有效性和合理性。

以上对本发明所提供的一种含微电网的配电网分布式电源规划方法进行了详细介绍，本文中对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，确定含微电网的配电网分布式电源规划应满足的约束为微电网运行域约束；

步骤二，确定含微电网的配电网分布式电源规划应考虑的因素为经济性、环保性和可靠性，将可靠性和环保性转化为经济性指标进行加权求和作为规划目标；

步骤三，采用粒子群算法对模型进行求解，得到最优规划方案。

2.根据权利要求1所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述电网运行域定义为含微电网的配电网在安全运行约束条件下所允许的微电网最大出力范围，其约束具体如下：

式中，Ω_MG为配电网中MG的运行域；P_MG.i、Q_MG.i分别为MGi有功和无功出力，规定MG充电为正，放电为负；分别为MGi有功和无功最大放电功率；分别为MGi有功和无功最大充电功率；m为配电网中MG总数量；为线路额定容量；为线路潮流；U_i、U_i.max和U_i.min分别为节点i电压及其上、下限；P_i、Q_i分别为节点i有功和无功功率；Ω_n为与节点i直接相连的所有节点集合；G_ij、B_ij分别为节点间导纳的实部和虚部；θ_ij为节点间电压相位。

3.根据权利要求1所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述步骤二中规划模型的目标函数为：

min C＝-λ₁(C_T+C_om-C_sell+C_up+C_Mt)+λ₂(C_env+C_loss)+λ₃C_EENS

式中，λ₁、λ₂、λ₃分别为经济性、环保性、可靠性指标的权重。

4.根据权利要求3所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述经济性指标包括售电收益费用C_sell、分布式电源及储能投资费用C_T、分布式电源及储能维护费用C_OM、线路升级投资费用C_up和线路运行维护费用C_Mt；计算C_T公式为：

式中：C_T为分布式电源及储能的投资费用；r为贴现率；n为分布式电源及储能的经济适用年限；为第i类分布式电源单位容量投资费用；P_DG.i为第i类分布式电源装机容量；为储能投资费用；P_BS为储能装机容量；

计算C_OM的公式为：

式中：C_OM为分布式电源及储能的年运行维护费用；和分别为第i类分布式电源和储能的单位电量运行维护费用；为储能在t时段的发电量；

计算售电年收益C_sell的公式为：

式中：C_sell为的售电年收益；为第i类分布式电源单位发电量补贴电价；为第i类分布式电源的上网电价；为第i类分布式电源在t时段的发电量；N_DG为分布式电源种类；

计算线路升级所需投资费用C_up的公式为：

式中：C_up为线路升级所需投资费用；e_i为0-1变量，0表示第i条线路未被选中，1表示被选中；l_i为第i条线路长度；C_L.i为第i条线路单位长度的固定投资；N_L为线路总数；T为线路寿命周期；

计算线路运行所需要的维护费用C_Mt的公式为：

式中：C_Mt为线路运行所需要的维护费用；C_M.i为第i条线路单位长度的运行维护费用。

5.根据权利要求3所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述环保性指标包括分布式电源的降低网损收益C_loss和减排收益C_env；

计算分布式电源的全年累计降损收益C_loss的公式为：

式中：C_loss为分布式电源的全年累计降损收益；c_loss为损耗电价；I_t.l和I′_t,l分别为接入分布式电源前后t时段，第L条支路上的电流；R_l为第L条支路的电阻；

计算减排收益C_env的公式为：

式中：R为排放的污染气体总类；β_r表示不同污染气体的治理费用；α_r,G、α_r,DE分别表示主网和柴油机单位发电量的污染气体排放系数；P_t ^G和P_t ^DE分别为t时段主网和柴油发电机的发电量。

6.根据权利要求3所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述可靠性指标为停电损失费用C_EENS；具体计算公式为：

式中：T_i为负荷节点i的故障平均停电持续时间；C_Ri为节点i每kW负荷单位停电时间对应的停电损失费用；P_LD.i为节点i的负荷大小。

7.根据权利要求1所述的含微电网的配电网分布式电源规划方法，其特征在于，所述步骤三中采用粒子群算法求解模型的具体流程如下：

A.获取网架信息、历史负荷数据及风速、光照和温度等气象数据；

B.生成风光荷典型日时序曲线；

C.初始化粒子群位置和速度，每个粒子代表一种分布式电源规划方案；

D.分别采用常规潮流计算和区间潮流计算方法计算模型中的目标函数(适应度)和约束条件，其中计算目标函数时将微电网视为负荷节点，在校验约束条件时计及微电网出力不确定性，将其出力范围作为区间数进行区间潮流计算，若满足约束条件，进行下一步；否则，将粒子的适应度加上惩罚因子，进行下一步；

E.根据适应度更新个体最优位置和全体最优位置，并判断是否满足收敛条件，若是，输出全体最优值作为最优规划方案，否则更新每个粒子的位置，产生新种群，返回步骤D。