CN109002938B - 考虑n-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑N‑1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，括以下步骤：1)初始化遗传算法，随机构造直流网架结构；2)构造针对直流配电网并考虑N‑1安全准则的下层优化模型；3)求解下层模型，检验是否存在弃风弃光；4)基于合格的直流网架结构，构造与直流网架结构相配套的上层交流系统规划模型；5)求解上层模型，判断是否满足遗传算法迭代上限。本发明在交直流混合配电网的规划模型基础上考虑了直流配电网N‑1安全准则，在保证交直流配电网规划经济性的同时，提高了其运行可靠性和灵活性，为出台交直流混合配电网的规划方案提供重要的指导和帮助。

Description

考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法
技术领域
本发明配电网规划领域，具体来说，涉及一种考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法。
背景技术
由于可再生能源大量且集中分布于偏远地区或沿海地区，离负荷中心较远，并且随着可再生能源渗透率的不断提高，需要建立全新的配电网规划方法。考虑可再生能源出力的波动性和间歇性，传统的交流配电网往往难以避免弃风弃光现象的发生。目前，交直流混合配电网得益于其更大的传输容量、更小的线路损耗以及更高的可再生能源渗透率，已成为解决可再生能源接入电力系统的有效方法。此外，N-1安全准则是电网安全可靠运行的重要指标之一。根据北美电力可靠性委员会(NERC)的标准，当任何一条线路由于故障被切除后，系统应当依然能够保持稳定运行。考虑到可再生能源集中分布的偏远地区往往地形复杂、气候恶劣，较易出现安全性问题。一旦出现N-1故障，往往导致大量弃风弃光现象的发生，甚至导致电网的局部崩溃，造成严重后果。因此在进行配电网规划的时候，往往需要考虑N-1安全准则。
事实上，N-1安全准则的交直流混合配电网的规划尚未得到充分研究。一方面，交直流规划的研究目前仅限于大电网传输线规划或楼宇电网规划，交直流混合配电网的规划模型仍处于起步阶段，特别是交直流电网的潮流分布及计算尚未有统一的方法。有学者在微网层面提出了交直流规划的模型，但是所提模型并没有考虑网架的规划方案，无法解决实际问题。另一方面，虽然N-1安全准则在机组组合优化或大电网规划方面有较为详细的研究，但在交直流混合规划领域尚未得到考虑。并且，对于考虑了N-1安全准则之后模型复杂度大大提高，以及双层规划问题难以直接求解的问题，国内外尚未有较为理想的求解方法。
发明内容
技术问题：本发明提供一种在最小化交直流混合配电网的投资和运行费用的同时，保证直流侧网架在发生N-1安全故障的条件下，不出现弃风弃光现象的考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法。
技术方案：本发明的考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，包括以下步骤：
1)初始化遗传算法参数，基于0-1编码方式随机构造直流网架结构，网架数量等于种群数，令当前网架编号k＝1；
2)基于鲁棒规划，针对第k个表征直流网架结构的染色体个体，构造针对直流配电网并考虑N-1安全准则的下层优化模型；
3)求解所述步骤2)构造的下层优化模型，检验直流网架结构在最恶劣N-1故障下是否存在弃风弃光，若存在弃风弃光，表明当前直流网架结构无法通过检验，则舍弃当前直流网架结构，基于0-1编码方式随机重新生成当前直流网架结构，并返回步骤2)；如果不存在弃风弃光，则判断k是否小于种群数，如果是，则令k＝k+1，返回步骤2)，否则，进入步骤4)
4)针对当前种群中的每一个直流网架结构，构造与该直流网架结构相配套的上层交流系统规划模型；
5)求解所述步骤4)构造的上层交流系统规划模型，将得到的优化结果作为每一个直流网架结构的适应度值，判断当前迭代次数是否达到遗传算法迭代次数上限，若未达到迭代上限，则对直流网架结构染色体进行选择、交叉、变异操作后，令k＝1并返回步骤2)，否则，将当前种群中的直流网架结构所对应的适应度最小的交直流网架结构作为结果输出。
进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中，设置遗传算法参数为：种群数量为25个，迭代次数为100次，交叉概率为0.8，变异概率为0.6。根据规划实际需求确定交直流配电网系统拓扑结构，构造交流线路、直流线路、变电站、VSC、风电和光伏规划候选集。0-1编码方式为0代表不建设，1代表建设，构建表征直流网架结构的染色体种群。
进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中构造的下层优化模型包括：
3.1目标函数
Figure GDA0002976079530000021
其中
Figure GDA0002976079530000022
和
Figure GDA0002976079530000023
分别对应第i个节点在第v个负荷等级和第t个阶段下的弃风和弃光功率；CCW和CCP分别对应弃风和弃光的惩罚系数；WD为风电场候选节点集合，PV为光伏电站候选节点集合；bn,t为0-1变量，表示第n条线路是否发生故障；ΩCTG为N-1故障点集合。
3.2约束条件
Figure GDA0002976079530000031
Figure GDA0002976079530000032
Figure GDA0002976079530000033
Figure GDA0002976079530000034
Figure GDA0002976079530000035
Figure GDA0002976079530000036
Figure GDA0002976079530000037
Figure GDA0002976079530000038
Figure GDA0002976079530000039
Figure GDA00029760795300000310
Figure GDA00029760795300000311
其中，变量上方的横线“—”是直流系统变量的标识符，变量上方的尖号“^”是通过遗传算法给定的直流拓扑变量的标识符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；
Figure GDA00029760795300000312
表示第n条线路上流过的功率，
Figure GDA00029760795300000313
表示第i个节点流入VSC的功率，
Figure GDA00029760795300000314
和
Figure GDA00029760795300000315
表示第i个节点风电和光伏的功率，ηVSC为VSC的能量转换效率系数，
Figure GDA00029760795300000316
表示与第i个节点相连的线路的集合，
Figure GDA00029760795300000317
表示直流系统中VSC节点的集合；
Figure GDA00029760795300000318
和
Figure GDA00029760795300000319
分别表示第n条线路的首末端节点电压的平方，Rn表示第n条线路的电阻，
Figure GDA00029760795300000320
表示第n条线路上流过的电流的平方，M为一个非常大的正整数，
Figure GDA00029760795300000321
表示第n条线路的建设情况，
Figure GDA00029760795300000322
为直流候选线路的集合；
Figure GDA00029760795300000323
和SrWD分别对应于风电的实际功率和额定容量，
Figure GDA00029760795300000324
表示第i个节点风电的建设情况；
Figure GDA00029760795300000325
和SrPV分别对应于光伏的实际功率和额定容量，
Figure GDA00029760795300000326
表示第i个节点光伏的建设情况；
Figure GDA00029760795300000327
表示第i个节点电压的平方，Uupp和Ulow表示节点电压的上、下限，
Figure GDA00029760795300000328
为直流节点的集合；
Figure GDA00029760795300000329
为第n条线路的额定电流，SrL为线路的额定容量，
Figure GDA00029760795300000330
为切负荷功率；ΩWD表示风电节点的集合，ΩPV表示光伏节点的集合；LDi,v,t表示直流负荷的大小。
进一步的，本发明方法中，所述步骤3)中，求解下层优化模型的方式为：遍历步骤2)中下层优化模型中所有可能的故障情况，对于每一种故障情况，采用CPLEX求解器在MATLAB环境中进行求解，在所有N-1故障中取出最大值，如果该最大值大于等于阈值0.01，表明存在弃风弃光现象，则舍弃当前直流网架结构，重新生成新的直流网架结构并返回步骤2)；如果小于阈值，则保留当前直流网架结构并执行步骤4)。
进一步的，本发明方法中，所述步骤4)中构建的上层交流系统规划模型包括：
5.1目标函数
Figure GDA0002976079530000041
其中，IR为银行利率，
Figure GDA0002976079530000042
和
Figure GDA0002976079530000043
分别对应于交流系统和直流系统的投资和运行成本，其具体定义如下。
Figure GDA0002976079530000044
Figure GDA0002976079530000045
Figure GDA0002976079530000046
Figure GDA0002976079530000047
其中，变量上方的“—”和“～”是分别对应于直流和交流变量的标志符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；
Figure GDA0002976079530000048
表示第n条线路的建设情况，
Figure GDA0002976079530000049
表示第i个节点VSC的建设情况，
Figure GDA00029760795300000410
表示第i个节点SVG的建设情况，
Figure GDA00029760795300000411
表示第i个节点变电站的建设情况，且以上变量均为0-1变量；
Figure GDA00029760795300000412
和
Figure GDA00029760795300000413
分别对应于交流系统中线路、VSC、SVG和变电站的单位容量建设成本系数；
Figure GDA00029760795300000414
和
Figure GDA00029760795300000415
分别对应于交流系统中线路、VSC、风电和光伏的单位容量建设成本系数；
Figure GDA00029760795300000416
表示候选交流线路集合，
Figure GDA00029760795300000417
表示候选VSC节点集合，ΩD表示负荷节点的集合，ΩS表示候选变电站节点的集合；
Figure GDA00029760795300000418
和
Figure GDA00029760795300000419
为负荷节点的切负荷功率和切负荷惩罚系数；
Figure GDA00029760795300000420
和
Figure GDA00029760795300000421
分别表示变电站节点从上级电网购电的功率和购电成本系数，LDv表示第v个负荷等级的持续时间；
Figure GDA0002976079530000051
和
Figure GDA0002976079530000052
分别表示风电场的出力和运行费用，
Figure GDA0002976079530000053
和
Figure GDA0002976079530000054
分别表示光伏电站的出力和运行费用；
Figure GDA0002976079530000055
和
Figure GDA0002976079530000056
分别表示线路功率的流动方向，
Figure GDA0002976079530000057
表示线路运行成本系数；RRL，RRVSC，RRSVG，RRS，RRWD和RRPV分别表示线路、VSC、SVG、变电站、风电场和光伏电站的资本回收率，设每一种电气设备的设计使用寿命为LTL，LTVSC，LTSVG，LTS和LTDG，则资本回收率的具体定义如下：
Figure GDA0002976079530000058
5.2建设约束
Figure GDA0002976079530000059
Figure GDA00029760795300000510
Figure GDA00029760795300000511
Figure GDA00029760795300000512
Figure GDA00029760795300000513
Figure GDA00029760795300000514
其中，NT为规划年限，
Figure GDA00029760795300000515
表示与节点i相连的交直流传输线的集合。
5.3交流DistFlow潮流约束
Figure GDA00029760795300000516
Figure GDA00029760795300000517
Figure GDA0002976079530000061
Figure GDA0002976079530000062
其中，
Figure GDA0002976079530000063
表示由变电站注入节点i的有功功率，
Figure GDA0002976079530000064
表示负荷阻抗角；
Figure GDA0002976079530000065
表示线路n上流过的无功功率，
Figure GDA0002976079530000066
表示由SVG注入节点i的无功功率，
Figure GDA0002976079530000067
表示由VSC注入节点i的无功功率；Xn表示第n条线路的电抗。
Figure GDA0002976079530000068
和
Figure GDA0002976079530000069
分别表示以i节点为首末端节点的线路集合。
5.4直流DistFlow潮流约束
Figure GDA00029760795300000610
Figure GDA00029760795300000611
Figure GDA00029760795300000612
5.5辐射式运行约束
Figure GDA00029760795300000613
5.6交直流耦合约束
Figure GDA00029760795300000614
Figure GDA00029760795300000615
Figure GDA00029760795300000616
Figure GDA0002976079530000071
Figure GDA0002976079530000072
Figure GDA0002976079530000073
其中，κc和Mc分别为VSC常系数和VSC调制系数，
Figure GDA0002976079530000074
为VSC候选节点集合。
Figure GDA0002976079530000075
和
Figure GDA0002976079530000076
为由VSC注入交流系统中节点i的有功功率和无功功率，SrVSC为VSC的额定容量。
5.7上下限约束
Figure GDA0002976079530000077
Figure GDA0002976079530000078
Figure GDA0002976079530000079
Figure GDA00029760795300000710
Figure GDA00029760795300000711
Figure GDA00029760795300000712
Figure GDA00029760795300000713
Figure GDA00029760795300000714
Figure GDA00029760795300000715
Figure GDA00029760795300000716
Figure GDA00029760795300000717
Figure GDA00029760795300000718
其中，
Figure GDA00029760795300000719
为直流节点的集合，SrSub为变电站额定容量，
Figure GDA00029760795300000720
为第i个负荷节点的负荷大小，SrSVG为SVG的额定容量。
进一步的，本发明方法中，所述步骤5)中求解上层交流系统规划模型的具体方法为：将步骤3)中确立的每一组直流网架结构代入步骤4)构造的上层交流系统规划模型中，采用CPLEX求解器在MATLAB环境中进行求解，将得到的全寿命周期最优成本效益作为对应于每一个直流网架结构染色体的适应度值。判断当前迭代次数是否达到上限。如果尚未达到迭代上限，则对当前种群进行选择、交叉和变异操作，得到一个新的种群，并返回步骤2)进行下一次迭代计算；如果达到迭代上限，则从当前种群中选择适应度最小的直流网架结构及其对应的交流网架配套建设方案，作为最优的交直流混合配电网规划方案输出。
为了交直流混合配电网规划的同时保证N-1安全准则，本发明方法将大量且集中分布在偏远或沿海地区的新能源以直流组网的形式接入直流网络，并通过线路将可再生能源输送到交流配电网当中。规划的目标是在最小化交直流混合配电网的投资和运行费用的同时，保证直流侧网架在发生N-1安全故障的条件下，不出现弃风弃光现象。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)现有的交直流混合规划模型普遍局限于楼宇、微网等局部应用场景，并且不考虑N-1安全准则。本发明所提的交直流规划模型适用于配网层面，特别是可再生新能源集中分布的偏远地区或沿海地区，并且考虑了N-1安全准则，规划方案更为可靠。
2)现有的交直流潮流模型普遍为传统牛顿-拉夫逊潮流计算的改进，在相关公式中加入直流潮流项。其缺点在于潮流计算公式非凸，包含大量二次型变量，不能转化为可以快速求解的凸优化问题。本发明通过将交流配网潮流计算中的DistFlow模型通过一定简化，引入到直流配电网潮流计算中，保证了模型的凸性，使得配电网的交直流混合潮流可以通过商业软件快速求解。
3)现有的配电网规划模型普遍采用一种优化策略，即要么采用数值解法，要么基于智能算法，但这两种方法对于求解大规模优化问题均不理想。本发明集成了两者的优势，在求解模型的过程中既保证求解精度，又避免出现维数灾难，实现了大规模优化问题的可靠、快速求解。
附图说明：
图1是模型求解的算法流程图；
图2是用于模型测试的24节点系统拓扑图；
图3是以1、3、7和20号节点为直流接入交流的候选节点集的规划结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
如图1所示，本发明提出一种考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，包括以下步骤：
1)初始化遗传算法参数，基于0-1编码方式随机构造直流网架结构，直流网架结构数量等于种群数，令当前网架编号k＝1；
2)基于鲁棒规划，针对第k个表征直流网架结构的染色体个体，构造针对直流配电网并考虑N-1安全准则的下层优化模型；
3)求解所述步骤2)构造的下层优化模型，检验直流网架结构在最恶劣N-1故障下是否存在弃风弃光，若存在弃风弃光，表明当前直流网架结构无法通过检验，则舍弃当前直流网架结构，基于步骤1)的网架生成方法重新生成当前直流网架结构，并返回步骤2)；如果不存在弃风弃光，判断k是否小于种群数，如果是，k＝k+1，返回步骤2)；否则，进入步骤4)
4)针对当前种群中的每一个直流网架结构，构造与该直流网架结构相配套的上层交流系统规划模型；
5)求解所述步骤4)构造的上层交流系统规划模型，将优化结果作为每一个直流网架结构的适应度值。判断当前迭代次数是否达到遗传算法迭代次数上限，若未达到迭代上限，则对直流网架结构染色体进行选择、交叉、变异操作后，令k＝1并返回步骤2)，否则，将当前种群中的直流网架结构所对应的适应度最小的交直流网架结构作为结果输出。
步骤1)中，设置遗传算法参数为：种群数量为25个，迭代次数为100次，交叉概率为0.8，变异概率为0.6。根据规划实际需求确定交直流配电网系统拓扑结构，构造交流线路、直流线路、变电站、VSC、风电和光伏规划候选集。0-1编码方式为0代表不建设，1代表建设，构建表征直流网架结构的染色体种群。
步骤2)中构造的下层优化模型包括：
3.1目标函数
Figure GDA0002976079530000091
其中
Figure GDA0002976079530000101
和
Figure GDA0002976079530000102
分别对应第i个节点在第v个负荷等级和第t个阶段下的弃风和弃光功率；CCW和CCP分别对应弃风和弃光的惩罚系数；WD为风电场候选节点集合，PV为光伏电站候选节点集合；bn,t为0-1变量，表示第n条线路是否发生故障；ΩCTG为N-1故障点集合。
3.2约束条件
Figure GDA0002976079530000103
Figure GDA0002976079530000104
Figure GDA0002976079530000105
Figure GDA0002976079530000106
Figure GDA0002976079530000107
Figure GDA0002976079530000108
Figure GDA0002976079530000109
Figure GDA00029760795300001010
Figure GDA00029760795300001011
Figure GDA00029760795300001012
Figure GDA00029760795300001013
其中，变量上方的横线“—”是直流系统变量的标识符，变量上方的尖号“^”是通过遗传算法给定的直流拓扑变量的标识符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；
Figure GDA00029760795300001014
表示第n条线路上流过的功率，
Figure GDA00029760795300001015
表示第i个节点流入VSC的功率，
Figure GDA00029760795300001016
和
Figure GDA00029760795300001017
表示第i个节点风电和光伏的功率，ηVSC为VSC的能量转换效率系数，
Figure GDA00029760795300001018
表示与第i个节点相连的线路的集合，
Figure GDA00029760795300001019
表示直流系统中VSC节点的集合；
Figure GDA00029760795300001020
和
Figure GDA00029760795300001021
分别表示第n条线路的首末端节点电压的平方，Rn表示第n条线路的电阻，
Figure GDA00029760795300001022
表示第n条线路上流过的电流的平方，M为一个非常大的正整数，
Figure GDA00029760795300001023
表示第n条线路的建设情况，
Figure GDA00029760795300001024
为直流候选线路的集合；
Figure GDA0002976079530000111
和SrWD分别对应于风电的实际功率和额定容量，
Figure GDA0002976079530000112
表示第i个节点风电的建设情况；
Figure GDA0002976079530000113
和SrPV分别对应于光伏的实际功率和额定容量，
Figure GDA0002976079530000114
表示第i个节点光伏的建设情况；
Figure GDA0002976079530000115
表示第i个节点电压的平方，Uupp和Ulow表示节点电压的上、下限，
Figure GDA0002976079530000116
为直流节点的集合；
Figure GDA00029760795300001119
为第n条线路的额定电流，SrL为线路的额定容量，
Figure GDA0002976079530000117
为切负荷功率；ΩWD表示风电节点的集合，ΩPV表示光伏节点的集合；LDi,v,t表示直流负荷的大小。
步骤3)中，求解下层优化模型的方式为：遍历步骤2)中下层优化模型中所有可能的故障情况，对于每一种故障情况，采用CPLEX求解器在MATLAB环境中进行求解，在所有N-1故障中取出最大值，如果该最大值大于等于阈值0.01，表明存在弃风弃光现象，则舍弃当前直流网架结构，重新生成新的直流网架结构并返回步骤2)；如果小于阈值，则保留当前直流网架结构并执行步骤4)。
步骤4)中构建的上层交流系统规划模型包括：
5.1目标函数
Figure GDA0002976079530000118
其中，IR为银行利率，
Figure GDA0002976079530000119
和
Figure GDA00029760795300001110
分别对应于交流系统和直流系统的投资和运行成本，其具体定义如下。
Figure GDA00029760795300001111
Figure GDA00029760795300001112
Figure GDA00029760795300001113
Figure GDA00029760795300001114
其中，变量上方的“—”和“～”是分别对应于直流和交流变量的标志符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；
Figure GDA00029760795300001115
表示第n条线路的建设情况，
Figure GDA00029760795300001116
表示第i个节点VSC的建设情况，
Figure GDA00029760795300001117
表示第i个节点SVG的建设情况，
Figure GDA00029760795300001118
表示第i个节点变电站的建设情况，且以上变量均为0-1变量；
Figure GDA0002976079530000121
和
Figure GDA0002976079530000122
分别对应于交流系统中线路、VSC、SVG和变电站的单位容量建设成本系数；
Figure GDA0002976079530000123
和
Figure GDA0002976079530000124
分别对应于交流系统中线路、VSC、风电和光伏的单位容量建设成本系数；
Figure GDA0002976079530000125
表示候选交流线路集合，
Figure GDA0002976079530000126
表示候选VSC节点集合，ΩD表示负荷节点的集合，ΩS表示候选变电站节点的集合；
Figure GDA0002976079530000127
和
Figure GDA0002976079530000128
为负荷节点的切负荷功率和切负荷惩罚系数；
Figure GDA0002976079530000129
和
Figure GDA00029760795300001210
分别表示变电站节点从上级电网购电的功率和购电成本系数，LDv表示第v个负荷等级的持续时间；
Figure GDA00029760795300001211
和
Figure GDA00029760795300001212
分别表示风电场的出力和运行费用，
Figure GDA00029760795300001213
和
Figure GDA00029760795300001214
分别表示光伏电站的出力和运行费用；
Figure GDA00029760795300001215
和
Figure GDA00029760795300001216
分别表示线路功率的流动方向，
Figure GDA00029760795300001217
表示线路运行成本系数；RRL，RRVSC，RRSVG，RRS，RRWD和RRPV分别表示线路、VSC、SVG、变电站、风电场和光伏电站的资本回收率，设每一种电气设备的设计使用寿命为LTL，LTVSC，LTSVG，LTS和LTDG，则资本回收率的具体定义如下：
Figure GDA00029760795300001218
5.2建设约束
Figure GDA00029760795300001219
Figure GDA00029760795300001220
Figure GDA00029760795300001221
Figure GDA00029760795300001222
Figure GDA00029760795300001223
Figure GDA00029760795300001224
其中，NT为规划年限，
Figure GDA00029760795300001225
表示与节点i相连的交直流传输线的集合。
5.3交流DistFlow潮流约束
Figure GDA00029760795300001226
Figure GDA0002976079530000131
Figure GDA0002976079530000132
Figure GDA0002976079530000133
Figure GDA0002976079530000134
其中，
Figure GDA0002976079530000135
表示由变电站注入节点i的有功功率，
Figure GDA0002976079530000136
表示负荷阻抗角；
Figure GDA0002976079530000137
表示线路n上流过的无功功率，
Figure GDA0002976079530000138
表示由SVG注入节点i的无功功率，
Figure GDA0002976079530000139
表示由VSC注入节点i的无功功率；Xn表示第n条线路的电抗。
Figure GDA00029760795300001310
和
Figure GDA00029760795300001311
分别表示以i节点为首末端节点的线路集合。
5.4直流DistFlow潮流约束
Figure GDA00029760795300001312
Figure GDA00029760795300001313
Figure GDA00029760795300001314
5.5辐射式运行约束
Figure GDA00029760795300001315
5.6交直流耦合约束
Figure GDA00029760795300001316
Figure GDA0002976079530000141
Figure GDA0002976079530000142
Figure GDA0002976079530000143
Figure GDA0002976079530000144
Figure GDA0002976079530000145
其中，κc和Mc分别为VSC常系数和VSC调制系数，
Figure GDA0002976079530000146
为VSC候选节点集合。
Figure GDA0002976079530000147
和
Figure GDA0002976079530000148
为由VSC注入交流系统中节点i的有功功率和无功功率，SrVSC为VSC的额定容量。
5.7上下限约束
Figure GDA0002976079530000149
Figure GDA00029760795300001410
Figure GDA00029760795300001411
Figure GDA00029760795300001412
Figure GDA00029760795300001413
Figure GDA00029760795300001414
Figure GDA00029760795300001415
Figure GDA00029760795300001416
Figure GDA00029760795300001417
Figure GDA00029760795300001418
Figure GDA0002976079530000151
Figure GDA0002976079530000152
其中，
Figure GDA0002976079530000153
为直流节点的集合，SrSub为变电站额定容量，
Figure GDA0002976079530000154
为第i个负荷节点的负荷大小，SrSVG为SVG的额定容量。
步骤5)中求解上层交流系统规划模型的具体方法为：将步骤3)中确立的每一组直流网架结构代入步骤4)构造的上层交流系统规划模型中，采用CPLEX求解器在MATLAB环境中进行求解，将得到的全寿命周期最优成本效益作为对应于每一个直流网架结构染色体的适应度值。判断当前迭代次数是否达到上限。如果尚未达到迭代上限，则对当前种群进行选择、交叉和变异操作，得到一个新的种群，并返回步骤2)进行下一次迭代计算；如果达到迭代上限，则从当前种群中选择适应度最小的直流网架结构及其对应的交流网架配套建设方案，作为最优的交直流混合配电网规划方案输出。
下面举一实例。以图2所示的系统为例，其系统参数如表1至表5所示。
表1线路参数
Figure GDA0002976079530000155
表2负荷参数(kW)
Figure GDA0002976079530000156
Figure GDA0002976079530000161
表3变电站参数
Figure GDA0002976079530000162
表4分布式能源参数
Figure GDA0002976079530000163
表5VSC参数
Figure GDA0002976079530000164
除表中参数外，交流线路的单位长度电阻为0.407Ω/km，电抗为0.380Ω/km，容量为6280kVA，投资成本为19140$/km；直流线路的单位长度电阻为0.247Ω/km，容量为5000kVA，投资成本为17500$/km。交直流线路的维护成本均为450$/年。负荷按照峰值负荷的70％，83％和100％分别划分年负荷持续曲线为2000小时/年，5760小时/年和1000小时/年。负荷阻抗角取0.9，从上级电网购电成本为0.07$/kVAh。SVG的投资成本为每台11000美元，容量为500kVA，上限为4台。此外，年利率取7.1％，所有设备的寿命均为20年。
基于所提发明步骤进行建模和优化，得到具体建设方案如图3所示，相关的建设和运行费用如表6所示。
表6成本统计表(百万美元)
Figure GDA0002976079530000165
Figure GDA0002976079530000171
在表6中，直流网架结构的建设成本占了总建设成本的绝大部分，这是因为考虑了多种新能源的建设费用以及交直流网架结构耦合处VSC的建设费用。而交流系统的运行成本则占了总运行成本的绝大多数，这主要是因为新能源的购电费用和运行费用几乎可以忽略不计，而交流系统则需要计及从上级公共电网购电的费用。采用了本文方法得到的规划方案总成本为1.5393亿美元。
图3给出了针对当前24节点测试系统的三阶段规划方案。可以看出，在不同规划方案下，直流网架结构始终满足N-1安全准则，并且交流系统的拓扑结构始终满足辐射式运行约束。在阶段1，位于26到29号节点的新能源电站首先建设，并通过两条直流线路27-1和28-3接入交流系统。交流系统中尚未建设新的变电站，但在1、6和7号节点处装设SVG以提供无功补偿和提高末端电压。在阶段2，位于25和31号节点的新能源电站投入运行，同时随着负荷功率的提高，原有变电站不能满足负荷的增长需求，因此新建位于23号节点的变电站以提供额外的功率，并且在17号节点新增了一台SVG。在阶段3，所有新能源电站均建成。考虑到新能源的总容量比阶段1和2都要大，原有的两条交直流传输线路不能满足N-1安全准则，因此新增了线路30-20以保障系统运行可靠性。同时，位于24号节点的变电站也在这一阶段建成，为18和20号节点供电。

Claims (7)

1.一种考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)初始化遗传算法参数，基于0-1编码方式随机构造直流网架结构，网架结构的数量等于种群数，令当前网架编号k＝1；
2)基于鲁棒规划，针对第k个表征直流网架结构的染色体个体，构造针对直流配电网并考虑N-1安全准则的下层优化模型；
3)求解所述步骤2)构造的下层优化模型，检验直流网架结构在最恶劣N-1故障下是否存在弃风弃光，若存在弃风弃光，表明当前直流网架结构无法通过检验，则舍弃当前直流网架结构，基于0-1编码方式随机重新生成当前直流网架结构，并返回步骤2)；如果不存在弃风弃光，则判断k是否小于种群数，如果是，则令k＝k+1，返回步骤2)，否则，进入步骤4)
4)针对当前种群中的每一个直流网架结构，构造与该直流网架结构相配套的上层交流系统规划模型；
5)求解所述步骤4)构造的上层交流系统规划模型，将得到的优化结果作为每一个直流网架结构的适应度值，判断当前迭代次数是否达到遗传算法迭代次数上限，若未达到迭代上限，则对直流网架结构的染色体进行选择、交叉、变异操作后，令k＝1并返回步骤2)，否则，将当前种群中的直流网架结构所对应的适应度最小的交直流网架结构作为结果输出。
2.根据权利要求1所述的考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，其特征在于，所述步骤1)中，初始化的遗传算法参数为：种群数量为25个，迭代次数为100次，交叉概率为0.8，变异概率为0.6，根据规划实际需求确定交直流配电网系统拓扑结构，构造交流线路、直流线路、变电站、VSC、风电和光伏规划候选集，0-1编码方式为0代表不建设，1代表建设，构建表征直流网架结构的染色体种群。
3.根据权利要求1所述的考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，其特征在于，所述步骤2)中构造的下层优化模型包括：
3.1目标函数
Figure FDA0002976079520000011
其中，
Figure FDA0002976079520000012
和
Figure FDA0002976079520000013
分别对应第i个节点在第v个负荷等级和第t个阶段下的弃风和弃光功率；CCW和CCP分别对应弃风和弃光的惩罚系数；WD为风电场候选节点集合，PV为光伏电站候选节点集合；bn,t为0-1变量，表示第n条线路是否发生故障；ΩCTG为N-1故障点集合；
3.2约束条件
Figure FDA0002976079520000021
Figure FDA0002976079520000022
Figure FDA0002976079520000023
Figure FDA0002976079520000024
Figure FDA0002976079520000025
Figure FDA0002976079520000026
Figure FDA0002976079520000027
Figure FDA0002976079520000028
Figure FDA0002976079520000029
Figure FDA00029760795200000210
Figure FDA00029760795200000211
其中，变量上方的横线“—”是直流系统变量的标识符，变量上方的尖号“^”是通过遗传算法给定的直流拓扑变量的标识符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；
Figure FDA00029760795200000212
表示第n条线路上流过的功率，
Figure FDA00029760795200000213
表示第i个节点流入VSC的功率，
Figure FDA00029760795200000214
和
Figure FDA00029760795200000215
表示第i个节点风电和光伏的功率，ηVSC为VSC的能量转换效率系数，
Figure FDA00029760795200000216
表示与第i个节点相连的线路的集合，
Figure FDA00029760795200000217
表示直流系统中VSC节点的集合；
Figure FDA00029760795200000218
和
Figure FDA00029760795200000219
分别表示第n条线路的首末端节点电压的平方，Rn表示第n条线路的电阻，
Figure FDA00029760795200000220
表示第n条线路上流过的电流的平方，M为一个非常大的正整数，
Figure FDA00029760795200000221
表示第n条线路的建设情况，
Figure FDA00029760795200000222
为直流候选线路的集合；
Figure FDA00029760795200000223
和SrWD分别对应于风电的实际功率和额定容量，
Figure FDA00029760795200000224
表示第i个节点风电的建设情况；
Figure FDA00029760795200000225
和SrPV分别对应于光伏的实际功率和额定容量，
Figure FDA00029760795200000226
表示第i个节点光伏的建设情况；
Figure FDA0002976079520000031
表示第i个节点电压的平方，Uupp和Ulow表示节点电压的上、下限，
Figure FDA0002976079520000032
为直流节点的集合；
Figure FDA0002976079520000033
为第n条线路的额定电流，SrL为线路的额定容量，
Figure FDA0002976079520000034
为切负荷功率；ΩWD表示风电节点的集合，ΩPV表示光伏节点的集合；LDi,v,t表示直流负荷的大小。
4.根据权利要求1、2或3所述的考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，其特征在于，所述步骤3)中，求解下层优化模型的方式为：遍历步骤2)中下层优化模型中所有可能的故障情况，对于每一种故障情况，采用CPLEX求解器在MATLAB环境中进行求解，在所有N-1故障中取出最大值，如果该最大值大于或等于阈值0.01，则存在弃风弃光，否则不存在弃风弃光。
5.根据权利要求1、2或3所述的考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，其特征在于，所述步骤4)中构建的上层交流系统规划模型包括：
5.1目标函数
Figure FDA0002976079520000035
其中，IR为银行利率，
Figure FDA0002976079520000036
和
Figure FDA0002976079520000037
分别对应于交流系统和直流系统的投资和运行成本，其具体定义如下：
Figure FDA0002976079520000038
Figure FDA0002976079520000039
Figure FDA00029760795200000310
Figure FDA00029760795200000311
其中，变量上方的“—”和“～”是分别对应于直流和交流变量的标志符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；
Figure FDA00029760795200000312
表示第n条线路的建设情况，
Figure FDA00029760795200000313
表示第i个节点VSC的建设情况，
Figure FDA00029760795200000314
表示第i个节点SVG的建设情况，
Figure FDA00029760795200000315
表示第i个节点变电站的建设情况，且以上变量均为0-1变量；
Figure FDA00029760795200000316
和
Figure FDA00029760795200000317
分别对应于交流系统中线路、VSC、SVG和变电站的单位容量建设成本系数；
Figure FDA0002976079520000041
和
Figure FDA0002976079520000042
分别对应于交流系统中线路、VSC、风电和光伏的单位容量建设成本系数；
Figure FDA0002976079520000043
表示候选交流线路集合，
Figure FDA0002976079520000044
表示候选VSC节点集合，ΩD表示负荷节点的集合，ΩS表示候选变电站节点的集合；
Figure FDA0002976079520000045
和
Figure FDA0002976079520000046
为负荷节点的切负荷功率和切负荷惩罚系数；
Figure FDA0002976079520000047
和
Figure FDA0002976079520000048
分别表示变电站节点从上级电网购电的功率和购电成本系数，LDv表示第v个负荷等级的持续时间；
Figure FDA0002976079520000049
和
Figure FDA00029760795200000410
分别表示风电场的出力和运行费用，
Figure FDA00029760795200000411
和
Figure FDA00029760795200000412
分别表示光伏电站的出力和运行费用；
Figure FDA00029760795200000413
和
Figure FDA00029760795200000414
分别表示线路功率的流动方向，
Figure FDA00029760795200000415
表示线路运行成本系数；RRL，RRVSC，RRSVG，RRS，RRWD和RRPV分别表示线路、VSC、SVG、变电站、风电场和光伏电站的资本回收率，设每一种电气设备的设计使用寿命为LTL，LTVSC，LTSVG，LTS和LTDG，则资本回收率的具体定义如下：
Figure FDA00029760795200000416
5.2建设约束
Figure FDA00029760795200000417
Figure FDA00029760795200000418
Figure FDA00029760795200000419
Figure FDA00029760795200000420
Figure FDA00029760795200000421
Figure FDA00029760795200000422
其中，NT为规划年限，
Figure FDA00029760795200000423
表示与节点i相连的交直流传输线的集合；
5.3交流DistFlow潮流约束
Figure FDA00029760795200000424
Figure FDA0002976079520000051
Figure FDA0002976079520000052
Figure FDA0002976079520000053
其中，
Figure FDA0002976079520000054
表示由变电站注入节点i的有功功率，
Figure FDA0002976079520000055
表示负荷阻抗角；
Figure FDA0002976079520000056
表示线路n上流过的无功功率，
Figure FDA0002976079520000057
表示由SVG注入节点i的无功功率，
Figure FDA0002976079520000058
表示由VSC注入节点i的无功功率；Xn表示第n条线路的电抗，
Figure FDA0002976079520000059
和
Figure FDA00029760795200000510
分别表示以i节点为首末端节点的线路集合；
5.4直流DistFlow潮流约束
Figure FDA00029760795200000511
Figure FDA00029760795200000512
Figure FDA00029760795200000513
5.5辐射式运行约束
Figure FDA00029760795200000514
5.6交直流耦合约束
Figure FDA00029760795200000515
Figure FDA0002976079520000061
Figure FDA0002976079520000062
Figure FDA0002976079520000063
Figure FDA0002976079520000064
Figure FDA0002976079520000065
其中，κc和Mc分别为VSC常系数和VSC调制系数，
Figure FDA0002976079520000066
为VSC候选节点集合，
Figure FDA0002976079520000067
和
Figure FDA0002976079520000068
为由VSC注入交流系统中节点i的有功功率和无功功率，SrVSC为VSC的额定容量，ΩS表示候选变电站节点的集合；
5.7上下限约束
Figure FDA0002976079520000069
Figure FDA00029760795200000610
Figure FDA00029760795200000611
Figure FDA00029760795200000612
Figure FDA00029760795200000613
Figure FDA00029760795200000614
Figure FDA00029760795200000615
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Figure FDA0002976079520000071
Figure FDA0002976079520000072
其中，
Figure FDA0002976079520000073
为直流节点的集合，SrSub为变电站额定容量，
Figure FDA0002976079520000074
为第i个负荷节点的负荷大小，SrSVG为SVG的额定容量。
6.根据权利要求1、2或3所述的考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，其特征在于，所述步骤5)中求解上层交流系统规划模型的具体方法为：将步骤3)中构造的下层优化模型中的每一组直流网架结构代入步骤4)构造的上层交流系统规划模型中，采用CPLEX求解器在MATLAB环境中进行求解，将得到的全寿命周期最优成本效益作为对应于每一个直流网架结构染色体的适应度值。
7.根据权利要求1、2或3所述的考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，其特征在于，所述步骤5)中，最优的交直流网架结构为当前种群中适应度最小的直流网架结构及其对应的交流网架配套建设方案。
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