CN109995021B - 一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源‑网协调规划方法，以构建的微电网系统的典型拓扑数据集为基础，分两个阶段进行建模和求解；本发明补充了现有微电网规划领域中网络规划的空缺，完善了微电网网络规划的工程化规划思想和方法，为面向实际需求的微电网初始网络规划问题提供了新的解决思路和技术指导。并且，本发明提出的特征匹配的思想，可以推广到一些配电网网络规划的工程化方法中应用。

Description

一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法
技术领域
本发明属于微电网系统中源-网协调规划技术领域，具体涉及一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法。
背景技术
近年来，电力系统飞速发展，电网规模不断扩大。分布式发电以其环保灵活的特点，受到越来越多的关注。微电网作为集成分布式发电的有效形式，在电力系统中扮演着愈加重要的作用。传统微电网由于电压等级低、系统规模小，规划重点大多在电源规划方面。随着分布式电源渗透率的日益提高，其对电网的安全稳定运行提出了更大的挑战。为了更有效地集成各类电源，微电网规模逐渐扩大，网络复杂程度不断增加，传统集中式放射状的统一网络拓扑已逐渐不能满足电力用户日益增长的要求，需要进行专门的微电网网络规划的研究工作。然而目前微电网网络规划问题的研究大多仅停留在理论阶段，很难应用于实际工程的建设中。因此，提出一种可以面向实际工程应用的微电网网络规划方法是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，面向工程实际需求，针对空白园区上的微电网网络前期工程规划问题，以构建的微电网系统的典型拓扑数据集为基础，解决工程规划前期，空白园区上初始网络形成及微源布局的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，以构建的微电网系统的典型拓扑数据集为基础，分两个阶段进行建模和求解，为园区微电网提供初始网络及微源布局的工程方案，作为园区微电网的接线设计与设备布局初始参考；
第一阶段用于提供微电网网架拓扑方案，针对PCC点下各段母线，基于构建的典型拓扑数据集，采用典型网络拓扑优化匹配的方法，通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标，将各个母线下的分布式电源及负荷容量、相应电压等级和负荷重要度指标分别与典型网络拓扑的相应指标进行匹配，典型拓扑数据集中匹配度最高的网络拓扑确定为母线下的基本拓扑形式；
第二阶段用于提供微源布局方案，针对各个母线下的网络拓扑，基于第一阶段匹配出的拓扑结构，采用启发式的多点布局方法，将各母线下规划的分布式电源和负荷接入拓扑的相应候选点，完成各类电源和负荷的网络布局方案。
具体的，第一阶段包括以下步骤：
S301、通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标，匹配的指标包括容量指标、电压等级指标和重要度指标三个；其次，容量匹配指标要求待布局的源荷容量与典型网络拓扑允许接入的源荷容量匹配，同时拓扑中每个节点只能集成对应电压等级的电源和负荷；再次，重要度匹配指标要求被选中网络拓扑的重要度不能低于待接入负荷的重要度；最后，将匹配指标分别进行匹配，选取典型拓扑数据集中匹配度最高的网络拓扑确定为母线下的基本拓扑形式；
S302、根据301所提的优化匹配原则，确定拓扑以及负荷的重要度指标；
S303、根据301所提的优化匹配原则以及302设定的重要度指标，确定微电网系统典型网络拓扑优化匹配模型的目标函数和相应的约束条件。
进一步的，步骤S301中，网络拓扑成本的数学模型表示如下：
Figure BDA0001960746110000021
式中：NTopo代表数据集中的拓扑个数，Nbw代表第w个拓扑的支路数，近似代替第w个拓扑的网络成本，uw是0-1变量，当第w个拓扑被选中时，uw＝1，否则uw＝0；
要求各母线下待接入的各类电源满足，各电压等级下的电源总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，约束如下：
Figure BDA0001960746110000031
式中：Nnode代表各典型拓扑中的节点个数；
Figure BDA0001960746110000032
代表第w个拓扑中节点i上为y类电源的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；Ny代表y类电源的子类型个数；
Figure BDA0001960746110000033
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源个数，
Figure BDA0001960746110000034
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}；
要求各母线下待接入拓扑的负荷满足，各电压等级下的总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，约束如下：
Figure BDA0001960746110000035
式中：
Figure BDA0001960746110000036
代表第w个拓扑中节点i上负荷的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；nload代表待接入的负荷个数；
Figure BDA0001960746110000037
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v代表电压等级；
根据重要度指标的定义，各类负荷块只允许接入具有相同或更高重要度指标的拓扑中，约束如下：
Figure BDA0001960746110000038
式中：IMPw代表第w个拓扑的重要度指标，impx代表待接入的第x个负荷的重要度；
求解上述模型，初步确定各母线下的基本拓扑形式，每条母线下只允许得到一个匹配结果，母线下的拓扑馈线形式、节点及支路组成可通过匹配的典型拓扑直接得到。
进一步的，步骤S302具体为：
首先，每个典型网络拓扑定义一个拓扑重要度，表征典型网络拓扑的可靠程度，分为3个等级，等级越高，则网络拓扑重要度值就越大，表示网络拓扑的可靠程度越高；
其次，各类负荷有对应的负荷重要度，表征负荷的重要程度，同样分为3个等级，等级越高，则负荷的重要度数值越大，表示负荷需要接入可靠性更高的网络拓扑中；
再次，各类电源及储能元件不设置重要度指标；
最后，为保证重要负荷的正常运行，各类负荷块只允许接入具有相同或更高重要度指标的拓扑中。
进一步的，步骤S303中，模型的目标函数通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标，电源容量匹配约束要求各母线下待接入的各类电源满足，各电压等级下的电源总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，负荷容量匹配约束要求各母线下待接入拓扑的负荷满足，各电压等级下的总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限；
匹配以各母线下分布式电源及负荷的的权重之和最小为规划目标，同时计及负荷缺额的惩罚项，其数学模型如下：
Figure BDA0001960746110000041
式中：
Figure BDA0001960746110000042
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，
Figure BDA0001960746110000043
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；
Figure BDA0001960746110000044
代表0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure BDA0001960746110000045
否则
Figure BDA0001960746110000046
Figure BDA0001960746110000047
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v表示电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}。
χ代表容量缺额的惩罚系数，Simb代表母线下的总容量的缺额，Simb如下所示：
Figure BDA0001960746110000048
式中：αz代表z类型的电源的利用系数，定义电源的利用系数为负数；z∈{WT,PV,DG,BS}。
具体的，第二阶段包括以下步骤：
S401、分析给定网络拓扑下的微源多点布局启发式匹配原则；
S402、根据401所提的启发式匹配原则，确定节点权重的定义；
S403、根据401所提的启发式匹配原则以及402设定的节点权重，确定给定网络拓扑下的微源多点布局启发式匹配模型的目标函数和相应的约束条件。
进一步的，步骤S401具体为：
首先，多点布局的匹配目标为各母线下的分布式电源及负荷的权重之和最小，同时计及负荷缺额惩罚；
其次，每个电源和储能元件只能接入相应电压等级的节点；
其次，要求每条馈线上至少接入一个单位的分布式电源或储能元件，并至少接入一个负荷块；
最后，要求网络布局方案中不能出现空节点。
进一步的，步骤S402具体为：
首先，将与母线节点直接相连节点的权重数值定为1；
其次，规定距离母线越远，节点的权重数值越大；
再次，规定任意节点的权重数值为其相邻上游节点的权重数值的2倍；
最后，规定电源节点的权重数值为负，储能节点和负荷节点的权重数值为正。
进一步的，步骤S403中，考虑的约束条件包括电源布局位置约束、负荷布局位置约束、电源接入数量约束、负荷接入数量约束、馈线布局约束和节点布局约束；
电源布局位置约束要求各电压等级下，各节点集成的同一类电源的容量之和不超过节点为该类型电源预留的容量上限，约束如下：
Figure BDA0001960746110000051
式中：
Figure BDA0001960746110000061
代表节点i上y类电源的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；
Figure BDA0001960746110000062
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，
Figure BDA0001960746110000063
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}；
负荷接入数量约束要求各电压等级下，各节点集成的负荷容量不超过节点预留的负荷容量上限，约束如下：
Figure BDA0001960746110000064
式中：
Figure BDA0001960746110000065
代表节点i上预留的负荷接入容量上限，上标v代表电压等级；
Figure BDA0001960746110000066
代表一个0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure BDA0001960746110000067
否则
Figure BDA0001960746110000068
Figure BDA0001960746110000069
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v代表电压等级；
电源接入数量约束要求各电压等级下，电源规划结果中为各母线下规划的电源全部接入微电网中，约束如下：
Figure BDA00019607461100000610
式中：
Figure BDA00019607461100000611
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源个数；
Figure BDA00019607461100000612
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}；
负荷接入数量约束要求各电压等级下，各母线下的负荷也须全部接入微电网中，约束如下：
Figure BDA00019607461100000613
式中：
Figure BDA00019607461100000614
代表待接入的第x个负荷的容量，
Figure BDA00019607461100000615
代表0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure BDA00019607461100000616
否则
Figure BDA00019607461100000617
节上标v代表电压等级；
馈线布局约束要求每条馈线上至少接入一台风机/光伏/可控分布式电源/能量型储能元件，并至少接入一个负荷块，约束如下：
Figure BDA0001960746110000071
Figure BDA0001960746110000072
约束针对每条馈线，且z∈{WT,PV,DG,BS}；
节点布局约束要求在网络布局方案中不能出现空节点，约束如下：
Figure BDA0001960746110000073
约束针对各个节点，y∈{WT,PV,DG,BS,SC}；求解上述模型，得到各母线下规划的各类电源和负荷的网络布局方案。
具体的，以馈线集成的方式构建一组用于微电网系统源-网协调规划的微电网系统典型拓扑数据集，在实际工程建设中通过查阅数据集形成园区电气接线参考方案，具体步骤如下：
S201、综合分析世界范围内多个微电网示范工程，将交流微电网系统的电压等级定为10kV和0.4kV两级，允许接入两个电压等级的微源和负荷，设计微电网系统以10kV为基础电压，在系统馈线节点上允许通过10kV/0.4kV的变压器集成0.4kV电压等级的微源和负荷；
S202、通过综合分析各微电网示范工程，对微电网系统的馈线结构分为单极及两级馈线结构、三级至四级馈线结构以及多级馈线结构，而后微电网系统的典型拓扑数据集由馈线结构通过模块集成的方式获得；
S203、将微电网的典型馈线结构作为基本单元进行模块化集成，形成多种微电网的典型拓扑，进而形成一组适应不同电压等级、不同系统规模的微电网网络规划需求的数据集，应用于在空白园区上进行微电网网络前期规划的实际工程中。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，以构建的微电网系统的典型拓扑数据集为基础，适用于微网网架尚未形成的情况，第一阶段基于典型拓扑匹配形成合理的网架结构，在此基础上进行第二阶段的源荷布局方案规划，完成各类电源和负荷的网络布局方案。
进一步的，第一阶段根据典型拓扑匹配可以保证微网网架设计的实用性。
进一步的，从容量角度对拓扑匹配模型做出约束，满足微网规划的基本要求。
进一步的，重要度指标要求被选中网络拓扑的重要度不能低于待接入负荷的重要度，保证了拓扑匹配的合理性。
进一步的，将拓扑成本最小化作为目标函数，保障了微网规划的经济性。
进一步的，第二阶段在第一阶段形成拓扑结构的基础上，将各母线规划的电源和负荷接入候选点，对微网规划的源荷接入给出指导方案。
进一步的，给出了微源多点布局启发式匹配原则，保证源荷接入的合理性。
进一步的，给出节点权重的概念，是本发明的重要特点。
进一步的，给出微源多点布局启发式匹配模型的约束条件，满足源荷接入的一般要求。
进一步的，构建微电网系统典型拓扑数据集，可应用于在空白园区上进行微电网网络前期规划的实际工程中，是本发明的基础。
综上所述，本发明补充了现有微电网规划领域中网络规划的空缺，完善了微电网网络规划的工程化规划思想和方法，为面向实际需求的微电网初始网络规划问题提供了新的解决思路和技术指导。并且，本发明提出的特征匹配的思想，可以推广到一些配电网网络规划的工程化方法中应用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为微电网系统的典型馈线结构图，其中，(a)为单馈线单支路结构，(b)为单馈线两支路结构，(c)为单馈线三支路结构，(d)为单馈线四支路结构，(e)为单馈线五支路结构；
图2为微电网典型拓扑结构示例图，其中，(a)为一种两馈线拓扑结构，(b)为第二种两馈线拓扑结构，(c)为三馈线拓扑结构；
图3为本发明实现流程图；
图4为网络拓扑规划结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，综合分析世界范围内的多个微电网示范工程，对各微电网示范工程在电压等级特征和馈线形式特征两个方面进行提取分析；将典型馈线结构进行模块化集成，形成多种不同的微电网的典型拓扑结构，构成一组可以适应不同电压等级、不同系统规模的微电网网络规划需求的拓扑数据集；以构建的微电网系统的典型拓扑数据集为基础，提出一种基于典型拓扑匹配的源-网协调规划方法，分为两个阶段进行建模和求解，为园区微电网提供初始网络及微源布局的工程方案，作为园区微电网的接线设计与设备布局初始参考；第一个阶段用于提供微电网网架拓扑方案，针对PCC点下各段母线，基于构建的典型拓扑数据集，采用典型网络拓扑优化匹配的方法，通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标，将各个母线下的分布式电源及负荷容量、相应电压等级和负荷重要度指标分别与典型网络拓扑的相应指标进行匹配，典型拓扑数据集中匹配度最高的网络拓扑确定为母线下的基本拓扑形式；第二个阶段用于提供微源布局方案，针对各个母线下的网络拓扑，基于第一阶段匹配出的拓扑结构，采用一种启发式的多点布局方法，将各母线下规划的分布式电源和负荷接入拓扑的相应候选点，完成各类电源和负荷的网络布局方案；本发明方法面向工程实际，针对空白园区上的微电网网络前期工程规划问题，旨在提供可供参考的初始网络及微源布局的工程方案，具有很强的工程实用性，既可以保证微电网网络规划结果的合理性，又在很大程度上简化了微电网网络规划问题求解的复杂程度。本方法已由设计部门应用于工程实践中，所建立的基于典型拓扑匹配的源-网协调规划模型和求解方法为空白园区上初始网络形成及微源布局提供了技术指导。
请参阅图1和图2，图中箭头表示负荷接入点，DG表示燃料型分布式电源，PV表示光伏电源，WT表示风电电源，BS表示能量型储能，SC表示功率型储能，ESS表示储能；图1(a)由2个节点1条支路组成，能量型储能、风光均接在同一节点上，给出一个负荷接入点；(b)由3个节点2条支路组成，电源和能量型储能分别接在两个节点上，给出1个负荷接入点；(c)由4个节点3条支路组成，功率型和能量型储能接在不同节点上，给出一个负荷接入点；(d)由5个节点4条支路组成，给出两个负荷接入点；(e)由6个节点5条支路组成，接入两个能量型储能，给出三个负荷接入点；
图2(a)由5个节点5条支路组成，有两条馈线，给出两个负荷接入点；(b)由10个节点9条支路组成，有两条馈线，给出五个负荷接入点；(c)由10个节点9条支路组成，有三条馈线，给出五个负荷接入点，电源接入数量较多。
请参阅图3，本发明一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，微电网系统的基本信息包括微电网负荷的基本信息和微电网电源和储能装置的规划结果及相应的基本信息，具体步骤如下：
S1、对世界范围内的多个微电网示范工程进行综合分析，对各微电网示范工程在电压等级特征和母线及馈线形式特征两个方面进行典型拓扑提取分析；
S101、详细综合分析世界范围内多个微电网示范工程，归纳、提取电压等级特征。按照电压等级划分，微电网系统可以划分成中压微电网和低压微电网两种。中压微电网基于配电线路集成分布式电源和负荷，一般系统容量较大，且采用并网运行方式，依赖于主网的功率及电压支持；低压微电网规模一般比较小，可以灵活的投入或者退出运行。通常情况下，规模较小的低压微电网内部只存在一个电压等级，而规模较大的中压微电网内部可能包含不同的多个电压等级，除了以中压等级支撑的主要结构外，还可以通过变压器将低压等级下的分布式电源和负荷集成在微电网系统中。低压微电网通常仅包含1个电压等级，中压微电网还有的包含2～3个不同的电压等级，综合考虑目前我国微电网的建设现状，采用的电压等级主要包括0.4kV、10kV和35kV等。
S102、详细综合分析世界范围内多个微电网示范工程，归纳、提取微电网母线及馈线特征。微电网系统一般都是辐射状结构，其中的电源和负荷可以选择直接接入母线，或者通过馈线形式接入母线。根据微电网规模、各类电源和负荷容量及系统复杂程度的不同，微电网系统中的微源和负荷可以采用直接接入母线的形式、两馈线接入形式和三馈线接入形式几种。
S2、以典型馈线结构作为微电网系统的基本组成单元，以馈线集成的方式构建一组用于微电网系统源-网协调规划的微电网系统典型拓扑数据集；
S201、综合分析世界范围内多个微电网示范工程，考虑目前我国微电网采用的电压等级和微电网网络拓扑的规模以及相应的适应性，将常见的交流微电网系统的电压等级定为10kV和0.4kV两级，允许接入两个电压等级的微源和负荷。设计微电网系统以10kV为基础电压，在系统馈线节点上允许通过10kV/0.4kV的变压器集成0.4kV电压等级的微源和负荷；
S202、通过综合分析各微电网示范工程，认为馈线结构是可以反映出微电网网络拓扑结构主要特征的最小结构单位，在此对微电网系统的馈线结构进行简单分类，而后微电网系统的典型拓扑数据集可以由馈线结构通过模块集成的方式获得。微电网的馈线结构主要可以分为单极及两级馈线结构、三级至四级馈线结构以及多级馈线结构；
S203、将微电网的典型馈线结构作为基本单元进行模块化集成，可以形成多种微电网的典型拓扑，这些微电网的典型拓扑结构形成一组可以适应不同电压等级、不同系统规模的微电网网络规划需求的数据集，可以应用于在空白园区上进行微电网网络前期规划的实际工程中。
S3、针对PCC点下各段母线，基于构建的典型拓扑数据集，建立微电网系统的典型网络拓扑优化匹配模型；
S301、分析微电网系统的典型网络拓扑优化匹配原则；
首先，通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标，匹配的指标包括容量指标、电压等级指标和重要度指标三个；其次，容量匹配指标要求待布局的源荷容量与典型网络拓扑允许接入的源荷容量匹配，同时拓扑中每个节点只能集成对应电压等级的电源和负荷；再次，重要度匹配指标要求被选中网络拓扑的重要度不能低于待接入负荷的重要度；最后，将匹配指标分别进行匹配，选取典型拓扑数据集中匹配度最高的网络拓扑确定为母线下的基本拓扑形式；
网络拓扑成本的数学模型表示如下：
Figure BDA0001960746110000121
式中：NTopo代表数据集中的拓扑个数，Nbw代表第w个拓扑的支路数，近似代替第w个拓扑的网络成本，uw是0-1变量，当第w个拓扑被选中时，uw＝1，否则uw＝0；
电源容量匹配约束、负荷容量匹配约束、重要度匹配约束以及电压等级匹配约束表示如下：
要求各母线下待接入的各类电源满足，各电压等级下的电源总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，约束如下：
Figure BDA0001960746110000122
式中：Nnode代表各典型拓扑中的节点个数；
Figure BDA0001960746110000123
代表第w个拓扑中节点i上为y类电源的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；Ny代表y类电源的子类型个数；
Figure BDA0001960746110000124
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源个数，
Figure BDA0001960746110000125
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}。
要求各母线下待接入拓扑的负荷满足，各电压等级下的总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，约束如下：
Figure BDA0001960746110000131
式中：
Figure BDA0001960746110000132
代表第w个拓扑中节点i上负荷的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；nload代表待接入的负荷个数；
Figure BDA0001960746110000133
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v代表电压等级。
根据重要度指标的定义，各类负荷块只允许接入具有相同或更高重要度指标的拓扑中，约束如下：
Figure BDA0001960746110000134
式中：IMPw代表第w个拓扑的重要度指标，impx代表待接入的第x个负荷的重要度。
求解上述模型，初步确定各母线下的基本拓扑形式，每条母线下只允许得到一个匹配结果，母线下的拓扑馈线形式、节点及支路组成可通过匹配的典型拓扑直接得到。
S302、根据301所提的优化匹配原则，确定拓扑以及负荷的重要度指标；
首先，每个典型网络拓扑定义一个拓扑重要度，表征典型网络拓扑的可靠程度，分为3个等级，等级越高，则网络拓扑重要度值就越大，表示网络拓扑的可靠程度越高；
其次，各类负荷有对应的负荷重要度，表征负荷的重要程度，同样分为3个等级，等级越高，则负荷的重要度数值越大，表示负荷需要接入可靠性更高的网络拓扑中；
再次，各类电源及储能元件不设置重要度指标；
最后，为保证重要负荷的正常运行，各类负荷块只允许接入具有相同或更高重要度指标的拓扑中。
S303、根据301所提的优化匹配原则以及302设定的重要度指标，确定微电网系统典型网络拓扑优化匹配模型的目标函数和相应的约束条件。
模型的目标函数通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标。
考虑的约束条件包括：电源容量匹配约束、负荷容量匹配约束、电压等级匹配约束以及重要度匹配约束。
其中，电源容量匹配约束要求各母线下待接入的各类电源满足，各电压等级下的电源总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，负荷容量匹配约束要求各母线下待接入拓扑的负荷满足，各电压等级下的总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限。
匹配以各母线下分布式电源及负荷的的权重之和最小为规划目标，同时计及负荷缺额的惩罚项，其数学模型如式(5)所示：
Figure BDA0001960746110000141
式中：
Figure BDA0001960746110000142
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，
Figure BDA0001960746110000143
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；
Figure BDA0001960746110000144
代表0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure BDA0001960746110000145
否则
Figure BDA0001960746110000146
Figure BDA0001960746110000147
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v表示电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}。
χ代表容量缺额的惩罚系数，Simb代表母线下的总容量的缺额，Simb的具体表达式如式(6)所示：
Figure BDA0001960746110000148
式中：αz代表z类型的电源的利用系数，定义电源的利用系数为负数；z∈{WT,PV,DG,BS}。
S4、针对各个母线下的网络拓扑，基于匹配出的拓扑结构，建立给定网络拓扑下的微源多点布局启发式匹配模型；
S401、分析给定网络拓扑下的微源多点布局启发式匹配原则；
首先，多点布局的匹配目标为各母线下的分布式电源及负荷的权重之和最小，同时计及负荷缺额惩罚；其次，每个电源和储能元件只能接入相应电压等级的节点；其次，要求每条馈线上至少接入一个单位的分布式电源或储能元件，并至少接入一个负荷块；最后，要求网络布局方案中不能出现空节点。
S402、根据401所提的启发式匹配原则，确定节点权重的定义；
首先，将与母线节点直接相连节点的权重数值定为1；
其次，规定距离母线越远，节点的权重数值越大；
再次，规定任意节点的权重数值为其相邻上游节点的权重数值的2倍；
最后，规定电源节点的权重数值为负，储能节点和负荷节点的权重数值为正。这是本发明的一个重要特点。
S403、根据401所提的启发式匹配原则以及402设定的节点权重，确定给定网络拓扑下的微源多点布局启发式匹配模型的目标函数和相应的约束条件。
模型以各母线下分布式电源及负荷的权重之和最小为规划目标，同时计及负荷缺额的惩罚项。
考虑的约束条件包括：
电源布局位置约束、负荷布局位置约束、电源接入数量约束、负荷接入数量约束、馈线布局约束和节点布局约束。
电源布局位置约束要求各电压等级下，各节点集成的同一类电源的容量之和不超过节点为该类型电源预留的容量上限，约束如下：
Figure BDA0001960746110000151
式中：
Figure BDA0001960746110000152
代表节点i上y类电源的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；
Figure BDA0001960746110000153
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，
Figure BDA0001960746110000154
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}。
负荷接入数量约束要求各电压等级下，各节点集成的负荷容量不超过节点预留的负荷容量上限，约束如下：
Figure BDA0001960746110000161
式中：
Figure BDA00019607461100001616
代表节点i上预留的负荷接入容量上限，上标v代表电压等级；
Figure BDA0001960746110000162
代表一个0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure BDA0001960746110000163
否则
Figure BDA0001960746110000164
Figure BDA0001960746110000165
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v代表电压等级。
电源接入数量约束要求各电压等级下，电源规划结果中为各母线下规划的电源全部接入微电网中，约束如下：
Figure BDA0001960746110000166
式中：
Figure BDA0001960746110000167
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源个数；
Figure BDA0001960746110000168
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}。
负荷接入数量约束要求各电压等级下，各母线下的负荷也须全部接入微电网中，约束如下：
Figure BDA0001960746110000169
式中：
Figure BDA00019607461100001610
代表待接入的第x个负荷的容量，
Figure BDA00019607461100001611
代表0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure BDA00019607461100001612
否则
Figure BDA00019607461100001613
节上标v代表电压等级。
馈线布局约束要求每条馈线上至少接入一台风机/光伏/可控分布式电源/能量型储能元件，并至少接入一个负荷块，约束如下：
Figure BDA00019607461100001614
Figure BDA00019607461100001615
约束针对每条馈线，且z∈{WT,PV,DG,BS}。
Figure BDA0001960746110000171
节点布局约束要求在网络布局方案中不能出现空节点，约束如下：
约束针对各个节点，y∈{WT,PV,DG,BS,SC}。
求解上述模型，可以得到各母线下规划的各类电源和负荷的网络布局方案。至此，网络规划的两个阶段全部完成，形成具体的源-网协调规划方案。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
1)算例基础信息
1、测试微电网的负荷信息
测试微电网各母线下的负荷信息分别如表1和表2：
表1母线1下的负荷信息
Figure BDA0001960746110000172
Figure BDA0001960746110000181
表2母线2下的负荷信息
Figure BDA0001960746110000182
2、测试微电网的电源及储能规划信息
测试微电网各母线下的电源及储能规划结果分别如表3和表4：
表3母线1下的电源及储能规划结果
Figure BDA0001960746110000183
Figure BDA0001960746110000191
表4母线2下的电源及储能规划结果
Figure BDA0001960746110000192
2)测试微电网的网络拓扑规划结果及分析
依据1)中给定的测试微电网的负荷信息及电源和储能规划信息，通过基于典型拓扑匹配的微电网网络规划方法进行网络拓扑规划，规划结果如图4所示。整个微电网共规划了2条母线，4条馈线；完整的拓扑通过节点合并后总计13个节点。各节点上电源/负荷的接入情况及相应的电压信息具体见图4。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，以构建的微电网系统的典型拓扑数据集为基础，分两个阶段进行建模和求解，为园区微电网提供初始网络及微源布局的工程方案，作为园区微电网的接线设计与设备布局初始参考；
第一阶段用于提供微电网网架拓扑方案，针对PCC点下各段母线，基于构建的典型拓扑数据集，采用典型网络拓扑优化匹配的方法，通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标，将各个母线下的分布式电源及负荷容量、相应电压等级和负荷重要度指标分别与典型网络拓扑的相应指标进行匹配，典型拓扑数据集中匹配度最高的网络拓扑确定为母线下的基本拓扑形式；
第二阶段用于提供微源布局方案，针对各个母线下的网络拓扑，基于第一阶段匹配出的拓扑结构，采用启发式的多点布局方法，将各母线下规划的分布式电源和负荷接入拓扑的相应候选点，完成各类电源和负荷的网络布局方案。
2.根据权利要求1所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，第一阶段包括以下步骤：
S301、分析微电网系统的典型网络拓扑优化匹配原则，通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标，匹配的指标包括容量匹配指标、电压等级指标和重要度匹配指标三个；其次，容量匹配指标要求待布局的源荷容量与典型网络拓扑允许接入的源荷容量匹配，同时拓扑中每个节点只能集成对应电压等级的电源和负荷；再次，重要度匹配指标要求被选中网络拓扑的重要度不能低于待接入负荷的重要度；最后，将匹配指标分别进行匹配，选取典型拓扑数据集中匹配度最高的网络拓扑确定为母线下的基本拓扑形式；
S302、根据步骤301所提的微电网系统的典型网络拓扑优化匹配原则，确定拓扑以及负荷的重要度匹配指标；
S303、根据步骤301所提的微电网系统的典型网络拓扑优化匹配原则以及步骤302确定的重要度匹配指标，确定微电网系统典型网络拓扑优化匹配模型的目标函数和相应的约束条件。
3.根据权利要求2所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，步骤S301中，网络拓扑成本的数学模型表示如下：
Figure FDA0002651979160000021
式中：NTopo代表数据集中的拓扑个数，Nbw代表第w个拓扑的支路数，近似代替第w个拓扑的网络成本，uw是0-1变量，当第w个拓扑被选中时，uw＝1，否则uw＝0；
要求各母线下待接入的各类电源满足，各电压等级下的电源总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，约束如下：
Figure FDA0002651979160000022
式中：Nnode代表各典型拓扑中的节点个数；
Figure FDA0002651979160000023
代表第w个拓扑中节点i上为y类电源的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；Ny代表y类电源的子类型个数；
Figure FDA0002651979160000024
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源个数，
Figure FDA0002651979160000025
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}，DG表示燃料型分布式电源，PV表示光伏电源，WT表示风电电源，BS表示能量型储能，SC表示功率型储能；
要求各母线下待接入拓扑的负荷满足，各电压等级下的总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，约束如下：
Figure FDA0002651979160000026
式中：
Figure FDA0002651979160000027
代表第w个拓扑中节点i上负荷的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；nload代表待接入的负荷个数；
Figure FDA0002651979160000028
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v代表电压等级；
根据重要度指标的定义，各类负荷只允许接入具有相同或更高重要度指标的拓扑中，约束如下：
Figure FDA0002651979160000031
式中：IMPw代表第w个拓扑的重要度指标，impx代表待接入的第x个负荷的重要度；
求解上述模型，初步确定各母线下的基本拓扑形式，每条母线下只允许得到一个匹配结果，母线下的拓扑馈线形式、节点及支路组成通过匹配的典型拓扑直接得到。
4.根据权利要求2所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，步骤S302具体为：
首先，每个典型网络拓扑定义一个拓扑重要度，表征典型网络拓扑的可靠程度，分为3个等级，等级越高，则网络拓扑重要度值就越大，表示网络拓扑的可靠程度越高；
其次，各类负荷有对应的负荷重要度，表征负荷的重要程度，同样分为3个等级，等级越高，则负荷的重要度数值越大，表示负荷需要接入可靠性更高的网络拓扑中；
再次，各类电源及储能元件不设置重要度指标；
最后，为保证重要负荷的正常运行，各类负荷只允许接入具有相同或更高重要度指标的拓扑中。
5.根据权利要求2所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，步骤S303中，模型的目标函数通过拓扑支路数近似反映网络拓扑成本，将拓扑成本的经济性最优作为匹配目标，电源容量匹配约束要求各母线下待接入的各类电源满足，各电压等级下的电源总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限，负荷容量匹配约束要求各母线下待接入拓扑的负荷满足，各电压等级下的总容量不超过实际拓扑预留的相应容量上限；
匹配以各母线下分布式电源及负荷的权重之和最小为规划目标，同时计及负荷缺额的惩罚项，其数学模型如下：
Figure FDA0002651979160000032
式中：
Figure FDA0002651979160000041
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，
Figure FDA0002651979160000042
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；
Figure FDA0002651979160000043
代表0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure FDA0002651979160000044
否则
Figure FDA0002651979160000045
Figure FDA0002651979160000046
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v表示电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}，DG表示燃料型分布式电源，PV表示光伏电源，WT表示风电电源，BS表示能量型储能，SC表示功率型储能；Nnode代表各典型拓扑中的节点个数；Ny代表y类电源的子类型个数；nload代表待接入的负荷个数，Ei,v为节点i的节点权重；
χ代表容量缺额的惩罚系数，Simb代表母线下的总容量的缺额，Simb如下所示：
Figure FDA0002651979160000047
式中：αz代表z类型的电源的利用系数，
Figure FDA0002651979160000048
为第i个节点上待连接的z类电源中子类型号为j的电源容量，定义电源的利用系数为负数；z∈{WT,PV,DG,BS}。
6.根据权利要求1所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，第二阶段包括以下步骤：
S401、分析给定网络拓扑下的微源多点布局启发式匹配原则；
S402、根据步骤401所提的启发式匹配原则，确定节点权重的定义；
S403、根据步骤401所提的启发式匹配原则以及步骤402确定的节点权重，确定给定网络拓扑下的微源多点布局启发式匹配模型的目标函数和相应的约束条件。
7.根据权利要求6所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，步骤S401具体为：
首先，多点布局的匹配目标为各母线下的分布式电源及负荷的权重之和最小，同时计及负荷缺额惩罚；
其次，每个电源和储能元件只能接入相应电压等级的节点；
其次，要求每条馈线上至少接入一个单位的分布式电源或储能元件，并至少接入一个负荷；
最后，要求网络布局方案中不能出现空节点。
8.根据权利要求6所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，步骤S402具体为：
首先，将与母线节点直接相连节点的权重数值定为1；
其次，规定距离母线越远，节点的权重数值越大；
再次，规定任意节点的权重数值为其相邻上游节点的权重数值的2倍；
最后，规定电源节点的权重数值为负，储能节点和负荷节点的权重数值为正。
9.根据权利要求6所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，步骤S403中，考虑的约束条件包括电源布局位置约束、负荷布局位置约束、电源接入数量约束、负荷接入数量约束、馈线布局约束和节点布局约束；
电源布局位置约束要求各电压等级下，各节点集成的同一类电源的容量之和不超过节点为风机/光伏/可控分布式电源/能量型储能元件电源预留的容量上限，约束如下：
Figure FDA0002651979160000051
式中：
Figure FDA0002651979160000052
代表节点i上y类电源的预留接入容量上限，上标v代表电压等级；
Figure FDA0002651979160000053
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，
Figure FDA0002651979160000054
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源容量，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}；
负荷接入数量约束要求各电压等级下，各节点集成的负荷容量不超过节点预留的负荷容量上限，约束如下：
Figure FDA0002651979160000055
式中：
Figure FDA0002651979160000056
代表节点i上预留的负荷接入容量上限，上标v代表电压等级；
Figure FDA0002651979160000057
代表一个0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure FDA0002651979160000061
否则
Figure FDA0002651979160000062
Figure FDA0002651979160000063
代表待接入的第x个负荷的容量，上标v代表电压等级；
电源接入数量约束要求各电压等级下，电源规划结果为各母线下规划的电源全部接入微电网中，约束如下：
Figure FDA0002651979160000064
式中：
Figure FDA0002651979160000065
代表待接入的y类电源中子类型号为j的电源个数；
Figure FDA0002651979160000066
代表第i个节点上连接的y类电源中子类型号为j的电源的个数，上标v代表电压等级；y∈{WT,PV,DG,BS,SC}；
负荷接入数量约束要求各电压等级下，各母线下的负荷也须全部接入微电网中，约束如下：
Figure FDA0002651979160000067
式中：
Figure FDA0002651979160000068
代表0-1变量，当第i个节点上连接第x个负荷时，
Figure FDA0002651979160000069
否则
Figure FDA00026519791600000610
节上标v代表电压等级；
馈线布局约束要求每条馈线上至少接入一台可控分布式电源/能量型储能元件，并至少接入一个负荷，约束如下：
Figure FDA00026519791600000611
Figure FDA00026519791600000612
约束针对每条馈线，且z∈{WT,PV,DG,BS}；
节点布局约束要求在网络布局方案中不能出现空节点，约束如下：
Figure FDA00026519791600000613
约束针对各个节点，y∈{WT,PV,DG,BS,SC}，DG表示燃料型分布式电源，PV表示光伏电源，WT表示风电电源，BS表示能量型储能，SC表示功率型储能；Nnode代表各典型拓扑中的节点个数；Ny代表y类电源的子类型个数；nload代表待接入的负荷个数；求解上述模型，得到各母线下规划的各类电源和负荷的网络布局方案。
10.根据权利要求1所述的基于典型拓扑匹配的微电网系统源-网协调规划方法，其特征在于，以馈线集成的方式构建一组用于微电网系统源-网协调规划的微电网系统典型拓扑数据集，在实际工程建设中通过查阅数据集形成园区电气接线参考方案，具体步骤如下：
S201、综合分析世界范围内多个微电网示范工程，将交流微电网系统的电压等级定为10kV和0.4kV两级，允许接入两个电压等级的微源和负荷，设计微电网系统以10kV为基础电压，在系统馈线节点上允许通过10kV/0.4kV的变压器集成0.4kV电压等级的微源和负荷；
S202、通过综合分析各微电网示范工程，对微电网系统的馈线结构分为单级及两级馈线结构、三级至四级馈线结构以及多级馈线结构，而后微电网系统的典型拓扑数据集由馈线结构通过模块集成的方式获得；
S203、将微电网的典型馈线结构作为基本单元进行模块化集成，形成多种微电网的典型拓扑，进而形成一组适应不同电压等级、不同系统规模的微电网网络规划需求的数据集，应用于在空白园区上进行微电网网络前期规划的实际工程中。
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Assignee: DAHANG YOUNENG ELECTRICAL CO.,LTD.

Assignor: XI'AN JIAOTONG University

Contract record no.: X2023980036202

Denomination of invention: A Source Network Coordination Planning Method for Microgrid Systems Based on Typical Topology Matching

Granted publication date: 20201110

License type: Common License

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