CN110414836A - 考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法：统计待规划区域内的目标年常规电负荷的负荷值，确定待规划区域在目标年用电负荷总量；确定新建变电站个数及所有新建变电站容量组合的若干个方案；确定各新建变电站的初始站址；得到各个变电站新的供电范围；得到新建变电站容量组合方案中的第一个方案下变电站规划的最终结果，并计算所需投入的最低费用；判断是否已经遍历所有新建变电站容量组合方案，如果已经全部遍历，把新建变电站容量组合方案中对应最低费用的那个方案下的变电站规划结果作为该规划区域最终的变电站规划结果。本发明实现变电站规划方案中经济性与可靠性的有效协调，促进配电网建设结构与规划技术的合理发展。

Description

考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法

技术领域

本发明涉及一种配电网变电站的规划方法。特别是涉及一种考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法。

背景技术

针对日益严重的能源危机和环境污染问题，世界各国均在积极寻求清洁能源的发展，随之而来的是大量综合能源站接入配电网，而当前电网和天然气网等传统能源供应网络的管理和运营相对独立，综合能源站用电需求的不确定性必然会对配电网规划造成重大影响。作为配电网规划的重要组成部分，变电站规划包括选址、定容以及供电范围划分，其结果直接影响未来配电网结构、供电可靠性和运行经济性。因此，如何将综合能源站用电需求不确定性考虑进配电网变电站优化规划中显得尤为重要。

目前，国内外传统变电站规划理论已经相当成熟。例如，一类文献运用传统Voronoi图算法求解变电站规划问题，解决了分布式电源出力不确定性对变电站规划的影响，但没有考虑负荷特性对DG置信容量影响；另一类文献考虑不同负荷特性对DG置信容量可靠性评估的影响，并且提出了改进加权Voronoi图算法对变电站优化规划问题进行求解，提高了运算速度，但没有考虑负荷的不确定性问题对变电站规划的影响；还有一类文献提出了运用机会约束规划方法解决输电网规划中的负荷不确定性问题，但未指出变电站规划中为应对负荷不确定性的解决方案。

然而，随着大量综合能源站接入配电网，综合能源站实质就是通过向配电网购买电能或者向天然气公司购买天然气来使内部多种能源设备的协调运行，从而响应用户的冷、热、电负荷的需求，并且当前电网和天然气网等传统能源供应网络的管理和运营相对独立，综合能源站在满足用户的冷、热、电负荷需求下向配电网购电需求的存在一定的不确定性，这必然会对配电网规划中的变电站规划工作造成重大影响，而变电站规划正是基于负荷预测进行的，综合能源站用电需求的不确定性进而会对变电站选址、定容及供电范围的过程产生影响，因而，研究考虑综合能源站用电需求的不确定性进行变电站规划方的法，可以有效适应综合能源站接入与综合能源站用电需求不确定性带来的变化，为配电网精益化规划提供科学的技术手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现变电站规划方案中经济性与可靠性有效协调的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，包括如下步骤：

1)统计待规划区域内的目标年常规电负荷的负荷值，预先设置置信水平为α，并基于综合能源站用电需求的概率密度函数，确定各综合能源站的用电量，进而确定待规划区域在目标年用电负荷总量；

2)分别根据目标年用电负荷总量、规划区域是否存在已有变电站以及规划区域待选站容量类型，确定新建变电站个数及所有新建变电站容量组合的若干个方案；

3)针对新建变电站容量组合方案中的第一个方案，采用传统Voronoi图算法划分所有变电站供电范围，确定各新建变电站的初始站址；

4)根据所有变电站中各变电站供电范围内负荷点的负荷值之和，计算各个变电站的权重值，进而采用层次性改进的加权Voronoi图算法进行供电范围划分，得到各个变电站新的供电范围；

5)以负荷矩最小为原则优化变电站站址，返回步骤4)，直至各变电站站址移动距离及各变电站容量比满足设定的精度要求为止，得到新建变电站容量组合方案中的第一个方案下变电站规划的最终结果，并计算所需投入的最低费用；

6)针对新建变电站容量组合方案中的下一个方案，判断是否已经遍历所有新建变电站容量组合方案，如果没有全部遍历，返回步骤3)；如果已经全部遍历，比较所有新建变电站容量组合方案下，变电站规划所需投入的最低费用，把新建变电站容量组合方案中对应最低费用的那个方案下的变电站规划结果作为该规划区域最终的变电站规划结果。

本发明的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，能够考虑综合能源站向配电网购电需求的不确定性对变电站规划的影响，并为满足待规划区域内的冷、热、电负荷需求，以各变电站的带负荷能力为约束条件，允许所形成的规划方案在某些比较极端的情况下不满足变电站带负荷能力约束。本发明能够实现变电站规划方案中经济性与可靠性的有效协调，进一步提高变电站规划方案的经济性，并促进配电网建设结构与规划技术的合理发展。

附图说明

图1是本发明考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法做出详细说明。

如图1所示，本发明考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，包括如下步骤：

1)统计待规划区域内的目标年常规电负荷的负荷值，预先设置置信水平为α，并基于综合能源站用电需求的概率密度函数，确定各综合能源站的用电量，进而确定待规划区域在目标年用电负荷总量；

所述的概率密度函数，是综合能源站在满足用户的冷、热、电负荷情况下的用电需求区间服从均值μ＝0，标准差为σ的正态分布的条件下，表示为：

式中：P为综合能源站的用电需求；f(P)为综合能源站用电需求的概率密度函数。

2)分别根据目标年用电负荷总量、规划区域是否存在已有变电站以及规划区域待选站容量类型，确定新建变电站个数及所有新建变电站容量组合的若干个方案；

3)针对新建变电站容量组合方案中的第一个方案，采用传统Voronoi图算法划分所有变电站供电范围，所述的所有变电站包括已有变电站和新建变电站。确定各新建变电站的初始站址；

4)根据所有变电站中各变电站供电范围内负荷点的负荷值之和，计算各个变电站的权重值，进而采用层次性改进的加权Voronoi图算法进行供电范围划分，得到各个变电站新的供电范围；

所述的层次性改进的加权Voronoi图算法是在传统Voronoi算法的基础上对变电站权重的计算进行了改进。具体的权重改进过程分三步进行，每一步仅对距离限制以内的点进行变电站供电范围划分，进而计算变电站的权重。

所述的采用层次性改进的加权Voronoi图算法进行供电范围划分，公式如下：

V(i，η_i)＝{τ∈V(i，η_i)|η_id(τ，η_i)≤η_jd(τ，η_j)} (2)

式中，V(i，η_i)表示变电站i的供电范围；τ表示规划区域内的任意一负荷点；η_id(τ，η_i)、η_jd(τ，η_j)分别表示规划区域内负荷点τ到变电站i和变电站j加权距离；η_i、η_j分别表示变电站i和变电站j的权重。

所述的变电站i的权重η_i是通过如下层次性改进的加权Voronoi图算法中变电站i的权重η_i公式获得：

式中，θ₁、θ₂表示距离限制比例；η_i(m，k)表示变电站i在第m次迭代中第k步划分的权重；P_i(m，k)表示变电站i第m次迭代第k步划分后所带的负荷量；S_i表示变电站i的容量。变电站j的权重η_j的获得过程同变电站i。

5)变电站概率规划问题可以描述为：在规划目标年负荷分布已知的条件下，为满足待规划区域内的负荷需求，以各变电站的带负荷能力为约束条件，允许所形成的规划方案在某些比较极端的情况下不满足变电站带负荷能力约束，但这种情况发生的概率必须小于某一置信水平，以变电站的年投资及运行费用、低压侧线路的年投资及网络损耗费用以及需求响应年费用三者之和最小为目标，来确定新建变电站的个数、容量、位置以及变电站的供电范围。

所以，本发明是以负荷矩最小为原则优化变电站站址，返回步骤4)，直至各变电站站址移动距离及各变电站容量比满足设定的精度要求为止，得到新建变电站容量组合方案中的第一个方案下变电站规划的最终结果，并计算所需投入的最低费用；

所述的计算所需投入的最低费用minC是采用如下公式：

式中：C_Station表示折算到每年的变电站投资及维修年费用；C_Feeder表示折算到每年的低压侧线路投资费用；C_Ws表示低压侧线路的年网损费用；p{·}表示{·}中事件成立的概率；α为给定的约束条件的置信水平；J_i、S_i、P_τ分别表示第i个变电站的负荷集合、第i个变电站的容量、第τ个负荷点的有功功率；l(i,τ)表示变电站i与所供负荷点τ间的直线距离；N₁表示新建变电站的个数；e_i表示第i个变电站的负载率；表示功率因素；R_i表示变电站i在该变电站i容量及供电范围内负荷密度共同限制下的最大供电半径。

上述各部分费用的具体表达式如下：

式中：f(S_i)表示第i个新建变电站的投资费用；ν(S_i)表示第i个新建变电站的年运行费用；N₂表示已有变电站和新建变电站的个数；S_i表示第i个变电站的容量；M₁、M₂分别表示为变电站折旧年限和变电站低压侧线路的折旧年限；ζ表示单位长度线路的投资费用；r₀表示贴现率；γ表示线路的网损折算系数，其具体表达式如下：

式中：H₁表示低压侧线路单位长度电阻；H₂表示规划地区的电价；H₃表示低压侧线路的年损耗小时数；U表示低压侧线路的电压；表示功率因素。

对于式(4)中的概率约束，对于任意给定的变电站容量Si，采用如下的方法检验概率约束是否成立：对于变电站i供电范围内的综合能源站负荷点，从综合能源站用电需求的概率密度函数f(P)中产生q个独立的随机变量a₁，a₂，···，a_q；设q^c是q次实验中使成立的次数；根据大数定律知识可知，可用q^c/q值估计机会约束成立的概率，即式(4)中的概率约束成立时，需要满足的条件是q^c/q的值大于等于给定的约束条件的置信水平α。

6)针对新建变电站容量组合方案中的下一个方案，判断是否已经遍历所有新建变电站容量组合方案，如果没有全部遍历，返回步骤3)；如果已经全部遍历，比较所有新建变电站容量组合方案下，变电站规划所需投入的最低费用，把新建变电站容量组合方案中对应最低费用的那个方案下的变电站规划结果作为该规划区域最终的变电站规划结果。

Claims (7)

1.一种考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)统计待规划区域内的目标年常规电负荷的负荷值，预先设置置信水平为α，并基于综合能源站用电需求的概率密度函数，确定各综合能源站的用电量，进而确定待规划区域在目标年用电负荷总量；

2)分别根据目标年用电负荷总量、规划区域是否存在已有变电站以及规划区域待选站容量类型，确定新建变电站个数及所有新建变电站容量组合的若干个方案；

3)针对新建变电站容量组合方案中的第一个方案，采用传统Voronoi图算法划分所有变电站供电范围，确定各新建变电站的初始站址；

4)根据所有变电站中各变电站供电范围内负荷点的负荷值之和，计算各个变电站的权重值，进而采用层次性改进的加权Voronoi图算法进行供电范围划分，得到各个变电站新的供电范围；

5)以负荷矩最小为原则优化变电站站址，返回步骤4)，直至各变电站站址移动距离及各变电站容量比满足设定的精度要求为止，得到新建变电站容量组合方案中的第一个方案下变电站规划的最终结果，并计算所需投入的最低费用；

6)针对新建变电站容量组合方案中的下一个方案，判断是否已经遍历所有新建变电站容量组合方案，如果没有全部遍历，返回步骤3)；如果已经全部遍历，比较所有新建变电站容量组合方案下，变电站规划所需投入的最低费用，把新建变电站容量组合方案中对应最低费用的那个方案下的变电站规划结果作为该规划区域最终的变电站规划结果。

2.根据权利要求1所述的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，其特征在于，步骤1)所述的概率密度函数，是综合能源站在满足用户的冷、热、电负荷情况下的用电需求区间服从均值μ＝0，标准差为σ的正态分布的条件下，表示为：

式中：P为综合能源站的用电需求；f(P)为综合能源站用电需求的概率密度函数。

3.根据权利要求1所述的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，其特征在于，步骤3)所述的所有变电站包括已有变电站和新建变电站。

4.根据权利要求1所述的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，其特征在于，步骤4)所述的采用层次性改进的加权Voronoi图算法进行供电范围划分，公式如下：

V(i，η_i)＝{τ∈V(i，η_i)|η_id(τ，η_i)≤η_jd(τ，η_j)} (2)

式中，V(i，η_i)表示变电站i的供电范围；τ表示规划区域内的任意一负荷点；η_id(τ，η_i)、η_jd(τ，η_j)分别表示规划区域内负荷点τ到变电站i和变电站j加权距离；η_i、η_j分别表示变电站i和变电站j的权重。

5.根据权利要求4所述的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，其特征在于，所述的变电站i的权重η_i是通过下式获得：

式中，θ₁、θ₂表示距离限制比例；η_i(m，k)表示变电站i在第m次迭代中第k步划分的权重；P_i(m，k)表示变电站i第m次迭代第k步划分后所带的负荷量；S_i表示变电站i的容量。

6.根据权利要求1所述的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，其特征在于，步骤5)所述的计算所需投入的最低费用minC是采用如下公式：

式中：C_Station表示折算到每年的变电站投资及维修年费用；C_Feeder表示折算到每年的低压侧线路投资费用；C_Ws表示低压侧线路的年网损费用；p{·}表示{·}中事件成立的概率；α为给定的约束条件的置信水平；J_i、S_i、P_τ分别表示第i个变电站的负荷集合、第i个变电站的容量、第τ个负荷点的有功功率；l(i,τ)表示变电站i与所供负荷点τ间的直线距离；N₁表示新建变电站的个数；e_i表示第i个变电站的负载率；表示功率因素；R_i表示变电站i在该变电站i容量及供电范围内负荷密度共同限制下的最大供电半径。

7.根据权利要求6所述的考虑综合能源站用电需求不确定性的变电站概率规划方法，其特征在于，各部分费用的具体表达式如下：

式中：f(S_i)表示第i个新建变电站的投资费用；ν(S_i)表示第i个新建变电站的年运行费用；N₂表示已有变电站和新建变电站的个数；S_i表示第i个变电站的容量；M₁、M₂分别表示为变电站折旧年限和变电站低压侧线路的折旧年限；ζ表示单位长度线路的投资费用；r₀表示贴现率；γ表示线路的网损折算系数，其具体表达式如下：

式中：H₁表示低压侧线路单位长度电阻；H₂表示规划地区的电价；H₃表示低压侧线路的年损耗小时数；U表示低压侧线路的电压；表示功率因素。