CN111435479A - 一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法 - Google Patents

一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，所述电力规划方法包括以下步骤：步骤1：数据搜集；搜集电力系统规划区域用户负荷数据并划分为网格，合并网格形成分层分区；步骤2：生成节点；参考分层分区数目、本地能源供给率η和区域储能容量配比ε生成规划所需节点；步骤3：生成特高压双环骨架，设计由内环向外辐射的特高压双环骨架作为规划初始层；步骤4：各层各分区连接成环，各分区中输配电节点连接成环；步骤5：局域发电设备联网，根据供电等级需求将局域发电设备连接入网络；步骤6：局域储能中心联网，根据备用需求将局域储能中心连接入网。

Description

一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法
技术领域
本发明属于电力系统规划技术领域，尤其涉及能源互联网趋势下的高可靠性、高清洁能源兼容性电力系统拓展规划方法。
背景技术
能源互联网被认为是解决电力系统清洁能源兼容和深度高效控制的未来电力系统发展方向，能源互联网“区域自治，分层调控”的结构特点也得到了越来越多专家学者认可。如何考虑电力系统建设的连续性和经济性，依托现有电网结构按照能源互联网特征进行电力系统规划，使得电网规划建设逐渐向能源互联网方向演化具有很好的实践意义和经济价值。
我国传统的电力系统网架规划拓展结构方案主要有以下几种：1)三机接线规划，此种结构系统联络线之间具有相互影响，当一条重载联络线因故障断开，可能导致另一条联络线运行方式的危险变化；2)链形接线规划，此种结构系统的运行方式对故障时联络线的影响很大，可能会发生功角稳定、电压稳定和频率稳定问题，也可能会发生由于接线中的个别环节危险过载，使事故扩大；3)放射性结构规划，在此种结构中，当功率缺额时，它能切除部分负荷，而在功率余额时，又能降低发电功率，可保证任一放射型联络线上不发生过负荷，但对中心节点要求较高；4)环形接线规划，此种接线的特点是运行方式的多样性，任一环节断开，不仅会引起环内各环节输送功率的大小变化，而且其方向也变化，整个环网的总运行方式由它的“危险断面”所决定，会导致另一断面的功率危险增大；5)多回路系统规划，此种接线结构是电网最终的较为理想的结构方式，该结构可以在多种故障下，保持系统的稳定性，但是建设经济性较低。
从国际上来看，巴黎电网的“三环放射性”结构、新加坡电网的“梅花型”接线结构以及东京电网的“手拉手”结构是较为独特的可靠性保证较高的电网规划结构。但面向能源互联网“分层调控、区域自治”等特征，需要加入更多的信息节点设备、储能节点设备等，需要更加可靠、兼容的网架结构规划方法。
综上所述，迫切需要一种能够既能够面向未来能源互联网方向，又能兼容目前电网架构的电力系统规划扩展方法。
发明内容
本发明从目前电网架构出发，考虑能源互联网特征，提出了基于现有电网结构，分层分区向能源互联网方向进行电网拓扑结构规划，建立“分层自治、层内分区、区内成环、环间互联”的分层环网自治(Hierarchical Ring Network Autonomy，HRNA)电力系统网架规划结构。
本发明公开了一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，所述电力系统规划方法包括以下步骤：
步骤1：设定电网各层级及分区相关参数；
步骤2：在规划区域外环和内环规划特高压输电线路落地节点，由外环向内环辐射连接，外环节点数为Nouter，内环节点数为Ninner，原则上Nouter≥Ninner；设置内层节点数Ninner等于下层l＝2时分区数目，也即P2＝Ninner；节点间无向边为e(ni,nj)＝1，边的数目大于3(Nouter+Ninner)/2，且所有边满足以下条件：
(1)当ni,nj∈Nouter时，Σe(ni,nj)＝Nouter且Count(ni)＝Count(nj)＝2Nouter；
(2)当ni,nj∈Ninner时，∑e(ni,nj)＝Ninner且Count(ni)＝Count(nj)＝2Ninner；
(3)Count(ni)≥3且Count(nj)≥3；
步骤3：按照“层内分区、区内成环”的原则将每层各区的节点连接成环，根据自上而下的分区过程，l层分区数目等于l-1层节点总数，也即Pl＝Nl-1；则将第l层p个分区的所有节点集合Nlp连接成p个环共有PNlp条边，满足以下条件：
Figure BDA0001942678960000021
其中，Nlp为第l层p个分区的所有节点集合，PNlp为所有节点连接成p个环共有边数；
步骤4：根据节点所在地区的供电等级划分，选择组网模式将各环节点与上级骨干节点或同层其他分区环上节点连接；
步骤5：按照各层骨干网节点数生成局域发电设备(Local Power GenerationEquipment)节点集合NLPGE/l，第i(i>1)层局域发电设备节点数为
NLPGE/l＝i＝ηNi
其中，η为地区能源本地供给率；
设置每个分区环网与能源设备的连接路数r＝1、2、3、4等，生成新边，将局域发电设备与各层骨干节点分布连接，按以下条件生成新边：
Figure BDA0001942678960000031
其中，rPl为第l层新生成骨干节点连接局域发电设备的边数；
步骤6：根据各层骨干网络节点数生成局域储能中心(Local Energy StorageCenter)节点集合NLESC/l，第i(i>1)层局域储能中心节点数为
NLESC/l＝i＝εNi
其中，ε为区域储能容量配比；
设置每个储能中心连接骨干节点的路数t＝1、2、3、4、5、6等，对第l层骨干节点nij与该层局域储能中心之间按照节点供电等级生成新边进行连接。
优选地，步骤1设定的相关参数具体包括：
(1)网格化划分过程中对研究区域的层级划分(Partition level)共有Ltotal级；
(2)分区过程中层i的分区数目(Partitions Number)为Pi；
(3)0第i层的节点数目为Ni；
(4)第i层中第j分区的节点数目(Nodes Number)为PNij。
优选地，步骤4包含如下步骤：
步骤4.1：若aij＝A+，则生成边e(nij,nl-1,p)、e(nij,nl-1,*)和e(nij,nl,#)，其中
Figure BDA0001942678960000032
Figure BDA0001942678960000041
步骤4.2：若aij＝A，则生成边e(nij,nl-1,p)、e(nij,n**)和e(nij,n##)，其中
Figure BDA0001942678960000042
步骤4.3：若aij＝B，则生成边e(nij,nl-1,p)、e(nij,n**)，其中
Figure BDA0001942678960000043
步骤4.4：若aij＝C，则生成边e(nij,nl-1,p)；
步骤4.5：若aij＝D，则不生成新边。
其中，nij为第l层第p分区节点集合Nlp中的任一节点，aij为节点所在区域供电等级。
优选地，对于第l层集合Nl中的任一节点nij，其所在区域供电等级为aij，∑e(nLESC/l,nij)＝t，步骤6具体包括如下步骤：
步骤6.1：如果nij.aij＝A+且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，进入(2)；否则连接完成；
步骤6.2：如果nij.aij＝A且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，进入(3)；否则连接完成；
步骤6.3：如果nij.aij＝B且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，进入(4)；否则连接完成；
步骤6.4：如果nij.aij＝C且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，进入(5)；否则连接完成；
步骤6.5：如果nij.aij＝D且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，结束连接。
本发明公开的“分层自治、层内分区、区内成环、环间互联”的分层环网自治(Hierarchical Ring Network Autonomy，HRNA)电力系统网架规划，将在电力系统建设规划中产生以下效果：1)将该电力系统规划结构方法用于指导电力系统的规划建设，将与未来能源互联网架构兼容，能够提升电网建设的经济性和持续性；2)本发明提出的能源互联网网架规划方法能够很好地保证电网结构的可靠性，对于提升电网供电水平有指导作用；3)本发明提出的方法对于能源互联网复杂网络结构的学术研究提供了仿真基础。
附图说明
图1是本发明的电力系统规划方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。
按照本发明提出的分层环网规划方法，对北京市电力系统进行规划，使其拓展过程更符合能源互联网发展方向，网架结构更加坚强。主要步骤如下：
步骤1.数据搜集
搜集北京市供电台区负荷和分区数据支撑本发明规划方法的实现。主要搜集数据种类有以下四类：
a)供电区域内各地块的用地性质、控制规划和用电主体；
b)各用电主体的负荷类型、历史用电记录和负荷特征；
c)与各用电主体相关的配网设备数据和网架结构数据；
d)用电主体分布式能源发展条件和用电结构变化趋势。
具体数据如下表所示：
Figure BDA0001942678960000051
Figure BDA0001942678960000061
步骤2.划分网格分区
网格划分合并原则：
1)规划的微网元胞网格应具有唯一的负荷用电性质；
2)元胞网格在空间上应具有较为明确的空间界线划分；
3)微网元胞网格不能跨配电台区组合，保证电网建设的延续性；
4)在上述原则下保证元胞网格颗粒度的最大化。
5)以规划配电台区为基础，考虑建设持续性；
6)考虑组网区域自治网络用电结构互补性，形成自治分区；
7)用电结构相似、空间位置相邻的分区共性合并，便于集中调控。
遵循以上原则将步骤1中数据划分为不同层次网格gi并合并形成各层分区slq：
gi(pi,vi,li,mi,di,ai)
其中，pi为元胞网格用电性质，vi为电压等级，li为用户重要等级，mi为可采用微网模式，di为负荷密度，di为分区可靠性级别；
slq(l,q,nlq,sl,adjacent,sl-1,root)
其中，l为层级排序，q为分区排序，nlq为分区节点数，sl,adjacent为本层相邻分区，sl-1,root上层父分区。
其中网格gi共有44016个，不同层次分区分别有9、126和556个。
步骤3.电力系统节点生成
参照网格和分区数目，采用参数“本地能源供给率η”和“区域储能容量配比ε”，生成电力系统节点，如下表所示。
Figure BDA0001942678960000071
步骤4.网架规划分析
考虑未来电网建设的持续性和能源互联网建设的经济性，北京市能源互联网主干结构演化构建过程应充分依靠现有供电网架，在现有500KV、220KV和110KV供电网架结构基础上进一步演化。
根据构建演化模型思路，将500KV网架结构演化为拥有一定比例“源”、“储”节点，以及特高压远距离输电节点的能源互联网双环骨架；在220KV网架结构基础上，合理添加节点，按一定比例设计“源”、“储”节点，并构建相互连接环网，构建区域级别能源互联网架构；在110KV网架结构基础上，参考《北京电网中长期发展规划》添加节点，考虑本级别用于协调平衡“源”、“储”节点，构建局域网级别能源互联网网络。得到规划网络主要特点和目前电力网络对比如下表所示。
Figure BDA0001942678960000072
Figure BDA0001942678960000081
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，其特征在于，所述电力系统规划方法包括以下步骤：
步骤1：设定电网各层级及分区相关参数；
步骤2：按照“层内分区、区内成环”的原则，生成特高压双环骨架；
步骤3：网架各层各分区连接成环；
步骤4：根据节点所在地区的供电等级划分，选择组网模式将各环节点与上级骨干节点或同层其他分区环上节点连接；
步骤5：将局域发电设备连接入网；
步骤6：将已生成的网架与局域储能中心互联。
2.根据权利要求1所述的一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，其特征在于：所述步骤1中设定了适用于步骤2到步骤6所使用的相关参数，包括：
网格化划分过程中对研究区域的层级划分共有Ltotal级；
分区过程中层i的分区数目为Pi；
第i层的节点数目为Ni；
第i层中第j分区的节点数目为PNij。
3.根据权利要求1所述的一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，其特征在于：所述步骤2中特高压双环骨架生成方法为：
在规划区域外环和内环规划特高压输电线路落地节点，由外环向内环辐射连接，设置内层节点数Ninner等于下层l＝2时分区数目，也即P2＝Ninner，节点间无向边为e(ni,nj)＝1，边的数目大于3(Nouter+Ninner)/2，且所有边满足以下条件：
当ni,nj∈Nouter时，∑e(ni,nj)＝Nouter且Count(ni)＝Count(nj)＝2Nouter；
当ni,nj∈Ninner时，∑e(ni,nj)＝Ninner且Count(ni)＝Count(nj)＝2Ninner；
Count(ni)≥3且Count(nj)≥3；
其中，Nouter为外环节点数，Ninner为内环节点数，且Nouter≥Ninner。
4.根据权利要求1所述的一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，其特征在于：所述步骤3中各层各分区连接成环方法为：
根据自上而下的分区过程，l层分区数目等于l-1层节点总数，也即Pl＝Nl-1，则按照如下条件生成所需的边：
Figure FDA0001942678950000021
其中，Nlp为第l层p个分区的所有节点集合，PNlp为所有节点连接成p个环共有边数。
5.根据权利要求1所述的一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，其特征在于：所述步骤4中骨干节点互连步骤为：
步骤4.1：若aij＝A+，则生成边e(nij,nl-1,p)、e(nij,nl-1,*)和e(nij,nl,#)，其中
Figure FDA0001942678950000022
Figure FDA0001942678950000023
步骤4.2：若aij＝A，则生成边e(nij,nl-1,p)、e(nij,n**)和e(nij,n##)，其中
Figure FDA0001942678950000024
步骤4.3：若aij＝B，则生成边e(nij,nl-1,p)、e(nij,n**)，其中
Figure FDA0001942678950000025
步骤4.4：若aij＝C，则生成边e(nij,nl-1,p)；
步骤4.5：若aij＝D，则不生成新边；
其中，nij为第l层第p分区节点集合Nlp中的任一节点，aij为节点所在区域供电等级。
6.根据权利要求1所述的一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，其特征在于：所述步骤5中局部设备连接入网的步骤为：
步骤5.1：按照各层骨干网节点数生成局域发电设备(Local Power GenerationEquipment)节点集合NLPGE/l，第i(i>1)层局域发电设备节点数为NLPGE/l＝i，则有
NLPGE/l＝i＝ηNi
其中，η为地区能源本地供给率；
步骤5.2：设置每个分区环网与能源设备的连接路数r＝1、2、3、4等，生成新边，将局域发电设备与各层骨干节点分布连接，则生成新边满足以下条件：
Figure FDA0001942678950000031
其中，rPl为第l层新生成骨干节点连接局域发电设备的边数。
7.根据权利要求1所述的一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，其特征在于：所述步骤6中与局域储能中心互联的步骤为：
步骤6.1：根据各层骨干网络节点数生成局域储能中心(Local Energy StorageCenter)节点集合NLESC/l，第i(i>1)层局域储能中心节点数为NLESC/l＝i，则有
NLESC/l＝i＝εNi
其中，ε为区域储能容量配比；
步骤6.2：设置每个储能中心连接骨干节点的路数t＝1、2、3、4、5、6等，对第l层骨干节点nij与该层局域储能中心之间按照节点供电等级生成新边。
8.根据权利要求7所述的一种面向能源互联网的电力系统分层环网规划方法，其特征在于：所述步骤6.2中按照节点供电等级生成新边的步骤为：
步骤6.2.1：如果nij.aij＝A+且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，进入(2)；否则连接完成；
步骤6.2.2：如果nij.aij＝A且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，进入(3)；否则连接完成；
步骤6.2.3：如果nij.aij＝B且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，进入(4)；否则连接完成；
步骤6.2.4：如果nij.aij＝C且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，进入(5)；否则连接完成；
步骤6.2.5：如果nij.aij＝D且t≤εPl，则e(nLESC/l,nij)＝1，结束连接；
其中，nij为第l层集合Nl中的任一节点，aij为节点所在区域供电等级且Σe(nLESC/l,nij)＝t。
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