CN112417640B - 一种含储能的馈线可开放容量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含储能的馈线可开放容量评估方法，考虑不同类型用户负荷峰值的负荷时序特性，包括以下步骤：根据历史数据进行负荷分类，获取典型负荷时序特性；计算含储能的可开放容量安全边界模型的约束条件，构建含储能馈线的可开放容量安全边界模型；计算含储能馈线的可开放容量。本发明的有益效果为：突破了原有的仅以配网峰值负荷来进行N‑1校验并计算供电能力的固有模式，考虑区分已有用户和新接用户的负荷时序特性，引入馈线可开放容量的概念，不仅可以在全网负荷峰值时刻满足N‑1校验，还可以确保在一天中任意时刻新接入用户用电量相对于所属馈线容量均不过载，有利于指导实际工程应用。

Description

一种含储能的馈线可开放容量评估方法

技术领域

本发明涉及中压配电网馈线可开放容量评估领域，具体涉及一种含储能的馈线可开放容量评估方法。

背景技术

中压配网可开放容量计算需要在配网尖峰负荷时刻刚性满足N-1校验，然而城市电力负荷复杂多样，不同类型的用户日负荷曲线存在较大差异，负荷峰值出现的时间不同。因此，全网尖峰负荷时刻各馈线或馈线段往往没有达到自身的负荷峰值，单纯的以全网尖峰负荷去计算馈线可开放容量，很有可能出现面向某一业扩需求时，该馈线会出现过载现象。并且由于不同类型用户负荷峰值出现时间不同，因此有必要分析各类型用户负荷特点及用电习惯，使得在计算馈线剩余供电能力时不仅要求在全网负荷峰值时刻满足N-1校验，还要确保在一天中任意时刻新接入用户用电量相对于所属馈线容量均不过载。

如中国专利CN108462210B，公告日2020.01.17，公开了一种基于数据挖掘的光伏可开放容量计算方法，技术要点为：建立电网最大光伏可开放容量能力，在系统达到电网最大光伏可开放容量的基础上，建立主变和线路负载率均衡模型，使各主变负载和线路负载率能够达到均衡分配，实现潮流在电网的均衡分配。该发明解决了通过容载比法或线路输电能力分析计算各电压等级所对应的可开放容量，但是在考虑上还不够合理，容易产生较大的偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：传统的剩余供电能力模型仅以全网峰值时刻负荷进行N-1安全约束，难以同时兼顾负荷高峰时刻全网N-1准则又细致计及大规模电池储能系统和不同类型用户负荷高峰时刻差异，且面向新用户接入时部分馈线出现过载现象的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

一种含储能的馈线可开放容量评估方法，其特征在于，考虑不同类型用户的负荷时序特性，包括以下步骤：

A，根据历史数据进行负荷分类，获取典型负荷时序特性；

B，计算含储能的可开放容量安全边界模型的约束条件，构建含储能馈线的可开放容量安全边界模型；

C，计算含储能的馈线可开放容量。

作为优选，步骤A中根据历史数据进行负荷分类，获取典型负荷时序特性的方法包括：

A1.将历史负荷数据进行归一化处理，归一化后的数据用数据集P表示，使用聚类算法将数据集P分为J类，获得每种类型的聚类中心C_j，其中j＝1,2,...,J。

A2.建立以样本数据P_n与对应数据类心C_j的欧式距离最小的目标函数：

其中，历史数据中任一样本数据P_n,对第j个聚类中心C_j的隶属度V_nj应满足：

A3.计算典型负荷的时序特性。

通过聚类算法将中压配网历史负荷数据进行负荷分类，建立以样本数据P_n与对应数据类心C_j的欧式距离最小的目标函数以更新隶属度矩阵。

作为优选，步骤A3中获得典型负荷的时序特性的方法包括：选择最大隶属度样本的负荷数据作为类型j的典型负荷的时序特性，构成数组Q_j：

Q_j,j∈[1,J]＝[P₁,P₂,P₃,…,P_J]^T，

其中P_j＝[p_j1,p_j2,p_j3,…,p_j24]。

将典型负荷的时序特性数组Q_j通过最大化处理，使Q_j中数据分布在0～1之间，用数据集A_j表示：

其中，A_j为J种负荷类型的时序特性数组。

通过更新样本数据隶属度矩阵至样本数据与负荷类心之间的欧式距离最小，提取各类类型斌进行最大化处理，处理结果作为典型负荷时序特性作为J种负荷类型的时序特性数组。

作为优选，步骤B中含储能的可开放容量安全边界模型的约束条件包括系统最大容量约束、储能的出力运行约束和馈线及主变的容量约束。

在原剩余供电能力模型的基础上引入储能出力约束和储能充放电作用对馈线和主变压器的影响约束，大规模电池储能系统的可开放容量安全边界计算模型。

作为优选，储能的出力运行约束条件的计算方法包括：构建储能出力模型：

电池储能系统的剩余容量E_e,t在时间间隔Δt内的变化过程为：

其中，η_c、η_dc分别为电池储能系统充放电效率，分别为电池储能系统e在t时刻的充放电功率，Δt表示储能充放电的单位时间。

电池储能系统e在t时刻的剩余容量约束在储能的最大最小容量安全裕度之间：

E_e,min≤E_e,t≤E_e,max。

充放电功率在电池储能系统充放功率的最大值之内：

其中，E_e,min、E_e,max分别为电池储能系统e的最小安全容量和最大安全容量；分别是电池储能系统充放功率的最大值，/>是一个二进制指示器，1表示充电状态。

通过对电池储能系统e在t时刻的剩余容量的约束，充放电功率在电池储能系统充放功率的最大值之内的约束，优化剩余供电能力模型。为了避免储能系统同时进行充放电动作，引入二进制指示器

作为优选，馈线及主变的容量约束条件的计算方法包括：电池储能系统接入后，馈线和其主变压器的实时净容量表示为：

其中，RF_mn、R_in分别为馈线和主变压器的实时净容量，分别为馈线和主变压器的额定容量，E_e,t|_t＝maxn为电池储能系统在负荷峰值最大时刻t的荷电状态。

对储能出力模型进行降维处理，在原有24小时负荷数据的基础上累加电池储能系统在一天中的充放功率：

取峰值时刻的负荷值，将二维数组变为一维数组：

其中，t＝1,2,…,24,S_e为电池储能系统e在一天内的充放电功率变化量数组，S_mn为直接网络负荷，S_jn为间接网络负荷，S_kn为故障后间接联络负荷，和/>为是带对应带有时间序列的输入数据负荷数组；e∈Ω_m表示位于馈线n直接联络负荷区域的电池储能系统e；e∈Ω_j表示位于馈线n间接联络负荷区域的电池储能系统e、e∈Ω_k表示位于馈线n故障后间接联络负荷区域的电池储能系统e。

由于储能系统充放电的时序特性与可开放容量的求解过程在时间维度上不一致，对于可开放容量安全边界模型中的负荷数据，考虑了储能充放电功率优化之后，于负荷峰值时刻截取时间断面，达到了对储能在时间尺度上做降维处理的作用。

作为优选，步骤C中构建含储能的可开放容量安全边界模型的方法包括：以各馈线的负荷增值最大为目标函数，列写可开放容量的安全边界模型为：

剩余供电能力模型是配电网在满足N-1安全准则条件下，配电网各元件在当前负荷水平下的供电潜力计算，N-1准则的安全评估需要电网在尖峰负荷时刻刚性满足N-1校验。通过对含储能的可开放容量安全边界模型进行储能的出力运行约束和储能充放电作用对馈线和主变的容量及负荷的影响，对传统剩余供电能力模型进行优化。

作为优选，步骤C中计算含储能馈线的可开放容量的方法包括：C1.将已知接入用户的典型负荷分为J类，根据已知接入用户的典型负荷时序特性集A_j，取类型j负荷值最大时刻t_j；根据配网历史负荷数据比较全网负荷值，记全网尖峰负荷时刻为t_net，其中j∈[1,J]。

C2.取全网各馈线在类型j接入用户尖峰负荷t_j时刻的负荷值

其中，是一个J×n的数组；n为该配网中的馈线或馈线段数；/>表示馈线n在类型j接入用户尖峰时刻的负荷值。

通过可开放容量模型计算t_j、t_net时刻的馈线n可开放容量安全边界，并将结果记作FOC^sb：

C3.根据识别出的典型负荷时序特性单位数组A_j，通过比例加权将不同时间断面的FOC^sb统一至全网尖峰负荷t_net时刻，则此时在全网尖峰负荷时刻的为：

其中，表示在全网尖峰t_net时刻，用户类型j的单位负荷值；/>表示用户类型j尖峰负荷t_j时刻的单位负荷值。

C4.各馈线或馈线段的可开放容量由不同用户类型的安全边界最小极值决定；

FOC＝[FOC₁,FOC₂,......FOC_n]_1×n

其中，FOC_n为馈线n的可开放容量。

由接入用户类型在不同馈线峰值时间断面下计算所得各馈线或馈线段安全边界，之后再由典型负荷时序特性按比例加权将时间断面统一至全网尖峰负荷时刻。取各馈线或馈线段的安全边界最小值作为可开放容量，实现了考虑负荷时序特性的含储能馈线可开放容量评估。

本发明的有益效果是：综合突破了原有的仅以配网峰值负荷来进行N-1校验并计算供电能力的固有模式，考虑区分已有用户和新接用户的负荷时序特性，引入馈线可开放容量的概念，不仅可以在全网负荷峰值时刻满足N-1校验，还可以确保在一天中任意时刻新接入用户用电量相对于所属馈线容量均不过载，有利于指导实际工程应用，适用于电企业科学的开展业扩报装业务，指导用户合理的安排用电计划。

附图说明

图1为实施例一的步骤流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

如图1所示，一种含储能馈线的可开放容量评估方法，包括以下步骤：A.根据历史数据进行负荷分类，获取典型负荷时序特性。

A1.对历史负荷数据进行负荷分类，进行初始归一化处理，计算负荷数据类型及每种类型聚类中心；归一化后的数据用数据集P表示，将数据集P分为J类，计算每种类型的聚类中心C_j，其中j＝1,2,...,J，C_j是一个J×24的矩阵。

A2.建立以样本数据P_n与对应数据类心C_j的欧式距离最小的目标函数：

其中，历史数据中任一样本数据P_n,对第j个聚类中心C_j的隶属度V_nj应满足：

A3.使用优化算法，获得典型负荷的时序特性。更新隶属度矩阵至样本数据P_n与对应数据类心C_j的欧式距离最小。选择最大隶属度样本的负荷数据作为典型负荷的时序特性数组数组Q_j：Q_j,j∈[1,J]＝[P₁,P₂,P₃,…,P_J]^T，其中P_j＝[p_j1,p_j2,p_j3,…,p_j24]，Q_j是一个J×24的矩阵，为后续研究中方便考虑负荷的时序特性，将典型负荷的时序特性数组通过最大化处理，至典型负荷的时序特性数组分布在0～1之间，用数据集A_j表示：

其中，A_j为J种负荷类型的时序特性数组，是一个J×24的单位数组

B.计算含储能的可开放容量安全边界模型的约束条件，构建含储能馈线的可开放容量安全边界模型。含储能的可开放容量安全边界模型的约束条件包括系统最大容量约束、储能的出力运行约束和储能充放电作用对馈线和主变压器的影响约束。储能的出力运行约束条件的计算方法包括：

构建储能出力模型。电池储能系统的剩余容量E_e,t在时间间隔Δt内的变化过程为：

其中，η_c、η_dc分别为电池储能系统充放电效率，分别为电池储能系统e在t时刻的充放电功率，Δt表示储能充放电的单位时间。本发明统一以1h为基本步长，并认为1h内时序值不变。电池储能系统e在t时刻的剩余容量约束在储能的最大最小容量安全裕度之间：

E_e,min≤E_e,t≤E_e,max

充放电功率也应该约束在一定的操作范围之内：

其中，E_e,min、E_e,max分别为电池储能系统e的最小安全容量和最大安全容量；分别是电池储能系统充放功率的最大值，为了避免储能系统同时进行充放电动作，/>是一个二进制指示器，1表示充电状态。

假设储能的实时RE与主变和馈线的额定容量存在线性关系。储能充放电作用对馈线和主变压器的影响约束条件的计算方法包括：电池储能系统接入后，馈线和其主变压器的实时净容量表示为：

其中，RF_mn、R_in分别为馈线和主变压器的实时净容量，分别为馈线和主变压器的额定容量，E_e,t|_{t＝max n}为电池储能系统在负荷峰值最大时刻t的荷电状态。e∈Ω_n表示该电池储能系统e在馈线n上；e∈Ω_i表示该电池储能系统e属于主变i的出线馈线范围内。

对储能出力模型进行降维处理。将电池储能系统作为一个负荷来处理，在充电时为正负荷，放电时为负负荷，因此对于直接联络负荷S_mn、间接联络负荷S_jn和故障后间接联络负荷S_kn均需要考虑储能作用的影响。在原有24小时负荷数据的基础上累加电池储能系统在一天中的充放功率：

取峰值时刻的负荷值，将二维数组变为一维数组：

其中，t＝1,2,…,24,S_e为电池储能系统e在一天内的充放电功率变化量数组，是一个1×24的数组，S_mn为直接网络负荷，S_jn为间接网络负荷，S_kn为故障后间接联络负荷，和/>为是带对应带有时间序列的输入数据负荷数组，e∈Ω_m表示位于馈线n直接联络负荷区域的电池储能系统e，e∈Ω_j表示位于馈线n间接联络负荷区域的电池储能系统e、e∈Ω_k表示位于馈线n故障后间接联络负荷区域的电池储能系统e。

建立含储能的可开放容量安全边界模型。以各馈线的负荷增值最大为目标函数，对电池储能系统的约束条件进行分析，列写可开放容量的安全边界模型为：

约束条件包括系统最大容量约束、储能的出力运行约束和储能充放电作用对馈线和主变压器的影响约束。

C.计算含储能馈线的可开放容量。

C1.将已知接入用户的典型负荷分为J类，根据已知接入用户的典型负荷时序特性集A_j，按照尖峰负荷原则取类型j负荷值最大时刻，记为t_j；根据配网历史负荷数据比较全网负荷值，记全网尖峰负荷时刻为t_net，其中j∈[1,J]。

C2.取全网各馈线在类型j接入用户尖峰负荷t_j时刻的负荷值

其中，是一个J×n的数组；n为该配网中的馈线或馈线段数；/>表示馈线n在类型j接入用户尖峰时刻的负荷值。通过可开放容量模型计算t_j、t_net时刻的各馈线或馈线段可开放容量安全边界，并将结果记作FOC^sb：

C3.根据FCM聚类算法识别出的典型负荷时序特性单位数组A_j，通过比例加权的方法将不同时间断面的FOC^sb统一至全网尖峰负荷t_net时刻，则此时在全网尖峰负荷时刻的为：

其中，表示在全网尖峰t_net时刻，用户类型j的单位负荷值；/>表示用户类型j尖峰负荷t_j时刻的单位负荷值。

C4.各馈线或馈线段的可反方容量由不同用户类型的安全边界取其最小极值决定。在获得的基础上，为了避免在N-1校验的前提下，同时避免因接入用户负荷类型与所属馈线用户负荷类型不一致，而出现在非尖峰负荷时刻过载现象，取安全边界的最小值。

FOC＝[FOC₁,FOC₂,......FOC_n]_1×n

其中，FOC_n为馈线n的可开放容量。

Claims (6)

1.一种含储能的馈线可开放容量评估方法，其特征在于，考虑不同类型用户的负荷时序特性，包括以下步骤：

A，根据历史负荷数据进行分类，获取典型负荷时序特性；方法包括：

A1.将历史负荷数据进行归一化处理，归一化后的数据用数据集P表示，使用聚类算法将数据集P分为J类，获得每种类型的聚类中心C_j，其中j＝1,2,...,J；

A2.建立以样本数据P_n与对应数据类型C_j的欧式距离最小的目标函数：

其中，历史数据中任一样本数据P_n对第j个聚类中心C_j的隶属度V_nj满足：

A3.计算典型负荷的时序特性

B，计算含储能的馈线可开放容量安全边界模型的约束条件，构建含储能的馈线可开放容量安全边界模型；

C，计算含储能的馈线可开放容量；

C1.将已知接入用户的典型负荷分为J类，根据已知接入用户的典型负荷时序特性集A_j，取类型j负荷值最大时刻t_j；根据配网历史负荷数据比较全网负荷值，记全网尖峰负荷时刻为t_net，其中j∈[1,J]；

C2.取全网各馈线在类型j接入用户尖峰负荷t_j时刻的负荷值

其中，n为该配网中的馈线或馈线段数；S_tj,n表示馈线n在类型j接入用户尖峰时刻的负荷值；通过可开放容量模型计算t_j、t_net时刻的馈线n可开放容量安全边界，并将结果记作FOC^sb：

C3.根据识别出的典型负荷时序特性单位数组A_j，通过比例加权，将不同时间断面的FOC^sb统一至全网尖峰负荷t_nte时刻，则此时在全网尖峰负荷时刻的为：

其中，表示在全网尖峰t_net时刻，用户类型j的单位负荷值；/>表示用户类型j尖峰负荷t_j时刻的单位负荷值；

C4.各馈线或馈线段的可开放容量由不同用户类型的安全边界最小极值决定；

FOC＝[FOC₁,FOC₂,......FOC_n]_1×n

其中，FOC_n为馈线n的可开放容量。

2.根据权利要求1中所述的一种含储能的馈线可开放容量评估方法，其特征在于，所述步骤A3中计算典型负荷的时序特性的方法包括：选择最大隶属度样本的负荷数据作为类型j的典型负荷的时序特性，构成数组Q_j：

Q_{j，j∈[1，J]}＝[P₁，P₂，P₃，…，P_J]^T，

其中P_j＝[p_j1，p_j2，p_j3，...，p_j24]，

将典型负荷的时序特性数组Q_j通过最大化处理，使Q_j中数据分布在0～1之间，用数据集A_j表示：

其中，A_j为J种负荷类型的时序特性数组。

3.根据权利要求1中所述的一种含储能的馈线可开放容量评估方法，其特征在于，所述步骤B中含储能的可开放容量安全边界模型的约束条件包括系统最大容量约束、储能的出力运行约束和含储能的馈线及主变的容量约束。

4.根据权利要求3中所述的一种含储能的馈线可开放容量评估方法，其特征在于，所述储能的出力运行约束的计算方法包括：

构建储能出力模型：

电池储能系统的剩余容量E_e，t在时间间隔Δt内的变化过程为：

其中，η_c、η_dc分别为电池储能系统充放电效率，分别为电池储能系统e在t时刻的充放电功率，Δt表示储能充放电的单位时间；

电池储能系统e在t时刻的剩余容量约束在储能的最大最小容量安全裕度之间：

E_e,min≤E_e，t≤E_e，max

充放电功率在电池储能系统充放功率的最大值之内：

其中，E_e，min、E_e，max分别为电池储能系统e的最小安全容量和最大安全容量；分别是电池储能系统充放功率的最大值，/>是一个二进制指示器，1表示充电状态。

5.根据权利要求4中所述的一种含储能的馈线可开放容量评估方法，其特征在于，所述馈线及主变的容量约束条件的计算方法包括：

电池储能系统接入后，馈线和其主变压器的实时净容量表示为：

其中，RF_mn、R_in分别为馈线和主变压器的实时净容量，分别为馈线和主变压器的额定容量，E_e，t|_t＝maxn为电池储能系统在负荷峰值最大时刻t的荷电状态；

对储能出力模型进行降维处理，在原有24小时负荷数据的基础上累加电池储能系统在一天中的充放功率：

取峰值时刻的负荷值，将二维数组变为一维数组：

其中，t＝1,2,…,24,S_e为电池储能系统e在一天内的充放电功率变化量数组，S_mn为直接网络负荷，S_jn为间接网络负荷，S_kn为故障后间接联络负荷，和/>为带有时间序列的输入数据负荷数组；e∈Ω_m表示位于馈线n直接联络负荷区域的电池储能系统e；e∈Ω_j表示位于馈线n间接联络负荷区域的电池储能系统e，e∈Ω_k表示位于馈线n故障后间接联络负荷区域的电池储能系统e。

6.根据权利要求5中所述的一种含储能的馈线可开放容量评估方法，其特征在于，所述步骤B中构建含储能的馈线可开放容量安全边界模型的方法包括：

以各馈线的负荷增值最大为目标函数，列写可开放容量的安全边界模型为：