CN113239512A - 一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法及系统，包括：获取待优化的交直流配电网规划方案的技术参数；将待优化的交直流配电网的技术参数输入到预先构建的交直流配电网多目标规划模型中，得到交直流配电网规划方案集；基于交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和规划成本绘制规划成本‑负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于韧性效益确定最优规划方案的选取范围；其中，交直流配电网多目标规划模型是以年规划成本及年停电损失电量最小为目标构建的。本发明基于可靠性和成本优化后的交流配电网规划方案，利用韧性效益筛选最优规划方案，减少了交直流配电网在极端事件发生时的重要负荷损失。

Description

一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法及系统

技术领域

本发明涉及决策优化技术，具体涉及一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法及系统。

背景技术

电网规划是电力系统总体发展规划的重要组成部分，也是电网建设和改造的依据。配电网规划往往存在多个结果，彼此互不优于对方，所以方案优选在规划阶段能够指导电网结构和设备容量的选择。配电网作为电力系统中较为薄弱的一个环节，其韧性的提升近几年也成为了国内外学者研究的重点。

近年来各种极端自然灾害频繁发生，极端事件已成为大规模停电的元凶，而常规配电网规划一般只考虑经济性、可靠性、网络损耗等因素，很少考虑到配电网抵御极端灾害的能力。现有的配电网规划研究多集中在利用能量优化调度提高电网韧性，没有从电网拓扑规划层面对韧性提升进行研究。同时，现有技术中考虑可靠性和经济性的交直流配电网的常态规划方案难以提升短时极端事件下的配电网的韧性，容易造成极端事件下重要负荷的损失过大。

发明内容

针对现有技术中存在的交流配电网在经过常态规划后的韧性较低的问题，本发明提供一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法，包括：

获取待优化的交直流配电网规划方案的技术参数；

将待优化的交直流配电网的技术参数输入到预先构建的交直流配电网多目标规划模型中，得到交直流配电网规划方案集；

基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和年规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优规划方案的选取范围；

其中，所述交直流配电网多目标规划模型是以年规划成本及年停电损失电量最小为目标构建的。

优选的，所述基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优方案的选取范围，包括：

计算每个规划方案所构建的电网在多种故障场景下的最大负荷恢复量；

根据每个规划方案对应的规划成本和最大负荷恢复量，得到每个规划方案在规划成本-最大负荷恢复量二维坐标系中的坐标点，对所述坐标点进行拟合，得到韧性效益曲线；

将所述韧性效益曲线上规划方案对应的坐标点的斜率作为规划方案的韧性效益；

以韧性效益最大值对应的坐标点作为中心点设置选取范围，并将该选取范围内的坐标点对应的规划方案作为最优方案的选取范围。

优选的，所述计算每个规划方案所构建的电网在多种故障场景下的最大负荷恢复量，包括：

基于所述每个规划方案所构建的电网中的储能单元，划分每个规划方案所构建的电网中的孤岛，其中，储能单元包括分布式电源和储能设备；

基于所述每个规划方案所构建的电网中的孤岛内节点恢复的负荷、恢复过程中负荷能够恢复供电的时间以及多种故障场景的发生概率计算每个规划方案所构建的电网在多种故障场景下的最大负荷恢复量。

优选的，所述基于所述每个规划方案所构建的电网中的储能单元，划分每个规划方案所构建的电网中的孤岛，包括：

S1将规划方案所构建的电网中各重要负荷划分至其所处线路中的全部储能单元中电气距离最短的储能单元对应的供电集合；

S2依次将所述储能单元对应的供电集合中的重要负荷接入至所述储能单元，并利用评估函数对所述储能单元及其接入的重要负荷所形成的孤岛进行评估，直至每个孤岛的评估值小于零或所述储能单元对应的供电集合中的重要负荷全部接入所述储能单元；

S3判断储能单元对应的供电集合中是否存在未接入储能单元的重要负荷，若是，则将未接入储能单元的重要负荷通过电压源换流器接入至评估值大于零的孤岛。

优选的，所述每个规划方案的最大负荷恢复量，按下式计算：

式中，EP_max为负荷恢复量最大值，p_j为故障场景j发生的概率，D为全部故障场景，K为孤岛总数，ω_i.k为第k个孤岛中节点i的负荷权重，L_i.k为第k个孤岛内节点i恢复的负荷，t_i.k为恢复过程中第k孤岛内第i个负荷能够恢复供电的时间，N为每个孤岛中的节点数。

优选的，所述每个孤岛的功率输出约束，按下式确定：

P_DG.k.t+P_ESS.k.t≥L_k.t

式中，P_DG.k.t、P_ESS.k.t分别表示孤岛k在时段t内分布式电源、储能的输出功率，L_k.t为孤岛k在时段t内的负荷大小；

所述评估函数，按下式确定：

F＝P_DG.k.t+P_ESS.k.t-L_k.t

式中，F为评估函数。

优选的，所述交直流配电网多目标规划模型的构建，包括：

以交直流配电网的年规划成本和年停电损失电量最小为目标构建目标函数；

以电压源换流器的、数量、容量及配电网的交直流功率、交直流各支路的功率、各节点电压的上下限、储能和分布式电源出力的最大值、配电网辐射运行为所述目标函数设置约束条件。

优选的，所述目标函数，如下式所示：

式中，f₁为年规划成本，f₂为年停电损失电量之和，C_inv为配电网的总投资成本，C_loss为网损费用，N_AC、N_DC分别为交流、直流负荷节点的集合，L_ci、L_cj分别为交流、直流节点的平均负荷，U_ci、U_cj分别为交流、直流线路的年平均停电时间；

其中，所述配电网的总投资成本C_inv，按下式计算：

式中，N_VSC为电压源换流器的总个数，C_vsc为电压源换流器单位容量投资成本，

为第n个电压源换流器的安装容量，C_l为直流线路l的单位长度投资成本，l_l为线路l长度，L为直流线路总数，r为贴现值，y为规划周期；

所述网损费用C_loss，按下式计算：

式中，cw_loss为单位网损成本，R_l为第l条支路的电阻值，I_l为流过第l条支路的电流。

优选的，所述电压源换流器的数量、容量约束，按下式确定：

式中，x_ij表示电压源换流器的位置，

为两条线路间节点i、j间接入电压源换流器的容量，

为节点i、j间允许接入的电压源换流器的最大容量，P_ij.VSC、Q_ij.VSC和S_ij.VSC分别为电压源换流器的有功功率、无功功率和容量，Ω_VSC为电压源换流器节点的集合，N为允许接入的电压源换流器数量上限。

基于同一发明构思，本发明还提供一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选系统，包括：

获取模块，用于获取待优化的交直流配电网规划方案的技术参数；

规划模块，用于将待优化的交直流配电网的技术参数输入到预先构建的交直流配电网多目标规划模型中，得到交直流配电网规划方案集；

筛选模块，用于基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和年规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优规划方案的选取范围；

其中，所述交直流配电网多目标规划模型是以年规划成本及年停电损失电量最小为目标构建的。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法及系统，包括：获取待优化的交直流配电网规划方案的技术参数；将待优化的交直流配电网的技术参数输入到预先构建的交直流配电网多目标规划模型中，得到交直流配电网规划方案集；基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优规划方案的选取范围；其中，所述交直流配电网多目标规划模型是以年规划成本及年停电损失电量最小为目标构建的。本发明基于韧性效益可筛选交直流配电网的最优规划方案，提高了交直流配电网在常态规划下的短时韧性，减少了交直流配电网常态规划下的遭遇短时极端事件的重要负荷损失。

附图说明

图1为本发明一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法流程图；

图2为本发明一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法具体流程图；

图3为本发明一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选系统结构示意图；

图4为本发明实施例中规划成本-负荷恢复量曲线图；

图5为本发明实施例中原始的114节点配电网系统拓扑图；

图6为本发明实施例中其中一种规划方案构成的交直流配电网节点拓扑图；

图7为本发明实施例中极端事件下交直流配电网的原始负荷恢复拓扑图；

图8为本发明实施例中筛选后的规划方案构成的交直流配电网在极端事件下的负荷恢复拓扑图。

具体实施方式

实施例1

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法，如图1所示，包括：

步骤1，获取待优化的交直流配电网规划方案的技术参数；

步骤2，将待优化的交直流配电网的技术参数输入到预先构建的交直流配电网多目标规划模型中，得到交直流配电网规划方案集；

步骤3，基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优规划方案的选取范围；

其中，所述交直流配电网多目标规划模型是以年规划成本及年停电损失电量最小为目标构建的。

在所述步骤1中，获取交直流配电网规划方案的技术参数及投资成本，包括：电压源换流器的总个数，电压源换流器单位容量投资成本，线路首端电压源换流器的安装容量，直流线路单位长度投资成本，线路长度，直流线路总数，贴现值，规划周期，交流、直流负荷节点的集合，交流、直流节点的平均负荷，交流、直流线路的年平均停电时间。

在所述步骤2之前还包括，首先以规划成本和可靠性为目标函数，为所述目标函数设置电压源换流器的数量及容量约束、功率平衡约束、支路功率约束、节点电压约束、分布式电源和储能出力约束、配电网辐射运行约束，建立交直流配电网多目标规划模型。

所述目标函数包括两部分，分别是配电网规划成本和停电电量损失，优化换流器的位置、容量和直流线路的位置；

其中，所述目标函数，按下式确定：

F＝min(f₁,f₂) (1)

式中，F为目标函数，f₁为年规划成本，f₂为年停电电量损失之和；

所述规划成本主要包括电压源换流器和直流线路改造的费用和折算后的网损费用；

由于直流可以快速隔离故障，减少停电时间，因此用交流线路负荷与直流线路负荷停电电量损失之和代表配电网可靠性。

所述目标函数，按下式计算：

式中，f₁为规划成本，f₂为停电损失电量之和，C_inv为配电网的总投资成本，C_loss为网损费用，N_AC、N_DC分别为交流、直流负荷节点的集合，L_ci、L_cj分别为交流、直流节点的平均负荷，U_ci、U_cj分别为交流、直流线路的年平均停电时间；

所述配电网总投资成本包括电压源换流器的成本以及线路改造成本，所述配电网的总投资成本C_inv，按下式计算：

式中，N_VSC为电压源换流器的总个数，C_vsc为电压源换流器的单位容量投资成本，

为第n个电压源换流器的安装容量，C_l为直流线路l的单位长度投资成本，l_l为线路l长度，L为直流线路总数，r为贴现值，_y为规划周期。

所述网损费用主要是在传输过程中线路的有功损耗产生的费用，所述网损费用C_loss，按下确定：

式中，cw_loss为单位网损成本，R_l为第l条支路的电阻值，I_l为流过第l条支路的电流。

由于线路首端电压源换流器采用V_DC-Q控制方式，控制首端直流电压；首端电压源换流器的安装容量由所在直流线路的最大传输容量确定，所以目标函数中优化的电压源换流器的容量为两条线路间电压源换流器的容量，所述首端电压源换流器的安装容量，按下式计算：

式中，

为首端电压源换流器的安装容量，σ为直流与交流线路最大传输容量的比例系数，

分别为交流和直流线路的最大传输容量，cosφ为配电网典型功率因数，U_AC为交流额定电压，I_AC为线路允许载流量。

在目标函数f₂中，年平均停电时间U_c，按下式计算：

U_c＝∑(λ_a×γ_a+λ_b×γ_b) (7)

式中，λ_a、λ_b分别为年故障率和年检修率，γ_a、γ_b分别为平均故障修复时间和平均检修持续时间。

约束条件

所述电压源换流器的数量及容量约束，按下式确定：

式中，x_ij表示电压源换流器的位置，

为两条线路间节点i、j间接入电压源换流器的容量，两条线路间的电压源换流器采用P-Q控制方式，实现对潮流的灵活控制，

分别为节点i、j间允许接入的电压源换流器的最大容量，P_ij.VSC、Q_ij.VSC和S_ij.VSC为电压源换流器的有功、无功和容量，Ω_VSC为电压源换流器节点的集合，N为该系统中允许接入的电压源换流器数量上限；

其中，x_ij为0-1整数变量，当x_ij取1时，节点i、j间处布置电压源换流器，当x_ij取0时，节点i、j间未布置电压源换流器。

在进行交流配电网潮流计算时，所述功率平衡约束，按下式确定：

式中，P_i、Q_i分别为注入交流节点i的有功功率和无功功率，

分别为电压源换流器流向交流侧的有功功率和无功功率，U_i、U_j分别为节点i、j的电压，G_ij、B_ij分别为节点i、j的导纳的实部和虚部，θ_ij为节点i、j的电压相角差。

在进行直流配电网潮流计算时，所述功率平衡约束，按下式确定：

式中，P_j为注入直流节点j的有功功率，

为换流器流向直流侧的有功功率。

所述支路功率约束，按下式确定：

式中，

为直流支路m的有功功率，

为交流支路l的有功功率，

分别为直流、交流支路的有功功率最大值。

所述节点电压约束，按下式确定：

U_min≤U_i≤U_max (12)

式中，U_i为节点i的电压，U_min、U_max为节点i电压的下限和上限。

所述分布式电源和储能设备出力约束，按下式确定：

式中，P_ESS、P_DG分别为储能设备、分布式电源的出力，P_ESS.max、P_DG.max分别为储能设备、分布式电源出力的最大值。

所述步骤2将待优化的交直流配电网的技术参数输入到构建好的交直流配电网多目标规划模型中，运用NSGA-Ⅱ算法对电压源换流器的位置和容量以及直流线路位置进行优化，得出一组Pareto非劣解，即交直流配电网规划方案集。

在所述步骤3中，基于步骤2中得到的每个规划方案，利用Dijskra最短路径算法计算所述每个规划方案灾害来临时利用分布式电源、储能及直流进行恢复后得到的最大恢复负荷量。

在本实施例中，建立地震灾害下配电网故障场景模型，利用蒙特卡洛模拟得出多种故障场景及其概率，再采用Dijkstra算法把灾害下的负荷恢复过程中形成的孤岛问题转化为连通图中求最短距离集合的问题，用于简化问题、提高计算效率。求出各个分布式电源或储能设备的节点与所有重要负荷节点的最短路径，在满足孤岛划分约束条件下，将这部分负荷划入孤岛中。具体步骤如下：

S1利用Dijskra算法计算每个分布式电源或储能设备的节点到本线路重要负荷的最短距离，形成初始孤岛；

S2根据孤岛内功率约束定义评估函数F：F＝P_DG.k.t+P_ESS.k.t-L_k.t，对每个初始孤岛按照负荷权重依次对负荷进行负荷并入操作。将负荷节点按权值升序排列逐一并入孤岛。每接入一个负荷后都对评估函数进行校验。若F＞0，更新顶点集边集并继续接入下一负荷，直到F≤0。按孤岛编号遍历所有孤岛；

S3孤岛连接操作：对于F≤0的孤岛，若存在未并入孤岛的重要负荷，判断该孤岛是否可以通过电压源换流器与F＞0的孤岛相连，重复S2中所述的操作。按照评估函数在接入每一个重要负荷后均进行孤岛校验，若满足条件则直接更新顶点集边集并继续接入下一负荷，直到所有重要负荷并入孤岛，或者所有孤岛的F≤0；

孤岛内若含直流线路运行时，满足约束条件的情况下不仅可以为内部关键负荷持续供电，还可以通过电压源换流器为配电网中的相邻孤岛的关键负荷供电。相比断路器倒闸操作，相邻线路之间通过电压源换流器联络增加了操作的可行性，减少了操作时间。

在本实施例中，采用的Dijkstra算法是在有向图中求解一个顶点到其他点的最小距离。将配电网看作为带权有向图：G＝(V,E)。其中V为顶点集，E为边集。定义节点的权为该节点负荷的权重，边的权为边所在两个节点间的距离。图G遍历的边加入集合S中并进行标记，没有遍历的边加入集合U，最后S为得到所有孤岛划分的集合。

求解电源节点Y到负荷节点H的最短路径的步骤如下所述：

D[VX]表示从源点到x的已知路径，初始化D[VY]＝0，S＝{VY}。表示从顶点Y位置向外遍历，若对于顶点Y存在能直接到达的点Z，则把Y、Z间的距离设为d(VY,VZ)，同时把其他Y不能直接到达的顶点的路径长度设为无穷大。

在集合U中取一距离最小的点Vi，将Vi的状态设置为已标记。当点Vi相邻的点为Vj时，求从起点到点Vj的最短距离，按下式确定：

D[V_j]＝min(D[V_i]+d(V_i,V_j),D[V_j]) (14)

式中，D[V_j]为从源点到点V_j的最短距离，D[V_i]为从源点到点V_i的最短距离，d(V_i,V_j)为节点V_i到V_j的距离。

重复上述步骤，直到到终点VH被标记，此时点向量D[VH]则为VY到VH的最短路径。

在本实施例的配电网极端灾害恢复过程中，通常将多种故障场景下带有重要性权重的重要负荷恢复量作为系统的韧性指标，其中，最大化负荷恢复总量，按下式计算：

式中，EP_max为负荷恢复量最大值，p_j为故障场景j发生的概率，D为全部故障场景，k为孤岛总数，ω_i.k为第k个孤岛中节点i的负荷权重，L_i.k为第k个孤岛内节点i恢复的负荷，t_i.k为恢复过程中第k孤岛内第i个负荷能够恢复供电的时间；

其中，所述每个孤岛内功率约束为：

P_DG.k.t+P_ESS.k.t≥L_k.t (16)

式中，P_DG.k.t、P_ESS.k.t分别表示孤岛k在时段t内分布式电源、储能的输出功率，L_k.t为孤岛k在时段t内的负荷大小；

其他约束条件为节点电压约束、功率平衡约束、支路功率约束和辐射状运行约束。

基于每个规划方案的规划成本和上述计算得到的每个规划方案的最大负荷恢复量刻画负荷恢复量-年综合成本拟合曲线，以曲线斜率作为韧性效益，计算韧性效益的最大值，并以韧性效益最大值作为标准确定最优规划方案的选取范围。利用负荷恢复量评估规划方案的韧性。

在本实施例中，根据每个规划方案的成本及对应的负荷恢复量，绘制规划成本-负荷恢复量曲线；将每个方案中负荷恢复量与规划成本的拟合曲线记作EP＝f(C_C)，为了使配电网投资向着效益最高的方向，将韧性效益作为方案优选排序决策值；韧性效益为增加单位规划成本可以获得的负荷恢复增加量。

其中，所述曲线的横坐标为规划成本，纵坐标为负荷恢复量，每个规划方案为所述曲线上的一个点，所述韧性效益的计算为所述曲线上第i+1个点与第i个点之间横纵坐标的差值之比，即为第i+1个规划方案与第i个规划方案之间负荷恢复量的变化量与规划成本变化量之比；

所述韧性效益，按下式确定：

式中，T_i+1为第i+1个方案的韧性效益，ΔEP为第i个方案与第i+1个方案之间的负荷恢复量的变化量，ΔC_C为第i个方案与第i+1个方案之间的规划成本的变化量；

其中，所述负荷恢复量的变化量、规划成本的变化量的取值方向为正，即ΔEP_(i,i+1)、ΔC_C(i,i+1)均大于0；

当韧性效益达到最大值时，按下式确定：

式中，T_max为韧性效益最大值。

当韧性效益为最大值时，将韧性效益最大值作为一个标准，得到一个交直流配电网规划方案的选取范围，提供了可选择的规划方案。克服了现有技术中针对配电网规划的多目标选优时，大多都集中在经济性与可靠性上，而且在多种方案比选中不考虑决策者偏好，直接选择折中最优解的缺陷。

在本实施例中，实施过程可以简述如下，如图2所示：

a)建立交直流配电网多目标规划模型，用NSGA-Ⅱ算法进行求解得出规划成本和停电损失量的Pareto解集，即为交直流配电网的规划方案集，记为K_p；

b)置初始交直流规划方案k＝1，k∈K_p；

c)建立地震灾害下配电网故障场景模型，利用蒙特卡洛模拟得出多种故障场景及其概率；

d)读取网络初始数据(网络拓扑结构、负荷分布、分布式电源、储能分布和故障场景概率)；

e)利用Dijkstra算法求最短路径进行负荷恢复，然后计算每种规划方案的最大负荷恢复量，绘制负荷恢复量-规划成本的拟合曲线；

f)判断规划方案k≥K_p，若成立则转步骤g)，否则k＝k+1，转步骤c)；

g)依据负荷恢复量-规划成本曲线斜率，找出斜率最大值对应的点即为韧性效益获得最大值处，根据韧性效益最大值确定最优规划方案的选取范围，再根据综合因素挑选符合要求的优选方案；

h)输出规划方案。

通过本发明提出的一种考虑韧性的交直流混合配电网规划方案优选方法，包括：求解常态下配电网经济性、可靠性多目标规划模型，得出关于直流线路改造位置的多种规划方案。其次，针对每种方案利用分布式电源、直流线路等进行负荷恢复，求解极端灾害下的总负荷恢复量。最后，将韧性效益作为配电网方案排序决策值，选出兼顾经济性与韧性的规划方案。解决了韧性短期目标和经济性长期目标不能同时量化求解的问题。

本发明提出的规划方案优选排序决策值为极端事件下的韧性效益。利用拟合曲线刻画多种方案下负荷恢复量与规划成本的关系，使离散变量线性化。计算曲线斜率作为韧性提升的边际效益，对斜率最大的点进行综合分析，可选择减少极端灾害下负荷损失又兼顾配网经济性的规划方案。通过评估韧性效益，在规划给出的Pareto解集中，为配电网韧性提升提供了一种可行的优选策略。

本发明利用直流提升韧性，充分发挥直流的供电能力强、形成拓扑灵活的优势，可以提升“生命线负荷”的持续供电能力，进而有利于极端事件下负荷恢复更加高效、有序，为社会稳定、人民正常生活提供保障。

本发明提出一种考虑韧性的交直流混合配电网规划方案筛选方法，交直流混合配电网在常态下传输容量大、供电可靠性强，在极端事件中可实现线路互联，减少重要负荷损失，所以利用交直流配电网规划提升投资效益和韧性具有重要现实意义。并且，本发明在方案优选时充分考虑韧性边际效益，因此通过本发明筛选出的交直流配电网规划方案，提高了交直流配电网在常态规划下的短时韧性，减少了交直流配电网常态规划下的遭遇短时极端事件的重要负荷损失。

实施例2

基于同一发明构思，本发明还提供了一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选系统，如图3所示，包括：

获取模块，用于获取待优化的交直流配电网规划方案的技术参数；

规划模块，用于将待优化的交直流配电网的技术参数输入到预先构建的交直流配电网多目标规划模型中，得到交直流配电网规划方案集；

筛选模块，用于基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优规划方案的选取范围；

其中，所述交直流配电网多目标规划模型是以年规划成本及年停电损失电量最小为目标构建的。

所述获取模块，用于获取交直流配电网规划方案的技术参数，包括：电压源换流器的总个数，电压源换流器单位容量投资成本，线路首端电压源换流器的安装容量，直流线路单位长度投资成本，线路长度，直流线路总数，贴现值，规划周期，交流、直流负荷节点的集合，交流、直流节点的平均负荷，交流、直流线路的年平均停电时间。

所述规划模块，用于将待优化的交直流配电网的技术参数输入到构建好的交直流配电网多目标规划模型中，运用NSGA-Ⅱ算法对电压源换流器的位置和容量以及直流线路位置进行优化，得出一组Pareto非劣解，即交直流配电网规划方案集。

交直流配电网多目标规划模型是以规划成本和可靠性为目标函数，为所述目标函数设置电压源换流器的数量及容量约束、功率平衡约束、支路功率约束、节点电压约束、分布式电源和储能出力约束、配电网辐射运行约束，建立交直流配电网多目标规划模型，

其中，所述目标函数，按下式确定：

F＝min(f₁,f₂) (1)

式中，F为目标函数，f₁为年规划成本，f₂为年停电电量损失之和；

所述规划成本主要包括电压源换流器和直流线路改造的费用和折算后的网损费用；

由于直流可以快速隔离故障，减少停电时间，因此用交流线路负荷与直流线路负荷停电电量损失之和代表配电网可靠性。

所述目标函数，按下式计算：

式中，f₁为年规划成本，f₂为年停电损失电量之和，C_inv为配电网的总投资成本，C_loss为网损费用，N_AC、N_DC分别为交流、直流负荷节点的集合，L_ci、L_cj分别为交流、直流节点的平均负荷，U_ci、U_cj分别为交流、直流线路的年平均停电时间；

所述配电网总投资成本包括电压源换流器的成本以及线路改造成本，所述配电网的总投资成本C_inv，按下式计算：

式中，N_VSC为电压源换流器的总个数，C_vsc为电压源换流器单位容量投资成本，

为第n个电压源换流器的安装容量，C_l为直流线路l的单位长度投资成本，l_l为线路l长度，L为直流线路总数，r为贴现值，y为规划周期；

所述网损费用主要是在传输过程中线路的有功损耗产生的费用，所述网损费用C_loss，按下确定：

式中，cw_loss为单位网损成本，R_l为第l条支路的电阻值，I_l为流过第l条支路的电流。

由于线路首端电压源换流器采用V_DC-Q控制方式，控制首端直流电压；首端电压源换流器的安装容量由所在直流线路的最大传输容量确定，所以目标函数中优化的电压源换流器的容量为两条线路间电压源换流器的容量，所述首端电压源换流器的安装容量，按下式计算：

式中，

为首端VSC的安装容量，σ为直流与交流线路最大传输容量的比例系数，

分别为交流和直流线路的最大传输容量，cosφ为配电网典型功率因数，U_AC为交流额定电压，I_AC为线路允许载流量。

在目标函数f₂中，年平均停电时间U_c，按下式计算：

U_c＝∑(λ_a×γ_a+λ_b×γ_b) (7)

式中，λ_a、λ_b分别为年故障率和年检修率，γ_a、γ_b分别为平均故障修复时间和平均检修持续时间。

约束条件

所述电压源换流器的数量及容量约束，按下式确定：

式中，x_ij表示电压源换流器的位置，

为两条线路间节点i、j间接入电压源换流器的容量，两条线路间的电压源换流器采用P-Q控制方式，实现对潮流的灵活控制，

分别为节点i、j间允许接入的电压源换流器的最大容量，P_ij.VSC、Q_ij.VSC和S_ij.VSC为电压源换流器的有功、无功和容量，Ω_VSC为电压源换流器节点的集合，N为该系统中允许接入的电压源换流器数量上限；

其中，x_ij为0-1整数变量，当x_ij取1时，节点i、j间处布置电压源换流器，当x_ij取0时，节点i、j间未布置电压源换流器。

在进行交流配电网潮流计算时，所述功率平衡约束，按下式确定：

式中，P_i、Q_i分别为注入交流节点i的有功功率和无功功率，

分别为电压源换流器流向交流侧的有功功率和无功功率，U_i、U_j分别为节点i、j的电压，G_ij、B_ij分别为节点i、j的导纳的实部和虚部，θ_ij为节点i、j的电压相角差。

在进行直流配电网潮流计算时，所述功率平衡约束，按下式确定：

式中，P_j为注入直流节点j的有功功率，

为电压源换流器流向直流侧的有功功率。

所述支路功率约束，按下式确定：

式中，

为直流支路m的有功功率，

为交流支路l的有功功率，

分别为直流、交流支路的有功功率最大值。

所述节点电压约束，按下式确定：

U_min≤U_i≤U_max (12)

式中，U_i为节点i的电压，U_min、U_max为节点i电压的下限和上限。

所述分布式电源和储能出力约束，按下式确定：

式中，P_ESS、P_DG分别为储能设备、分布式电源的出力，P_ESS.max、P_DG.max分别为储能设备、分布式电源出力的最大值。

所述筛选模块，包括：负荷恢复量计算子模块和方案筛选子模块；

所述负荷恢复量计算子模块，用于基于规划模块中计算得到的每个规划方案，利用Dijskra最短路径算法计算所述每个规划方案灾害来临时利用分布式电源、储能及直流进行恢复后得到的最大恢复负荷量。

在本实施例中，建立地震灾害下配电网故障场景模型，利用蒙特卡洛模拟得出多种故障场景及其概率，再采用Dijkstra算法把灾害下的负荷恢复过程中形成的孤岛问题转化为连通图中求最短距离集合的问题，用于简化问题、提高计算效率。求出各个分布式电源和储能设备的节点与所有重要负荷节点的最短路径，在满足孤岛划分约束条件下，将这部分负荷划入孤岛中。具体步骤如下：

S1利用Dijskra算法计算每个分布式电源和储能设备到本线路重要负荷的最短距离，形成初始孤岛；

S2根据孤岛内功率约束定义评估函数F：F＝P_DG.k.t+P_ESS.k.t-L_k.t，对每个初始孤岛按照负荷权重依次对负荷进行负荷并入操作。将负荷节点按权值升序排列逐一并入孤岛。每接入一个负荷后都对评估函数进行校验。若F＞0，更新顶点集边集并继续接入下一负荷，直到F≤0。按孤岛编号遍历所有孤岛；

S3孤岛连接操作：对于F≤0的孤岛，若存在未并入孤岛的重要负荷，判断该孤岛是否可以通过电压源换流器与F＞0的孤岛相连，重复S2操作。按照评估函数在接入每一个重要负荷后均进行孤岛校验，若满足条件则直接更新顶点集边集并继续接入下一负荷，直到所有重要负荷并入孤岛，或者所有孤岛的F≤0；

孤岛内若含直流线路运行时，满足约束条件的情况下不仅可以为内部关键负荷持续供电，还可以通过电压源换流器为配电网中的相邻孤岛的关键负荷供电。相比断路器倒闸操作，相邻线路之间通过电压源换流器联络增加了操作的可行性，减少了操作时间。

在本实施例中，采用的Dijkstra算法是在有向图中求解一个顶点到其他点的最小距离。将配电网看作为带权有向图：G＝(V,E)。其中V为顶点集，E为边集。定义节点的权为该节点负荷的权重，边的权为边所在两个节点间的距离。图G遍历的边加入集合S中并进行标记，没有遍历的边加入集合U，最后S为得到所有孤岛划分的集合。

求解电源节点Y到负荷节点H的最短路径的步骤如下所述：

D[VX]表示从源点到x的已知路径，初始化D[VY]＝0，S＝{VY}。表示从顶点Y位置向外遍历，若对于顶点Y存在能直接到达的点Z，则把Y、Z间的距离设为d(VY,VZ)，同时把其他Y不能直接到达的顶点的路径长度设为无穷大。

在集合U中取一距离最小的点Vi，将Vi的状态设置为已标记。当点Vi相邻的点为Vj时，求从源点到点Vj的最短距离，按下式确定：

D[V_j]＝min(D[V_i]+d(V_i,V_j),D[V_j]) (14)

式中，D[V_j]为从源点到点V_j的最短距离，D[V_i]为从源点到点V_i的最短距离，d(V_i,V_j)为节点V_i到V_j的距离。

重复上述步骤，直到到终点VH被标记，此时点向量D[VH]则为VY到VH的最短路径。

在本实施例的配电网极端灾害恢复过程中，通常将能为中原和提供的带有重要性权重的电能作为系统的韧性指标。利用直流供电能强、通过互联线路调剂余缺等优势，最大化负荷恢复总量，按下式计算：

式中，EP_max为负荷恢复量最大值，p_j为故障场景j发生的概率，D为全部故障场景，k为孤岛总数，ω_i.k为第k个孤岛中节点i的负荷权重，L_i.k为第k个孤岛内节点i恢复的负荷，t_i.k为恢复过程中第k孤岛内第i个负荷能够恢复供电的时间；

其中，所述每个孤岛内功率约束为：

P_DG.k.t+P_ESS.k.t≥L_k.t (16)

式中，P_DG.k.t、P_ESS.k.t分别表示孤岛k在时段t内分布式电源、储能的输出功率，L_k.t为孤岛k在时段t内的负荷大小；

其他约束条件为节点电压约束、功率平衡约束、支路功率约束和辐射状运行约束。

所述方案筛选子模块，用于基于每个规划方案的规划成本和最大负荷恢复量刻画负荷恢复量-年综合成本拟合曲线，以曲线斜率作为韧性效益，计算韧性效益的最大值，并以韧性效益最大值作为标准确定最优规划方案的选取范围。

在本实施例中，利用负荷恢复量评估规划方案的韧性，每个规划方案的成本及对应的负荷恢复量，绘制规划成本-负荷恢复量曲线；将每个方案中负荷恢复量与规划成本的拟合曲线记作EP＝f(C_C)。为了使配电网投资向着效益最高的方向，将韧性效益作为方案优选排序决策值。韧性效益为增加单位规划成本可以获得的负荷恢复增加量；

其中，所述曲线的横坐标为规划成本，总坐标为负荷恢复量，每个规划方案为所述曲线上的一个点，所述韧性效益的计算为所述曲线上第i+1个点与第i个点之间横纵坐标的差值之比，即为第i+1个规划方案与第i个规划方案之间负荷恢复量的变化量与规划成本变化量之比；

所述韧性效益，按下式确定：

式中，T_i+1为第i+1个方案韧性效益，ΔEP为第i个方案与第i+1个方案之间的负荷恢复量的变化量，ΔC_C为第i个方案与第i+1个方案之间的规划成本的变化量；

其中，所述负荷恢复量的变化量、规划成本的变化量的取值方向为正，即ΔEP_(i,i+1)、ΔC_C(i,i+1)均大于0；

当韧性效益达到最大值时，按下式确定：

式中，T_max为韧性效益最大值。

当韧性效益为最大值时，将韧性效益最大值作为一个标准，得到一个交直流配电网规划方案的选取范围，提供了可选择的规划方案。

本发明提供一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选系统，利用直流提升配电网的韧性能够实现配电网功率灵活转供，增强供电能力，在常态下减少配电网损耗，从而达到经济性和韧性兼顾的效果。

实施例3

基于本发明提供的一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法，利用114节点交直流配电网进行仿真后对本发明进行验证。

在本实施例中，假设每种规划方案只改造一条直流线路。单位容量VSC费用为0.11万元/kVA，单位网损费用为0.43万元/kW，在matlab中利用交直流配电网多目标规划模型求解规划结果，得到多种规划方案，如表1所示。

表1

在本实施例中，基于所述规划模型计算得到的多种规划方案，计算在多种故障场景下的每种方案的最大负荷恢复量，并与其年规划成本共同构成拟合曲线，每个点代表一种规划方案，如图4所示。利用韧性效益计算式进行计算，得到在方案6处的曲线斜率达到最大，当提升单位(万元)年规划成本时，可提升521.76kWh的负荷恢复量，此时配电网的韧性效益达到最大。同理，分别利用韧性效益计算式进行计算得到结果，并根据韧性效益的大小对所述多种规划方案进行排序，得到效果较好的方案还有5和方案4，韧性效益分别为204.3和131.91。

在本实施例中，基于韧性效益最大的方案6进行分析。当发生极端事件后，配电网与主网脱离，其中可用供电资源小于重要负荷的用能需求，总恢复时间为16小时。在线路2改造成直流后，交流线路形成的孤岛可通过电压源换流器与直流孤岛相连。改造后的恢复负荷量为140321.28kWh，而交流配电网恢复负荷量为124489.28kWh，改造后负荷恢复量增加了12.72％。在多数故障场景下，由于CL-70比CL-53权重大，所以在恢复供电时电压源换流器连接线路2、3，使CL-70可以完全恢复供电，CL-53可以部分恢复供电。但在交流线路中，由于不满足潮流校验，不能恢复CL-70,只能直接恢复CL-53，造成了重要负荷的损失。

在本实施例中，还可以利用TOPSIS多目标决策优化方法计算得到方案5是所有规划方案中的折中最优解，但TOPSIS分析计算中只考虑常态下的经济性和可靠性，未考虑多种灾害场景下每种规划方案的负荷恢复量，且方案5的韧性效益未超过方案6。虽然在方案5、6均为把线路2改造为直流，但由于电压源换流器安装位置不同，方案6在方案5的基础上提升3.84％的投资，可以提升12.57％的重要负荷恢复。

在本实施例中，方案4在韧性效益方面排名比较靠前的年规划成本最低的方案，该方案改造线路4为直流线路，由于在正常运行时需要的电压源换流器的容量较小，所以年规划成本较低。在极端事件下，直流线路能更好的为CL-80、CL-53等权重较大的重要负荷恢复供电，从而达到较好的恢复效果。方案5与4相比，投资增加7.84％，负荷恢复量增加10.37％。

在本实施例中，方案4、方案5和方案6这三种方案均把有限的资源、资金用于配电网规划中，在不同程度上提升了配电网的经济性、可靠性、韧性。投资者可以根据不同偏好、以及规划中的实际情况，选择不同的规划方案。例如，若配电网规划在极端事件频发的地区，投资者愿意增加投资换取极端事件下配电网抵御灾害能力的大幅度提升，可以优先考虑方案6。

实施例4

基于同一发明构思，在本实施例中采用本发明一种考虑韧性的交直流配电网规划方法筛选系统对某城市的由5条线路、114节点构成的中压交直流配电网进行规划方案的筛选，提升了所述交直流配电网在多种灾害情况下的韧性。

在本实施例中，所述交直流配电网中配置光伏发电机、柴油发电机组及储能，其中，MG-66存储的供电资源为6000kWh、每时刻的最大出力功率为1000kW；MG-88存储的供电资源为16000kWh、每时刻的最大出力功率为1000kW；PV-110最大出力功率为700kW，PS-20中蓄电池容量为2000kWh，剩余50％电量可供调配，光伏最大出力功率500kW，直流线路改造前的原始配电网拓扑如图5所示，通过本发明的筛选系统筛选出的其中一种规划方案构成的交直流配电网如图6所示。配电网中共有重要负荷10个，重要负荷的负荷量及权重如表2所示。

表2

在本实施例中，当发生极端事件后，所述配电网与主网脱离，其中可用供电资源小于重要负荷的用能需求，总恢复时间为16h。未按照本发明的筛选系统进行规划方案筛选构成的交直流配电网的原始负荷恢复的拓扑如图7所示，利用本发明进行规划方案筛选后构成的交直流配电网通过恢复形成如图8所示的拓扑。在利用本发明所述的筛选系统筛选出的规划方案对线路4改造后，孤岛AC1、AC2可通过电压源换流器与分布式电源相连。通过筛选后的规划方案可恢复的负荷量为112793.6，而未利用本发明的所述筛选系统得到的规划方案的恢复负荷量为79193.6，通过筛选后的规划方案的负荷恢复量增加了29.79％。且由于直流线路供电损耗小，CL-80可恢复供电3.48h；电压源换流器可以在交直流线路中灵活传输功率，所以CL-107、CL-53可以分别恢复供电2.93h、16h。因此，通过本发明一种考虑韧性的交直流配电网规划方法筛选系统筛选出的交直流配电网的规划方案可以有效提升配电网的韧性。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选方法，其特征在于，包括：

获取待优化的交直流配电网规划方案的技术参数；

将待优化的交直流配电网的技术参数输入到预先构建的交直流配电网多目标规划模型中，得到交直流配电网规划方案集；

基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优规划方案的选取范围；

其中，所述交直流配电网多目标规划模型是以年规划成本及年停电损失电量最小为目标构建的。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优方案的选取范围，包括：

计算每个规划方案所构建的交直流配电网的拓扑在多种故障场景下的最大负荷恢复量；

根据每个规划方案对应的规划成本和最大负荷恢复量，得到每个规划方案在规划成本-负荷恢复量二维坐标系中的坐标点，并对所述坐标点进行拟合，得到韧性效益曲线；

将所述韧性效益曲线上规划方案对应的坐标点的斜率作为规划方案的韧性效益；

以韧性效益最大值对应的坐标点作为中心点设置选取范围，并将该选取范围内的坐标点对应的规划方案作为最优方案的选取范围。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述计算每个规划方案所构建的电网在多种故障场景下的最大负荷恢复量，包括：

基于所述每个规划方案所构建的电网中的储能单元，划分每个规划方案所构建的电网中的孤岛，其中，储能单元包括分布式电源和储能设备；

基于所述每个规划方案所构建的电网中的孤岛内节点恢复的负荷、恢复过程中负荷能够恢复供电的时间以及多种故障场景的发生概率计算每个规划方案所构建的电网在多种故障场景下的最大负荷恢复量。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述基于所述每个规划方案所构建的电网中的储能单元，划分每个规划方案所构建的电网中的孤岛，包括：

S1将规划方案所构建的电网中各重要负荷划分至其所处线路中的全部储能单元中电气距离最短的储能单元对应的供电集合；

S2依次将所述储能单元对应的供电集合中的重要负荷接入至所述储能单元，并利用评估函数对所述储能单元及其接入的重要负荷所形成的孤岛进行评估，直至每个孤岛的评估值小于零或所述储能单元对应的供电集合中的重要负荷全部接入所述储能单元；

S3判断储能单元对应的供电集合中是否存在未接入储能单元的重要负荷，若是，则将未接入储能单元的重要负荷通过电压源换流器接入至评估值大于零的孤岛。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述每个规划方案的最大负荷恢复量，按下式计算：

式中，EP_max为负荷恢复量最大值，p_j为故障场景j发生的概率，D为全部故障场景，K为孤岛总数，ω_i.k为第k个孤岛中节点i的负荷权重，L_i.k为第k个孤岛内节点i恢复的负荷，t_i.k为恢复过程中第k孤岛内第i个负荷能够恢复供电的时间，N为每个孤岛中的节点数。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述每个孤岛的功率输出约束，按下式确定：

P_DG.k.t+P_ESS.k.t≥L_k.t

式中，P_DG.k.t、P_ESS.k.t分别表示孤岛k在时段t内分布式电源、储能的输出功率，L_k.t为孤岛k在时段t内的负荷大小；

所述评估函数，按下式确定：

F＝P_DG.k.t+P_ESS.k.t-L_k.t

式中，F为评估函数。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述交直流配电网多目标规划模型的构建，包括：

以交直流配电网的年规划成本和年停电损失电量最小为目标构建目标函数；

以电压源换流器的数量、容量及配电网的交直流功率平衡状态、交直流各支路的功率、各节点电压的上下限、储能和分布式电源出力的最大值、配电网辐射运行为所述目标函数设置约束条件。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述目标函数，如下式所示：

式中，f₁为年规划成本，f₂为年停电损失电量之和，C_inv为配电网的总投资成本,C_loss为网损费用，N_AC、N_DC分别为交流、直流负荷节点的集合，L_ci、L_cj分别为交流、直流节点的平均负荷，U_ci、U_cj分别为交流、直流线路的年平均停电时间；

其中，所述配电网的总投资成本C_inv，按下式计算：

式中，N_VSC为电压源换流器的总个数，C_vsc为电压源换流器单位容量投资成本，

为第n个电压源换流器的安装容量，C_l为直流线路l的单位长度投资成本，l_l为线路l长度，L为直流线路总数，γ为贴现值，y为规划周期；

所述网损费用C_loss，按下式计算：

式中，cw_loss为单位网损成本，R_l为第l条支路的电阻值，I_l为流过第l条支路的电流。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述电压源换流器的数量、容量约束，按下式确定：

式中，x_ij表示电压源换流器的位置，

为两条线路间节点i、j间接入电压源换流器的容量，

为节点i、j间允许接入的电压源换流器的最大容量，P_ij.VSC、Q_ij.VSC和S_ij.VSC分别为电压源换流器的有功功率、无功功率和容量，Ω_VSC为电压源换流器节点的集合，N为允许接入的电压源换流器数量上限。

10.一种考虑韧性的交直流配电网规划方案筛选系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取待优化的交直流配电网规划方案的技术参数；

规划模块，用于将待优化的交直流配电网的技术参数输入到预先构建的交直流配电网多目标规划模型中，得到交直流配电网规划方案集；

筛选模块，用于基于所述交直流配电网规划方案集中每个方案对应的负荷恢复量和年规划成本绘制规划成本-负荷恢复量曲线确定每个方案的韧性效益，并基于所述韧性效益确定最优规划方案的选取范围；

其中，所述交直流配电网多目标规划模型是以年规划成本及年停电损失电量最小为目标构建的。

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