CN113363964A - 考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法，包括如下步骤：针对实际配电网进行分布式储能规划，得到配电网中分布式储能的规划目标函数；对获得的规划目标函数增加约束条件，所述约束条件包含分布式储能配置和运行约束、光伏出力约束、配网潮流约束、安全约束和重要负荷可靠供电约束，从而获得非凸非线性的混合整数规划模型；采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解。本发明在保证重要负荷可靠供电的前提下，提升规划方案经济性。

Description

考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法及装置
技术领域
本发明涉及配电网可靠供电技术领域，特别涉及考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法及装置。
背景技术
为适应电网向高质量目标发展，分布式储能作为增强配电网灵活性、经济性和可靠性的重要手段，在电网中应用越来越广泛。目前国内外关于配电网中分布式储能应用已有相关研究。
现有研究中，大多数文献都是从经济性角度对配电网分布式储能进行规划，少量文献考虑了可靠性，但并未建立故障状态下重要负荷的可靠供电模型。由于配电网内包含光伏电源及分布式储能设备，在外网故障时，配电网应当有脱离主网，维持内部孤岛运行的能力。
因此，基于这些问题，提供能够同时计及经济性和可靠性，在保证重要负荷可靠供电的前提下，提升规划方案经济性的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法及装置，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供能够同时计及经济性和可靠性，在保证重要负荷可靠供电的前提下，提升规划方案经济性的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法及装置。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法，该方法包括如下步骤：
针对实际配电网进行分布式储能规划，得到配电网中分布式储能的规划目标函数；
对获得的规划目标函数增加约束条件，所述约束条件包含分布式储能配置和运行约束、光伏出力约束、配网潮流约束、安全约束和重要负荷可靠供电约束，从而获得非凸非线性的混合整数规划模型；
采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解。
进一步的，通过局部密度极值聚类的方法对原始场景集进行削减，得到光伏及负荷典型运行场景，每个场景s中典型日天数记为Ds，并且满足∑Ds＝365；在此基础上，得到配电网中分布式储能的规划目标函数：
CYear＝Cinv+Cbs+Copess (1)
式中，CYear表示配电网通过等年值计算得到的每年规划和运行成本，Cinv为分布式储能投资成本等年值，Cbs为配电网购售电成本，Copess为分布式储能运维成本。
进一步的，所述分布式储能投资成本Cinv为：
Figure BDA0003085523990000021
式中，ΩESS表示分布式储能候选节点，r表示储能的折现率，y表示储能的运行寿命，press表示储能的单位投资成本，
Figure BDA0003085523990000022
表示节点i是否安装分布式储能的0-1变量，1表示安装，0表示不安装，
Figure BDA0003085523990000023
表示节点i的分布式储能安装容量；
所述配电网购售电成本Cbs为：
Figure BDA0003085523990000024
式中，
Figure BDA0003085523990000025
和
Figure BDA0003085523990000026
分别表示场景s中t时刻配网根节点向上级电网的购电及售电电价，
Figure BDA0003085523990000031
为配网根节点与上级电网的交互功率；由于研究对象包含光伏配置节点，因此存在倒送光伏功率情况，即
Figure BDA0003085523990000032
可正可负，[·]+表示投影到非负域上的算子，即[x]+:＝max(x,0)。
当(3)中，
Figure BDA0003085523990000033
时，式(3)变为
Figure BDA0003085523990000034
为正值；当
Figure BDA0003085523990000035
时，式(3)变为
Figure BDA0003085523990000036
为负值。如果用分段函数，即：
Figure BDA0003085523990000037
所述分布式储能运维成本Copess为：
Figure BDA0003085523990000038
式中，
Figure BDA0003085523990000039
和
Figure BDA00030855239900000310
表示分布式储能的充放电功率，
Figure BDA00030855239900000311
为储能的运维成本。
进一步的，所述分布式储能配置约束为：
Figure BDA00030855239900000312
Figure BDA00030855239900000313
式(5)表示节点储能容量约束，若节点配置变量
Figure BDA00030855239900000314
为1，则该节点实际安装储能容量
Figure BDA00030855239900000315
小于最大允许接入容量
Figure BDA00030855239900000316
若
Figure BDA00030855239900000317
为0，则节点实际安装储能容量为0；式(6)表示对储能候选节点Ωess进行选址，不能超过配置数量上限Ness；
所述分布式储能运行约束为：
Figure BDA00030855239900000318
Figure BDA00030855239900000319
Figure BDA00030855239900000320
Figure BDA00030855239900000321
Figure BDA0003085523990000041
Figure BDA0003085523990000042
Figure BDA0003085523990000043
式(7)为储能充放电有功功率约束，
Figure BDA0003085523990000044
和
Figure BDA0003085523990000045
分别指最大充放电功率；式(8)-(10)为储能无功功率约束，其中
Figure BDA0003085523990000046
和
Figure BDA0003085523990000047
为储能充电和放电无功功率，θ角为储能逆变器相角，ηch＜1和ηdisch＞1为储能充放电效率；各节点储能可通过逆变器对无功功率
Figure BDA0003085523990000048
及
Figure BDA0003085523990000049
进行控制，从而实现储能的多象限运行。式(11)-(13)为储能剩余电量约束，其中Soci,s,t表示储能剩余电量，
Figure BDA00030855239900000410
和
Figure BDA00030855239900000411
分别指最大和最小剩余电量，式(13)保证了周期内储能充放电电量平衡，即初始时刻储能剩余电量
Figure BDA00030855239900000412
和充放电截止时刻储能剩余电量Soci,s,T相等；
所述光伏出力约束为：
Figure BDA00030855239900000413
Figure BDA00030855239900000414
Figure BDA00030855239900000415
式中,
Figure BDA00030855239900000416
为光伏在场景s中t时刻的最大功率输出；
Figure BDA00030855239900000417
为光伏的实际有功输出，
Figure BDA00030855239900000418
表示光伏的实际无功输出，β角为光伏逆变器相角，
Figure BDA00030855239900000419
为节点光伏配置容量；
所述配网潮流约束为：
考虑辐射状配电网通常只有单个或少量变电站节点，因此采用distflow模型对配电网潮流进行刻画，其数学模型如下：
Figure BDA00030855239900000420
Figure BDA0003085523990000051
Figure BDA0003085523990000052
Figure BDA0003085523990000053
式中，δ(i)为以i为终端节点的支路始端节点集合，π(i)为以i为始端节点的支路终端节点集合；Pij,s,t和Qij,s,t分别表示节点i向节点j流动的有功和无功功率，rij和xij分别指线路ij的电阻和电抗，
Figure BDA0003085523990000054
为线路ij上流通电流的平方，
Figure BDA0003085523990000055
为节点i电压的平方；
考虑到不同节点配置光伏和储能情况不同，因此各节点等效负荷
Figure BDA0003085523990000056
和
Figure BDA0003085523990000057
有所区别，表达式如下：
Figure BDA0003085523990000058
Figure BDA0003085523990000059
式中，
Figure BDA00030855239900000510
和
Figure BDA00030855239900000511
分别表示节点i的有功和无功负荷，Ωload表示没有安装光伏和储能的节点集合，Ωpv表示仅安装光伏的节点集合，Ωess表示仅安装储能的节点集合，Ωpv&ess表示同时安装光伏和储能的节点集合；
为保证配电网安全运行，其电压及电流需维持在一定范围内，所述安全约束条件可表示为：
Figure BDA00030855239900000516
Figure BDA00030855239900000512
式中，
Figure BDA00030855239900000513
和
Figure BDA00030855239900000514
分别指节点电压平方的最大值和最小值，
Figure BDA00030855239900000515
表示支路电流平方的最大值；
所述重要负荷可靠供电约束条件为：
将可靠性约束定义为在任意时刻若外部电网发生故障，在外部电网检修时间段内，配电网依靠内部分布式储能及光伏维持区域内重要负荷不停电；其具体数学模型如下：
定义
Figure BDA0003085523990000061
分别表示故障时间段内储能的充电有功功率、放电有功功率、充电无功功率、放电无功功率和储能充放电状态，假设在任意场景s中tr时刻发生故障，故障持续时间为Rt，则故障时间段t∈[tr,tr+Rt]储能约束条件可表示为式(25)-(31)；
Figure BDA0003085523990000062
Figure BDA0003085523990000063
Figure BDA0003085523990000064
Figure BDA0003085523990000065
Figure BDA0003085523990000066
Figure BDA0003085523990000067
Figure BDA0003085523990000068
其中，式(25)-(30)的物理含义与式(7)-(12)含义相同，表示故障时间段内储能充放电功率及剩余电量约束；式(31)表示在故障发生初始时刻储能的剩余电量与该时刻正常运行状态一致，该条件将正常运行状态与故障状态进行耦合；而由于故障检修时间段内，重点在于保证重要负荷不停电，因此不要求在检修结束tr+Rt时刻保证电量与故障发生时刻相等，即无需满足类似式(13)中周期电量平衡约束。
与故障时间段t∈[tr+Rt]储能运行变量定义相同，可定义故障时间段内光伏有功、无功变量
Figure BDA0003085523990000071
满足约束条件与式(14)-(16)类似，记为式(32)～(34)，表示故障时间段内光伏运行约束：
Figure BDA0003085523990000072
Figure BDA0003085523990000073
Figure BDA0003085523990000074
定义
Figure BDA0003085523990000075
分别表示故障时间段内的支路有功、无功、电流和电压的平方及节点等效有功和无功负荷，故障时间段内需满足功率平衡、电压、电流约束，其表达式与式(17)-(20)类似，记为式(35)-(38)；
Figure BDA0003085523990000076
Figure BDA0003085523990000077
Figure BDA0003085523990000078
Figure BDA0003085523990000079
与正常运行状态不同的是，节点负荷在故障时间段内允许部分削减负荷；定义故障时间段内各节点负荷削减量变量为
Figure BDA00030855239900000710
则故障时间段内节点等效负荷为式(39)-(40)：
Figure BDA00030855239900000711
Figure BDA00030855239900000712
同时，故障时间段t∈[tr+Rt]内削负荷还需满足以下约束条件：
Figure BDA00030855239900000713
Figure BDA00030855239900000714
式(41)表示削负荷量不能超过实际负荷量，式(42)表示重要负荷节点的负荷削减量为0，即在故障时间段内不中断供电，ΩIL表示重要负荷节点集合；
此外，由于配网与外部电网断开，因此在故障时间段内配网与上级电网交互功率为0，即：
Figure BDA0003085523990000081
进一步的，所述采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解的方法如下：
储能运维成本中配网向上级电网购电电价
Figure BDA0003085523990000082
往往高于售电电价
Figure BDA0003085523990000083
即满足
Figure BDA0003085523990000084
因此，引入辅助变量
Figure BDA0003085523990000085
将式(3)线性化：
Figure BDA0003085523990000086
Figure BDA0003085523990000087
对配网潮流约束(20)和(38)采用二阶锥松弛的方法进行变换，可得到：
Figure BDA0003085523990000088
Figure BDA0003085523990000089
为对比可靠性约束对规划方案的影响，将不计及可靠性约束的模型和计及可靠性约束的模型分别记为M1和M2，表示如下：
Figure BDA00030855239900000810
Figure BDA0003085523990000091
式中，变量z表示不计及可靠性约束时，约束条件(5)-(19)、(21)-(24)、(45)-(46)中所包含模型变量；则
Figure BDA0003085523990000092
变量r表示故障检修时间段内，可靠性约束条件(25)-(37)、(39)-(43)和(47)所新增变量，即
Figure BDA0003085523990000093
对获得的上述分布式储能规划模型(48)和(49)采用商业求解器如CPLEX、MOSEK等进行求解。
考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划装置，该方法包括如下步骤：
规划目标函数获取模块，用于针对实际配电网进行分布式储能规划，得到配电网中分布式储能的规划目标函数；
混合整数规划模型获取模块，用于对获得的规划目标函数增加约束条件，所述约束条件包含分布式储能配置和运行约束、光伏出力约束、配网潮流约束、安全约束和重要负荷可靠供电约束，从而获得非凸非线性的混合整数规划模型；
混合整数二阶锥规划模型求解模块，用于采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解。
一种计算设备，包括：
一个或多个处理单元；
存储单元，用于存储一个或多个程序，
其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理单元执行，使得所述一个或多个处理单元执行考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法。
一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法的步骤。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明的配电网分布式储能规划方法对故障时间内重要负荷可靠供电约束进行建模，进一步采用凸优化方法将模型转化为混合整数二阶锥规划模型进行求解，相比常规规划模型，其规划容量和建设成本会提高，购电成本下降，总成本相对增加，但能够保障重要负荷在任意时刻发生故障不停电；
2、随着故障持续时间增加，考虑可靠性约束的规划方案建设成本阶段性增加，而购电成本阶段性下降，在每个阶段中又逐步递增趋势，最终得到的规划方案总成本会随故障持续时间一直增加，新增成本可视为保障重要负荷供电的可靠性成本。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明实施例提供的地区电网结构图；
图2为本发明实施例提供的负荷和光伏的典型运行曲线图；
图3为本发明实施例提供的两种方案下的配网与外部电网交互功率对比图；
图4为本发明实施例提供的两种方案下的配网内储能系统总放电功率对比图；
图5为本发明实施例提供的两种方案下的配网内储能系统总充电功率对比图；
图6为本发明实施例提供的两种方案下的配网内储能系统剩余电量对比图；
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面就结合图1-6来具体说明本发明。
实施例1
本实施例提供的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法，该方法包括如下步骤：
针对实际配电网进行分布式储能规划，得到配电网中分布式储能的规划目标函数；
对获得的规划目标函数增加约束条件，所述约束条件包含分布式储能配置和运行约束、光伏出力约束、配网潮流约束、安全约束和重要负荷可靠供电约束，从而获得非凸非线性的混合整数规划模型；
采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解。
进一步的，通过局部密度极值聚类的方法对原始场景集进行削减，得到光伏及负荷典型运行场景，每个场景s中典型日天数记为Ds，并且满足∑Ds＝365；在此基础上，得到配电网中分布式储能的规划目标函数：
CYear＝Cinv+Cbs+Copess (1)
式中，CYear表示配电网通过等年值计算得到的每年规划和运行成本，Cinv为分布式储能投资成本等年值，Cbs为配电网购售电成本，Copess为分布式储能运维成本。
进一步的，所述分布式储能投资成本Cinv为：
Figure BDA0003085523990000121
式中，ΩESS表示分布式储能候选节点，r表示储能的折现率，y表示储能的运行寿命，press表示储能的单位投资成本，
Figure BDA0003085523990000122
表示节点i是否安装分布式储能的0-1变量，1表示安装，0表示不安装，
Figure BDA0003085523990000123
表示节点i的分布式储能安装容量；
所述配电网购售电成本Cbs为：
Figure BDA0003085523990000124
式中，
Figure BDA0003085523990000125
和
Figure BDA0003085523990000126
分别表示场景s中t时刻配网根节点向上级电网的购电及售电电价，
Figure BDA0003085523990000131
为配网根节点与上级电网的交互功率；由于研究对象包含光伏配置节点，因此存在倒送光伏功率情况，即
Figure BDA0003085523990000132
可正可负，[·]+表示投影到非负域上的算子，即[x]+:＝max(x,0)。
当(3)中，
Figure BDA0003085523990000133
时，式(3)变为
Figure BDA0003085523990000134
为正值；当
Figure BDA0003085523990000135
时，式(3)变为
Figure BDA0003085523990000136
为负值。如果用分段函数，即：
Figure BDA0003085523990000137
所述分布式储能运维成本Copess为：
Figure BDA0003085523990000138
式中，
Figure BDA0003085523990000139
和
Figure BDA00030855239900001310
表示分布式储能的充放电功率，
Figure BDA00030855239900001311
为储能的运维成本。
进一步的，所述分布式储能配置约束为：
Figure BDA00030855239900001312
Figure BDA00030855239900001313
式(5)表示节点储能容量约束，若节点配置变量
Figure BDA00030855239900001314
为1，则该节点实际安装储能容量
Figure BDA00030855239900001315
小于最大允许接入容量
Figure BDA00030855239900001316
若
Figure BDA00030855239900001317
为0，则节点实际安装储能容量为0；式(6)表示对储能候选节点Ωess进行选址，不能超过配置数量上限Ness；
所述分布式储能运行约束为：
Figure BDA00030855239900001318
Figure BDA00030855239900001319
Figure BDA00030855239900001320
Figure BDA00030855239900001321
Figure BDA0003085523990000141
Figure BDA0003085523990000142
Figure BDA0003085523990000143
式(7)为储能充放电有功功率约束，
Figure BDA0003085523990000144
和
Figure BDA0003085523990000145
分别指最大充放电功率；式(8)-(10)为储能无功功率约束，其中
Figure BDA0003085523990000146
和
Figure BDA0003085523990000147
为储能充电和放电无功功率，θ角为储能逆变器相角，ηch＜1和ηdisch＞1为储能充放电效率，；各节点储能可通过逆变器对无功功率
Figure BDA0003085523990000148
及
Figure BDA0003085523990000149
进行控制，从而实现储能的多象限运行。式(11)-(13)为储能剩余电量约束，其中Soci,s,t表示储能剩余电量，
Figure BDA00030855239900001410
和
Figure BDA00030855239900001411
分别指最大和最小剩余电量，式(13)保证了周期内储能充放电电量平衡，即初始时刻储能剩余电量
Figure BDA00030855239900001412
和充放电截止时刻储能剩余电量Soci,s,T相等；
所述光伏出力约束为：
Figure BDA00030855239900001413
Figure BDA00030855239900001414
Figure BDA00030855239900001415
式中,
Figure BDA00030855239900001416
为光伏在场景s中t时刻的最大功率输出；
Figure BDA00030855239900001417
为光伏的实际有功输出，
Figure BDA00030855239900001418
表示光伏的实际无功输出，β角为光伏逆变器相角，
Figure BDA00030855239900001419
为节点光伏配置容量；
所述配网潮流约束为：
考虑辐射状配电网通常只有单个或少量变电站节点，因此采用distflow模型对配电网潮流进行刻画，其数学模型如下：
Figure BDA00030855239900001420
Figure BDA0003085523990000151
Figure BDA0003085523990000152
Figure BDA0003085523990000153
式中，δ(i)为以i为终端节点的支路始端节点集合，π(i)为以i为始端节点的支路终端节点集合；Pij,s,t和Qij,s,t分别表示节点i向节点j流动的有功和无功功率，rij和xij分别指线路ij的电阻和电抗，
Figure BDA0003085523990000154
为线路ij上流通电流的平方，
Figure BDA0003085523990000155
为节点i电压的平方；
考虑到不同节点配置光伏和储能情况不同，因此各节点等效负荷
Figure BDA0003085523990000156
和
Figure BDA0003085523990000157
有所区别，表达式如下：
Figure BDA0003085523990000158
Figure BDA0003085523990000159
式中，
Figure BDA00030855239900001510
和
Figure BDA00030855239900001511
分别表示节点i的有功和无功负荷，Ωload表示没有安装光伏和储能的节点集合，Ωpv表示仅安装光伏的节点集合，Ωess表示仅安装储能的节点集合，Ωpv&ess表示同时安装光伏和储能的节点集合；
为保证配电网安全运行，其电压及电流需维持在一定范围内，所述安全约束条件可表示为：
Figure BDA00030855239900001512
Figure BDA00030855239900001513
式中，
Figure BDA00030855239900001514
和
Figure BDA00030855239900001515
分别指节点电压平方的最大值和最小值，
Figure BDA00030855239900001516
表示支路电流平方的最大值；
所述重要负荷可靠供电约束条件为：
将可靠性约束定义为在任意时刻若外部电网发生故障，在外部电网检修时间段内，配电网依靠内部分布式储能及光伏维持区域内重要负荷不停电。其具体数学模型如下：
定义
Figure BDA0003085523990000161
分别表示故障时间段内储能的充电有功功率、放电有功功率、充电无功功率、放电无功功率和储能充放电状态，假设在任意场景s中tr时刻发生故障，故障持续时间为Rt，则故障时间段t∈[tr,tr+Rt]储能约束条件可表示为式(25)-(31)。
Figure BDA0003085523990000162
Figure BDA0003085523990000163
Figure BDA0003085523990000164
Figure BDA0003085523990000165
Figure BDA0003085523990000166
Figure BDA0003085523990000167
Figure BDA0003085523990000168
其中，式(25)-(30)的物理含义与式(7)-(12)含义相同，表示故障时间段内储能充放电功率及剩余电量约束；式(31)表示在故障发生初始时刻储能的剩余电量与该时刻正常运行状态一致，该条件将正常运行状态与故障状态进行耦合；而由于故障检修时间段内，重点在于保证重要负荷不停电，因此不要求在检修结束tr+Rt时刻保证电量与故障发生时刻相等，即无需满足类似式(13)中周期电量平衡约束。
与故障时间段t∈[tr+Rt]储能运行变量定义相同，可定义故障时间段内光伏有功、无功变量
Figure BDA0003085523990000171
满足约束条件与式(14)-(16)类似，记为式(32)～(34)，表示故障时间段内光伏运行约束：
Figure BDA0003085523990000172
Figure BDA0003085523990000173
Figure BDA0003085523990000174
定义
Figure BDA0003085523990000175
分别表示故障时间段内的支路有功、无功、电流和电压的平方及节点等效有功和无功负荷，故障时间段内需满足功率平衡、电压、电流约束，其表达式与式(17)-(20)类似，记为式(35)-(38)；
Figure BDA0003085523990000176
Figure BDA0003085523990000177
Figure BDA0003085523990000178
Figure BDA0003085523990000179
与正常运行状态不同的是，节点负荷在故障时间段内允许部分削减负荷。定义故障时间段内各节点负荷削减量变量为
Figure BDA00030855239900001710
则故障时间段内节点等效负荷为式(39)-(40)：
Figure BDA00030855239900001711
Figure BDA00030855239900001712
同时，故障时间段t∈[tr+Rt]内削负荷还需满足以下约束条件：
Figure BDA00030855239900001713
Figure BDA00030855239900001714
式(41)表示削负荷量不能超过实际负荷量，式(42)表示重要负荷节点的负荷削减量为0，即在故障时间段内不中断供电，ΩIL表示重要负荷节点集合；
此外，由于配网与外部电网断开，因此在故障时间段内配网与上级电网交互功率为0，即：
Figure BDA0003085523990000181
进一步的，所述采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解的方法如下：
储能运维成本中配网向上级电网购电电价
Figure BDA0003085523990000182
往往高于售电电价
Figure BDA0003085523990000183
即满足
Figure BDA0003085523990000184
因此，引入辅助变量
Figure BDA0003085523990000185
将式(3)线性化：
Figure BDA0003085523990000186
Figure BDA0003085523990000187
对配网潮流约束(20)和(38)采用二阶锥松弛的方法进行变换，可得到：
Figure BDA0003085523990000188
Figure BDA0003085523990000189
为对比可靠性约束对规划方案的影响，将不计及可靠性约束的模型和计及可靠性约束的模型分别记为M1和M2，表示如下：
Figure BDA00030855239900001810
Figure BDA0003085523990000191
式中，变量z表示不计及可靠性约束时，约束条件(5)-(19)、(21)-(24)、(45)-(46)中所包含模型变量；则
Figure BDA0003085523990000192
变量r表示故障检修时间段内，可靠性约束条件(25)-(37)、(39)-(43)和(47)所新增变量，即
Figure BDA0003085523990000193
对获得的上述分布式储能规划模型(48)和(49)采用商业求解器如CPLEX、MOSEK等进行求解。
考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划装置，该方法包括如下步骤：
规划目标函数获取模块，用于针对实际配电网进行分布式储能规划，得到配电网中分布式储能的规划目标函数；
混合整数规划模型获取模块，用于对获得的规划目标函数增加约束条件，所述约束条件包含分布式储能配置和运行约束、光伏出力约束、配网潮流约束、安全约束和重要负荷可靠供电约束，从而获得非凸非线性的混合整数规划模型；
混合整数二阶锥规划模型求解模块，用于采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解。
一种计算设备，包括：
一个或多个处理单元；
存储单元，用于存储一个或多个程序，
其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理单元执行，使得所述一个或多个处理单元执行上述的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法；需要说明的是，计算设备可包括但不仅限于处理单元、存储单元；本领域技术人员可以理解，计算设备包括处理单元、存储单元并不构成对计算设备的限定，可以包括更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法的步骤；需要说明的是，可读存储介质例如可以是，但不限于，电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合；可读介质上包含的程序可以用任何适当的介质传输，包括，但不限于无线、有线、光缆，RF等等，或者上述的任意合适的组合。例如，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java，C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如C语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行，或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
作为举例，在本实施例中，以我国某地区实际海岛型配电网为例进行分布式储能规划，地区电网结构如图1所示；该地区配网电压等级为10.3kV，包含19条供电支路，其中节点8、13为重要负荷节点，设置故障持续时间Rt为5h；配电网参数如表1所示；节点2、4、8、10、12、14、16、18作为分布式光伏配置节点，每节点配置容量为400kW；设定节点4、6、9、10、13、15、17、20作为分布式储能候选节点，最大充放电功率设置为节点配置容量的0.6倍；分布式储能其他配置参数如表2所示；通过局部密度极值聚类方法，得到负荷和光伏的典型运行曲线如图2所示；算例采用峰谷电价，即[00:00-08:00,11:00-13:00，23:00-24:00]时刻电价为0.4164元/kWh，[8:00-11:00,13:00-19:00]为0.9004元/kWh，[19:00-23:00]为1.0824元/kWh。
表1实际地区配网参数
节点i 节点j 支路阻抗(Ω) 节点j负荷(kVA)
1 2 0.43+j0.20 30+j15
2 3 0.24+j0.11 20+j12
3 4 0.25+j0.12 100+j40
4 5 0.09+j0.04 200+j110
5 6 0.44+j0.21 50+j20
6 7 0.32+j0.15 200+j80
7 8 0.83+j0.39 100+j40
8 9 0.47+j0.22 150+j100
8 10 0.14+j0.07 100+j60
2 11 0.91+j0.43 50+j30
11 12 0.26+j0.12 80+j35
11 13 0.88+j0.42 100+j30
4 14 1.09+j0.51 80+j35
14 15 0.57+j0.27 50+j30
14 16 0.68+j0.32 100+j55
6 17 0.23+j0.10 200+j110
17 18 0.46+j0.21 160+j70
17 19 0.68+j0.32 200+j90
7 20 0.17+j0.08 60+j25
表2分布式储能配置参数
建设成本pr<sup>ess</sup> 使用寿命y 折现率r 充电效率ch
2000元/kW 15年 0.08 0.94
最大容量Cap<sub>ess max</sub> 运维成本essr 数量N<sup>ess</sup> 放电效率disch
500kWh 0.01/kW 6 1.06
进行分布式储能规划时采用两种方案，分别为：考虑重要负荷供电的规划方案M2、常规规划方案M1；两种规划方案M1和M2的分布式储能规划结果和经济性指标分别如表3、表4所示：
表3两种方案M1和M2下分布式储能规划结果
方案 M1 M2
节点 容量/kWh 容量/kWh
4 430 0
6 0 500
9 250 500
10 500 500
13 0 500
15 320 500
17 500 500
20 370 0
总计 2370 3000
表4两种规划方案下经济性指标(104元/年)
方案 建设成本 购电成本 运维成本 总成本
无储能 - 619.52 - 619.02
M1 55.16 537.61 2.65 595.42
M2 70.10 528.69 2.97 601.76
由表3、4可得出，通过规划分布式储能能够降低配网成本，相比无储能情况，方案M1和M2每年可节省23.6万和17.26万元；进一步对比发现，考虑重要负荷供电的规划方案M2分布式储能规划容量高于常规规划方案M1，其建设成本相应增加14.94万元/年，原因在于为了保障重要负荷供电，因此新增可靠性约束要求储能有足够的备用电能用于故障时刻供电。从购电成本角度，由于M2规划模型中分布式储能容量高于M1规划模型，其参与光伏调节、削峰填谷能力增加，可在电价较高时刻减少向上级电网购电，减少电网购电成本。由于运维成本指标可反映储能充放电功率，因此规划模型M2运维成本高于模型M1，表明分布式储能实际更多参与了电网调节。从规划总成本角度，方案M2中总成本比方案M1增加6.34万/年，可视为可靠性净成本，用于保障重要负荷可靠供电。
以典型日一为例，对比两种方案下的配网与外部电网交互功率、配网内储能总充放电功率和剩余电量，结果如图3-图6所示；可发现，由于方案M2中储能配置容量增加，在电价低谷11:00-13:00时刻，储能充电功率增加，向上级电网购电量增加。在电价高峰时刻20:00-22:00储能放电功率增加，向上级电网购电量减少，因此导致购电成本下降。从储能剩余电量角度，M2规划模型中考虑到故障时间段内重要负荷供电，因此要求各时刻储能具有足够的备用电量，其剩余电量相对M1常规方案较高。
进一步研究可靠性约束对储能规划方案的影响，改变故障持续时间Rt，在不同故障持续时间下，得到分布式储能规划结果如表5所示。
表5不同故障时间下经济性指标(104元/年)
故障时间 建设成本 购电成本 运维成本 总成本
1 55.10 537.67 2.65 595.42
2 55.13 537.64 2.65 595.42
3 70.10 522.61 3.17 595.88
4 70.10 525.62 3.07 598.79
5 70.10 528.69 2.97 601.76
6 70.10 531.72 2.88 604.70
由表5可得出，当故障持续时间设置为1-2h时，考虑可靠性约束的规划方案M2经济性指标与方案M1相近，原因在于方案M1自身有一定的备用能力，用于故障时刻重要负荷供电，此时无需增加储能规划容量；当故障持续时间设置为3h时，由于可靠性约束条件描述为任意时刻发生故障，故障时间段内重要负荷不停电，需要在最恶劣的故障时刻下储能有足够的备用电能，因此其规划容量和建设成本增加；另一方面，容量增加导致减少了电价高峰时刻的购电量，因此购电成本下降；当故障持续时间进一步增加为4-6h时，可发现系统购电成本增加，原因在于此时储能内部电量用于故障时刻备用，而实际参与电网功率调节减少，所以相同容量配置下的储能运维成本下降。
上述研究结果表明，随着故障时间的增加，储能建设成本呈阶段性增加，而购电成本相比前一阶段会下降；在每个阶段相同储能容量配置下，随着故障时间的增加，其购电成本增加，运维成本下降；而从总成本角度，随着故障时间的延长，配网年运营总成本一直呈递增趋势。
值得指出的是，对于辐射状网络，
Figure BDA0003085523990000241
和
Figure BDA0003085523990000242
为式(35)和(36)中与线路根节点1相连支路功率
Figure BDA0003085523990000243
同理，式(3)中正常状态下与上级电网交互有功功率
Figure BDA0003085523990000244
为式(17)中[P1j,s,t|j∈δ(1)]。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
针对实际配电网进行分布式储能规划，得到配电网中分布式储能的规划目标函数；
对获得的规划目标函数增加约束条件，所述约束条件包含分布式储能配置和运行约束、光伏出力约束、配网潮流约束、安全约束和重要负荷可靠供电约束，从而获得非凸非线性的混合整数规划模型；
采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解。
2.根据权利要求1所述的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法，其特征在于：
通过局部密度极值聚类的方法对原始场景集进行削减，得到光伏及负荷典型运行场景，每个场景s中典型日天数记为Ds，并且满足∑Ds＝365；在此基础上，得到配电网中分布式储能的规划目标函数：
CYear＝Cinv+Cbs+Copess (1)
式中，CYear表示配电网通过等年值计算得到的每年规划和运行成本，Cinv为分布式储能投资成本等年值，Cbs为配电网购售电成本，Copess为分布式储能运维成本。
3.根据权利要求2所述的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法，其特征在于：
所述分布式储能投资成本Cinv为：
Figure FDA0003085523980000011
式中，ΩESS表示分布式储能候选节点，r表示储能的折现率，y表示储能的运行寿命，press表示储能的单位投资成本，
Figure FDA0003085523980000012
表示节点i是否安装分布式储能的0-1变量，1表示安装，0表示不安装，
Figure FDA0003085523980000021
表示节点i的分布式储能安装容量；
所述配电网购售电成本Cbs为：
Figure FDA0003085523980000022
式中，
Figure FDA0003085523980000023
和
Figure FDA0003085523980000024
分别表示场景s中t时刻配网根节点向上级电网的购电及售电电价，
Figure FDA0003085523980000025
为配网根节点与上级电网的交互功率；
所述分布式储能运维成本Copess为：
Figure FDA0003085523980000026
式中，
Figure FDA0003085523980000027
和
Figure FDA0003085523980000028
表示分布式储能的充放电功率，
Figure FDA0003085523980000029
为储能的运维成本。
4.根据权利要求3所述的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法，其特征在于：
所述分布式储能配置约束为：
Figure FDA00030855239800000210
Figure FDA00030855239800000211
式(5)表示节点储能容量约束，式(6)表示对储能候选节点Ωess进行选址，不能超过配置数量上限Ness；
所述分布式储能运行约束为：
Figure FDA00030855239800000212
Figure FDA00030855239800000213
Figure FDA00030855239800000214
Figure FDA00030855239800000215
Figure FDA0003085523980000031
Figure FDA0003085523980000032
Figure FDA0003085523980000033
式(7)为储能充放电有功功率约束，
Figure FDA0003085523980000034
和
Figure FDA0003085523980000035
分别指最大充放电功率；式(8)-(10)为储能无功功率约束，其中
Figure FDA0003085523980000036
和
Figure FDA0003085523980000037
为储能充电和放电无功功率，θ角为储能逆变器相角，ηch＜1和ηdisch＞1为储能充放电效率；式(11)-(13)为储能剩余电量约束，其中Soci,s,t表示储能剩余电量，
Figure FDA0003085523980000038
和
Figure FDA0003085523980000039
分别指最大和最小剩余电量，式(13)保证了周期内储能充放电电量平衡，即初始时刻储能剩余电量
Figure FDA00030855239800000310
和充放电截止时刻储能剩余电量Soci,s,T相等；
所述光伏出力约束为：
Figure FDA00030855239800000311
Figure FDA00030855239800000312
Figure FDA00030855239800000313
式中,
Figure FDA00030855239800000314
为光伏在场景s中t时刻的最大功率输出；
Figure FDA00030855239800000315
为光伏的实际有功输出，
Figure FDA00030855239800000316
表示光伏的实际无功输出，β角为光伏逆变器相角，
Figure FDA00030855239800000317
为节点光伏配置容量；
所述配网潮流约束为：
Figure FDA00030855239800000318
Figure FDA00030855239800000319
Figure FDA00030855239800000320
Figure FDA00030855239800000321
式中，δ(i)为以i为终端节点的支路始端节点集合，π(i)为以i为始端节点的支路终端节点集合；Pij,s,t和Qij,s,t分别表示节点i向节点j流动的有功和无功功率，rij和xij分别指线路ij的电阻和电抗，
Figure FDA0003085523980000041
为线路ij上流通电流的平方，
Figure FDA0003085523980000042
为节点i电压的平方；
考虑到不同节点配置光伏和储能情况不同，因此各节点等效负荷
Figure FDA0003085523980000043
和
Figure FDA0003085523980000044
有所区别，表达式如下：
Figure FDA0003085523980000045
Figure FDA0003085523980000046
式中，
Figure FDA0003085523980000047
和
Figure FDA0003085523980000048
分别表示节点i的有功和无功负荷，Ωload表示没有安装光伏和储能的节点集合，Ωpv表示仅安装光伏的节点集合，Ωess表示仅安装储能的节点集合，Ωpv&ess表示同时安装光伏和储能的节点集合；
所述安全约束条件为：
Figure FDA0003085523980000049
Figure FDA00030855239800000410
式中，
Figure FDA00030855239800000411
和
Figure FDA00030855239800000412
分别指节点电压平方的最大值和最小值，
Figure FDA00030855239800000413
表示支路电流平方的最大值；
所述重要负荷可靠供电约束条件为：
定义
Figure FDA00030855239800000414
分别表示故障时间段内储能的充电有功功率、放电有功功率、充电无功功率、放电无功功率和储能充放电状态，假设在任意场景s中tr时刻发生故障，故障持续时间为Rt，则故障时间段t∈[tr,tr+Rt]储能约束条件可表示为式(25)-(31)：
Figure FDA0003085523980000051
Figure FDA0003085523980000052
Figure FDA0003085523980000053
Figure FDA0003085523980000054
Figure FDA0003085523980000055
Figure FDA0003085523980000056
Figure FDA0003085523980000057
其中，式(25)-(30)的物理含义与式(7)-(12)含义相同，表示故障时间段内储能充放电功率及剩余电量约束；式(31)表示在故障发生初始时刻储能的剩余电量与该时刻正常运行状态一致，该条件将正常运行状态与故障状态进行耦合；与故障时间段t∈[tr+Rt]储能运行变量定义相同，可定义故障时间段内光伏有功、无功变量
Figure FDA0003085523980000058
满足约束条件与式(14)-(16)类似，记为式(32)～(34)，表示故障时间段内光伏运行约束：
Figure FDA0003085523980000059
Figure FDA00030855239800000510
Figure FDA00030855239800000511
定义
Figure FDA00030855239800000512
分别表示故障时间段内的支路有功、无功、电流和电压的平方及节点等效有功和无功负荷，故障时间段内需满足功率平衡、电压、电流约束，其表达式与式(17)-(20)类似，记为式(35)-(38)；
Figure FDA0003085523980000061
Figure FDA0003085523980000062
Figure FDA0003085523980000063
Figure FDA0003085523980000064
定义故障时间段内各节点负荷削减量变量为
Figure FDA0003085523980000065
则故障时间段内节点等效负荷为式(39)-(40)：
Figure FDA0003085523980000066
Figure FDA0003085523980000067
同时，故障时间段t∈[tr+Rt]内削负荷还需满足以下约束条件：
Figure FDA0003085523980000068
Figure FDA0003085523980000069
式(41)表示削负荷量不能超过实际负荷量，式(42)表示重要负荷节点的负荷削减量为0，即在故障时间段内不中断供电，ΩIL表示重要负荷节点集合。
5.根据权利要求4所述的考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划方法，其特征在于：所述采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解的方法如下：
储能运维成本中配网向上级电网购电电价
Figure FDA00030855239800000610
往往高于售电电价
Figure FDA00030855239800000611
即满足
Figure FDA00030855239800000612
因此，引入辅助变量
Figure FDA00030855239800000613
将式(3)线性化：
Figure FDA00030855239800000614
Figure FDA0003085523980000071
对配网潮流约束(20)和(38)采用二阶锥松弛的方法进行变换，可得到：
Figure FDA0003085523980000072
Figure FDA0003085523980000073
为对比可靠性约束对规划方案的影响，将不计及可靠性约束的模型和计及可靠性约束的模型分别记为M1和M2，表示如下：
M1：
Figure FDA0003085523980000074
M2：
Figure FDA0003085523980000075
式中，变量z表示不计及可靠性约束时，约束条件(5)-(19)、(21)-(24)、(45)-(46)中所包含模型变量；则
Figure FDA0003085523980000076
变量r表示故障检修时间段内，可靠性约束条件(25)-(37)、(39)-(43)和(47)所新增变量，即
Figure FDA0003085523980000077
对获得的上述分布式储能规划模型(48)和(49)进行求解。
6.考虑重要负荷供电的配电网分布式储能规划装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：
规划目标函数获取模块，用于针对实际配电网进行分布式储能规划，得到配电网中分布式储能的规划目标函数；
混合整数规划模型获取模块，用于对获得的规划目标函数增加约束条件，所述约束条件包含分布式储能配置和运行约束、光伏出力约束、配网潮流约束、安全约束和重要负荷可靠供电约束，从而获得非凸非线性的混合整数规划模型；
混合整数二阶锥规划模型求解模块，用于采用凸优化方法将混合整数规划模型处理为混合整数二阶锥规划模型，并对获得的混合整数二阶锥规划模型进行求解。
7.一种计算设备，其特征在于：包括：
一个或多个处理单元；
存储单元，用于存储一个或多个程序，
其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理单元执行，使得所述一个或多个处理单元执行如权利要求1至5中任一项所述的方法。
8.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任意一项所述方法的步骤。
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