CN114066315A - 一种适应多元源荷接入的配电网规划系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适应多元源荷接入的配电网规划系统，包括以下操作步骤：S1：对规划中的不确定性进行建模，并且输入历史数据；S2：规划基础数据的输入；S3：建立主动配电网规划模型；S4：采用合适的算法进行模型求解；S5：输出规划方案；S6：对规划方案进行评估验证。本发明提供的适应多元源荷接入的配电网规划系统，该双层规划模式侧重在于对配电网拓扑结构和配电网主动元素进行协同规划，并考虑高渗透率可能带来的安全性约束，提出一种含安全约束的配电网多时间多端双层规划模型，在经过双层规划模型之后，预期将提高新能源发电与负荷的匹配程度，大幅提升其接入比例，规划方案能有利于运行过程中清洁能源的消纳利用。
Description
技术领域
本发明涉及电网设备技术领域，尤其涉及一种适应多元源荷接入的配电网规划系统。
背景技术
城市配电网是保障城市发展的重要组成部分，其关系着城市的发展与未来，科学合理地对配电网进行规划，是保障供电安全可靠、维持供电企业发展的基础。
传统电源规划的主要矛盾是电力电量平衡与可靠性，是针对某个负荷预测值采用最大容量裕度(给定网络结构)来应对最严重工况的运行条件(即使最严重工况为小概率事件)，从而在规划阶段就可以找到处理所有运行问题最优解。
以新能源为主体的新型电力系统具有高比例新能源、高比例电力电子化、低转动惯量的“双高一低”特点。多元接入的配电系统规划应在原有的重要规划环节(数据收资、现状分析、负荷预测、电力平衡、选址定容、成效评估)充分考虑多元源荷接入的因素。
对于数据收资环节：不是简单的只涉及电的问题，除了整合AMI、GIS、PMS等电网平台数据、社会经济数据，还需要整合气候数据、交通数据、电动汽车数据、风光资源分布等电网外部数据。数据量级上的增加对数据的处理集成水平要求也大大提升；
对于现状分析环节：风光等资源受地形、尾流效应、阵列布局等多种因素影响而呈现时空尺度上的不均匀分布，因此为了给配电规划准确提供新能源出力预测，需要开展在中长时间尺度上的新能源多时空出力特性分析。另外，电动汽车和柔性可调度负荷将成为重要的一部分，其具有明显的集群特性和时序特征，因此需要有效研究集群式电动汽车充电行为模式及其负荷特性分析，进而开展精准负荷预测。针对现有的配电网结构参数在高比例新能源场景下进行薄弱环节的辨识，例如设备选型对于新能源接入容量的限制等，找到限制配电网对于新能源消纳能力提升的主要因素。
对于负荷预测环节：负荷预测应增加综合能源系统耦合互补特性分析、需求响应引起的用户终端用电方式变化和负荷特性变化，并考虑各类分布式电源以及储能设施、电动汽车充换电设施等新型负荷接入对预测结果的影响。配电网规划常用的负荷预测方法有：弹性系数法、单耗法、负荷密度法、趋势外推法、人均电量法等。当考虑分布式电源与新型负荷接入时，则应采用概率建模法、神经网络法、蒙特卡洛模拟法等。
对于电力平衡环节：需考虑区域内各类电源(常规电源、新能源电源)和储能设施、电动汽车充换电设施等新型负荷的发展平衡。水电能源比例较高时，电力平衡应根据其在不同季节的构成比例，分丰期、枯期平衡。对于分布式电源较多的区域，应同时进行电力平衡和电量平衡计算，以分析规划方案的财务可行性。分电压等级电力平衡应考虑需求响应、储能设施、电动汽车充换电设施等灵活性资源的影响，根据其资源库规模和区域负荷特性，确定规划计算负荷与最大负荷的比例关系。
对于选址定容环节：应该是综合考虑变电站选址定容、网络拓扑结构、多种分布式电源、储能设备的优化配置、选址定容等规划内容，以追求经济效益好、能源损耗小、供电可靠率高以及可再生能源利用率高等众多目标，并涉及多种间歇式可再生能源发电、负荷需求增长以及未来能源市场等多种不确定因素的组合优化复杂问题。
对于成效评估环节：除了要考虑经济性、可靠性、安全性，还需考虑低碳目标、新能源渗透率、对新能源不确定性的平衡、极端情况下的电网韧性评估等。
结合对未来配电网的结构形态的演变分析，我们可以汇总到未来大规模新能源渗透配电网规划中可能存在的主要问题。1)源-荷的不确定性加剧：如何对源-荷不确定性准确建模，并建立能够体现多样运行场景的电源出力预测和负荷预测方法是支撑新型电力系统规划的前提；2)计及新能源的运行模拟：建立针对新型电力系统的运行模拟方法，评估规划方案在海量运行场景下的运行指标，适应新型电力系统的随机性与波动性；3)多主体协调规划：新型电力系统在电源侧、电网侧和负荷侧均具备灵活多变的运行策略，需要考虑包括储能在内的多主体协同规划理论；4)潮流双向化。分布式电源的接入使得源荷的界限更加模糊，区域联络线和互联系统的建设等，使得系统功率互济、潮流流向由传统的单一流向变为双向更加常见，传统的潮流平衡和确定功率将向着灵活化、概率化的方向发展；5)碳水平评估：如何将碳水平评估问题与电力系统规划决策问题相结合，建立低碳评价体系是支撑新型电力系统规划面临的重要问题。
因此，有必要提供一种适应多元源荷接入的配电网规划系统解决上述技术问题。
公开号为CN107508288A的专利文献公开了一种含新能源发电系统与特殊负荷的配电网优化规划方法。该方法对新能源发电系统与特殊负荷建立模型，光伏充电站采用直流充电方式。对含单一新能源发电系统或者特殊负荷的配电网建模分析，选择对配电网电能质量影响最小的接入点作为子系统最优布置点。对含多个新能源发电系统或者特殊负荷的配电网建模分析，将具有抵消电能质量影响的子系统集中布置；按照对电能质量的影响大小对各子系统进行排序，依次按照含单一新能源发电系统或者特殊负荷的配电网的布置原则对各子系统进行布置。该方法在解决含有新能源发电系统与特殊负荷的配电网电能质量问题上具有主动性、综合性等特点，可用于含新能源与特殊负荷配电网规划与管理，但是该方法忽略了规划中的不确定因素，分析考虑不够全面。
公告号为CN109063992B的专利公开了一种考虑区域综合能源系统优化运行的配电网扩展规划方法，首先，建立区域综合能源系统模型并分析了其内部能量流动关系。其次，基于多代理系统搭建包含主管层、区域层、设备层的三层交互结构，实现空间尺度上不同实体的相互作用。然后，对含居民、商业、工业类区域综合能源系统的配电网，建立了双层优化模型，上层进行配电网的扩展规划，下层实现区域综合能源系统的优化运行，并采用遗传膜算法和序列二次规划法嵌套求解上下层模型。最后，仿真算例表明，考虑区域综合能源系统优化运行的配电网规划可以减少规划的总成本，提高能源利用效率和新能源消纳率，该方法在供给和需求两方面提高，不能解决本申请提高新能源发电与负荷的匹配程度的问题。
发明内容
本发明提供一种适应多元源荷接入的配电网规划系统，解决了新能源发电与负荷的匹配程度不好的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的适应多元源荷接入的配电网规划系统，包括以下操作步骤：
一种适应多元源荷接入的配电网规划系统，包括以下操作步骤：
S1：对规划中的不确定性进行建模，并且输入历史数据，所述历史数据包括风电数据、光伏数据、负荷数据、电价数据；
S2：规划基础数据的输入，所述基础数据包括规划年数据、折现率数据和待选支路集数据；
S3：建立主动配电网规划模型，采用主动配电网双层规划模型，上层规划模型考虑系统的总体目标，涉及年综合费用最小或年投资费用最小约束的条件为网络投资和建设约束，下层规划模型涉及网络运行费用最小或DG切除量最小的约束条件为运行安全约束和主动管理约束，下层规划保证系统安全稳定运行同时实现主动管理，降低系统总的投资运行费用，下层规划与系统运行紧密结合；
S4：采用合适的算法进行模型求解，该算法包括传统进化算法、凸规划算法、分支定界法、Benders分解算法、列约束生成算法、遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法中的一种或多种；
S5：输出规划方案；
S6：对规划方案进行评估验证，若规划方案不合理则重新开始步骤S1-S5直到规划方案确认。
进一步的，所述步骤S3中，上层规划模型包括：发-输协同规划、源-网-荷-储协同规划、考虑多能流协同运行的配网规划。
进一步的，所述发-输协同规划以提高新能源消纳能力和传输能力为目标；所述源-网-荷-储协同规划的规划目标是在配网层面加强网-荷间双向支撑能力，满足用户差异化的负荷需求；考虑多能流协同运行的配网规划以在保证供能可靠性的前提下提高清洁能源消纳率和多能互补能力为目标。
进一步的，所述主动配电网双层规划模型的计算公式为：
上式中，T为规划时间尺度，M为设备类型，N为设备投建数量，αt为第t年的成本年折算系数；IC是与网络拓扑、系统容量等物理参数相关的投资边界；ED是与运行参数相关的运行边界；EENS是系统稳定运行边界。
进一步的，所述主动配电网双层规划模型的规划问题以投资变量为主要决策变量，其中，主要决策变量包括投建变量Ii,j,t，运行变量Oi,j,t，和投建设备容量Pi,j,t；目标函数多考虑规划方案的经济性、可靠性和低碳水平；约束条件由投资约束g(Ii,j,t,Oi,j,t)，运行约束h(Ii,j,t,Oi,j,t，Pi,j,t)、可靠性约束k(Ii,j,t,Oi,j,t，Pi,j,t)构成。
进一步的，其技术框架包括三部分，一是数据驱动层，包括运行数据和环境数据，分别来自于电源侧、电网侧、用户侧、储能侧，数据采集后驱动数据处理、数据分析，从而生成场景；二是运行模拟层，基于双层规划给出的新型电力系统协同规划方案作为运行模拟层的输入，通过短期、中期、长期运行模拟，评估方案的可行性，其中源-荷精细化预测是新型电力系统协同规划方案提出的必要前提；三是输出指标层，新型电力系统评价指标体系除了经济指标、可靠指标，还应考虑低碳指标，响应低碳电力市场机制；如果输出的评价指标不满足目标要求，则需要重新调整规划方案，直至评价指标满足目标要求。
与相关技术相比较，本发明提供的适应多元源荷接入的配电网规划系统具有如下有益效果：
本发明提供一种适应多元源荷接入的配电网规划系统，该双层规划模式侧重在于对配电网拓扑结构和配电网主动元素进行协同规划，并考虑高渗透率可能带来的安全性约束，提出一种含安全约束的配电网多时间多端双层规划模型，在经过双层规划模型之后，预期将提高新能源发电与负荷的匹配程度，大幅提升其接入比例，规划方案能有利于运行过程中清洁能源的消纳利用。
附图说明
图1为本发明提供的适应多元源荷接入的配电网规划系统的系统原理图；
图2为本发明提供的适应多元源荷接入的配电网规划系统的规划框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
实施例
请结合参阅图1-2。一种适应多元源荷接入的配电网规划系统包括以下操作步骤：
S1：对规划中的不确定性进行建模，并且输入历史数据，所述历史数据包括风电数据、光伏数据、负荷数据、电价数据；其中，不确定性包含电动汽车的充电负荷、新能源的出力、用户侧需求响应负荷等；
S2：规划基础数据的输入，所述基础数据包括规划年数据、折现率数据和待选支路集数据；
S3：建立主动配电网规划模型，采用主动配电网双层规划模型，上层规划模型考虑系统的总体目标，涉及年综合费用最小或年投资费用最小约束的条件为网络投资和建设约束，下层规划模型涉及网络运行费用最小或DG切除量最小的约束条件为运行安全约束和主动管理约束，下层规划保证系统安全稳定运行同时实现主动管理，降低系统总的投资运行费用，下层规划与系统运行紧密结合；
S4：采用合适的算法进行模型求解，常用的算法包括传统进化算法、凸规划算法；
S5：输出规划方案；
S6：对规划方案进行评估验证，规划方案确认可实施后进行施工搭建，若规划方案不合理则重新开始步骤S1-S5直到规划方案确认。
对于DG的主动管理使得主动配电网规划的优化目标变得更加多元，需要综合考虑系统的可靠性、经济性及DG的接入能力。同时，主动配电网的投资主体变得更加多元化，主要包括配电公司、DG独立投资商、需求侧管理参与方等，这使得主动配电网规划问题由追求单一投资主体利益最大转化为多投资主体利益协调优化。
考虑多元接入的配电系统规划应该是综合考虑变电站选址定容、网络拓扑结构、多种分布式电源、储能设备的优化配置、选址定容等规划内容，以追求经济效益好、能源损耗小、供电可靠率高以及可再生能源利用率高等众多目标，并涉及多种间歇式可再生能源发电、负荷需求增长以及未来能源市场等多种不确定因素的组合优化复杂问题，如果直接一起规划使得规划问题更加复杂，因此，针对未来配电网规划的要求，提出了双层规划结构模式。
该双层规划模式侧重在于对配电网拓扑结构和配电网主动元素进行协同规划，并考虑高渗透率可能带来的安全性约束，提出一种含安全约束的配电网多时间多端双层规划模型，底层的规划模型与方案的形成只是考虑了一部分影响因素，只能实现局部的最优化，无法在全局层面实现最佳配电网规划方案，顶层规划就是基于下层的规划结果，以高渗透率结构、结合分布式能源和负荷的潮流特性、时序特性等进行综合模拟，以新能源渗透率、安全指标、网损、碳排放为优化目标，形成综合规划方案，在经过双层规划模型之后，预期将提高新能源发电与负荷的匹配程度，大幅提升其接入比例，规划方案能有利于运行过程中清洁能源的消纳利用。
首先是对规划中的不确定性进行建模，不确定性建模越详细，越能反映配电网的运行实际，从而充分利用配电网闲置资产；但带来的问题是增加了规划模型维数及求解的复杂度，难以得到数学模型的最优解，在实际主动配电网规划过程中需要进行适当折中。
规划基础数据的输入，包括规划年、投资数据、待选集等。对应技术框架的数据驱动层，包括运行数据和环境数据，分别来自于电源侧、电网侧、用户侧、储能侧，数据采集后驱动数据处理、数据分析，从而生成场景。
建立主动配电网双层规划模型，上层规划一般考虑系统的总体目标，下层规划保证系统安全稳定运行同时实现主动管理，降低系统总的投资运行费用。下层规划与系统运行紧密结合，而不是像传统配电网规划仅考虑最严重工况的运行条件。其中，上层规划包括：1)发-输协同规划以提高新能源消纳能力和传输能力为目标；2)源-网-荷-储协同规划的规划目标是在配网层面加强网-荷间双向支撑能力，满足用户差异化的负荷需求；3)考虑多能流协同运行的配网规划以在保证供能可靠性的前提下提高清洁能源消纳率和多能互补能力为目标。
主动配电网双层规划模型的规划问题以投资变量为主要决策变量，其计算公式为：
上式中，T为规划时间尺度，M为设备类型，N为设备投建数量，αt为第t年的成本年折算系数。IC是与网络拓扑、系统容量等物理参数相关的投资边界；ED是与运行参数相关的运行边界；EENS是系统稳定运行边界。主动配电网双层规划模型的决策变量包括投建变量Ii,j,t，运行变量Oi,j,t，和投建设备容量Pi,j,t；目标函数多考虑规划方案的经济性、可靠性和低碳水平；约束条件由投资约束g(Ii,j,t,Oi,j,t)，运行约束h(Ii,j,t,Oi,j,t，Pi,j,t)可靠性约束k(Ii,j,t,Oi,j,t，Pi,j,t)构成。
采用合适的算法进行模型求解，常用的算法包括传统进化算法、凸规划算法、分支定界法、Benders分解算法、列约束生成算法、遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
参阅图2，上层规划模型中，综合规划单元是综合考虑安全运行约束、高渗透率电源结构和分布式能源潮流、时序特性等因素，设定多目标约束，包括新能源渗透率、安全指标网损和碳排放，从而对新能源选址定容、储能选值定容、充电桩选值定容和网架结构升级进行决策。下层规划模型中，源侧规划单元是综合考虑水电季节变化耦合新能源出力时空不确定性以及互补与互斥场景等因素，设定多目标约束，包括新能源渗透率、投资成本和运维成本，从而对风电选址定容、光伏选址定容和储能选址定容进行决策。荷侧规划单元是综合考虑新能源出力不确定性与灵活负荷时序耦合、最佳规划容量配比等因素，设定多目标约束，包括新能源渗透率、社会成本和投资成本，从而对充电桩选址定容、需求侧响应容量和分布式新能源选址定容进行决策。源侧规划与荷侧规划作为下层规划，自下而上优化，最终确定上层规划。
基于双层规划给出的新型电力系统协同规划方案作为运行模拟层的输入，通过短期、中期、长期运行模拟，评估方案的可行性，其中源-荷精细化预测是新型电力系统协同规划方案提出的必要前提；新型电力系统评价指标体系除了经济指标、可靠指标，还应考虑低碳指标，响应低碳电力市场机制。如果输出的评价指标不满足目标要求，则需要重新调整规划方案，直至评价指标满足目标要求。
与相关技术相比较，本发明提供的适应多元源荷接入的配电网规划系统具有如下有益效果：
该双层规划模式侧重在于对配电网拓扑结构和配电网主动元素进行协同规划，并考虑高渗透率可能带来的安全性约束，提出一种含安全约束的配电网多时间多端双层规划模型，在经过双层规划模型之后，预期将提高新能源发电与负荷的匹配程度，大幅提升其接入比例，规划方案能有利于运行过程中清洁能源的消纳利用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种适应多元源荷接入的配电网规划系统，其特征在于，包括以下操作步骤：
S1：对规划中的不确定性进行建模，并且输入历史数据，所述历史数据包括风电数据、光伏数据、负荷数据、电价数据；
S2：规划基础数据的输入，所述基础数据包括规划年数据、折现率数据和待选支路集数据；
S3：建立主动配电网规划模型，采用主动配电网双层规划模型，上层规划模型考虑系统的总体目标，涉及年综合费用最小或年投资费用最小约束的条件为网络投资和建设约束，下层规划模型涉及网络运行费用最小或DG切除量最小的约束条件为运行安全约束和主动管理约束，下层规划保证系统安全稳定运行同时实现主动管理，降低系统总的投资运行费用，下层规划与系统运行紧密结合；
S4：采用合适的算法进行模型求解，该算法包括传统进化算法、凸规划算法、分支定界法、Benders分解算法、列约束生成算法、遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法中的一种或多种；
S5：输出规划方案；
S6：对规划方案进行评估验证，若规划方案不合理则重新开始步骤S1-S5直到规划方案确认。
2.根据权利要求1所述的适应多元源荷接入的配电网规划系统，其特征在于：所述步骤S3中，上层规划模型包括：发-输协同规划、源-网-荷-储协同规划、考虑多能流协同运行的配网规划。
3.根据权利要求2所述的适应多元源荷接入的配电网规划系统，其特征在于：所述发-输协同规划以提高新能源消纳能力和传输能力为目标；所述源-网-荷-储协同规划的规划目标是在配网层面加强网-荷间双向支撑能力，满足用户差异化的负荷需求；考虑多能流协同运行的配网规划以在保证供能可靠性的前提下提高清洁能源消纳率和多能互补能力为目标。
4.根据权利要求3所述的适应多元源荷接入的配电网规划系统，其特征在于：所述主动配电网双层规划模型的计算公式为：
上式中，T为规划时间尺度，M为设备类型，N为设备投建数量，αt为第t年的成本年折算系数；IC是与网络拓扑、系统容量等物理参数相关的投资边界；ED是与运行参数相关的运行边界；EENS是系统稳定运行边界。
5.根据权利要求4所述的适应多元源荷接入的配电网规划系统，其特征在于：所述主动配电网双层规划模型的规划问题以投资变量为主要决策变量，其中，主要决策变量包括投建变量Ii,j,t，运行变量Oi,j,t，和投建设备容量Pi,j,t；目标函数多考虑规划方案的经济性、可靠性和低碳水平；约束条件由投资约束g(Ii,j,t,Oi,j,t)，运行约束h(Ii,j,t,Oi,j,t，Pi,j,t)、可靠性约束k(Ii,j,t,Oi,j,t，Pi,j,t)构成。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的适应多元源荷接入的配电网规划系统，其特征在于：其技术框架包括三部分，一是数据驱动层，包括运行数据和环境数据，分别来自于电源侧、电网侧、用户侧、储能侧，数据采集后驱动数据处理、数据分析，从而生成场景；二是运行模拟层，基于双层规划给出的新型电力系统协同规划方案作为运行模拟层的输入，通过短期、中期、长期运行模拟，评估方案的可行性，其中源-荷精细化预测是新型电力系统协同规划方案提出的必要前提；三是输出指标层，新型电力系统评价指标体系除了经济指标、可靠指标，还应考虑低碳指标，响应低碳电力市场机制；如果输出的评价指标不满足目标要求，则需要重新调整规划方案，直至评价指标满足目标要求。
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| CN114757422A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-15 | 浙江大学 | 支撑城市电网电压韧性的充电桩代价调节评估方法及装置 |
| CN115115268A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-09-27 | 东南大学溧阳研究院 | 基于路电耦合与低碳约束的电动汽车充电桩容量规划方法 |
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