一種含分布式電源的配電網線性規劃模型的製作方法

2023-04-24 08:23:51 1

本發明涉及配電網規劃技術領域，具體為一種含分布式電源的配電網線性規劃模型。

背景技術：

隨著經濟和社會的不斷發展，能源高效和安全利用正在受到越來越廣泛的關注，最接近終端用戶的配電網是電力系統的重要組成部分，其合理規劃建設也正得到日益充分的研究。

配電網規劃是根據規劃期間的負荷預測結果和現有網絡的基本狀況，在滿足負荷增長和安全可靠供電的前提下，確定最優的系統建設方案，使得配電網的建設和運行費用最小。由於配電網具有線路電阻較高、電壓波動較大等特點，在輸電網規劃中廣泛應用的直流潮流模型並不適用於配電網絡，因此，在以往的研究中，針對配電網網絡約束的建立往往基於交流潮流模型。然而，交流潮流模型具有高度非線性，難以利用普通的數學優化工具對基於交流潮流建立的配電網規劃模型進行求解。針對這種情況，大多數文獻選擇採用遺傳算法、粒子群算法等人工智慧算法，但此類算法只適用於規模較小的優化規劃問題的求解。基於以上考慮，研究滿足一定精度要求的配電網線性化規劃模型，將極大地提升配電網規劃問題求解的效率，為配電網後續的理論研究提供進一步的基礎。

技術實現要素：

針對以上問題，本發明提供了一種含分布式電源的配電網線性規劃模型，滿足規模較大的配電網線性化規劃的模型優化問題求解，將極大地提升配電網規劃問題求解的效率，可以有效解決背景技術中的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種含分布式電源的配電網線性規劃模型，包括以下步驟：

步驟s1：建立電網規劃模型目標函數，對於配電網規劃，在考慮了配電網中的分布式電源、網架結構等因素的情況下，以配電網的建設成本、運行成本和環境成本最小為優化目標；

步驟s2：建立電網規劃模型的約束條件，其中包括潮流約束、網架結構約束、發電容量約束、電量平衡約束、節點電壓約束、支路傳輸功率約束和分布式電源安裝容量約束。

作為本發明一種優選的技術方案，步驟s1中所述電網規劃模型目標函數為：

minf(x)＝γccon(x)+cope(x)+cenv(x)

其中，γ為建設成本等年值平均係數，r為貼現率，y為建設線路和設備的投資償還期；在所述電網規劃模型目標函數當中的規劃成本中包含建設成本ccon(x)、運行成本cope(x)和環境成本cenv(x)。

作為本發明一種優選的技術方案，所述建設成本ccon(x)、運行成本cope(x)和環境成本cenv(x)的表達式分別為：

建設成本

運行成本

環境成本

其中，cab表示第a條線路第b種建設方案的費用，a表示待建線路的總數，b表示新建線路方案的總數，cde表示第d條線路第e種更換方案的費用，d表示待更換線路的總數，e表示更換線路方案的總數，cfbg表示第g種分布式電源建設方案的單位容量成本，pfbfg表示第f個節點第g種分布式電源建設方案的額定容量，f表示安裝分布式電源節點的總數，g表示分布式電源建設方案的總數，cjb0表示新建變電站的單位容量建設費用，sjbhi表示第h個節點第i種變電站建設方案的建設容量，h表示可能新建變電站的節點總數，i表示新建變電站的方案總數，ckb表示變電站擴容的單位容量建設費用，skbjk表示第j個節點第k種變電站擴容方案的擴容容量，j表示現有變電站節點的總數，k表示變電站擴容的方案總數，pb表示為配電網從上級電網購電的單位電價，wb表示向上級電網的年購電量，cyfbg表示第g種分布式電源建設方案的單位容量年運行成本，cyb表示變電站單位容量的年運行成本，cefbgl表示第g種分布式電源建設方案單位發電量產生第l種汙染物帶來的環境成本，wfbfg表示第f個節點第g種分布式電源建設方案的年度發電量，l表示發電產生的汙染物的種類總數，cebl表示向上級電網購得單位發電量產生第l種汙染物帶來的環境成本。

作為本發明一種優選的技術方案，步驟s2中7個約束的方程分別為：

潮流約束：採用潮流方程線性化模型

網架結構約束：採用網絡連通性線性化模型

un＞ε

發電容量約束

電量平衡約束

節點電壓約束

unmin≤un≤unmax

支路傳輸功率約束

pmnmin≤pmn≤pmnmax

分布式電源安裝容量約束

其中，n表示電網節點總數，pm表示節點m的注入有功功率，qm表示節點m的注入無功功率，un表示節點n的節點電壓幅值，θn表示節點n的節點電壓相角，sb0表示現有變電站的容量，wfbfg表示表示第f個節點第g種分布式電源建設方案的年發電量，τ表示年最大負荷利用小時數，η表示配電網平均網損率，unmin表示節點n的節點電壓下限，unmax表示節點n的節點電壓上限，pmn表示節點m、n之間的線路傳輸的有功功率，λ表示區域容載比，gn表示節點n的最大有功負荷，wb表示配電網向上級電網的年購電量，pmnmin表示節點m、n之間的線路傳輸的有功功率下限，pmnmax表示節點m、n之間的線路傳輸的有功功率上限，σ表示分布式電源裝機容量佔配電網最大負荷的比例上限。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

首先對於配電網的潮流方程約束提出了線性化近似方法，然後對於配電網的網絡連通性約束提出了線性化近似方法，接著在上述近似約束模型的基礎上，建立了配電網規劃模型；

在以下三個不同的場景下對實例配電網分別基於所提線性化模型和傳統非線性模型利用一般數值優化方法和遺傳算法進行求解、分析。

場景1：不考慮分布式電源的規劃，直接進行配電網網架規劃；

場景2：先進行配電網網架規劃，完成網架規劃後再進行分布式電源規劃；

場景3：進行含分布式電源的配電網綜合協調規劃。

滿足規模較大的配電網線性化規劃的模型優化問題求解，將極大地提升配電網規劃問題求解的效率，本文提出的線性規劃模型對於現階段配電網規劃分析是有效的，相比於傳統的配電網非線性規劃模型，本文提出的線性規劃模型在保證精度的基礎上，具有較高的計算和分析效率。

附圖說明

圖1為本發明實例待規劃網架的原始結構示意圖；

圖2為本發明基於線性化模型在場景1下的規劃結構示意圖；

圖3為本發明基於線性化模型在場景2下的規劃結構示意圖；

圖4為本發明基於線性化模型在場景3下的規劃結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

實施例：

請參閱圖1至圖4，本發明提供一種技術方案：

一種含分布式電源的配電網線性規劃模型，包括以下步驟：

步驟s1：建立電網規劃模型目標函數，對於配電網規劃，在考慮了配電網中的分布式電源、網架結構等因素的情況下，以配電網的建設成本、運行成本和環境成本最小為優化目標；

步驟s2：建立電網規劃模型的約束條件，其中包括潮流約束、網架結構約束、發電容量約束、電量平衡約束、節點電壓約束、支路傳輸功率約束和分布式電源安裝容量約束。

如圖3和圖4所示，附表1為基於線性化模型在場景2、3下的分布式電源接入點的安裝容量:

附表1

如圖2、圖3和圖4所示，附表2為基於線性化模型在三個場景下的規劃方案成本對比表:

附表2

如圖2、圖3和圖4所示，附表3為基於非線性模型在三個場景下的規劃方案成本對比表:

附表3

如圖2、圖3和圖4所示，附表4為在三個場景下利用線性化模型和非線性模型進行求解時的所需時間對比表:

附表4

本發明的工作原理：首先進行潮流方程線性化處理，對於n節點網絡，電力系統分析中經典的潮流方程可以表示為如下形式：

i＝1,2,...,n

其中，pi、qi、ui和θi分別表示節點i的有功功率注入、無功功率注入、電壓幅值和電壓相角，gij和bij則是網絡導納矩陣中相應元素的實部和虛部。

通過將上述表達式變換成基於線路電導和電納參數的形式，同時採用如下近似方法：

gijui(ui-ujcosθij)≈gij(ui-uj)(3)

bijuiujsinθij≈bijθij＝bij(θi-θj)(4)

可將經典的潮流方程寫成式(5)(6)的形式。其中，gii表示節點i的自電導，gij表示節點i和節點j之間線路的互電導，bij表示節點i和節點j之間線路的互電納，b'ij則是忽略節點接地導納得到的網絡導納矩陣中相關元素的虛部。

在本發明中，考慮到配電網自身的特性，忽略節點接地阻抗，對於(5)進行改進，最終得到網絡潮流線性化模型：

然後進行網絡連通性線性化處理，對於一個連通的電網，在其中一個節點注入單位電流，則其他節點均會產生相應的節點電壓，節點電壓的大小等於這兩個節點之間的互阻抗大小。因此，本發明基於上述網絡阻抗矩陣的思想提出如下的網絡連通性約束：

ui＞ε,i＝1,2,...,n(9)

ui為當網絡中某個節點的注入單位電流，在網絡中所有節點連通時，網絡中任意一個節點i的電壓幅值，ε是充分小的正數。

設某待規劃建設的原始電網(存在網絡不連通情況)，其導納矩陣為y0。定義0-1決策變量xb表示待選新建線路b的投建狀態，0表示該線路不投建，1表示投建，所有待選新建線路的集合標記為b。同時，線路b的始末端依次標記為fb和tb，則該原始網絡的電壓電流關係方程可寫為：

其中，列向量mb為描述支路b和節點關聯特性的向量，元素數量等於網絡節點總數，第fb個元素為1，第tb個元素為-1。由於矩陣中為稀疏矩陣，則利用此稀疏特性實現的線性化描述，將(10)轉換為：

式中，和為維數等於網絡支路總數的虛擬向量。通過引入大數m，和中對應於支路始末端的元素可表示為如下形式，其他位置元素均為0：

式(9)，(11)-(13)即為本發明中的網絡連通性線性約束表達式。

接著提出了基於線性潮流約束的配電網規劃模型，模型中的優化變量包括：

(1)0-1決策變量：決定線路是否新建xjx、線路是否更換xhx、分布式電源是否新建xfb、變電站是否新建xjb、變電站是否擴容xkb

(2)實數變量：分布式電源的新建容量，變電站的新建容量和擴容容量，分布式電源的年發電量以及向上級電網年購電量。

由於進行了線性化處理，本發明所提模型可以通過一般的數學優化工具包進行求解。

最終，通過建立規劃模型的目標函數和建立規劃模型的約束條件實現對於配電網的潮流方程和連通性進行了線性化近似處理，相比於傳統的配電網非線性規劃模型，本文提出的線性規劃模型在保證精度的基礎上，具有較高的計算和分析效率。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。