基于可开放容量的配电网资产效率提升优化方法.pdf
《基于可开放容量的配电网资产效率提升优化方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于可开放容量的配电网资产效率提升优化方法.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、配电265供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月基于可开放容量的配电网资产效率提升优化方法李秋燕1,孙义豪1,马杰1,郭勇1,陈鹏2,李争博2,刘友波2(1国网河南省电力公司经济技术研究院,河南 郑州 450000;2四川大学电气工程学院,四川 成都 610065)摘 要:随着配电系统分布式资源的高比例、大规模接入,为保障配电网的承载能力和提升各类型资源的资产利用效率,提出一种考虑多主体利益的配电网规划方法。该方法构建可开放容量计算模型,评估分布式资源并网与线路扩容条件下配电网格内剩余可开放容量大小和配置资源所需的建设成本。并将可开放
2、容量计算模型根据Benders算法嵌入资产效率优化模型中,优化模型的整数变量可规划扩容线路和储能的位置与容量类型,非整数变量可确定光伏接入容量及储能运行情况。以网格剩余可开放容量满足未来5年负荷增长需求为限制,将光伏、储能及线路扩容总成本规定为目标函数,实现总体资源的资产利用效率最大化。同时,该优化模型为储能制定了优化运行策略,可最大程度提升储能运行收益,解决了规划结果的运行策略需求,满足实际要求。最后,利用某城区配电网网格为算例进行仿真,验证了该方法在评估资产利用效率方面的合理性以及优化结果的有效性。关键词:可开放容量;配电网规划;分布式资源;线路扩容;资产效率;Benders算法中图分类号
3、:TM715 文献标志码:A DOI:10.19421/ki.1006-6357.2023.08.009 引文信息李秋燕,孙义豪,马杰,等基于可开放容量的配电网资产效率提升优化方法J 供用电,2023,40(8):65-73.LI Qiuyan,SUN Yihao,MA Jie,et alOptimization method for improving asset efficiency of distribution network based on available capacityJ Distribution&Utilization,2023,40(8):65-73.基金项目:国家电网
4、有限公司科技项目(5217L021000H)。Supported by State Grid Corporation of China(5217L021000H).0 引言近年来,为了拉动国家经济增长、助推国家数字经济发展、赋能国家经济转型升级,以及应对来自环境和能源等方面的压力,以5G网络、新能源汽车等为代表的新型基础设施得到了飞速发展1-2。随着各类新基建负荷的增长,配电网的动态可开放容量(dynamic available capacity,DAC)逐渐下降,配电网的安全承载能力遭受了极大的挑战。且随着配电系统分布式资源的高比例、大规模接入,部分分布式资源无法被充分利用,资源被浪费。因此
5、,有必要对可开放容量进行评估,并采取一系列方法,提升配电网的承载能力和各类型资源的资产利用效率。在配电网可开放容量评估方面,传统的评估思路是在固定的网络拓扑上不断增加负荷,直到有设备达到热稳定极限,判断方法以人工或者经验公式为主3。但此方法精度较差,且不能应用在具有多联络开关的配电网中。后来随着配电自动化的逐步实现,配电网具有了一定的可观、可控能力,文献4-6分别提出了配电网最大供电能力、可用供电能力和剩余供电能力的概念、模型和计算方法,然而现有模型并未考虑光伏、储能等分布式资源接入后可开放容量的动态变化。在配电网可开放容量提升方面,现有研究主要采用网络重构、投入分布式资源、线路扩容等方法。文
6、献7-10通过网络重构进行分段开关与联络开关的位置优化,从而增加网架承载能力;文献11-16考虑投入储能、光伏等分布式资源,以提升可开放容量;文献17-19提出了线路扩容的方法,对配电网进行网络加固。此外,文献20将最大可开放容量与可靠性指标关联,释放了供电潜力;文献21考虑需求响应,进一步挖掘了馈线的可开放容量。但这些研究使用的方法比较单一,且未将可开放容量和不同资源的资产利用效率结合起来进行综合考量。在实际中,居民投入分布式光伏、企业投资分布式储能以及电网公司升级扩建线路对于可开放容量而言均有一定的提升效果。但若未能协同规划可能会导致资源浪费且提升效果不明显。因此本文综合考虑光伏、储能及线
7、路扩容对配电网可开放容量及配电网收益的影响,以实现总体资源的资产利用效率最大配电266供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月化。基于此,本文首先介绍配电网可开放容量的影响因素;然后在满足可开放容量要求的情况下,搭建光伏、储能和线路扩容的资源优化模型,再通过Benders分解算法将模型分为主子问题进行求解;最后,以中部地区某城市的实际配电网格进行算例测试,验证了所提方法的有效性。1 配电网可开放容量影响因素本文所研究的配电网动态可开放容量是指在负荷增长条件下配电网剩余可利用的供电能力大小,会随着所接入负荷的变化而改变。因此,配电网动态可
8、开放容量大小应为满足安全运行要求下各节点剩余可开放容量总和,而负荷增长条件下,各负荷节点剩余可开放容量会受到配电系统中多种条件因素的限制,可将各类限制条件分为设备侧、网架侧和负荷侧3个方面。1)设备侧。设备侧的限制条件主要为配电变压器容量限制和线路容量限制。配电系统中,配电变压器容量大小通常是负荷接入配电网的直接约束,不会随着网架结构改变而产生变化。同时,考虑到公用配电变压器的负载率限制、用地要求以及安全运行等问题,均会对负荷接入有一定的限制和影响。除此之外,配电系统的可开放容量还受制于线路容量的大小,同一网架中各条线路的电流和潮流功率的上限均会间接影响网架的承载能力。2)网架侧。网架侧的限制
9、条件主要为拓扑结构限制和节点电压限制。配电网网架结构往往采用闭环连接、开环运行的设计,因潮流在线路的传递会导致电压的下降,所以辐射状的拓扑形式会使得电网末端节点电压过低,导致网架末端能接入的负荷较少。且不同的拓扑结构中,节点电压和线路潮流都不相同,会间接影响可开放容量的大小。3)负荷侧。负荷侧的限制条件主要为负荷接入位置限制、接入顺序限制和时序特性限制。负荷因自身所处的空间位置不同,其在电网结构内可选择接入的负荷节点也会存在差异,而当相同峰值大小的负荷选择不同负荷节点接入电网时,负荷分布情况不同,剩余可开放容量的大小也会受到干扰。且新增负荷的负荷功率值各不相同,若未能合理设置负荷接入顺序,可能
10、导致剩余可开放容量降低。除此之外,新增负荷的负荷曲线也存在差别,考虑到用电高峰期可能出现的电压、电流越限风险,配电网在接纳新增负荷时需校核负荷时序特性,以实现在满足安全运行的同时尽可能提升可开放容量。本文考虑了光伏、储能及线路扩容对可开放容量的影响,其中投入光伏和储能可以提高节点电压,改变负荷的时序特性,且储能还可以起到削峰填谷的作用,通过削减峰值负荷实现可开放容量提升;线路扩容可以提高关键线路的容量上限,使线路能通过更大的潮流功率,进而提升配电网的可开放容量。2 含光伏、储能和线路扩容的配电网自筹效率提升优化模型鉴于光伏的随机性,本文对光伏数据进行了聚类,聚类结果作为边界条件参与储能和线路扩
11、容的优化,进而搭建基于可开放容量的光伏、储能和线路扩容的效率提升优化模型,以增强电网承载能力,提高资产利用效率。该资产优化模型目标函数及相关约束如下。2.1 目标函数该资产优化模型在保障可开放容量满足负荷增长需求的情况下,以光伏投资成本CPV、线路扩容投资成本Ccable之和与储能所带来的经济效益Sall,ESS之差最小为目标函数F:(1)(2)(3)(4)式中:PPV为光伏投入容量;PV为投入单位容量光伏所需成本;n为线路类型总数;Ti,cable为0-1变量(值为1时表示选择i型线路,值为0时表示不选择i型线路);Si,cable为投资i型线路的容量;i,cable为投资单位容量i型线路所
12、需成本;Sarb为储能的套利收益;Sgov为储能的政府补助收益;Clcc为储能全寿命周期成本。其中,储能系统经济性评估模型如下22-23:1)储能的套利收益Sarb。储能系统具有灵活充放电的特性,可在用电低谷时段充电、高峰时段放电,进而通过分时电价机制的峰谷价差实现获利。(5)式中:Pt,d,ESS、Pt,c,ESS分别为t时段储能的放电和充电功率;Rt,tou为t时段的分时电价。2)储能的政府补助收益Sgov。国家和地方政府皆出台了一系列政策,支持储能通过削峰填谷等手段实配电267供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月现高峰电力负荷
13、转移,并给予补贴。(6)式中:Rgov为补助电价。3)储能的建设成本Ccon。储能系统的建设成本主要包括功率成本和容量成本2个方面。(7)式中:PESS、EESS分别为储能的额定功率和额定容量;Ccp、Cce分别为储能投资建设的单位功率成本和单位容量成本。4)储能的运营维护成本Cope。储能系统的运营维护成本也包括功率成本和容量成本2个方面。(8)式中:Cop、Coe分别为储能运营维护的单位功率成本和单位容量成本。5)储能的全寿命周期成本Clcc。根据储能系统的使用寿命和贴现率,将其投资建设成本及年运营维护成本在全寿命周期内进行成本分摊,得到储能系统的成本年值。(9)式中:r为贴现率;l为储能
14、的使用寿命年限。6)储能系统经济性评估模型。基于收益与成本模型,可得式(4)所示的储能系统经济性评估模型。2.2 储能运行约束选取节点i处的储能类型,用于决定储能的最大容量和充放电功率:(10)式中:j为节点i处投入的储能类型编号(j为正整数,且j=1时的储能类型为不投入储能);TESS为储能类型的集合;Ti,j,ESS为0-1变量(值为1时表示节点i处投入j型储能,值为0时表示节点i处不投入j型储能)。储能的位置约束为:(11)式中:Li,ESS为0-1变量(值为1时表示节点i处投入储能;值为0时表示节点i处不投入储能)。储能系统的复功率由有功功率和无功功率组成:(12)式中:St,i,ES
15、S、Pt,i,ESS、Qt,i,ESS分别为t时刻节点i处储能的复功率、有功功率和无功功率;BESS为配电网可投入储能的节点集合。对由最大复功率定义的储能功率曲线进行线性化19:(13)式中:i、i、i为近似直线的系数,可以将i/i和i/i视为近似直线的斜率和截距;PNi为节点i处储能的额定功率。储能容量随充放电功率变化的关系为:(14)式中:Et,i,ESS为t时刻节点i处储能的容量;t为单位时间长度。储能的容量应在允许的最小和最大范围内:(15)式中:Ei,ESS,max、Ei,ESS,min分别为最大和最小储能等级允许状态;Ci为节点i处储能系统能量库。初始储能容量设置为:(16)式中:
16、E1,i,ESS为初始时刻节点i处储能的容量;Eini为初始储能容量系数。为尽量减少与储能日常循环相关的老化,储能的能量交换保持在从文献24中提出的电池老化感知控制策略获得的阈值内:(17)式中:为一个取决于Pt,i,ESS的正参数;Nc为每天允许的循环次数。2.3 线路扩容约束 在线路ij上安装d型导线,且线路功率和电流的上限将随着安装导线的类型变化而变化:(18)(19)(20)式中:lij,d为0-1变量(值为1时表示线路ij处导线类型为t,值为0时表示线路ij处导线类型不为d);D为导线类型集合;Bbranch为配电网线路的集合;Sij,max为线路ij的功率上限,Iij,max为线路
17、ij的电流上限;Sd,max为d类型导线的功率上限;Id,max为d类型导线的电流上限。2.4 辐射状拓扑约束 (21)式中:Tij为描述支路ij投切状态的0-1变量(值为1时表示支路闭合,值为0时表示支路断开);nb、ns分别为配电网的节点总数和根节点数。2.5 可开放容量约束网格剩余可开放容量应满足未来5年负荷增长需求:配电268供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月图1 算法结构示意Fig.1 Algorithm structure diagram (22)式中:Pi,OPL为配电网节点i处的可开放有功容量;P为网格未来5年负荷
18、增长需求量;Bbus为配电网节点的集合。2.6 潮流约束节点电压约束、线路电流约束、线路容量约束、支路首端功率的二阶锥约束分别为:(23)(24)(25)(26)式中:Ui、Ui,max、Ui,min分别为节点i的电压及其上、下限;Iij为线路ij的电流;Sij、Sij,max、Sij,min分别为线路ij的功率及其上、下限;Pij、Qij分别为线路ij的有功功率和无功功率。欧姆定律约束为:(27)式中:rij、xij分别为线路ij的电阻和电导;M为一个很大的正数。节点功率平衡约束为:(28)(29)式中:Pj,PV为节点j处的光伏出力;Pg、Qg分别为发电机的有功和无功出力;Pj,load、
19、Qj,load分别为节点j处的基础有功和无功负荷;Pj,OPL、Qj,OPL分别为配电网节点j处的可开放有功容量和无功容量。综上,由式(1)至式(29)组成的配电网可开放容量优化模型是一个典型的混合整数二阶锥规划模型。在简单的场景中,该问题可以通过现有的求解器求解。但模型的复杂性会随着场景数量、电网运行时间以及配电网节点数量的增加呈指数级增长,大大削弱现有求解器的优化能力,此时可以使用Benders算法提高求解速率。3 基于Benders分解的求解算法3.1 Benders分解方法Benders分解算法是割平面法的一种特殊形式,核心思想是将原问题分解为易于求解的混合整数线性规划主问题和连续非线
20、性规划子问题,被广泛用于求解随机规划等大规模混合整数问题25。Benders分解算法求解的混合整数规划问题的目标函数和约束条件分别为26:(30)(31)式中:y1为连续变量;y2为整数变量;C1、C2、A1、A2、A3、b1、b2为系数矩阵;S为实数集合的子集。Benders分解算法求解式(30)和式(31)的基本思路为:将模型分解为以y2为变量、包含部分不等式约束的主问题,以及保持整数变量恒定、以y1为变量的子问题。若主问题解对于子问题不可行,则生成可行性割集;若主问题解对于子问题可行,则求解子问题对偶系数,形成最优割集反馈给主问题。主问题经过修正后再次迭代求解主-子问题,直至子问题找不到
21、新的可影响主问题结果的不等式约束时,或者上、下界之间的差值小于阈值时迭代终止。3.2 主-子问题为了更好地解决由引入与储能和线路扩容相关的大量二元变量而导致复杂性增加的问题,本文采用Benders分解算法将原优化模型分为主-子问题,减少了计算时间,同时也保持了所获得解决方案的最优性。算法结构示意如图1所示。确定扩容线路和储能的位置及容量类型储能协调层光伏线路扩容投资总成本最小主问题确定储能运行状态及光伏接入容量,并检验是否满足运行约束子问题Benders割集Benders割集分解层配电269供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月图2
22、Benders分解算法计算流程Fig.2 Benders decomposition algorithm calculation process图3 配电网网格地理接线Fig.3 Distribution Network Grid Geographic Diagram其中,主问题主要用于处理离散变量和线性约束,该主问题以光伏、储能和线路扩容投资总成本最小为目标,在满足热稳约束的基础上,规划扩容线路和储能的位置及容量类型,同时在子问题中确定储能运行情况及光伏接入容量。Benders分解算法计算流程如图2所示。区别。因此,基于不同负荷特性,将配电网网格划分为A、B、C、D四个供电区域,其中供电区域
23、A的节点编号为A0-A18,负荷类型为社区类;供电区域B的节点编号为B0-B23,负荷类型为住宅类;供电区域C的节点编号为C0-C12,负荷类型为商业类;供电区域D的节点编号为D0-D15,负荷类型为工业类。基于各区域的历史负荷用电数据及光伏数据进行分析,得出各负荷类型的典型日负荷和光伏出力占最高峰比值,如表1所示。表1 各负荷类型的典型日负荷及光伏出力占最高峰比值Table1 Ratio of typical daily load of each load type and PV output to peak load时刻典型日负荷占最高峰比值光伏出力占最高峰比值社区类住宅类商业类工业类10
24、.3600.4120.6860.769020.3120.4400.5890.762030.3340.4280.5650.828040.3980.3680.5220.792050.3050.5020.5060.851060.5320.4590.6650.841070.6870.6860.7340.7940.05780.6530.7310.7900.7910.11390.7060.7070.6900.8180.410100.6170.6960.8200.8880.664110.4990.5841.0000.9640.925120.4690.4990.9981.0000.980130.6240.66
25、50.8620.9821.000140.6370.7050.9160.9220.947150.8450.7960.9060.9690.870160.9120.7840.9010.8770.762171.0001.0000.9360.9480.364180.9330.9480.9640.8690.107190.9560.9400.8190.8810.085200.7760.9530.8210.8730210.7910.7890.7460.8430220.6010.7370.6870.8650230.5280.7470.6800.7570240.4460.4700.6880.8360本文将分别考虑
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 开放 容量 配电网 资产 效率 提升 优化 方法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。