考慮運行靈活性的智能配電網多層優(yōu)化規(guī)劃

葉 濱

（國網湖南省電力有限公司湘潭供電分公司 湖南湘潭 411100）

1 引言

相較于傳統(tǒng)配電網規(guī)劃而言，目前在對智能配電網系統(tǒng)規(guī)劃之中有較多不確定因素，比如說分布式電源發(fā)電特性、負荷用電需求等，這些較為靈活的不確定性因素在配電網系統(tǒng)之中，給新的配電網體系帶來了一些問題，同時也給智能配電網發(fā)展帶來一些有利機會。如何有效利用這些靈活性資源，提高電力系統(tǒng)的整體能力成為了當前的熱點問題。

2 考慮運行靈活性資源的智能配電網規(guī)劃模型

2.1 智能配電網規(guī)劃模型

隨著智能配電網發(fā)展，其靈活性資源增加，這就導致配電網更加復雜，使得傳統(tǒng)的定性描述方式對于配電網系統(tǒng)來說，不能對其靈活性的多維特征有著深入分析說明，難以滿足目前以及以后的智能配電網優(yōu)化調度需要，所以，對于目前急需解決的問題時解決配電網靈活性分析與應用問題，需要一種完備的量化分析手段來解決上述問題。對于這種量化分析手段，需要運用數(shù)學分析方法，建立可以對配電網靈活性水平及其復雜屬性特征有著全面、準確了解的模型，為配電網多層次優(yōu)化規(guī)劃提供分析手段。逆變器和控制器性能的提高促進了分布式發(fā)電技術的進步，無線網絡的進步促進了配電網絡的信息化，為了滿足不同用戶電力供應需求以及適應電力市場交易機制的改革，促使智能配電網出現(xiàn)了新形態(tài)。

2.2 配電網規(guī)劃的目標

配電網規(guī)劃的目標是使得系統(tǒng)之中單位時間內系統(tǒng)建設投資（CAPEX）和運行維護費用（COPEX）所產生的成本最小。下面分別介紹兩種系統(tǒng)建設成本：

2.2.1 建設投資成本CCAPEX

CAPEX以變電站建設成本CT和中壓線路建設成本CML為主，具體表述形式如下所示：

式中：Nt——待選的變電站數(shù)目；

Nb——待選的和中壓線路數(shù)目；

αTi——用于表示在規(guī)劃方案中是否包含第i個變電站（若αTi的值為1，則包含在內；若為0，則不包含）；

CTi——表示第i個變電站的投資成本；

βTi——用于表示在規(guī)劃方案中是否包含第i條中壓線路（若βTi的值為1，則包含在內；若為0，則不包含）；

CMLi——表示第i條中壓線路的投資成本；

PMLi——指第i條中壓線路單位長度的投資成本；

lMLi——指第i條中壓線路長度。

2.2.2 運行及維護成本Copex

對于Copex，其表述為每年運行維護成本Copex-t現(xiàn)值之和，公式表述為：

3 Voronoi和Prim算法理論基礎

3.1 利用Voronoi算法進行變電站規(guī)劃

假設空間上有一離散點集P={P1，P2，…，Pn}，每個點各不相同，而且隨機四點不能形成一個圓，對于隨機兩點Pi和Pj的距離記作d（Pi，Pj），故點Pi對應的Voronni多邊形為：

由Ri（1≤i≤n）得到的圖形為點P的Voronoi圖。對于任意Voronoi圖的多邊形子區(qū)域Ri，多邊形內的任意點x到點Pi的距離最小。

3.2 利用Prim算法進行中壓線路規(guī)劃

Prim算法能夠在加權連通圖里搜索最小生成樹，此算法搜索到的樹，不僅囊括了連通圖里所有頂點，且所得到的邊的權值之和也是最小。

對對中壓線路進行規(guī)劃中，電源點或者負荷點就等同于頂點，而負荷點或電源點之間的可選路徑就等同于連通圖中的邊，權值等同于每條路徑的投資，所以最小生成樹所對應的就是最佳規(guī)劃方案，此方案總投資最小。

4 智能配電網規(guī)劃流程

4.1 總體流程

理想的智能配電網規(guī)劃需要同時考慮：①提高可再生能源的利用率以及設備耗費最小；②分布式電源的定址、定容、定量；③網絡損耗；④網絡風險指數(shù)；⑤配電網網架；⑥多微網系統(tǒng)運行的經濟性；⑦變電站選址；⑧配電網的控制方式；⑨負荷的特性；⑩其他重要問題。目前沒有一種方法可以全面的考慮到配電網規(guī)劃中的所有方面。本文重點是對變電站和中壓線路進行優(yōu)化規(guī)劃，圖1是配網多層次優(yōu)化流程圖。

圖1 智能配電網規(guī)劃總體流程圖

4.2 變電站優(yōu)化規(guī)劃

以負荷預測結果為依據，以總投資最低、供電范圍內負荷距最小等為目標，根據規(guī)劃設計導則對相關參數(shù)的要求，變電站優(yōu)化規(guī)劃流程為如下步驟：

（1）基本數(shù)據收集。具體有電量負荷總量現(xiàn)狀值及預測值、空間負荷預測結果、變電站投資估算單價、規(guī)劃設計導則中規(guī)定的變電站主變容量和對應臺數(shù)。

（2）確定變電站數(shù)量區(qū)間。

式中：

Rsmin、Rsmax——分別為容載比最小值和最大值；

Pf——負荷預測值；

Smin、Smax——分別為容量的最小值和最大值；

Cmin、Cmax——分別為變電站容量最小值和最大值；

nmin、nmax——分別為變電站座數(shù)最小值和最大值。

其中，Ceil為向上取整函數(shù)。

（3）整數(shù)線性規(guī)劃方法求解。變電站容量的取值范圍由現(xiàn)實情況而定。此步驟主要是通過整數(shù)線性規(guī)劃方法確定出投資最低的容量組合。比如說可選容量為 m 種，即（S1，S2，…，Sm），對應座數(shù)為（x1，x2，…，xm），對應投資分別為（I1，I2，…，Im），則其整數(shù)線性規(guī)劃問題可描述為下式：

（4）微分進化算法參數(shù)設置及初始化。優(yōu)化變量是n座變電站的橫坐標和縱坐標，水平坐標和垂直坐標的變量值是根據導頻區(qū)域的范圍確定的。

（5）檢測變異、交叉生成子代種群是否滿足變量取值范圍約束。

（6）計算并記錄父代種群和子代種群的適應值。

（7）重復上述（3）～（6），滿足終止迭代次數(shù) C 后停止迭代。

（8）結果輸出。結合最小負荷距為原則，綜合考慮變電站實際因素，確定每個變電站位置，計算出變電站最終站址。

4.3 中壓線路優(yōu)化規(guī)劃流程

通過上述變電站規(guī)劃方案，結合實際情況，利用Prim算法，對中壓線路進行優(yōu)化規(guī)劃。具體過程如下所示：

（1）初始方案形成。根據已有的變電站規(guī)劃方案，利用Prim算法得到每個變電站相對應的中壓線路規(guī)劃方案。

（2）聯(lián)絡線路規(guī)劃。此規(guī)劃目標為聯(lián)絡線總長度最短。

（3）運行狀態(tài)劃分。分為若干個典型狀態(tài)，再將每種狀態(tài)的持續(xù)時間進行統(tǒng)計，再延伸至規(guī)劃期。

（4）規(guī)劃方案運行計算。進行典型狀態(tài)下的規(guī)劃方案的運行計算，當出現(xiàn)違反約束條件的情況時，進行配電網重構、負荷削減、DG出力削減和網絡重構等操作，并計算運行成本。

（5）條件判斷。若采取各種解決方案后，仍不符合條件，則被舍棄。

（6）成本計算。計算該規(guī)劃方案下的建設成本和運行成本總和，作為目標函數(shù)值返回。

（7）重復（2）～（6），滿足終止迭代次數(shù)后停止迭代。

（8）輸出。

5 結束語

隨著經濟發(fā)展，智能配電網發(fā)展是發(fā)展趨勢。配電網發(fā)展始終以滿足用戶需求為目標，合理科學的規(guī)劃是配電網安全高效運行的前提。智能配電網系統(tǒng)中的不確定因素的組合為配電網系統(tǒng)發(fā)展帶來了機遇與挑戰(zhàn)。