考虑配电网重构的电-气联合传输网络规划_刘畅.pdf

第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 3;修订日期:2 0 2 3-0 3-1 6 基金资助:国家自然科学基金项目(5 1 9 7 7 0 4 2)通讯作者:黎静华(1 9 8 2),女,广西博白人,广西大学教授,博士生导师,博士;E-m a i l:h a p p y j i n g h u a 1 6 3.c o m。引文格式:刘畅,王治邦,黎静华.考虑配电网重构的电 气联合传输网络规划J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):6 1 6-6 3 0.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 6 1 6考虑配电网重构的电 气联合传输网络规划刘畅,王治邦,黎静华*(广西大学 广西电力系统最优化与节能技术重点实验室,广西 南宁5 3 0 0 0 4)摘要:电气负荷需求日益增长使传输网络所需传输容量增大,网络的固有拓扑结构未能灵活适应负荷变化,易造成传输网络投资成本的浪费,其规划的经济性尚有提升的空间。为了解决上述问题,可通过配电网重构改变网络的功率分布,并计及碳排放成本,对电 气综合能源系统(i n t e g r a t e de l e c t r i c i t y-g a se n e r g ys y s t e m,I E G-E S)传输网络进行优化规划。建立考虑配电网重构的I E G E S规划模型,使用虚拟功率法约束电网的连通性,通过支路数量约束保证电网的辐射状,并采用增量分段线性法处理气网的非线性约束。模型优化了网络的拓扑结构,改变了配电网络的功率分布,使靠近电源端线路所需传输容量降低,从而减少对新建线路的需求。仿真结果表明,考虑配电网重构的I E G E S规划模型可在保证安全性的前提下降低规划的总成本。关键词:配电网重构;碳排放成本;电 气综合能源系统;传输网络优化规划中图分类号:TM 7 1 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 6 1 6-1 5E l e c t r i c i t y g a s j o i n t t r a n s m i s s i o nn e t w o r kp l a n n i n gc o n s i d e r i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o nL I UC h a n g,WANGZ h i b a n g,L I J i n g h u a*(G u a n g x iK e yL a b o r a t o r yo fP o w e rS y s t e m O p t i m i z a t i o na n dE n e r g y-S a v i n gT e c h n o l o g y,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h ei n c r e a s i n gd e m a n df o re l e c t r i c i t ya n dg a sl o a d si n c r e a s e st h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t yr e q u i r e db y t h e t r a n s m i s s i o nn e t w o r k.T h e i n h e r e n t t o p o l o g yo f t h en e t w o r kc a nn o tf l e x i b l ya d a p tt ot h el o a dc h a n g e s,w h i c hi se a s yt o w a s t et h ei n v e s t m e n tc o s to ft h et r a n s m i s s i o nn e t w o r k.T h e r e i s s t i l l r o o mf o r i m p r o v e m e n t i n t h e e c o n o m yo f i t sp l a n n i n g.I no r d e r t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s,t h ep o w e rd i s t r i b u t i o no ft h en e t w o r kc a nb ec h a n g e dt h r o u g ht h e r e c o n f i g u r a t i o no f t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k,a n d t h e t r a n s m i s s i o nn e t w o r ko f t h ei n t e g r a t e de l e c t r i c i t y-g a se n e r g ys y s t e m(I E G E S)c a nb eo p t i m i z e da n dp l a n n e dt a k i n gi n t oa c c o u n t t h ec o s to fc a r b o ne m i s s i o n s.T h eI E G E Sp l a n n i n g m o d e lc o n s i d e r i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o ni se s t a b l i s h e d.T h ev i r t u a lp o w e rm e t h o di su s e dt oc o n s t r a i nt h ec o n n e c t i v i t yo ft h eg r i d,t h er a d i a ls h a p eo ft h eg r i di sg u a r a n t e e db yt h en u m b e ro fb r a n c h e s,a n dt h ei n c r e m e n t a lp i e c e w i s el i n e a rm e t h o di su s e dt od e a lw i t ht h en o n l i n e a r第3期刘畅,等:考虑配电网重构的电 气联合传输网络规划c o n s t r a i n t so f t h eg a sn e t w o r k.T h em o d e lo p t i m i z e st h et o p o l o g yo ft h en e t w o r k,c h a n g e st h ep o w e rd i s t r i b u t i o no f t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k,a n dr e d u c e s t h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo ft h e l i n e sn e a r t h ep o w e r s u p p l ye n d,t h u s r e d u c i n g t h ed e m a n d f o rn e wl i n e s.T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w t h a t t h e I E G E S p l a n n i n gm o d e l c o n s i d e r i n g d i s t r i b u t i o n n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o nc a nr e d u c e t h e t o t a l c o s to fp l a n n i n gu n d e r t h ep r e m i s eo f e n s u r i n gs e c u r i t y.K e yw o r d s:d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n;c a r b o ne m i s s i o nc o s t;i n t e g r a t e de l e c t r i c i t y-g a se n e r g ys y s t e m;t r a n s m i s s i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o np l a n n i n g0 引言近年来,电力、天然气能源相互耦合程度不断加深,因电、气能源相互转化而具有的多能源互补互济的优势,使得电 气综合能源系统(I E G E S)得到了广泛的研究和应用1-2。在I E G E S中,能源通过包含电力线路、天然气管道和耦合设备的传输网络进行耦合、转换与传输,实现了电、气能源的互济互动,从而增加了能源利用率。对传输网络进行合理规划,使其在能够满足供能需求的同时兼顾系统供能的经济性和可靠性,具有重要意义。目前,国内外学者对于I E G E S传输网络的规划问题开展了一定程度的研究3-1 3。文献4 提出了一种天然气和电力网络的整体规划方法,以大幅节省投资成本。文献5 提出了一种双层分解方法,用于配电网络、天然气网络以及能源枢纽的联合规划。文献6 以经济成本最小化和能源系统利用率最大化为双重目标,建立I E G E S优化规划模型。文献7 在目标函数和约束条件中计及供能可靠性,研究I E G E S传输网络最优规划方案。文献8 提出了一种基于交替方向乘子法的电 气互联系统分布式协同规划方法,更能够适应电、气系统投资主体不同的实际情况。以上文献都针对I E G E S传输网络的规划问题提出了较好的模型和方法,但未能考虑配电网络的可重构特性,固定的拓扑结构无法灵活适应负荷需求的变化,存在优化的空间。为此,国内外学者在规划问题的研究中考虑运行层面的影响,通过配电网重构使网络的拓扑结构发生改变,增强对当前运行工况的适应性。文献9 提出了一种通过优化备用支路的配置来提高配电网重构能力的配电网规划方法。文献1 0 提出了一种基于图论理论的求解配电网双层扩展规划模型的方法。文献1 1 提出了一种减小功率损耗和三相不平衡电压的网络重构算法,可用于三相配电系统的运行和扩容规划。文献1 2 考虑了事故重构和经济重构的共同影响,建立了配电网智能终端双层规划模型。以上文献均为在单一的配电网规划问题中考虑重构的研究,在I E G E S中将传输网络规划和重构结合进行研究的还相对较少。文献1 3 在此方面做了探索,但其模型未在优化目标中考虑对碳排放因素的影响。在“双碳”目标的背景下,碳排放配额的发放使排放主体需要考虑可能产生的碳排放成本,然而,目前考虑碳排放的规划研究大多集中在电网等单一网络的规划上1 4-1 7,少有在I E G E S传输网络规划中考虑碳排放因素的研究,因此,在I E G E S的规划目标中计及碳排放成本可以使模型更能适应当前背景下的规划需求。以上分析表明,考虑配电网重构是当前能源网络规划关注的热点,然而,目前针对双碳目标下考虑配电网重构的I E G E S传输网络规划的研究相对较少。对此,本文计及碳排放成本,研究了考虑配电网重构的I E G E S传输网络规划问题。首先,本文探讨分析如何对I E G E S传输网络进行合理规划;然后,基于配电网络、天然气网络和电 气耦合设备的规划模型,在I E G E S中建立考虑配电网重构的包括电力线路、天然气管道、电转气设备(p o w e r t og a s,P 2 G)和燃气轮机在内的传输网络优化规划模型,并716广西大学学报(自然科学版)第4 8卷应用GUR O B I求解器在MAT L A B软件上对规划模型进行求解;最后,基于I E E E 3 3节点配电网络和比利时2 0节点天然气网络组合而成的联合系统对模型进行仿真,将投资成本、运行成本、碳排放成本、能量短缺成本和最优规划方案在4种场景下的不同结果进行对比,分析考虑网络重构对规划结果经济性的积极影响,并验证了模型的正确性和可行性。1 I E G E S及其传输网络规划I E G E S的组成如图1所示。通过耦合设备的投入加深了电、气网络的耦合,实现了能源的相互转化和能量的双向流动。I E G E S由含m个节点的配电网络、n个节点的天然气网络和耦合设备3个部分组合而成,其中耦合设备包括P 2 G和燃气轮机。这些耦合设备使得电、气网络能够更紧密地联系在一起,实现多能源系统中源、网、荷的互济、互补、互动耦合。在负荷需求不断增大的背景下,如何对I E G-E S的传输网络进行合理的规划变得尤为重要1 8。图1 I E G E S的组成F i g.1 C o m p o s i t i o no f I E G E S传输网络规划是对图1所示的传输网络内部包含的电力线路、天然气管道和耦合设备3个部分进行规划。在满足负荷需求和技术性指标的前提下,规划新建设备的类型、地点和年份,最终使规划结果的经济性达到最优。传统的规划研究未能充分发掘运行层面因素对提升规划结果经济性的影响,为此,本文在电力线路规划部分考虑配电网重构的影响,使拓扑结构能够灵活地适应当前负荷的不断变化,以提高规划的经济性,并在规划目标中增加考虑对碳排放成本的影响,使规划结果在满足负荷需求的同时兼顾“双碳”目标下的环保使命,提升了规划的经济性和规划模型的实际应用价值。2 考虑配电网重构的I E G E S规划模型本文建立考虑配电网重构的I E G E S规划模型,以规划年限内最优总成本为目标函数,以配电网络运行约束、配电网重构约束、天然气网络运行约束、新建投资约束和耦合设备约束为约束条件,对电力线816第3期刘畅,等:考虑配电网重构的电 气联合传输网络规划路、天然气管道和耦合设备3个部分的建设年份和建设地点进行规划。2.1 目标函数本文以规划年限内I E G E S的规划总成本最小为目标函数,共包括投资成本、运行成本、碳排放成本、能量短缺成本4个部分。m i nC=Yy=1Ci n v(y)+Co p e r(y)+Ce c(y)+Ce n s(y)(1+r)y-1,(1)式中:C为规划年限 内的规划总 成本;r为 折现率;Y为规 划年限;Ci n v(y)、Co p e r(y)、Ce c(y)和Ce n s(y)分别为在规划年限内第y年的投资成本、运行成本、碳排放成本和能量短缺成本。投资成本。Ci n v(y)=mMiGi n vmci n vi,mPm a xi,mZi,m(y),(2)式中:ci n vi,m为单位容量下第m种候选设备的投资成本;Pm a xi,m为i节点处设置的第m种候选设备的额定容量;Zi,m(y)为一个0 1变量,表示第y年度i节点处设置的第m种候选设备是否新建,取1为新建,取0为不新建;M为候选设备种类集合;Gi n vm为第m种候选设备的集合。运行成本。Co p e r(y)=NdTt=1mNiGo p e rmco p e ri,mPi,m(y,t),(3)式中:T为时段数;Nd为天数;co p e ri,m为单位容量下i节点处设置的第m种运行设备的运行成本;Pi,m(y,t)为第y年度t时段i节点处设置的第m种运行设备的有功功率;N为不同运行设备种类的集合;Go p e rm为第m种的运行设备的集合。碳排放成本。在“双碳”目标下,为减少碳排放量,政府通过发放碳排放配额1 9-2 0对各行业的碳排放上限进行约束,从而使原本不受约束的碳排放权变成了一种稀缺的配额,以此来激发企业的减排动力,进而促进能源结构的变革。在我国,火电等传统能源发电占比仍处于较高水平,因此,电力行业也是我国最大的碳排放行业。基于上述原因,在规划过程中考虑碳排放成本是十分必要的。本文所使用的碳排放配额模型如式(4)所示。DG=NdYy=1Tt=1iGsPi(y,t),(4)式中:DG为碳排放配额;Gs为变电站和燃气轮机集合;为单位有功出力下的碳排放配额分配率;Pi(y,t)为第y年度t时段变电站和燃气轮机i发出的有功功率。本文考虑的碳排放总量由变电站转换的燃煤发电和燃气轮机发电两部分产生的碳排放量组成,如式(5)所示。FG=NdYy=1Tt=1iGs(G e nPG e ni(y,t)+N G F PPN G F Pi(y,t),(5)式中:FG为碳排放总量;G e n和N G F P分别为变电站转换的燃煤发电和燃气轮机发电的碳排放系数;PG e ni(y,t)和PN G F Pi(y,t)分别为变电站和燃气轮机i在第y年度t时段时的有功功率。发电产生的碳排放总量超过碳排放配额的部分需要按比例支付碳排放费用,也即碳排放成本,如式916广西大学学报(自然科学版)第4 8卷(6)所示。Ce c(y)=pC O2(FG-DG),(6)式中:Ce c(y)为碳排放成本;pC O2为碳交易价格。能量短缺成本。Ce n s(y)=Ndd=1Tt=1(Pec u t(y,d,t)Se+Qgc u t(y,d,t)Sg),(7)式中:Pec u t(y,d,t)和Qgc u t(y,d,t)分别为第y年度第d天t时段所切除的电、气负荷;Se和Sg分别为每单位电、气负荷的能量短缺成本。2.2 约束条件2.2.1 配电网络运行约束电力线路约束。PLi j(y,t)=WLi j(y,t)i(y,t)-j(y,t)Xi j,(i,j)NE LNC L,(8)PLi j(y,t)-i(y,t)-j(y,t)Xi jA(1-Yy=1ZLi j(y),(i,j)NE LNC L,(9)PLi j(y,t)PL,m a xi j,(i,j)NE LNC L,(1 0)式中:PLi j(y,t)为第y年度t时段时i j线路流过的有功功率;WLi j(y,t)为表示第y年度t时段时i j线路是否重构的0 1变量,取1时维持运行状态,取0时线路断开;i(y,t)为第y年度t时段i节点的电压相角;Xi j为i j线路的电抗;NE L和NC L分别为现存电力线路和候选电力线路的集合;A为一个特别大的正数,取1 06;ZLi j(y)为表示第y年度i j线路是否新建的0 1变量,取1为新建,取0为不新建;PL,m a xi j为i j线路流过的有功功率的最大值。节点功率平衡约束。PG e ni(y,t)+PN G F Pi(y,t)+PC u ti(y,t)=PP 2 Gi(y,t)+PDi(y,t)+(i,j)NE LNC LPLi j(y,t),(1 1)式中:PP 2 Gi(y,t)为第y年度t时段i节点处设置的P 2 G设备消耗的有功功率;PDi(y,t)为第y年度t时段i节点处的电力负荷。相角约束。-m a xiim a xi,iNE LNC L,(1 2)式中m a xi为i节点的电压相角的最大值。配电网络允许切负荷量约束。0Ndd=1Tt=1pe(y,d,t)Pec u t(y,d,t)Ee,m a xy(1 3)式中:pe(y,d,t)为第y年度第d天t时段系统中发生切电负荷场景的概率值;Ee,m a xy为第y年度允许切电负荷量均值的上限。2.2.2 配电网重构约束在规划问题中,以新建变量和重构变量作为决策变量以达到使总成本最低的目标,同时,考虑配电网重构的因素还需要考虑以下约束条件:状态变量约束。026第3期刘畅,等:考虑配电网重构的电 气联合传输网络规划1)新建约束:为了满足规划年限内投建设备不允许重复拆建的原则,保证前一年的新建变量不大于后一年的新建变量,如式(1 4)所示。Zi,m(y)Zi,m(y+1),mM,iGi n vm。(1 4)2)重构约束:重构是在线路存在的基础上进行的,式(1 5)、(1 6)的约束表示,现存线路或已新建的线路才考虑其是否重构。WLi j(y,t)1,(i,j)NE LNC L,(1 5)WLi j(y,t)ZLi j(y),(i,j)NC L。(1 6)辐射状约束。配电网络是闭环规划、开环运行的,国内外的配电网络多采用辐射状结构的供电方式,因此,在对配电网络的规划中也需使网络拓扑满足辐射状结构。若使配电网络拓扑为辐射状结构,则需满足以下2个条件2 1-2 4。条件1:网络满足连通性。条件2:网络中有L-LG e n条闭合的支路,其中L和LG e n分别为网络中的节点总数和发电节点数量。1)网络连通性约束。网络连通性约束使每个负荷点都与上层电网电源形成连通关系,不出现孤岛的情况。本文使用虚拟功率法对网络连通性进行约束,如式(1 7)(2 0)所示。-(SE Li j+ZLi j(y,t)SC Li j)fLi j(y,t)SE Li j+ZLi j(y,t)SC Li j,(i,j)NE LNC L,(1 7)-WLi j(y,t)(SE Li j+ZLi j(y,t)SC Li j)fLi j(y,t)WLi j(y,t)(SE Li j+ZLi j(y,t)SC Li j),(i,j)NE LNC L(1 8)fG e ni(y,t)=SG e ni,iNG e n,(1 9)fDi(y,t)=SDi,iND,(2 0)式中:fLi j(y,t)为第y年度t时段时i j线路流过的虚拟功率;fG e ni(y,t)为第y年度t时段时变电站i发出的虚拟功率;fDi(y,t)为第y年度t时段时负荷i消耗的虚拟功率;SE Li j和SC Li j分别为原有电力线路和候选电力线路的线路容量;SG e ni为变电站的容量;SDi为负荷量;NG e n为变电站节点的集合;ND为负荷节点的集合。根据以上的虚拟功率可得配电网的连通性约束为fG e ni(y,t)-fDi(y,t)-(i,j)NE LNC LfLi j(y,t)=0。(2 1)2)支路数量约束。根据条件2对支路数量进行约束:Hh=1Wh=L-LG e n,(2 2)式中:H为配电网络中的总支路数;h为支路的序号,h=1,2,H;Wh为第h条支路的开合状态,当支路闭合时取值为1,当支路断开时取值为0。网络连通性约束可以满足条件1,支路数量约束可以满足条件2,在条件1和条件2均被满足的情况下即可保证网络的辐射状结构。126广西大学学报(自然科学版)第4 8卷2.2.3 天然气网络运行约束气源点出气约束。QG S,m i ngQG Sg(y,t)QG S,m a xg,gNG S,(2 3)式中:QG Sg(y,t)为第y年度t时段时g气源点注入的天然气流量;QG S,m a xg和QG S,m i ng分别为g气源点注入的天然气流量的最大值和最小值;NG S为气源点集合。天然气管道约束。天然气的管道流量和节点气压之间存在非线性的关系,本文使用W e y m o u t h模型对此关系进行描述,如式(2 4)、(2 5)所示,式(2 6)表示传输流量极限约束。s g n(pg(y,t)-ph(y,t)QPg h(y,t)2=K2g h(pg(y,t)2-ph(y,t)2),(g,h)NE P(2 4)s g n(pg(y,t)-ph(y,t)QPg h(y,t)2-K2g h(pg(y,t)2-ph(y,t)2)B(1-Yy=1ZPg h(y),(g,h)NC P(2 5)QPg h(y,t)QP,m a xg h,(g,h)NE PNC P(2 6)式中:s g n()为符号函数;pg(y,t)和ph(y,t)分别为第y年度t时段时g节点和h节点处天然气的气压;QPg h(y,t)为第y年度t时段时g h管道所输送的气流量;Kg h为g h管道的系数;NE P和NC P分别为现存的天然气管道和候选的天然气管道集合;ZPg h(y)为第y年度g h管道是否新建的0 1变量,取1为新建,取0为不新建;B为一个特别大的正数;QP,m a xg h为g h管道所输送的气流量的最大值。节点天然气平衡约束。QG Sg(y,t)+QP 2 Gg(y,t)+QC u tg(y,t)=QN G F Pg(y,t)+QDg(y,t)+(g,h)NE PNC PQPg h(y,t),(2 7)式中:QP 2 Gg(y,t)为第y年度t时段时g节点处设置的P 2 G设备所注入的天然气流量;QN G F Pg(y,t)为第y年度t时段时g节点处设置的燃气轮机所消耗的天然气流量;QDg(y,t)为第y年度t时段时g节点处的天然气负荷。4)天然气网络允许切负荷量约束。0Ndd=1Tt=1pg(y,d,t)Qgc u t(y,d,t)Eg,m a xy,(2 8)式中:pg(y,d,t)为第y年度第d天t时段系统中发生切气负荷场景的概率值;Eg,m a xy为第y年度允许切气负荷量均值的上限。2.2.4 新建投资约束在规划年限内假设各候选设备只有1次新建机会,约束如下:Yy=1Zi,m(y)1,iGi n vm。(2 9)2.2.5 耦合设备约束式(3 0)、(3 1)分别表示P 2 G设备和燃气轮机的容量上、下限约束,式(3 2)、(3 3)表示二者的能量转换约束。PP 2 G,m i niPP 2 Gi(y,t)PP 2 G,m a xi,iNe H,(3 0)QN G F P,m i ngQN G F Pg(y,t)QN G F P,m a xg,gNg H,(3 1)PN G F Pi(y,t)=c kN G F PQN G F Pg(y,t),iNe H,gNg H,(3 2)226第3期刘畅,等:考虑配电网重构的电 气联合传输网络规划QP 2 Gg(y,t)=1ckP 2 GPP 2 Gi(y,t),iNe H,gNg H,(3 3)式中:PP 2 G,m a xi和PP 2 G,m i ni分别为i节点处P 2 G设备消耗的有功功率的最大值和最小值;QN G F P,m i ng和QN G F P,m a xg分别为g节点处设置的燃气轮机所消耗的天然气流量的最小值和最大值;Ne H为配电网络中耦合设备所连节点的集合;Ng H为天然气网络中耦合设备所连节点的集合;c为电 气能源的等热值转换系数;kP 2 G和kN G F P分别为P 2 G设备和燃气轮机的能量转换效率。2.3 模型求解在考虑配电网重构的I E G E S规划模型中,通过W e y m o u t h模型描述了天然气的管道流量和节点气压之间的非线性关系,使得上述I E G E S规划模型为一个混合整数非线性规划模型。本文通过增量分段线性法7对天然气的管道流量和节点气压之间的非线性关系进行线性化处理,以提高求解效率,并使用GUR O B I求解器在YA LM I P环境中通过MA T L A B软件对以上模型进行求解。规划模型求解流程如图2所示。图2 规划模型求解流程图F i g.2 F l o w c h a r t o f s o l v i n gp l a n n i n gm o d e l3 算例分析3.1 算例说明本文选取修改的I E E E 3 3节点配电网络2 5和比利时2 0节点天然气网络7组合而成的I E G E S作为算例进行分析。I E E E 3 3节点配电网络中包含1个变电站节点、3 2条运行线路、5条联络线和5条候选线路;比利时2 0节点的天然气网络中包含2个气源点、1 9条原有的天然气管道和7条候选管道。配电网络和天然气网络通过2套P 2 G设备和2套燃气轮机进行耦合,本文以规划年限内的电力线路、天然气管道和耦合设备作为候选设备,待规划的I E G E S拓扑结构如图3所示。326广西大学学报(自然科学版)第4 8卷图3 I E G E S拓扑结构F i g.3 T o p o l o g yo f I E G E S 本文取规划年限为5年,规划年限内电、气负荷每年的平均增长率取2.5%和1.2%,电、气负荷的典型日变化曲线如图4所示。电 气网络间的等热值转换系数取0.0 1MWh/m3,折现率取6%,表1所示为I E E E 3 3节点配电网络和比利时2 0节点天然气网络中各元件的参数。变电站转换的燃煤供电和燃气轮机供电的碳排放系数分别为0.9和0.4,单位有功出力发电的碳排放配额分配率为0.7 9 8t/(MWh),碳交易价格1 4 5元/t。本文通过以下4种场景来验证电、气网络耦合规划以及考虑配电网重构对规划结果的积极影响,仿真场景见表2。场景1为配电网络和天然气网络分开规划的传统规划方式,并仅以运行线路作为待规划配电网络的原有线路进行考虑。场景2和场景3在场景1的基础上考虑电、气耦合规划,以I E G E S为规划主体,对年限内待建的线路、管道和耦合设备进行规划,分别基于文献2 6 和文献7 的模型。场景4在场景3的基础上考虑了配电网重构,以此研究考虑配电网重构的I E G E S联合规划问题。图4 电、气负荷的典型日变化曲线F i g.4 T y p i c a l d i u r n a l v a r i a t i o nc u r v eo f e l e c t r i c a l a n dg a s l o a d426第3期刘畅,等:考虑配电网重构的电 气联合传输网络规划表1 I E E E 3 3与比利时2 0节点联合系统的元件参数T a b.1 d e v i c ep a r a m e t e r so f I E E E3 3-b u sa n dB e l g i u m2 0-n o d e s y s t e m元件参数类型取值电力线路投资成本ci n vL/(元MW-1)5 5 13 6 0有功功率最大值PL,m a x/MW6 5天然气管道投资成本ci n vP/元68 9 2管道流量最大值QP,m a x/(m3h-1)8 00 0 0变电站运行成本co p e rG e n/(元MW-1h-1)4 3 0气源运行成本co p e rG S/(元m-3)2.7投资成本ci n vP 2 G/(元MW-1)15 0 00 0 0P 2 G运行成本co p e rP 2 G/(元MW-1h-1)5 0 0能量转换效率kP 2 G/%6 0投资成本ci n vN G F P/(元MW-1h-1)1 0 33 8 0燃气轮机运行成本co p e rN G F P/(元MW-1h-1)5 0 0能量转换效率kN G F P/%8 0表2 仿真场景T a b.2 S i m u l a t i o ns c e n a r i o s场景是否耦合规划是否考虑重构变量数等式约束数不等式约束数1否否1 191 1 2(文献2 6)是否1 3483(文献7)是否1 71 11 34是是2 01 51 8 下文对以上4种场景下的规划结果进行对比,分析是否对电 气网络进行耦合规划,以及是否考虑配电网重构对规划结果的影响。3.2 规划结果对比分析3.2.1 方案结果对比分析比较场景1-4中最优规划方案的结果,以验证考虑配电网重构的I E G E S优化规划模型的有效性,4种场景下的最优规划方案见表3。表中,()中数字为新建的线路、管道、耦合设备所在的网络节点,中数字为新建年份,如(5,8)1 表示第1年度新建了一条天然气管道,分别连接天然气网络的第5节点和第8节点,燃气轮机(2 4,1 2)1 表示第1年度新建了一套燃气轮机设备,分别连接配电网络的2 4节点和天然气网络的1 2节点。表3 4种场景下的最优规划方案T a b.3 O p t i m a l p l a n n i n gs c h e m eu n d e r f o u r s c e n a r i o s场景新建电力线路新建天然气管道新建耦合元件1(1,2)1(2,3)1(3,4)1(4,5)1(5,6)1(1,2)1(1,1 5)5(1,1 6)1(2,3)1(5,8)1(8,1 9)12(1,2)1(2,3)1(1,2)1(5,8)1燃气轮机(1 0,1 0)13(1,2)1(2,3)1(1,1 6)1(5,8)1(8,1 9)1P 2 G(1,1 2)1燃气轮机(1 0,1 0)1526广西大学学报(自然科学版)第4 8卷续表场景新建电力线路新建天然气管道新建耦合元件4(1,2)1(1,1 6)1(5,8)1(8,1 9)1P 2 G(1,1 2)1燃气轮机(1 0,1 0)1 本文的场景设置是基于当今负荷需求日益增大的背景下,现有的电力线路及天然气管道无法承担过大的流量压力,所以需要进行合理的规划,对电力线路及天然气管道进行扩建。由表3结果数据可知,电、气网络耦合规划以及考虑配电网重构都在一定程度上影响着最终的规划结果。从进行耦合规划方面而言,场景3相比于场景1的独立规划增加了1套连接配电网络1节点和天然气网络1 2节点的P 2 G机组和1套连接配电网络1 0节点和天然气网络1 0节点的燃气轮机。这2台耦合设备的存在使得电、气网络可以实现电能和气能的双向流动,因此使得电网或气网的多余能量可以向对方网络进行传递,实现多能流的互补,并且为能量供给提供支撑,减少了电力线路(3,4)、(4,5)、(5,6)和天然气管道(1,2)、(1,1 5)、(2,3)的新建需求。场景2相比于场景1多增加了1套连接配电网络1 0节点和天然气网络1 0节点的燃气轮机,实现了气能向电能的单向传递,有效缓解了供能压力,减少了电力线路(3,4)、(4,5)、(5,6)和天然气管道(1,1 5)、(1,1 6)、(2,3)、(8,1 9)的新建需求,使投资成本明显降低。从考虑配电网重构方面而言,场景4在场景3的基础上考虑了配电网重构的影响,线路拓扑结构的优化使得网络的功率分布更加适应负荷变化,减少了电源端线路所需传输容量,从而减少了对新建线路的扩容需求。电负荷高峰时段配电网络功率分布图如图5所示。对比场景3和场景4的结果可知,增加考虑了配电网重构的影响后,现存的电力线路(2,3)的功率容量能够满足所需传输功率的需求,由此减少了1条需要规划的新建电力线路,节省了投资成本。图5 电负荷高峰时段配电网络功率分布图F i g.5 D i s t r i b u t i o nn e t w o r kp o w e rd i s t r i b u t i o nm a pd u r i n gp e a k l o a dp e r i o d由表3的场景1-4的结果数据对比可知,在规划过程中,电、气网络是否耦合,以及是否考虑配电网重构都对规划的最优结果有一定的影响,电、气网络耦合规划以及考虑配电网重构都对提高规划的经济性有着十分积极的作用。3.2.2 成本结果对比分析为了量化分析成本结果是否对电 气网络进行耦合规划,以及是否考虑配电网重构对规划结果的影响,图6对比分析了各场景在规划年限内的最优规划方案下的各项成本结果,包括规划总成本、投资成本、运行成本、碳排放成本和能量短缺成本。626第3期刘畅,等:考虑配电网重构的电 气联合传输网络规划图6 4种场景下的成本对比F i g.6 C o m p a r i s o no f c o s t sa m o n g f o u r