考虑县域光伏潜力评估的源网荷储协同规划.pdf

第 卷第 期东北电力大学学报.年 月 基金项目:国网公司总部科技项目():./.考虑县域光伏潜力评估的源网荷储协同规划马君亮王智冬张述铭(.东北电力大学电气工程学院吉林 吉林.国网北京经济技术研究院有限公司北京.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)北京)摘 要:为推动“双碳”目标落地我国将加快推动县域分布式光伏开发 文中首先借助高分辨率的遥感信息技术获取一定精度的县域建筑物屋顶图像然后基于 算子边缘检测、阈值分割等图像处理技术剔除图像中的非建筑信息提取边缘轮廓获得建筑物的屋顶面积进而预估光伏容量其次以包含线路改造、变压器扩建、储能、分布式光伏投资运行成本在内的配电网综合成本最小为目标计及光伏开发潜力约束建立源网荷储的双层规划模型并利用量子粒子群算法实现模型快速求解最后以某县域配电网为例验证了计及县域屋顶光伏开发潜力评估的源网荷储协同规划技术的实用性提高了规划方案的经济性与合理性关键词:县域屋顶光伏潜力评估边缘检测协同规划中图分类号:文献标识码:引 言在“双碳”目标驱动下开发利用可再生能源已是大势所趋而光伏发电作为一种重要的可再生能源迎来了最佳发展时机 根据能源研究所等机构预测到 年我国光伏发电装机容量将达到 年达到 在此背景下如何准确评估县域建筑物屋顶光伏的利用潜力以及大规模光伏如何安全可靠、经济高效的接入配电网实现源网荷储联合规划成为国内外学者研究的热点问题在城镇建筑屋顶可利用光伏的潜力评估过程中如何确定建筑物屋顶总面积和光伏可利用面积是其关键环节 针对该问题现有的研究主要从两个角度去解决:)采用地理信息系统将激光探测、测量数据与遥感影像结合进行建筑物屋顶总面积与光伏可利用面积的计算这种方式计算精度高但计算量大)借助地方政府规划统计的各类建筑物面积、楼层高度等数据推算建筑屋顶总面积和屋顶光伏可利用面积这种方法适用于一些建筑物数据统计较为完整、建筑形态统一的地区 随着卫星遥感技术的快速发展高分辨率遥感影像数据资源日渐丰富在各个领域也受到了广泛应用 文献采用高分辨率卫星遥感资料结合气象站数据和光伏电站建设基本条件对太阳能资源利用贫瘠区域的光伏利用潜力分布进行空间分析计算光伏项目建设适宜容量和空间适宜性分布文献基于影像分析方法通过分割参数优选结合光谱、几何和纹理等特征建立了沙漠地区光伏电场专家知识库在中高分辨率遥感影像上完成了光伏电场的精准获取并使用基于对象的规则集鲁棒性分析模型探讨了时相、传感器、空间分辨率和区域差异对规则集鲁棒性的影响针对大规模光伏接入系统的运行控制、安全稳定等问题国内外学者进行了大量研究但主要集中在潮流分布是否发生变化、光伏出力能否充分就地消纳、电压越限等方面的研究考虑电力系统源网荷储不同配置方案的运行经济性开展协调规划方面的研究相对较少 文献提出一种考虑配电公司、分布式电源运营商和用户利益的主动配电网三层规划模型分析了各层之间的相互关系协调规划“源”、“网”、“荷”三方的利益最终确定其网架扩展规划局限是尚未将储能纳入到系统的协调规划中可能会产生光伏发电与负荷峰谷不同步出现大面积弃光的问题 文献提出一种考虑“源网荷储”的协调优化调度模型通过改进遗传算法求解模型有效降低配电网的运行成本提高新能源的消纳能力 文献考虑新能源有功出力的不确定性建立了一种基于多场景技术的主动配电网日内综合运行成本最低为目标的源网荷储协同优化运行模型实现了电网运行的安全性与经济性 文献基于光伏大规模并网综合分析了源网荷储各调峰资源间的互补互济空间利用源网荷储深度互动实现了不同光伏渗透率与系统调峰能力的匹配降低了系统和各个机组调峰的成本 然而上述文献均未对大规模光伏接入电网时的开发潜力做一个准确的评估对电力系统源网荷储开展协调规划方面的研究也相对较少在前人研究基础上本文利用谷歌地图获得区域卫星影像图以此作为研究对象通过改进 算子边缘检测和 阈值分割技术对其进行技术处理利用图像的最大分辨率和像素值获得该区域建筑屋顶总面积引入屋顶光伏可利用系数等参数建立一套完整的屋顶光伏利用潜力的评估体系 并以屋顶光伏评估容量等为约束条件以配电网综合成本最小为目标函数采用双层嵌套量子行为粒子群算法研究源网荷储联合规划的经济运行问题通过实例验证了评估体系以及模型的合理性和科学性 县域屋顶光伏潜力的评估技术.基于遥感图像的屋顶面积的识别与计算考虑县域建筑屋顶资源丰富因其城市化进程较晚屋顶剩余使用时间较长能够满足光伏系统约 年生命周期需求的特征具备巨大的屋顶分布式光伏的开发潜力因此本文制定了如图 所示的技术路线图.算子的边缘检测 算子是图像边缘检测中比较经典的梯度幅值检测算子其基本原理:假设连续图像的函数()函数在点()处的梯度是一个包含大小和方向的矢量即()()公式中:、分别是 方向和 方向的单位矢量因为梯度算子都是建立在此基础之上的绝大部分梯度算子是把()处的边缘梯度幅度和方向分别定义为()()()()公式()、公式()为连续图像函数做出的数据处理但在实际应用过程中采集的图像为一定像素值的离散数据 因此在图像处理过程中通过 检测算子与图像做平面卷积可得到不同方位的相邻或间隔像素差分值并以此表示图像的边缘信息图 屋顶光伏潜力评估技术路线图.传统 算子首先是采用 卷积模板对检测图像进行加权平均或者邻域平均然后进行一阶微分处理通过在边缘临界点产生极值来进行边缘的检测如图 所示图 传统的 算子卷积模板.相比其他边缘检测算法 算子计算简单、速度快但也存在如计算方向单一只能检测水平和垂直方向边缘的缺点对于复杂纹理图像的边缘检测效果不太理想容易造成图像边缘的误判或者断点 为强化边缘检测的效果本文对 算子模板做了、两个方向的扩展如图 所示图 扩展的 算子卷积模板.第 期 马君亮等:考虑县域光伏潜力评估的源网荷储协同规划.阈值分割本文在改进后 算子边缘检测的基础上按照图像的灰度特征采用 阈值分割法把图像分成目标和背景两大块 当目标和背景之间的类间方差越大说明构成图像两部分的反差越大若是目标和背景比较混乱灰度特征不明显将会导致两部分的反差变小因此让类间方差最大的分割意味着错分概率最小其基本思想如下假设原始图像的灰度级为 灰度级为 的像素点数为 则图像的像素总数为()各灰度级出现的概率为 ()在图像分割中可以用阈值 把灰度级划分为两类()和()则和 出现的比例如下:()()()()两者的均值表示如下:()()()()()()整幅图像的灰度平均值为 ()所以类间方差s()为()()()()()()()()()()为了保证s()取得最大值时的 为 ()结合改进后的 算子边缘检测和 阈值分割技术获得县域住宅区域图像的边缘轮廓图再通过获得的原影像图级别和单位像素确认住宅区各建筑屋顶面积.屋顶光伏容量的评估)屋顶光伏可利用面积的计算.().()公式中:表示屋顶光伏可利用面积表示建筑屋顶总面积引入屋顶光伏可利用系数用 表示 根据分析屋顶光伏可利用系数主要受城镇街区、农村、单体建筑三个因素的影响随着城镇化率不断提高建筑用地的面积越来越匮乏高层住宅、公共服务用地等建筑物的数量也在不断增加因此城镇街区的折减系数 取.(一般在.)在乡镇地区住宅建筑一般不会超过三层与其配套的公共设施通常也不会超过三层而且建筑物间距较大相互之间的遮挡问题可以不用考虑因此农村因素的折减系数 取 针对单体建筑的影响因素主要考虑建筑屋顶的朝向、是否有天窗以及楼层间、电梯间等单体建筑折减系数 取.)屋顶光伏发电系统装机容量根据当地的太阳能辐射量、场地面积等因素经技术经济比较确定合适的光伏电池()公式中:为光伏系统容量为光伏组件数量为光伏组件峰值功率)屋顶光伏发电发电量的预测()公式中:为建筑屋顶光伏年发电量为组件安装面太阳能总辐射量为标准条件下的辐射度(常熟/)为光伏系统的运行效率(屋顶常规的运行效率为.)结合光伏发电系统效能规范中光伏电站接入电网的技术标准光伏发电系统的容配比不应超过.的比例得到最终屋顶光伏并入配电网的容量 以源网荷储经济性最优为目标的光伏并网双层规划模型.上层规划模型.目标函数上层模型主要考虑配电网网架结构的规划问东北电力大学学报第 卷题目标函数为()各个部分的含义和计算如下所示:()()()公式中:为单位长度线路的升级改造费用为第 条线路升级改造决策变量为 变量为第 条线路的长度表示网络中升级改造线路的总数 为贴现率为线路使用年限j为线路运行费率 ()()()公式中:、分别为待建变压器的投资费用和运行费用为变压器使用年限.约束条件)配电网架投资约束()公式中:表示折合到年的配电网网架的最大投资成本)配电网网架辐射状网络结构约束()公式中:表示配电网内的负荷总数对配电网网架结构的规划考虑网络连通性需要满足对供电区域的所有负荷点供电不能有孤岛或者孤链的存在该约束条件是用来描述各种决策变量的逻辑关系.下层规划模型.目标函数下层模型将上层规划中的线路升级改造和变压器的待建投资情况作为参数传递至下层用于评估上层规划给定的规划方案下配电网运行的经济性 目标函数为()公式中:为整个周期内配电网运行的总成本为网损成本为向上级电网购电成本为分布式光伏安装维护成本为储能安装运维成本 各主体的运行成本的具体计算为 ()公式中:为单位网损电量的费用表示 时段的系统网损功率 ()公式中:为配网向上级电网购电的单位购电电价为 时段向上级购电功率 ()公式中:为单位容量分布式光伏安装和运行维护费用为 时段内分布式光伏安装总容量 ()公式中:为单位储能安装运维费用为储能总安装容量.约束条件配电网的扩展规划是在保证配电网的安全可靠运行的前提下进行的因此分布式光伏发电的优化配置需满足配电网的潮流、传输功率以及光伏出力等约束)配电网络的潮流约束()()()公式中:、分别为 时刻节点 的负荷功率的有功功率和无功功率和 分别为 时刻节点 和 的电压 表示节点 与节点 相连和 分别为节点 和 之间的导纳矩阵的实部和虚部d为节点 和 之间 时刻的相角差)节点电压约束()公式中:和 分别为节点 的电压幅值上下限)线路传输功率约束()公式中:为第 条支路在 时段的传输功率为其上限)分布式光伏发电出力约束()公式中:为分布式光伏最大允许装机容量第 期 马君亮等:考虑县域光伏潜力评估的源网荷储协同规划)配电变压器容量约束光伏接入配电台区最大反送容量不能超过该台区的配电变压器额定容量即 ()()()公式中:为台区第 个配电变压器额定容量 为接至该配电变压器的分布式光伏数量为接至该变压器的第 个光伏发电功率、分别为第 个负荷的有功功率、无功功率)储能电池运行的约束()()()公式中:为粒子群的粒子个数为第 次迭代 (维度)为第 个粒子第 维变量在第 次迭代中的飞行速度为第 个粒子第 维变量在第 次迭代的当前位置 为惯性权重系数、为学习因子、分别为个体最优和全局最优收敛因子和 分别为个体极值和全局极值.量子行为粒子群优化算法在 算法的实际应用过程中出现了一些还有待改进的问题包括容易早熟收敛、全局寻优能力较差、以及收敛速度慢等 针对以上现象本文采用量子行为粒子群算法()对所建立的源网荷储联合规划数学模型进行优化求解主要步骤如图 所示图 算法流程图.算例分析.屋顶光伏潜力评估本文通过对光伏电池的转换效率、生产成本等多个方面综合考虑选取 的单晶硅光伏电池组件其尺寸为 并选取光伏开发试点县中的东北某县一处住宅区作为研究对象查阅相关资料介绍该县太阳能年辐照量大约是 /年本文在 获得的原始图像为第 级影像图其单位像素的最大分辨率为.单个像素的面积为.按照上文的方法得到该住宅区域的建筑屋顶的外形边缘轮廓如图 所示各屋顶像素点总数为 得到该住宅区域建筑屋顶总面积为 并且按照公式()()计算出其屋顶光伏可利用面积为 .屋顶光伏组件有 个光伏发电系统的装机容量为东北电力大学学报第 卷.光伏年发电量为 .光伏并网容量 .图 住宅区原始图像.图 算子的边缘检测.图 改进 算子后的边缘检测.图 阈值分割法结果.源网荷储规划实证根据某县域 节点配电网系统作为算例进行分析基准电压 首端节点为平衡节点配电网线路采用 其电阻为./电抗为./单位长度线路的升级改造费用为 万元/变压器的配电网购电电价采用分时电价:电价为.元/电价为.元/电价为.元/电价为.元/电价为.元/贴现率是.规划年限为 年以东北某县城部分配电网为研究对象其网架规划结构图(如图 所示)和各设备投资运维情况如下:其中配电网可供选择的升级改造的线路为、可以选择扩建安装三台变压器其安装节点为、变压器的投资运维费用为 元/可以安装最多十台其安装节点分别为()、()、()、()、()采用锂电池储能系统参数单个 投资成本为 万元单位充放电量运行维护费用为.元/单台 额定容量为 额定充放电功率均为 初始荷电状态为.荷电状态上下限分别为.、.充放电效率均为.光伏电站的安装运维费用是 元/本文通过上述 算法设置容量为 步长为 的分布式光伏共有 种分布式光伏装机方案进行迭代求解本文选取了其中 种具有代表性的源网荷储联合规划方案方案 是从线路升级改造投资、变压器投资、储能投资等整体考虑经济性最优尽可能减少投资成本方案 是仅考虑变压器投资方案 是仅考虑储能设备的投资方案 是仅考虑新建线路的配电网投资本文将一年划分为春夏秋冬 种场景对这四种场景下的典型日光伏出力和典型日负荷出力数据进行归一化处理得到图 图 所示曲线图 配电网网架规划图.第 期 马君亮等:考虑县域光伏潜力评估的源网荷储协同规划图 种典型日光伏出力曲线.图 种典型日负荷曲线.表 节点负荷规模数据.节点坐标/有功负荷/无功负荷/节点坐标/有功负荷/无功负荷/()(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.)(.).(.)(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).().(.).(.).(.).(.).算例中具体的节点数据如表 所示具体规划方案如表 所示 方案 是以“源网荷储”经济性最优为目标其规划方案:在节点、节点安装共计 的光伏容量所需费用为 万元在靠近上级电源的 、线路因输送功率较大需进行升级改造所需费用为.万元考虑用电的稳定性扩建三台变压器安装的节点为、所需费用为.万元 共安装七台其安装节点为、()、()、()投资费用为.万元再加上网损和购电费用总成本共计 .万元比其他三种方案更具经济性方案 仅有变压器的投资是四种方案中投资成本最大的方案 是只进行储能设备的投资尚未考虑新建线路和变压器投资经济性也次于方案 方案 是仅考虑新建线路的配电网投资没有考虑储能设备和变压器的投资从表 的几种经济性指标可以看出购电成本占整体配电网年运行费用的比例较大储能设备投资成本次之 变压器和储能设备的接入可以大幅度表 基于源网荷储的配电网综合费用.方案总成本(万元)线路升级改造费用(万元)新建变压器费用(万元)储能费用(万元)网损费用(万元)购电费用(万元)光伏费用(万元).东北电力大学学报第 卷减少电网公司在输电线路上的投资同时也减少了网损的投资成本 分布式光伏的安装虽然增加了配电网的总投资费用但通过向电力用户传输功率可以在很大程度上减小配电网的负担从而减少在购电费用上的投资在算法的优化求解过程中分别使用了 算法和 算法进行 次寻优计算如图 所示:在迭代初期 算法的收敛速度快当达到相同的精度时 算法所需的迭代次数要小于 算法 而且 算法的寻优效果整体上要优于 算法 在两算法进行 次寻优过程中 有 次能找到最优结果 只有 次能找到最优结果 可见通过 的进化和变异操作处理可有效提高其算法的全局寻优能力图 和 算法的适应度曲线比较.结 论)为更加准确的评估县域屋顶光伏开发容量本文采用改进 算子的边缘检测和 阈值分割技术对区域卫星影像图进行优化处理获得较高精度的建筑屋顶面积在此基础上考虑建筑结构和朝向、阴影遮挡等因素计算屋顶光伏可利用面积预估一定范围内的建筑屋顶光伏容量形成一套完整的县域屋顶光伏利用潜力的评估方法提高了计算效率和准确性)建立了源网荷储最优为目标的县域光伏并网双层规划模型模型能够考虑配电网网架结构和分布式光伏、储能设备等多方面因素更好的兼顾了源网荷储整体意义上的经济性最优 对于含分布式电源的配电网规划问题提供了一种比较完整的方案有一定的参考意义)本文在选取建筑物屋顶进行光伏潜力的开发时仅考虑了平顶矩形屋顶进行图像算法处理得到与实际面积相差不大估算结果然而实际生活中建筑屋顶类型种类繁多如三角尖、曲面形等类型屋顶的面积估算需在今后的研究中进一步研究和完善参考文献 孟醒.太阳能利用的新方向.中国工业和信息化():.():.中丹可再生能源发展项目.中国可再生能源发展路线图 北京:国家可再生能源中心.:().():.:.:.():.():.段莹廖留峰杨娟等.基于 的石漠化区域光伏项目建设适宜容量估算 以镇宁县、紫云县和关岭县为例.中低维山地气象():.李彦甫.基于高分辨率影像的光伏电场信息提取鲁棒性分 析 及 其 热 环 境 效 应 研 究 兰 州:兰 州 大学.章力高元海熊宁等.考虑潮流倒送约束的分布式光伏电站选址定容规划.电力系统自动化():.俞靖一.分布式光伏电站消纳比测算研究.电工技术():.栾伟杰蒋献伟张节潭等.考虑主动管理的分布式光伏发电消纳能力研究.电力建设():.第 期 马君亮等:考虑县域光伏潜力评估的源网荷储协同规划 徐钦袁奔.分布式电源接入对配电网电压质量的影响研究.电工技术():.李清然张建成.含分布式光伏电源的配电网电压越限解决方案.电力系统自动化():.王志群朱守真周双喜等.分布式发电对配电网电压分布的影响.电力系统自动化():.李逐云雷霞邱少引等.考虑“源网荷”三方利益的主动配电网协调规划.电网技术():.姜琦黄堃赵俊等.基于遗传算法的主动配电网“源网荷储”协调优化模型研究.电力与能源():.刘洪程雪颖.基于多场景技术的主动配电网源网荷储协同优化运行方法:.杨谦刘继春蒋万枭.光伏不同渗透率下考虑源网荷储深度互动的电力系统调峰策略.电力建设():.何春华张雪飞胡迎春.基于改进 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