基于运行灵活性的配电网扩展规划方法研究.pdf

2023.7 下 EPEM 97 电力创新Power Innovation基于运行灵活性的配电网扩展规划方法研究国网湖北省电力有限公司经济技术研究院 舒东胜摘要：基于运行灵活性的配电网扩展规划方法分析中，需结合数学原理构建模型，并设置背景条件进行数据计算分析。通过严格执行灵活规划模型求解流程获得数据信息，进一步通过数据代入，为制定科学有效的扩展规划方案提供支持。关键词：配电网；扩展规划；灵活性；模型构建从目前配电网系统运行规划现状分析可知，风电与光伏成为分布式电源接入配电网的主要形式，在系统电力资源来源逐步增加的同时，也带来了潮流倒送、谐波污染以及极端场景加剧等实际问题。因此，需针对风电光伏电源的间歇性和不确定性特征，进行配电网系统扩展，有效规划运用科学的数学方法对不确定性因素进行精准描述。寻找科学有效的手段对不确定性问题进行分析，并进一步制定合理有效的配电网扩展规划方法。1 适应源荷不确定性的配电网运行灵活性要素建模分析1.1 配电网运行灵活性量化评估模型架构分析关于配电网灵活性评估主要强调，在某一运行场景背景下，对系统调用灵活性资源，适应系统中荷源不确定波动的能力进行评价。在具体评价工作落实中，为避免单一运行场景出现片面性问题，应当从宏观整体的角度对系统运行状态进行分析。借助概率多场景分析法将配电系统不确定性场景转化为具有概率的确定性场景。设置某一运行场景为 s，系统中的某一时刻为 t 在进行定义时，将两者构成的近负荷变化作为重点观察指标。观察在变化状态下系统运行是否能维持电量平衡状态，满足安全约束条件1。从实际出发来讲，能够满足条件的称为具备灵活性，若不能满足则称为灵活性不足。在实践分析中，需以分布式电源与负荷的进不确定性变化量作为目标函数进行设置，以便求取不同场景下各时各系统所能适应的最大灵活性需求变化，具体的灵活性函数表达式如下。式中：Ns表示多场景分析法得到的场景数量，s为场景 s 的发生概率，FLs，t表示 s 场景下 t 时刻的运行灵活性2。基于上述函数，可实现对状态变量与不确定要素和灵活性要素的描述与建模分析，得到经过转化的评估模型函数，具体表达式如下：式中：模型目标函数 FL 是配电系统运行灵活性表示方法。其数值与系统能承受的最大净负荷波动值相等，且具备上下双向性。在具体的函数分析中，将 max 函数值设置为上行灵活性。弥补配电系统电力缺口。min 函数值定义为下行灵活性函数，应对配电系统电力盈余3。其灵活性数值显示绝对值越大，则代表配电系统应对不确定波动的能力越强。其承受的不确定性极限值越大，系统状态也处在更为稳定良好的状态。具体计算公式如下：式中：Pi,tDG与 PLi,t为 t 时刻节点 i 上的分布式电源与符合不确定性变化数值；x 为状态变量，98 EPEM 2023.7 下电力创新Power Innovation主要是指电压幅值和相角；u 表示主动控制变量，主要是指配电系统中的灵活性要素，主要包括上级电网馈入功率、可控负荷、节点电压以及线路潮流允许波动范围；y 表示扰动变量，主要是指配电系统中存在的一系列不确定因素，具体包括波动性可再生资源以及负荷预测值。1.2 灵活性要素与不确定要素分析灵活性要素分析。关于灵活性要素建模分析时可把握的要点包括：上级电网汇入要素，可控分布式电源机组要素4，配电系统网络架构承受力要素、可中断负荷要素、储能系统要素；不确定要素分析。为实现配电系统灵活性状态的量化分析，需要进行等价转换。将其等价转换为配电系统临界稳定数值，电压或潮流。而越线是这一临界状态的重点参照指标，或者通过电力电量不平衡的灵活性需求变化分析获取相应变化值。此数值与给定场景下分布式电源与负荷需求的近波动值区间数值相等，最终可由此确定分布式电源约束条件5。1.3 配电网运行灵活性量化评估基本流程分析配电网运行过程中灵活性量化评估工作主要是指，结合传统评估与运行调度，评估分析过程中，电力系统运行的各方面要素进行综合考量，并同时实现对不确定性波动能力进行客观评价。在整个配电网系统中，包含多方面影响因素，各因素之间又存在不同类型关系层次。因此，求解模型得到相应的评估指标后，需进一步分析配电网络运行灵活性的薄弱环节。在此基础上，结合配电系统主动控制要素对运行灵活性的影响和机理进行分析，以便达到提升系统运行灵活性的目标。配电网运行灵活性量化评估流程：开始-输入算力网架、源荷、灵活性资源数据，进行初始化-运用改进的多场景法生成 Ns 个运行场景，i=1-基于第 i 个场景，参考时间尺度和调节方向确定目标函数，形成灵活性评估模型并求解-遍历所有场景，直到 i=Ns-将每个场景的灵运行灵活性与场景概率相乘并累加起来，综合得到该配电系统的运行灵活性-综合评估结果，分析网架薄弱环节，提出有效的改进措施-结束。在评估工作开展过程中，需按照以下步骤推进落实具体工作：输入算力系统相关的网架符合灵活性资源数据信息；由风光及负荷的历史数据为基础计算概率密度函数。基于概率多场景分析法进一步获取典型的场景集合，这时可将场景数设置为 N；选择时间尺度和灵活性调节方向，并基于第 i 个场景的原核参数形成评估模型；针对优化模型进行数据求解，获得相应灵活性指标；结合所有场景背景重复三、四步骤，直到得到 i=Ns，随后可获得运行灵活性指标；实现独立场景运行灵活性与概率的乘积求解，并经过累加形成运行灵活性综合指标；结合综合评估指标分析配电网运行薄弱环节，提出针对性改良措施。2 基于灵活性资源的配电网扩展规划方法分析2.1 配电网扩展灵活规划模型构建本文研究中主要通过构建数学模型，为后续规划分析研究奠定基础。在数学模型构建过程中，需要分别按照规划层与运行层构建相应模型，运用双层模式实现配电网规划运行环节综合考量，构建紧凑性更强的规划模型。具体规划模型数学表达式如下：（1）（2）式（1）中：x 为网架扩建01的变量，代表运行层传递的主动控制要素运行参数指标。h1（x，*）表示上层规划层需要满足表达式中的不等式约束。g1（x，*）表示模型需要满足的等式约束条件。f1（x）为规划层目标函数，满足这一函数条件后，扩建投资成本能够针对性减小；式（2）中的 x*代表规划层构建出的网架扩建方案，表示待优化主动控制要素运行参数，y 代表不确定性要素。代表描述不确定性要素变化区间的指标。h2（x*，y）代表上层规划需要满足的不等式约束。g2（x*，y）=0表示模型要满足等式约束。f2（）表示规划层目标函数，可保证系统运行状态保持最优。2.2 灵活性规划模型求解分析2.2.1提取最差场景双层扩展规划模型需分别从规划与运行两方面进行模型求解，待求变量具有多种类型数量模型本身也会存在较大差异。且整个场景变化模型状态变化可延伸到每日24h 之内，约束总量相对更大。关于最差场景提取流程包括：基于规划数据，这一基础利用概率多场景法生成一定数量的运2023.7 下 EPEM 99 电力创新Power Innovation行场景。抽样方法选用拉丁超立方抽样方法，保证生成出的场景在具备概率密度特征的同时，覆盖整体分布区域；基于各运行场景进行比较分析，结合灵活性评估模型对目标函数以及约束条件进行优化修正。修正后表达式如下：、，式中：表示运行场景下 t 时刻节点上 i 上的负荷预测值2.2.2模型求解流程分析模型求解流程的构建，需要基于上层扩展规划层以及目标函数下层优化运行层为基础进行模型求解流程推进。目标函数设置要点为：在给定网架下，通过调用灵活性资源促进配电系统静负荷曲线波动率最小。上下层面模型形成，修正传递后可形成平滑度更强的净负荷规划场景。具体的模型求解流程如图1。在具体进行求解时，需按照以下步骤执行。图1 灵活规划模型框架图输入算力数据以及规划周期数值，完成初始化过程；基于原和数据应用概率多场景方法生成多个场景；结合多个场景进行全面分析构成求解模型，并提取最恶劣运行场景形成初始净负荷场景；将运行控制要素 归零，并且基于初始性负荷场景求解规划层的优化模型，确定目标年内配电系统扩建方案；结合规划层数据计算结果完成配电系统网络架构约束条件修正，并且进一步求解运行层优化模型，对配电系统中的各设备运行状态进行确认。结合规划层计算结果，对配电系统网架约束进行修正。并进一步确定配电系统运行状态；结合运行层所得到的设备运行方案进一步修正新的净负荷场景；结合新的进步和场景进一步求解规划层优化模型；将相邻的两次规划模型求解结果之差作为迭代结束的判断依据进行设置。若无法满足上述条件，则需要继续迭代计算。若满足条件，则可直接输出网架规划结果，求解过程也宣告结束。图2 灵活规划模型求解流程图综合分析可知，在具体的配电网扩展规划方法分析，需相关工作人员结合相应模型构建与分析流程完成数据计算过程。并进一步结合配电网运行规模应用功能选取适当的扩展规划方法进行应用，最终形成具有实践性和可行性的扩展方案，为维持配电网系统的稳定有序运行提供保障。参考文献1 马智刚,卫志农,等.基于椭圆近似的交直流混合配电网灵活性运行域快速计算方法 J.电力系统自动化,2022,16.2宁楠,孙睿择,等.基于运行方式与故障信息融合的配电网保护策略优化 J.电力科学与技术学报,2022,2.3 徐加银,汪涛,等.考虑微电网灵活性资源属性的配电网规划方法 J.电力建设,2022,6.4陈占鹏,胡炎,等.考虑灵活性与经济性的可再生能源电力系统源网联合规划 J.电力自动化设备,2022,9.5李玲芳,陈占鹏,等.基于灵活性和经济性的可再生能源电力系统扩展规划 J.上海交通大学学报,2021,7.