金國(guó)彬，劉玉龍，李國(guó)慶，辛業(yè)春，李 雙

考慮可靠性的交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架與分布式電源協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃

金國(guó)彬，劉玉龍，李國(guó)慶，辛業(yè)春，李 雙

(現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué))，吉林 吉林 132012)

含高比例分布式電源接入的交直流混合配電網(wǎng)是未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展的重要過(guò)渡形式，且隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)于配電網(wǎng)可靠性的要求越來(lái)越高。提出了一種考慮可靠性的交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架與分布式電源協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。在場(chǎng)景構(gòu)建階段，該方法考慮了配電網(wǎng)中各分布式電源出力的相關(guān)性和時(shí)序性以及各負(fù)荷功率的時(shí)序性。在可靠性評(píng)估階段，針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，建立了完善的同時(shí)考慮穩(wěn)態(tài)和故障運(yùn)行下可靠性的綜合評(píng)估體系，通過(guò)建立各可靠性指標(biāo)間的聯(lián)系，客觀地將可靠性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一量綱處理。在優(yōu)化階段，對(duì)交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及分布式電源接入容量設(shè)計(jì)了雙層協(xié)同優(yōu)化策略。同時(shí)，建立了完備的線路故障抽樣模型。以修改的IEEE 33節(jié)點(diǎn)交直流混合配電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃算例驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性和有效性。

交直流混合配電網(wǎng)；可靠性；分布式電源；優(yōu)化規(guī)劃

0 引言

隨著清潔可再生能源的大力發(fā)展以及電力電子裝備的大量應(yīng)用，在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中，各種典型的直流類(lèi)電源、負(fù)荷比例逐步增加，交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架形式逐步得到重視和發(fā)展[1-4]。而考慮可靠性的規(guī)劃設(shè)計(jì)，對(duì)于交直流混合配電網(wǎng)的改造和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了各種研究。

文獻(xiàn)[5-7]針對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)架與分布式電源(distributed generation, DG)的接入容量進(jìn)行了雙層優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，文獻(xiàn)[5]分別從電網(wǎng)公司、電源供應(yīng)商和社會(huì)角度出發(fā)構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化模型，得到了電壓偏差最小、多主體利益最大化的優(yōu)化結(jié)果。文獻(xiàn)[6-7]通過(guò)概率潮流計(jì)算和多目標(biāo)粒子群算法，得到了電壓偏差最小、網(wǎng)損最低的優(yōu)化結(jié)果。但是，通常在允許范圍內(nèi)的電壓偏差不會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。因此，以電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化規(guī)劃對(duì)提升配電網(wǎng)的可靠性作用有限。文獻(xiàn)[8-10]在規(guī)劃過(guò)程中考慮了故障下的可靠性約束條件，但并不能達(dá)到綜合經(jīng)濟(jì)性和可靠性的最優(yōu)結(jié)果。文獻(xiàn)[11-15]均考慮避免故障下的孤島以減少失負(fù)荷，從而有利于提高配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，但均沒(méi)有考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)供可能導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[16]提出了通過(guò)最小割集法評(píng)價(jià)配電網(wǎng)可靠性的評(píng)估方法，但該方法只能從網(wǎng)絡(luò)連通性方面分析配電網(wǎng)的可靠性，不能充分考慮到配電網(wǎng)各源、荷單元的波動(dòng)性。文獻(xiàn)[17-18]提出了不同的配電網(wǎng)運(yùn)行越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)用于評(píng)估配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。其中，文獻(xiàn)[17]通過(guò)層次分析法制定各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重，該方法需要提前確定各指標(biāo)間的相對(duì)重要程度。文獻(xiàn)[18]通過(guò)熵權(quán)法確定各指標(biāo)間的權(quán)重，該方法在本質(zhì)上默認(rèn)各指標(biāo)的重要度相同。文獻(xiàn)[19]將越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為懲罰成本，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分布式光伏優(yōu)化規(guī)劃，但其懲罰成本的設(shè)定缺乏理論依據(jù)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)所提配電網(wǎng)越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)僅考慮了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件，且在評(píng)估綜合指標(biāo)時(shí)，各可靠性指標(biāo)(電壓越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、支路越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及失負(fù)荷指標(biāo))的定權(quán)重方法都存在很大程度上的主觀性。在評(píng)估電壓越限風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)將各節(jié)點(diǎn)的電壓越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重設(shè)置為等權(quán)重，忽略了節(jié)點(diǎn)中連接負(fù)荷的負(fù)荷量和負(fù)荷重要度，不能在評(píng)價(jià)體系中體現(xiàn)出不同節(jié)點(diǎn)的重要程度差異。

通常，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的規(guī)劃秉持“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的原則[20]。這種開(kāi)環(huán)運(yùn)行的輻射網(wǎng)在接入光伏(photovoltaic generation, PV)、風(fēng)機(jī)(wind turbine generation, WT)等出力不確定的DG后，在DG出力大且輕負(fù)載時(shí)段可能會(huì)出現(xiàn)末端電壓升高甚至越上限以及功率倒送的情況；在DG出力小且重負(fù)載時(shí)段可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)損嚴(yán)重，末端電壓降低甚至越下限的情況[21]。這是由輻射狀配電網(wǎng)的供電路徑單一、潮流方向單一的運(yùn)行特點(diǎn)所導(dǎo)致的。根據(jù)《交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則》(Q/GDW 11722—2017)：中壓交直流混合配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為環(huán)型，從而使得供電路徑更加靈活，很大程度上降低了配電網(wǎng)電壓越限的概率。

此外，環(huán)型運(yùn)行狀態(tài)的交直流混合配電網(wǎng)在發(fā)生-1故障時(shí)不會(huì)出現(xiàn)孤島而出現(xiàn)直接失負(fù)荷，但依然可能由于轉(zhuǎn)供路徑過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)低，或者由于轉(zhuǎn)供路線單一導(dǎo)致部分潮流超上限，從而產(chǎn)生失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要將-1故障時(shí)的越限指標(biāo)納入目標(biāo)函數(shù)對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行優(yōu)化，從而提高配電網(wǎng)在-1故障下的供電可靠性。

在DG接入位置確定的情況下，各DG的接入容量會(huì)影響配電網(wǎng)各區(qū)域的源荷匹配率，進(jìn)而影響配電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)和故障運(yùn)行下的可靠性。因此，合理的DG接入容量規(guī)劃也對(duì)配電網(wǎng)的可靠性有重要意義。

通常，配電網(wǎng)的故障集合中存在一些比較極端的故障場(chǎng)景，這些場(chǎng)景出現(xiàn)概率相對(duì)很小，而如果令優(yōu)化過(guò)程在滿(mǎn)足這些極端故障場(chǎng)景下的可靠性約束下進(jìn)行，其優(yōu)化結(jié)果會(huì)過(guò)于保守，很大程度上犧牲了經(jīng)濟(jì)性。而且在實(shí)際運(yùn)行中，仍可以通過(guò)各調(diào)度單元的調(diào)度使配電網(wǎng)的可靠性達(dá)到要求。因此，在規(guī)劃階段，將可靠性作為指標(biāo)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性的優(yōu)化規(guī)劃更具有實(shí)際意義。

針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，本文建立了一種交直流混合配電網(wǎng)可靠性評(píng)估體系，該評(píng)估體系綜合考慮了正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和故障運(yùn)行的可靠性指標(biāo)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓越限指標(biāo)的權(quán)重做了進(jìn)一步細(xì)化，從而在優(yōu)化規(guī)劃過(guò)程中優(yōu)先保障最大量的最重要負(fù)荷的供電可靠性。并且，本文通過(guò)遞歸調(diào)用可靠性評(píng)估函數(shù)，分析越限支路故障對(duì)配電網(wǎng)造成的進(jìn)一步影響，客觀建立了支路越限功率指標(biāo)和節(jié)點(diǎn)電壓越限指標(biāo)、失負(fù)荷指標(biāo)之間的關(guān)系，再通過(guò)懲罰成本的形式將可靠性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)統(tǒng)一量級(jí)，構(gòu)造了考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)函數(shù)，很大程度上避免了各項(xiàng)指標(biāo)間在定權(quán)重上的主觀性。

此外，本文在場(chǎng)景構(gòu)造階段考慮了同一配電網(wǎng)中的各單元功率之間的相關(guān)性，并考慮了同一節(jié)點(diǎn)可能接入不同重要等級(jí)負(fù)荷的工程實(shí)際，從而提高了本文所提方法在實(shí)際工程中的廣泛適用性。

1 配電網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景構(gòu)建

1.1 DG出力建模

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，配電網(wǎng)中的DG出力具有時(shí)序性特點(diǎn)：各DG出力的概率分布參數(shù)在不同時(shí)段具有較大的差異性，且在同一配電網(wǎng)中，光照強(qiáng)度、風(fēng)速之間一般具有一定的負(fù)相關(guān)性；不同地點(diǎn)的光照強(qiáng)度和風(fēng)速一般具有正相關(guān)性。為了更好地模擬實(shí)際配電網(wǎng)中的DG出力場(chǎng)景，本文基于Nataf變換生成了符合同一配電網(wǎng)中光照強(qiáng)度和風(fēng)速相關(guān)性的光照強(qiáng)度樣本和風(fēng)速樣本[22]。

1.1.1 PV出力模型

光伏的輸出功率取決于光照強(qiáng)度，短時(shí)間內(nèi)光照強(qiáng)度變化規(guī)律可由Beta 分布表示，不同日期相同時(shí)段的光照強(qiáng)度服從相同參數(shù)的Beta分布，不同時(shí)段具有數(shù)值不同的形狀參數(shù)。圖1為不同時(shí)段的PV出力形狀參數(shù)。

圖1 不同時(shí)段的PV出力形狀參數(shù)

參照文獻(xiàn)[23]，不同日期相同時(shí)段的PV輸出功率概率模型如式(1)所示。

1.1.2 WT出力模型

WT的輸出功率取決于風(fēng)速，短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速變化可由威布爾分布描述，不同日期相同時(shí)段的風(fēng)速服從相同參數(shù)的威布爾分布，不同時(shí)段具有數(shù)值不同的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。圖2所示為不同時(shí)段的WT出力分布參數(shù)。

圖2 不同時(shí)段的WT出力分布參數(shù)

參考文獻(xiàn)[24]，不同日期相同時(shí)段的WT輸出功率概率模型如式(2)和式(3)所示。

1.2 負(fù)荷功率模型

式中：為負(fù)荷功率；和分別為負(fù)荷功率期望值和方差。

1.3 支路故障抽樣模型

線路的故障抽樣是通過(guò)式(5)所示的抽樣表達(dá)式得到線路的運(yùn)行狀態(tài)(故障與正常運(yùn)行)[25]，從而得到線路故障與運(yùn)行時(shí)間序列，如圖4所示。該支路故障抽樣模型能夠體現(xiàn)出線路運(yùn)行狀態(tài)的隨機(jī)性，并且在實(shí)際工況中可以根據(jù)各線路的老化情況設(shè)定表達(dá)式參數(shù)值，調(diào)整各條線路的故障頻率。

式中：和分別為支路的運(yùn)行時(shí)段和故障時(shí)段；和分別為支路的故障率和修復(fù)率；為(0,1)內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。

2 交直流混合配電網(wǎng)可靠性評(píng)估

2.1 交直流混合配電網(wǎng)可靠性評(píng)估體系

本文所提配電網(wǎng)可靠性評(píng)估體系不僅模擬了配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下各種場(chǎng)景的越限指標(biāo)，還通過(guò)模擬配電網(wǎng)各條線路發(fā)生故障的工況對(duì)配電網(wǎng)的影響來(lái)評(píng)估配電網(wǎng)在各種故障工況下的供電可靠性，通過(guò)將負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)能夠定性分析出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)的配電網(wǎng)的定量可靠性評(píng)估奠定基礎(chǔ)。所提可靠性評(píng)估體系如圖5所示。

圖5 可靠性評(píng)估體系

首先，將配電網(wǎng)發(fā)生故障后的所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)分為3類(lèi)。第1類(lèi)節(jié)點(diǎn)：與上級(jí)電網(wǎng)連接的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；第2類(lèi)節(jié)點(diǎn)：不與上級(jí)電網(wǎng)連接但與分布式電源連接的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)；第3類(lèi)節(jié)點(diǎn)：既不與上級(jí)電網(wǎng)連接也不與分布式電源連接的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。其中，第2類(lèi)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成含分布式電源孤島，第3類(lèi)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)源孤島。然后，通過(guò)潮流計(jì)算來(lái)評(píng)估第一類(lèi)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)越限指標(biāo)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)重要度倒序?qū)Φ?類(lèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切負(fù)荷直至孤島內(nèi)滿(mǎn)足功率平衡約束，對(duì)于第3類(lèi)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)直接切負(fù)荷。

本文的可靠性指標(biāo)綜合考慮了交直流混合配電網(wǎng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和故障運(yùn)行狀態(tài)下的失負(fù)荷指標(biāo)與越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，既有利于提高配電網(wǎng)在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的可靠性，又能兼顧提高配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的可靠性，從而從整體上綜合提高交直流混合配電網(wǎng)的可靠性。

2.2 越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

2.2.1電壓越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

在配電網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)電壓的越限指標(biāo)直接關(guān)系到配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，圖6所示為節(jié)點(diǎn)電壓與其越限嚴(yán)重度之間的關(guān)系，節(jié)點(diǎn)的電壓越限嚴(yán)重度越高，失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)越大。本文將節(jié)點(diǎn)電壓越限嚴(yán)重度作為失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，根據(jù)式(6)—式(10)得到電壓越限風(fēng)險(xiǎn)懲罰成本。

圖6 節(jié)點(diǎn)電壓與其越限嚴(yán)重度之間的關(guān)系

(8)

為了優(yōu)化保障最大量最重要負(fù)荷的用電可靠性，本文將各節(jié)點(diǎn)電壓越限指標(biāo)的權(quán)重依據(jù)各節(jié)點(diǎn)的重要度進(jìn)行設(shè)置，即重要度越高的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)獲得更大的權(quán)重。節(jié)點(diǎn)重要度既取決于節(jié)點(diǎn)接入負(fù)荷的負(fù)荷等級(jí)，也取決于節(jié)點(diǎn)接入負(fù)荷的負(fù)荷量。同時(shí)，考慮到配電網(wǎng)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)可能接入不同重要等級(jí)負(fù)荷的工程實(shí)際，本文將節(jié)點(diǎn)接入的各級(jí)負(fù)荷的負(fù)荷重要等級(jí)與負(fù)荷量乘積的累加和作為各節(jié)點(diǎn)電壓越限指標(biāo)的權(quán)重，如式(10)所示。

2.2.2功率越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

當(dāng)配電網(wǎng)的支路有功功率接近上限甚至越限時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致線路過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷保護(hù)裝置動(dòng)作。因此，支路有功功率越限的嚴(yán)重度越高，線路的停運(yùn)概率越大，而越限支路停運(yùn)又可能進(jìn)一步導(dǎo)致其他支路有功功率越限、其他節(jié)點(diǎn)電壓越限和失負(fù)荷情況，此時(shí)需要再次根據(jù)本文所提的可靠性評(píng)估體系對(duì)越限支路停運(yùn)后的配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性分析，得到越限支路停運(yùn)后的電壓越限懲罰成本和失負(fù)荷懲罰成本，并以支路停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)作為懲罰成本系數(shù)與越限支路停運(yùn)后的懲罰成本相乘，最后疊加到支路越限懲罰成本中。

本文將支路功率越限嚴(yán)重度作為支路停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，再通過(guò)遞歸調(diào)用可靠性評(píng)估函數(shù)分析越限支路停運(yùn)后的配電網(wǎng)可靠性，遞歸調(diào)用可靠性評(píng)估體系的終止條件為配電網(wǎng)中不再出現(xiàn)越限支路，最后將各層遞歸調(diào)用得到的懲罰成本疊加得到支路越限懲罰成本，從而將支路功率越限與其故障后導(dǎo)致的各節(jié)點(diǎn)越限或失負(fù)荷聯(lián)系起來(lái)。支路功率和越限嚴(yán)重度之間的關(guān)系如圖7所示，支路越限懲罰成本計(jì)算如式(11)—式(16)所示。

圖7 支路功率和越限嚴(yán)重度之間關(guān)系

2.3 失負(fù)荷指標(biāo)

各負(fù)荷點(diǎn)的失負(fù)荷指標(biāo)如式(17)所示。

年失負(fù)荷懲罰成本如式(18)所示。

3 交直流混合配電網(wǎng)雙層優(yōu)化模型

3.1 雙層協(xié)同優(yōu)化方法

交直流混合配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化適合采用二進(jìn)制粒子群算法進(jìn)行求解；而DG接入容量?jī)?yōu)化適合采用十進(jìn)制粒子群算法進(jìn)行求解?？紤]到網(wǎng)架優(yōu)化和分布式電源優(yōu)化之間存在相互影響，同時(shí)，將兩種類(lèi)型的變量統(tǒng)一進(jìn)行編碼非常復(fù)雜繁瑣。因此，為了得到最優(yōu)的網(wǎng)架優(yōu)化與分布式電源優(yōu)化的組合方案，本文采用雙層規(guī)劃模型交替迭代的方式對(duì)優(yōu)化規(guī)劃模型進(jìn)行求解。當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在迭代過(guò)程中不再更新，且兩次迭代的目標(biāo)函數(shù)值偏差小于設(shè)定閾值，則滿(mǎn)足收斂條件，輸出迭代過(guò)程中最優(yōu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與DG接入容量組合方案。雙層協(xié)同優(yōu)化流程如圖8所示。

圖8 雙層協(xié)同優(yōu)化流程圖

在雙層協(xié)同優(yōu)化中，上層模型以網(wǎng)架擴(kuò)增方案為優(yōu)化變量，通過(guò)二進(jìn)制粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化；下層模型以DG接入容量為優(yōu)化變量，通過(guò)十進(jìn)制粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)雙層模型的交替迭代求解得到考慮可靠性的最優(yōu)的交直流混合配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與DG接入容量組合。雙層協(xié)同優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 雙層協(xié)同優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 上層模型

3.2.1上層目標(biāo)函數(shù)

上層模型以年運(yùn)行成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，具體包括：交直流混合配電網(wǎng)增設(shè)線路的年投資成本及運(yùn)維成本、年網(wǎng)損費(fèi)用及各可靠性指標(biāo)的懲罰成本。

1) 增設(shè)線路建設(shè)的年均攤成本

2) 年運(yùn)維成本

3) 年網(wǎng)損費(fèi)用

4) 越限懲罰成本

3.2.2上層約束條件

上層約束條件為節(jié)點(diǎn)功率平衡方程約束條件和變換器功率方程約束條件。本文按照文獻(xiàn)[26]所提方法求解交直流混合配電網(wǎng)潮流。

1) 變換器功率平衡約束條件

(28)

2) 節(jié)點(diǎn)功率平衡約束條件

3) 孤島內(nèi)功率平衡約束條件

3.3 下層模型

3.3.1下層目標(biāo)函數(shù)

下層模型以DG接入效益最大化為目標(biāo)函數(shù)，具體包括：建設(shè)DG帶來(lái)的環(huán)境凈收益，各可靠性指標(biāo)的懲罰成本。

(34)

1) DG發(fā)電等效的環(huán)境收益

2) DG接入的年投資成本

3) DG接入的年運(yùn)維成本

4) 年運(yùn)行網(wǎng)損費(fèi)用

同上層模型。

5) 可靠性指標(biāo)懲罰成本

同上層模型。

3.3.2下層約束條件

1) DG接入節(jié)點(diǎn)裝機(jī)容量約束

2) DG總裝機(jī)容量約束

3) 功率平衡約束條件

變換器功率平衡約束條件、節(jié)點(diǎn)功率平衡約束條件和孤島內(nèi)功率平衡約束條件同上層模型。

4 算例

本文算例以改造的IEEE 33節(jié)點(diǎn)交直流混合配電網(wǎng)為基本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如圖10所示為待優(yōu)化IEEE 33節(jié)點(diǎn)交直流混合配網(wǎng)。圖中實(shí)線連接為改造IEEE 33節(jié)點(diǎn)基本網(wǎng)架已建設(shè)線路；虛線連接為可建設(shè)線路；實(shí)心黑色節(jié)點(diǎn)為交流節(jié)點(diǎn)；空心白色節(jié)點(diǎn)為直流節(jié)點(diǎn)；連接WT節(jié)點(diǎn)為風(fēng)機(jī)接入節(jié)點(diǎn)；連接PV節(jié)點(diǎn)為光伏接入節(jié)點(diǎn)；紅色三角標(biāo)注為重要度最高的4個(gè)節(jié)點(diǎn)。從圖8中可以看出，該網(wǎng)架的特點(diǎn)是無(wú)論選取任何線路建設(shè)方案，當(dāng)線路1-2發(fā)生故障時(shí)，都會(huì)使整個(gè)配電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，可能出現(xiàn)大面積失負(fù)荷。同時(shí)，如果通過(guò)節(jié)點(diǎn)22增加上級(jí)電網(wǎng)與中間部分節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)線路，當(dāng)線路2-3發(fā)生故障時(shí)，所有負(fù)荷的功率都由左側(cè)線路傳輸，這一方面可能會(huì)使中間部分和右側(cè)部分節(jié)點(diǎn)的電能傳輸路徑更長(zhǎng)，右側(cè)部分的節(jié)點(diǎn)成為潮流末端部分節(jié)點(diǎn)而出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓越限；另一方面可能使左側(cè)部分線路出現(xiàn)支路功率越限的情況。

圖10 待優(yōu)化IEEE33節(jié)點(diǎn)交直流混合配網(wǎng)

1) 算例1：不同可靠性指標(biāo)的優(yōu)化方法對(duì)比

算例1將3種優(yōu)化方法的優(yōu)化結(jié)果做對(duì)比分析。方法1：僅考慮穩(wěn)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)而不考慮故障下可靠性指標(biāo)的優(yōu)化方法；方法2：故障下僅考慮失負(fù)荷指標(biāo)而不考慮故障下越限指標(biāo)的優(yōu)化方法；方法3：本文所提優(yōu)化方法。不同優(yōu)化方法下的DG接入容量如表1所示；不同優(yōu)化方法下的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比如表2所示；方法1、方法2和方法3的網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果分別如圖11—圖13所示。

表1 不同優(yōu)化方法下的DG接入容量

表2 不同優(yōu)化方法下的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

圖11 方法1網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果

圖12 方法2網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果

圖13 方法3網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果

從圖11可以看出，該方法更傾向于用最經(jīng)濟(jì)的線路建設(shè)來(lái)增加供電路徑以提高配電網(wǎng)各區(qū)域間的能量互動(dòng)，進(jìn)而降低配電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的越限指標(biāo)。但是，當(dāng)線路13-14、30-31等發(fā)生故障時(shí)(如圖14所示)，會(huì)使得一部分節(jié)點(diǎn)成為孤島節(jié)點(diǎn)，從而可能出現(xiàn)失負(fù)荷。從表2中可看到方法1的失負(fù)荷懲罰成本最高。故障下節(jié)點(diǎn)失負(fù)荷時(shí)間對(duì)比如圖14所示。從圖14也可以看出，方法1的優(yōu)化結(jié)果相比于方法2和方法3的優(yōu)化結(jié)果，線路14-18、31-33的失負(fù)荷時(shí)間普遍增加。因此，僅考慮穩(wěn)態(tài)運(yùn)行越限的優(yōu)化方法在發(fā)生故障后配電網(wǎng)的可靠性很低。

圖14 故障下節(jié)點(diǎn)失負(fù)荷時(shí)間對(duì)比

從圖12中可以看出，方法2在優(yōu)化過(guò)程中用最經(jīng)濟(jì)的線路建設(shè)方式將所有節(jié)點(diǎn)連入環(huán)內(nèi)，從而保證在配電網(wǎng)發(fā)生-1故障時(shí)(除1-2線路外)不會(huì)出現(xiàn)直接失負(fù)荷情況，但是當(dāng)線路2-3發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)右側(cè)包括4個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的很多節(jié)點(diǎn)的供電路徑過(guò)長(zhǎng)，從而出現(xiàn)許多節(jié)點(diǎn)的電壓越下限情況。

方法3和方法2相比，進(jìn)一步考慮了故障下可能出現(xiàn)的越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，為避免因?yàn)榫€路2-3故障導(dǎo)致右側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓越限，方法3的DG接入容量?jī)?yōu)化結(jié)果表現(xiàn)為WT3和PV2接入容量偏大，該優(yōu)化結(jié)果一方面可以抬升右側(cè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓，降低節(jié)點(diǎn)電壓越限風(fēng)險(xiǎn)，另一方面可以降低功率大范圍轉(zhuǎn)移帶來(lái)的功率損耗，減小潮流上游支路的轉(zhuǎn)供壓力，降低支路功率越限風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，圖13所示的網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果通過(guò)建設(shè)線路11-22，與方法2相比在線路2-3故障時(shí)縮短了上級(jí)電網(wǎng)向重要節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)24 的供電距離，并且當(dāng)線路3-4、線路4-5、線路5-6發(fā)生故障時(shí)，縮短了上級(jí)電網(wǎng)向重要節(jié)點(diǎn)30的供電距離。方法2和方法3在故障下電壓越限概率對(duì)比和支路功率越限概率對(duì)比分別如圖15和圖16所示，可以看出在故障下方法3相比于方法2的可靠性更高。

圖15 方法2和方法3在故障下節(jié)點(diǎn)電壓越限概率對(duì)比

圖16 方法2和方法3在故障下支路功率越限概率對(duì)比

從表2中可看出，因?yàn)?種優(yōu)化結(jié)果的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)都增加了互聯(lián)，提高了供電靈活性，所以穩(wěn)態(tài)條件下的電壓越限風(fēng)險(xiǎn)和支路功率越限風(fēng)險(xiǎn)為0。而區(qū)域源荷匹配率較高的配電網(wǎng)可以降低配電網(wǎng)的運(yùn)行網(wǎng)損，因此，表1所示的DG接入容量?jī)?yōu)化結(jié)果中方法1和方法2的PV1接入容量相對(duì)于方法3更大，這是由于PV1的接入位置處于工業(yè)負(fù)荷區(qū)，而光伏出力曲線和工業(yè)負(fù)荷功率曲線的匹配率更高的緣故。

2) 算例2：不同節(jié)點(diǎn)重要度優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

算例2將不同節(jié)點(diǎn)設(shè)置為高重要度節(jié)點(diǎn)，均通過(guò)本文所提方法進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。方案1將節(jié)點(diǎn)5、6、25、30設(shè)置為高重要度節(jié)點(diǎn)，其優(yōu)化結(jié)果如算例1方法3所示。方案2將節(jié)點(diǎn)14、15、31、32設(shè)置為高重要度節(jié)點(diǎn)，方案2網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果如圖17所示，方案2的DG接入容量?jī)?yōu)化結(jié)果如表3所示。故障下節(jié)點(diǎn)電壓越限概率對(duì)比如圖18所示。

表3 方案2的DG接入容量?jī)?yōu)化結(jié)果

圖17 方案2網(wǎng)架優(yōu)化結(jié)果

圖18 故障下節(jié)點(diǎn)電壓越限概率對(duì)比

從優(yōu)化結(jié)果對(duì)比上可以看出，優(yōu)化過(guò)程中會(huì)將更多資源向高重要度節(jié)點(diǎn)傾斜，配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)重要度設(shè)置不同會(huì)影響優(yōu)化結(jié)果，因此有必要將重要度作為電壓越限指標(biāo)的權(quán)重以?xún)?yōu)先保障高重要度節(jié)點(diǎn)的供電可靠性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與DG協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。具體結(jié)論如下：

1) 在場(chǎng)景構(gòu)建階段，將各源荷單元的概率密度函數(shù)參數(shù)變化與Nataf變換相結(jié)合，生成了具有相關(guān)性和時(shí)序性的源荷出力樣本，由此構(gòu)建的場(chǎng)景更貼合工程實(shí)際。

2) 在可靠性評(píng)估階段，建立了綜合考慮穩(wěn)態(tài)和故障運(yùn)行條件下可靠性的可靠性評(píng)估體系，細(xì)化了電壓越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立了支路功率越限指標(biāo)、電壓越限指標(biāo)和失負(fù)荷指標(biāo)間的聯(lián)系，將各可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為與經(jīng)濟(jì)性同一量級(jí)的懲罰成本，避免了各指標(biāo)在定權(quán)重上的主觀性。

3) 在優(yōu)化階段，采用雙層迭代求解可以得到整體可靠性最優(yōu)的優(yōu)化規(guī)劃方案。

4) 算例分析表明，相比于只考慮穩(wěn)態(tài)條件，綜合考慮穩(wěn)態(tài)和故障運(yùn)行可靠性的優(yōu)化規(guī)劃更具優(yōu)勢(shì)。雖然在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，源荷匹配率的弱化導(dǎo)致網(wǎng)損輕微增大，更多指標(biāo)的約束導(dǎo)致新建線路成本的提升，但是，故障后潮流末端的電壓越限風(fēng)險(xiǎn)和潮流首端支路功率的越限風(fēng)險(xiǎn)可得以大幅度降低，從而利于全面提高配電網(wǎng)的可靠性。

此外，本文所提優(yōu)化規(guī)劃方法的優(yōu)化結(jié)果可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)重要度的不同分布情況而進(jìn)行靈活調(diào)整，從而優(yōu)先保障最大量、最重要負(fù)荷的供電可靠性。

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JIN Guobin, LIU Yulong, LI Guoqing, XIN Yechun, LI Shuang

(Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology Ministry of Education (Northeast Electric Power University), Jilin 132012, China)

The AC/DC hybrid distribution network with a high proportion of distributed generation access is an important transitional form for the development of the future distribution network. With the development of power systems, the requirements for the reliability of the distribution network have increased. This paper proposes a method of collaborative optimization planning and design for an AC/DC hybrid distribution network framework and distributed generation, a method that considers reliability. In scenario construction, the correlation and timing of output of each distributed generation and the timing of each load power are considered. A comprehensive reliability evaluation system considering steady- and fault-operation is established from the operational characteristics of AC-DC hybrid distribution network. This is done by establishing the relationship between the reliability indicators, where the reliability and economic indicators are objectively processed in a unified dimension. A two-layer collaborative optimization strategy is designed for AC-DC hybrid distribution network structure and distributed generation access capacity. At the same time, a complete line fault sampling model is established. The superiority and effectiveness of the proposed method are verified by an example of the optimization planning of a modified IEEE 33-bus AC-DC hybrid distribution network.

AC/DC hybrid distribution network; reliability; distributed generation; optimized planning

10.19783/j.cnki.pspc.220065

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2018YFB0904703)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2018YFB0904703).

2022-01-15；

2022-02-28

金國(guó)彬(1977—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及其并網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)、電能質(zhì)量治理；E-mail: jgbjgb2005@126.com

劉玉龍(1995—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)榻恢绷骰旌吓潆娋W(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃。E-mail: 2863227890@ qq.com

(編輯 魏小麗)