研究背景

隨著規(guī)劃用地通道資源日益緊張，取得因新選站址和線路走廊而占用的土地資源越發(fā)困難，導(dǎo)致新建成本大幅提高。另一方面，配電網(wǎng)層面正大量接入以風(fēng)電和光伏為代表的分布式電源，由于分布式電源出力具有明顯的間歇性和波動(dòng)性，大大增加了其供電區(qū)域范圍的不確定性。

近年來，配電網(wǎng)已普遍由傳統(tǒng)單電源多支路的輻射狀結(jié)構(gòu)擴(kuò)展成為主變站間充分互聯(lián)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上，隨著配電自動(dòng)化和配電管理技術(shù)在中壓配電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，饋線所帶負(fù)荷信息可通過饋線終端裝置快速獲得，遠(yuǎn)程開關(guān)控制也將變得更加迅速，使得配電網(wǎng)具有了可隨外部環(huán)境的變化快速實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供和故障恢復(fù)的能力。因此，快速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力的具備對配電網(wǎng)規(guī)劃問題提出了新的要求。

1研究存在的問題

1)受傳統(tǒng)規(guī)劃措施的限制，所得規(guī)劃方案未必能在保證安全可靠供電的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)。

2)現(xiàn)有模型僅包含了分布式電源出力、負(fù)荷波動(dòng)、饋線故障等不確定因素，未考慮主變故障，不確定性的內(nèi)涵亟待完善。

3)在應(yīng)用N-1安全準(zhǔn)則進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，未能計(jì)及配電網(wǎng)主變站間互聯(lián)對故障負(fù)荷的轉(zhuǎn)供約束，對配電網(wǎng)供電能力的挖掘也不夠充分。

2基于安全距離的配電網(wǎng)N-1安全性分析

1)靜態(tài)安全距離

配電網(wǎng)安全域定義為所有滿足N-1安全準(zhǔn)則的工作點(diǎn)的集合。其中，工作點(diǎn)是由饋線出口功率組成的n維向量。

配電網(wǎng)安全邊界是由所有恰好滿足N-1安全的臨界工作點(diǎn)所組成，具體可通過N-1仿真擬合算法得到。

工作點(diǎn)在配電網(wǎng)安全域中的位置可以反映系統(tǒng)N-1安全性，并利用靜態(tài)安全距離來量化反映這一數(shù)據(jù)。對于饋線Fk，靜態(tài)安全距離定義為工作點(diǎn)延軸向Fk到所有有效安全邊界的最短距離。

2)N-1安全裕度指標(biāo)

最小安全距離VSSD：各條饋線安全距離的最小值。

安全距離均值VMSD：各條饋線安全距離的平均值。

安全距離均衡度VEDSD：各條饋線安全距離的標(biāo)準(zhǔn)差。

安全距離均衡比VERSD：安全距離均衡度和安全距離均值之比。

3配電網(wǎng)隨機(jī)擴(kuò)展規(guī)劃模型

該優(yōu)化問題描述為：綜合考慮系統(tǒng)故障和分布式電源出力及時(shí)變負(fù)荷帶來的不確定性，采用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法，以總成本現(xiàn)值最小為目標(biāo)函數(shù)，尋求滿足安全距離、節(jié)點(diǎn)電壓和輻射運(yùn)行等約束條件的配電網(wǎng)規(guī)劃方案。

1)總成本現(xiàn)值

包括饋線改造成本、新建聯(lián)絡(luò)線成本、新建饋線成本、變電站擴(kuò)容成本、新建變電站成本、分布式電源運(yùn)行維護(hù)成本現(xiàn)值、配電網(wǎng)向上級電網(wǎng)購電成本現(xiàn)值和碳排放成本現(xiàn)值。

2)約束條件

包括潮流方程約束、安全距離約束、節(jié)點(diǎn)電壓機(jī)會(huì)約束和輻射狀結(jié)構(gòu)約束。

3)優(yōu)化模型求解

分析上述配電網(wǎng)規(guī)劃模型，其屬于含有多個(gè)決策變量的非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題，具有數(shù)據(jù)量大、難以尋優(yōu)的特點(diǎn)。為此，本文采用模糊C-means聚類法聯(lián)合動(dòng)態(tài)小生境差分進(jìn)化算法的混合算法對其進(jìn)行求解，該算法克服了差分進(jìn)化算法在初期搜索速度快，后期易陷入局部最優(yōu)點(diǎn)的缺點(diǎn)。

4部分仿真結(jié)果分析

由圖1可以看出，饋線F2、F6和F13的安全距離在規(guī)劃前為負(fù)值，而經(jīng)過本文所提方法規(guī)劃后，各條饋線安全距離均為正值，這表明在不新增線路或變電容量的前提下，僅通過改造饋線，就能借助網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力滿足對負(fù)荷的安全可靠供電，從而在有效推遲電網(wǎng)建設(shè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)供電能力的挖掘。此外，相比于規(guī)劃前，雖然規(guī)劃后的總成本現(xiàn)值大了68.4萬美元，漲幅達(dá)2.3%，但是安全距離均衡比小了0.18，降幅多達(dá)19.6%，因此，本文規(guī)劃方案有助于綜合改善配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

圖1規(guī)劃前后的各饋線安全距離情況

本文規(guī)劃和設(shè)計(jì)導(dǎo)則規(guī)劃的結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，本文規(guī)劃方案的容載比較導(dǎo)則規(guī)劃方案降低0.5，降幅達(dá)23.9%，說明本文規(guī)劃方法有助于提高資產(chǎn)設(shè)備利用率，充分發(fā)揮配電網(wǎng)的供電潛力。對比兩種規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中的各部分成本，配電網(wǎng)的運(yùn)維成本占總成本的比例均最大，說明對于本算例，上級電網(wǎng)依然是電力供應(yīng)的主要來源。此外，相比于導(dǎo)則規(guī)劃，雖然本文規(guī)劃方案的運(yùn)維成本略有增加，但是由于投資成本大幅下降，導(dǎo)致規(guī)劃總成本相對較小，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。分析其原因是由于導(dǎo)則規(guī)劃方案需在現(xiàn)狀配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上新增2臺主變和6條饋線，此舉將會(huì)投入新設(shè)備并征用規(guī)劃用地通道資源，使得規(guī)劃的投資成本大幅提高，相較之下，本文規(guī)劃方案僅需對饋線進(jìn)行改造，通過優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和新增負(fù)荷接入方案就能實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷的安全可靠供電，節(jié)約了大量投資。

表1本文規(guī)劃與導(dǎo)則規(guī)劃的結(jié)果對比

由圖1和表1可以看出，相比規(guī)劃前，導(dǎo)則規(guī)劃方案的安全距離均值增大，說明新建饋線和新增變電容量可以提高系統(tǒng)安全裕度的平均水平。對比兩種規(guī)劃方案的安全性指標(biāo)，最小安全距離均為正值，說明兩種規(guī)劃方案均能實(shí)現(xiàn)故障負(fù)荷安全轉(zhuǎn)供。另外，相比導(dǎo)則規(guī)劃，本文規(guī)劃方案的安全距離均衡比減小0.078，降幅達(dá)9.4%，可見本文規(guī)劃方案安全性更好。

5總結(jié)

本文綜合考慮分布式電源出力、負(fù)荷波動(dòng)和元件(如主變、饋線等)故障等不確定因素，基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃理論，以總成本現(xiàn)值最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立了基于安全距離的配電網(wǎng)隨機(jī)規(guī)劃模型。算例仿真結(jié)果表明：

1)本文規(guī)劃模型可提升系統(tǒng)應(yīng)對N-1故障的能力和實(shí)現(xiàn)故障后的零失負(fù)荷轉(zhuǎn)供，使得網(wǎng)絡(luò)具有了較強(qiáng)的自愈性特征，適用于對安全裕度和可靠性水平要求較高的配電網(wǎng)規(guī)劃。

2)相比于導(dǎo)則規(guī)劃法，本文規(guī)劃方法能在保證對新增負(fù)荷安全可靠供電的前提下，實(shí)現(xiàn)對規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)性和安全性的全面優(yōu)化。

需要指出的是，本文方法所需的快速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力必須建立在環(huán)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及中壓配電自動(dòng)化普及的基礎(chǔ)上。所提方法更適用于負(fù)荷增長平緩的城市建成區(qū)配電網(wǎng)近期規(guī)劃(3～5年)。下一步還需研究與中長期規(guī)劃目標(biāo)網(wǎng)架的結(jié)合;提出考慮網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供能力的含儲能配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃方法;深入分析主動(dòng)管理模式對配電網(wǎng)規(guī)劃方案的影響。(劉佳，程浩忠，徐謙，蘭洲，馬則良，張建平)