綜合能源背景下的配電網(wǎng)多場景規(guī)劃

　　摘要：隨著能源利用設備的發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)成為能源供應的一個重要發(fā)展方向。與單一形式的能源供應相比，綜合能源供應系統(tǒng)可以為用戶提供更加經(jīng)濟、高效、多樣化的能源供應。其中，包含冷熱電聯(lián)產(chǎn)機組、電制冷等設備的配電網(wǎng)是綜合能源系統(tǒng)的主要物理載體�；�于此，提出了考慮新能源、電、熱、冷負荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)設備和配電網(wǎng)變電站容量協(xié)同規(guī)劃的多場景規(guī)劃方法，進而實現(xiàn)電、氣、熱能源的高效、可靠供應。

　　首先，根據(jù)CCHP機組、電制冷裝置、燃氣熱水鍋爐的物理特性，建立相應能量轉(zhuǎn)化的數(shù)學模型�？紤]綜合能源系統(tǒng)中諸多元件對配電網(wǎng)節(jié)點電壓的影響，采用Distflow模型建立交流潮流模型。其次，針對新能源出力和電、氣、熱負荷需求的不確定性對規(guī)劃結(jié)果的影響，采用典型場景來描述電、氣、熱負荷的季節(jié)特性和新能源出力的波動性，進而建立了基于多場景的綜合能源系統(tǒng)和配電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃模型。對改造的IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)進行規(guī)劃計算，算例結(jié)果驗證了本文所提規(guī)劃方法的有效性及合理性。

　　關(guān)鍵詞:綜合能源系統(tǒng);配電網(wǎng)規(guī)劃;冷熱電聯(lián)產(chǎn)機組;交流潮流;混合整數(shù)二階錐問題

　　電力方向論文范文：智能分布式配電保護及自愈控制系統(tǒng)

　　摘要：完善的繼電保護和自愈控制是提高配電網(wǎng)供電可靠性的關(guān)鍵技術(shù)手段。智能分布式配電保護及自愈控制系統(tǒng)，能夠基于智能終端包括繼電保護裝置之間直接對等交換實時數(shù)據(jù)，通過自主判斷、自主決策、協(xié)同工作，實現(xiàn)快速隔離故障、縮短停電時間，是中心城市(區(qū))配電網(wǎng)保護控制的發(fā)展方向。

　　0引言

　　我國當前產(chǎn)能過剩、能源利用效率低、新能源消納難度大、環(huán)保壓力加大等問題不斷凸顯，能源轉(zhuǎn)型成為我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路[1]。綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)㈦�、氣、冷、熱等多種能源系統(tǒng)綜合利用、協(xié)調(diào)優(yōu)化，可有效提高能源資源優(yōu)化配置效率，促進新能源消納，減少環(huán)境污染，是我國實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，保證經(jīng)濟從高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展過渡的有效手段[2]。目前對綜合能源系統(tǒng)的研究可劃分為綜合規(guī)劃、聯(lián)合運行優(yōu)化和綜合評估三大類。

　　在綜合規(guī)劃方面，文獻[3]、[4]和[5]從多能源系統(tǒng)耦合關(guān)系、建模以及求解等方面綜述了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃領域的研究現(xiàn)狀。文獻[6]提出了一種基于改進型Kriging模型的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，進而可以得到最優(yōu)容量配置方案和最佳運行策略。為考慮柔性負荷對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的影響，文獻[7]以投資費用、運行費用、補償成本最小為目標函數(shù),建立了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲電、儲熱設備優(yōu)化配置模型。

　　為考慮規(guī)劃中的不確定因素，文獻[8]采用條件風險價值理論刻畫風電和光伏的不確定性，提出了一種同時考慮短期和長期不確定性的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)擴展規(guī)劃模型。為統(tǒng)籌優(yōu)化多個規(guī)劃目標，文獻[9]以經(jīng)濟性和熵效率為優(yōu)化目標，構(gòu)建了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多目標規(guī)劃模型。在聯(lián)合運行優(yōu)化方面，文獻[10]提出了一種同時考慮電力網(wǎng)絡和熱力網(wǎng)絡傳輸損耗的電熱綜合能源系統(tǒng)多目標優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[11]建立了計及需求側(cè)響應的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型。文獻[12]提出了包含滾動優(yōu)化和動態(tài)調(diào)整的兩階段多時間尺度園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。

　　另外，文獻[13]和[14]還分別提出了考慮蓄熱電鍋爐不同工作模式和電制氫裝置不同控制方式下的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。在綜合評估方面，文獻[16]梳理了綜合能源系統(tǒng)已有的效益評價指標體系和評價方法,并提出了未來的研究重點和發(fā)展方向。文獻[15]分析了電-氣互聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)運行特性,并從支路功率、節(jié)點電壓、系統(tǒng)頻率和節(jié)點氣壓四個維度提出了評價指標來評估耦合系統(tǒng)的運行風險。文獻[17]對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)建立評估場景和評估指標后，提出一種利用信息熵計算指標權(quán)重的評價方法。文獻[18]基于模糊評價方法，提出了一種基于綠色㶲經(jīng)濟的綜合能源系統(tǒng)價值評價方法。從上述研究成果可以看出，隨著綜合能源系統(tǒng)的快速發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)和配電網(wǎng)絡之間的聯(lián)系日趨緊密，對配電網(wǎng)的規(guī)劃和運行也將產(chǎn)生深刻影響。文獻[19]闡述了新型城鎮(zhèn)背景下能源站、能源網(wǎng)絡以及能源互聯(lián)系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃模型、求解方法，并分析了不同規(guī)劃理論的聯(lián)系和區(qū)別。

　　文獻[20]綜述了未來配電網(wǎng)絡和天然氣系統(tǒng)、冷、熱傳輸系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃的研究方向。文獻[21]建立了考慮區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的配電網(wǎng)擴展規(guī)劃雙層優(yōu)化模型，上層考慮配電網(wǎng)規(guī)劃成本最小，下層考慮能源利用效率和新能源消納率最大化，但是沒有考慮配電網(wǎng)絡的潮流約束。文獻[22]針對綜合能源站用電需求的不確定性，提出一種基于機會約束的配電網(wǎng)變電站規(guī)劃方法，但為求解方便僅采用了簡化模型。綜合能源系統(tǒng)和配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃將極大地提高社會效益和經(jīng)濟效益[23]。但是，綜合能源系統(tǒng)中的設備眾多，其中通過消耗電能來生產(chǎn)其他能源的設備，不僅會消耗有功功率，也會消耗無功，在與配電網(wǎng)耦合時，會對配電網(wǎng)的節(jié)點電壓造成影響。

　　因而對包含綜合能源生產(chǎn)元件的配電網(wǎng)變電站進行協(xié)同規(guī)劃時，需要采用交流潮流來同時考慮有功功率、無功功率平衡。同時，因為綜合能源生產(chǎn)元件模型、多能源網(wǎng)絡模型往往較為復雜，需要在建模精確性和求解準確度之間尋找一個合適的平衡點。若再考慮新能源和負荷的隨機波動，統(tǒng)一規(guī)劃的難度將進一步增大。為此，本文對考慮不確定性因素的綜合能源系統(tǒng)和配電網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃展開了研究，并提出一種考慮新能源、電、熱、冷負荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)設備和配電網(wǎng)變電站容量協(xié)同規(guī)劃的方法。

　　文章創(chuàng)新點包括：首先，在規(guī)模模型中采用了交流潮流模型對配電網(wǎng)絡建模，可以考慮綜合能源系統(tǒng)中各種設備消耗的無功功率對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定造成的影響;其次，針對電、氣、熱負荷具有明顯的季節(jié)特征，通過聚類的方式生成不同季節(jié)的典型負荷曲線，進而建立了基于典型日模擬的多場景規(guī)劃模型，在不增加規(guī)劃模型復雜度的前提下計入不確定性因素的影響。最后，對IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)中的變電站和綜合能源系統(tǒng)中的CCHP機組、電制冷裝置、燃氣熱水鍋爐進行協(xié)同規(guī)劃，以觀察不同情形下各設備的規(guī)劃方案和運行情況。結(jié)果表明：本文所提規(guī)劃方法可以較好地處理可再生能源出力和負荷需求不確定性對系統(tǒng)規(guī)劃的影響，并且能夠保證配電網(wǎng)中節(jié)點電壓的穩(wěn)定。

　　1綜合能源生產(chǎn)設備及配電網(wǎng)建模

　　1.1綜合能源背景下的配電網(wǎng)

　　為了滿足用戶的多種能源需求、促進分布式可再生能源消納，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)正在發(fā)展為基于配電網(wǎng)的綜合能源供應。綜合能源背景下的配電網(wǎng)，在配電網(wǎng)側(cè)接入冷熱電聯(lián)供機組(CCHP)和電制冷裝置(AC)，在天然氣管網(wǎng)末端接入CCHP機組和燃氣熱水鍋爐(GHB)，為用戶同時提供經(jīng)濟、高效、安全的電、熱、冷能源供應。風電和光伏等分布式能源、變電站、CCHP機組向用戶提供電能;AC裝置和CCHP機組向用戶提供冷能;GHB裝置和CCHP機組向用戶提供熱能。下面將根據(jù)CCHP機組，GHB、AC以及配電網(wǎng)絡等設備的運行特性建立數(shù)學模型。

　　1.2CCHP機組建模

　　CCHP機組由燃氣發(fā)電機和吸收式制熱(冷)機組成，既能通過燃燒天然氣發(fā)電，也可利用發(fā)電的煙氣余熱能和缸熱能來制熱或制冷。

　　1.3配電網(wǎng)模型對配電網(wǎng)的規(guī)劃主要是變電站容量的擴建規(guī)劃。

　　由于分布式光伏、電制冷裝置等設備的接入，需要配電網(wǎng)提供無功支撐，無功功率的變化可能造成配單網(wǎng)的電壓波動。因此，本文采用Distflow模型[24][25]建立配電網(wǎng)交流潮流模型，來保證配電網(wǎng)內(nèi)元件的無功功率供給。

　　2不確定性場景建模

　　本文采用某工業(yè)園區(qū)一年365天的電力負荷、熱負荷、冷負荷和園區(qū)內(nèi)屋頂光伏出力的數(shù)據(jù)作為規(guī)劃模型的輸入數(shù)據(jù)。為了在規(guī)劃模型中考慮光伏出力、電、熱、冷負荷的不確定性、季節(jié)特性及其相關(guān)性，首先將規(guī)劃年365天的電力負荷、熱負荷、冷負荷和光伏出力的8760小時數(shù)據(jù)分別除以其全年最大值，進而歸一化為0至1之間的數(shù)據(jù)。

　　光伏電站全年8760小時的出力用矩陣X24×365表示，X每一列的數(shù)據(jù)代表光伏電站24小時的出力，同理，電力負荷用Y24×365表示，熱負荷用R24×365表示、冷負荷用C24×365表示。其次，將X24×365、Y24×365、R24×365和C24×365四個矩陣的數(shù)據(jù)合并至新的數(shù)組S，進而形成一個96×365維的數(shù)組，每一列數(shù)據(jù)代表一個不確定性因素的樣本。

　　然后，將數(shù)組S中365個樣本分為夏季、冬季和過渡季(含春季和秋季)三組數(shù)據(jù)，并通過k-means聚類的方法分別聚類成1個典型日場景。最后，對典型日的電力負荷、熱負荷、冷負荷和光伏出力分別乘以其全年最大值，將典型日24小時的數(shù)據(jù)折算為有名值，作為規(guī)劃模型使用的典型場景。按照聚類前夏季、冬季和過渡季樣本的數(shù)量，可得到夏季和冬季典型日出現(xiàn)的概率均為0.25;過渡季典型日出現(xiàn)的概率為0.5。

　　3規(guī)劃模型介紹

　　CCHP機組和燃氣熱水鍋爐的運行需要消耗天然氣，電制冷裝置需要耗電力有功功率和無功功率。分布式光伏雖然可以向配電網(wǎng)提供有功功率，但同時需要消耗配電網(wǎng)的無功功率。因此，對綜合能源背景下配電網(wǎng)規(guī)劃時，首先，對變電站容量和CCHP機組的規(guī)劃需要同時考慮規(guī)劃年電力有功和無功負荷的需求。其次，要考慮三大互補關(guān)系：(1)CCHP機組擴容和變電站擴容的互補關(guān)系;(2)CCHP機組擴容和燃氣熱水鍋爐擴容的互補關(guān)系;(3)CCHP機組擴容和電制冷裝置擴容的互補關(guān)系。最后，在尋求投資成本最小化的目標下，為了讓用戶側(cè)用能成本最低，需要統(tǒng)籌考慮對待規(guī)劃設備的擴容，進而保證用戶購電和購氣的總成本最小。

　　3.1目標函數(shù)

　　本研究建立的是單水平年規(guī)劃模型，規(guī)劃模型的目標是在保證系統(tǒng)的電、熱、冷多能源可靠性供應的前提下，最小化設備投資成本和系統(tǒng)的運行成本。投資成本包括變電站擴建費用以及CCHP機組、GHB和AC設備的建設成本。因為規(guī)劃模型是基于典型日模擬的多場景規(guī)劃模型，為了讓運行成本和設備的建設成本具有可比性，將設備的總建設成本折算為每日的建設投資。

　　4算例分析

　　4.1算例介紹

　　為驗證本文所提配電網(wǎng)規(guī)劃方法的有效性和合理性，本文基于IEEE33節(jié)點的配電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建了如圖6所示的綜合能源系統(tǒng)下的配電網(wǎng)算例。本算例包含2個分布式光伏，分別連接在節(jié)點10和節(jié)點28，裝機容量均為5MW，無功系數(shù)分別為-0.3和-0.28;3個備選的CCHP機組1、2、3分別連接在節(jié)點12、24和3，吸熱式制熱和制冷效率分別為1.2和0.9;2個備選的燃氣熱水鍋爐，分別接在節(jié)點22和23附近的天然氣網(wǎng)絡，燃氣熱水鍋爐和配電網(wǎng)絡沒有電氣聯(lián)系，此處僅為表征方便，將其接入配電網(wǎng)絡;2個備選的電制冷設備，分別連接在節(jié)點16和節(jié)點33;位于節(jié)點1的變電站最大擴容容量為8MW，最大最小載荷系數(shù)分別為1和0.3，單位容量投資成本為128萬元/MW。CCHP機組、AC裝置和燃氣熱水鍋爐的詳細輸入?yún)��?shù)分別如表1、表2和表3所示。

　　5結(jié)論

　　在綜合能源系統(tǒng)快速發(fā)展的背景下，本文提出了一種考慮新能源、電、熱、冷負荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)設備和配電網(wǎng)變電站容量協(xié)同規(guī)劃的方法，通過算例分析可以得到如下結(jié)論。1)通過k-means聚類法得到冬季、夏季和過渡季三個典型日運行場景后，采用多場景規(guī)劃得到的規(guī)劃方案相較于傳統(tǒng)確定性規(guī)劃方法雖然總費用增加，但具有更高的魯棒性，對電負荷、熱負荷和冷負荷供應的可靠性更高。2)采用配電網(wǎng)交流潮流模型對配電網(wǎng)建模更符合實際規(guī)劃情況，尤其是當綜合能源系統(tǒng)中的大量設備需要消耗配電網(wǎng)中的無功功率時，使用配電網(wǎng)交流潮流模型得到的配電網(wǎng)規(guī)劃方案能夠滿足系統(tǒng)中諸多元件的無功需求，保證配電網(wǎng)節(jié)點電壓穩(wěn)定。

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