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(shè)備的發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)成為能源供應(yīng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。與單一形式的能源供應(yīng)相比，綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)可以為用戶提供更加經(jīng)濟(jì)、高效、多樣化的能源供應(yīng)。其中，包含冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、電制冷等設(shè)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(fù)荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)設(shè)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)電、氣、熱能源的高效、可靠供應(yīng)。

　　首先，根據(jù)CCHP機(jī)組、電制冷裝置、燃?xì)鉄崴�鍋爐的物理特性，建立相應(yīng)能量轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型�？紤]綜合能源系統(tǒng)中諸多元件對配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(fù)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(fù)荷的季節(jié)特性和新能源出力的波動(dòng)性，進(jìn)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(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃計(jì)算，算例結(jié)果驗(yàn)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(jī)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(hù)及自愈控制系統(tǒng)

　　摘要：完善的繼電保護(hù)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(hù)及自愈控制系統(tǒng)，能夠基于智能終端包括繼電保護(hù)裝置之間直接對等交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過自主判斷、自主決策、協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)快速隔離故障、縮短停電時(shí)間，是中心城市(區(qū))配電網(wǎng)保護(hù)控制的發(fā)展方向。

　　0引言

　　我國當(dāng)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(jì)社會(huì)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(jìn)新能源消納，減少環(huán)境污染，是我國實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，保證經(jīng)濟(jì)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(yùn)行優(yōu)化和綜合評估三大類。

　　在綜合規(guī)劃方面，文獻(xiàn)[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(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于改進(jìn)型Kriging模型的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，進(jìn)而可以得到最優(yōu)容量配置方案和最佳運(yùn)行策略。為考慮柔性負(fù)荷對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的影響，文獻(xiàn)[7]以投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、補(bǔ)償成本最小為目標(biāo)函數(shù),建立了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱設(shè)備優(yōu)化配置模型。

　　為考慮規(guī)劃中的不確定因素，文獻(xiàn)[8]采用條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值理論刻畫風(fēng)電和光伏的不確定性，提出了一種同時(shí)考慮短期和長期不確定性的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃模型。為統(tǒng)籌優(yōu)化多個(gè)規(guī)劃目標(biāo)，文獻(xiàn)[9]以經(jīng)濟(jì)性和熵效率為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)規(guī)劃模型。在聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[10]提出了一種同時(shí)考慮電力網(wǎng)絡(luò)和熱力網(wǎng)絡(luò)傳輸損耗的電熱綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[11]建立了計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[12]提出了包含滾動(dòng)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)調(diào)整的兩階段多時(shí)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(xiàn)[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(xiàn)[16]梳理了綜合能源系統(tǒng)已有的效益評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)方法,并提出了未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。文獻(xiàn)[15]分析了電-氣互聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行特性,并從支路功率、節(jié)點(diǎn)電壓、系統(tǒng)頻率和節(jié)點(diǎn)氣壓四個(gè)維度提出了評價(jià)指標(biāo)來評估耦合系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[17]對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)建立評估場景和評估指標(biāo)后，提出一種利用信息熵計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的評價(jià)方法。文獻(xiàn)[18]基于模糊評價(jià)方法，提出了一種基于綠色㶲經(jīng)濟(jì)的綜合能源系統(tǒng)價(jià)值評價(jià)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(luò)之間的聯(lián)系日趨緊密，對配電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行也將產(chǎn)生深刻影響。文獻(xiàn)[19]闡述了新型城鎮(zhèn)背景下能源站、能源網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)[20]綜述了未來配電網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)[21]建立了考慮區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的配電網(wǎng)擴(kuò)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(luò)的潮流約束。文獻(xiàn)[22]針對綜合能源站用電需求的不確定性，提出一種基于機(jī)會(huì)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[23]。但是，綜合能源系統(tǒng)中的設(shè)備眾多，其中通過消耗電能來生產(chǎn)其他能源的設(shè)備，不僅會(huì)消耗有功功率，也會(huì)消耗無功，在與配電網(wǎng)耦合時(shí)，會(huì)對配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)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(jìn)行協(xié)同規(guī)劃時(shí)，需要采用交流潮流來同時(shí)考慮有功功率、無功功率平衡。同時(shí)，因?yàn)榫C合能源生產(chǎn)元件模型、多能源網(wǎng)絡(luò)模型往往較為復(fù)雜，需要在建模精確性和求解準(zhǔn)確度之間尋找一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。若再考慮新能源和負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)，統(tǒng)一規(guī)劃的難度將進(jìn)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(fù)荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)設(shè)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(diǎn)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(luò)建模，可以考慮綜合能源系統(tǒng)中各種設(shè)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(fù)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(fù)荷曲線，進(jìn)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(fù)雜度的前提下計(jì)入不確定性因素的影響。最后，對IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)中的變電站和綜合能源系統(tǒng)中的CCHP機(jī)組、電制冷裝置、燃?xì)鉄崴�鍋爐進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃，以觀察不同情形下各設(shè)備的規(guī)劃方案和運(yùn)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(fù)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(diǎn)電壓的穩(wěn)定。

　　1綜合能源生產(chǎn)設(shè)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(jìn)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(yīng)。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(jī)組(CCHP)和電制冷裝置(AC)，在天然氣管網(wǎng)末端接入CCHP機(jī)組和燃?xì)鉄崴�鍋爐(GHB)，為用戶同時(shí)提供經(jīng)濟(jì)、高效、安全的電、熱、冷能源供應(yīng)。風(fēng)電和光伏等分布式能源、變電站、CCHP機(jī)組向用戶提供電能;AC裝置和CCHP機(jī)組向用戶提供冷能;GHB裝置和CCHP機(jī)組向用戶提供熱能。下面將根據(jù)CCHP機(jī)組，GHB、AC以及配電網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的運(yùn)行特性建立數(shù)學(xué)模型。

　　1.2CCHP機(jī)組建模

　　CCHP機(jī)組由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)和吸收式制熱(冷)機(jī)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(kuò)建規(guī)劃。

　　由于分布式光伏、電制冷裝置等設(shè)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(dòng)。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(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)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(fù)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(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷和光伏出力的8760小時(shí)數(shù)據(jù)分別除以其全年最大值，進(jìn)而歸一化為0至1之間的數(shù)據(jù)。

　　光伏電站全年8760小時(shí)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(shí)的出力，同理，電力負(fù)荷用Y24×365表示，熱負(fù)荷用R24×365表示、冷負(fù)荷用C24×365表示。其次，將X24×365、Y24×365、R24×365和C24×365四個(gè)矩陣的數(shù)據(jù)合并至新的數(shù)組S，進(jìn)而形成一個(gè)96×365維的數(shù)組，每一列數(shù)據(jù)代表一個(gè)不確定性因素的樣本。

　　然后，將數(shù)組S中365個(gè)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(gè)典型日場景。最后，對典型日的電力負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷和光伏出力分別乘以其全年最大值，將典型日24小時(shí)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(jī)組和燃?xì)鉄崴�鍋爐的運(yùn)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(shí)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(shí)，首先，對變電站容量和CCHP機(jī)組的規(guī)劃需要同時(shí)考慮規(guī)劃年電力有功和無功負(fù)荷的需求。其次，要考慮三大互補(bǔ)關(guān)系：(1)CCHP機(jī)組擴(kuò)容和變電站擴(kuò)容的互補(bǔ)關(guān)系;(2)CCHP機(jī)組擴(kuò)容和燃?xì)鉄崴�鍋爐擴(kuò)容的互補(bǔ)關(guān)系;(3)CCHP機(jī)組擴(kuò)容和電制冷裝置擴(kuò)容的互補(bǔ)關(guān)系。最后，在尋求投資成本最小化的目標(biāo)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(shè)備的擴(kuò)容，進(jìn)而保證用戶購電和購氣的總成本最小。

　　3.1目標(biāo)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(biāo)是在保證系統(tǒng)的電、熱、冷多能源可靠性供應(yīng)的前提下，最小化設(shè)備投資成本和系統(tǒng)的運(yùn)行成本。投資成本包括變電站擴(kuò)建費(fèi)用以及CCHP機(jī)組、GHB和AC設(shè)備的建設(shè)成本。因?yàn)橐?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(yùn)行成本和設(shè)備的建設(shè)成本具有可比性，將設(shè)備的總建設(shè)成本折算為每日的建設(shè)投資。

　　4算例分析

　　4.1算例介紹

　　為驗(yàn)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(diǎn)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(gè)分布式光伏，分別連接在節(jié)點(diǎn)10和節(jié)點(diǎn)28，裝機(jī)容量均為5MW，無功系數(shù)分別為-0.3和-0.28;3個(gè)備選的CCHP機(jī)組1、2、3分別連接在節(jié)點(diǎn)12、24和3，吸熱式制熱和制冷效率分別為1.2和0.9;2個(gè)備選的燃?xì)鉄崴�鍋爐，分別接在節(jié)點(diǎn)22和23附近的天然氣網(wǎng)絡(luò)，燃?xì)鉄崴�鍋爐和配電網(wǎng)絡(luò)沒有電氣聯(lián)系，此處僅為表征方便，將其接入配電網(wǎng)絡(luò);2個(gè)備選的電制冷設(shè)備，分別連接在節(jié)點(diǎn)16和節(jié)點(diǎn)33;位于節(jié)點(diǎn)1的變電站最大擴(kuò)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(jī)組、AC裝置和燃?xì)鉄崴�鍋爐的詳細(xì)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(fù)荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)設(shè)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(gè)典型日運(yùn)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(fèi)用增加，但具有更高的魯棒性，對電負(fù)荷、熱負(fù)荷和冷負(fù)荷供應(yīng)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(shí)際規(guī)劃情況，尤其是當(dāng)綜合能源系統(tǒng)中的大量設(shè)備需要消耗配電網(wǎng)中的無功功率時(shí)，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(diǎn)電壓穩(wěn)定。

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