一种含分布式电源的配电网线性规划模型的制作方法

本发明涉及配电网规划技术领域，具体为一种含分布式电源的配电网线性规划模型。

背景技术：

随着经济和社会的不断发展，能源高效和安全利用正在受到越来越广泛的关注，最接近终端用户的配电网是电力系统的重要组成部分，其合理规划建设也正得到日益充分的研究。

配电网规划是根据规划期间的负荷预测结果和现有网络的基本状况，在满足负荷增长和安全可靠供电的前提下，确定最优的系统建设方案，使得配电网的建设和运行费用最小。由于配电网具有线路电阻较高、电压波动较大等特点，在输电网规划中广泛应用的直流潮流模型并不适用于配电网络，因此，在以往的研究中，针对配电网网络约束的建立往往基于交流潮流模型。然而，交流潮流模型具有高度非线性，难以利用普通的数学优化工具对基于交流潮流建立的配电网规划模型进行求解。针对这种情况，大多数文献选择采用遗传算法、粒子群算法等人工智能算法，但此类算法只适用于规模较小的优化规划问题的求解。基于以上考虑，研究满足一定精度要求的配电网线性化规划模型，将极大地提升配电网规划问题求解的效率，为配电网后续的理论研究提供进一步的基础。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供了一种含分布式电源的配电网线性规划模型，满足规模较大的配电网线性化规划的模型优化问题求解，将极大地提升配电网规划问题求解的效率，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种含分布式电源的配电网线性规划模型，包括以下步骤：

步骤s1：建立电网规划模型目标函数，对于配电网规划，在考虑了配电网中的分布式电源、网架结构等因素的情况下，以配电网的建设成本、运行成本和环境成本最小为优化目标；

步骤s2：建立电网规划模型的约束条件，其中包括潮流约束、网架结构约束、发电容量约束、电量平衡约束、节点电压约束、支路传输功率约束和分布式电源安装容量约束。

作为本发明一种优选的技术方案，步骤s1中所述电网规划模型目标函数为：

minf(x)＝γccon(x)+cope(x)+cenv(x)

其中，γ为建设成本等年值平均系数，r为贴现率，y为建设线路和设备的投资偿还期；在所述电网规划模型目标函数当中的规划成本中包含建设成本ccon(x)、运行成本cope(x)和环境成本cenv(x)。

作为本发明一种优选的技术方案，所述建设成本ccon(x)、运行成本cope(x)和环境成本cenv(x)的表达式分别为：

建设成本

运行成本

环境成本

其中，cab表示第a条线路第b种建设方案的费用，a表示待建线路的总数，b表示新建线路方案的总数，cde表示第d条线路第e种更换方案的费用，d表示待更换线路的总数，e表示更换线路方案的总数，cfbg表示第g种分布式电源建设方案的单位容量成本，pfbfg表示第f个节点第g种分布式电源建设方案的额定容量，f表示安装分布式电源节点的总数，g表示分布式电源建设方案的总数，cjb0表示新建变电站的单位容量建设费用，sjbhi表示第h个节点第i种变电站建设方案的建设容量，h表示可能新建变电站的节点总数，i表示新建变电站的方案总数，ckb表示变电站扩容的单位容量建设费用，skbjk表示第j个节点第k种变电站扩容方案的扩容容量，j表示现有变电站节点的总数，k表示变电站扩容的方案总数，pb表示为配电网从上级电网购电的单位电价，wb表示向上级电网的年购电量，cyfbg表示第g种分布式电源建设方案的单位容量年运行成本，cyb表示变电站单位容量的年运行成本，cefbgl表示第g种分布式电源建设方案单位发电量产生第l种污染物带来的环境成本，wfbfg表示第f个节点第g种分布式电源建设方案的年度发电量，l表示发电产生的污染物的种类总数，cebl表示向上级电网购得单位发电量产生第l种污染物带来的环境成本。

作为本发明一种优选的技术方案，步骤s2中7个约束的方程分别为：

潮流约束：采用潮流方程线性化模型

网架结构约束：采用网络连通性线性化模型

un＞ε

发电容量约束

电量平衡约束

节点电压约束

unmin≤un≤unmax

支路传输功率约束

pmnmin≤pmn≤pmnmax

分布式电源安装容量约束

其中，n表示电网节点总数，pm表示节点m的注入有功功率，qm表示节点m的注入无功功率，un表示节点n的节点电压幅值，θn表示节点n的节点电压相角，sb0表示现有变电站的容量，wfbfg表示表示第f个节点第g种分布式电源建设方案的年发电量，τ表示年最大负荷利用小时数，η表示配电网平均网损率，unmin表示节点n的节点电压下限，unmax表示节点n的节点电压上限，pmn表示节点m、n之间的线路传输的有功功率，λ表示区域容载比，gn表示节点n的最大有功负荷，wb表示配电网向上级电网的年购电量，pmnmin表示节点m、n之间的线路传输的有功功率下限，pmnmax表示节点m、n之间的线路传输的有功功率上限，σ表示分布式电源装机容量占配电网最大负荷的比例上限。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先对于配电网的潮流方程约束提出了线性化近似方法，然后对于配电网的网络连通性约束提出了线性化近似方法，接着在上述近似约束模型的基础上，建立了配电网规划模型；

在以下三个不同的场景下对实例配电网分别基于所提线性化模型和传统非线性模型利用一般数值优化方法和遗传算法进行求解、分析。

场景1：不考虑分布式电源的规划，直接进行配电网网架规划；

场景2：先进行配电网网架规划，完成网架规划后再进行分布式电源规划；

场景3：进行含分布式电源的配电网综合协调规划。

满足规模较大的配电网线性化规划的模型优化问题求解，将极大地提升配电网规划问题求解的效率，本文提出的线性规划模型对于现阶段配电网规划分析是有效的，相比于传统的配电网非线性规划模型，本文提出的线性规划模型在保证精度的基础上，具有较高的计算和分析效率。

附图说明

图1为本发明实例待规划网架的原始结构示意图；

图2为本发明基于线性化模型在场景1下的规划结构示意图；

图3为本发明基于线性化模型在场景2下的规划结构示意图；

图4为本发明基于线性化模型在场景3下的规划结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：

一种含分布式电源的配电网线性规划模型，包括以下步骤：

步骤s1：建立电网规划模型目标函数，对于配电网规划，在考虑了配电网中的分布式电源、网架结构等因素的情况下，以配电网的建设成本、运行成本和环境成本最小为优化目标；

步骤s2：建立电网规划模型的约束条件，其中包括潮流约束、网架结构约束、发电容量约束、电量平衡约束、节点电压约束、支路传输功率约束和分布式电源安装容量约束。

如图3和图4所示，附表1为基于线性化模型在场景2、3下的分布式电源接入点的安装容量:

附表1

如图2、图3和图4所示，附表2为基于线性化模型在三个场景下的规划方案成本对比表:

附表2

如图2、图3和图4所示，附表3为基于非线性模型在三个场景下的规划方案成本对比表:

附表3

如图2、图3和图4所示，附表4为在三个场景下利用线性化模型和非线性模型进行求解时的所需时间对比表:

附表4

本发明的工作原理：首先进行潮流方程线性化处理，对于n节点网络，电力系统分析中经典的潮流方程可以表示为如下形式：

i＝1,2,...,n

其中，pi、qi、ui和θi分别表示节点i的有功功率注入、无功功率注入、电压幅值和电压相角，gij和bij则是网络导纳矩阵中相应元素的实部和虚部。

通过将上述表达式变换成基于线路电导和电纳参数的形式，同时采用如下近似方法：

gijui(ui-ujcosθij)≈gij(ui-uj)(3)

bijuiujsinθij≈bijθij＝bij(θi-θj)(4)

可将经典的潮流方程写成式(5)(6)的形式。其中，gii表示节点i的自电导，gij表示节点i和节点j之间线路的互电导，bij表示节点i和节点j之间线路的互电纳，b'ij则是忽略节点接地导纳得到的网络导纳矩阵中相关元素的虚部。

在本发明中，考虑到配电网自身的特性，忽略节点接地阻抗，对于(5)进行改进，最终得到网络潮流线性化模型：

然后进行网络连通性线性化处理，对于一个连通的电网，在其中一个节点注入单位电流，则其他节点均会产生相应的节点电压，节点电压的大小等于这两个节点之间的互阻抗大小。因此，本发明基于上述网络阻抗矩阵的思想提出如下的网络连通性约束：

ui＞ε,i＝1,2,...,n(9)

ui为当网络中某个节点的注入单位电流，在网络中所有节点连通时，网络中任意一个节点i的电压幅值，ε是充分小的正数。

设某待规划建设的原始电网(存在网络不连通情况)，其导纳矩阵为y0。定义0-1决策变量xb表示待选新建线路b的投建状态，0表示该线路不投建，1表示投建，所有待选新建线路的集合标记为b。同时，线路b的始末端依次标记为fb和tb，则该原始网络的电压电流关系方程可写为：

其中，列向量mb为描述支路b和节点关联特性的向量，元素数量等于网络节点总数，第fb个元素为1，第tb个元素为-1。由于矩阵中为稀疏矩阵，则利用此稀疏特性实现的线性化描述，将(10)转换为：

式中，和为维数等于网络支路总数的虚拟向量。通过引入大数m，和中对应于支路始末端的元素可表示为如下形式，其他位置元素均为0：

式(9)，(11)-(13)即为本发明中的网络连通性线性约束表达式。

接着提出了基于线性潮流约束的配电网规划模型，模型中的优化变量包括：

(1)0-1决策变量：决定线路是否新建xjx、线路是否更换xhx、分布式电源是否新建xfb、变电站是否新建xjb、变电站是否扩容xkb

(2)实数变量：分布式电源的新建容量，变电站的新建容量和扩容容量，分布式电源的年发电量以及向上级电网年购电量。

由于进行了线性化处理，本发明所提模型可以通过一般的数学优化工具包进行求解。

最终，通过建立规划模型的目标函数和建立规划模型的约束条件实现对于配电网的潮流方程和连通性进行了线性化近似处理，相比于传统的配电网非线性规划模型，本文提出的线性规划模型在保证精度的基础上，具有较高的计算和分析效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。