考虑N-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法与流程

本发明配电网规划领域，具体来说，涉及一种考虑n-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法。

背景技术

由于可再生能源大量且集中分布于偏远地区或沿海地区，离负荷中心较远，并且随着可再生能源渗透率的不断提高，需要建立全新的配电网规划方法。考虑可再生能源出力的波动性和间歇性，传统的交流配电网往往难以避免弃风弃光现象的发生。目前，交直流混合配电网得益于其更大的传输容量、更小的线路损耗以及更高的可再生能源渗透率，已成为解决可再生能源接入电力系统的有效方法。此外，n-1安全准则是电网安全可靠运行的重要指标之一。根据北美电力可靠性委员会(nerc)的标准，当任何一条线路由于故障被切除后，系统应当依然能够保持稳定运行。考虑到可再生能源集中分布的偏远地区往往地形复杂、气候恶劣，较易出现安全性问题。一旦出现n-1故障，往往导致大量弃风弃光现象的发生，甚至导致电网的局部崩溃，造成严重后果。因此在进行配电网规划的时候，往往需要考虑n-1安全准则。

事实上，n-1安全准则的交直流混合配电网的规划尚未得到充分研究。一方面，交直流规划的研究目前仅限于大电网传输线规划或楼宇电网规划，交直流混合配电网的规划模型仍处于起步阶段，特别是交直流电网的潮流分布及计算尚未有统一的方法。有学者在微网层面提出了交直流规划的模型，但是所提模型并没有考虑网架的规划方案，无法解决实际问题。另一方面，虽然n-1安全准则在机组组合优化或大电网规划方面有较为详细的研究，但在交直流混合规划领域尚未得到考虑。并且，对于考虑了n-1安全准则之后模型复杂度大大提高，以及双层规划问题难以直接求解的问题，国内外尚未有较为理想的求解方法。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种在最小化交直流混合配电网的投资和运行费用的同时，保证直流侧网架在发生n-1安全故障的条件下，不出现弃风弃光现象的考虑n-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法。

技术方案：本发明的考虑n-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，包括以下步骤：

1)初始化遗传算法参数，基于0-1编码方式随机构造直流网架结构，网架数量等于种群数，令当前网架编号k＝1；

2)基于鲁棒规划，针对第k个表征直流网架结构的染色体个体，构造针对直流配电网并考虑n-1安全准则的下层优化模型；

3)求解所述步骤2)构造的下层优化模型，检验直流网架结构在最恶劣n-1故障下是否存在弃风弃光，若存在弃风弃光，表明当前直流网架结构无法通过检验，则舍弃当前直流网架结构，基于0-1编码方式随机重新生成当前直流网架结构，并返回步骤2)；如果不存在弃风弃光，则判断k是否小于种群数，如果是，则令k＝k+1，返回步骤2)，否则，进入步骤4)

4)针对当前种群中的每一个直流网架结构，构造与该直流网架结构相配套的上层交流系统规划模型；

5)求解所述步骤4)构造的上层交流系统规划模型，将得到的优化结果作为每一个直流网架结构的适应度值，判断当前迭代次数是否达到遗传算法迭代次数上限，若未达到迭代上限，则对直流网架结构染色体进行选择、交叉、变异操作后，令k＝1并返回步骤2)，否则，将当前种群中的直流网架结构所对应的适应度最小的交直流网架结构作为结果输出。

进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中，设置遗传算法参数为：种群数量为25个，迭代次数为100次，交叉概率为0.8，变异概率为0.6。根据规划实际需求确定交直流配电网系统拓扑结构，构造交流线路、直流线路、变电站、vsc、风电和光伏规划候选集。0-1编码方式为0代表不建设，1代表建设，构建表征直流网架结构的染色体种群。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中构造的下层优化模型包括：

3.1目标函数

其中和分别对应第i个节点在第v个负荷等级和第t个阶段下的弃风和弃光功率；c^cw和c^cp分别对应弃风和弃光的惩罚系数；wd为风电场候选节点集合，pv为光伏电站候选节点集合；bn，t为0-1变量，表示第n条线路是否发生故障；ωctg为n-1故障点集合。

3.2约束条件

其中，变量上方的横线“-”是直流系统变量的标识符，变量上方的尖号“^”是通过遗传算法给定的直流拓扑变量的标识符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；表示第n条线路上流过的功率，表示第i个节点流入vsc的功率，和s表示第i个节点风电和光伏的功率，ηvsc为vsc的能量转换效率系数，表示与第i个节点相连的线路的集合，表示直流系统中vsc节点的集合；和分别表示第n条线路的首末端节点电压的平方，rn表示第n条线路的电阻，isqrn，v，t表示第n条线路上流过的电流的平方，m为一个非常大的正整数，xln，t表示第n条线路的建设情况，为直流候选线路的集合；和sr^wd分别对应于风电的实际功率和额定容量，xwdi，t表示第i个节点风电的建设情况；spvi，v，t和sr^pv分别对应于光伏的实际功率和额定容量，xpvi，t表示第i个节点光伏的建设情况；usqri，v，t表示第i个节点电压的平方，uupp和ulow表示节点电压的上、下限，为直流节点的集合；为第n条线路的额定电流，sr^l为线路的额定容量，scuti，v，t为切负荷功率。

进一步的，本发明方法中，所述步骤3)中，求解下层优化模型的方式为：遍历步骤2)中下层优化模型中所有可能的故障情况，对于每一种故障情况，采用cplex求解器在matlab环境中进行求解，在所有n-1故障中取出最大值，如果该最大值大于等于阈值0.01，表明存在弃风弃光现象，则舍弃当前直流网架结构，重新生成新的直流网架结构并返回步骤2)；如果小于阈值，则保留当前直流网架结构并执行步骤4)。

进一步的，本发明方法中，所述步骤4)中构建的上层交流系统规规划模型包括：

5.1目标函数

其中，ir为银行利率，和分别对应于交流系统和直流系统的投资和运行成本，其具体定义如下。

其中，变量上方的“-”和“～”是分别对应于直流和交流变量的标志符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；xln，t表示第n条线路的建设情况，xvsci，t表示第i个节点vsc的建设情况，xsvgi，t表示第i个节点svg的建设情况，xsi，t表示第i个节点变电站的建设情况，且以上变量均为0-1变量；和分别对应于交流系统中线路、vsc、svg和变电站的单位容量建设成本系数；和分别对应于交流系统中线路、vsc、风电和光伏的单位容量建设成本系数；表示候选交流线路集合，表示候选vsc节点集合，ωd表示负荷节点的集合，ωs表示候选变电站节点的集合；scuti，v，t和ccutld为负荷节点的切负荷功率和切负荷惩罚系数；ssubi，v，t和分别表示变电站节点从上级电网购电的功率和购电成本系数，ldv表示第v个负荷等级的持续时间；和分别表示风电场的出力和运行费用，spvi，v，t和分别表示光伏电站的出力和运行费用；和yn，t分别表示线路功率的流动方向，表示线路运行成本系数；rrl，rrvsc，rrsvg，rrs，rrwd和rrpv分别表示线路、vsc、svg、变电站、风电场和光伏电站的资本回收率，设每一种电气设备的设计使用寿命为ltl，ltvsc，ltsvg，lts和ltdg，则资本回收率的具体定义如下：

5.2建设约束

其中，nt为规划年限，ωcll，i表示与节点i相连的交直流传输线的集合。

5.3交流distflow潮流约束

其中，psubi，v，t表示由变电站注入节点i的有功功率，表示负荷阻抗角；表示线路n上流过的无功功率，表示由svg注入节点i的无功功率，表示由vsc注入节点i的无功功率；xn表示第n条线路的电抗。和分别表示以i节点为首末端节点的线路集合。

5.4直流distflow潮流约束

5.5辐射式运行约束

5.6交直流耦合约束

其中，κc和mc分别为vsc常系数和vsc调制系数，为vsc候选节点集合。和为由vsc注入交流系统中节点i的有功功率和无功功率，sr^vsc为vsc的额定容量。

5.7上下限约束

其中，为直流节点的集合，sr^sub为变电站额定容量，sldi，v，t为第i个负荷节点的负荷大小，sr^svg为svg的额定容量。

进一步的，本发明方法中，所述步骤5)中求解上层交流系统规划模型的具体方法为：将步骤3)中确立的每一组直流网架结构代入步骤4)构造的上层交流系统规划模型中，采用cplex求解器在matlab环境中进行求解，将得到的全寿命周期最优成本效益作为对应于每一个直流网架结构染色体的适应度值。判断当前迭代次数是否达到上限。如果尚未达到迭代上限，则对当前种群进行选择、交叉和变异操作，得到一个新的种群，并返回步骤2)进行下一次迭代计算；如果达到迭代上限，则从当前种群中选择适应度最小的直流网架结构及其对应的交流网架配套建设方案，作为最优的交直流混合配电网规划方案输出。

为了交直流混合配电网规划的同时保证n-1安全准则，本发明方法将大量且集中分布在偏远或沿海地区的新能源以直流组网的形式接入直流网络，并通过线路将可再生能源输送到交流配电网当中。规划的目标是在最小化交直流混合配电网的投资和运行费用的同时，保证直流侧网架在发生n-1安全故障的条件下，不出现弃风弃光现象。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)现有的交直流混合规划模型普遍局限于楼宇、微网等局部应用场景，并且不考虑n-1安全准则。本发明所提的交直流规划模型适用于配网层面，特别是可再生新能源集中分布的偏远地区或沿海地区，并且考虑了n-1安全准则，规划方案更为可靠。

2)现有的交直流潮流模型普遍为传统牛顿-拉夫逊潮流计算的改进，在相关公式中加入直流潮流项。其缺点在于潮流计算公式非凸，包含大量二次型变量，不能转化为可以快速求解的凸优化问题。本发明通过将交流配网潮流计算中的distflow模型通过一定简化，引入到直流配电网潮流计算中，保证了模型的凸性，使得配电网的交直流混合潮流可以通过商业软件快速求解。

3)现有的配电网规划模型普遍采用一种优化策略，即要么采用数值解法，要么基于智能算法，但这两种方法对于求解大规模优化问题均不理想。本发明集成了两者的优势，在求解模型的过程中既保证求解精度，又避免出现维数灾难，实现了大规模优化问题的可靠、快速求解。

附图说明：

图1是模型求解的算法流程图；

图2是用于模型测试的24节点系统拓扑图；

图3是以1、3、7和20号节点为直流接入交流的候选节点集的规划结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

如图1所示，本发明提出一种考虑n-1安全准则的交直流混合配电网双层规划方法，包括以下步骤：

1)初始化遗传算法参数，基于0-1编码方式随机构造直流网架结构，直流网架结构数量等于种群数，令当前网架编号k＝1；

2)基于鲁棒规划，针对第k个表征直流网架结构的染色体个体，构造针对直流配电网并考虑n-1安全准则的下层优化模型；

3)求解所述步骤2)构造的下层优化模型，检验直流网架结构在最恶劣n-1故障下是否存在弃风弃光，若存在弃风弃光，表明当前直流网架结构无法通过检验，则舍弃当前直流网架结构，基于步骤1)的网架生成方法重新生成当前直流网架结构，并返回步骤2)；如果不存在弃风弃光，判断k是否小于种群数，如果是，k＝k+1，返回步骤2)；否则，进入步骤4)

4)针对当前种群中的每一个直流网架结构，构造与该直流网架结构相配套的上层交流系统规划模型；

5)求解所述步骤4)构造的上层交流系统规划模型，将优化结果作为每一个直流网架结构的适应度值。判断当前迭代次数是否达到遗传算法迭代次数上限，若未达到迭代上限，则对直流网架结构染色体进行选择、交叉、变异操作后，令k＝1并返回步骤2)，否则，将当前种群中的直流网架结构所对应的适应度最小的交直流网架结构作为结果输出。

步骤1)中，设置遗传算法参数为：种群数量为25个，迭代次数为100次，交叉概率为0.8，变异概率为0.6。根据规划实际需求确定交直流配电网系统拓扑结构，构造交流线路、直流线路、变电站、vsc、风电和光伏规划候选集。0-1编码方式为0代表不建设，1代表建设，构建表征直流网架结构的染色体种群。

步骤2)中构造的下层优化模型包括：

3.1目标函数

其中和分别对应第i个节点在第v个负荷等级和第t个阶段下的弃风和弃光功率；c^cw和c^cp分别对应弃风和弃光的惩罚系数；wd为风电场候选节点集合，pv为光伏电站候选节点集合；bn，t为0-1变量，表示第n条线路是否发生故障；ωctg为n-1故障点集合。

3.2约束条件

其中，变量上方的横线“-”是直流系统变量的标识符，变量上方的尖号“^”是通过遗传算法给定的直流拓扑变量的标识符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；表示第n条线路上流过的功率，表示第i个节点流入vsc的功率，和表示第i个节点风电和光伏的功率，ηvsc为vsc的能量转换效率系数，表示与第i个节点相连的线路的集合，表示直流系统中vsc节点的集合；和分别表示第n条线路的首末端节点电压的平方，rn表示第n条线路的电阻，isqrn，v，t表示第n条线路上流过的电流的平方，m为一个非常大的正整数，xln，t表示第n条线路的建设情况，为直流候选线路的集合；和sr^wd分别对应于风电的实际功率和额定容量，xwdi，t表示第i个节点风电的建设情况；spvi，v，t和sr^pv分别对应于光伏的实际功率和额定容量，xpvi，t表示第i个节点光伏的建设情况；usqri，v，t表示第i个节点电压的平方，uupp和ulow表示节点电压的上、下限，为直流节点的集合；为第n条线路的额定电流，sr^l为线路的额定容量，scuti，v，t为切负荷功率。

步骤3)中，求解下层优化模型的方式为：遍历步骤2)中下层优化模型中所有可能的故障情况，对于每一种故障情况，采用cplex求解器在matlab环境中进行求解，在所有n-1故障中取出最大值，如果该最大值大于等于阈值0.01，表明存在弃风弃光现象，则舍弃当前直流网架结构，重新生成新的直流网架结构并返回步骤2)；如果小于阈值，则保留当前直流网架结构并执行步骤4)。

步骤4)中构建的上层交流系统规规划模型包括：

5.1目标函数

其中，ir为银行利率，和分别对应于交流系统和直流系统的投资和运行成本，其具体定义如下。

其中，变量上方的“-”和“～”是分别对应于直流和交流变量的标志符；下标中v代表第v个负荷等级，t代表第t个阶段；xln，t表示第n条线路的建设情况，xvsci，t表示第i个节点vsc的建设情况，xsvgi，t表示第i个节点svg的建设情况，xsi，t表示第i个节点变电站的建设情况，且以上变量均为0-1变量；和分别对应于交流系统中线路、vsc、svg和变电站的单位容量建设成本系数；和分别对应于交流系统中线路、vsc、风电和光伏的单位容量建设成本系数；表示候选交流线路集合，表示候选vsc节点集合，ωd表示负荷节点的集合，ωs表示候选变电站节点的集合；scuti，v，t和ccutld为负荷节点的切负荷功率和切负荷惩罚系数；ssubi，v，t和分别表示变电站节点从上级电网购电的功率和购电成本系数，ldv表示第v个负荷等级的持续时间；和分别表示风电场的出力和运行费用，spvi，v，t和分别表示光伏电站的出力和运行费用；和分别表示线路功率的流动方向，表示线路运行成本系数；rrl，rrvsc，rrsvg，rrs，rrwd和rrpv分别表示线路、vsc、svg、变电站、风电场和光伏电站的资本回收率，设每一种电气设备的设计使用寿命为ltl，ltvsc，ltsvg，lts和ltdg，则资本回收率的具体定义如下：

5.2建设约束

其中，nt为规划年限，ωcll，i表示与节点i相连的交直流传输线的集合。

5.3交流distflow潮流约束

其中，psubi，v，t表示由变电站注入节点i的有功功率，表示负荷阻抗角；表示线路n上流过的无功功率，表示由svg注入节点i的无功功率，表示由vsc注入节点i的无功功率；xn表示第n条线路的电抗。和分别表示以i节点为首末端节点的线路集合。

5.4直流distflow潮流约束

5.5辐射式运行约束

5.6交直流耦合约束

其中，κc和mc分别为vsc常系数和vsc调制系数，为vsc候选节点集合。和为由vsc注入交流系统中节点i的有功功率和无功功率，sr^vsc为vsc的额定容量。

5.7上下限约束

其中，为直流节点的集合，sr^sub为变电站额定容量，sldi，v，t为第i个负荷节点的负荷大小，sr^svg为svg的额定容量。

步骤5)中求解上层交流系统规划模型的具体方法为：将步骤3)中确立的每一组直流网架结构代入步骤4)构造的上层交流系统规划模型中，采用cplex求解器在matlab环境中进行求解，将得到的全寿命周期最优成本效益作为对应于每一个直流网架结构染色体的适应度值。判断当前迭代次数是否达到上限。如果尚未达到迭代上限，则对当前种群进行选择、交叉和变异操作，得到一个新的种群，并返回步骤2)进行下一次迭代计算；如果达到迭代上限，则从当前种群中选择适应度最小的直流网架结构及其对应的交流网架配套建设方案，作为最优的交直流混合配电网规划方案输出。

下面举一实例。以图2所示的系统为例，其系统参数如表1至表5所示。

表1线路参数

表2负荷参数(kw)

表3变电站参数

表4分布式能源参数

表5vsc参数

除表中参数外，交流线路的单位长度电阻为0.407ω/km，电抗为0.380ω/km，容量为6280kva，投资成本为19140$/km；直流线路的单位长度电阻为0.247ω/km，容量为5000kva，投资成本为17500$/km。交直流线路的维护成本均为450$/年。负荷按照峰值负荷的70％，83％和100％分别划分年负荷持续曲线为2000小时/年，5760小时/年和1000小时/年。负荷阻抗角取0.9，从上级电网购电成本为0.07$/kvah。svg的投资成本为每台11000美元，容量为500kva，上限为4台。此外，年利率取7.1％，所有设备的寿命均为20年。

基于所提发明步骤进行建模和优化，得到具体建设方案如图3所示，相关的建设和运行费用如表6所示。

表6成本统计表(百万美元)

在表6中，直流网架结构的建设成本占了总建设成本的绝大部分，这是因为考虑了多种新能源的建设费用以及交直流网架结构耦合处vsc的建设费用。而交流系统的运行成本则占了总运行成本的绝大多数，这主要是因为新能源的购电费用和运行费用几乎可以忽略不计，而交流系统则需要计及从上级公共电网购电的费用。采用了本文方法得到的规划方案总成本为1.5393亿美元。

图3给出了针对当前24节点测试系统的三阶段规划方案。可以看出，在不同规划方案下，直流网架结构始终满足n-1安全准则，并且交流系统的拓扑结构始终满足辐射式运行约束。在阶段1，位于26到29号节点的新能源电站首先建设，并通过两条直流线路27-1和28-3接入交流系统。交流系统中尚未建设新的变电站，但在1、6和7号节点处装设svg以提供无功补偿和提高末端电压。在阶段2，位于25和31号节点的新能源电站投入运行，同时随着负荷功率的提高，原有变电站不能满足负荷的增长需求，因此新建位于23号节点的变电站以提供额外的功率，并且在17号节点新增了一台svg。在阶段3，所有新能源电站均建成。考虑到新能源的总容量比阶段1和2都要大，原有的两条交直流传输线路不能满足n-1安全准则，因此新增了线路30-20以保障系统运行可靠性。同时，位于24号节点的变电站也在这一阶段建成，为18和20号节点供电。