计及PV和EV的新型城市配电网双层联合拓展规划方法与流程

计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方法
技术领域
1.本发明涉及新型城市配电网的联合拓展规划领域，特别涉及一种计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方法，该方法纳入光伏发电并引入电动汽车平衡约束，从而更新新型城市配电网络拓扑结构并有效地提高城市配电网规划结果的合理性。


背景技术：

2.近年来，随着可再生能源、电力电子设备的高比例接入以及终端电气化率的快速提升，越来越多的新能源不断接入电网。同时，在“碳达峰”、“碳中和”等能源理念下，多元化负荷(光伏、电动汽车)大量接入城市电力系统，导致电网结构日益复杂化，对配电网的运行与规划产生不可忽视的影响。新型城市电网负荷高速增长且建设难度不断增大，急切需要对现有的配电网网络进行拓展规划。综合考虑多元化负荷和配电网接纳能力的协同发展具有重要意义。
3.利用光伏的合理接入能够在一定程度上减少电网的生产成本，而电动汽车的充电需求在各配电网节点合理分布可以优化配电网的协调调度，有助于提高配电网规划结果的合理性。含光伏分布式电源和电动汽车充电站的配电网规划问题都具有投建点的不确定性，在规划前期需要结合负荷需求进行相应的部署，如何协调与平衡好两者与配电网的节点负荷是一大难点。目前综合考虑分布式光伏与电动汽车充电站的联合选址规划问题的相关研究较少，没有直观地体现两者的协同规划给配电网带来的效益。
4.为此，提出计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方法。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例希望提供计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方法，考虑分布式光伏的并网消纳和电动汽车的灵活接入，并针对不同规划阶段的负荷需求情况将负载曲线离散化为三个负荷水平等级分别描述峰平谷时段用电量；然后，引入电动汽车充电站充放电价格特性，建立了以投资-运行-收益综合成本最优为目标的联合配电网双层拓展规划模型，采用gurob i求解器对线性化之后的混合整数线性规划问题进行求解，给出了相应的线路投建规划方案及规划成本费用，以此实现配电网的可再生能源并网消纳；解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。
6.本发明实施例的技术方案是这样实现的：计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方法，包括以下步骤：
7.s1、输入电动汽车充电站基本参数以及配电网拓扑结构，根据新一代城市电网规划低碳指标体系及评估方法，对新型城市配电网接纳能力进行评估；
8.s2、综合配电网运行约束条件，建立子运行规划的数学模型和目标函数，求解电动汽车配置问题；
9.s3、得到初始的电动汽车充电站选址定容方案，确定充电站安装位置和容量，而后将充电站的初始规划结果放入规划模型修正模块进行数据预处理；
10.s4、将负荷需求时空分布输入主投资规划的数据参数中,并在所述规划模型修正模块中对基础模型进行假设与修正；
11.s5、综合配电网投资约束条件，建立所述主投资规划的数学模型和目标函数，求解改进的直流配电网拓展规划模型；
12.s6、计算最优规划方案下的变电站、光伏和电动汽车充电站的经济容量，并确定变电站、光伏和电动汽车充电站在正常运行条件下的地理位置。
13.进一步优选的：所述s1中，新一代城市电网规划低碳指标体系及评估方法从以下三个方面进行考量：
14.(1)电源侧指标：
15.系统平均碳排放强度；
16.碳捕集(ccs)低碳技术的减排率；
17.可再生能源接纳力度；
18.可再生能源弃电率；
19.(2)电网侧指标：
20.sf6气体相关指标；
21.资源回收利用相关指标；
22.先进发电调度指标；
23.需求侧响应指标；
24.(3)负荷侧指标：
25.系统负荷峰谷比；
26.系统负荷率；
27.负荷侧碳减排指标；
28.电动汽车相关指标。
29.进一步优选的：所述s1中，新一代城市电网规划评估方法包括：
30.数据预处理：通过归一化处理统一各指标的优化取值方向，然后利用无量纲化处理消除各指标单位和数量级的差异；
31.相关性处理：削弱乃至消除指标间的相关性和重叠性，减少重复评价；
32.确定指标权重：采用综合赋权法进行计算：
33.wi＝k1pi+k2qiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
34.式中：wi为由综合赋权法得到的权重系数；k1和k2分别对主、客观赋权法的倾向程度，满足k1+k2＝1；pi和qi分别为基于主观及客观赋权法确定的权重系数；
35.构建集结模型的目的在于由各指标的数值和权重系数求得综合评价值，集结模型为线性加权综合：
[0036][0037]
式中：yi为电网样本j的综合评价值；n为总指标数；x
ij
为电网样本j指标i的指标值。
[0038]
进一步优选的：所述s2中，所述配电网运行约束条件包括充电需求、规划节点、负荷比例；
[0039]
子运行规划的数学模型和目标函数：
[0040][0041][0042][0043][0044]
其中，α表示年度通胀调整利率，表示充电站的投资成本，表示充电站的保养维护成本，表示充电站的运营收益；
[0045]
rr
ev
表示充电站的资金回收率，和分别表示充电站投资成本系数和维护成本系数；
[0046]
表示充电站的投资决策，表示充电站的投用决定，两者都属于0-1变量；和分别表示充电站的单位售电价格和单位购电价格，η
charge
表示充电站的输入效率，p
iev
表示第i个充电站节点的容量。
[0047]
进一步优选的：所述s3中，一旦求解得到初始的电动汽车充电站的容量和安装位置，则计算各配电网节点的充电需求满足率；
[0048]
若处于配电网规划的合理范围内，则分别选出候选站址，然后将确定的充电站负荷数据输入修正模块进行计算；
[0049]
候选站址即充电站可接入的配电网节点。
[0050]
进一步优选的：所述s4中，规划模型修正模块中的基础模型旨在实现规划成本净现值最小化的目标，它的表达式如下所示：
[0051][0052]
其中，二进制变量x表示为变电站、线路、光伏、电动汽车的投资决定，连续变量y表示为配电网拓展规划的电流、电压以及光伏容量，约束条件f(x,y)≤0包括一组二进制变量x及二进制变量x与连续变量y构成的可行域。
[0053]
进一步优选的：所示基础模型的相关假设包括：
[0054]
各节点电压仅在基准值附近微小变化；
[0055]
各支路电流和节点功率具有相同的功率因数；
[0056]
将负荷表示为恒定的注入电流。
[0057]
进一步优选的：所述s5中，所述配电网投资约束条件包括配电网平衡、电网安全运行、投用以及网络约束，改进的直流配电网拓展规划模型包括如下几点假设条件：
[0058]
以年为单位，配电网整体规划分多个阶段逐步扩建完成；
[0059]
引入研究常用的辐射状分布网络拓展规划模型；
[0060]
在中长期的配电网拓展规划中，采用负荷水平来描述负载曲线；
[0061]
拓展规划包括变电站的新建、线路的新增、光伏电站的新建；
[0062]
主投资规划的数学模型和目标函数：
[0063][0064][0065][0066][0067][0068][0069]
其中：
[0070]
1)集合：t∈t表示时间集合；支路集合l∈l＝{efb,erb,nab,nrb}分别表示{现有不可替换分支，现有可替换分支，新建增加分支，新建替换分支}；变压器集合tr∈tr＝{et,nt}分别表示{现有变压器，新增变压器}；节点集合i∈{ψ
ln
,ψ
ss
,ψ
pv
,ψ
ev
}分别表示{负荷节点，变电站节点，光伏电站节点，电动汽车充电站节点}；pv∈pv表示光伏电站集合；k∈{k
l
,k
tr
,k
pv
}表示投资选择集合；ll∈ll＝{ll1,ll2,ll3}表示负荷水平集合；
[0071]
2)变量：属于0-1变量，表示在配电网扩展规划的阶段t下，支路l
ij
的投资决策，表示在t阶段选择投资建设支路l
ij
，否则不进行投资建设；和属于0-1变量，表示在阶段t下变压器tr和光伏电站pv的投资决策，其含义与支路同理；和也都属于0-1变量，表示在阶段t负荷水平ll下，支路l
ij
的投用决定，之所以要用两个变量表示，是因为每条支路有两个代表方向，表示在t阶段选择投入使用支路l
ij
，否则不进行投入使用；和属于0-1变量，表示在阶段t下，变压器和光伏电站的投用决定，其含义与支路同理；和代表支路电流的幅值与方向，需要注意的是，当l
ij
中有从节点i到节点j的电流流过时，为1，为正值，和都为0；当l
ij
中没有电流流过时，和均为0；表示在阶段t负荷水平ll下，变电站i的变压器tr的注入电流值；表示在阶段t负荷水平ll下，由节点i功率不平衡引起的甩负荷量；
[0072]
3)其他系数：分别表示投资成本系数和维护成本系数；rate
ll
和durl
ll
分别表示负荷等级ll下的电费和每日持续时长小时数；voll表示单位甩负荷成本；rr
l
，rr
tr
，rr
pv
分别表示支路、变压器、光伏的资金回收率。
[0073]
进一步优选的：所述s6中，计算最优规划方案下的变电站、光伏和电动汽车充电站的经济容量时，利用配电网节点平衡约束来快速地计算最优规划方案下的各个节点的变电站、光伏和电动汽车充电站的经济容量，并确定变电站、光伏和电动汽车充电站在正常运行条件下的地理位置。
[0074]
进一步优选的：所述约束遵循基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律：
[0075][0076][0077]
式中：和分别表示节点i流向节点j和节点j流向节点i的电流值；表示变电站i的变压器tr的注入电流值；表示光伏电站i的注入电流值；ev
ikt,ll
表示节点i的电动汽车负荷需求量；ld
it,ll
表示节点i的负荷需求量；表示节点i的甩负荷量；v
it,ll
和v
jt,ll
分别表示节点和节点j的电压值；
[0078]
通过以上迭代过程纳入光伏发电并引入电动汽车平衡约束，以优化高可再生能源渗透率下配电网的负荷波动，在规划阶段求解直流配电网模型，得到计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方案。
[0079]
本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
[0080]
一、本发明为一种计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方法，针对配电网拓展规划问题纳入城市电网规划低碳指标体系及评估方法，具有显著的工程实用价值，具备广泛的应用前景。
[0081]
二、本发明引入分布式光伏的并网消纳和电动汽车充电站充放电价格特性，建立以投资-运行-收益综合成本最优为目标的联合配电网双层拓展规划模型。
[0082]
三、本发明采用改进的配电网直流拓展规划模型，在保证长期的城市配电网拓展规划合理性的同时，能有效地提高计算效率。
[0083]
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
[0084]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0085]
图1为本发明实施例中计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方法的流程图。
[0086]
图2为本发明实施例24节点配电网系统拓扑结构图。
具体实施方式
[0087]
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的
那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
[0088]
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0089]
实施例一
[0090]
如图1所示，本发明实施例提供了计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方法，包括以下步骤：
[0091]
s1、输入电动汽车充电站基本参数以及配电网拓扑结构，根据新一代城市电网规划低碳指标体系及评估方法对新型城市配电网接纳能力进行评估；
[0092]
s2、综合考虑电动汽车充电站充放电价格特性，建立子运行规划的数学模型和目标函数求解电动汽车配置问题；
[0093]
s3、一旦子运行问题求解得到初始的电动汽车充电站选址定容方案，确定充电站安装位置和容量，而后将充电站的初始规划结果放入规划模型修正模块进行数据预处理；
[0094]
s4、在规划周期内，将负荷需求时空分布输入主投资规划的数据参数中,并在所述规划模型修正模块中对基础模型进行假设与修正；
[0095]
s5、综合考虑配电网投资约束，建立主投资规划的数学模型和目标函数求解改进的直流配电网拓展规划模型；
[0096]
s6、一旦求解得到最佳的规划方案，则可以快速地计算最优规划方案下的变电站、光伏和电动汽车充电站的经济容量，并确定变电站、光伏和电动汽车充电站在正常运行条件下的地理位置。
[0097]
本实施例中，具体的：s1中，新一代城市电网规划低碳指标体系及评估方法从以下三个方面进行考量：
[0098]
(1)电源侧指标：
[0099]
系统平均碳排放强度；
[0100]
碳捕集(ccs)等低碳技术的减排率；
[0101]
可再生能源接纳力度；
[0102]
可再生能源弃电率；
[0103]
(2)电网侧指标：
[0104]
sf6气体相关指标；
[0105]
资源回收利用相关指标；
[0106]
先进发电调度指标；
[0107]
需求侧响应指标；
[0108]
(3)负荷侧指标：
[0109]
系统负荷峰谷比；
[0110]
系统负荷率；
[0111]
负荷侧碳减排指标；
[0112]
电动汽车相关指标。
[0113]
本实施例中，具体的：新型城市的电网综合评价模型包括：
[0114]
数据预处理：通过归一化处理统一各指标的优化取值方向，然后利用无量纲化处理消除各指标单位和数量级的差异；
[0115]
相关性处理：削弱乃至消除指标间的相关性和重叠性，减少重复评价。
[0116]
确定指标权重：采用综合赋权法进行计算：
[0117]
wi＝k1pi+k2qiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0118]
式中：wi为由综合赋权法得到的权重系数；
[0119]
k1和k2分别对主、客观赋权法的倾向程度，满足k1+k2＝1；
[0120]
pi和qi分别为基于主观及客观赋权法确定的权重系数；
[0121]
构建集结模型的目的在于由各指标的数值和权重系数求得综合评价值，集结模型为线性加权综合：
[0122][0123]
式中：yi为电网样本j的综合评价值；n为总指标数；x
ij
为电网样本j指标i的指标值。
[0124]
本实施例中，具体的：s2中，配电网运行约束条件包括充电需求、规划节点、负荷比例；
[0125]
子运行规划的数学模型和目标函数：
[0126][0127][0128][0129][0130]
其中，α表示年度通胀调整利率，表示充电站的投资成本，表示充电站的保养维护成本，表示充电站的运营收益；
[0131]
rr
ev
表示充电站的资金回收率，和分别表示充电站投资成本系数和维护成本系数；
[0132]
表示充电站的投资决策，表示充电站的投用决定，两者都属于0-1变量；和分别表示充电站的单位售电价格和单位购电价格，η
charge
表示充电站的输入效率，p
iev
表示第i个充电站节点的容量。
[0133]
本实施例中，具体的：s3中，一旦求解得到初始的电动汽车充电站的容量和安装位置，则计算各配电网节点的充电需求满足率；
[0134]
若处于配电网规划的合理范围内，则可以分别选出候选站址，然后将确定的充电站负荷数据输入修正模块进行计算；
[0135]
候选站址即充电站可接入的配电网节点。
[0136]
本实施例中，具体的：s4中，规划模型修正模块中的基础模型旨在实现规划成本净现值最小化的目标，它的表达式如下所示：
[0137][0138]
其中，二进制变量x表示为变电站、线路、光伏、电动汽车的投资决定，连续变量y表示为配电网拓展规划的电流、电压以及光伏容量，约束条件f(x,y)≤0包括一组二进制变量x及二进制变量x与连续变量y构成的可行域。
[0139]
本实施例中，具体的：所示基础模型的相关假设包括：
[0140]
各节点电压仅在基准值附近微小变化；
[0141]
各支路电流和节点功率具有相同的功率因数；
[0142]
将负荷表示为恒定的注入电流。
[0143]
本实施例中，具体的：s5中，配电网投资约束包括配电网平衡、电网安全运行、投用以及网络约束，改进的直流配电网拓展规划模型包括如下几点假设条件：
[0144]
以年为单位，配电网整体规划分多个阶段逐步扩建完成；
[0145]
引入研究常用的辐射状分布网络拓展规划模型；
[0146]
在中长期的配电网拓展规划中，通常采用负荷水平来近似地描述负载曲线。
[0147]
拓展规划包括变电站的新建、线路的新增、光伏电站的新建等等。
[0148]
主投资规划的数学模型和目标函数：
[0149][0150][0151][0152][0153][0154][0155]
其中：
[0156]
1)集合：t∈t表示时间集合；支路集合l∈l＝{efb,erb,nab,nrb}分别表示{现有不可替换分支，现有可替换分支，新建增加分支，新建替换分支}；变压器集合tr∈tr＝{et,nt}分别表示{现有变压器，新增变压器}；节点集合i∈{ψ
ln
,ψ
ss
,ψ
pv
,ψ
ev
}分别表示{负荷节点，变电站节点，光伏电站节点，电动汽车充电站节点}；pv∈pv表示光伏电站集合；k∈{k
l
,k
tr
,k
pv
}表示投资选择集合；ll∈ll＝{ll1,ll2,ll3}表示负荷水平集合；
[0157]
2)变量：属于0-1变量，表示在配电网扩展规划的阶段t下，支路l
ij
的投资决策，表示在t阶段选择投资建设支路l
ij
，否则不进行投资建设；和属于0-1变量，表
示在阶段t下变压器tr和光伏电站pv的投资决策，其含义与支路同理；和也都属于0-1变量，表示在阶段t负荷水平ll下，支路l
ij
的投用决定，之所以要用两个变量表示，是因为每条支路可以有两个代表方向，表示在t阶段选择投入使用支路l
ij
，否则不进行投入使用；和属于0-1变量，表示在阶段t下，变压器和光伏电站的投用决定，其含义与支路同理；和可以代表支路电流的幅值与方向，需要注意的是，当l
ij
中有从节点i到节点j的电流流过时，为1，为正值，和都为0；当l
ij
中没有电流流过时，和均为0。表示在阶段t负荷水平ll下，变电站i的变压器tr的注入电流值；表示在阶段t负荷水平ll下，由节点i功率不平衡引起的甩负荷量。
[0158]
3)其他系数：分别表示投资成本系数和维护成本系数；rate
ll
和durl
ll
分别表示负荷等级ll下的电费和每日持续时长小时数；voll表示单位甩负荷成本；rr
l
，rr
tr
，rr
pv
分别表示支路、变压器、光伏的资金回收率。
[0159]
本实施例中，具体的：s6中，计算最优规划方案下的变电站、光伏和电动汽车充电站的经济容量时，利用配电网节点平衡约束来快速地计算最优规划方案下的各个节点的变电站、光伏和电动汽车充电站的经济容量，并确定变电站、光伏和电动汽车充电站在正常运行条件下的地理位置。
[0160]
本实施例中，具体的：约束遵循基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律：
[0161][0162][0163]
式中：和分别表示节点i流向节点j和节点j流向节点i的电流值；表示变电站i的变压器tr的注入电流值；表示光伏电站i的注入电流值；ev
ikt,ll
表示节点i的电动汽车负荷需求量；ld
it,ll
表示节点i的负荷需求量；表示节点i的甩负荷量；v
it,ll
和v
jt,ll
分别表示节点和节点j的电压值；
[0164]
通过以上迭代过程纳入光伏发电并引入电动汽车平衡约束，以优化高可再生能源渗透率下配电网的负荷波动，在规划阶段求解直流配电网模型，得到计及pv和ev的新型城市配电网双层联合拓展规划方案。
[0165]
实施例二
[0166]
如图2所示，本发明还提供了一种根据本发明实施例一方法进行实践的实施例：
[0167]
本实施例为一个虚拟的改进24节点配电网络，由20个负荷节点，4个变电站节点以及32条支路构成，具体的拓扑结构如图2所示。图中实线表示固定不可替换支路，双实线表示可替换支路，虚线表示候选的新建支路；实线矩形表示现有的变电站节点，虚线矩形表示候选的新建变电站节点，圆形表示负荷节点。从图中可知，21和22节点上已有变电站，变电站内部各包括一台变压器，2-21和6-22为固定不可替换支路，1-21和8-22为可替换支路。
[0168]
基本情景设定如下：
[0169]
1)整个配电网络的基准值为1mva和20kv，节点电压上下限分别为21kv和19kv。本次规划分为三个阶段，每一年作为一个阶段，年通货膨胀调整利率为10％，支路的资本回收率为11％，变压器的资本回收率为13％，线路阻抗为阻抗0.732ω/km，甩负荷成本设为2 000k$/mwh。
[0170]
2)在规划过程中，新建的变电站、线路、光伏电站以及电动汽车充电站的都有相应的投资和运行费用。电动汽车充电负荷占总负荷的5％以上，充电费用设为当前电网电价的1.5倍。
[0171]
3)本文将负载曲线离散化为三个负荷水平等级ll1，ll2和ll3，分别描述负荷节点在峰时段、平时段和谷时段的每小时最高用电量，日持续小时分别为6h，10h和8h。
[0172]
本发明设计了以下四个场景算例，规划结果如表1所示。
[0173]
场景ⅰ：不考虑光伏和电动汽车的拓展规划；
[0174]
场景ii：只考虑光伏接入的配电网拓展规划；
[0175]
场景iii：只考虑电动汽车充电站的拓展规划；
[0176]
场景iv：综合考虑光伏和电动汽车的拓展规划。
[0177]
表1四种场景下的规划成本结果
[0178][0179][0180]
从表1可以看出，随着配电网负荷的阶段性增长，除了投资成本以外，变电站生产成本、运维成本和网络损耗在内的运行费用都呈现出了阶段性递增的趋势，并且考虑光伏电站和电动汽车充电站可有效减少系统规划总成本。
[0181]
与基准规划场景ⅰ相比，场景ii配置光伏电站会使得投资者在投建初期承担较大的经济压力，但这种预期的费用增长能够被生产成本的降低所补偿。配置光伏电站能够延缓或减少配电网中变电站的投资，降低变电站的出力，总费用成本相对于场景ⅰ减少了
51.36％。场景iii电动汽车充电站的接入加快了配电网中线路的投资和使用，会产生更高的投资和运维成本，但电动汽车充电站通过向用户提供充电负荷能够赚取一定的运营收益，总费用成本相对于场景ⅰ减少了12.11％。与前三种场景相比，在考虑光伏和电动汽车充电负荷场景iv下，考虑充电负荷所带来的运营收益能够补偿要付出的生产成本，考虑光伏电站所带来的电能生产能够补偿要付出的投资成本。因此所得到的联合规划方案总费用成本是最低的，相对于场景ⅰ减少了70.18％。对该配电网系统来说，在四个场景下的各负荷水平下，失负荷成本均为0，说明所提出的规划方案可保证各节点负荷需求，这个结果也验证了模型的适用性。
[0182]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。