基于分布因子的主动配电网成本分摊方法与流程

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法。

背景技术：

电力系统由发电、输电、配电和用电等环节组成。电力市场环境下，单独核定输配电价是有序推进电价改革、理顺电价形成机制的重要环节。通过建立科学合理的输配电成本方法，能够在确保电网企业稳定收益的基础上，使电网企业在市场交易中处于中立地位，营造公平有序的市场环境，并实现输配电成本在发电侧与用户侧的公平合理的分配，从而通过市场手段提升资产利用率，促进电力资源的优化配置。

为了减少环境污染、避免过度使用化石能源，清洁的分布式可再生能源发电技术逐渐成为人们关注的焦点，为人们实现清洁用能提供了更多可能。随着可再生能源渗透率不断提高，传统配电网将逐步被适于消纳可再生能源、网架结构坚强、自动化水平高的主动配电网代替。主动配电网的配电成本分摊与定价方法，主要面临以下三个问题：一是由于分布式电源的波动性，需要经常调整、控制配网内的能量流向与路径，要求网络拓扑结构灵活多变，重构频繁，其不再是简单的辐射性结构；二是储能、可控负荷等用户可以主动参与电网的能量平衡与频率、电压的控制调节，使得主动配电网中的潮流多变或出现双向潮流；三是由于分布式能源和用户处在网络中的不同节点位置，对各支路容量的利用程度不同。

传统的基于分布因子的配电网成本分摊方法，其内核为直流潮流模型，忽略网损、电压偏差及无功影响，采用灵敏度的方式对线路使用程度进行分析。由于配网的电阻电抗比(r/x)较大，直接采用直流潮流方法进行计算会产生较大的网损误差；另一方面，传统的分布因子法主要采用基于灵敏度计算线路使用程度的方法，其本质是计算在某一特定状态下负荷节点增加单位负荷所引起的线路潮流微增量，从而反映该节点对线路资产的使用程度，这种计算方式要求系统具有较强的线性特性，在输电网络中具有一定的适用性，而配网的非线性特性较强，通过一个运行点的灵敏度分析难以真实反映节点全负荷水平对于线路资产的利用程度。

因此，迫切需要一种能够反映主动配电网的网络结构变化、适应多变潮流的配电成本分摊与定价计算方法，并要求该方法能够在一定程度上起到促进提高网络资产利用率、引导用户合理高效用电的作用，进一步推进我国电力市场的建设、营造公平有序的市场环境。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法，解决了传统电网成本分摊方法基于传统配网简单的辐射性网架架构，没有考虑主动配电网的网络结构变化、潮流多变、负荷节点对线路的使用程度，传统电网成本分摊方法不适用于现有的主动配电网的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法，其特征在于：包括以下步骤：

建立网损等值负荷模型；

根据网损等值负荷模型，计算发电和负荷分布因子矩阵；

根据所述发电和负荷分布因子矩阵，计算发电-负荷功率分配矩阵；

根据所述发电-负荷功率分配矩阵计算配电网分摊成本。

前述的一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法，其特征是：所述建立网损等值负荷模型，具体为：

i'节点的网损等值负荷pequ,i'为：

其中，j'∈i',j'≠i'表示节点j'为与节点i'相连的支路上的节点，ploss,i'j'为支路i'j'间的有功损耗；i'节点的等值对地电阻requ,i'为：

前述的一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法，其特征是：所述根据网损等值负荷模型，计算发电和负荷分布因子矩阵，包括步骤：

1)计算转移阻抗矩阵；

结合网损等值负荷模型，得到考虑网损的电力系统节点阻抗矩阵，通过节点阻抗矩阵得到电力系统中发电机和负荷之间的转移阻抗矩阵z为：

z＝(zi,j)n×m

其中，n为负荷节点数，m为发电机节点数，zi,j为节点i,j间的转移阻抗，i为负荷节点序号，i＝1～n，j为发电机节点序号，j＝1～m；

2)计算负荷和发电机转移分布因子矩阵；

负荷转移分布因子矩阵l＝(li,j)n×m：

发电机转移分布因子矩阵g＝(gj,i)m×n：

其中，li,j表示在负荷节点i增加单位功率后，分配到发电机节点j的功率，zi,p为负荷节点i和发电机节点p间的转移阻抗，p＝1～m，p≠j；gj,i表示在发电节点j增加单位功率后，分配到负荷节点i的功率，zq,j为负荷节点q和发电机节点j间的转移阻抗，q＝1～n，q≠i。

前述的一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法，其特征是：所述根据发电和分布因子矩阵，计算发电-负荷功率分配矩阵，计算步骤包括：

1)通过迭代的方法计算发电-负荷功率分配矩阵：

记典型运行方式发电机节点对负荷节点的功率分配矩阵为pgl，该矩阵中各元素的值通过迭代的方法计算，记第k次迭代后的发电机节点对负荷节点的功率分配矩阵为

迭代计算前初始值为，

其中，为第k次迭代中发电机节点j发出的功率中节点i处负荷所占的功率大小，为负荷节点i处的迭代计算前初值负荷大小，lj,i为负荷转移分布因子矩阵的转置矩阵中的元素，为迭代计算前发电机节点j发出的功率中节点i处负荷所占的功率大小；

2)通过发电机节点的出力与其实际出力的差额对第k次迭代进行功率分配；

对于任一发电机节点j，根据第k-1次迭代结果计算其总出力为其与实际出力的差额为

其中，发电机节点j迭代计算前初始出力，将经发电机转移分布因子矩阵分配到各个负荷节点i，得到负荷节点与实际负荷值的差额

将差额返馈给发电机节点，得到第k次发电机节点的出力与其实际出力的差额并更新发电-负荷功率分配矩阵：

3)如果第k次发电机节点的出力与其实际出力的差额小于事先设定的数值，则迭代结束，否则重复上述步骤1)-2)，得到最终的发电-负荷功率分配矩阵。

前述的一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法，其特征是：所述根据所述发电-负荷功率分配矩阵计算配电网分摊成本，具体为：

对于某一负荷节点，在任一纳入考虑的运行方式下，分别计算其对于不同线路的使用程度，得到该负荷对应在每条线路中应承担的成本，求和即为负荷节点的潮流相关总成本。

前述的一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法，其特征是：根据所述发电-负荷功率分配矩阵计算配电网分摊成本，具体过程为：

1)通过所述发电-负荷功率分配矩阵计算负荷节点增加单位负荷时，发电机新的出力负荷值；

2)计算负荷节点增加单位负荷时引起的线路潮流变化；对于配网中的任一线路ln，计算每个负荷节点增加单位负荷时线路ln上增加的潮流dfi-l,ln；

3)计算负荷节点i对线路的使用程度，保持其他负荷节点的负荷值不变，计算负荷节点i处负荷从零增至最终负荷值时，在各负荷水平下对线路的单位使用程度，累加得到该节点对线路的全负荷水平线路使用程度，负荷节点i对线路ln的线路使用程度fi,ln为：

其中，li是负荷节点i的负荷功率，l＝1～li；

4)将线路ln的潮流相关成本向各负荷节点分摊，计算每个负荷节点i应分摊的线路ln的成本ci,ln：

5)计算负荷节点i潮流相关的总成本：

其中，ω是所处运行方式场景下所有参与运行线路的集合，ci,ω为负荷节点i在该场景下应承担的潮流相关的总成本，clnf为任一线路ln中潮流相关成本。

本发明所达到的有益效果：本发明能够较好的适应主动配电网潮流及网络拓扑多变的特性，并充分体现负荷节点对线路的使用程度，可以为引导市场用户的用电行为提供经济信号，为未来配电网的发展提供参考。同时，由于是对每条线路成本分摊分别进行计算，本发明能够促使配电商对配电资产按线路进行独立评估，促进配电资产的有效管理。利用这一分摊方法得到的配电价与传统的配电价分摊结果相比更加准确、合理，有利于促进用户用电行为向配网友好的方向发展，显示出本发明重要的现实意义和良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种主动配电网成本分摊方法流程示意图；

图2是实施例中网损等值负荷模型；

图3是实施例中ieee14节点系统接线示意图；

图4是实施例中图2基本状态下线路2-4总成本的分摊结果；

图5是实施例中图2不同运行状态下线路2-4总成本的分摊结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于分布因子的主动配电网成本分摊方法，包括以下步骤：

步骤一、建立网损等值负荷模型；

步骤二、根据网损等值负荷模型，计算发电和负荷分布因子矩阵；

步骤三、根据所述发电和负荷分布因子矩阵，计算发电-负荷功率分配矩阵；

步骤四、根据所述发电-负荷功率分配矩阵计算配电网分摊成本。

所述步骤一中，网损等值负荷模型为：

电网网络中各节点电压无明显偏差时，计及网损，可认为是在支路i'j'两端分别并入对地电阻requ,i'j'，建立如图2所示的网损等值负荷模型，其中，i'和j'分别为支路i'j'两端的节点，pi'、pj'分别为节点i'、j'的有功功率，pi'，pj'分别为支路i'j'的电抗xi'j'两侧虚拟节点i”和j”的有功功率，当requ,i'j'＝2/ploss,i'j'时，每个对地电阻消耗的有功功率均为ploss,i'j'/2，ploss,i'j'为支路i'j'间的有功损耗，因此支路网损可以通过对地等值负荷的形式进行等效。通过计算该网络在某一运行状态下的交流潮流解，可以得到支路i'j'间的有功损耗ploss,i'j'，那么i'节点的网损等值负荷pequ,i'为：

其中，j'∈i',j'≠i'表示节点j'为与节点i'相连的支路上的节点，ploss,i'j'为支路i'j'间的有功损耗；上述公式即对与节点i'相连的所有支路中每个对地电阻消耗的有功功率求和；

i'节点的等值对地电阻requ,i'为：

通过交流潮流分析得到线路潮流和网损情况，根据网损数值建立网损等值负荷模型，一定程度上解决了传统分布因子法网损误差的问题。

所述步骤二中，根据网损等值负荷模型，计算发电和负荷分布因子矩阵，包括步骤：

1)计算转移阻抗矩阵；

复杂电力系统中，发电机和负荷之间的等值阻抗用电力系统中发电机和负荷两个点之间的转移阻抗计算，结合步骤一中网损等值负荷模型，得到考虑网损的电力系统节点阻抗矩阵，通过节点阻抗矩阵得到电力系统中发电机和负荷之间的转移阻抗矩阵z为：

z＝(zi,j)n×m

其中，n为负荷节点数，m为发电机节点数，zi,j为节点i,j间的转移阻抗，i为负荷节点序号，i＝1～n，j为发电机节点序号，j＝1～m；

2)计算负荷和发电机转移分布因子矩阵；

负荷转移分布因子矩阵l＝(li,j)n×m：

发电机转移分布因子矩阵g＝(gj,i)m×n：

其中，li,j表示在负荷节点i增加单位功率后，分配到发电机节点j的功率，zi,p为负荷节点i和发电机节点p间的转移阻抗，p＝1～m，p≠j；gj,i表示在发电节点j增加单位功率后，分配到负荷节点i的功率，zq,j为负荷节点q和发电机节点j间的转移阻抗，q＝1～n，q≠i。

基于转移分布因子矩阵确定某节点的负荷增加时承担该负荷的发电机：负荷由所有发电机按照其与负荷的电气距离分摊；距离该负荷电气距离越近的发电机应该承担越多的负荷。

所述步骤三中，根据所述发电和分布因子矩阵，计算发电-负荷功率分配矩阵，计算步骤包括：

1)通过迭代的方法计算发电-负荷功率分配矩阵：

发电机的实际出力与上述按转移分布因子矩阵计算的发电机出力结果可能存在差异，需要通过迭代的方法对分摊计算结果进行调整。

记所处典型运行方式，如夏季最大负荷场景中的发电机节点对负荷节点的功率分配矩阵为pgl，该矩阵中各元素的值通过迭代的方法计算，记第k次迭代后的发电机节点对负荷节点的功率分配矩阵为

迭代计算前初始值为，

其中，为第k次迭代中发电机节点j发出的功率中节点i处负荷所占的功率大小，为负荷节点i处的迭代计算前初值负荷大小，lj,i为负荷转移分布因子矩阵的转置矩阵中的元素，为迭代计算前发电机节点j发出的功率中节点i处负荷所占的功率大小；

2)通过发电机节点的出力与其实际出力的差额对第k次迭代进行功率分配；

对于任一发电机节点j，根据第k-1次迭代结果计算其总出力为其与实际出力的差额为

其中，发电机节点j迭代计算前初始出力，然后将经发电机转移分布因子矩阵分配到各个负荷节点i，得到负荷节点与实际负荷值的差额

最后将差额返馈给发电机节点，得到第k次发电机节点的出力与其实际出力的差额并更新发电-负荷功率分配矩阵：

3)如果第k次发电机节点的出力与其实际出力的差额小于事先设定的一个数值ε，则迭代结束，否则重复上述步骤1)-2)，得到最终的发电-负荷功率分配矩阵；

所述步骤四，根据所述发电-负荷功率分配矩阵计算配电网分摊成本，包括步骤：

为更加合理的体现用户负荷引起的潮流对成本分摊结果的影响，将总成本分为潮流相关成本、潮流无关成本和其他成本三个部分，其中潮流相关成本主要为用于回收配电网络一次系统中由线路潮流引起的成本；潮流无关成本为用于回收一次系统的其余成本；其他成本则包括二次系统成本，网损及其他变动成本，以及运行维护费用、配电商合理利润等。配电成本分摊方法过程如下：

选定纳入考虑的典型运行方式，进行潮流计算得到每条线路上的有功潮流值，该值与线路有效容量的比例即为有效负荷率，则线路一次系统成本中的潮流相关成本为：

其中，clnf为任一线路ln中潮流相关成本，clntotal为线路ln的一次系统总成本，pflow,ln为线路ln上的有功潮流，pec,ln为线路ln的有效容量。

由于与潮流无关成本按邮票法分摊，下面讨论内容仅适用于线路中的潮流相关成本。

对于某一负荷节点i，在任一纳入考虑的运行方式下，分别计算其对于不同线路的使用程度，得到该负荷对应在每条线路中应承担的成本，求和即为负荷节点i的潮流相关总成本。本发明考虑按每日收集96个数据即每15分钟采样一次的尺度进行分摊计算，每次的采样结果均可对应一种典型运行方式。其中对分布式能源出力的采样也以15分钟为尺度，即保证计算精度也能够与分摊尺度匹配。

1)通过所述发电-负荷功率分配矩阵计算负荷节点增加单位负荷时，发电机新的出力负荷值；认为功率微增时，引起的网损变化对阻抗矩阵的影响可以不计。对于负荷节点i，若增加了1mw的单位负荷，发电机组自然会相应的增加出力以保持电量平衡；该单位负荷通过发电-负荷功率分配矩阵，能够得到这1mw的出力在各个发电机组的分配；

2)计算负荷节点增加单位负荷时引起的线路潮流变化；对于配网中的任一线路ln，计算每个负荷节点增加单位负荷时线路ln上增加的潮流dfi-l,ln，即为负荷节点i在负荷功率为l时对线路ln的单位使用程度，考虑到不同节点用户功率变化可能引起潮流变化方向不同，因此dfi-l,ln值可以为负值。

3)计算负荷节点i对线路的使用程度，保持其他负荷节点的负荷值不变，计算负荷节点i处负荷从零增至最终负荷值时，在各负荷水平下对线路的单位使用程度，累加得到该节点对线路的全负荷水平线路使用程度，计算过程中需要根据负荷变化情况通过交流潮流计算不断调整网损值，进而调整分布因子矩阵以及发电-负荷功率分配矩阵，在传统分布因子法灵敏度分析的基础上考虑了配电网的非线性特征，且能够动态适应主动配网多变的运行方式。负荷节点i对线路ln的线路使用程度fi,ln为：

其中，li是负荷节点i的负荷功率，l＝1～li，fi,ln的值可以为负。

4)将线路ln的潮流相关成本向各负荷节点分摊，计算每个负荷节点i应分摊的线路ln的成本；

每个负荷节点i应分摊的线路ln的成本ci,ln按对线路ln的相对使用程度比例分摊：

当负荷节点i对线路ln的线路使用程度fi,ln为负时，即在所处运行方式场景中该负荷节点处负荷增加可以促进线路的负载降低，无需承担此线路潮流相关的成本，即分摊时按零处理，能够有效激励用户帮助缓解线路压力。

5)计算负荷节点i潮流相关的总成本

按上述方式计算得到负荷节点i应分摊的所有线路中潮流相关的成本，求和得到负荷节点i潮流相关的总成本：

其中，ω是所处运行方式场景下所有参与运行线路的集合，ci,ω为负荷节点i在该场景下应承担的潮流相关的总成本。

实施例：

为更好地说明本发明方法的原理，以ieee-14节点电力系统为例，该系统网络拓扑含有闭环结构和分布式电源，与主动配电网的结构和组成相似。

机组出力和负荷需求的数据如表1所示，

表1发电机出力和负荷需求

为比较主动配电网在不同运行方式下配电成本分摊的差异性，设置一个新的运行状态(记为潮流改变状态)，以表示分布式能源出力波动引起潮流方向变化的状态，同时能够体现出间歇式电源出力的波动性。此时发电机节点2接一个储能单元，从原有放电状态出力25mw转变为充电状态负荷75mw，发电机节点6分布式能源出力波动，出力值由60mw提高至160mw，如表2：

表2改变后的发电机出力和负荷需求

主动配电网的不同运行方式除了由分布式能源出力波动引起外，还可能由网络拓扑改变引起，因此设置第三个运行状态(记为潮拓扑改变状态)，以表示在网络拓扑结构改变的情况下潮流发生变化的状态。此时线路2-5、线路3-4断开，其余线路工作状态不变。发电出力和负荷需求和基本状态时相同。

以线路2-4为例，计算详细结果详见图4、图5所示：

在基本状态下通过不同计算方法得到的分摊结果存在较大差异。对比本文方法和传统方法分摊结果可以看出，由于传统的gldf方法忽视了配电网的网损修正，个别无需分摊线路成本的节点在此结果中也承担了线路成本。而对传统gldf方法考虑网损后，与本文提出方法的结果会“契合”一些，但由于没有考虑配网的非线性问题，计算结果仍有较大的误差。因此，图4的结果表明在对主动配电网的成本进行分摊时，考虑网损修正和全负荷水平线路使用程度分析是非常有必要的，可以有效提高分摊结果的准确性。

对三种状态下线路总成本的分摊结果进行比较和分析。在如基本状态的运行状态下，由负荷节点4的功率增加引起的线路2-4潮流变化为正，同时负荷节点4由于与节点2相连的发电机电气距离较近，分得的线路2-4上的有功潮流比例也较高，因此，对线路2-4的使用程度也较高，应分摊的线路潮流相关成本比例也较高，但此时线路的有效负荷率较低，在结合线路使用程度和线路有效负荷率后，得到的负荷节点4需要承担的线路2-4的潮流相关成本和线路2-4总成本的比例为0.1927，这一结果具有较强的合理性。

当由于储能或分布式能源的出力波动导致出现双向潮流时，如潮流改变状态的运行状态下，线路2-4上有功潮流方向改变。此时，若负荷节点4的功率增加，则促进与节点2相连的发电机出力升高，使得线路2-4上的潮流减小，缓解线路的负载压力，因此，节点4对线路2-4的使用程度为负，无需承担线路2-4的潮流相关成本。这一结果能够体现出其对主动配电网潮流多变的适应性，同时，对用户做出的电网友好行为有一定的激励作用。

在拓扑改变状态中，网络拓扑结构变化。线路2-5、3-4断开后，由于系统中发电出力和负荷需求都不变，原本这两条线路上的潮流转移到线路1-5和线路2-4上，使得线路2-4的有效负荷率明显提高，图5中潮流无关部分所占总成本的比例也响应减小。由于线路2-5、3-4断开，负荷节点4到负荷节点14对线路2-4的使用程度与基本状态时相比均明显增加，这一计算结果与系统的实际运行基本状态相符。

通过计算节点与拓扑的分布因子，可动态适应主动配网多变的运行方式，并通过网损修正和对线路的使用程度分析完善了分布因子法的直流潮流模型内核。该方法不仅对主动配电网具有良好的适应性，还能够客观衡量不同负荷节点在不同运行方式下对于线路的使用程度，有利于引导市场用户调整自身用电行为。

本发明提出的分摊方法得到的配电价与传统的配电价分摊结果相比更加准确、合理，也能够较好适应主动配电网潮流多变、拓扑结构多变的情况，并对用户友好的用电行为起到一定的激励作用。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。