基于规划运行交互特性的供电系统应急保障电站配置方法

本发明属于能源供给，具体涉及一种基于规划运行交互特性的供电系统应急保障电站配置方法。

背景技术：

1、目前，我国众多的海岛和偏远地区由于远离大电网、自然环境恶劣、居民居住分散等各种原因，均存在用电难的问题。考虑到实际供电工程建设成本，架设海底电缆和远距离电力传输等方式均不适用于该类地区。基于可再生能源的开发利用，以解决海岛和偏远地区的供电问题，则成为现阶段能源供给领域的研究热点。由于我国海岛多处于“高温、高湿、高盐、高紫外和多台风”的热带海洋环境，目前使用的供电设备极易发生故障甚至失效，急需应急设备器材提供快速接力保障。其中供电系统应急保障电站作为海岛主要的供能装备，对于海岛上各类正常工作的开展有至关重要的作用，目前，针对海岛以柴油发电机为主电力网薄弱和污染问题，已开展了引入储能设备实现供电系统的低碳高可靠供电实施计划，其中，通过光伏、风电等新能源建设海岛供电微电网实现清洁供电，并通过模块化储能电站保证海岛供电微电网的正常运行，是实现海岛供电系统低碳目标下完成高可靠供电及应急保障供电的关键。

2、供电系统的结构如图1所示，其由风电单元、光伏单元、负荷单元、配电网等组成；其中，光伏组件(光伏单元)、风力机(风电单元)等可再生能源发电装置可以接在供电系统配电网不同的节点上，同时配备对应的逆变器，主要实现太阳能、风能等新能源到电能的能量转换；通过将应急保障电站配置在供电系统中，主要用于实现发电单元(风电单元和光伏单元)输出电能的存储及维持整个供电系统的能量供需平衡。其中，应急保障电站容量配置极大影响着供电系统的整体性能，合理配置应急保障电站容量是成功建设海岛等边远地区环境下供能系统最为关键的一步。

3、根据现有文献和技术报道，关于海岛供电系统的研究着重围绕优化配置、优化运行单独开展或依次递进，而对于供能系统规划-运行的耦合机制的研究鲜有涉及，而海岛供能系统中的配置优化和运行优化需要面向“源-网-荷-储”全流程，现有研究还未有效解决全流程协同调控的复杂耦合性问题，源侧、网侧模型相对孤立，优化配置尚未与优化调控实现有效结合、同步优化。因此，实现海岛供能系统规划-运行耦合协同的技术手段非常必要，对于海岛供电系统优化配置及运行调度理论体系也具有较高的学术价值和现实意义。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明提出了一种基于规划运行交互特性的供电系统应急保障电站配置方法，以实现海岛供电系统在可靠性、经济性、环保性等方面综合最优的目标下配置应急保障电站；同时，在进行优化配置时充分考虑了供电系统优化运行策略对优化配置结果的影响，通过结合系统规划与运行两阶段的交互影响特性，进一步提升了供电系统应急保障电站优化配置的技术水平。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于规划运行交互特性的供电系统应急保障电站配置方法，所述供电系统包含风电单元、光伏单元、配电网和应急保障电站，所述应急保障电站为电化学储能电池；所述应急保障电站配置方法包括如下步骤：

4、步骤1：构建含应急保障电站的供电系统中各组成单元的数学模型；

5、步骤2：采用双层优化模型分层优化应急保障电站容量配置和含应急保障电站的供电系统运行策略，所述的双层优化模型包括上层容量配置优化层面和下层运行策略优化层面，首先以上层容量配置优化层面的供电系统负荷缺失率、年化成本、新能源消纳率为优化指标，采用改进野马算法优化应急保障电站配置容量，再以下层运行策略优化层面的新能源消纳率、配电网网损成本、应急保障电站服务成本为优化指标，采用改进野马算法优化供电系统运行策略；

6、步骤3，将下层运行策略优化得到的优化后的运行策略替换上层容量配置优化过程中采用的运行策略，重复步骤2，进行上层容量配置和下层运行策略的迭代优化，直至上层容量配置优化层面的适应度函数值收敛，最终得到的应急保障电站配置容量即最优容量。

7、进一步地，通过三角优化模型建立上层容量配置优化层面的适应度函数，包括：

8、以上层容量配置优化层面的供电系统负荷缺失率、年化成本、新能源消纳率三个优化指标的评价权重为依据，将单位圆分为三部分，夹角分别为θ1、θ2、θ3；以θ1、θ2、θ3的角平分线为三角形的三个顶点移动轨迹，以三个优化指标标幺化后的值为三角形的三个顶点移动的距离，建立三角优化模型并计算三角形面积和周长；在服从约束条件的前提下，建立基于三角形面积和周长的应急保障电站容量配置优化模型；

9、以三角形面积s和周长l的乘积f1最大为目标，建立适应度函数：

10、f1＝s·l

11、进一步地，所述的应急保障电站容量配置优化模型如下：

12、

13、其中，l1、l2、l3为三角形三条角平分线的交点到三角形三个顶点之间的距离；lab、lbc、lca分别为三角形三条边的长度。

14、进一步地，所述的上层容量配置优化层面的三个优化指标计算公式如下：

15、上层容量配置优化层面的供电系统负荷缺失率lpsp：

16、

17、上层容量配置优化层面的年化成本asc：

18、

19、上层容量配置优化层面的新能源消纳率lreg：

20、

21、其中，t表示时间长度，peload(t)为t时刻系统的电负荷功率；pg(t)为t时刻系统内可再生能源发电功率，即风机机组和光伏电站发电功率之和；pbat(t)为t时刻应急保障电站的储电或放电功率，本实施例中，所述的应急保障电站为电化学储能电池，pbat(t)＞0时，为t时刻储能电池的储电功率，pbat(t)＜0时，为t时刻储能电池的放电功率；n为供电系统配电网节点数，cacap(i)为系统中第i个配电网节点的初始年化投资成本；carep(i)为系统第i个配电网节点的年化更换成本；cao&m(i)为系统第i个配电网节点的年化运行维护成本，cabuy为系统年购电成本，casell为系统年售电收益；pdump(t)为t时刻系统弃掉的可再生能源输出功率。

22、进一步地，所述的采用改进野马算法优化应急保障电站配置容量时，约束条件包括：

23、系统功率平衡约束：

24、peload(t)＝ppv-w(t)+pbat(t)

25、应急保障电站的容量和功率交换能力约束：

26、socmin≤soc(t)≤socmax

27、0≤|pbat(t)|≤pbat_max

28、应急保障电站的效率约束：

29、soc(t)＝soc(t-1)+α1·pbat(t)δt

30、其中，peload(t)为t时刻系统的电负荷功率，ppv-w(t)为t时刻供电系统风电单元、光伏单元的总输出功率，pbat(t)为t时刻应急保障电站的储电或放电功率，储电时为负值，放电时为正值，soc(t)和soc(t-1)分别为t时刻和t-1时刻应急保障电站的荷电量，socmin和socmax分别为荷电量的下限值和上限值，pbat_max为应急保障电站储电或放电功率的上限值，δt为时间间隔，α1为充放电效率。

31、进一步地，所述的下层运行策略优化层面的三个优化指标计算公式如下：

32、下层运行策略优化层面的配电网网损成本：

33、

34、下层运行策略优化层面的应急保障电站服务成本：

35、

36、下层运行策略优化层面的新能源消纳率：

37、

38、其中，npv-w为风电单元、光伏单元总数；ppv-w,t为配电网在t时刻光照环境下风电、光伏最大输出有功功率；ppv-wout,t为风电单元、光伏单元在t时刻实际输出有功功率；cpprice,t为t时刻有功平衡服务价格；cqprice,t为t时刻无功平衡服务价格；pess,t为应急保障电站在t时刻的总有功功率；qess,t为应急保障电站在t时刻的总无功功率；cprice,t为t时刻的配电网电价；ui,t、ui-,t为支路i两端在t时刻的电压向量；ri、xi为支路i的线路电阻和电抗；n为配电网支路总数，j表示虚数单位。

39、进一步地，下层运行策略优化层面的适应度函数为：

40、minf2＝min(r1×cploss+r2×cess+r3×fpv-w)

41、其中，r1、r2、r3为多目标权重参数，cploss为下层运行策略优化层面的配电网网损成本；cess为下层运行策略优化层面的应急保障电站服务成本；fpv-w为下层运行策略优化层面的新能源消纳率。

42、进一步地，所述的采用改进野马算法优化供电系统运行策略时，约束条件包括：

43、供电系统潮流约束：

44、

45、供电系统线路容量约束：

46、si,t≤si,max

47、供电系统配电网节点电压约束：

48、ui,min≤ui,t≤ui,max

49、其中，pi,t为t时刻配电网节点i的注入有功功率；qi,t为t时刻配电网节点i的注入无功功率；ui,t、uj,t为t时刻配电网节点i和节点j处的电压幅值大小；gij为配电网节点i和节点j之间的电导；bij为配电网节点i和节点j之间的电纳；θij,t为t时刻配电网节点i和节点j之间的电压相位差；si,t为t时刻配电网第i条支路上流过的功率；si,max为配电网第i条支路的最大容量；ui，t为t时刻配电网第i节点的电压幅值；ui,max为规定的配电网第i节点的电压幅值最大值；ui,min为规定的配电网第i节点的电压幅值最小值。

50、进一步地，所述的改进野马算法中，包括：

51、a.采用tent混沌映射方式初始化野马个体；

52、b.采用不对称交叉方式进行交配；

53、c.设计自适应罚函数，在改进野马算法的优化过程中，优化前期保留部分不满足条件的解，优化后期对不满足约束条件的解进行全部舍弃。

54、进一步地，所述的自适应罚函数表达式如下：

55、

56、其中，k为惩罚调节系数；iter为当前迭代次数，maxiter为最大迭代次数；fp为惩罚常数。

57、基于上述技术方案，本发明方法具有以下有益技术效果：

58、1.本发明所提的供电系统应急保障电站优化配置方法引入了容量配置优化与运行策略优化两者之间的耦合关系影响，使优化配置流程中的常规运行策略转化为具备完整优化标准的多目标运行策略，实现供电系统优化配置与运行策略在规划及运行条件下的协同优化，提升供电系统的规划成效和运行性能，实现互补互促，可以加强新能源供电系统加装各类应急储能装置时的经济和技术水平。

59、2.本发明在优化层面建立了多目标优化模型，通过设计三角优化模型实现多目标的平衡化处理，避免了传统方法将多个指标加和作为优化目标的加权系数设定问题。

60、3.本发明在优化策略设计层面充分考虑了供电系统配电网中应急保障电站服务成本、系统网损、新能源消纳等多个运行评价指标，建立了以减小配电网运行成本且提升新能源消纳率的配电网优化模型，将其作为容量优化层面的运行策略后可以进一步提升容量优化配置结果的经济性。

61、4.本发明针对常规野马算法的局部极值和早熟的问题，提出了优化算法结合tent混沌映射、不对称交叉、惩罚系数自适应三种改进策略，有效改善了野马算法的全局寻优性能的收敛效果，与ga、pso、who等典型启发式算法对比，本发明设计的改进野马算法在收敛速度和搜索性能上均有明显提升，对多目标优化模型的具有良好求解性能，可以为高比例分布式电源和储能接入下配电网优化提供有效支撑。