一种直流配电网综合规划方法

1.本发明属于直流配电网配置优化领域，特别涉及一种直流配电网综合规划方法。


背景技术：

2.随着经济发展和社会进步，以及电力电子技术的不断成熟，以可再生能源为主的分布式电源、储能设备、电动汽车等新技术越来越收到人们的重视；相较于交流配电网而言，这些配电系统新设备接入直流电网时，可以节省大量的换流环节，减小了损耗，提高经济效益；同时，直流配电网还具有传输半径广、电能质量高、稳定性好等特点；因此，直流配电网作为未来配电系统发展的趋势，有必要研究其优化调度和配置的策略。
3.传统的配电规划任务主要是根据未来的负荷变化情况和现有网络的拓扑结构来确定未来配电网的拓展建设方案；在考虑纳入分布式电源以后，因为其具有随机性、分散灵活、类型多样的特点，传统的靠负荷容量增加购电量，对配电系统网络进行规划的方法已经不适用，配网的规划管理必须考虑到不同分布式电源的类型、投入容量以及安装地点等因素，以及接入分布式电源对节点电压影响和线路扩展的耦合关系，以经济性最优制定一种综合考虑的决策方案。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本文发明提供了一种直流配电网综合规划方法，在已知直流配电系统原有规划上，把接入分布式电源的类型、台数和拓展回路数作为变量，优选灵敏度高的节点作为接入分布式电源的备选节点，以综合成本最小为目标函数，建立系统的直流潮流约束、换流器潮流约束、节点电压约束、节点注入约束、线路潮流约束和回路拓展约束；通过风驱动算法求解最优的分布式电源接入数量和线路规划。
4.为了完成上述目的，本文发明了一种直流配电网综合规划方法，具体步骤如下：
5.(1)录入网络参数和设备参数；
6.所述步骤(1)中，录入的网络参数包括：各节点的编号、类型，各条支路的电阻参数、最大允许功率参数，ac
‑
dc换流器参数和dc
‑
dc换流器参数。
7.(2)基于灵度计算优选分布式电源的接入节点，并确定变量；
8.所述步骤(2)中，按照如下所述方法预设待接入dg的节点和待拓展线路将各节点接入分布式电源的类型、台数，每条线路扩展线数作为优化目标的变量。
9.x＝[x
n x
s x
m
]
[0010]
式中，x
n
和x
s
分别为节点接入分布式电源的台数变量和类型变量，x
m
线路的拓展回路数变量。
[0011]
应根据实际需求预设一个适合接入分布式电源的节点集合；具体方法为，在规划前先对系统潮流进行一次预运算，以最低电压标幺值0.95为基准，节点的预计算电压标幺值为u
pni
，以u
pni
/0.95小于1.1的节点集合作为备选分布式电源接入节点集合。
[0012]
由节点i的潮流注入方程
[0013][0014]
式中，p
i
为节点注入电流，u
i
为节点电压，y
0ij
为拓展前节点导纳矩阵的元素值。可得u
i
对于p
i
的灵敏度：
[0015][0016]
将备选节点根据灵敏度的大小降序排列，优先选择灵敏度大的节点作为分布式电源的接入节点。由上节点接入分布式电源的台数变量表达式为：
[0017]
x
n
＝[n1,...,n
n
]
[0018]
式中n
i
为节点接入的i节点接入的分布式电源台数，n为备选分布式电源接入节点集合的元素个数。
[0019]
节点接入分布式电源的类型变量为
[0020]
x
s
＝[w1,v1,g1,...,w
n
,v
n
,g
n
]
[0021]
式中，w
i
、v
i
、g
i
分别为i节点接入的分布式电源类型风力参数、光伏参数和燃气轮机参数。
[0022]
参数值为0
‑
1变量，当参数值为1时表示接入该类型的分布式电源，当参数值为0时表示不接入该类型的分布式电源。设定每个预选节点直接入一种类型的分布式电源，可得到类型变量的约束条件为：
[0023][0024]
线路的拓展回路数变量为
[0025]
x
m
＝[l1,...,l
n
]
[0026]
式中，l
j
为第j条线路的拓展回路数，m为系统的带拓展线路数。
[0027]
(3)建立基于年综合成本最低的优化目标函数。
[0028]
所述步骤(3)中，最小年综合成本的表达式为：
[0029]
min c＝ci+cm+cp
[0030]
其中，c为年综合规划成本，ci为年投资成本，cm为年维护成本，cp为年购电成本。
[0031]
年投资成本为：
[0032][0033]
式中，r
dg,k
和p
k
分别为不同分布式电源的折旧率和折旧年限，下标k为分布式电源类型标志，s
k
为不同分布式电源的单台容量，c
k
为不同分布式电源单位容量的投资费用，n
i
为该节点并入的分布式电源台数。r
l
和q分别为为线路的折旧率和折旧年限，c
l
为单位长度线路投资费用，l
j
为该线路的长度，l
j
为该线路的拓展回路数。
[0034]
年维护成本为：
[0035][0036]
式中，c
o,k
为不同分布式电源单位容量的年运行费用，p
dg
,k为不同分布式电源的单台功率，c
o,l
为单位容长度线路的年维护费用，l
0,j
为第j条线路上已建线路数。
[0037]
年购电成本为：
[0038][0039]
式中，c
e
为单位电价，p
li
为第i个节点的负荷功率，p
loss,j
为第j条线路的网损。
[0040]
(4)确定优化的约束条件；
[0041]
所述步骤(4)中，除了前文已经提及的约束，还包括有直流潮流约束，ac
‑
dc换流器潮流约束，节点电压约束，节点注入约束，线路潮流约束和回路拓展约束。
[0042]
直流潮流约束为：
[0043][0044]
式中，p
gi
、p
li
和p
dgi
分别为第i节点的节点注入、节点负荷和分布式电源注入，yij为拓展后的节点导纳矩阵。
[0045]
拓展后的节点导纳矩阵与拓展回路数变量有关，设拓展后支路的导纳向量为：
[0046]
y
b
＝[(l1+l
01
)*y1,(l2+l
02
)*y2,...,(l
m
+l
0m
)*y
m
]
[0047]
式中，y
j
、l
0j
和l
j
分别为第j条支路的支路导纳、原有回路数和拓展回路数。则可以得到拓展后的节点导纳矩阵表达式：
[0048]
y＝a
t
y
b
a
[0049]
式中，y为拓展后的节点导纳矩阵，a为系统的节点
‑
支路关联矩阵。
[0050]
ac
‑
dc换流器潮流约束为：
[0051][0052][0053]
式中u
si
为网侧交流电压有效值，δ
si
和δ
ci
分别为网侧交流电压相角和换流器侧交流电压相角，p
si
和q
si
分别为交流侧注入有功功率和无功功率，g
ci
和b
ci
分别为换流器的电导和电纳；u
di
为直流电压值，μ为直流电压利用率直流电压利用率，m为调制比。
[0054]
节点电压约束为：
[0055]
u
min
≤u
i
≤u
max
[0056]
式中u
i
为节点电压值，u
min
为节点电压允许下限，u
max
为节点电压允许上限。
[0057]
节点注入约束为：
[0058]
p
gi
+n
i
p
dgi,k
≤p
imax
[0059]
式中p
gi
为交流电源注入功率，p
dgi,k
为单位分布式电源注入功率，n
i
为分布式电源台数，p
imax
为最大节点注入功率。
[0060]
线路潮流约束为：
[0061]
u
i
(u
i
‑
u
j
)(l
0k
+l
k
)g
ij
≤p
kmax i≠j
[0062]
式中l
0k
为线路原有回路数，l
k
为线路拓展回路数，g
ij
为线路电导，p
kmax
为线路允许最大功率。
[0063]
路拓展约束为：
[0064]
0≤l
0k
+l
k
≤l
kmax
[0065]
式中l
kmax
为线路最大拓展回路数
[0066]
(5)采用风驱动优化算法求解优化模型；根据所述步骤(5)中，采用风驱动优化算法求解，其具体流程为：
[0067]
第一步，设置群体规模和迭代次数，输入相关参数，包括摩擦系数α、重力加速度矢量g、理想气体参数r、温度参数t和旋转角速度矢量ω；
[0068]
第二步，初始化空气质点集合，随机分配每个质点的位置和速度，定义边界和压力函数(即目标函数)；
[0069]
第三步，计算当前迭代的空气质点的压力值，并按照压力值重新将质点进行排序；
[0070]
第四步，更新空气质点的速度；
[0071]
第五步，更新空气质点的位置：
[0072]
第六步，判断是否达到终止条件，若达到则结束运算，若未达到则转到第三步。
[0073]
跟现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0074]
1.在选取分布式电源接入节点时，优先选取电压水平较低的节点作为备选节点，并根据节点电压对于节点注入功率的灵敏度对备选节点进行排序，提高了分布式电源的使用效率；
[0075]
2.本方法综合考虑了直流配电网分布式电源接入规划和线路拓展规划，使得多约束条件下的年综合费用最小；
[0076]
3.本方法采用的风驱动优化算法的核心是基于对简化的空气质点受力运动模型的模拟，结合牛顿第二定律和理想气体状态方程，推导出空气质点在每一次迭代中的速度和位置的更新方程。该算法简单，易于实现，可调参数较少，能够有效跳出局部极值寻找到最优极值，可以处理多模和多维问题，也可以处理离散问题。
附图说明
[0077]
图1是本发明中实施的直流配电网综合规划步骤
[0078]
图2是本发明中所参考的直流配电网结构示意图
[0079]
图3是dc
‑
dc支路的π型支路的等效电路图
[0080]
图4是采用风驱动算法进行优化的流程图
具体实施方式
[0081]
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
[0082]
如图1，本发明提供了一种直流配电网的综合规划方法，其流程如下：
[0083]
(1)录入网络参数和设备参数；
[0084]
(2)基于灵度计算优选分布式电源的接入节点，并确定变量；
[0085]
(3)建立基于年综合成本最低的优化目标函数；
[0086]
(4)确定优化的约束条件；
[0087]
(5)采用风驱动优化算法求解优化模型。
[0088]
所述步骤(1)中，录入的网络参数包括：各节点的编号、类型，各条支路的电阻参数、最大允许功率参数，ac
‑
dc换流器参数和dc
‑
dc换流器参数。
[0089]
以图2所示直流配电网为例，网架结构中包括多个ac
‑
dc换流器和dc
‑
dc换流器，c
‑
dc换流器用于把交流主网、分布式电源和交流负荷接入直流配电网，dc
‑
dc换流器用于连接不同电压等级的直流配电网；实线表示已建有线路的待拓展线路，虚线表示未建有线路的待拓展线路。
[0090]
dc
‑
dc换流器支路可以通过变换成如图3所示的π型支路参与直流拓扑的潮流运算，π型支路的各参数计算如下：
[0091][0092]
其中，y
i0
为等效始端对地导纳，y
j0
为等效末端对地导纳，y
ij
为等效支路导纳，n为dc
‑
dc换流器的子模块数，d为触发信号占空比，m(d)为与占空比和变换器类型相关的等效变比，r
e
为与变换器类型和参数相关的等效电阻，u
e
为与元件参数相关的压降。
[0093]
所述步骤(2)中，按照如下所述方法预设待接入dg的节点和待拓展线路将各节点接入分布式电源的类型、台数，每条线路扩展线数作为优化目标的变量。
[0094]
x＝[x
n x
s x
m
]
[0095]
式中，x
n
和x
s
分别为节点接入分布式电源的台数变量和类型变量，x
m
线路的拓展回路数变量。
[0096]
应根据实际需求预设一个适合接入分布式电源的节点集合；具体方法为，在规划前先对系统潮流进行一次预运算，以最低电压标幺值0.95为基准，节点的预计算电压标幺值为u
pni
，以u
pni
/0.95小于1.1的节点集合作为备选分布式电源接入节点集合。
[0097]
由节点i的潮流注入方程
[0098][0099]
式中，p
i
为节点注入电流，u
i
为节点电压，y
0ij
为拓展前节点导纳矩阵的元素值。可得u
i
对于p
i
的灵敏度：
[0100][0101]
将备选节点根据灵敏度的大小降序排列，优先选择灵敏度大的节点作为分布式电源的接入节点。由上节点接入分布式电源的台数变量表达式为：
[0102]
x
n
＝[n1,...,n
n
]
[0103]
式中n
i
为节点接入的i节点接入的分布式电源台数，n为备选分布式电源接入节点
集合的元素个数。
[0104]
节点接入分布式电源的类型变量为
[0105]
x
s
＝[w1,v1,g1,...,w
n
,v
n
,g
n
]
[0106]
式中，w
i
、v
i
、g
i
分别为i节点接入的分布式电源类型风力参数、光伏参数和燃气轮机参数。
[0107]
参数值为0
‑
1变量，当参数值为1时表示接入该类型的分布式电源，当参数值为0时表示不接入该类型的分布式电源。设定每个预选节点直接入一种类型的分布式电源，可得到类型变量的约束条件为：
[0108][0109]
线路的拓展回路数变量为
[0110]
x
m
＝[l1,...,l
n
]
[0111]
式中，l
j
为第j条线路的拓展回路数，m为系统的带拓展线路数。
[0112]
所述步骤(3)中，最小年综合成本的表达式为：
[0113]
min c＝ci+cm+cp
[0114]
其中，c为年综合规划成本，ci为年投资成本，cm为年维护成本，cp为年购电成本。
[0115]
年投资成本为：
[0116][0117]
式中，r
dg,k
和p
k
分别为不同分布式电源的折旧率和折旧年限，下标k为分布式电源类型标志，s
k
为不同分布式电源的单台容量，c
k
为不同分布式电源单位容量的投资费用，n
i
为该节点并入的分布式电源台数。r
l
和q分别为为线路的折旧率和折旧年限，c
l
为单位长度线路投资费用，l
j
为该线路的长度，l
j
为该线路的拓展回路数。
[0118]
年维护成本为：
[0119][0120]
式中，c
o,k
为不同分布式电源单位容量的年运行费用，p
dg,k
为不同分布式电源的单台功率，c
o,l
为单位容长度线路的年维护费用，l
0,j
为第j条线路上已建线路数。
[0121]
年购电成本为：
[0122][0123]
式中，c
e
为单位电价，p
li
为第i个节点的负荷功率，p
loss,j
为第j条线路的网损。
[0124]
所述步骤(4)中，除了前文已经提及的约束，还包括有直流潮流约束，ac
‑
dc换流器潮流约束，节点电压约束，节点注入约束，线路潮流约束和回路拓展约束。
[0125]
直流潮流约束为：
[0126][0127]
式中，p
gi
、p
li
和p
dgi
分别为第i节点的节点注入、节点负荷和分布式电源注入，yij为拓展后的节点导纳矩阵。
[0128]
拓展后的节点导纳矩阵与拓展回路数变量有关，设拓展后支路的导纳向量为：
[0129]
y
b
＝[(l1+l
01
)*y1,(l2+l
02
)*y2,...,(l
m
+l
0m
)*y
m
]
[0130]
式中，y
j
、l
0j
和l
j
分别为第j条支路的支路导纳、原有回路数和拓展回路数。则可以得到拓展后的节点导纳矩阵表达式：
[0131]
y＝a
t
y
b
a
[0132]
式中，y为拓展后的节点导纳矩阵，a为系统的节点
‑
支路关联矩阵。
[0133]
ac
‑
dc换流器潮流约束为：
[0134][0135][0136]
式中u
si
为网侧交流电压有效值，δ
si
和δ
ci
分别为网侧交流电压相角和换流器侧交流电压相角，p
si
和q
si
分别为交流侧注入有功功率和无功功率，g
ci
和b
ci
分别为换流器的电导和电纳；u
di
为直流电压值，μ为直流电压利用率直流电压利用率，m为调制比。
[0137]
节点电压约束为：
[0138]
u
min
≤u
i
≤u
max
[0139]
式中u
i
为节点电压值，u
min
为节点电压允许下限，u
max
为节点电压允许上限。
[0140]
节点注入约束为：
[0141]
p
gi
+n
i
p
dgi,k
≤p
imax
[0142]
式中p
gi
为交流电源注入功率，p
dgi,k
为单位分布式电源注入功率，n
i
为分布式电源台数，p
imax
为最大节点注入功率。
[0143]
线路潮流约束为：
[0144]
u
i
(u
i
‑
u
j
)(l
0k
+l
k
)g
ij
≤p
kmax i≠j
[0145]
式中l
0k
为线路原有回路数，l
k
为线路拓展回路数，g
ij
为线路电导，p
kmax
为线路允许最大功率。
[0146]
路拓展约束为：
[0147]
0≤l
0k
+l
k
≤l
kmax
[0148]
式中l
kmax
为线路最大拓展回路数
[0149]
根据所述步骤(5)中，风驱动优化算法的求解过程如图4所示，其具体流程为：
[0150]
第一步，设置群体规模和迭代次数，输入相关参数，包括摩擦系数α、重力加速度矢量g、理想气体参数r、温度参数t和旋转角速度矢量ω；
[0151]
第二步，初始化空气质点集合，随机分配每个质点的位置和速度，定义边界和压力函数(即目标函数)；
[0152]
第三步，计算当前迭代的空气质点的压力值，并按照压力值重新将质点进行排序；
[0153]
第四步，根据下式更新空气质点的速度：
[0154][0155]
式中v
cur
和v
new
分别为当前迭代空气质点速度和更新后空气质点速度，x
cur
和x
opt
当前空气质点位置和历史最优空气质点位置，p
cur
和p
opt
分别为当前压力适应值和历史最优压力适应值。
[0156]
第五步，根据下式更新空气质点的位置：
[0157]
x
new
＝x
cur
+u
new
δt
[0158]
为了便于求解，一般设δt＝1。
[0159]
第六步，判断是否达到终止条件，若达到则结束运算，若未达到则转到第三步。
[0160]
最后需要指出的是，上述内容仅是本发明的实施技术方案案例而非限制。对本发明所述的技术方案进行修改或同等替换，均应包含在本发明的保护范围之内。