一种考虑故障场景的新型配电系统源网荷储协调规划方法与流程

本发明涉及一种配电系统规划，具体是一种考虑故障场景的新型配电系统源网荷储协调规划方法。

背景技术：

1、新型配电系统源网荷储协调运行能充分发挥各组件的灵活性,使整个配电系统保持在较优的状态。首先是源侧，与传统的配电系统不同，新型配电系统中的源侧以分布式可再生能源为主体，主要为风电、光伏等可再生能源。在网侧，传统的配电线路在设计时需要始终保持系统开环和辐射型结构运行，而sop的使用让配电系统两端能够更加精准的分配潮流，改变了传统配电网架的运行模式。在荷侧，传统的配电系统采用源随荷动，新型配电系统整合考虑各节点的负荷、电价措施及其需求侧响应。在储能侧，主要由各种储能设备组成，通过储能来平抑分布式可再生能源出力波动和在故障下提供一定的负荷恢复能力。

2、不同于传统配电系统仅考虑线路潮流以及功率分配，新型配电系统协调规划需进一步整和协调各类灵活性资源来满足系统的运行条件，包括分布式可再生能源的选址定容、网架拓扑结构、负荷侧的负荷、sop和rcs的协调等。已有许多专家和学者对配电网中分布式可再生能源的选址定容及其软开关的规划进行了相关研究，但较少面向系统韧性提升的新型配电系统协调规划。配电系统实际运行存在较多的不确定性，容易受到极端天气和自然灾害的影响。因此，研究考虑故障场景的新型配电系统源网荷储协调规划以提升系统规划的经济性和故障恢复能力是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑故障场景的新型配电系统源网荷储协调规划方法，能够显著提升系统规划的经济性和故障恢复能力，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种考虑故障场景的新型配电系统源网荷储协调规划方法，步骤1：建立新型配电系统源网荷储协调规划模型的目标函数。

4、详细过程：目标函数如式(1a)所示，该函数由投资成本和运行成本两部分组成：

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9、在式(1a)中：obj为优化的目标函数，cinv、cop、cf分别为配电网的投资成本、运行成本和故障场景下的负荷损失成本，r和x分别为投资年利率和投资年限。在式(1b)中分别代表风电、光伏、储能电池、软开关、线路长度和svg的单位投资成本、代表变电站的扩建成本、新建成本以及rcs的安装成本；ωwt、ωpv、ωes、ωsop、ωsvg、ωl、ωsub、ωesub、ωrcs分别代表风电、光伏、储能电池、软开关、svg、线路、新建变电站、可扩容变电站和rcs的建设线路及节点的集合；wti、pvi、esi、svgi、分别代表第i个节点处风电、光伏、储能、svg的装机容量、是否在该节点处是否扩建、新建变电站；sopij、lij、xij、分别代表线路ij上安装sop的容量、线路的长度、是否建设线路ij和是否安装rcs的二进制变量。在式(1c)中：s为正常场景数，ρs为对应场景出现的概率；分别为在场景s下t时刻i节点的弃风弃光、电池放电、电池充电、变电站买电和切负荷的功率；分别为单位容量下风电、光伏和sop的年维护成本；fwt、fpv、fn、分别为单位弃风、弃光、切负荷和电池退化成本；pt和为t时刻变电站买电电价和每条线路的年维护成本。在式(1d)中：sf为故障场景数，ρsf为对应故障场景发生的概率，tr为故障发生后最大的故障恢复时间；和分别为对应故障节点的失负荷惩罚成本与在t时刻节点i因故障损失的负荷。

10、步骤2：建立正常场景下含sop的“源-网-荷-储”优化数学模型。

11、首先是源侧的建模，本发明中考虑风电和光伏作为分布式电源接入配网，sop作为调节型电力电子器件均衡配电系统中的潮流分布水平。为更好的平衡系统中的无功功率和电压分布水平，还考虑了svg作为无功调节装置的接入。风电和光伏的出力特性如式(2a)和(2b)所示：

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14、式(2a)中，vay、vcin、vrate、vcof分别为风机当前的工作风速、切入风速、额定风速和切出风速，为风电机组的额定功率。式(2b)中，sc为当前光照强度，scrate为光伏组件到达额定功率时的光照强度，为光伏组件的额定功率。

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21、式(2c)(2d)代表该节点处能安装对应的分布式电源的最大容量，其中分别为该节点是否安装风电和光伏的二进制变量；分别为该节点处最大允许安装的风电和光伏的容量。(2e)-(2f)为风光出力的功率平衡约束，其中为在场景s下t时刻的风电、光伏实际消纳的功率、弃风弃光功率和风电、光伏在当前时刻的单位出力。(2g)(2h)为最大弃风弃光约束、其中λpv和λwt为系统最大允许的弃风弃光率。

22、svg是一种无功补偿设备，能够实现无功功率的连续调节、优化配电系统中的电压分布和线路中的功率传输水平。

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25、式(2i)为svg的安装容量和位置约束，为节点i处是否安装svg的二进制变量，为结点i处最大允许安装的svg容量；式(2j)为svg的输出功率约束，为在场景s下i节点t时刻输出的无功功率，βmin和βmax分别为svg输出的下调系数和上调系数。

26、配电系统中除了使用分布式电源外还需从主网中获取电能，以补偿分布式可再生能源出力的间歇性和调节配电系统的峰谷差。本发明考虑了变电站的新建和扩容以满足配电系统的运行。

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29、式(2k)-(2l)为变电站的容量约束，为变电站提供的无功功率，ksub为变电站的最大荷载度，分别为节点i处变电站新建的额定容量、变电站初始容量和变电站可扩建的额定容量。

30、图2.1为柔性软开关的物理结构图，sop作为一种背靠背的电力电子设备由vsc1和vsc2两个换流器组成，在两个换流器中间并联有电容器，能够给馈线两端节点提供无功功率。

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36、式(2m)-(2q)为sop在运行时的数学模型，分别为在场景s下接入软开关的节点i在时间t时刻传输的有功功率、无功功率、有功损耗、节点i处换流器的容量和损耗系数。式(2m)为sop内部的功率平衡约束；(2n)和(2o)为sop两端的有功损耗；(2p)-(2q)为sop接入点换流设备的容量约束。

37、接着是网侧模型的建模，配电网需要始终保持辐射状运行，考虑新建变电站和新增负荷节点的网络拓扑约束有：

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42、|yij|≤(n-ns0)xij,(i,j)∈ωl  (3e)

43、在式(3a)中，n为新增的负荷节点数，该约束表示为新增的负荷节点要等于新建的线路条数以保证线路呈辐射型，但仅有该约束不能满足含分布式电源的配电网保持在辐射状运行，分布式电源的接入会使得存在节点孤岛运行甚至导致环网的出现。故还需约束(3b)-(3e)进一步限制，约束(3b)中yij为节点i到节点j的虚拟潮流，n为线路中所有的节点数，ns0为网络中已有变电站数，该约束限制了现有变电站节点能发出的最大虚拟潮流功率。约束(3c)表示当节点为新建变电站节点时，该约束退化为(3b)所示的变电站节点，当该变电站节点不建设时该约束退化为(3d)的虚拟负荷节点。约束(3d)表示当节点为负荷节点时流经该节点的虚拟潮流的和为-1，即作为虚拟负荷。约束(3e)表示当线路投建时该线路上能够传输虚拟潮流，否则不能传输。

44、功率在配电网中进行传输时需要满足相关的潮流约束条件，本发明中采用线性化的distflow潮流模型，将网损的非凸项忽略来简化最终模型计算的复杂度。目前已有文献证实在配电网的规划中最终结果受网损影响的因素较小，可以忽略网损对规划结果的影响。

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49、umin≤ui,t,s≤umax i∈ωn  (3j)

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51、式(3f)和式(3g)为节点的有功和无功的平衡约束，pij,t,s、qij,t,s分别为在场景s下t时刻注入节点i的有功和无功功率、节点的有功负荷和无功负荷、节点i传输到节点j的有功和无功功率。式(3h)-(3i)为线性化后忽略网损的distflow潮流模型，其中ui,t,s、m、v0分别为节点i在场景s下t时刻的电压、足够大的正数、节点ij之间线路的阻抗和感抗、配电系统的标定电压。式(3j)为安全性约束，保证各节点的电压位于允许范围内，其中umin和umax为节点所允许的电压上界和下界。式(3k)为线路的容量约束，其中sij为输电线路的最大容量。

52、在荷侧考虑了存在需求侧响应的条件下对过高的负荷响应削减，其中削减的负荷量与负荷等级有关，如式(3l)所示，式(3m)-(3n)为配电系统中注入各节点的有功和无功功率。

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56、在式(3l)中，ξi为节点i处负荷的最大削减比例，其取值与负荷等级相关，为节点i在场景s下的t时刻削减的有功功率。式(3m)-(3n)为注入节点的有功和无功功率，其中为在场景s下节点i在t时刻电动汽车换电站的功率。

57、最后是储能和电动汽车换电站的选址定容约束，电动汽车换电站的数学模型与储能类似，可以看作是一个只能进行充电的储能设备。式(4a)-(4f)是储能电池的充放电约束：

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64、式(4a)为储能电池的安装约束，和为在节点i处是否安装储能的二进制变量和该节点允许的最大储能安装容量。式(4b)-(4d)为储能电池的运行状态约束，其中为表征电池充放电状态的二进制变量；kch，kdis为储能电池的充放电深度。式(4e)-(4f)为储能电池充放电的容量约束，ηch、ηch为储能电池在场景s下节点i在t时刻存储的电量、电池充放电效率。

65、电动汽车换电站的选址与储能电池的规划类似，电动汽车换电站的选址一般会有几个待选节点，具体的选址约束如下：

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68、式(4g)为电动汽车的选址约束，表示第i个电动汽车换电站的选址集合，为是否选址建设的二进制变量；ωev为待选址的换电站集合。式(4h)为换电站选址后在该节点上的功率约束。

69、步骤3：建立故障运行场景下新型配电系统恢复模型。

70、详细过程：由于配电系统是一个整体，线路发生故障后会直接影响配电系统其他组件的正常运行。远程控制开关(rcs)在配电系统发生故障时能够隔离故障并能够防止配电系统的故障扩散，以保证配电系统中大部分节点正常运行。

71、首先是故障发生后的隔离阶段，当配电系统发生故障后rcs能够隔离线路上的故障并阻止事故的进一步扩散，在隔离阶段满足约束(5a)-(5d)

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76、0≤aij≤xij(i,j)∈ωl(5e)

77、式(5a)表示线路故障约束，fij,s为1表示第s个场景下线路ij发生故障；aij为安装rcs的二进制变量，为1表示线路ij安装rcs，为故障发生后线路ij的连接状态，tf为故障发生的时段。式(5b)-(5d)为故障隔离扩散约束，其中表示节点i在场景s下tf时刻是否故障的状态变量，由这四个约束就能模拟配电系统的故障扩散过程和rcs对故障的阻断状态。式(5e)表明rcs只能安装在线路上，没规划的线路不能安装rcs。

78、在故障的场景下，节点的故障会直接影响分布式电源、储能、sop和其他电力电子设备的正常运行。故障发生后需将其从故障位置切出以保护设备的安全，故障后具体的约束模型如式(5f)-(5n)所示：

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88、式(5f)-(5n)分别为风电机组、光伏机组、电池储能、svg、sop、新建变电站、扩建变电站在故障场景下的出力约束。发生故障后系统需要切除一定的负荷以保证其余系统的正常运行，在故障场景下负荷损失需满足约束(5o)-(5p)：

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91、当配电系统发生故障后还需考虑故障后的恢复过程来确定配电系统的最大化供电恢复方案，当对应的线路修复后节点的故障被清除。在修复过程中满足约束(5q)-(5v)：

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94、ni,t,s≥ni,t+1,s i∈ωn(5s)

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98、式(5q)表示每小时最多线路恢复数的约束，其中r为每小时能够恢复的最大线路数；式(5r)为线路修复约束，tre为故障完全修复的时段，表明在故障发生后规定时间内需修复所有的故障线路；式(5s)-(5t)为故障恢复约束，在线路的修复过程中当线路修复时清除故障线路两端节点的故障，其中ωf为故障线路所在的集合；式(5u)-(5v)保证在故障恢复的过程中没有安装rcs同一线路两端的故障状态相同，安装rcs后若线路的一端存在故障能够隔离。

99、步骤4：求解新型配电系统源网荷储协调规划。

100、具体过程：将步骤1中的目标函数和步骤2-3中正常运行场景和故障运行场景下的约束在matlab中使用yalmip进行建模，使用商业求解器cp lex进行求解。

101、步骤5：建立评价体系论证sop接入对配网运行的提升作用。

102、具体过程：求取系统的最优配置容量后，分别计算在有无sop接入条件下系统的各项指标的值，并对比各项指标论证在sop的接入下系统能够获得更好的性能。

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108、式(6a)中lmean为线路通道的最大平均载荷水平；式(6b)中vmean为系统在运行时的最大平均电压偏差水平，其中vnorm为系统的标定电压；式(6c)中表示系统在发生故障后所有的场景中的最大失负荷比例；式(6d)中表示所有的故障场景下负荷恢复所需的平均时间，为在故障场景s下负荷完全恢复的时间。式(6e)表示系统在故障场景下单一时刻负荷的平均恢复速率。

109、与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)将故障场景创新性地纳入源网荷储协调规划，提升了新型配电系统故障抵御水平和故障恢复能力；(2)联合规划包括sop与rcs在内的新型配电系统源网荷储多个环节，并建立了合理的评价体系评估，在配电网的经济性和故障恢复能力之间能够获得较好的权衡，具有良好的工程应用前景。