抗灾型城市配电网移动储能容量优化配置方法与流程

本发明涉及城市配电网移动储能优化技术，并计及生命健康水平和弹性价值增益，特别是涉及抗灾型城市配电网移动储能容量优化配置方法。

背景技术：

1、由于极端天气发生的不确定性，在实际灾害场景中可能同时发生多种灾害，进而给配电网元件的可靠运行带来极大的影响。随着电池技术的进步，电池的比功率越来越高，使移动储能设备作为应急供电电源成为了可能。移动储能作为应急供电设备，能有效提高配电系统的可靠性，且不产生额外的碳排放。移动储能设备灵活、清洁的优点，有潜力成为中低压配电系统重要的组成部分，移动储能投资巨大，为了获得最佳的投资决策，需建立移动储能的投资优化模型。

2、由于移动储能技术还处于起步、技术准备阶段，现有成果主要集中在评估移动储能在网络结构恢复过程中的作用，研发人员主要研究移动储能对网络性能的改善能力，行业内缺少对移动储能设备容量的优化配置方法。

技术实现思路

1、为了能够解决行业内缺少对移动储能设备容量的优化配置方法的问题，本发明提供了抗灾型城市配电网移动储能容量优化配置方法。

2、本发明解决技术问题所采用的方案是：

3、抗灾型城市配电网移动储能容量优化配置方法，包括以下步骤：

4、步骤1.利用研究区的历史资料，计算灾害直接影响下的电杆故障率，绘制灾害间接影响下电线杆的故障率曲线；建立建筑物模型及其破坏状态，根据灾害对电线杆的直接和间接破坏概率，计算电线杆的总破坏概率；

5、步骤2.将无限容量的储能系统依次插入每根母线，以确定储能系统配置指标esi最低的相应母线；在此阶段，考虑了前一阶段电池放置场景的概率；根据碳排放量及电池成本等指标选择移动储能车搭载的电池种类并计算电池的总成本；计算运行成本，包含热力发电机组、储能、储气、从上游网络和移动能源供应商提供能源的总成本；考虑驾驶员和燃料成本计算mess成本，从而得到最优的功率和能量；

6、步骤3.利用前一阶段的电力和能量优化配电网的弹性，根据储能车的速度、其他车辆的速度和道路的容量来计算交通中的mess中断时间；利用收集到的数据，在减少优先级负荷的情况下，使配电系统的ri最大化，同时使中断成本最小化。

7、本实施例公开的，所述步骤1中，计算灾害直接影响下的电杆故障率，绘制灾害间接影响下电线杆的故障率曲线，对电力系统自然灾害问题的研究可以从多个角度进行考察；

8、地理数据与灾情交替出现：土地的面积方面，如土地利用和土壤水分水平，山地特征，土地丘陵，和复杂的地形指示；灾变变量，如风暴持续时间和强度、威胁程度、登陆位置、呈现速度等；气候特征，如标准化降水指数spi、年和月降雨量；由于自然灾害可能对建筑物造成不同程度的破坏，因此通常使用随机分布来描述不同建筑物的行为；为此，为了计算每个结构调整水平的概率，对数正态分布的故障率函数公式如下：

9、

10、式中，p[ds|sd]为处于或超过结构损坏状态的概率(ds)，φ为标准正态累积分布函数，βds为损伤状态谱位移自然对数的标准差(ds)，sd为谱位移，sd,ds为建筑达到破坏状态阈值时的光谱位移中值(ds)

11、该函数表示任何建筑物在自然灾害程度不同时发生破坏的概率，脆性曲线被定义为无、轻微、中度、广泛和完全失效级别；

12、确定建筑物破坏对电线杆的影响程度公式如下：

13、p[ppb|bulb]＝e(-λ,dis)·pe

14、式中，p[ppb|bulb]为母线附近建筑物倒塌导致电线杆失效的概率，λ为指数函数的速率参数，dis为架空线路与附近建筑物之间的距离，pe为灾害后建筑物损坏状态的累积概率。

15、本实施例公开的，所述步骤1中，建立建筑物模型及其破坏状态，根据灾害对电线杆的直接和间接破坏概率，计算电线杆的总破坏概率；

16、利用故障概率曲线计算在灾害冲击下电线杆倒塌的概率；总概率公式如下：

17、pz＝pid+pib-(pidpib)

18、式中，pz为电杆失效的总概率，pid为由于灾害的直接影响，电杆发生故障的概率，pib为因建筑物拆除而导致电线杆故障的可能性。

19、本实施例公开的，所述步骤2中，考虑了前一阶段电线杆损坏的概率，将具有无限容量的储能系统依次插入每根母线，以确定esi最低的相应母线；

20、假设优先级负荷剩余容量处于最大容量，并且系统具有无限容量的ess，以便确定电池的最佳位置；ess与所有母线依次安装，并考虑电线杆故障的概率来计算总负载中断量，负载中断量计算公式如下：

21、

22、式中，为定位阶段间断负荷，为优先级负荷集，为定位阶段关键负荷的最大理论需求，为定位阶段ess输入功率；

23、得到每条母线电池安装阶段的总负载中断后，使用以下公式得出esi值；系统中的每条总线的储能系统配置指数esi定义公式如下：

24、

25、式中，为事件集；

26、在获得的值中，已经考虑了不同场景的概率，指数值最低的总线是放置储能系统的理想选择；考虑到各种情况的概率，esi低意味着在中断时间该总线中关键负荷容量削减的可能性较低。

27、本实施例公开的，所述步骤2中，选择移动储能车搭载的电池；

28、mess的储能系统技术有：铅酸电池、镍基电池、锂离子电池、金属空气电池和液流电池；可以对不同容量阶段的动力电池进行梯次利用，根据电池容量的衰减程度，梯次利用分为以下几个阶段：

29、①正常使用阶段：容量80-100％，可用作动力电池，应用于电动汽车等；

30、②梯次利用的第一阶段：容量60-80％，可用作储能电池，应用于储能电站、通信基站、应急救援电源、低速电动车等；

31、③梯次利用的第二阶段：容量20-60％，可用作备用电池，应用于家用储能、照明电源等；

32、④报废阶段：容量0-20％，可进行拆卸和回收，用于原材料回收利用；

33、对于梯次利用的电池，电池容量损失率计算公式如下：

34、

35、式中，ξ为电池容量损失率；n为充电时间；

36、电池使用的功率损耗计算公式如下：

37、

38、式中，eloss为电能损失；qr为电池容量；u为充电电压；dod为放电深度；ξn为电池容量损失率；et为电池的能量传递效率；

39、梯次利用的电池用于储能场景的寿命年限计算公式如下：

40、

41、式中，lr是退役电池使用的循环次数；t为储能系统的日均充放电次数；

42、单位容量梯次电池的购买价格计算公式如下：

43、

44、式中，n'为正常使用阶段电池的理论使用年限；ce'为单位容量正常使用阶段电池的购买价格；

45、新电池在生产阶段会产生大量的碳排放，退役电池改造产生的碳排放量非常小；废旧电池材料的回收利用，尤其是铝壳，可以有效减少碳排放；退役电池的梯次利用不仅减少了碳排放，还减少了其他有害物质的排放，可以带来良好的环保效果；某储能电站1kwh能量退役电池梯次利用带来的碳减排量计算公式如下：

46、

47、c是梯次利用1kwh退役电池减少的碳排放量；nn是循环中使用的新电池数量；ln是新电池使用的循环次数；en是新电池的能量；cn是1kwh新电池一个生命周期的碳排放量；nr是循环中使用的退役电池数量；er是退役电池的能量；cr是1kwh退役电池在一个生命周期内的碳排放量。

48、本实施例公开的，所述步骤2中，计算电池的总成本；

49、电池的总成本tcc是计算电池容量的最关键因素，根据以下描述计算；tcc评估与获取、安装和交付存储系统相关的所有成本；通常，在ess中，电力转换系统的成本以电力容量表示；与能源有关的费用包括与建造储能库或蓄水池有关的所有费用，pcs系统的总成本计算公式如下：

50、

51、式中，pcs为电力电子总成本，pcsuc为电力电子的单位成本，为mess的最大功率额定值，

52、suc的总成本计算公式如下：

53、

54、式中，suc为存储单元总成本，sucuc为存储单元单位成本，η为mess的输入效率；

55、bop的总成本计算公式如下：

56、

57、式中，bop为工厂余额的总成本，bopuc为工厂余额单位成本(€/kwh)；

58、pcs、suc、bop的总成本计算公式如下：

59、tcc＝pcs+suc+bop

60、资本回收系数crf计算公式如下：

61、

62、年化资本成本ac计算公式如下：

63、

64、式中，ir为年利率，y为储能寿命(年)；

65、在mess的tcc的年度成本中，应考虑燃料和卡车司机的成本，每个储能设备对网络的日常运行至关重要，不仅在事件发生时，而且在全年的任何情况下都是如此；储能装置可在极端天气期间使用，或在其他电力中断期间辅助供电。

66、本实施例公开的，所述步骤2中，计算运行成本，包含热力发电机组、储能、储气、从上游网络和移动能源供应商提供能源的总成本；

67、计算公式如下：

68、ct＝(cth+ces+cgs+cbuy+cmobile)

69、

70、ces＝((ces,fx×pes)+(ces,vr×aes))

71、ctgs＝cgs×(irs+ors)

72、式中，cth为热机组运行费用，ces为储能的运行成本，cgs为储气的运行成本，cbuy为购买电力和天然气的成本，cmobile为移动能源供应商提供能源的成本，cmt为微型涡轮机的边际成本，pmt为微型涡轮的功率，cchp为热电联产机组的边际成本，pchp为热电联产机组的输出功率，ces,fx、ces,vr为储能的固定和可变运行成本，pes为额定储能功率，aes为年储能流量，cgs为储气库运行费用，irs、ors为气体流量的输入和输出限制；

73、被削减能源的损失成本表达如下：

74、pc＝(pcur×vollelc)+(qcur×vollgas)

75、式中，vollelc为电力负荷损失值，vollgas为天然气负荷损失值，pcur、qcur为电力和天然气消耗值。

76、本实施例公开的，根据运行成本公式列写相关约束条件；

77、在电力系统中最基本的约束之一是功率平衡约束，表达如下：

78、

79、式中，pmt,t为t时刻微型涡轮输出功率，pren,t为可再生能源在t时刻的输出功率，pchp,t为t时刻热电联产机组的输出功率，pcurt-i为节点i的削减功率；

80、此公式表明，微型涡轮机、热电联产机组、可再生能源、外购电、储能等产生的总功率应等于每个总线的电力需求量减去损失的功率；

81、微型涡轮机的发电率和启动和关闭费用的约束如下：

82、

83、sucmt,t≥sumt[umt,t-umt,t-1]

84、sucmt,t≥0,t∈t

85、sdcmt,t≥sdmt[umt,t-1-umt,t]

86、sdcmt,t≥0,t∈t

87、式中，为微型燃气轮机的最小和最大功率，sumt为启动成本，sdmt为停工费用；

88、每根母线允许断开负载的约束如下：

89、0≤pcurt-i,t≤di,t

90、移动储能电池能量存储的约束条件如下：

91、

92、emin≤et,i≤emax

93、

94、式中，为最大充电/放电容量，为充放电状态二元变量，为储存初始能量值，emin、emax为储存能量的最小值和最大值，ηch、ηdis为充电/放电效率；

95、上述公式分别表明，电池的工作状态由两个二元变量组成，分别为充电或放电状态；电池充放电容量的约束；电池存储容量的约束；充电或放电的在瞬间t的存储能量的约束；

96、电力线热容量的约束如下：

97、

98、式中，为l线的最小和最大容量；

99、热电联产单元的约束如下：

100、hchp,t+pchp,t≥zj,t

101、式中，hchp,t为热电联产在时间t的输出功率，zj,t为与机组功能区相关的系数；

102、天然气供应网络的约束条件如下：

103、t时刻产生的气体量的约束如下：

104、

105、式中，为天然气井最小和最大产量；

106、煤气管道的约束如下：

107、

108、式中，cmn为管道m-n的韦茅斯常数，t0为标准温度，dmn为管道直径，sgn(πm,πn)为节点m和n之间的气体流动，πm,πn为节点压力；

109、天然气储存容量约束如下：

110、

111、式中，为储气库最小和最大储气量；

112、天然气输入输出流量的约束条件如下：

113、-irs≤δqs,t＝(qs,t-qs,t-1)≤ors

114、式中，qs,t为储气库中储气的值；

115、各节点j天然气平衡约束条件如下：

116、qinj＝qw-δqs-δqgf-δqpl＝-δq

117、式中，qinj为向每个节点注入的气体量，δqgf为微型涡轮机所需气体，δqpl为每个节点的天然气需求；

118、与可再生能源生产有关的约束如下：

119、

120、风速按小时计算；在计算风速之后，风力涡轮机的输出功率如下：

121、

122、式中，vci，vr，vco为风力发电机的起动、额定和切断速度；

123、太阳能发电厂的发电量取决于辐射和温度等因素，计算公式如下：

124、

125、式中，r为辐射，p、t、γ为太阳能发电站的输出功率、温度和最大输出功率的修正系数；

126、弹性的约束如下：

127、

128、式中，h是不可预测事件发生的确切时间，h表示故障的持续时间，断开负荷的能量的总量为每个节点削减的功率与切断电源时的终止时间的乘积；

129、针对天然气基础设施的非线性特点，对线性化方法进行了研究，采用分段线性方法对天然气的非线性方程进行线性化，天然气在管道中的线性流量公式如下：

130、

131、式中，αl,t、βl,t为分段线段的斜率和截距，天然气在管道中的流动是由于线性分段函数的和而被线性化的；

132、气体流量的上、下线性分段约束如下：

133、

134、式中，为气体流量的下限和上限，ωl,t为分段线性函数的二进制指示符。

135、本实施例公开的，所述步骤2中，根据年度成本模型优化移动储能电池mess功率和能量，从而得到最优的功率和能量；

136、根据年度成本模型，确定每个储能系统的最佳功率和能量；

137、

138、式中，为第一阶段优化的mess注入功率，为基于负荷剖面的最大负荷需求，储能系统的输入功率受优先级负荷剩余容量最大需求的约束；

139、每个储能系统的功率输出和能量容量的约束条件公式如下：

140、

141、

142、式中，为mess的最高和最低标称能量水平，为第一阶段优化的mess能量容量；

143、t1表示mess达到最大能量时的时间步长，近似为自灾害开始以来的第一个时间步长；

144、在任何给定时刻，所储存的能量与注入的能量之间的关系公式如下：

145、

146、式中δt为事件的时间步长，假设为1h；η为储能系统中使用的锌溴电池的效率；

147、

148、储能系统的pcs、bop和存储单元的年度总成本加上移动储能车的年度成本和系统预算中限制的燃料计算公式如下：

149、

150、输入到优先级负荷中的移动储能系统功率总和的约束条件为与储能系统输入的能量相等的优先级负荷总数，由于功率损耗的消除，传输功率的量不应大于输入功率的量，传输功率的总量不应超过临界负荷的最大值，所采用的公式如下：

151、

152、式中，为mess和优先负载之间的过渡功率；

153、上式中限制的传输功率并不总是完全对应于临界负载的供应，这总是导致一些负载量降低，这一减少量的计算公式如下：

154、

155、式中，为在优化阶段减少关键负荷；

156、最小化优先级较高的负荷数量的计算公式如下：

157、

158、式中，为降低重要负荷单位功率的中断损失成本；

159、上式还计算了降低的负荷量的成本，式中，表示根据负荷的优先级，对于临界负荷单位损失的约束条件。

160、本实施例公开的，所述步骤3中，利用前一阶段的电力和能量优化配电网的弹性，根据储能车的速度、其他车辆的速度和道路的容量来计算交通中的mess中断时间；

161、当dn中发生严重事件时，必须承认恢复所有关键负荷的可能性很低，因此，类型可以分为三大类：最重要的、最不重要的以及不属于以上两个类型的负荷；如果供应中断，根据它们的重要性级别，每个负荷都会受到损失；

162、此外，移动储能车在各节点之间转移的过程中必须考虑车辆的体积和速度，道路容量，和行车速度等因素，利用车辆的体积和速度以及道路的容量来模拟道路交通；

163、

164、式中，tr为考虑到道路交通，在道路上移动所需的时间；tr0为无论道路交通状况如何，在道路上移动所需的时间；vr为道路交通量；cr为道路通行能力；vmess为mess的平均速度；vveh为所有车辆的平均速度；trtot为mess在路上的行驶时间。

165、本实施例公开的，所述步骤3中，利用收集到的数据，在减少优先级负荷的情况下，使配电系统的ri最大化，同时使中断成本最小化；

166、下式以ri最大化为目标，对第二阶段进行了优化，在整个优化过程中，关键负荷的优先级、道路交通和mess的时空运行模型都被考虑在内；

167、esss的注入功率受到优先级关键负荷的约束，公式如下：

168、

169、式中，将注入功率限制为同一岛上优先负荷的需求功率，用函数σ(e,s,i)确定孤岛上同时存在电池和负载；这一阶段与确定电池能量和功率的优化阶段的区别在于，这一阶段对负载进行了优先排序；因此，由于功率限制，可以在事件期间更快地提供高优先级负载；

170、事件发生时各mess的功率输出和能量容量限制为最大输出和最小输出，公式如下：

171、

172、

173、在每个中断和事件时间，存储能量与注入功率的相关性公式如下：

174、

175、为了充分利用电池的全容量，孤岛上mess的最大注入功率应小于孤岛的总负载要求，公式如下：

176、

177、当最大mess注入功率超过需求功率时，z(i,s)趋于零；

178、当mess被迫从一个放电站移动到另一个放电站时，注入功率等于零，公式如下：

179、

180、移动时间ttot依赖于道路交通、车辆和卡车的速度；

181、所有岛屿和场景中mess的连接或断开公式如下：

182、

183、esss在事件期间提供给关键负荷的总功率等于电池的注入功率，约束为该中断时间和事件发生时间的关键负荷之和，公式如下：

184、

185、式中，表示第二阶段ess的输入功率，表示灾害发生期间ess和关键负荷之间的过渡功率，表示基于负荷分布的关键负荷需求；

186、上式中限制的传输功率并不总是完全对应于优先级负载的供应，这总是导致一些优先级负载降低，这一减少量的计算公式如下：

187、

188、式中，表示在优化阶段减少的关键负荷；

189、控制必须削减的关键负荷的数量，特别是那些具有较高优先级的关键负荷，公式如下：

190、

191、式中，表示发生灾害的概率，表示中断时间内存在的关键负荷的总和。

192、积极效果：

193、本发明使用移动电池存储来增强配电网的抗震能力，通过计算各种建筑物的脆弱性曲线及其对电线杆故障的影响，确定由于灾害冲击而导致电线杆故障的概率，从而优化移动储能容量的安排，使得储能系统在运行过程中可以更加稳定和经济。本发明还考虑了交通和车速在提供关键负载中的作用，分析交通流量少、中断时间长的移动电池存储性能，结合实际城市配电网运行状态和储能系统的特性，在保证供电安全的前提下，最大化减少储能系统的运行成本。