考虑运行灵活性的智能配电网多层优化规划

叶 滨

（国网湖南省电力有限公司湘潭供电分公司 湖南湘潭 411100）

1 引言

相较于传统配电网规划而言，目前在对智能配电网系统规划之中有较多不确定因素，比如说分布式电源发电特性、负荷用电需求等，这些较为灵活的不确定性因素在配电网系统之中，给新的配电网体系带来了一些问题，同时也给智能配电网发展带来一些有利机会。如何有效利用这些灵活性资源，提高电力系统的整体能力成为了当前的热点问题。

2 考虑运行灵活性资源的智能配电网规划模型

2.1 智能配电网规划模型

随着智能配电网发展，其灵活性资源增加，这就导致配电网更加复杂，使得传统的定性描述方式对于配电网系统来说，不能对其灵活性的多维特征有着深入分析说明，难以满足目前以及以后的智能配电网优化调度需要，所以，对于目前急需解决的问题时解决配电网灵活性分析与应用问题，需要一种完备的量化分析手段来解决上述问题。对于这种量化分析手段，需要运用数学分析方法，建立可以对配电网灵活性水平及其复杂属性特征有着全面、准确了解的模型，为配电网多层次优化规划提供分析手段。逆变器和控制器性能的提高促进了分布式发电技术的进步，无线网络的进步促进了配电网络的信息化，为了满足不同用户电力供应需求以及适应电力市场交易机制的改革，促使智能配电网出现了新形态。

2.2 配电网规划的目标

配电网规划的目标是使得系统之中单位时间内系统建设投资（CAPEX）和运行维护费用（COPEX）所产生的成本最小。下面分别介绍两种系统建设成本：

2.2.1 建设投资成本CCAPEX

CAPEX以变电站建设成本CT和中压线路建设成本CML为主，具体表述形式如下所示：

式中：Nt——待选的变电站数目；

Nb——待选的和中压线路数目；

αTi——用于表示在规划方案中是否包含第i个变电站（若αTi的值为1，则包含在内；若为0，则不包含）；

CTi——表示第i个变电站的投资成本；

βTi——用于表示在规划方案中是否包含第i条中压线路（若βTi的值为1，则包含在内；若为0，则不包含）；

CMLi——表示第i条中压线路的投资成本；

PMLi——指第i条中压线路单位长度的投资成本；

lMLi——指第i条中压线路长度。

2.2.2 运行及维护成本Copex

对于Copex，其表述为每年运行维护成本Copex-t现值之和，公式表述为：

3 Voronoi和Prim算法理论基础

3.1 利用Voronoi算法进行变电站规划

假设空间上有一离散点集P={P1，P2，…，Pn}，每个点各不相同，而且随机四点不能形成一个圆，对于随机两点Pi和Pj的距离记作d（Pi，Pj），故点Pi对应的Voronni多边形为：

由Ri（1≤i≤n）得到的图形为点P的Voronoi图。对于任意Voronoi图的多边形子区域Ri，多边形内的任意点x到点Pi的距离最小。

3.2 利用Prim算法进行中压线路规划

Prim算法能够在加权连通图里搜索最小生成树，此算法搜索到的树，不仅囊括了连通图里所有顶点，且所得到的边的权值之和也是最小。

对对中压线路进行规划中，电源点或者负荷点就等同于顶点，而负荷点或电源点之间的可选路径就等同于连通图中的边，权值等同于每条路径的投资，所以最小生成树所对应的就是最佳规划方案，此方案总投资最小。

4 智能配电网规划流程

4.1 总体流程

理想的智能配电网规划需要同时考虑：①提高可再生能源的利用率以及设备耗费最小；②分布式电源的定址、定容、定量；③网络损耗；④网络风险指数；⑤配电网网架；⑥多微网系统运行的经济性；⑦变电站选址；⑧配电网的控制方式；⑨负荷的特性；⑩其他重要问题。目前没有一种方法可以全面的考虑到配电网规划中的所有方面。本文重点是对变电站和中压线路进行优化规划，图1是配网多层次优化流程图。

图1 智能配电网规划总体流程图

4.2 变电站优化规划

以负荷预测结果为依据，以总投资最低、供电范围内负荷距最小等为目标，根据规划设计导则对相关参数的要求，变电站优化规划流程为如下步骤：

（1）基本数据收集。具体有电量负荷总量现状值及预测值、空间负荷预测结果、变电站投资估算单价、规划设计导则中规定的变电站主变容量和对应台数。

（2）确定变电站数量区间。

式中：

Rsmin、Rsmax——分别为容载比最小值和最大值；

Pf——负荷预测值；

Smin、Smax——分别为容量的最小值和最大值；

Cmin、Cmax——分别为变电站容量最小值和最大值；

nmin、nmax——分别为变电站座数最小值和最大值。

其中，Ceil为向上取整函数。

（3）整数线性规划方法求解。变电站容量的取值范围由现实情况而定。此步骤主要是通过整数线性规划方法确定出投资最低的容量组合。比如说可选容量为 m 种，即（S1，S2，…，Sm），对应座数为（x1，x2，…，xm），对应投资分别为（I1，I2，…，Im），则其整数线性规划问题可描述为下式：

（4）微分进化算法参数设置及初始化。优化变量是n座变电站的横坐标和纵坐标，水平坐标和垂直坐标的变量值是根据导频区域的范围确定的。

（5）检测变异、交叉生成子代种群是否满足变量取值范围约束。

（6）计算并记录父代种群和子代种群的适应值。

（7）重复上述（3）～（6），满足终止迭代次数 C 后停止迭代。

（8）结果输出。结合最小负荷距为原则，综合考虑变电站实际因素，确定每个变电站位置，计算出变电站最终站址。

4.3 中压线路优化规划流程

通过上述变电站规划方案，结合实际情况，利用Prim算法，对中压线路进行优化规划。具体过程如下所示：

（1）初始方案形成。根据已有的变电站规划方案，利用Prim算法得到每个变电站相对应的中压线路规划方案。

（2）联络线路规划。此规划目标为联络线总长度最短。

（3）运行状态划分。分为若干个典型状态，再将每种状态的持续时间进行统计，再延伸至规划期。

（4）规划方案运行计算。进行典型状态下的规划方案的运行计算，当出现违反约束条件的情况时，进行配电网重构、负荷削减、DG出力削减和网络重构等操作，并计算运行成本。

（5）条件判断。若采取各种解决方案后，仍不符合条件，则被舍弃。

（6）成本计算。计算该规划方案下的建设成本和运行成本总和，作为目标函数值返回。

（7）重复（2）～（6），满足终止迭代次数后停止迭代。

（8）输出。

5 结束语

随着经济发展，智能配电网发展是发展趋势。配电网发展始终以满足用户需求为目标，合理科学的规划是配电网安全高效运行的前提。智能配电网系统中的不确定因素的组合为配电网系统发展带来了机遇与挑战。