计及多主体效益的增量配电网优化规划方法

张 渊，黄 河，朱海宇，姚雨晨

(国网江苏省电力有限公司 常州供电公司，江苏 常州 213000)

增量配电网本质上为小于等于110 kV电压等级电网与小于等于220(330) kV电压等级工业园区等局域电网，不涉及220 kV及以上输电网建设[1，2]。电力体制改革稳步前进，更多社会资本注入增量配电网建设，优化规划工作由分布式电源(Distributed generation，DG)运营商、配电网投资公司和电力用户等多利益主体共同负责。随着投资主体的多元化，配电网规划对其协调性的要求更高，且DG并入增量配电网，运行不确定性因素增多[3，4]，给售电公司降低成本、增加收益的同时，也带来了一定的安全稳定挑战。因此，有必要在确保系统运行安全稳定的前提下，研究计及多主体效益的增量配电网优化规划方法，以实现多主体利益最大化[5]。

目前对增量配电网中不同利益主体间的相互约束、相辅相成关系的研究越发深入，模拟市场在不同情况下的形态特征是研究热点之一。国内外研究人员对于从多市场主体的角度规划配电网结构已取得了一些进展。文献[6]建立了在自消费模式下使配电公司与用户所得收益趋于平衡的双层优化模型，并引入了粒子群算法和非合作Nash博弈理论快速决策出规划方案;文献[7]建立了基于多代理的电力市场售价模型，并对比风力发电商、储能商的互相独立与合作经营两种参与方式下的总利润差异，分析了网络约束在合作经营模式下造成的影响;文献[8]联合考虑主动管理与用电侧的需求响应，通过基于树形结构编码的单亲遗传算法与原对偶内点法求解投资规划模型，得出最佳优化方案;文献[9，10]联合考虑DG运营商的DG出力决策与配电公司的收益需求，以DG并入电网运行效益达到最优为目标，建立了一个主动管理模式下的DG双层联动规划模型。虽然对于各主体之间的利益关系，以及基于投资建设、运行维护、合作管理等各种规划模型的建立方面有不少研究，但各主体以自身利益为出发点的独立优化，未以整体理性为前提进行规划，可能导致整体利益趋于不利局面，且没有考虑DG并网后不确定因素增多对配电网规划的不利影响，无法保证规划决策的有效性与精确性，制约了增量配电网的发展。

综上所述，本文根据增量配电网中不同市场主体的利益诉求，构建DG运营商、配电网投资公司和电力用户多种利益主体的规划决策模型;考虑DG并网的不确定性，将上述各主体作为规划参与者，提出了计及多主体效益的整体规划模型，通过各主体的相互协调，提高各自决策的可行性与经济效益，使整体利益达到最优。因此，本文将不确定性处理融入到增量配电网规划中，提出了一种计及多主体效益的增量配电网优化规划方法。

1 各利益主体规划模型

在目前电力市场环境下，市场主体有发电公司、配电公司、电力用户、储能电站、DG运营商等[11-13]，本文重点在于含DG的增量配电网的优化规划研究，因而选取DG运营商、配电网投资公司和电力用户这几个典型主体进行仿真分析。不同于传统模式下配网公司主导网架结构规划，综合考虑多个利益主体的不同诉求及市场整体利益。各利益主体从个体理性角度出发，在参与网架规划决策时目标偏向不同，因此需根据各主体的投资及期望收益，分别构建上述各利益主体的规划模型。

1.1 DG运营商

相对于DG运营商，期望减少DG的前期建设投入及运维支出，提高售电收入，尽可能使净收入最大化。

1.1.1 目标函数

DG运营商规划模型的目标函数主要有以下几部分组成:DG售电收入WS.DG、DG前期建设投入WI.DG以及DG运维支出WOM.DG，目标函数如下

maxWDG(ni，Ni)=WS.DG-WI.DG-WOM.DG

(1)

式中:

(2)

(3)

(4)

式中:Ut是一天内所有时刻集合;qes是DG的单位售电价格;Pt.DG是DG在t时刻提供的有功功率;qsg是单位容量DG建设投入;Ui是预设接入DG节点集合;ni是0-1变量，ni=0为第i个预设节点不投入DG运行，ni=1为第i个预设节点投入DG运行;Psg.DG是一台DG的额定有功功率;Y是设备的寿命周期;Ni是预设节点投入DG运行的台数;a是贴现率;qom是DG单位供电运维支出。

1.1.2 约束条件

DG运营商规划模型的约束条件有:DG预设节点投入运行台数约束、DG渗透率上限及DG发电容量限制。

(1)DG预设节点投入运行台数约束

Ni.min≤Ni≤Ni.max

(5)

式中:Ni.min与Ni.max分别是在预设节点i接入DG数目的最小值与最大值。

(2)DG渗透率上限

(6)

式中:β是DG并入电网后的渗透率，Pload是DG预设节点负荷量。

(3)DG发电容量限制

Pmin.DG≤Pt.DG≤Pmax.DG

(7)

式中:Pmin.DG与Pmax.DG分别为DG发电容量的下限值与上限值。

1.2 配电网投资公司

相对于配电网投资公司，期望降低传输线损、前期建设、向上级购电等支出，提高售电收入，尽可能使自身利益最大化。

1.2.1 目标函数

配电网投资公司规划模型的目标函数WDN主要有以下几部分组成:售电收入WS.DN、线损支出WL.DN、故障修复支出WE.DN、从上级购电支出WB1.DN及从DG运营商购电支出WB2.DN，目标函数如下

maxWDN(zi)=WS.DN-WL.DN-WE.DN-WB1.DN-WB2.DN

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中:fes是对用户的售电价格;Pt.load是t时刻的初始负荷量;Pt.out是t时刻转移出的负荷量;Pt.in是t时刻转移进的负荷量;Pt.loss是t时刻的有功损耗;EENSt是t时刻对用户少供电能的期望值;Ub是电网所有线路的集合;λb是第b条线路的发生故障概率值;Un是所有负荷点的集合;Pn.t.load是t时刻节点n的初始负荷量;feb1是从上级电网购电价格;feb2是从DG运营商购电价格。

1.2.2 约束条件

配电网投资公司规划模型的约束条件有:各线路潮流约束以及电压、功率限制。

(1)各线路潮流约束

(Uj.t)2=(Ui.t)2-2(RijPij.t+XijQij.t)+

(15)

式中:Pi.t与Qi.t分别是i节点在t时刻的有功、无功电量;Pij.t、Qij.t分别是支路ij上在t时刻传输的有功、无功电量;Ui.t与Uj.t分别是i节点与j节点在t时刻的电压幅值;Rij、Xij、Gij和Bij分别是i、j节点间线路的电阻、电抗、电导和电纳;φij是i节点与j节点间的电压相角差;u(j)、d(j)分别是与j节点相连的上游节点集合和下游节点集合。

(2)电压、功率限制

(16)

式中:Ui.min与Ui.max分别是i节点电压幅值的最小值与最大值;Pij.t与Pij.max分别是i、j节点间线路上流过的功率及其最大值。

1.3 电力用户

相对于电力用户，期望通过调整用电方案，减少电费支出。本文考虑的需求侧响应方式为基于分时电价的价格型需求侧响应(Demand side response，DSR)，参与DSR的用户根据分时电价信息于电价高峰期间移出负荷，于电价低谷期间转进负荷[14，15]。

1.3.1 目标函数

电力用户规划模型的目标函数WUS主要是参与DSR后降低的电费支出，目标函数如下

maxWUS(Pt.is，Pt.out，Pt.in)=

(17)

式中:γeb是用户向配电网投资公司购电的价格。

1.3.2 约束条件

根据用户参与DSR的方式，电力用户规划模型的约束条件为负荷转移量的限制。

(18)

(19)

式中:ρminPt.load与ρmaxPt.load分别是t时刻负荷转移出功率系数的最小值与最大值;σminPt.load与σmaxPt.load分别是t时刻负荷转移进功率系数的最小值与最大值。

2 各市场主体规划模型求解

2.1 增量配电网下的多主体行为研究

以综合考虑DG运营商、配电网投资公司和电力用户三个利益主体，分析各主体在规划决策时的关系，如图1所示。

图1 各主体关系示意图

配电网投资公司根据历史负荷数据、成本数据以及当前网架结构“决策”出DG位置和接入容量;参与DSR的电力用户根据分时电价信息开展响应措施，制定最佳用电方案，即确定可转移的负荷量，并转化为等效负荷的形式给予DG运营商与配电网投资公司反馈;DG运营商根据配电网投资公司决策结果以及自身发电成本在当前网架结构下进行DG的选址定容，并将DG出力、布点信息传递给配电网投资公司;配电网投资公司接受来自其它主体的传递信息，根据获知的DG布点并结合当前网架结构的情况“决策”出新的DG接入位置和容量。配电网投资公司、电力用户、DG运营商分别通过各自的决策因素即分时电价及激励信息、用电方案、DG安装位置及容量影响其余利益主体规划决策，实现DG的合理规划。

2.2 市场整体规划模型

由于DG实际发电量在一定范围内有所波动，将导致系统的供需不平衡，会给电网带来电压暂降、频率波动、功率不匹配等问题。针对DG出力在一定范围内有所波动的问题，须制定出最优方案以使可能蒙受的损失或电网运行风险降到最低，尽可能抑制不确定性带来的负面影响，进而达到收益最大化的目的。

DG并入电网的不确定性会进一步影响电网运行的安全性，并会增加相关成本，导致配电网投资运营商优化规划方案经济性的降低。根据式(8)得出计及DG不确定性时的目标函数如下

maxWDN(zi)=WS.DN-WI.DN-WL.DN-WE.DN-

WB1.DN-WB2.DN-WB3.DG

(20)

式中:

(21)

式中:WB3.DG为DG出力波动带来的损失，Pp为因随机波动所需支付的惩罚性电价，ρs为出现场景s的概率，ΔQs为DG在场景s下的随机波动量。

DG运营商、配电网投资公司、电力用户多个市场主体彼此的利益诉求不同，其参与规划时目标偏向相异，都希望各自收益最大化。各主体个人利益最大化可能会导致整体利益远离最优的不利局面，所以整体收益按照三个主体重要性选取不同权重相加，如下式

W=γ1WDG+γ2WDN+γ3WUS

(22)

式中:γ1、γ2、γ3分别为DG运营商、配电网投资公司、电力用户目标函数的权重系数，并且γ1+γ2+γ3=1。

为了处理所提出的配电网约束的复杂性和非凸性，需要对第2节约束进行二阶锥松弛处理。

定义新的变量

U′i.t=(Ui.t)2

(23)

I′ij.t=(Iij.t)2

(24)

可得

(25)

式(23)～(25)中，U′i、I′ij为二阶锥松弛处理的辅助变量;Iij为节点i、j间的线路电流。

非线性等式(25)可以松弛为不等式

(26)

可以按照以下标准二阶锥来重新构造

(27)

随着松弛和改造，计及多主体效益的增量配电网优化规划的原始模型被重新设计为

min (22)

s.t. (5)(7)(15)(16)(18)(19)

(28)

最后利用优化求解器cplex计算此优化规划问题。

3 仿真及结果分析

3.1 系统参数

以IEEE33节点系统为例进行仿真分析，如图2所示。此系统所包含的支路数共33条，总负荷量为3.5 MV·A，负荷标准差为0.12，规划年限为10年。DG考虑为光伏发电，光伏转换率和光伏出力发电采用文献[16]中所提出的模型。光伏发电待选接入位置分别为节点5、8、14、16、18、31，DG单位售电价为400元/MW·h。

图2 IEEE33节点系统图

基于分时电价的价格型DSR将峰平谷各时段划分为:高峰时段(8:00—11:00，18:00—23:00)，共计8小时;平时段(23:00—6:00)，共计7小时;低谷时段(6:00—8:00，11:00—18:00)，共计9小时，且假设所有电力用户均参与DSR。分时电价如表1所示。

表1 用户购电分时电价表

3.2 结果分析

3.2.1 多主体优化规划结果

整体收益为根据各主体的重要性所占权重乘以其实际收益之和，参考历史数据以及实际需求，DG运营商、配电网投资公司、电力用户目标函数的权重系数分别设为0.3∶0.5∶0.2。

由表2可知，DG运营商所得优化规划结果为在节点5、节点31分别接入0.05 MV·A光伏发电机组;在节点14接入0.1 MV·A光伏发电机组;在节点18接入0.2 MV·A光伏发电机组;在节点8、节点16不接入光伏发电机组。

表2 增量配网优化规划结果

经过多主体收益分析所得的网架规划结果的DG运营商与配电网投资公司的收益与成本如表3和表4所示。

表3 DG运营商收益及成本

表4 配电网投资公司收益及成本

由于一天时间内负荷移进、移出总量相平衡，电价高峰时段因移出负荷而降低的电费支出远大于电价低谷时段因移进负荷而增加的电费支出，因此电力用户参与DSR后支出的总电费降低。电力用户的目标函数是收益，即其收益有所提高。增量配电网中，各主体得到的优化规划收益结果如表5所示。

表5 增量配电网各主体收益及整体收益

3.2.2 与不考虑多主体效益的场景进行比较

为了对比分析计及多主体效益对增量配电网优化规划的影响，验证文中提出方法的合理性与准确性，分别考虑以下4种场景:

场景1:只考虑DG运营商的目标函数取得最大值;

场景2:只考虑配电网投资公司的目标函数取得最大值;

场景3:只考虑电力用户的目标函数取得最大值;

场景4:考虑多主体的整体效益。

为了进一步说明考虑多主体效益的增量配电网规划的必要性，对4种场景下各主体收益以及整体收益进行分析，结果如表6～9所示。

表6 场景1下增量配电网各主体收益及整体收益

表7 场景2下增量配电网各主体收益及整体收益

表8 场景3下增量配电网各主体收益及整体收益

表9 场景4下增量配电网各主体收益及整体收益

由图3、表6～9可知，场景1中DG运营商净收益相较于优化结果多了3.69万元，其原因是DG并网后出力增多，由于优先消纳DG的准则，配电网投资公司增加向DG运营商的购电量，使得DG投资成本及运维成本的增加小于DG的售电收益，即DG运营商净收益增加。场景2中配电网投资公司净收益相较于优化结果多了4.40万元，其原因是减少的向DG运营商购电成本大于多付出的主网购电成本、运维成本和故障成本，且售电收入增加，则配电网投资公司净收入增加。场景3中电力用户收益比优化结果增多0.31万元，是因为场景3牺牲了DG运营商以及配电网投资公司的利益，尽可能实现电力用户节省支出最大化的目标。场景4即3.2.1节中已分析过的计及多主体效益的整体优化规划结果。

图3 多场景下增量配电网各主体收益及整体收益

4种场景下的整体利益都小于计及多主体效益的优化规划结果的整体利益值，是因为只计及一个主体进行增量配电网网架规划，是在牺牲其他主体利益的基础上，实现其目标函数达到最优，仅专注于自身利益的独立优化不利于整体向最优方向发展。以自身利益为中心的规划方法不仅不利于市场整体获得最大收益，还压制了增量配电网市场活跃性的提高，无疑是对增量配电网持续健康发展没有好处的。这也证明了计及多主体效益的增量配电网优化规划法是使整体利益达到最优的。

4 结束语

本文联合考虑DG并网后增量配电网多个收益主体、不确定因素增多等问题，通过在配电网投资公司的目标函数中加入波动带来的损失，减少了DG并网产生不确定因素的不利影响，从而减少其对规划决策的干扰。提出了一种计及多主体效益的增量配电网优化规划方法，并与不考虑整体效益、仅以自身收益为优化目标的场景进行比较分析，验证了该规划方法的准确性与合理性。此优化规划方法可充分体现市场中各主体间的利益关系，促进市场中各利益主体不断优化自身规划决策，使各自收益最大化，并实现了整体利益最优，激发了市场的活跃性与优化规划决策的有效性与经济性。