综合能源背景下的配电网多场景规划

所属分类：农业论文阅读次时间：2020-03-24 16:17

本文摘要：摘要：随着能源利用设备的发展，综合能源系统成为能源供应的一个重要发展方向。与单一形式的能源供应相比，综合能源供应系统可以为用户提供更加经济、高效、多样化的能源供应。其中，包含冷热电联产机组、电制冷等设备的配电网是综合能源系统的主要物理载体

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　　摘要：随着能源利用设备的发展，综合能源系统成为能源供应的一个重要发展方向。与单一形式的能源供应相比，综合能源供应系统可以为用户提供更加经济、高效、多样化的能源供应。其中，包含冷热电联产机组、电制冷等设备的配电网是综合能源系统的主要物理载体。基于此，提出了考虑新能源、电、热、冷负荷不确定性的综合能源系统设备和配电网变电站容量协同规划的多场景规划方法，进而实现电、气、热能源的高效、可靠供应。

　　首先，根据CCHP机组、电制冷装置、燃气热水锅炉的物理特性，建立相应能量转化的数学模型。考虑综合能源系统中诸多元件对配电网节点电压的影响，采用Distflow模型建立交流潮流模型。其次，针对新能源出力和电、气、热负荷需求的不确定性对规划结果的影响，采用典型场景来描述电、气、热负荷的季节特性和新能源出力的波动性，进而建立了基于多场景的综合能源系统和配电网协同规划模型。对改造的IEEE33节点配电网系统进行规划计算，算例结果验证了本文所提规划方法的有效性及合理性。

　　关键词:综合能源系统;配电网规划;冷热电联产机组;交流潮流;混合整数二阶锥问题

配电网

　　电力方向论文范文：智能分布式配电保护及自愈控制系统

　　摘要：完善的继电保护和自愈控制是提高配电网供电可靠性的关键技术手段。智能分布式配电保护及自愈控制系统，能够基于智能终端包括继电保护装置之间直接对等交换实时数据，通过自主判断、自主决策、协同工作，实现快速隔离故障、缩短停电时间，是中心城市(区)配电网保护控制的发展方向。

　　0引言

　　我国当前产能过剩、能源利用效率低、新能源消纳难度大、环保压力加大等问题不断凸显，能源转型成为我国经济社会可持续发展的必由之路[1]。综合能源系统能够将电、气、冷、热等多种能源系统综合利用、协调优化，可有效提高能源资源优化配置效率，促进新能源消纳，减少环境污染，是我国实现能源转型，保证经济从高速发展向高质量发展过渡的有效手段[2]。目前对综合能源系统的研究可划分为综合规划、联合运行优化和综合评估三大类。

　　在综合规划方面，文献[3]、[4]和[5]从多能源系统耦合关系、建模以及求解等方面综述了综合能源系统规划领域的研究现状。文献[6]提出了一种基于改进型Kriging模型的综合能源系统规划方法，进而可以得到最优容量配置方案和最佳运行策略。为考虑柔性负荷对综合能源系统规划的影响，文献[7]以投资费用、运行费用、补偿成本最小为目标函数,建立了区域综合能源系统储电、储热设备优化配置模型。

　　为考虑规划中的不确定因素，文献[8]采用条件风险价值理论刻画风电和光伏的不确定性，提出了一种同时考虑短期和长期不确定性的区域综合能源系统扩展规划模型。为统筹优化多个规划目标，文献[9]以经济性和熵效率为优化目标，构建了区域综合能源系统多目标规划模型。在联合运行优化方面，文献[10]提出了一种同时考虑电力网络和热力网络传输损耗的电热综合能源系统多目标优化调度模型。文献[11]建立了计及需求侧响应的综合能源系统优化模型。文献[12]提出了包含滚动优化和动态调整的两阶段多时间尺度园区综合能源系统优化调度模型。

　　另外，文献[13]和[14]还分别提出了考虑蓄热电锅炉不同工作模式和电制氢装置不同控制方式下的综合能源系统优化调度模型。在综合评估方面，文献[16]梳理了综合能源系统已有的效益评价指标体系和评价方法,并提出了未来的研究重点和发展方向。文献[15]分析了电-气互联的综合能源系统运行特性,并从支路功率、节点电压、系统频率和节点气压四个维度提出了评价指标来评估耦合系统的运行风险。文献[17]对园区综合能源系统建立评估场景和评估指标后，提出一种利用信息熵计算指标权重的评价方法。文献[18]基于模糊评价方法，提出了一种基于绿色㶲经济的综合能源系统价值评价方法。从上述研究成果可以看出，随着综合能源系统的快速发展，综合能源系统和配电网络之间的联系日趋紧密，对配电网的规划和运行也将产生深刻影响。文献[19]阐述了新型城镇背景下能源站、能源网络以及能源互联系统的联合规划模型、求解方法，并分析了不同规划理论的联系和区别。

　　文献[20]综述了未来配电网络和天然气系统、冷、热传输系统联合规划的研究方向。文献[21]建立了考虑区域综合能源系统的配电网扩展规划双层优化模型，上层考虑配电网规划成本最小，下层考虑能源利用效率和新能源消纳率最大化，但是没有考虑配电网络的潮流约束。文献[22]针对综合能源站用电需求的不确定性，提出一种基于机会约束的配电网变电站规划方法，但为求解方便仅采用了简化模型。综合能源系统和配电网协调规划将极大地提高社会效益和经济效益[23]。但是，综合能源系统中的设备众多，其中通过消耗电能来生产其他能源的设备，不仅会消耗有功功率，也会消耗无功，在与配电网耦合时，会对配电网的节点电压造成影响。

　　因而对包含综合能源生产元件的配电网变电站进行协同规划时，需要采用交流潮流来同时考虑有功功率、无功功率平衡。同时，因为综合能源生产元件模型、多能源网络模型往往较为复杂，需要在建模精确性和求解准确度之间寻找一个合适的平衡点。若再考虑新能源和负荷的随机波动，统一规划的难度将进一步增大。为此，本文对考虑不确定性因素的综合能源系统和配电网联合规划展开了研究，并提出一种考虑新能源、电、热、冷负荷不确定性的综合能源系统设备和配电网变电站容量协同规划的方法。

　　文章创新点包括：首先，在规模模型中采用了交流潮流模型对配电网络建模，可以考虑综合能源系统中各种设备消耗的无功功率对配电网电压稳定造成的影响;其次，针对电、气、热负荷具有明显的季节特征，通过聚类的方式生成不同季节的典型负荷曲线，进而建立了基于典型日模拟的多场景规划模型，在不增加规划模型复杂度的前提下计入不确定性因素的影响。最后，对IEEE33节点配电网中的变电站和综合能源系统中的CCHP机组、电制冷装置、燃气热水锅炉进行协同规划，以观察不同情形下各设备的规划方案和运行情况。结果表明：本文所提规划方法可以较好地处理可再生能源出力和负荷需求不确定性对系统规划的影响，并且能够保证配电网中节点电压的稳定。

　　1综合能源生产设备及配电网建模

　　1.1综合能源背景下的配电网

　　为了满足用户的多种能源需求、促进分布式可再生能源消纳，传统的配电网正在发展为基于配电网的综合能源供应。综合能源背景下的配电网，在配电网侧接入冷热电联供机组(CCHP)和电制冷装置(AC)，在天然气管网末端接入CCHP机组和燃气热水锅炉(GHB)，为用户同时提供经济、高效、安全的电、热、冷能源供应。风电和光伏等分布式能源、变电站、CCHP机组向用户提供电能;AC装置和CCHP机组向用户提供冷能;GHB装置和CCHP机组向用户提供热能。下面将根据CCHP机组，GHB、AC以及配电网络等设备的运行特性建立数学模型。

　　1.2CCHP机组建模

　　CCHP机组由燃气发电机和吸收式制热(冷)机组成，既能通过燃烧天然气发电，也可利用发电的烟气余热能和缸热能来制热或制冷。

　　1.3配电网模型对配电网的规划主要是变电站容量的扩建规划。

　　由于分布式光伏、电制冷装置等设备的接入，需要配电网提供无功支撑，无功功率的变化可能造成配单网的电压波动。因此，本文采用Distflow模型[24][25]建立配电网交流潮流模型，来保证配电网内元件的无功功率供给。

　　2不确定性场景建模

　　本文采用某工业园区一年365天的电力负荷、热负荷、冷负荷和园区内屋顶光伏出力的数据作为规划模型的输入数据。为了在规划模型中考虑光伏出力、电、热、冷负荷的不确定性、季节特性及其相关性，首先将规划年365天的电力负荷、热负荷、冷负荷和光伏出力的8760小时数据分别除以其全年最大值，进而归一化为0至1之间的数据。

　　光伏电站全年8760小时的出力用矩阵X24×365表示，X每一列的数据代表光伏电站24小时的出力，同理，电力负荷用Y24×365表示，热负荷用R24×365表示、冷负荷用C24×365表示。其次，将X24×365、Y24×365、R24×365和C24×365四个矩阵的数据合并至新的数组S，进而形成一个96×365维的数组，每一列数据代表一个不确定性因素的样本。

　　然后，将数组S中365个样本分为夏季、冬季和过渡季(含春季和秋季)三组数据，并通过k-means聚类的方法分别聚类成1个典型日场景。最后，对典型日的电力负荷、热负荷、冷负荷和光伏出力分别乘以其全年最大值，将典型日24小时的数据折算为有名值，作为规划模型使用的典型场景。按照聚类前夏季、冬季和过渡季样本的数量，可得到夏季和冬季典型日出现的概率均为0.25;过渡季典型日出现的概率为0.5。

　　3规划模型介绍

　　CCHP机组和燃气热水锅炉的运行需要消耗天然气，电制冷装置需要耗电力有功功率和无功功率。分布式光伏虽然可以向配电网提供有功功率，但同时需要消耗配电网的无功功率。因此，对综合能源背景下配电网规划时，首先，对变电站容量和CCHP机组的规划需要同时考虑规划年电力有功和无功负荷的需求。其次，要考虑三大互补关系：(1)CCHP机组扩容和变电站扩容的互补关系;(2)CCHP机组扩容和燃气热水锅炉扩容的互补关系;(3)CCHP机组扩容和电制冷装置扩容的互补关系。最后，在寻求投资成本最小化的目标下，为了让用户侧用能成本最低，需要统筹考虑对待规划设备的扩容，进而保证用户购电和购气的总成本最小。

　　3.1目标函数

　　本研究建立的是单水平年规划模型，规划模型的目标是在保证系统的电、热、冷多能源可靠性供应的前提下，最小化设备投资成本和系统的运行成本。投资成本包括变电站扩建费用以及CCHP机组、GHB和AC设备的建设成本。因为规划模型是基于典型日模拟的多场景规划模型，为了让运行成本和设备的建设成本具有可比性，将设备的总建设成本折算为每日的建设投资。

　　4算例分析

　　4.1算例介绍

　　为验证本文所提配电网规划方法的有效性和合理性，本文基于IEEE33节点的配电网系统构建了如图6所示的综合能源系统下的配电网算例。本算例包含2个分布式光伏，分别连接在节点10和节点28，装机容量均为5MW，无功系数分别为-0.3和-0.28;3个备选的CCHP机组1、2、3分别连接在节点12、24和3，吸热式制热和制冷效率分别为1.2和0.9;2个备选的燃气热水锅炉，分别接在节点22和23附近的天然气网络，燃气热水锅炉和配电网络没有电气联系，此处仅为表征方便，将其接入配电网络;2个备选的电制冷设备，分别连接在节点16和节点33;位于节点1的变电站最大扩容容量为8MW，最大最小载荷系数分别为1和0.3，单位容量投资成本为128万元/MW。CCHP机组、AC装置和燃气热水锅炉的详细输入参数分别如表1、表2和表3所示。

　　5结论

　　在综合能源系统快速发展的背景下，本文提出了一种考虑新能源、电、热、冷负荷不确定性的综合能源系统设备和配电网变电站容量协同规划的方法，通过算例分析可以得到如下结论。1)通过k-means聚类法得到冬季、夏季和过渡季三个典型日运行场景后，采用多场景规划得到的规划方案相较于传统确定性规划方法虽然总费用增加，但具有更高的鲁棒性，对电负荷、热负荷和冷负荷供应的可靠性更高。2)采用配电网交流潮流模型对配电网建模更符合实际规划情况，尤其是当综合能源系统中的大量设备需要消耗配电网中的无功功率时，使用配电网交流潮流模型得到的配电网规划方案能够满足系统中诸多元件的无功需求，保证配电网节点电压稳定。

　　参考文献：

　　[1]程浩忠,胡枭,王莉,等.区域综合能源系统规划研究综述[J].电力系统自动化,2019,43(7):2-13.CHENGHaozhong,HUXiao,WANGLi,etal.Reviewonresearchofregionalintegratedenergysystemplanning[J].AutomationofElectricPowerSystems,2019,43(7):2-13.

　　[2]原凯,李敬如,宋毅,等.区域能源互联网综合评价技术综述与展望[J].电力系统自动化,2019,43(14):41-52.YUANKai,LIJingru,SONGYi,etal.Reviewandprospectofcomprehensiveevaluationtechnologyofregionalenergyinternet[J].AutomationofElectricPowerSystems,2019,43(14):41-52.