一种考虑N-1安全准则的配电网与储能联合规划方法技术

本发明专利技术提出一种考虑N‑1安全准则的配电网与储能联合规划方法，属于配电网规划和电网储能规划领域。该方法首先构建配电网所接入分布式电源出力的典型场景集，然后建立考虑DG和线路故障的配电网与储能联合规划模型，以及针对分布式电源故障和线路故障事件的N‑1检验优化模型，接着通过识别故障具有代表性的线路和“规划决策—N‑1校验”的迭代求解流程降低了模型求解计算量，最终求解得到合理的储能选址定容方案、配电网闭环规划方案、配电网运行拓扑以及配网故障下的配电网转供策略。本发明专利技术考虑配电网运行过程中可能发生的故障，提出的闭环规划方案可靠性更高，更接近现实世界中配电网“闭环规划、开环运行”的特征。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑N-1安全准则的配电网与储能联合规划方法
本专利技术属于配电网扩展规划和电网储能规划领域，具体涉及一种考虑N-1安全准则的配电网与储能联合规划方法。
技术介绍
随着分布式电源(distributedgeneration,DG)和分布式能源(distributedenergyresources,DER)的接入，传统配电网正演变为兼容多种发电技术，支持高渗透率DG发电，鼓励DER与网间进行双向互动的智能配电系统。另一方面，DG与DER出力的随机性与波动性也使得配电网的潮流变得更为复杂。在此背景下，研究更为安全可靠的配电网规划方法(比如在规划时考虑N-1安全准则)具有显著的意义。此外，将分布式储能与配电网进行联合规划也具有重要的意义：一是储能可以延缓配电网的升级改造，降低规划总成本；二是储能可以在故障发生后通过合理的充放电操作支持配电网完成转供等操作，减少用于转供的冗余设备数量。当下配电网规划的前沿研究主要聚焦于如何妥善考虑日趋多元的规划元素，但往往仅提出辐射状的配电网规划方案，无法应对配电网运行过程中可能出现的线路开断等故障，与传统配电网的规划方法在安全性与可靠性的考虑上并无明显区别。目前考虑N-1安全准则的配电网规划及相关联合规划问题的研究较少，主要原因是难以处理线路开断等故障分析所带来的庞大计算量。因此，目前配电网规划领域仍缺乏一种在N-1安全准则下将配电网扩建与分布式储能配置进行联合规划的相关技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种考虑N-1安全准则的配电网与储能联合规划方法。本专利技术建立了考虑线路与DG故障的配电网与储能联合规划模型，求解该混合整数线性规划模型(mixed-integerlinearprogramming,MILP)，最终给出储能的选址定容方案、配电网的闭环规划方案、开环运行拓扑以及配网故障下的配电网转供策略，简单可靠。本专利技术提出一种考虑N-1安全准则的配电网与储能联合规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建分布式电源DG出力的典型场景集；2)建立考虑DG和线路故障的配电网与储能联合规划模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：2-1)确定模型的目标函数，表达式如下：式中，CINV为所有设备的等年值投资成本，为配电网在场景ω时刻t下的设备运行维护费用，为配电网在场景ω时刻t下从主网购电的费用；ΩDG为DG出力的典型场景集，ξω为场景ω在场景集中的权重；T和Δt分别为时段数及每个时段的持续时间；其中，所有设备的等年值投资成本CINV包括线路的新建与升级改造成本、变电站的新建与升级改造成本和新变压器的投资成本和储能的投资成本，计算表达式为：式中，和分别是表示线路、变电站和变压器是否投资的0-1变量，和分别表示线路、变电站和变压器投资的单位成本；lsr表示线路(s,r)的长度，和分别表示所配置储能的能量容量和功率容量，和分别表示投资储能所需的单位能量成本和单位功率成本；Ωl、ΩSS和ΩESS分别表示配电网中的线路集合、变电站节点集合和可配置储能的节点集合；表示将设备x的一次性投资转化为等年值的系数，其中上标l、SS、NT和ESS分别对应线路、变电站、新变压器和储能，Tx为设备x的寿命，r为贴现率；NRF代表类型为新替换的线路，NAF代表类型为新建的线路；配电网在场景ω时刻t下的设备运行维护费用和从主网购电的费用，计算表达式分别为：式中，和分别表示线路、变压器和储能的运行维护费用，表示配电网时刻t下从主网购电的单位费用；在配电网正常运行的场景ω时刻t下，表示线路(s,r)是否运行且电流流向为s→r的0-1变量，表示线路(s,r)是否运行且电流流向为r→s的0-1变量，表示变压器是否运行的0-1变量，表示储能是否运行的0-1变量；表示场景ω时刻t下节点s的变压器的注入功率；L代表所有类型的线路，TR代表所有类型的变压器；2-2)确定模型的约束条件，具体如下：2-2-1)储能投资数量约束：式中，是表示储能是否投资的0-1变量，表示所允许配置储能的最大数量；2-2-2)储能的最大配置功率与容量约束：式中，表示单个储能所允许配置的最大能量容量，表示单个储能所允许配置的最大功率容量；2-2-3)令ΩC代表在规划中所考虑的配电网运行状态集合，每一个运行状态对应一个可能发生的故障事件，即其中的ΩLC表示线路故障事件集，ΩDGC表示DG故障事件集；令c表示配电网运行状态的索引，其中下标索引c为0时表示配电网为正常运行状态，则配电网潮流与安全运行约束如下：式中，vs,ω,t,c表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时节点s的电压，表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时线路(s,r)流动且流向为s→r的电流，表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时DG的出力，和表示ω时刻t下第c类配电网运行状态时储能的充电和放电功率，Ds,ω,t表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时节点s的负荷；和分别表示配电网运行所允许的节点电压最小值与最大值，表示线路所允许流经的最大电流，表示变压器的额定容量，Zl是线路l的单位阻抗；表示与线路l的端点s相连的所有节点的集合，H是正常数；2-2-4)设备投建与运行的逻辑约束：式中，EFF代表类型为已存在且不可替换的线路，ERF代表类型为已存在但可替换的线路；2-2-5)配电网开环运行约束：2-2-6)防止孤岛运行的虚拟电流约束：式中，字母上方带有～的变量均为原变量所对应的虚拟变量，nDG为配电网中所接入DG的总数量；2-2-7)储能运行相关约束：SOCmin≤SOCe,ω,t,0≤SOCmaxSOCe,ω,0,0＝SOCe,ω,24,0＝SOC0式中，表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时储能是否充电的0-1运行变量，表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时储能是否放电的0-1运行变量，ηC表示储能的充电效率，ηD表示储能的放电效率，SOCe,ω,t,c表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时储能在运行过程中的荷电状态SOC；SOC0、SOCmin和SOCmax分别表示SOC的初始值、所允许的最小值和最大值；2-2-8)故障相关约束：式中，ωc和tc分别代表第c类配电网运行状态所对应的故障事件发生时DG的出力场景和配电网的运行时刻；若线路(s,r)在第c类配电网运行状态时发生故障，则将该线路记为(sc,rc)；若DG在第c类配电网运行状态时发生故障，则将该DG的接入点记为sc；3)建立联合规划方案的N-1检验优化模型；具体步骤如下：3-1)引入新的0-1决策变量zl、zSS和zNT，分别表示在联合规划方案基础上是否对线路、变电站和变压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑N-1安全准则的配电网与储能联合规划方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)构建分布式电源DG出力的典型场景集；/n2)建立考虑DG和线路故障的配电网与储能联合规划模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：/n2-1)确定模型的目标函数，表达式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑N-1安全准则的配电网与储能联合规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建分布式电源DG出力的典型场景集；
2)建立考虑DG和线路故障的配电网与储能联合规划模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：
2-1)确定模型的目标函数，表达式如下：



式中，CINV为所有设备的等年值投资成本，为配电网在场景ω时刻t下的设备运行维护费用，为配电网在场景ω时刻t下从主网购电的费用；ΩDG为DG出力的典型场景集，ξω为场景ω在场景集中的权重；T和△t分别为时段数及每个时段的持续时间；
其中，所有设备的等年值投资成本CINV包括线路的新建与升级改造成本、变电站的新建与升级改造成本和新变压器的投资成本和储能的投资成本，计算表达式为：



式中，和分别是表示线路、变电站和变压器是否投资的0-1变量，和分别表示线路、变电站和变压器投资的单位成本；表示线路(s,r)的长度，和分别表示所配置储能的能量容量和功率容量，和分别表示投资储能所需的单位能量成本和单位功率成本；Ωl、ΩSS和ΩESS分别表示配电网中的线路集合、变电站节点集合和可配置储能的节点集合；

表示将设备x的一次性投资转化为等年值的系数，其中上标l、SS、NT和ESS分别对应线路、变电站、新变压器和储能，Tx为设备x的寿命，r为贴现率；NRF代表类型为新替换的线路，NAF代表类型为新建的线路；
配电网在场景ω时刻t下的设备运行维护费用和从主网购电的费用计算表达式分别为：






式中，和分别表示线路、变压器和储能的运行维护费用，表示配电网时刻t下从主网购电的单位费用；在配电网正常运行的场景ω时刻t下，表示线路(s,r)是否运行且电流流向为s→r的0-1变量，表示线路(s,r)是否运行且电流流向为r→s的0-1变量，表示变压器是否运行的0-1变量，表示储能是否运行的0-1变量；表示场景ω时刻t下节点s的变压器的注入功率；L代表所有类型的线路，TR代表所有类型的变压器；
2-2)确定模型的约束条件，具体如下：
2-2-1)储能投资数量约束：



式中，是表示储能是否投资的0-1变量，表示所允许配置储能的最大数量；
2-2-2)储能的最大配置功率与容量约束：



式中，表示单个储能所允许配置的最大能量容量，表示单个储能所允许配置的最大功率容量；
2-2-3)令ΩC代表在规划中所考虑的配电网运行状态集合，每一个运行状态对应一个可能发生的故障事件，即ΩC＝{{无故障}∪ΩLC∪ΩDGC}，其中的ΩLC表示线路故障事件集，ΩDGC表示DG故障事件集；令c表示配电网运行状态的索引，其中下标索引c为0时表示配电网为正常运行状态，则配电网潮流与安全运行约束如下：















式中，vs,ω,t,c表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时节点s的电压，表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时线路(s,r)流动且流向为s→r的电流，表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时DG的出力，和表示ω时刻t下第c类配电网运行状态时储能的充电和放电功率，Ds,ω,t表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时节点s的负荷；V和分别表示配电网运行所允许的节点电压最小值与最大值，表示线路所允许流经的最大电流，表示变压器的额定容量，Zl是线路l的单位阻抗；表示与线路l的端点s相连的所有节点的集合，H是正常数；
2-2-4)设备投建与运行的逻辑约束：


















式中，EFF代表类型为已存在且不可替换的线路，ERF代表类型为已存在但可替换的线路；
2-2-5)配电网开环运行约束：



2-2-6)防止孤岛运行的虚拟电流约束：


















式中，字母上方带有～的变量均为原变量所对应的虚拟变量，nDG为配电网中所接入DG的总数量；
2-2-7)储能运行相关约束：












SOCmin≤SOCe,ω,t,0≤SOCmax
SOCe,ω,0,0＝SOCe,ω,24,0＝SOC0
式中，表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时储能是否充电的0-1运行变量，表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时储能是否放电的0-1运行变量，ηC表示储能的充电效率，ηD表示储能的放电效率，SOCe,ω,t,c表示场景ω时刻t下第c类配电网运行状态时储能在运行过程中的荷电状态SOC；SOC0、SOCmin和SOCmax分别表示SOC的初始值、所允许的最小值和最大值；
2-2-8)故障相关约束：















式中，ωc和tc分别代表第c类配电网运行状态所对应的故障事件发生时DG的出力场景和配电网的运行时刻；若线路(s,r)在第c类配电网运行状态时发生故障，则将该线路记为(sc,rc)；若DG在第c类配电网运行状态时发生故障，则将该DG的接入点记为sc；
3)建立联合规划方案的N-1检验优化模型；具体步骤如下：
3-1)引入新的0-1决策变量zl、zSS和zNT，分别表示在联合规划方案基础上是否对线路、变电站和变压器进行再投资；
将步骤2)的模型约束中与xl、xSS和xNT相关的项分别替换为xl+zl、xSS+zSS和xNT+zNT，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡泽春，林哲，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11