混合输配电系统的分布式随机优化规划

混合输配电系统的分布式随机优化规划

张永杰

国网乌苏市供电公司新疆乌苏833000

摘要：在传统潮流流向下，输电系统相对于配电系统可视为一个虚拟发电厂，而配电系统相对于输电系统可视为一个虚拟负荷。对于现有输配电系统运行管理模式，输、配电系统调度主要分别通过输、配电系统运营商来加以独自实施[2]。具体来说，输电系统运营商无需下级配电系统向其提供运行控制数据，而配电系统运营商也无需从上级输电系统获得调度管理信息，使得输、配电系统能量管理间的协调非常有限。

关键词：输配电系统；优化规划；分布式优化

1引言

近年来，随着分布式电源在配电系统层面的大规模接入，配电系统实现了从无源到有源的转变，而现有独立运行规划方法难以解决高比例可再生能源接入带来的电压越限、DG消纳、线路阻塞等系统运行问题。与此同时，由于DG出力、负荷接入具有时变特性，为保证系统安全可靠运行，规划问题需充分计及以上不确定因素给系统运行带来的影响。因此，有必要综合利用系统协同理论和随机规划思想实现输配电系统运行的全局优化。

2输配电系统分布式优化规划模型

传统电力系统优化规划的目标通常是在满足设备投资约束的前提下尽可能降低投资成本。然而，考虑到不确定因素在当今电力系统中耦合，本文采用多场景技术将负荷波动不确定性对电网运行的作用效果转换为一系列确定的场景进行处理，所划分的每个场景是单一负荷水平而不是传统典型日。为降低系统运行风险，有必要对输电系统中的发电机出力、配电系统中的DG出力和两者之间边界节点的共享变量加以优化。本节首先介绍分解优化建模

原理，进而分别对输电系统和配电系统建立了优化规划模型。

2.1分解优化建模原理

一个混合输配电系统从物理层面可分解为输电系统、配电系统和连接两者的边界节点系统。图1给出了可以反映上述结构的两层混合输配电系统示意图，其中，位于第1层的元素表示输电系统，位于第2层的元素表示配电系统。一个输电系统和n个配电系统互联后，从而实现协同运行。

2.2求解算法

分析输配电系统联合优化规划模型，属于混合整数凸优化问题。考虑到输、配电系统在分层规划的同时需保证边界节点交互信息的一致性，本文采用基于ATC的分布式优化算法对联合优化规划模型加以求解，克服了传统多学科综合优化方法、层级框架理论、协同优化方法在求解速度、精度方面的缺陷，具有可并行优化、层数不受限制等优点。

3算例分析

3.1算例基本情况

算例输配电系统网架结构如图4所示。节点配电系统共同构成。其中，输电系统共有10

台发电机，38条线路，9个配电系统分别通过节点1、2、3、5、6、7、10、13和19接入输电系统。以配电系统6为例，节点1连接输电系统，节点13和节点25分别接有1台DG。

外层循环经过8次迭代，目标变量和响应变量收敛至同一最优工作点。给出部分共享变量在分布式优化迭代计算过程中的情况。随着外层循环迭代次数的增多，输电系统和配电系统的共享变量优化结果趋于收敛。分析其原因是由于共享变量一致性约束逐渐发挥作用，一方面，输电系统和配电系统寻求自身经济最优的机组组合方式；另一方面，需要兼顾互连系统的功率交换需求，迭代过程就是在自身寻优和变量交互的动态博弈过程中实现的均衡。

3.2输电系统层结果

从输电系统层面，将本文所提出的协调规划模型用于算例研究。作为对比，本文将传统独立规划方法求解所得优化规划方案和相应的各部分费用列于表3中。可以看出，相比独立规划，协调规划可少建2条线路，降低2.04M$的投资，有效地提高了规划方案的经济性。与此同时，发电成本减少10.53M$，从而较大幅度地降低了输电系统机组的发电量，具有良好的环保效益。此外，协调规划方案总成本比独立规划总成本减少了12.57M$，降幅达5.6%，说明协调规划方法较独立规划方法更有利于提高输电系统规划方案的经济性。分析其原因是由于协调规划方法计及了下级配电系统的具体网络拓扑结构和灵活调节能力，使得规划总成本下降。设交换功率正方向为输电系统流向配电系统，无论是协调规划方案还是独立规划方案，输电系统和配电系统之间的交换功率均为正，说明配电系统总是需要从上级输电系统购电。此外，在同一场景下，协调规划方案的交换功率较独立规划方案的交换功率小，说明协调规划方法具有一定的节煤效益，有助于降低上级输电系统的碳排放量。对于同一条线路，协调规划方案最优潮流解和独立规划方案最优潮流解均不相同，两种规划方案在场景5和13下最优潮流解差异的平均值分别为9.0%和7.5%。这是由于协调规划方法通过优化下级配电系统的规划方案和DG运行方式，使得输电系统最优潮流解发生相应改变，从而说明所提分布式随机规划方法可以实现输电系统机组出力和向配电系统供电两者间的协调优化。

4结论

本文考虑负荷波动等不确定因素，提出了一种混合输配电系统的分布式协调优化规划方法。该方法将传统集中式输配电系统规划问题分解为一个输电系统规划子问题和一系列配电系统规划子问题，在满足边界节点共享变量一致性约束的前提下，实现输、配电系统的分层自主优化。利用基于ATC的分布式优化算法求解各输、配电系统的扩展规划方案和电源经济调度方案。将配电系统规划子问题松弛为二阶锥规划模型，以保证分布式优化算法收敛性。算例仿真结果表明：

1）分布式优化算法可以在输、配电系统独立优化规划的同时，实现输、配电系统间的协调，在保证算法收敛的前提下，使得系统工作点得到全局优化。

2）对于输电系统层，相比传统独立规划方法，本文所提规划方法在提高规划方案经济效益的同时，可有效降低系统内机组出力，从而减少碳排放量，具有一定的节煤效益。

3）对于配电系统层，相比传统独立规划方法，本文所提规划方法可延缓升级改造、降低系统总成本、促进DG消纳，为未来提高可再生能源接入水平提供了一种新思路。需要指出的是，本文对调度型可再生DG（如生物质发电）进行了研究。下一步还需研究含间歇性可再生DG（如风电、光伏）的输配电系统联合优化规划问题。

参考文献：

[1]马瑞,金艳,刘鸣春.基于机会约束规划的主动配电网分布式风光双层优化配置[J].电工技术学报,2016,31(3):145-154.

[2]刘佳,徐谦,程浩忠,等.计及主动配电网转供能力的可再生电源双层优化规划[J].电工技术学报,2017,32(9):179-188.

[3]孙建军,张世泽,曾梦迪,等.考虑分时电价的主动配电网柔性负荷多目标优化控制[J].电工技术学报,2018,33(2):401-412.