本發(fā)明一種計及光伏出力不確定性和全壽命周期成本的配電網(wǎng)變壓器規(guī)劃方法,屬于含分布式電源(distributedgeneration,dg)配電網(wǎng)規(guī)劃領(lǐng)域。
背景技術(shù):
近年來,隨著環(huán)境污染和能源短缺問題的不斷加重,分布式發(fā)電技術(shù)愈加受到重視。在配電網(wǎng)中,分布式電源,尤其是分布式光伏發(fā)電(photovoltaicgeneration,pvg)的滲透率正在迅速增長,在此背景下,如何進行科學(xué)的電力設(shè)備投資決策,建設(shè)可靠經(jīng)濟的配電網(wǎng)是目前規(guī)劃領(lǐng)域的研究熱點。
配電變壓器(配變)是配電網(wǎng)中重要的電力設(shè)備,使用量大、應(yīng)用范圍廣、運行時間長,節(jié)能潛力巨大。長期以來,配變投資規(guī)劃重點關(guān)注初始投資或階段性成本,忽視了設(shè)備在后期運行、退役處置等整個服役周期中的潛在費用,從而導(dǎo)致其容量及型號的選擇缺乏貫穿設(shè)備全壽命周期的整體視角,容易形成過于保守或激進的規(guī)劃方案,造成較大的投資浪費。鑒于此,基于全壽命周期理論(lifecostcycle,lcc)的配變投資決策方法已經(jīng)逐漸得到認識和應(yīng)用,其主要是在保證規(guī)劃可靠性的基礎(chǔ)上,通過精確計算配變從購置、運行、維修和退役回收整個服役周期內(nèi)(即全壽命周期)的價值特性變化規(guī)律,實現(xiàn)對配電科學(xué)的定容選型。同時研究發(fā)現(xiàn),目前在配變規(guī)劃中雖實現(xiàn)了對配變lcc成本的精確評估,但依然存在一定問題:一方面,規(guī)劃時均未考慮配電網(wǎng)中的不確定性因素影響,而隨著大量分布式電源接入配電網(wǎng),配電網(wǎng)規(guī)劃過程中的不確定影響因素進一步增多,這種基于確定性lcc成本的配變規(guī)劃因其無法對不確定性因素的影響進行精確評估,已經(jīng)難以滿足現(xiàn)有含分布式電源配電網(wǎng)規(guī)劃的實際需求;另一方面,目前大多數(shù)僅針對固定容量下的配變選型問題,在規(guī)劃過程中,是將配變定容和選型割裂為兩個獨立問題分別進行計算,這有可能忽視前者對于配變選型的內(nèi)在影響,從而影響規(guī)劃模型的計算精度。
目前,精確考慮不確定性因素的規(guī)劃方法在電源規(guī)劃、線路網(wǎng)架規(guī)劃領(lǐng)域已經(jīng)得到一定程度的應(yīng)用。諸如利用諸如機會約束、魯棒優(yōu)化等不確定性建模方法,構(gòu)建計及不確定性因素影響的規(guī)劃模型,從而解決了分布式電源接入后電網(wǎng)的一系列規(guī)劃問題,為配變規(guī)劃問題研究提供了良好的參考和借鑒。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對分布式光伏發(fā)電接入后的配變規(guī)劃問題,本發(fā)明提出了一種計及光伏出力不確定性和全壽命周期成本的配電網(wǎng)變壓器規(guī)劃方法,首先,基于機會約束理論,構(gòu)建配變?nèi)萘坑嬎愕娘L險模型,確定不同置信區(qū)間下的最佳配變?nèi)萘?,在此基礎(chǔ)上提出基于三點估計法的配電網(wǎng)概率潮流計算方法,并將其作為約束條件納入到規(guī)劃模型之中,然后考慮配變?nèi)萘窟x擇對投資成本和運行成本的影響,提出配變lcc成本的數(shù)學(xué)表達方式,最終建立以lcc成本最小化為目標的不確定性配變規(guī)劃模型。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
一種計及光伏出力不確定性和全壽命周期成本的配電網(wǎng)變壓器規(guī)劃方法,包括以下步驟:
步驟1:基于機會約束理論的配變?nèi)萘恳?guī)劃。
步驟1.1:根據(jù)實際情況,確定規(guī)劃區(qū)域光伏出力概率模型和負荷波動概率模型;
步驟1.2:依據(jù)臺區(qū)實際負荷數(shù)據(jù),建立基于機會約束的臺區(qū)配變?nèi)萘恳?guī)劃模型。
步驟2:基于全壽命周期理論的不確定性配變選型建模。
步驟2.1:建立基于全壽命周期理論的配變選型目標函數(shù);
步驟2.2:考慮光伏出力和負荷波動不確定性的配變運行成本精細化分析。
步驟3:基于三點估計法的概率潮流模型求解方法。
通過上述步驟,完成計及光伏出力不確定性和全壽命周期成本的配電網(wǎng)變壓器規(guī)劃。
本發(fā)明提出了一種計及光伏出力不確定性和全壽命周期成本的配電網(wǎng)變壓器規(guī)劃方法,技術(shù)效果如下:
1):相比于傳統(tǒng)配電變壓器定容選型方法,本發(fā)明中提同時考慮了光伏發(fā)電出力不確定性的影響和配變的全壽命周期成本,提出了一種不確定性的lcc規(guī)劃方法,有效避免得出保守或者冒進的規(guī)劃方案,提升了規(guī)劃的精細化水平。
2):相比于傳統(tǒng)配電變壓器定容選型方法,充分考慮了配變?nèi)萘窟x擇對配變選型中投資成本和運行成本的影響,實現(xiàn)了配變定容和選型問題的統(tǒng)一,提升了規(guī)劃精細化水平。
附圖說明
圖1為本發(fā)明基于三點估計法的概率潮流模型求解流程圖。
圖2為本發(fā)明實施例迭代收斂曲線圖。
圖3為本發(fā)明不同預(yù)測模型預(yù)測誤差概率密度對比擬合曲線圖。
圖4為方法1下不同綜合選型方式下配變lcc成本圖。
具體實施方式
一種計及光伏出力不確定性和全壽命周期成本的配電網(wǎng)變壓器規(guī)劃方法,其具體實施方式如下
步驟1:基于機會約束理論的配變?nèi)萘恳?guī)劃:
步驟1.1:根據(jù)實際情況,確定規(guī)劃區(qū)域光伏出力概率模型和負荷波動概率模型。
通常將一定時間段內(nèi)的光照強度近似采用beta分布來描述:
式中:i為光照強度,ir表示該時間段內(nèi)最大光照強度;α和β為beta分布的兩個參數(shù);γ(·)為伽瑪函數(shù)。
pvg出力與光照強度之間的關(guān)系可以近似表示為:
式中:ppvg為光伏出力有功功率大小;
依據(jù)隨機變量的函數(shù)分布定理,同時結(jié)合式(1)、式(2)推導(dǎo)出光伏機組出力的概率密度函數(shù)為:
式中:qpvg為光出出力的無功分量;
通常近似采用正態(tài)分布來描述負荷波動特性:
式中:pl為負荷的有功分量;μp、σp為負荷有功分量的期望和標準差;ql為負荷的無功分量;θ表示為負荷的功率因素角。
步驟1.2:基于機會約束的臺區(qū)配變?nèi)萘恳?guī)劃模型的建立:
利用機會約束理論處理光伏接入負荷側(cè)后出力的不確定性,臺區(qū)上級電網(wǎng)所提供的有功功率pn和光伏有功出力ppvg之和小于臺區(qū)所需有功功率pl的概率應(yīng)不超過給定的置信度e:
f{pn+λppvg≤pl}≤e(5)
式中:f{·}表示{·}中事件成立的概率;λ表示光伏直供用戶出力占總出力的比例;置信度e根據(jù)地區(qū)實際經(jīng)濟社會發(fā)展狀況人為給定。
聯(lián)立公式(3)和(5)可得:
已知臺區(qū)負荷所需有功功率pl,由上式可確定給定置信度下的網(wǎng)供負荷pn,同時設(shè)臺區(qū)負荷的增長全部由pn來承擔,根據(jù)公式(7)可確定配變裝接容量:
式中:
步驟2:基于全壽命周期理論的不確定性配變選型建模:
步驟2.1:選型目標函數(shù)的建立:
配變選型規(guī)劃模型的目標函數(shù)如下:
minct=ci+cw+co+cf+cr(8)
式中:ct為周期t內(nèi)配變lcc成本;ci為配變初始投資成本;cw為配變的運行成本;co為變配變的檢修維護成本;cf為配變的故障成本;cr為配變的退役處置成本。
步驟2.2:考慮光伏出力和負荷波動不確定性的配變?nèi)珘勖芷趦?nèi)各階段成本詳細模型
1)配變初始投資成本ci:
配變初始投資成本主要包括配變購置費cgz和安裝調(diào)試費caz,其主要受變壓器容量大小及型號選擇的影響:
式中:配變安裝調(diào)試費一般為購置費的6.2%;
2)、考慮光伏出力和負荷波動不確定性的配變運行成本cw分析:
配變運行成本主要包括配變運行能耗成本cnh和日常巡檢成本ccs。
式中:
式中:
考慮到光伏出力及負荷波動的不確定性,無法直接根據(jù)銘牌參數(shù)對配變運行負載損耗進行精確度量,鑒于此,本發(fā)明研究引入概率潮流模型對配電網(wǎng)變壓器支路配變負載損耗精確進行求解,概率潮流模型如下所示:
式中:pa和qa分別表示節(jié)點a有功功率及無功功率注入量;w表示配電網(wǎng)節(jié)點數(shù);va和vb分別表示節(jié)點a和節(jié)點b的電壓幅值;rz和xz分別為臺區(qū)支路線路電阻和電抗;rb和xb分別為配變電阻和電抗;gab和bab分別表示節(jié)點導(dǎo)納矩陣的實部和虛部;δab表示節(jié)點a節(jié)點b的相角差。
3)、配變檢修維護成本co:
配變檢修維護成本主要包括了配變運行壽命周期的大修費用cdx和小修費用cxx,配變通常情況下使用壽命為20年~25年,配變在投入運行后,每年進行一次小修,第5年進行一次大修,之后每隔10年進行一次大修。此項成本與配變?nèi)萘看笮『托吞枱o關(guān),其計算公式如下:
式中:cdx表示單次大修費用;cxx表示單次小修費,u表示大修次數(shù);floor(·)表示小數(shù)向下取整。
4)、配變故障成本ccf:
配變故障成本主要包括配變故障檢修費用和故障損失費用。此項成本與配變?nèi)萘考靶吞栠x擇有關(guān)??梢杂上率奖硎荆?/p>
式中:ccf為年故障費用;kd為電價折算倍數(shù),一般取kd=15;tg年平均事故停電時間,tg=ε×24;ψi表示第t年配變平均負載率;ε為配變年事故率,配變型號越好,事故率越低;cjx為故障檢修費用,一般取設(shè)備購置費的3%;ε為配變年故障率。
5)、配變退役處置成本ccd:
配變退役處置成本主要包括配變報廢成本和設(shè)備殘值費。其設(shè)備殘值費同配變?nèi)萘亢托吞栒嚓P(guān)。表示如下:
式中:cbf為設(shè)備報廢成本,一般取設(shè)備安裝費的32%;ccz為設(shè)備殘值費,一般為購置費的5%。
步驟2.3:約束條件:
1)、節(jié)點電壓和支路電流約束
式中:vimin和vmax分別為第i個節(jié)點電壓幅值的最小值和最大值;ij和
2)、dg接入節(jié)點安裝容量約束:
式中:si.dg為第i個節(jié)點dg接入節(jié)點安裝容量;
3)、配變型號及容量離散性約束:
設(shè)集合a為配變設(shè)計容量等級,集合b為待選配變型號,存在以下約束條件:
步驟3:基于三點估計法的概率潮流模型求解方法:
設(shè)臺區(qū)配變單位負載損耗△sf與光伏出力和臺區(qū)負荷的函數(shù)關(guān)系如下:
式中:△sw為臺區(qū)配變所在支路損耗;
令單位負載損耗△sf用隨機變量y表示,光伏出力和臺區(qū)負荷用隨機變量x表示,式(12)簡化為:
y=ζ×f(x)=ζ×f(x1,x2…,xn)(20)
式中:n表示隨機變量x的總數(shù)。
假定每一個隨機變量的xk(k=1,2,3…n)的期望、標準差分別為μk和σk,并選取隨機變量xk的期望μk及其左右領(lǐng)域內(nèi)各一點共三個采樣值,記作xk.i(i=1,2,3),其表達式如下:
xk.i=μk+ξk.iσk(i=1,2,3)(21)
式中:ξk.i為第k個隨機變量第i個采樣值的位置系數(shù)。ξk.i可表示為:
式中:λk.3表示為隨機變量xk的偏度系數(shù),其絕對值越大,則說明隨機變量xk的分布與標準正太分布偏離較大;λk.4為衡量隨機變量xk的概率密度在期望值附近的陡峭程度的峰度系數(shù),其絕對值越小,隨機變量的取值在期望值附近更集中,λk.4=0,則說明隨機變量xk的分布和標準正態(tài)分布具有一樣的陡峭度。xk的偏度系數(shù)λk.3和峰度系數(shù)λk.4的表達式分別為:
式中:e[(xk-μk)3]、e[(xk-μk)4]為隨機變量xk的三階、四階中心矩。
采樣值xk.i(i=1,2,3)分別所對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)pk.i為:
由公式(23)~公式(24)可知,三點估計法本質(zhì)上是根據(jù)輸入隨機變量的前四階矩確定樣本采樣值xk.i(i=1,2,3),并利用如公式(25)所示的確定性函數(shù)關(guān)系對每一個采樣值進行確定性評價。
yk.i=ζ×f(μ1…,μk-1,xk.i,μk+1…,μn)i=1,2,3(25)
值得注意的是,因為每一個隨機變量采樣的時候都包含了其期望值μk,所以其中有n次確定性評價是重復(fù)的,所以只需對y進行2n+1次評價即可。根據(jù)上述結(jié)論,結(jié)合采樣點所對應(yīng)的權(quán)重系數(shù),y的z階原點矩可以表示為:
得到輸出變量y的各階矩后,就可以求出其期望μy和標準差σy,即臺區(qū)配變單位負載損耗期望及方差。
詳細求解計算流程圖如附圖1所示。
實施例:
本發(fā)明以修改后的ieee33配電網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)作為算例,驗證本發(fā)明所提出的配變選型定容方法的有效性和正確性。仿真試驗均在matlab環(huán)境下編程實現(xiàn)。
1)、修改的ieee33節(jié)點系統(tǒng):
假設(shè)一區(qū)域新增臺區(qū)a、b、c、d,對應(yīng)負荷節(jié)點34、35、36和37,設(shè)各新增臺區(qū)負荷基準值分別為50kva、70kva、90kva和110kva且均服從正態(tài)分布(期望為對應(yīng)節(jié)點負荷基準值,方差為1),各臺區(qū)配變的阻抗分別折算到相應(yīng)的支路阻抗參數(shù)中。設(shè)節(jié)點5、14、21和37分別有100kw、150kw、200kw和250kw的光伏機組接入,取為0.85,各光伏機組有功出力服從參數(shù)、的beta分布。修改后的ieee33配電網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)如圖1所示。電壓等級為12.66kv,基準功率為100mva,聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開。
設(shè)該區(qū)域年均負荷增長率為0.05,待選取新型變壓器型號有scb10系列、scb11系列和scb13系列干式10kv變壓器,變壓器詳細技術(shù)參數(shù)見附錄,設(shè)計配變壽命周期為20年,現(xiàn)需針對臺區(qū)a、b、c、d進行綜合配變定容與選型規(guī)劃。
修改的ieee33節(jié)點配電網(wǎng)如附圖2。
2)、算例仿真結(jié)果及分析:
驗證本發(fā)明方法的正確性和有效性,分別利用三種方法對本發(fā)明算例進行配變規(guī)劃決策:
方法1:本發(fā)明所提出的計及光伏出力不確定性和全壽命周期成本的配變規(guī)劃方法,置信度取0.01,負荷年均增長率取為0.05。
方法2:考慮配變運行工況及全壽命周期成本的確定性配變規(guī)劃方法。此時,忽略dg出力和負荷波動的不確定性影響,因此針對配變?nèi)萘窟x取時,置信度取為0;在進行配變選型時,光伏出力及新增負荷點參數(shù)根據(jù)各自概率密度函數(shù)取期望值進行常規(guī)確定性潮流計算,其他參數(shù)設(shè)置同方法1。
方法3:考慮全壽命周期成本的配變模糊規(guī)劃方法。此時,將配變運行工況模糊化處理,忽略dg出力和負荷波動,針對配變?nèi)萘窟x取時,置信度取為0;在進行配變選型時,不參考潮流計算結(jié)果,僅依據(jù)配變銘牌參數(shù)對配變lcc進行粗略估算;同時不考慮各臺區(qū)定容選型結(jié)果對潮流的影響,各臺區(qū)進行獨立的定容與選型。
①:方法1的仿真結(jié)果及分析:
利用本發(fā)明所提方法,求解算例中a、b、c、d四個臺區(qū)配變?nèi)萘吭诓煌眯艆^(qū)間下的變化情況如附圖3所示。
考慮到實際情況下scb10系列、scb11系列和scb13系列臺區(qū)配變出廠設(shè)計容量,依據(jù)附圖3可以給出不同置信區(qū)間下的各臺區(qū)配變?nèi)萘窟x定結(jié)果如表1所示。
表1各臺區(qū)不同置信下的配變定容結(jié)果
由附圖3、表1可知,配變規(guī)劃容量與置信概率負相關(guān),其原因是在不確定性環(huán)境下,置信度取值越低,意味著系統(tǒng)規(guī)劃過程中所冒風險越小,因而選取的配變?nèi)萘吭酱?,由此可見本發(fā)明方法可以在配變?nèi)萘窟x擇過程中實現(xiàn)對系統(tǒng)運行風險的精細化度量;而配變?nèi)萘窟x擇也會受到系統(tǒng)負荷的影響,系統(tǒng)負荷越大,配變規(guī)劃容量越大。
假設(shè)置信度取值0.01,則依據(jù)表1可以確定出臺區(qū)a、b、c、d配變?nèi)萘糠謩e定為250kva、315kva、400kva、500kva。以此為基礎(chǔ),利用本發(fā)明配變選型規(guī)劃方法(方法1)可以得到臺區(qū)a、b、c、d在81種不同的綜合配變選型方式下所對應(yīng)的lcc總成本如附圖4所示。
由圖4可以發(fā)現(xiàn):第42種臺區(qū)配變綜合選型方式(臺區(qū)a:scb11、臺區(qū)b:scb11、臺區(qū)c:scb11、臺區(qū)d:scb13)將會使臺區(qū)a、b、c、d未來20年的lcc總成本達到最小,此時的綜合選型結(jié)果達到最優(yōu)。
為進一步研究置信度對于配變選型結(jié)果的影響,按照上述方法,令置信度取值區(qū)間為0.01~0.2,步長取0.01,在相同條件下對四個臺區(qū)進行綜合配變定容及選型,得到不同置信區(qū)間下a、b、c、d四個臺區(qū)綜合配變定容與選型結(jié)果如表2所示:
表2不同置信度下的配變綜合定容選型結(jié)果
由表2可以發(fā)現(xiàn),不同置信度下的臺區(qū)配變的容量選擇和型號選擇結(jié)果不斷發(fā)生變化,同時最優(yōu)的lcc成本隨置信度的逐漸增加呈先降后升的特征。在置信區(qū)間[0.01~0.06]內(nèi),四個臺區(qū)配變lcc總成本隨著置信度整體增大而減小;而在置信度[0.07~0.2]的區(qū)間內(nèi),lcc成本則隨著置信度增大而增大,且增長速度越來越快。在本發(fā)明算例中,當置信度取為0.07時,配變lcc成本達到最小,各臺區(qū)配變綜合定容及選型達到最優(yōu)。
出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是:在置信區(qū)間[0.01~0.06]內(nèi),配變?nèi)萘窟x擇相對較大,型號選擇相對較好,配變運行損耗較低,隨著風險的增加,配變在容量及型號選擇上節(jié)約的投資成本比增長的運行成本更多;而在置信度[0.07~0.2]的區(qū)間內(nèi),隨著配變?nèi)萘窟x擇越來越小,型號選擇越來越差,配變本身的阻抗逐漸增加,且增長速度越來越大,配變運行損耗較大,導(dǎo)致節(jié)約的投資成本難以抵消掉配變急劇增長的運行成本。
②方式2、方式3仿真結(jié)果及對比分析:
相同條件下,利用方式2和方式3對本發(fā)明算例中a、b、c、d四個臺區(qū)進行配變綜合定容與選型,并與方法1進行對比,結(jié)果如表3所示。
表3不同規(guī)劃方法下的下的配變定容選型結(jié)果
由表3可以發(fā)現(xiàn):①方法2下,臺區(qū)b與臺區(qū)c較方法1分別增加了85kva和100kva,臺區(qū)b與臺區(qū)d選擇的配變型號更加優(yōu)良,lcc總成本增加了6.1647萬元。其主要原因是:方法2下的配變規(guī)劃置信度取為0,意味著在配變的定容選型時沒有冒任何風險,從而導(dǎo)致配變?nèi)萘枯^方法1下選取整體較大,型號選擇整體較好,進而影響配變初始投資成本也隨之增長,同時在配變整個壽命周期內(nèi),方法2下的規(guī)劃方案在運行成本上的優(yōu)勢無法彌補其在初始投資上的劣勢,導(dǎo)致lcc總成本較方法1更大。②方法3下各臺區(qū)配變?nèi)萘恳?guī)劃結(jié)果與方法2相同,但在配變選型上,臺區(qū)a、b、c選擇更加優(yōu)良,lcc總成本增加了21.2029萬元。其主要原因是:在配變?nèi)萘窟x取上,方法3與方法2都在置信度為0的情況下進行確定性定容規(guī)劃,導(dǎo)致容量選取結(jié)果一樣,而在配變選型方式上,方法3不考慮配電網(wǎng)實際潮流運行結(jié)果,直接利用配變銘牌上所標定的負載損耗進行l(wèi)cc核算,往往會導(dǎo)致核算結(jié)果比實際情況更大,從而使計算的運行成本虛高,進而導(dǎo)致配變選型較方法2更加保守。
綜上所述,由于本發(fā)明方法在對光伏出力不確定性和負荷波動進行精確度量的同時,還充分考慮了配變?nèi)萘繉ζ湫吞栠x擇的影響,因而所得出的規(guī)劃方案較傳統(tǒng)方法而言,具有更高的經(jīng)濟性,從而有效提升了配電網(wǎng)規(guī)劃的精細化水平。
本發(fā)明按照優(yōu)選實施例進行了說明,但上述實施例不以任何形式限定本發(fā)明,凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術(shù)方案,均落在本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。