一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，它包括步驟1確定評估的區(qū)域范圍，基于配電網的物理模型和經濟模型，建立計算配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的機會約束規(guī)劃模型；步驟2以評估區(qū)域內的徑流式水電站為評估對象，機會約束規(guī)劃模型的優(yōu)化目標設置為配電網最小化購電及運行成本，得到配電網對徑流式小水電接入最優(yōu)接納能力評估的優(yōu)化模型，步驟3求解優(yōu)化模型，得到配電網對徑流式小水電接入的最優(yōu)接納能力；由于徑流式小水電發(fā)電沒有調節(jié)能力，出力具有明顯的隨機性和間歇性；徑流式小水電注入功率的增加可能會引起系統的電壓和頻率產生偏差、電壓發(fā)生波動和閃變，以及系統的穩(wěn)定性受到影響，本發(fā)明深入研究徑流式小水電與配電網的互動規(guī)律，在保障配電網安全穩(wěn)定和經濟運行的前提下提高對徑流式小水電的接納能力。
【專利說明】—種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法

【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于配電網小水電接入【技術領域】，尤其涉及一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法。

【背景技術】
[0002]隨著能源與環(huán)境問題的日益嚴峻，節(jié)能減排問題在世界范圍內得到廣泛關注，水能資源是一種既清潔又可再生的優(yōu)質能源，而其中的小水電還兼具“綠色”的特點；小水電易于開發(fā)、技術成熟、投資規(guī)模相對較小、經濟效益相對較好、環(huán)境影響相對可控，尤其對二氧化碳排放效益明顯，是清潔發(fā)展機制的主要領域。但是由于徑流式小水電發(fā)電沒有調節(jié)能力，在實際運行中處于有水即發(fā)的狀態(tài)，運行狀態(tài)和出力完全受降雨支配，出力具有明顯的隨機性和間歇性；徑流式小水電注入功率的增加可能會引起系統的電壓和頻率產生偏差、電壓發(fā)生波動和閃變，以及系統的穩(wěn)定性受到影響等問題，如何深入研究徑流式小水電與配電網的互動規(guī)律，在保障配電網安全穩(wěn)定和經濟運行的前提下提高對徑流式小水電的接納能力，已經成為一個亟待解決的重要問題。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術問題:提供一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，以解決由于徑流式小水電發(fā)電沒有調節(jié)能力，在實際運行中處于有水即發(fā)的狀態(tài)，運行狀態(tài)和出力完全受降雨支配，出力具有明顯的隨機性和間歇性；徑流式小水電注入功率的增加可能會引起系統的電壓和頻率產生偏差、電壓發(fā)生波動和閃變，以及系統的穩(wěn)定性受到影響等問題
本發(fā)明技術方案:
一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，它包括下述步驟:
步驟1、確定評估的區(qū)域范圍，基于配電網的物理模型和經濟模型，建立計算配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的機會約束規(guī)劃模型，機會約束規(guī)劃模型的目標函數為:min F，式中，F為機會約束規(guī)劃模型的決策目標；
步驟2、以評估區(qū)域內的徑流式水電站為評估對象，將步驟I中的機會約束規(guī)劃模型的優(yōu)化目標設置為配電網最小化購電及運行成本，得到配電網對徑流式小水電接入最優(yōu)接納能力評估的優(yōu)化模型，優(yōu)化模型的優(yōu)化目標表達式為:
min c=丁- 4%)

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式中,為常規(guī)機組i在t時刻的有功功率;為徑流式水電站機組J在?時刻的有功功率為配電網在t時刻的有功功率損耗;7為統計時間尺度;。和^分別為常規(guī)機組和徑流式水電站機組的上網電價；
步驟3、求解步驟2所述的優(yōu)化模型，計算出評估區(qū)域范圍的內徑流式水電站的裝機容量，得到配電網對徑流式小水電接入的最優(yōu)接納能力。
[0004]步驟I所述的機會約束規(guī)劃模型的約束條件為:
(1)支路功率約束:Pk(Χ:?)? d之ft全e Ω A
式中，表示事件概率a為決策變量你ζ)為在狀態(tài)ξ下支路々的有功功率值；
為支路a的有功功率允許最大值;|纟為支路功率的置信水平Hfiei為系統支路集合；
(2)節(jié)點電壓約束:Ρ\?^Hixj作U =]么PiieQ.過
式中，Ifl表示事件概率沐為決策變量為在狀態(tài)^下節(jié)點i的電壓值Cfil分別為節(jié)點i的電壓上、下限；|為節(jié)點電壓的置信水平系統節(jié)點集合；.*γ

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(3)功率平衡約束:.丨.+-:_
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Ij-ι ''.式中，"^?和分別為節(jié)點2注入的常規(guī)機組有功和無功功率和!分別為節(jié)點i注入的徑流式水電站機組的有功和無功功率和fiqg分別為節(jié)點i的有功和無功負荷功率'Ui和Uj分別為支路首節(jié)點i和末節(jié)點j的電壓'GirBir δ u分別為節(jié)點Uj之間的電導、電納和電壓相位差；

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(4)常規(guī)機組出力約束:J。:.■ …

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式中，和ββ|5分別為常規(guī)機組的有功功率和無功功率和盡分別為常規(guī)機組有功功率最小值和最大值和jSQ分別為常規(guī)機組無功功率最小值和最大值；


I** p^l *f.JJi,V pjz ET?
(5)徑流式水電站機組出力約束:+?'^；: 二



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式中，和分別為徑流式水電站機組的有功功率和無功功率^和分別為徑流式水電站機組有功功率最小值和最大值和分別為徑流式水電站機組無功功率最小值和最大值；
(6)徑流式水電站機組爬坡速率約束=IrIMPor-馬.:—::<ι,Μ
分別為j ? t+\ 矛P t Bi 刻白勺:11力出力t 矛口分別為徑流式水電站機組j.單位時間內的最大上升和下降速率； (7)徑流式水電站機組容量上限約束:Σ j:
式中，f為徑流式水電站機組容量滲透率:?為小水電接入節(jié)點集為配電網負荷節(jié)點集；
支路功率約束和節(jié)點電壓約束為概率形式約束，利用隨機模擬技術求解支路功率約束和節(jié)點電壓約束。
[0005]步驟3所述的求解優(yōu)化模型，是用遺傳算法和非序貫蒙特卡洛模擬的混合算法來求解。
[0006]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明采用概率形式表示部分不等式約束條件的機會約束規(guī)劃，考慮了所有可能的運行方式，而不是僅僅考慮典型運行方式，另外還引入了風險的概念，置信水平代表系統能夠接受的風險的大小，以避免出現考慮確定性約束條件時優(yōu)化結果過于保守的情況；本發(fā)明提供一種滿足安全與經濟運行條件下配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，可以提前防范大規(guī)模徑流式小水電并網對配電網安全運行帶來的風險，促進徑流式水電站與區(qū)域配電網協調發(fā)展；本方法是在實際電網數據下開展的配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的研究和嘗試，摸索出針對徑流式小水電隨機性和間歇性的徑流式小水電最優(yōu)接納能力的計算方法；本方法基于機會約束規(guī)劃，建立了以配電網購電及運行成本最小為目標的評估優(yōu)化模型，采用遺傳算法和非序貫蒙特卡洛模擬的混合算法求解，獲得配電網對徑流式小水電接入最優(yōu)接納能力評估結果；本發(fā)明解決了由于徑流式小水電發(fā)電沒有調節(jié)能力，在實際運行中處于有水即發(fā)的狀態(tài)，運行狀態(tài)和出力完全受降雨支配，出力具有明顯的隨機性和間歇性；徑流式小水電注入功率的增加可能會引起系統的電壓和頻率產生偏差、電壓發(fā)生波動和閃變，以及系統的穩(wěn)定性受到影響等問題。
[0007]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1是徑流式水電站機組出力概率分布柱狀圖；
圖2是基于遺傳算法和非序貫蒙特卡洛模擬的混合算法流程圖；
圖3是33節(jié)點配電系統結構圖。
[0008]【具體實施方式】:
本發(fā)明提出了一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，包括以下步驟:
I)確定需要評估的區(qū)域范圍，基于配電網的物理模型和經濟模型，考慮系統功率平衡約束、機組運行約束、電網安全約束等，建立計算配電網對徑流式小水電最優(yōu)接納能力的機會約束規(guī)劃模型，實現機組出力計劃與電網安全的聯合優(yōu)化。
[0009]機會約束規(guī)劃模型的目標函數為:min F，式中F為機會約束規(guī)劃模型的決策目標，即配電網運行經濟性。
[0010]約束條件:
(I)支路功率概率約束:P{p:(x f) <I > ke Ωχ:?
式中，jP|.}表示事件概率為決策變量為在狀態(tài)ξ下支路々的有功功率值；f為支路A的有功功率允許最大值!為支路功率的置信水平；1^為系統支路集合。
[0011](2)節(jié)點電壓概率約束:P\U-< U;(?L ζ) < \>S^ie Ω.Ε?
式中，ifl表示事件概率沐為決策變量為在狀態(tài)f下節(jié)點i的電壓值;1^?、 分別為節(jié)點i的電壓上、下限為節(jié)點電壓的置信水平;?^為系統節(jié)點集合。
r?.i.%:A...十 JJr — Pt = L - Y L ((?.cos S-- -τ B- sin 5—)

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[0012](3)功率平衡約束:4氣


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[0013](4)常規(guī)機組出力約束廣:::


I Oy; <￡>,,, <0^
式中，和分別為常規(guī)機組的有功功率和無功功率分別為常規(guī)機組有功功率最小值和最大值和分別為常規(guī)機組無功功率最小值和最大值。



I PS:" < B1- , < IBs:,
[0014](5)徑流式水電站機組出力約束:丨’:

闕:<Or-,獨.式中，和^fyj分別為徑流式水電站機組的有功功轉無功功率和分別為徑流式水電站機組有功功率最小值和最大值和分別為徑流式水電站機組無功功率最小值和最大值。
[0015](6)徑流式水電站機組爬坡速率約束:^?
式中,和.分別為徑流式水電站機組j在t+'和t時刻的有功出力t和rd； t分別為徑流式水電站機組j單位時間內的最大上升和下降速率。
[0016](7)徑流式水電站機組容量上限約束:Σ硌:..+.-*>Πτ:sCl-
式中，f為徑流式水電站機組容量滲透率為小水電接入節(jié)點集;Ω|為配電網負荷節(jié)點集。
[0017]2)以區(qū)域內的徑流式水電站為具體的評估對象，進一步將步驟I)中機會約束規(guī)劃模型的優(yōu)化目標設置為配電網最小化購電及運行成本，獲得計算配電網對徑流式小水電最優(yōu)接納能力的優(yōu)化模型。
[0018]優(yōu)化模型的優(yōu)化目標表達式為:

min C = H Pc,--；- % -?- 2^τ?.::

?.?.1mif mt,
式中為常規(guī)機組i在t時刻的有功功率;i{yj為徑流式水電站機組j在t時刻的有功功率為配電網在?時刻的有功功率損耗7為統計時間尺度，此處取8760，即以一年為參考時間段和&分別為常規(guī)機組和徑流式水電站機組的上網電價。
[0019]3 )由于徑流式小水電出力具有隨機性和間歇性，故支路功率約束和節(jié)點電壓約束采用概率形式表示，并利用隨機模擬技術求解支路功率約束和節(jié)點電壓約束。
[0020]在進行潮流計算判斷系統是否滿足支路功率約束和節(jié)點電壓約束時，由于徑流式小水電的出力具有隨機性和間歇性，故只能采用Monte-Carlo模擬技術實現隨機系統的抽樣試驗。徑流式水電站的出力分布不服從典型的概率分布，只能基于歷史統計數據對徑流式水電站的出力進行統計學分析，得到其概率分布#!0，其概率分布柱狀圖如圖1所示。采用非序貫Monte-Carlo模擬法抽取隨機變量，得到對應的徑流式水電站機組的有功出力，將小水電機組看做具有恒定功率因數的PQ節(jié)點，根據負荷持續(xù)曲線得到各節(jié)點的負荷，常規(guī)機組的出力選擇在評估中進行優(yōu)化。
[0021]隨機模擬也稱為Monte-Carlo模擬，是一種實現隨機系統抽樣試驗的技術，其基礎是從給定的概率分布中抽取隨機變量。雖然模擬技術只給出統計估計結果而非精確結果，但對那些無法得到解析結果的復雜問題，如求解機會約束規(guī)劃模型時，隨機模擬技術比較有效。下面以支路功率概率約束Ρ+?$(3:；?) <Ρ^]>β,為例，說明隨機模擬如何應用于隨機系統。
[0022]使用隨機模擬技術檢驗機會約束是否成立的方法如下:首先從小水電的概率分布φ (u)中產生/7個獨立的隨機向量…，4，從負荷的持續(xù)曲線中產生/7個獨立的隨機向量…，pLn。設C是/?次試驗中式辦成立的次數，即所產生的隨機向量中滿足約束的個數。根據大數定律，可以用頻率,卩κ估計Pgki) ^ρΓ:\的數值，且僅當η η > Sp時滿足約束條件。
[0023]4)采用遺傳算法和非序貫蒙特卡洛模擬的混合算法求解優(yōu)化模型，計算出研究區(qū)域內徑流式水電站的裝機容量，獲得配電網對徑流式小水電的最優(yōu)接納能力。
[0024]本發(fā)明中選取遺傳算法作為優(yōu)化算法，通過選擇算子、交叉算子和變異算子產生不同代的新個體，在滿足約束條件的可行域空間內，按照適應度函數的計算方法計算每個個體的適應度值，直至滿足搜索終止條件。圖2給出了基于遺傳算法和非序貫蒙特卡洛模擬的混合算法流程圖。具體實施步驟為:
第一步:輸入配電網原始數據和遺傳操作參數。根據配電網絡，輸入原始數據，取得節(jié)點負荷和支路阻抗及連接的信息；設置遺傳算法中的群體規(guī)模見交叉概率巧，變異概率/
終止代數Gen。
[0025]第二步:生成初始種群。本發(fā)明中采用二進制編碼，第i個水電站機組的裝機容量用G表示，則一個水電站機組裝機容量方案個體可表示為仏1^，C2，…，C；}，其中/7為配電網中接入的水電站機組個數。從徑流式水電站機組的裝機容量選擇范圍內，隨機抽取各水電站機組的裝機容量,并進行編碼,構成一個個體。依次抽取,共產生#個初始個體,令Gen=10
[0026]第三步:潮流計算，計算每個個體的適應度值并檢驗其可行性。潮流計算得到個體的目標函數值(Cri)，本發(fā)明中適應度函數取，即可得到該個體的適應度值Fix1)。個體是否滿足約束條件及不滿足約束條件的程度可以用約束條件構造的懲罰函數來表示，下面分別列出不等式約束和等式約束的懲罰函數。


ma\ ! 0.f ~:;l -max J0.^.(x) - -z
[0027]不等式約束條件:Uh alance^ =---~.■.■■■::--■十---二—————?
狀/ a士 々仙max j 0.1z.(X)Ir
等式約束條件:Usance: ——^-上:上-
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式中，f|x|為約束變量實際值,?-和if?分別為約束變量的下限和上限。
[0028]最后構造的懲罰函數為:i1!ate(.v) = ^Uhaiarice., K表示不等式和等式約束條件





■；.1
的個數，即當—ix)值大于O時不滿足約束條件，為非可行解。
[0029]第四步:選擇、交叉、變異。本發(fā)明中采用隨機聯賽選擇方法的基本思想，每次從當代群體中隨機選取2個個體，根據個體的懲罰函數和適應度值，采用以下個體選擇規(guī)則:(I)當兩個個體的v1lateijd值均為0，即表示兩個個體均是可行解，選擇適應度值較大者為更優(yōu)解；(2)當兩個個體均不可行時，即v1late Cr)值均大于O時，都不滿足約束條件，比較v1la te Cr)的大小,選擇約束偏離較小的個體為更優(yōu)解；(3 )當一個個體可行，另一個不可行時，選擇v1late Cr)值為O的個體為更優(yōu)解。將其中的更優(yōu)解保存到下一代群體中，反復執(zhí)行上述過程，直到保存到子代的個體數達到預設值。同時采用最優(yōu)保存的選擇方法，將種群中v1latehd值為O且適應度高的個體不進行交叉和變異，直接復制到下一代中，使每代的最優(yōu)解不被交叉和變異操作破壞，確保算法收斂的可靠性。然后，按照選取的交叉概率和變異概率生成新的個體,形成新一代種群,令Gen=Gen+l。
[0030]第五步:判斷是否滿足終止判據，若滿足，則進行第六步；若不滿足，則轉至第三步繼續(xù)進行遺傳過程。本發(fā)明的終止判據為:
I)遺傳操作中連續(xù)前后2代群體中最優(yōu)個體的適應度變化率在某個限定的任意小正數￡
所確定的范圍內，即滿足:O << e，F-.為新產生的群體中最優(yōu)個體的適應



r.,.度為前代群體中最優(yōu)個體的適應度。
[0031]2)達到遺傳操作的終止代數Gen。
[0032]第六步:終止進行，將末代種群中的最優(yōu)個體解碼，作為該優(yōu)化問題的近似最優(yōu)解。
[0033]計算模型中的優(yōu)化目標設置為配電網最小化經濟成本，綜合考慮徑流式水電站接入配電網的安全性與經濟性。
[0034]為了綜合考慮徑流式小水電出力的隨機性和間歇性，采用概率形式表示支路功率約束和節(jié)點電壓約束，并利用隨機模擬技術求解機會約束規(guī)劃問題。
[0035]本發(fā)明中徑流式小水電最優(yōu)接納能力計算問題是一個包含機會約束的非線性規(guī)劃問題，需采用遺傳算法和非序貫蒙特卡洛模擬的混合算法進行求解。
[0036]本發(fā)明具有以下特點和功能:
I)機會約束規(guī)劃主要針對約束條件中含有隨機變量，且必須在觀測到隨機變量的實現之前作出決策的情況。考慮到所做決策在不利情況發(fā)生時可能不滿足約束條件，而采取一種原則:允許所做決策在一定程度上不滿足約束條件，但該決策應使約束條件成立的概率不小于某一置信水平。
[0037]2)應用隨機模擬技術判斷個體是否滿足支路功率概率約束和節(jié)點電壓概率約束。隨機模擬也稱為Monte-Carlo模擬,是一種實現隨機系統抽樣試驗的技術，其基礎是從給定的概率分布中抽取隨機變量。雖然模擬技術只給出統計估計結果而非精確結果，但對那些無法得到解析結果的復雜問題，如求解機會約束規(guī)劃模型時，隨機模擬技術比較有效。
[0038]3)優(yōu)化評估模型能夠基于電網運行的實際情況，綜合考慮與配電網接納徑流式小水電相關的各類因素，通過建立合理的優(yōu)化評估模型，得到同時滿足電網運行安全性和經濟性的徑流式小水電接納能力。
[0039]本發(fā)明計算方法主要基于機會約束規(guī)劃，以配電網購電及運行成本最小為優(yōu)化目標，以接入配電網的徑流式水電站裝機容量為研究對象，建立優(yōu)化求解模型，采用遺傳算法和非序貫蒙特卡洛模擬的混合算法求解，獲得配電網小水電接入的最優(yōu)接納能力。
[0040]具體舉例:
采用33節(jié)點配電系統作為本發(fā)明的一個實施案例，其網絡連接結構如圖3所示，其中有32條支路、I個電源。節(jié)點I為系統側電源點(平衡節(jié)點)，節(jié)點I的電壓為L05p.1i，網絡首端基準電壓12.66kV、三相功率基準值取10MVA、網絡總有功負荷3715kW，總無功負荷為2300kvar。線路和負荷等原始參數數據見表I。

【權利要求】
1.一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，它包括下述步驟: 步驟1、確定評估的區(qū)域范圍，基于配電網的物理模型和經濟模型，建立計算配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的機會約束規(guī)劃模型，機會約束規(guī)劃模型的目標函數為:min F，式中，F為機會約束規(guī)劃模型的決策目標； 步驟2、以評估區(qū)域內的徑流式水電站為評估對象，將步驟I中的機會約束規(guī)劃模型的優(yōu)化目標設置為配電網最小化購電及運行成本，得到配電網對徑流式小水電接入最優(yōu)接納能力評估的優(yōu)化模型，優(yōu)化模型的優(yōu)化目標表達式為:
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2.根據權利要求1所述的一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，其特征在于:步驟I所述的機會約束規(guī)劃模型的約束條件為: (1)支路功率約束:Pk (X= ?) ? } > 4 ken.] 式中，P1-l.表示事件概率沐為決策變量；i^x:€y為在狀態(tài)ξ下支路左的有功功率值；ο sa-ε| 為支路々的有功功率允許最大值為支路功率的置信水平；ω ,,為系統支路集合； (2)節(jié)點電壓約束:Pftr" ^ [:(■'% ?) ? f.}之 β:1 € Ω.-- 式中，尸表示事件概率#為決策變量；:為在狀態(tài)ξ下節(jié)點i的電壓值C 分別為節(jié)點i的電壓上、下限W為節(jié)點電壓的置信水平系統節(jié)點集合； --
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I^Jr I g s^Jr ? I >1^jt * | i 式中，和分別為常規(guī)機組的有功功率和無功功率；ig.和分別為常規(guī)機組有功功率最小值和最大值；和(?$:.分別為常規(guī)機組無功功率最小值和最大值； ⑶徑流式水電站機組出力約束

|.--?::' ^ 6rr^ 式中，!和分別為徑流式水電站機組的有功功率和無功功率；巧..和存分別為徑流式水電站機組有功功率最小值和最大值.和分別為徑流式水電站機組無功功率最小值和最大值； (6)徑流式水電站機組爬坡速率約束:—^Γ,；?;:-ι； — 式中，和乓::.《分別為徑流式水電站機組J'在糾和t時刻的有功出力和 分別為徑流式水電站機組j.單位時間內的最大上升和下降速率； (7)徑流式水電站機組容量上限約束:g 式中，f為徑流式水電站機組容量滲透率為小水電接入節(jié)點集;Ωι為配電網負荷節(jié)點集； 根據權利要求2所述的一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，其特征在于:支路功率約束和節(jié)點電壓約束為概率形式約束，利用隨機模擬技術求解支路功率約束和節(jié)點電壓約束。
3.根據權利要求1所述的一種配電網小水電接入最優(yōu)接納能力的計算方法，其特征在于:步驟3所述的求解優(yōu)化模型，是用遺傳算法和非序貫蒙特卡洛模擬的混合算法來求解。
【文檔編號】H02J3/38GK104134011SQ201410399056
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權日:2014年8月14日
【發(fā)明者】肖永, 劉文霞, 陳建國, 邢楠楠, 文賢馗, 高長青, 林呈輝, 李永杰, 徐梅梅, 張玉瑩, 顧威, 徐玉韜, 范強 申請人:貴州電力試驗研究院, 華北電力大學