计及分布式电源的城市重要用户应急电源优化配置

刘飞1,2,汤亮亮1,2,邓鹤鸣1,2,伍俊3  

(1.南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏省 南京市 211106;2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,湖北省 武汉市 430074;3. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系),北京市 海淀区 100084)

摘要

在城市高可靠性供电方式下,城市重要用户专门配置的应急电源利用率低下,资源浪费严重。随着未来电网的发展,分布式电源在城市日趋普及,将其兼做应急电源是解决传统应急电源闲置问题、进一步发挥分布式电源作用的有益尝试。提出了一种计及分布式电源的城市重要用户应急电源优化配置方法,以城市分布式电源的类型与特点确定其应急工作方式,利用多人决策AHP方法量化用户重要性,然后基于区域电网结构,以等效重要负荷最大为最优目标,以有功功率平衡为约束,通过遗传算法求解来划分应急孤岛,对进入计划孤岛的重要用户依据允许断电时间进行传统电源配置的容量调整。算例表明,此配置方法能有效利用分布式电源就地应急的能力减少传统备用电源的配置容量,分布式电源利用率受其与重要用户相对位置的影响。

关键词 : 分布式电源;重要用户;层次分析法;应急电源配置;遗传算法

0 引言

重要电力用户在社会中占据极其重要的地位,一旦重要电力用户遭受停电影响,会对人身安全、社会安全、经济、政治等方面造成巨大的损失。传统配置电源方式为根据用户可允许断电时间配置不同种类、不同容量的应急电源设备来保障用户的供电[1]。事实上,大型城市电网处于高可靠性区域,且重要用户使用高可靠性供电模式[2-3],意味着电网出现故障的频率在总的时间尺度上属于低频率事件,备用电源的利用率低使得资源过度闲置,综合效益降低。

随着分布式电源和能源互联网的发展,重要用户所在区域内用户与用户之间、用户与分布式电源、储能装置等电网设备之间的联系更加紧密和灵活。在重要负荷的应急电源规划与配置使用上,利用分散布置在配网中的常规电源设备来兼顾应急功能可以有效降低资源配置成本,提高用能水平,增加社会效益。

目前对配电网中常规电源在应急方面的研究主要集中在含分布式电源的配电网重构的算法上[4-9],如文献[4]提出了针对故障情况下的含分布式电源配网结构优化策略,将其分解成孤岛划分与剩余网络重构2个子问题进行解决,文献[5]利用潮流追踪算法简化原系统为多个分区图,根据实际发电机分群确定初始划分方案并进行机型调整,文献[6]结合配电网辐射状网络、负荷依次接入的特征,提出了逐步最优的改进贪婪算法,分别以可供电功率最大与线损微增率最小为选择判据,求解故障后配电网网络重构与孤岛划分。上述研究侧重分析分布式电源在配网故障中的重构算法,并未细致考虑电源对重要用户的应急保障功能,以及该功能下传统应急电源配备容量的调整。

考虑到未来电网更加灵活和分布式电源日趋普及的发展趋势,在分析城市分布式电源类型与特点的基础上,提出了计及分布式电源的城市重要用户应急电源优化配置方法。以多人决策的层次分析法对重要用户的重要性进行量化,以遗传算法求解最大化等效重要负荷的孤岛划分,根据重要用户的允许断电时间优化传统应急电源的容量;并且加入联络开关约束以表征电网中分布式电源与重要用户相对位置对分布式电源应急利用率的影响,并基于分布式电源的应急方式,对重要用户的传统应急电源进行调整,实现不同电网结构约束下重要用户的应急电源优化配置。

1 优化配置方法

分布式电源在重要用户正常供电时,按照其常规计划与需求正常工作;在电网故障、重要用户失电情况下,通过线路开关的切换,分布式电源为附近重要用户提供应急电力支撑。

如何进一步量化选择分布式电源、对重要用户进行组合,达到应急支撑目的从而来调整传统应急电源配置,是本文的重点。选择多人决策的层次分析法来进行重要用户重要性的量化,表征其他环境变量一定时的供电优先级;以分布式电源与附近重要用户所在的电网结构为基础,将同一变电站下的分布式电源等效为一个集合电源点,将重要用户依据其供电模式抽象为两类节点简化网络结构,以分布式电源支撑下等效负荷最大为目标函数,在有功平衡约束下,加入站间联络开关惩罚因子,转化为非线性约束下的最优化问题,通过遗传算法求解得到最优的分布式电源、重要用户组合,最后依据组合内用户特征进行传统应急电源容量上的调整。

2 应急电源优化配置分析

2.1 分布式电源应急方式

城市重要用户所在区域通常处于高负荷密度区域,由于空间所限,不能大规模进行分布式电源的建设。城区微电网的发展以建筑一体化光伏和冷热电联供系统为主,冷热电联供系统是城市电网的发展趋势,其出力比较稳定,除对电能质量要求比较高的场合外,一般不需要额外配置储能设备[10],以联供系统为代表的出力稳定可控的城市分布式电源可以作为重要用户的应急备用电源。

风、光等间歇式能源在实际生产中往往与储能联合运行,配置储能后,其正常运行期间所能提供的最低功率输出作为其应急能力,这种情况下的应急利用与联供系统同样处理。

城市重要用户所在电网和供电模式可靠性高[2],意味着紧急情况在时间尺度上相比于正常状况是低频率、低持续时间的场景,用于支持重要用户应急保障的分布式电源或微电网在大多数时间下是正常运行方式。为不损害其正常效益,容量与运行方式按照正常运行时的场景最优化确定,这方面已有许多学者从不同角度对联供系统的设备选型、容量确定、运行方式进行了研究并取得一系列成果[11-13],这方面并不是本方法的重点。

正常情况下,分布式电源/微电网用户按照其正常场景方案的配置容量与运行方式获得最优综合收益,与以往配置及运行方式相同;市电网故障情况下,重要用户利用其自身分布式电源与附近同母线其他用户内分布式电源组合为孤岛进行应急供电,重要用户因其削减传统备用电源容量得到经济收益,其他供应电力的分布式电源可通过这种保障得到相应的补助分配,形成互赢局面。

2.2 重要性量化

用户重要性难以直接选取数据量化,多人决策AHP方法[14-15]是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法,本文使用此方法进行量化。

2.2.1 指标体系的建立

从用户供电可靠性的要求和用户中断供电危害程度2个方面对用户重要性进行评估,一般用户的供电可靠性要求由用户的特性所决定,用户的特性主要体现为用户对电能质量敏感的程度、用户的规模等内容;用户供电中断的危害则可分为人身伤亡、经济损失、社会公共秩序混乱、政治影响和环境污染,具体使用时可根据实际需要修正,指标体系如图1所示。

图1 重要性量化的层次指标体系
Fig.1 The hierarchy index system of importance quantifying

2.2.2 指标的加权系数

建立指标层次结构之后,以某一特定指标为目标,确定其下一阶指标的权重,采用1~9标度法对重要程度进行量化,衡量子指标对于上级指标的相对重要性,构建两两比较判断矩阵。

式中,aij的取值一般取正整数1~9(称为标度)及其倒数。

每个准则及其所支配的因素都可以得到一个比较判断矩阵,然后导出单个因素的权重,, …,,计算判断矩阵A的最大特征根λmax和其对应的经归一化后的特征向量W(即权重系数),对判断矩阵做一致性检验,以上可以得出某一指标下,其下一阶子指标的权重系数,最终通过准则的一层层权重加权得到相对于目标(重要性程度)的系数。

2.2.3 判断矩阵的平均处理

假定S位专家参与了用户评价指标重要性的评估,他们给出的n阶AHP判断矩阵分别为K=1, 2,…,S),由此可以构造群决策判断矩阵。

式中,中元素是由S位专家判断矩阵对应元素的平均几何值构成,相关文献己经证明,对于每个K,若为一致性矩阵,则A也为一致性矩阵。以此方式得到多人判断矩阵的平均,避免了个人失误带来的结果影响。

2.2.4 重要性量化数值的计算

若某项指标有定量数据作为支撑,如用户规模、电能质量敏感程度等,使用定量数据进行归一化以后作为指标数值。

当指标难以定量描述时,将重要用户看作层次分析法最下面一层,由S位专家得出判断矩阵,按照2.2.3节中的方式对判断矩阵进行平均,按照2.2.2节中的方式对判断矩阵处理,得到重要用户各指标下的单项分值,加权求和得到重要用户的重要性程度量化数值。

当用户过多(大于9),判断矩阵会显得庞大,一致性检验与调整变得困难,此时对重要用户进行分组计算,利用不同组重合的用户进行所有评价用户的合并、归一化。重要性量化数值越大,表征在其他条件一定的情况下,该用户优先供电的程度越高。

2.3 应急孤岛的划分和应急电源的调整

孤岛划分模型:对应急电源与重要用户负荷构成的拓扑网络,进行区域划分,形成应急电源与重要用户组合的计划孤岛。

目标函数:最大化等效负荷,兼顾馈线间联络开关的闭合个数尽量小。重要用户等效负荷为重要性参数和负荷大小之积,等效负荷最大,表示应急分布式电源利用的最大化;馈线间联络开关尽量少,意味着市网恢复供电时更加简单,同时降低重要用户在并网时需要再次断电的可能性。

约束条件:因变电站母线的存在,本文假设无功与电压约束可满足运行要求,主要考虑有功平衡约束,即孤岛内重要负荷之和不大于应急电源出力。

原始决策变量:电网拓扑图中的线路开关,包括负荷与馈线的开关、馈线分段开关及联络线开关。

根据城市电网结构[16],微电网用户分布与重要用户所在相关位置可用图2简要表示,算例中的线路均为10 kV配电网电压等级,其中的分布式电源指的是可以向电网供电的类型;所考虑的区域是出线为10 kV线路且存在联系的多个变电站及辖区重要用户构成的区域。

图2 含重要用户与分布式电源用户的电网结构
Fig.2 Structure of power grid with important loads and distributed generators

其电网结构特点为:①若10 kV变电站之间耦合联系增加时,综合多配电区域的实际开关数量大大增加;②用户分布式电源/微电网对附近重要用户紧急供电在不涉及专线时需通过母线进行连接;③不同变电站之间因馈线间联络线存在联系;④部分重要用户的双电源供电方式同时连接两个不同变电站。

区域内原始开关数量庞大,对原始变量“实际开关”简化为“虚拟开关”,并分析联络开关闭合约束对上述划分的影响。

2.3.1 决策变量的简化

原决策变量在网络中数量巨大,直接进行目标函数的优化计算量大、复杂度高,甚至难以实现,本文依据电网结构,对决策变量进行简化。

步骤1:将微电网用户或分布式电源看作与母线直接相连的电源点,即图3中的MG,网络结构中去掉没有应急供电能力的非重要用户,去除馈线的分段开关。

步骤2:默认闭合变电站内母线联络开关,将重要用户根据其供电模式主要划归为两类,即两条供电线路连接于同一变电站母线与不同变电站母线两类情况,第一类拥有1个“虚拟开关”,第2类拥有2个“虚拟开关”(即简化后的决策变量)。

步骤3:对于母线下馈线之间的联络线,同变电站的忽略不计,不同变电站等效为变电站之间的连接变量,即不同变电站按照实际结构等效出1个“虚拟开关”(即简化后的决策变量)。

图3 含重要用户与分布式电源的简化电网结构
Fig.3 Simplified structure of power grid with important loads and distributed generators

步骤4:进一步简化上述结构,母线电压调节装置的存在,将同母线电源点归为变电站电源点集合,形成同变电站下电源点集合(图4中的MG组合),作为整个结构中的电源点,其容量为该变电站下的分布式电源容量之和。

经过上述步骤,决策变量由“实际开关”变化为“虚拟开关”,出现数量级的减小,为后面的孤岛划分提供了算法复杂度上的便利。

图4 进一步简化后的重要用户与分布式电源电网结构
Fig.4 Further simplified structure of power grid with important loads and distributed generators

2.3.2 基于遗传算法的孤岛划分

1)虚拟开关的编码。

对于第一类重要用户即只有一个变电站作为电源,用一个0~1变量表示是否接入所处变电站。

对于联络线开关,以一个0~1变量表示站间连接。

对于第二类重要用户,根据文献[17]又可分为两种情况,一种用户两侧进线开关不能同时闭合供电,可用两个0~1变量[x1,x2],x1为0表示两侧均不闭合,重要用户不划入孤岛,反之表示有一侧闭合,x2取不同值表示闭合不同侧供电;第二种用户两侧进线可同时闭合供电,用m个0~1变量[x1,x2,…,xm]表示,x1取0表示两侧均断开,反之表示一侧或两侧闭合,[x2,x3,…,xm]以二进制表示两侧的供电功率分配,m取值越大,表示分配得越精细。

2)适应度函数。

式中:X表示编码序列,为一组0~1变量,为用户重要系数,P为重要用户负荷,F1表示重要用户等效负荷之和,F2衡量的是功率约束惩罚函数,划分完成时不大于0,F3表示联络线上开关的闭合惩罚函数,整体适应度函数为

式中:k1为功率约束惩罚系数,取正值,表示对不满足约束条件的惩罚;k2为联络线开关惩罚因子,取非负值,表征联络线开关闭合的影响。

3)初始化种群。

第一类重要用户n1个,第二类重要用户第一种n2个,第二种n3个,站间联络线开关n4个,则每个染色体含个0~1变量,形如[x1,x2,…,xn],随机生成种群,种群数为S

4)选择操作。

采用比例选择的轮盘赌随机选择方式。

5)交叉与变异。

i=1到S重复如下过程:选择[0,1]中的一个随机数t,若满足tPc(交叉概率),则实现交叉操作;选择[0,1]中的一个随机数r,若rPm(变异概率),即实现变异操作。

6)迭代。

设置最大迭代次数,观察最优染色体收敛情况,记录每代染色体中的最优解,在迭代完成后所有代中的最优解作为问题的解。

2.3.3 传统应急电源的调整

传统应急电源的配置依据重要负荷大小和需求持续供电时间进行选择,典型配置选择文献[1]中已有分析。本文考虑分布式电源的应急作用,将对原始应急电源的容量和持续时间进行调整,方法如下:

对于未应急孤岛的重要用户,其传统应急备用电源容量和持续时间不做调整。

对于受到孤岛内电源保障的电源用户,考虑到市电网失电到孤岛形成稳定运行的时间T,根据文献[1]将用户分为两种情况调整。

1)对于允许断电时间在T以上的用户(以下简称“类型①用户”),可以承受孤岛形成所需时间,传统备用电源可不再配置。对于这种重要用户,原应急备用电源由分布式应急电源替换。

2)对于允许断电时间在T以内的用户(以下简称“类型②用户”),即用户不可承受断电到孤岛形成所需的时间,此种情况传统应急电源备用的功率大小不作调整,放电时间减小为大于T的最小工程配置。对于这种用户,缩小传统备用应急持续时间,对于最典型的UPS来说即减小配置的容量(MWh);仅利用缩小持续时间后的传统应急备用电源,将这类用户转化为允许断电时间在T以上的用户。

3 算例分析

以某市重要用户较为集中的一块区域为例,分析区域应急电源容量调整的情况,重要性系数直接显示在图5中,区域内20个重要用户采用单变电站双回路供电;8个重要用户采用双变电站电源供电,其中4个属于可双侧同时供电,4个属于只可单侧供电类型;属于10个出线电压等级为10 kV的变电站供电,重要用户与分布式电源电网结构如图5所示。

算例参数n1=20,n2=4,n3=4,m=4,n4=14,故染色体长度n=58,交叉概率0.6,变异概率0.005,种群大小200,最大进化次数800次,整体分布式电源容量为28.3 MW,T取1 min,UPS/EPS/动态UPS最小持续时间规格为10 min。

此区域重要负荷35.23 MW,其中:对于允许断电时间在T以上的用户(类型①用户)负荷为22.15 MW,配置类型为持续时间1 h的EPS/燃气发电机/柴油发电机;对于允许断电时间在T以内的用户(类型②用户)负荷为13.08 MW,配置类型为持续时间为1 h的UPS/EPS/动态UPS,传统应急电源配置整体情况见表1。

图5 某区域重要用户与分布式电源电网结构
Fig.5 Structure of power grid including important loads and distributed generator in a region

图6K1=2,K2=0时的孤岛划分情况
Fig.6 Optimal partition of isolated islands whenK1=2,K2=0

表1 不考虑分布式电源时的传统应急电源配置
Table1 Allocation of traditional emergency power supply when not considering distributed generation

1)K1=2,K2=0,此时对联络线无约束,最优解如图6所示。

联络线开关闭合效果为[站1]、[站2,站3,…,站10]各成为一个孤岛组合,保障24.93 MW的重要用户,分布式电源利用率近88.09%,此时联络开关将大片区域连接起来,只有变电站1与其他的站间联络开关断开。

该情况不考虑联络线开关的闭合数量,惩罚因子为0,可以看到使得类型①用户的配置持续时间减少,类型②用户的配置容量减少,整体对传统应急电源配置的影响如表2所示。

2)K1=2,K2=1,此时对联络线闭合数量惩罚系数为1,优化结构如图7所示。

表2K1=2,K2=0时的传统应急电源配置
Table2 Allocation of traditional emergency power supply whenK1=2,K2=0

联络线开关闭合效果为[站1]、[站3]、[站10]、[站2、站7]、[站4、站5、站6、站8、站9]各自成为孤岛,可以看出因为惩罚系数的原因,整片区域开始分裂成小区域孤岛,保障19.23 MW重要用户,分布式电源利用率为67.95%。孤岛的划分已由2块拓扑区域变为5块区域,意味着更少的联络开关,即牺牲一定的分布式电源利用率换来联络开关闭合减少。

该情况考虑联络线开关的闭合数量,惩罚因子为1,对传统应急电源配置的影响如表3所示。

3)K1=2,K2=2,此时对联络线闭合数量惩罚系数为2,优化结构如图8所示。

此时联络线开关闭合效果为,仅有[站8、站10]连接,其余为独立孤岛,保障22.73 MW的重要用户,分布式电源利用率为80.31%。

图7K1=2,K2=1时的孤岛划分情况
Fig.7 Optimal partition of isolated islands whenK1=2,K2=1

图8K1=2,K2=2时的孤岛划分情况
Fig.8 Optimal partition of isolated islands whenK1=2,K2=2

该情况考虑联络线开关的闭合数量,惩罚因子为2,对传统应急电源配置的影响如表4所示。

表3K1=2,K2=1时的传统应急电源配置
Table3 Allocation of traditional emergency power supply whenK1=2,K2=1

表4K1=2,K2=2时的传统应急电源配置
Table4 Allocation of traditional emergency power supply whenK1=2,K2=2

由上述3种情况可以看出,在不同情况下,分布式电源可以保障区域内一定的重要用户,节省传统备用电源的容量。

联络开关的闭合限制影响着分布式电源作为应急电源的利用效率:当联络开关闭合数量限制不严格时,体现为重要性越大的用户优先得到保障,即K1=2,K2=0的情况;当联络开关闭合数量严格时,分布式电源会偏向于优先保障距离较近不用跨越联络开关的重要用户,即K1=2,K2=1和K1=2,K2=2的情况。这意味着当应急电源与负荷在电网所在位置分布不平衡,需要通过联络开关进行电力供应,联络开关闭合数量的限制程度将很大程度影响文中对传统应急电源的容量调整。

4 结论

随着未来城市电网智能化的发展,考虑到传统应急备用电源的高闲置状态,本文提出了计及分布式电源的城市重要用户应急电源优化配置方法,将这些分布式电源作为附近区域重要用户的备用电源,市网故障时进行调用管理作为应急保障,调整传统备用电源的容量以提高资源利用率,算例表明:

1)利用稳定可控分布式电源进行应急保障可减少传统备用的容量,对于不同类型的重要用户调整的方式有所不同。

2)分布式电源的应急利用率和用户的相对位置有关,当联络开关闭合数量受到限制,分布式电源的应急利用受到影响。

对于联络开关的成本以及成本与效益的定量关系,本文简化采用惩罚因子对数量进行线性衡量,其具体关系有待进一步分析研究,以得到更为符合实际的优化配置方式。

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Optimal Allocation of Emergency Power Supply of Urban Important Loads Considering Distributed Generation

LIU Fei1,2, TANG Liangliang1,2, DENG Heming1,2, WU Jun3
(1. NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211106, Jiangsu Province, China;2. Wuhan NARI Limited Liability Company, State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, Hubei Province, China;3. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments(Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China)

Abstract:In the mode of urban high-reliability power supply,the utilization of the emergency power supply allocated for the important loads is low, and the waste of resources is serious.With the development of power grid in the future, distributed generations(DGs) are becoming more and more popular in the city, and they can also play a role of the emergency power supply so as to further exert the function of DG. An optimization configuration method of emergency power supply is proposed in the paper for urban important loads, which takes into account the DGs. The emergency working mode is determined by the type and characteristics DGs, and the multi-person decision AHP method is used to quantify user importance. Then, based on the structure of regional power grid, the optimal target is maximizing the important load, and the constraint is the active power balance. The emergency isolated island is divided by the genetic algorithm. The capacity of the traditional power supply configuration is adjusted according to the allowable power outage time for the important users entering the planned isolated island. The case study shows that this configuration method can effectively utilize the ability of local emergency response of DGs to reduce the configuration capacity of traditional backup power supply. The utilization of DG is affected by its relative position with important users.

Keywords:distributed generation; important loads; analytic hierarchy process; emergency power configuration; genetic algorithm


刘飞

作者简介:

刘飞(1970),男,博士,高级工程师,研究方向为新能源与节电技术开发及应用,E-mail:liu_fei@sgepri.sgcc.com.cn。

汤亮亮(1984),男,博士,主要从事高电压与绝缘技术、输电线路运行维护以及电力系统接地技术,E-mail:332028514@qq.com。

邓鹤鸣(1979),男,博士,高级工程师,主要从事高电压与绝缘技术、输电线路运行维护方面的研究工作,E-mail:dengheming@sgepri.sgcc.com.cn。

(责任编辑 赵杨)

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