[发明专利]一种考虑N-1安全准则的配电网与储能联合规划方法

权利要求书

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，C^INV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；Ω^DG为DG出力的典型场景集，ξ_ω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C^INV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；Ω^l、Ω^SS和Ω^ESS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，T^x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Ω^C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Ω^C＝{{无故障}∪Ω^LC∪Ω^DGC}，其中的Ω^LC表示线路故障事件集，Ω^DGC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，v_s,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，D_s,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，Z_l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，n^DG为配电网中所接入DG的总数量；

2-2-7)储能运行相关约束：

SOC_min≤SOC_e,ω,t,0≤SOC_max

SOC_e,ω,0,0＝SOC_e,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，η^C表示储能的充电效率，η^D表示储能的放电效率，SOC_e,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、SOC_min和SOC_max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，ω_c和t_c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(s_c,r_c)；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s_c；

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z^l、z^SS和z^NT，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x^l、x^SS和x^NT相关的项分别替换为x^l+z^l、x^SS+z^SS和x^NT+z^NT，并加入对应的逻辑约束：

x^a+z^a≤1,a∈{l,SS,NT}

3-2)将步骤2)的模型的目标函数修改为最小化再投资变量之和，得到检验优化模型的目标函数如下：

3-3)将步骤2)建立的模型中所有约束中的运行变量维度变为1维，下标中仅保留该变量对应的节点索引或线路索引；

3-4)根据故障类型是线路故障还是DG故障在以下约束中选取对应约束加入检验优化模型：

4)求解步骤2)建立的考虑DG和线路故障的配电网与储能联合规划模型，得到当前联合规划方案和当前配电网运行方案；利用步骤3)建立的模型对当前方案对应的故障集进行迭代N-1检验，最终得到通过N-1检验的联合规划方案和配电网运行方案；具体步骤如下：

4-1)将步骤1)生成的DG典型日曲线输入步骤2)建立的考虑DG和线路故障的配电网与储能联合规划模型，并初始化线路故障事件集Ω^LC和DG故障事件集Ω^DGC均为空，并分别作为当前Ω^LC和当前Ω^DGC；

4-2)求解步骤2)建立的模型，得到应对当前Ω^LC和当前Ω^DGC中故障的当前联合规划方案X和当前配电网运行方案Y；其中，联合规划方案包括配电网规划方案(x^l,x^SS,x^NT)与储能规划方案；

4-3)对配电网中可能出现的DG故障进行N-1检验；具体步骤如下：

4-3-1)选取DG检验的代表性故障时刻为DG出力最大的时刻；

因此，对于接入点为s_j的DG，其代表性故障时刻为：

4-3-2)利用步骤3)建立的优化模型，对配电网Ω^DG中所有DG进行逐一的N-1检验；对于每一个待检验DG，仅考虑故障发生在步骤4-3-1)选取的代表性故障时刻(ω_c,t_c)时的情形：将步骤4-2)求得的当前联合规划方案X、待检验DG在配电网中的接入点s_c和步骤4-3-1)选取的代表性故障时刻(ω_c,t_c)输入步骤3)所建立的N-1检验优化模型并求解；

若求解结果为有解且最优值等于0，则表示N-1检验成功，当前规划方案X可以应对该DG的故障事件；若求解结果为有解且最优值大于0，则表示N-1检验失败，当前规划方案X无法应对该DG的故障事件但是可以通过再投资应对；若求解结果为无解，则表示N-1检验失败，无法通过规划应对该DG的故障事件；

若该待检验DG对应的结果为N-1检验成功或者无法通过规划应对该DG的故障事件，则对该DG的N-1故障检验完成，从选取下一个待检验DG进行N-1检验；若该待检验DG对应的结果为当前规划方案X无法应对该DG的故障事件但是可以通过再投资应对，则停止本轮对于所有DG的N-1检验，将该DG的故障事件加入当前Ω^DGC，更新当前Ω^DGC后返回步骤4-2)开始进行下一轮迭代，其中该DG的故障事件包括该DG在配电网中的接入点s_c和故障时刻(ω_c,t_c)；若所有DG的N-1检验均完成，则进入步骤4-3)；

4-4)根据当前联合规划方案X和当前配电网运行方案Y，识别需要进行N-1检验的代表性故障线路集RCL，并按照配电网正常运行时的线路电流大小的降序对该线路集中的线路进行排列；RCL的识别方法如下：

令DG和储能接入点的节点度加1，则RCL由当前配电网运行方案对应的有向图D中所有最小环L_i内节点度超过2的节点V的出枝构成，即具体步骤如下：

4-4-1)在规划前，以配电网的所有节点为顶点、所有线路为边构建与该配电网对应的无向图G；

4-4-2)定义不含任何环的环单元为最小环L，定义不在任意最小环L中的线路为桥支路B；在无向图G中去掉所有桥支路B后，计算出所有节点的节点度ND；对于DG和储能的所有待选接入点，更新其节点度ND为计算结果的基础上加1；

4-4-3)根据步骤4-2)中求得的当前配电网运行方案Y，以Y中节点为顶点、线路为边、线路的电流流向为边的方向构建与该配电网运行拓扑对应的有向图D；

4-4-4)定义以任一顶点为其中一个端点且方向为流出该顶点的边为该顶点的出枝OE，则有向图D中所有最小环L内节点度ND超过2的顶点的出枝OE对应的线路构成RCL；

4-5)对步骤4-4)得到的RCL中线路的故障进行N-1检验；具体步骤如下：

4-5-1)选取线路检验的代表性故障时刻为变电站出力总功率的最大时刻：

4-5-2)利用步骤3)建立的优化模型，对集合RCL中的所有线路进行逐一的N-1检验；对于每一条待检验线路，仅考虑故障发生在步骤4-5-1)选取的代表性故障时刻(ω_c,t_c)时的情形：将步骤4-2)求得的当前联合规划方案X、待检验线路在配电网中的索引(s_c,r_c)和步骤4-5-1)选取的代表性线路故障时刻(ω_c,t_c)输入步骤3)所建立的N-1检验优化模型并求解；

若求解结果为有解且最优值等于0，则表示N-1检验成功，当前规划方案X可以应对该线路的故障事件；若求解结果为有解且最优值大于0，则表示N-1检验失败，当前规划方案X无法应对该线路的故障事件但是可以通过再投资应对；若求解结果为无解，则表示N-1检验失败，无法通过规划应对该线路的故障事件；

若该待检验线路对应的结果为N-1检验成功，则对该线路的N-1故障检验完成，从RCL中选取下一个待检验线路进行N-1检验；若该待检验线路对应的结果为当前规划方案X无法应对该线路的故障事件但是可以通过再投资应对，则停止本轮对于所有线路的N-1检验，将该线路的故障事件加入当前Ω^LC，更新当前Ω^LC后返回步骤4-2)开始进行下一轮迭代，其中该线路的故障事件包括该线路在配电网中的索引(s_c,r_c)和故障时刻(ω_c,t_c)；若该待检验线路对应的结果为无法通过规划应对该线路的故障事件，则利用与该线路相连的下游线路于RCL中替代该线路，重新进行本轮该线路的N-1检验；若所有线路的N-1检验均完成，则进入步骤4-6)；

4-6)输出当前联合规划方案X为最终的联合规划方案，输出该联合规划方案对应的当前配电网运行方案Y为最终的配电网运行方案，联合规划结束。