CN111598348A - 一种输电网均匀性规划优化方法、***、介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种输电网均匀性规划优化方法、***、介质及电子设备，属于输电网规划技术领域，获取输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息以及与预设输电网相关联的发电机组运行场景信息；将获取的数据信息输入到结合输电网的均匀性指标构建的预设目标函数模型中，采用混合整数线性规划算法求解目标函数，得到输电网均匀性规划优化方案；本公开在空间上提高了清洁能源的接入能力，在时间上提高了对清洁能源时变的消纳能力，同时能够避免部分输变电设备长期重载运行或者频繁操作所引起的设备疲劳问题。
Description
技术领域
本公开涉及输电网规划技术领域，特别涉及一种输电网均匀性规划优化方法、***、介质及电子设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
电网规划是电力***规划的基本内容之一，合理有效的电力网络是确保电力供需平衡和***安全经济运行的重要保障。随着国家环境治理的不断深入，在能源利用上提出了“因地制宜地开发利用可再生能源，推广使用清洁高效能源”的政策，分布式清洁能源接入电网规模不断提高。而作为清洁能源主力的风电光伏具有发电出力不确定的特征，这给输电网规划带来新的挑战。
本公开发明人发现，现有的输电网规划的建模方法需要列举数目巨大的预想场景来保证***运行的可靠性，然而这会使优化模型规模过大，难以求解；电网的频繁调整或者使某些设备长期重载，降低了设备的使用寿命，极大的提高了维护成本。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种输电网均匀性规划优化方法、***、介质及电子设备，在空间上提高了清洁能源的接入能力，在时间上提高了对清洁能源时变的消纳能力，可以进一步提高电网的可靠性，同时能够避免部分输变电设备长期重载运行或者频繁操作所引起的设备疲劳、加速老化及故障率升高等问题。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种输电网均匀性规划优化方法。
一种输电网均匀性规划优化方法，包括以下步骤：
获取输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息以及与预设输电网相关联的发电机组运行场景信息；
将获取的数据信息输入到预设目标函数模型中，采用粒子群算法求解目标函数，得到输电网均匀性规划优化方案；
预设目标函数模型的构建，具体为：
以整个规划周期内输电网建设和运行成本最低为目标，结合输电网的均匀性指标以及输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息指标和运行场景信息指标，构建输电网均匀性规划优化的目标函数。
本公开第二方面提供了一种输电网均匀性规划优化***，包括：
数据获取模块，被配置为：获取输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息以及与预设输电网相关联的发电机组运行场景信息；
均匀性规划模块，被配置为：将获取的数据信息输入到预设目标函数模型中，采用粒子群算法求解目标函数，得到输电网均匀性规划优化方案；
预设目标函数模型的构建，具体为：
以整个规划周期内输电网建设和运行成本最低为目标，结合输电网的均匀性指标以及输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息指标和运行场景信息指标，构建输电网均匀性规划优化的目标函数。
本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的输电网均匀性规划优化方法中的步骤。
本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的输电网均匀性规划优化方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本本公开提供的方法、***、介质及电子设备，综合考虑了多建设投资阶段的输电线路建设费用、发电设备的建设费用与运行成本，在模型中加入均匀性指标，均匀的电网有利于空间上提高清洁能源的接入能力；在时间上有利于对清洁能源的时变的消纳能力；可以进一步提高电网的可靠性，同时避免部分输变电设备长期重载运行或者频繁操作所引起的设备疲劳、加速老化及故障率升高等问题。
2、本本公开提供的方法、***、介质及电子设备，考虑了电网建设投资的时序性、空间性，考虑了输电元件投资建模的离散性，考虑了新能源如光伏电场、风电场发电的分散性与难以预测的性质，又考虑了电源建设周期的差异性，适应于源-荷多元化发展下的输电网规划。
3、本本公开提供的方法、***、介质及电子设备，提高了输电设备全寿命周期健康水平，降低了设备故障率，并以加权的形式，将多建设投资阶段的输电线路建设费用分别与各阶段输电线路均匀性指标共同考量；实际规划工作中可根据不同的需求，对加权系数进行不同的赋值，结合发电机在规划周期内的综合费用作为目标函数，既可以保证非常有效的实现降低费用、节约成本的目标；又在一定程度上提高了应对未来可能出现的、不可预测的突发性事件的能力。
4、本本公开提供的方法、***、介质及电子设备，提高了输电元件的利用率，增强***的安全裕度；在输电网规划周期内综合费用最低的目标函数中加入均匀性指标，同时兼顾了安全性、经济性与均匀性。电力***潮流分布的均衡与否是决定***是否进入自组织临界态的重要因素，对***运行安全有重要影响；提高了电网结构均匀性有助于降低运行调度的难度，降低了输电网***发生大规模连锁故障的概率。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的输电网均匀性规划优化方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种输电网均匀性规划优化方法，包括以下步骤：
获取输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息以及与预设输电网相关联的发电机组运行场景信息；
将获取的数据信息输入到预设目标函数模型中，采用粒子群算法求解目标函数，得到输电网均匀性规划优化方案；
预设目标函数模型的构建，具体为：
以整个规划周期内输电网建设和运行成本最低为目标，结合输电网的均匀性指标以及输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息指标和运行场景信息指标，构建输电网均匀性规划优化的目标函数。
具体方案如下：
步骤一：对输电网各个节点的负荷在规划周期内各个阶段的发展前景进行预测，获得负荷需求分布，并设定需要的输电线路等电网元件的参数和可选择的线路走廊等信息，并形成可选择的路径方案；
采集与统计与预设输电网相关联的发电机组运行场景，以及在相应场景下对应负荷时段的有功出力及弃风/弃光量。
所述运行场景为在预测的负荷分布的基础上，发电机组的位置和容量的规划，并通过潮流计算形成实际发电容量等潮流计算结果，对于风电/光伏电站，就存在着弃风/弃光量。
电网元件的参数主要是指输电线路的电阻、电抗、电导等参数，也是在输电网潮流计算需要的。例如：节点1到节点2一条输电线路的电阻、电抗及对地电导分别为0.12、0.42、0.04(标幺值)，线路最大传输容量为90MVA等。
连接各个节点的输电线路承担负荷的传送，可选择的路径方案就是各节点间的输电线路怎么布置，转化到本模型就是那些节点间有线路，输电线路的长度等等，比如这么一个案例中，各节点间的线路长度如表1所示：
表1：各节点间的线路长度
| 节点1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 节点1 | 40 | 38 | 60 | 20 | 68 | |
| 节点2 | 20 | 40 | 31 | 30 | ||
| 节点3 | 59 | 20 | 48 | |||
| 节点4 | 63 | 30 | ||||
| 节点5 | 63 |
由研究表明，所述风电场的风速近似服从weibull分布，风速的概率密度函数：
风机的输出功率可描述为：
其中，k与c是weibull分布的参数，分别代表形状参数和尺度参数；Pw是风力发电机实际输出的有功功率；Pr为风力发电机额定输出功率；vr是风力发电机的额定风速；vci是风力发电机的切入风速；vco是风力发电机的切出风速；v是风力发电机的实际风速。
光伏电站处于一组状态组合的概率为：
其中f(Pm)为光伏电站输出的有功功率为Pm的概率；Pmax为光伏电站最大输出有功功率；Γ为伽马函数；α和β为beta分布的形状参数；r为实际光照强度；rmax为最大光照强度；
进一步，根据需要将目标输电网整体规划周期划分为多个规划投资阶段，以其在各个阶段时所有输电线路负载率的标准差作为输电网均匀性的指标：
其中，σ为电网所有输电线路负载率的标准差；nLine为规划初始阶段到该阶段末所建的所有输电线路的总数；μi为线路i传输的有功功率的实际值和最大允许值之比，即负载率；μave为规划初始阶段到该阶段末所建的所有输电线路负载率的平均值；
步骤二：构建所述优化模型的目标函数表达式为：
即，在考虑电网均匀性的条件下，目标为整个规划周期内，输电网综合建设、运行成本最低。
其中，Nt为负荷时段集合；NnGt为各时段新建发电设备集合；CnG,t为t时段新建发电设备nG的单位功率投资成本；PnG,t为t时段新建发电设备nG的装机容量；τt为负荷时段t的持续时间；NGt为t时段时已建发电设备集合；M为贴现率；τt代表t时段时长；CG为发电设备G的运行成本特性函数；
为发电设备G于t时段输出的有功功率；
为t时段内场景s出现的概率；χG为发电设备G弃光/弃风惩罚成本；
为发电设备G在s场景下于t时段的弃光/弃风量；NS为输电网规划投资阶段集合；Nl为规划建设的输电线路集合；
为归算到投资阶段i时线路L的投资成本；
为线路走廊l在第i阶段候选扩建的线路条数，为非负整数变量；Ri为规划期初始到第i阶段末的总时段数,
rj为第j阶段的时段数；σi为规划期初始到投资阶段i时电网所有输电线路负载率的标准差；a是对应输电线路建设费用的调节系数，a<1，数值越小，对输电网不均匀性的惩罚越小。
在公式(5)中，
表示规划阶段中，某时段不同运行场景下的弃光/弃风会造成的有功出力浪费，为减少这种资源损失，在模型中增加的弃光/弃风量惩罚因子。s场景就是某个时段的运行状况；Ω为所有时段的集合，s场景就包含在集合中；
为弃风弃光浪费的发电功率；χG为惩罚成本；
为出现概率。这一部分总的含义是要对弃风弃光造成的资源浪费进行惩罚，通过惩罚因子迫使规划方案向减少清洁能源浪费的方向优化。惩罚成本可以调节这种惩罚的强度。
传统输电网规划方法在部分案例中可能会出现虽然结果方案整体费用最低，但是常常需要运行在约束边界上这一现象；也正是因为这一问题的存在，传统输电网规划常常会采用比较保守的约束条件，网架结构存在很多优化的空间，在一定程度上造成了资源浪费的现象；本实施例所述的方法可以有效防止这一情况，可用于多源网络结构的输电网规划决策，有利于促进电网规划的准确性与资源节约。
本实施例所述的电网规划基本约束包括输电线路容量约束、节点功率平衡式约束、机组出力约束、静态投资回收约束和N-1安全检验约束，具体为：
(1)发电厂有功功率上下限约束：
其中：
和P G分别为发电设备G输出的有功功率上下限；
(2)节点功率平衡约束：
其中，Pl t为负荷时段t输电线路走廊l上输电线路的传输有功功率；NS,i,t和NE,i,t分别为时段t以节点i为首、末端节点的输电线路走廊集合；NGt,i和NLoad,i分别表示节点i上的发电设备集合和负荷集合；
为时段t时的有功负荷大小；NB为输电网节点集合；
(3)输电线路传输容量约束：
其中，NL为输电线路走廊集合；Bl为输电线路走廊l单回输电线路的电纳；为负荷时段t节点i电压相角；为输电线路走廊l原有的输电线路条数；
(4)静态投资回收约束
其中，CnG为发电设备nG的单位功率投资成本；PnG为发电设备nG的装机容量；YnGt为发电设备nG从建设到预计损坏之间负荷时段集合；
为t时段发电设备nG的平均输出的有功功率；
为发电设备nG在t时段的综合弃光/弃风系数(火力发电厂等常规能源，可将此项设为0)；
为t时段综合电价；CnG为发电设备G的运行成本特性函数；
(5)N-1预想事故情况下电源有功功率上下限约束：
式中：NK为预想事故集合；上标(k)标记预想事故运行状态k，表示预想事故k下发电设备G在时段t输出的有功功率；
(6)N-1预想事故情况下输电线路传输容量约束：
其中：
为预想事故k下负荷时段t输电线路l的传输有功功率，
为预想事故k下负荷时段t节点i电压相角；
为预想事故k下线路走廊l是否有输电线路停运，为二进制整数参变量，
表示预想事故k下输电线路走廊l有输电线路停运，
表示预想事故k下输电线路走廊l没有输电线路停运；
(7)N-1预想事故情况下节点功率平衡约束：
(8)输电线路走廊最大可扩建线路条数约束：
其中，
为输电线路走廊l最大可扩建线路条数；
(9)节点电压相角约束：
(10)N-1预想事故情况下节点电压相角约束：
步骤三：将所述模型采用粒子群算法求解，得到输电网均匀性规划优化方案。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种输电网均匀性规划优化***，包括：
数据获取模块，被配置为：获取输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息以及与预设输电网相关联的发电机组运行场景信息；
均匀性规划模块，被配置为：将获取的数据信息输入到预设目标函数模型中，采用粒子群算法求解目标函数，得到输电网均匀性规划优化方案；
预设目标函数模型的构建，具体为：
以整个规划周期内输电网建设和运行成本最低为目标，结合输电网的均匀性指标以及输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息指标和运行场景信息指标，构建输电网均匀性规划优化的目标函数。
所述***的工作方法与实施例1中的输电网均匀性规划优化方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的输电网均匀性规划优化方法中的步骤。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的输电网均匀性规划优化方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种输电网均匀性规划优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息以及与预设输电网相关联的发电机组运行场景信息；
将获取的数据信息输入到预设目标函数模型中，采用粒子群算法求解目标函数，得到输电网均匀性规划优化方案；
预设目标函数模型的构建，具体为：
以整个规划周期内输电网建设和运行成本最低为目标，结合输电网的均匀性指标以及输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息指标和运行场景信息指标，构建输电网均匀性规划优化的目标函数。
2.如权利要求1所述的输电网均匀性规划优化方法，其特征在于，所述目标输电网整体规划周期被划分为多个规划阶段，获取各个规划阶段的负荷预测结果；
获取与目标输电网的电网元件参数和可选择的路径方案以及线路走廊相关信息；
采集与预设长度线路相关联的发电机组运行场景，以及在相应场景下对应负荷时段的有功出力及弃风或弃光量。
3.如权利要求1所述的输电网均匀性规划优化方法，其特征在于，所述输电网的均匀性指标为每个规划阶段中所有输电线路负载率的标准差。
4.如权利要求3所述的输电网均匀性规划优化方法，其特征在于，所述均匀性指标，具体为：
其中，σ为电网所有输电线路负载率的标准差；nLine为规划初始阶段到该阶段末所建的所有输电线路的总数；μi为线路i传输的有功功率的实际值和最大允许值之比，即负载率；μave为规划初始阶段到该阶段末所建的所有输电线路负载率的平均值。
5.如权利要求1所述的输电网均匀性规划优化方法，其特征在于，所述目标函数，具体为：
其中，Nt为负荷时段集合；NnGt为各时段新建发电设备集合；CnG,t为t时段新建发电设备nG的单位功率投资成本；PnG,t为t时段新建发电设备nG的装机容量；τt为负荷时段t的持续时间；NGt为t时段时已建发电设备集合；M为贴现率；τt代表t时段时长；CG为发电设备G的运行成本特性函数；
为发电设备G于t时段输出的有功功率；
为t时段内场景s出现的概率；χG为发电设备G弃光/弃风惩罚成本；
为发电设备G在s场景下于t时段的弃光/弃风量；NS为输电网规划投资阶段集合；Nl为规划建设的输电线路集合；
为归算到投资阶段i时线路L的投资成本；
为线路走廊l在第i阶段候选扩建的线路条数，为非负整数变量；Ri为规划期初始到第i阶段末的总时段数；σi为规划期初始到投资阶段i时电网所有输电线路负载率的标准差；a与b分别是对应输电线路建设费用和标准差的加权系数，满足a+b＝1的条件。
6.如权利要求1所述的输电网均匀性规划优化方法，其特征在于，所述输电网均匀性规划优化的目标函数包括输电线路容量约束、节点功率平衡式约束、机组出力约束、静态投资回收约束和N-1安全检验约束。
7.如权利要求6所述的输电网均匀性规划优化方法，其特征在于，所述N-1安全检验约束包括N-1预想事故情况下电源有功功率上下限约束、N-1预想事故情况下输电线路传输容量约束、N-1预想事故情况下节点功率平衡约束和N-1预想事故情况下节点电压相角约束。
8.一种输电网均匀性规划优化***，其特征在于，包括：
数据获取模块，被配置为：获取输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息以及与预设输电网相关联的发电机组运行场景信息；
均匀性规划模块，被配置为：将获取的数据信息输入到预设目标函数模型中，采用粒子群算法求解目标函数，得到输电网均匀性规划优化方案；
预设目标函数模型的构建，具体为：
以整个规划周期内输电网建设和运行成本最低为目标，结合输电网的均匀性指标以及输电网规划周期内多个规划阶段的负荷信息指标和运行场景信息指标，构建输电网均匀性规划优化的目标函数。
9.一种介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的输电网均匀性规划优化方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的输电网均匀性规划优化方法中的步骤。
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