考慮儲(chǔ)能的變電站優(yōu)化規(guī)劃

考慮儲(chǔ)能的變電站優(yōu)化規(guī)劃陳浩;孫春順;余志勇漲媛;李杏【摘要】Energystorageinthepowersystemhasgreatapplicationprospects.Theeffectofenergystorageontheoptimalplanningofsubstationisstudied.Firstly,thesubstationplanningmodelwithenergystorageisestablishedonthebasisofenergystoragecontrolstrategy.Then,twomethodsareadoptedtogettheinitiallocationsintermsoftheexistenceofsubstations.OneistheordinaryVoronoidiagrammethodandtheotheristhecriterionofminimumloadmoment.Finally,accordingtotheplanningregionwhetheritcontainsenergystorage,asubstationoptimizationmethodbasedontheweightedVoronoidiagramisproposedtothenewsubstationplanning.%基于儲(chǔ)能在電網(wǎng)的巨大應(yīng)用前景，主要研究了儲(chǔ)能對(duì)變電站優(yōu)化規(guī)劃的影響。在確定了儲(chǔ)能控制策略的基礎(chǔ)上，建立了考慮儲(chǔ)能的變電站規(guī)劃模型。再根據(jù)是否含有已建變電站，分別利用常規(guī)Voronoi圖和結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)的負(fù)荷矩最小方法產(chǎn)生初始站址。最后通過(guò)作加權(quán)Voronoi圖的方法，根據(jù)規(guī)劃地區(qū)內(nèi)是否受到儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)，分別對(duì)新建變電站進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃?！酒诳Q】《電氣傳動(dòng)自動(dòng)化》【年(卷)，期】2015(000)004【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P22-26,30)【關(guān)鍵詞】?jī)?chǔ)能;變電站;加權(quán)Voronoi圖;優(yōu)化規(guī)劃【作者】陳浩;孫春順;余志勇漲媛;李杏【作者單位】長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410114;長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410114;長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410114;長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410114;廣東電網(wǎng)公司湛江供電局，廣東湛江524000【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM715變電站的選址規(guī)劃關(guān)系到電網(wǎng)的電源配置與網(wǎng)架布置，是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的重要影響因素［1］。變電站的選址優(yōu)化是在滿足負(fù)荷需求、線路容量和城市規(guī)劃要求的前提下，選擇合適的新建變電站位置，使得建設(shè)與運(yùn)行費(fèi)用最小。變電站選址規(guī)劃時(shí)需要考慮的因素很多，比如負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性［2］、地理空間信息［3］等。變電站的選址原則有很多，而靠近負(fù)荷中心應(yīng)該是這些選址原則里比較重要的一條。儲(chǔ)能接入電網(wǎng)后，能夠調(diào)節(jié)負(fù)荷峰谷差，平滑負(fù)荷曲線，改變區(qū)域負(fù)荷密度［4］。隨著儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的比例增大，對(duì)負(fù)荷峰谷差的調(diào)節(jié)作用也將加大。因此，變電站的優(yōu)化規(guī)劃應(yīng)當(dāng)越來(lái)越重視儲(chǔ)能因素所帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)［5］考慮了分布式電源對(duì)變電站綜合優(yōu)化規(guī)劃的影響，其中儲(chǔ)能技術(shù)用來(lái)平衡風(fēng)力發(fā)電的輸出功率。文獻(xiàn)［6］探討了儲(chǔ)能裝置在延緩配電網(wǎng)升級(jí)方面的價(jià)值，并分析了儲(chǔ)能應(yīng)用于配電網(wǎng)延緩升級(jí)方面需要注意的問(wèn)題。文獻(xiàn)［7］在含有可再生能源發(fā)電的典型配電網(wǎng)中，比較了變電站擴(kuò)容建設(shè)方案與接入儲(chǔ)能裝置兩種方案的優(yōu)劣。以上研究主要集中在儲(chǔ)能裝置與可再生能源發(fā)電相配合對(duì)變電站擴(kuò)容建設(shè)的影響，或者是將接入儲(chǔ)能裝置直接作為變電站擴(kuò)容的替代方案，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，對(duì)新建變電站規(guī)劃的影響這方面的研究很少。本文研究了儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的控制策略，利用作加權(quán)Voronoi圖［8］的方法，對(duì)含儲(chǔ)能的地區(qū)進(jìn)行新建變電站優(yōu)化規(guī)劃。儲(chǔ)能系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于能夠儲(chǔ)存電能和釋放電能，這實(shí)現(xiàn)了電能在時(shí)間和空間上的轉(zhuǎn)移，從而能夠調(diào)節(jié)負(fù)荷的峰谷差，調(diào)節(jié)作用的效果與儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電策略有關(guān)。本文中儲(chǔ)能系統(tǒng)采用功率差控制方式，即根據(jù)儲(chǔ)能裝置的容量和負(fù)荷曲線設(shè)置充放電功率的閥值，然后根據(jù)負(fù)荷曲線與閥值的功率差，確定每個(gè)時(shí)段的充放電功率。計(jì)算公式如下：式中：Pdt和Pct分別為單位時(shí)段的放電功率和充電功率；Pf為放電的最小功率閥值；Pb為充電的最大功率閥值；Z為單位時(shí)長(zhǎng)；t1和t2分別為放電和充電的起始時(shí)間點(diǎn)；T1和T2分別為放電和充電的總時(shí)長(zhǎng)；W為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量；Pmax和Pmin為負(fù)荷的峰值和谷值；Pav為平均功率。該式表示：儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電總量應(yīng)大于或等于放電總量，兩者均小于儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。當(dāng)系統(tǒng)為完全補(bǔ)償時(shí)，Pav=Pb=Pf。合理的變電站優(yōu)化規(guī)劃遵循的主要原則包括靠近負(fù)荷中心，網(wǎng)架布局合理，供電半徑合理以及變壓器容量滿足容載比要求。儲(chǔ)能接入電網(wǎng)后，能夠減小接入點(diǎn)負(fù)荷最大電能需求量，改變區(qū)域負(fù)荷密度。儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)負(fù)荷調(diào)節(jié)量的大小與儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制方式有關(guān)。具體的數(shù)學(xué)描述如下：式中：f（Si）和u（Si）分別為第i個(gè)新建變電站的投資費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用；n為新建變電站的個(gè)數(shù)；N為新建變電站的總數(shù)；Si為第i個(gè)變電站的容量；r0為貼現(xiàn)率；ms為變電站的使用年限；lij和lih為變電站i分別與普通負(fù)荷j和受儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的負(fù)荷h之間線路的長(zhǎng)度；Wj和Wh分別為普通負(fù)荷點(diǎn)j和受儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的負(fù)荷點(diǎn)h的有功負(fù)荷；Jp和Jh分別為變電站所供普通負(fù)荷與受儲(chǔ)能調(diào)節(jié)負(fù)荷的集合；a為單位長(zhǎng)度的線路投資費(fèi)用；B為線路網(wǎng)損的折算系數(shù)。假設(shè)在用電高峰期，儲(chǔ)能對(duì)負(fù)荷的輸出功率按照負(fù)荷占Jh總負(fù)荷的比例分配，該比例用nh表示，Ph表示受儲(chǔ)能調(diào)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際負(fù)荷，Pz表示集合Jh的總負(fù)荷，Pdt-max表示儲(chǔ)能裝置的額定功率。變電站與負(fù)荷點(diǎn)不是直線相通的，為此設(shè)定曲折系數(shù)P；Dij和Dih表示變電站分別與負(fù)荷點(diǎn)j和h之間的直線距離。約束條件：式中：e（Si）為第i個(gè)變電站的負(fù)載率；cos中為功率因數(shù)；Ri為第i個(gè)變電站供電半徑的限值。4.1加權(quán)Voronoi圖作為常規(guī)Voronoi圖的一種擴(kuò)展形式，加權(quán)Voronoi圖可定義為：設(shè)二維空間上—個(gè)控制點(diǎn)集P=（P1,P2，…，Pn）,3<n<8,給定n個(gè)正實(shí)數(shù)入"i=1,2，…，n）,則任意點(diǎn)的加權(quán)Voronoi圖可定義為：式中：d（Pi,Pj）表示Pi和Pj之間的歐氏距離，Pi町，母j,i,j{1,2，…，n}°x為平面上任意點(diǎn)。通過(guò)V（Pi,入i）將平面分割成n部分，入i即點(diǎn)Pi的權(quán)重（圖1中各點(diǎn)附近的數(shù)字即該點(diǎn)的權(quán)重）。常規(guī)Voronoi圖就是權(quán)重相等的加權(quán)Voronoi圖，如圖1所示。根據(jù)常規(guī)V圖的空?qǐng)A特性，半徑最大的最大空?qǐng)A即為理論上最適合新建變電站的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)即為新建變電站的最佳站址。加權(quán)V圖通過(guò)對(duì)發(fā)生元附加權(quán)重，能夠反映出負(fù)荷分布不均勻，各變電站的額定容量和負(fù)載率不同對(duì)變電站供電范圍的影響。4.2計(jì)算流程首先，根據(jù)目標(biāo)年的負(fù)荷總量、儲(chǔ)能電站的總額定功率、已建變電站容量以及可建變電站容量類型來(lái)確定新建變電站的個(gè)數(shù)范圍；運(yùn)用整數(shù)規(guī)劃的優(yōu)化技術(shù)得到新建變電站的最佳容量組合；根據(jù)規(guī)劃區(qū)域是否含有已建變電站兩種情況，分別采用不同的方法產(chǎn)生新建變電站初始站址；然后，結(jié)合加權(quán)Voronoi圖和交替定位分配算法確定新建站建址及其供電范圍；最后，以年費(fèi)用最小的方案作為最終規(guī)劃方案。4.3確定新建站個(gè)數(shù)根據(jù)預(yù)測(cè)的目標(biāo)年負(fù)荷總量，預(yù)計(jì)的儲(chǔ)能電站容量以及已有變電站容量，可以求出目標(biāo)年的供電需求。在根據(jù)給定的變電站容量類型集合，就可以得出需要新建的變電站個(gè)數(shù)的最大值nmax和最小值nmin，則新建變電站個(gè)數(shù)n[nmax,nmin]。4.4確定新建站容量組合根據(jù)目標(biāo)年的供電需求和給定的新建變電站容量類型，在新建變電站個(gè)數(shù)范圍內(nèi)，可以確定m組新建站容量組合。針對(duì)這一問(wèn)題，建立數(shù)學(xué)模型如下：式中：k為變電站容量類型個(gè)數(shù)；Ti為第i種變電站的投資費(fèi)用；Ui為第i種變電站的運(yùn)行費(fèi)用；xi為第i種變電站的數(shù)量；Si為考慮負(fù)載率后第i種變電站的容量;Sexist為考慮負(fù)載率后已建變電站的總?cè)萘?；Senergy為慮充放電效率后儲(chǔ)能電站的總?cè)萘?；W為標(biāo)年總負(fù)荷。該容量組合問(wèn)題的規(guī)模不大，因此，采用整數(shù)規(guī)劃的優(yōu)化技術(shù)來(lái)解決。4.5新建變電站選址4.5.1選擇初始站址變電站選址的首要原則就是要靠近負(fù)荷中心。儲(chǔ)能系統(tǒng)接入到配電網(wǎng)后，將會(huì)減小負(fù)荷的峰值，改變區(qū)域負(fù)荷密度，負(fù)荷分布將趨向均勻化，負(fù)荷中心也將偏移。4.5.1.1確定無(wú)已建站的初始站址針對(duì)變電站應(yīng)靠近負(fù)荷中心的原則，在沒(méi)有建變電站的區(qū)域，以負(fù)荷矩最小[9]為準(zhǔn)則求出初始新建站址，再結(jié)合專家意見(jiàn)，確定新建變電站初始站址。新建站址公式如下：式中：JA=JpUJh,負(fù)荷點(diǎn)包括普通負(fù)荷與受到儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的負(fù)荷；（）為變電站i在第t+1次迭代的橫、縱坐標(biāo)；（xj,yj）為負(fù)荷點(diǎn)j的坐標(biāo)；Wj為JA集合中負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷值；。4.5.1.2確定已有變電站的初始站址Voronoi圖的空心圓特性能夠找出區(qū)域內(nèi)變電站供電的空白區(qū)，而且半徑最大的空心圓對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)即可認(rèn)為是建設(shè)新變電站的最佳位置。儲(chǔ)能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，將改變部分區(qū)域的負(fù)荷密度。該區(qū)域如果包括已有變電站的供電區(qū)域，則已建變電站站址將偏離負(fù)荷中心。因此，為了使得新建變電站更接近于負(fù)荷中心，初始站址的選取步驟如下：步驟一：以已建變電站為頂點(diǎn)，產(chǎn)生Voronoi圖。步驟二：對(duì)于受到儲(chǔ)能調(diào)節(jié)而改變負(fù)荷中心的區(qū)域，假設(shè)已建變電站遷址至新負(fù)荷中心，并以新形成的已建變電站站址為頂點(diǎn)，重新產(chǎn)生Voronoi圖。負(fù)荷中心按下式求?。菏街校海╔，Y）為負(fù)荷中心坐標(biāo)；（Xi，Yi）為負(fù)荷點(diǎn)i（受到儲(chǔ)能調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)的任意負(fù)荷）的坐標(biāo)；Pi為負(fù)荷點(diǎn)i的負(fù)荷值。步驟三：求出新Voronoi圖各結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大空心圓。步驟四：由目標(biāo)年負(fù)荷分布情況及負(fù)荷密度確定變電站站間距離的最小容許值￡,并比較兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的距離，若小于￡，則刪去最大空心圓半徑較小的結(jié)點(diǎn)。步驟五：如果新建變電站個(gè)數(shù)為n，選取最大空心圓半徑較大的n個(gè)結(jié)點(diǎn)作為初始站址。4.5.2確定新建站址及供電范圍在確定了新建變電站的初始站址后，結(jié)合加權(quán)Voronoi圖和交替定位分配算法確定新建變電站的站址及其供電范圍。具體步驟如下：步驟一：以已建變電站站址和新建變電站初始站址為發(fā)生元構(gòu)造Voronoi圖。步驟二：在新建變電站對(duì)應(yīng)的V曲邊形中，以4.5.1.1節(jié)所提的負(fù)荷矩最小為準(zhǔn)則，優(yōu)化新建變電站站址。步驟三：以優(yōu)化得到的新建變電站站址和已建變電站站址構(gòu)造加權(quán)Voronoi圖。其中，權(quán)重為變電站的供電半徑與區(qū)域負(fù)荷的等價(jià)半徑之比，計(jì)算公式為：式中：3(i)為權(quán)重；W(i)為分區(qū)總負(fù)荷；e(i)為分區(qū)實(shí)際負(fù)荷；P(i)為分區(qū)內(nèi)受儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的實(shí)際負(fù)荷；S(i)為變電站的額定容量；y為變電站根據(jù)主變“N-1”原則得到的最高負(fù)載率。通過(guò)以上三個(gè)步驟迭代進(jìn)行，直至變電站的站址變動(dòng)小于閥值，最終得到新建變電站的站址。5.1無(wú)已建站的變電站規(guī)劃以某高新科技園部分區(qū)域110kV變電站規(guī)劃為例。該區(qū)域總面積10.5km2，可劃分為127個(gè)小區(qū)，預(yù)測(cè)目標(biāo)年總負(fù)荷為256MW。預(yù)計(jì)儲(chǔ)能電站的總?cè)萘繛?0MW，總額定功率為16MW，充放電效率取0.9。有80個(gè)小區(qū)與儲(chǔ)能電站相連，總體最大負(fù)荷為145MW，最小負(fù)荷為80MW。規(guī)劃區(qū)域內(nèi)沒(méi)有建變電站。如圖2所示為與儲(chǔ)能相連小區(qū)的典型負(fù)荷曲線。根據(jù)負(fù)荷曲線和儲(chǔ)能總額定功率，設(shè)定放電的最小功率閥值為130MW，充電的最大功率閥值為100MW。再根據(jù)負(fù)荷曲線與閥值的功率差，得到儲(chǔ)能的平均充放電功率為：1：30-3:30充電功率為7.5MW,3:30-5:30充電功率為15MW,5:30-7:30充電功率為7.5MW；10:0012:00放電功率為10MW,15:00-17:00放電功率為10MW,20:00-22:00放電功率為10MW。該規(guī)劃區(qū)域內(nèi)沒(méi)有建變電站，目標(biāo)年需用電量為241MW，按照容載比為1.8計(jì)算，新建變電站的數(shù)量及容量為：3座2x40MW和1座2x50MW。采用文獻(xiàn)［8］方法和本文考慮儲(chǔ)能的規(guī)劃方法計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4和表1所示。5.2含已建站的變電站規(guī)劃規(guī)劃區(qū)域面積為65km2，共劃分為243個(gè)小區(qū)，其目標(biāo)年預(yù)測(cè)總負(fù)荷為725MW,預(yù)計(jì)投入運(yùn)行的儲(chǔ)能總?cè)萘繛?0MW，總額定功率為20MW，轉(zhuǎn)換效率為0.9。儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的小區(qū)為126個(gè)，最大負(fù)荷為450MW，最小負(fù)荷為200MW。如圖5所示為受儲(chǔ)能調(diào)節(jié)負(fù)荷的典型日負(fù)荷曲線。根據(jù)負(fù)荷曲線和儲(chǔ)能總額定功率，設(shè)定放電的最小功率閥值為430MW，充電的最大功率閥值為180MW。根據(jù)負(fù)荷曲線和閥值的功率差，得到每時(shí)段的平均充放電功率為：2:00-4:00的充電功率為11MW，4:00-6:00的充電功率為18MW，6:00-8:00的充電功率為11MW；14:00-16:00放電功率為4MW，16:00-18:00放電功率為14MW，18:00-20:00放電功率為18MW，20:00-22:00放電功率為4MW。該規(guī)劃區(qū)已有2座2x50MVA的110kV變電站。容載比為1.8，則新建變電站的數(shù)量及容量為：4座3x40MVA和3座3x50MVA。分別按照考慮儲(chǔ)能和不考慮儲(chǔ)能兩種情況，對(duì)7座新建變電站進(jìn)行選址和供電區(qū)域劃分，計(jì)算所得規(guī)劃結(jié)果如圖6、圖7和表2所示。從圖5-7的規(guī)劃結(jié)果可以看出，無(wú)論規(guī)劃區(qū)域內(nèi)是否含有已建變電站，儲(chǔ)能接入電網(wǎng)后，都將使得區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷分布更均勻，負(fù)荷中心向未連接儲(chǔ)能裝置的區(qū)域方向偏移。同時(shí)，由于區(qū)域負(fù)荷密度的改變，新建變電站在加權(quán)Voronoi圖中的權(quán)重有改變，供電范圍內(nèi)受儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的負(fù)荷越大，權(quán)重越小。從表1和表2可以看出，由于儲(chǔ)能對(duì)負(fù)荷峰谷差的調(diào)節(jié)作用，減少了線路的網(wǎng)絡(luò)損耗費(fèi)用。本文主要考慮儲(chǔ)能接入電網(wǎng)后對(duì)變電站規(guī)劃的影響，建立了考慮儲(chǔ)能的變電站綜合規(guī)劃模型，運(yùn)用作加權(quán)Voronoi圖的方法，對(duì)于是否考慮儲(chǔ)能的變電站規(guī)劃做了比較。比較結(jié)果表明，儲(chǔ)能接入電網(wǎng)后，將使得負(fù)荷中心向未連儲(chǔ)能的方向偏移，新建變電站的站址也會(huì)隨之偏移，供電范圍隨之改變；同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)負(fù)荷的峰谷差，減少電網(wǎng)