●李若雯

隨著能源市場的快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)日益被重視，具有清潔優(yōu)勢(shì)的大規(guī)模分布式電源（DG）在配電網(wǎng)中發(fā)揮越來越重要的作用，但由于風(fēng)機(jī)發(fā)電的隨機(jī)性，大大限制了其在配電網(wǎng)里的消納率?，F(xiàn)階段，我國電網(wǎng)處于從被動(dòng)電網(wǎng)向主動(dòng)配電網(wǎng)過渡的重要階段，存在“源”“網(wǎng)”不協(xié)調(diào)的問題，采用傳統(tǒng)的規(guī)劃方法已經(jīng)很難適應(yīng)新形勢(shì)下的配電網(wǎng)。隨著電力市場的發(fā)展，配電網(wǎng)由單一利益主體往多利益主體發(fā)展。因此，考慮多利益主體的“源”“網(wǎng)”協(xié)同的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃模型和方法成為亟待研究的重點(diǎn)。

目前，已有不少學(xué)者對(duì)含DG的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行研究，大部分研究集中在DG選址定容、網(wǎng)架規(guī)劃單層的規(guī)劃模型，且主要考慮配電網(wǎng)為唯一利益主體的配電網(wǎng)規(guī)劃。然而，在主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃中，一方面，DG 的選址和定容對(duì)網(wǎng)架規(guī)劃的影響是不可忽略，需要在規(guī)劃時(shí)期考慮DG 的配置，避免網(wǎng)架建設(shè)的過度投資、“源”“網(wǎng)”發(fā)展不協(xié)調(diào)等問題；另一方面，隨著電力體制的深度改革，我國正在有序建設(shè)電力市場，配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)營中產(chǎn)生了多個(gè)利益主體，如配電系統(tǒng)運(yùn)營商、DG 運(yùn)營商、集群負(fù)荷用戶等，在進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮多方的利益，促進(jìn)“源”“網(wǎng)”的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，同時(shí)考慮配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營商和DG運(yùn)營商的利益最大化的綜合規(guī)劃更具有研究價(jià)值和工程價(jià)值。

綜上研究與分析，本文分析了配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃和DG選址定容的相互作用，建立了考慮雙利益主體的“源”“網(wǎng)”協(xié)同雙層規(guī)劃模型，并利用改進(jìn)混合粒子群算法和遺傳算法嵌套的雙層優(yōu)化算法對(duì)所建模型進(jìn)行求解，以24 節(jié)點(diǎn)的實(shí)際配電網(wǎng)規(guī)劃區(qū)域?yàn)樗憷?yàn)證模型的合理性和有效性。

一、“源”“網(wǎng)”協(xié)同雙層規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

本文考慮“源”“網(wǎng)”兩側(cè)的規(guī)劃問題，涉及兩個(gè)利益主體，分別為配電系統(tǒng)運(yùn)營商和DG運(yùn)營商，利用雙層優(yōu)化模型能更準(zhǔn)確的描述所要解決的問題。上層為配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃問題，下層為DG規(guī)劃問題，上下層聯(lián)動(dòng)，保證在雙方利益獲利最大的情況下獲得網(wǎng)架規(guī)劃方案以及DG優(yōu)化配置方案。

（一）上層規(guī)劃模型

1.目標(biāo)函數(shù)

上層規(guī)劃對(duì)象為配電網(wǎng)的網(wǎng)架，規(guī)劃的內(nèi)容是配電網(wǎng)網(wǎng)架設(shè)計(jì)方案，以配電系統(tǒng)運(yùn)營商各種成本的年綜合值之和最小為目標(biāo)函數(shù)，其各部分具體費(fèi)用如下：

公式（1）中，Cupper為配電系統(tǒng)運(yùn)營商的年綜合費(fèi)用等年值，為向上級(jí)購電的年費(fèi)用，為向DG 獨(dú)立運(yùn)營商購電的年費(fèi)用，為網(wǎng)架新建線路成本折算到壽命周期的等年值，為配電網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)損年費(fèi)用，為DG 并網(wǎng)后減少的環(huán)保費(fèi)用。目標(biāo)函數(shù)中各部分費(fèi)用的計(jì)算公式如下所示：

公式（2）中，T 為一天的劃分時(shí)段數(shù)，Δt 為每個(gè)時(shí)段的間隔時(shí)間，Cbuy1,t為第t時(shí)段向上級(jí)電網(wǎng)購電的電價(jià)，Pload,t為第t 時(shí)段網(wǎng)絡(luò)原始總負(fù)荷，PDG,t為第t時(shí)段DG有功出力值。

公式（5）中，Ploss,t為第t時(shí)段網(wǎng)絡(luò)有功損耗。

公式（6）中，Nv為污染物的種類，Cp,v、Ce,v為第v種污染物的排放罰款和環(huán)境價(jià)值，Ev為燃煤發(fā)電產(chǎn)生第v種污染物排放量。

2.約束條件

根據(jù)實(shí)際配電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行要求，上層規(guī)劃模型應(yīng)滿足以下要求：

1）配電網(wǎng)接線方式約束。按照實(shí)際運(yùn)行情況，配電網(wǎng)一般開環(huán)運(yùn)行。因此，要求所生成網(wǎng)架為輻射狀網(wǎng)絡(luò)，不存在環(huán)路。

2）配電網(wǎng)連通性約束。要求新增負(fù)荷點(diǎn)和DG接入點(diǎn)與上級(jí)電源形成聯(lián)絡(luò)，不存在孤點(diǎn)、孤鏈、孤島。

3）規(guī)劃方案中新建線路的負(fù)載率滿足配電網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則的要求。

（二）下層規(guī)劃模型

1.目標(biāo)函數(shù)

下層的規(guī)劃對(duì)象是DG運(yùn)營商的投資問題，規(guī)劃內(nèi)容為DG 接入位置以及容量，以DG 運(yùn)營商獲利最大為目標(biāo)，各部分具體費(fèi)用如下：

公式（7）中，Clower為DG運(yùn)營商收益的年綜合值，為DG 運(yùn)營商賣電給配電網(wǎng)公司的收益，為新能源發(fā)電的政府補(bǔ)貼，為DG 投資成本，為DG的運(yùn)維成本。

公式（9）中，CG,t為DG 發(fā)電的政府單位補(bǔ)貼費(fèi)用系數(shù)。

公式（10）中，CDG為單位容量DG 投資成本，V為DG待接入點(diǎn)數(shù)，yd為0-1變量，yd=0表示第d 個(gè)待選節(jié)點(diǎn)不接入DG，yd=1 表示第d 個(gè)待選節(jié)點(diǎn)接入DG，為單臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定功率；Nd為第d 個(gè)待選節(jié)點(diǎn)接入風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)；r 為貼現(xiàn)率；n 為DG設(shè)備的壽命周期。

公式（11）中：CDGop為DG單位運(yùn)維費(fèi)用。

2.約束條件

1）下層涉及到配電網(wǎng)潮流計(jì)算，需要滿足有功、無功平衡約束，節(jié)點(diǎn)電壓約束，線路載流量約束。

（12）（13）（14）式中，Pi,t、Qi,t為第t 時(shí)段節(jié)點(diǎn)i的有功和無功注入，Ui,t、Uj,t為第t時(shí)段節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓幅值，Gi,j、Bi,j為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間的電導(dǎo)和電納，θi,j為節(jié)點(diǎn)i 與節(jié)點(diǎn)j 電壓間的相角差，為節(jié)點(diǎn)i 電壓幅值的上下限值，Sij,t為第t時(shí)段支路ij 的功率值，為支路ij 的傳輸功率極值。

2）DG容量接入需要按照一定的比例，過高的接入容量會(huì)給電網(wǎng)帶來節(jié)點(diǎn)電壓過高、電壓波動(dòng)等不良影響。

節(jié)點(diǎn)接入容量約束：

DG總安裝容量約束：

（16）式中，PLoad為系統(tǒng)原始負(fù)荷總和，η 為DG安裝總量占系統(tǒng)負(fù)荷的比值。

二、雙層規(guī)劃框架

在雙層規(guī)劃模型中，處于上層的決策者先給出決策，因此稱為領(lǐng)導(dǎo)者，下層決策者要在領(lǐng)導(dǎo)者給出的既定決策下做出自己的決策，因此稱為跟隨者。上、下層決策模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件沒有必然的聯(lián)系，但是任何一方的變量會(huì)參與或影響到另一方的決策制定過程。上-下兩層形成“領(lǐng)導(dǎo)-跟隨”的關(guān)系。

在本文中，上層“網(wǎng)”規(guī)劃層以配電系統(tǒng)運(yùn)營商最小年綜合成本為目標(biāo)，進(jìn)行網(wǎng)架優(yōu)化建設(shè)，把網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋫鬟f給下層“源”規(guī)劃層；下層在當(dāng)前網(wǎng)架下，以DG 運(yùn)營商收益最大為目標(biāo)進(jìn)行DG的選址定容，并將滿足約束條件下的DG容量和位置傳回上層；上層在新的DG 配置下進(jìn)行網(wǎng)架優(yōu)化，選出新建線路集，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋫鹘o下層，進(jìn)行下一輪優(yōu)化。上-下兩層的變量和數(shù)據(jù)傳遞如圖1。

圖1 配電網(wǎng)雙層規(guī)劃框架圖

三、“源”“網(wǎng)”協(xié)同雙層規(guī)劃模型求解

本文給出的“源”“網(wǎng)”協(xié)同雙層規(guī)劃模型屬于復(fù)雜的混合整數(shù)非線性多層規(guī)劃問題，具有計(jì)算量大，求解難度高的特點(diǎn)，為了高效準(zhǔn)確求解所建立模型，采用雙層混合優(yōu)化算法。上層(網(wǎng)層)采用改進(jìn)的混合粒子群算法，下層(源層)采用遺傳算法，下層算法嵌套在上層在算法里面，遵循雙層優(yōu)化模型下層跟隨上層的原則，設(shè)計(jì)的雙層優(yōu)化算法的計(jì)算流程如圖2、圖3所示。

四、算例結(jié)果與分析

（一）算例概況

以某城市24 節(jié)點(diǎn)實(shí)際規(guī)劃區(qū)域的配電網(wǎng)為算例，驗(yàn)證本文所建雙層規(guī)劃模型的合理性和準(zhǔn)確性。規(guī)劃區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中0節(jié)點(diǎn)為電源點(diǎn)，擬新增負(fù)荷點(diǎn)23個(gè)，編號(hào)為1～23。DG考慮風(fēng)力發(fā)電，根據(jù)實(shí)際地理位置情況可以確定8個(gè)風(fēng)機(jī)接入待選節(jié)點(diǎn)，以實(shí)心黑色節(jié)點(diǎn)表示，編號(hào)為4、5、7、12、14、15、19、20，空心黑色節(jié)點(diǎn)為純負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，實(shí)線為待選新建線路共50條。為了簡化算例，對(duì)網(wǎng)架中線路做統(tǒng)一處理，阻抗參數(shù)取為（0.025+0.006j）Ω/km。典型的負(fù)荷曲線和風(fēng)電出力曲線分別如圖5和圖6所示，其中分布式電源安裝總?cè)萘空枷到y(tǒng)原始負(fù)荷的最大比值為25%。

仿真環(huán)境：MATLAB 平臺(tái)，算法的基本參數(shù)設(shè)定：上層種群20 個(gè)，交叉換位概率0.85，最大迭代次數(shù)100 次；下層個(gè)體數(shù)50 個(gè)，交叉概率為0.6，代溝（子代和父代之間的重疊）為0.85，最大迭代次數(shù)為100次。

圖2 上層決策模型求解流程圖

圖4 規(guī)劃區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 下層決策模型求解流程圖

圖5 典型日負(fù)荷曲線

圖6 風(fēng)電出力曲線

算例中涉及參數(shù)：表1為風(fēng)電發(fā)電的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)參數(shù)，表2、表3、表4為環(huán)保效益參數(shù)，表5為電價(jià)信息。

表1 風(fēng)電發(fā)電技術(shù)及經(jīng)濟(jì)參數(shù)

表2 污染物排放量參數(shù)

表3 電力行業(yè)主要污染物的環(huán)境價(jià)值

表4 電力行業(yè)主要污染氣體的排放罰款

表5 電價(jià)信息

（二）算例結(jié)果與分析

運(yùn)用本文提出的雙層規(guī)劃模型對(duì)待規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)架設(shè)計(jì)和DG 配置。為了研究DG 配置和配電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的優(yōu)越性，利用同一算例分別求解不同情況下的配電網(wǎng)規(guī)劃方案，其中方案一不考慮DG 接入的網(wǎng)架規(guī)劃，方案二為DG 配置和網(wǎng)架協(xié)同規(guī)劃。

1.網(wǎng)架和分布式電源規(guī)劃結(jié)果以及分析

圖7 為方案一的網(wǎng)架方案，圖8 為方案二的網(wǎng)架方案，即所提“源”“網(wǎng)”協(xié)同規(guī)劃模型得到的配電網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架，圖9 為方案二的DG 接入的節(jié)點(diǎn)位置和容量。

圖7 未考慮DG接入的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃方案

圖8 考慮DG接入的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃方案

圖9 方案二分布式電源接入位置以及容量圖

圖10 節(jié)點(diǎn)電壓對(duì)比圖

通過對(duì)比兩種方案下網(wǎng)架的差異，可發(fā)現(xiàn)DG一般選擇在負(fù)荷較大點(diǎn)接入，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷就地平衡，減少網(wǎng)絡(luò)中有功、無功的流動(dòng)，降低網(wǎng)損、避免節(jié)點(diǎn)電壓過低，圖10 為方案一和方案二在同一單時(shí)段的電壓幅值對(duì)比，從圖中可知，方案二合理接入DG后，節(jié)點(diǎn)電壓幅值標(biāo)幺值比方案一更接近1。

2.規(guī)劃費(fèi)用對(duì)比與分析

上述兩個(gè)規(guī)劃方案的費(fèi)用如表6所示。

表6 兩種規(guī)劃方案成本比較

通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可得出以下結(jié)論：

1） 雖然方案二較方案一引入了DG 的相關(guān)費(fèi)用，但配電網(wǎng)運(yùn)營商的年綜合費(fèi)用較方案一減少了69.53 萬元，而DG 運(yùn)營商可獲得年最大利潤為166.87 萬元，說明DG 合理的接入位置和容量可減少配電網(wǎng)投資和運(yùn)維費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)DG運(yùn)營商和配電網(wǎng)運(yùn)營商的獲利雙贏。

2）在新能源接入的背景下，配電網(wǎng)公司的購電途徑多樣化，不再單一從上級(jí)電網(wǎng)購電，方案二中從上級(jí)購電和DG 購電的費(fèi)用分別為1348.52萬元、401.79萬元，其總額較方案一僅從上級(jí)購電費(fèi)用減少了25.52萬元。

3）引入DG 后，配電網(wǎng)從上級(jí)購電減少，部分負(fù)荷能實(shí)現(xiàn)就地平衡，減少了網(wǎng)絡(luò)中功率的流動(dòng)，從而達(dá)到降損的效果，方案二較方案一網(wǎng)損費(fèi)用減少了1.98萬元。

4）從環(huán)保效益的角度上分析，利用清潔型的DG 發(fā)電后，方案二較方案一較少了31.6 萬的環(huán)保費(fèi)用，說明引入可再生新能源后，配電網(wǎng)的環(huán)保性能更好，與我國倡導(dǎo)綠色電力的可持續(xù)發(fā)展理念相吻合。

五、結(jié)語

本文基于雙層優(yōu)化理論，建立了“源”“網(wǎng)”協(xié)同的雙層規(guī)劃模型，采用改進(jìn)的混合粒子群算法和遺傳算法雙層嵌套算法對(duì)模型進(jìn)行求解。通過算例驗(yàn)證分析表明：

1.在規(guī)劃配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃時(shí)，考慮DG 的選址定容配置，更加符合未來電網(wǎng)大規(guī)模DG并網(wǎng)的背景，充分利用新能源的優(yōu)點(diǎn)，可以避免配電網(wǎng)的過度投資，優(yōu)化線路路徑。

2.考慮多利益主體的配電網(wǎng)規(guī)劃，更加符合未來我國電力市場發(fā)展完善的實(shí)際情況，可以有效提高“源”側(cè)以及“網(wǎng)”側(cè)的投資商的收益，實(shí)現(xiàn)共贏。

3.隨著配電網(wǎng)的新要素增加，規(guī)劃模型變得更加復(fù)雜，雙層及以上的多層規(guī)劃方法能更好地包含配電網(wǎng)的新要素。

本文考慮的“源”“網(wǎng)”協(xié)同的規(guī)劃方案，對(duì)學(xué)者研究主動(dòng)配電網(wǎng)的工作有一定的指導(dǎo)作用。隨著配電網(wǎng)中DG、電動(dòng)汽車、參與需求側(cè)響應(yīng)的用戶的增多，考慮“源”“網(wǎng)”“荷”協(xié)同規(guī)劃方法是下一步研究工作的重點(diǎn)。