張 淵，黃 河，朱海宇，姚雨晨

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 常州供電公司，江蘇 常州 213000)

增量配電網(wǎng)本質(zhì)上為小于等于110 kV電壓等級電網(wǎng)與小于等于220(330) kV電壓等級工業(yè)園區(qū)等局域電網(wǎng)，不涉及220 kV及以上輸電網(wǎng)建設(shè)[1，2]。電力體制改革穩(wěn)步前進，更多社會資本注入增量配電網(wǎng)建設(shè)，優(yōu)化規(guī)劃工作由分布式電源(Distributed generation，DG)運營商、配電網(wǎng)投資公司和電力用戶等多利益主體共同負責。隨著投資主體的多元化，配電網(wǎng)規(guī)劃對其協(xié)調(diào)性的要求更高，且DG并入增量配電網(wǎng)，運行不確定性因素增多[3，4]，給售電公司降低成本、增加收益的同時，也帶來了一定的安全穩(wěn)定挑戰(zhàn)。因此，有必要在確保系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定的前提下，研究計及多主體效益的增量配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法，以實現(xiàn)多主體利益最大化[5]。

目前對增量配電網(wǎng)中不同利益主體間的相互約束、相輔相成關(guān)系的研究越發(fā)深入，模擬市場在不同情況下的形態(tài)特征是研究熱點之一。國內(nèi)外研究人員對于從多市場主體的角度規(guī)劃配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已取得了一些進展。文獻[6]建立了在自消費模式下使配電公司與用戶所得收益趨于平衡的雙層優(yōu)化模型，并引入了粒子群算法和非合作Nash博弈理論快速決策出規(guī)劃方案;文獻[7]建立了基于多代理的電力市場售價模型，并對比風力發(fā)電商、儲能商的互相獨立與合作經(jīng)營兩種參與方式下的總利潤差異，分析了網(wǎng)絡(luò)約束在合作經(jīng)營模式下造成的影響;文獻[8]聯(lián)合考慮主動管理與用電側(cè)的需求響應(yīng)，通過基于樹形結(jié)構(gòu)編碼的單親遺傳算法與原對偶內(nèi)點法求解投資規(guī)劃模型，得出最佳優(yōu)化方案;文獻[9，10]聯(lián)合考慮DG運營商的DG出力決策與配電公司的收益需求，以DG并入電網(wǎng)運行效益達到最優(yōu)為目標，建立了一個主動管理模式下的DG雙層聯(lián)動規(guī)劃模型。雖然對于各主體之間的利益關(guān)系，以及基于投資建設(shè)、運行維護、合作管理等各種規(guī)劃模型的建立方面有不少研究，但各主體以自身利益為出發(fā)點的獨立優(yōu)化，未以整體理性為前提進行規(guī)劃，可能導致整體利益趨于不利局面，且沒有考慮DG并網(wǎng)后不確定因素增多對配電網(wǎng)規(guī)劃的不利影響，無法保證規(guī)劃決策的有效性與精確性，制約了增量配電網(wǎng)的發(fā)展。

綜上所述，本文根據(jù)增量配電網(wǎng)中不同市場主體的利益訴求，構(gòu)建DG運營商、配電網(wǎng)投資公司和電力用戶多種利益主體的規(guī)劃決策模型;考慮DG并網(wǎng)的不確定性，將上述各主體作為規(guī)劃參與者，提出了計及多主體效益的整體規(guī)劃模型，通過各主體的相互協(xié)調(diào)，提高各自決策的可行性與經(jīng)濟效益，使整體利益達到最優(yōu)。因此，本文將不確定性處理融入到增量配電網(wǎng)規(guī)劃中，提出了一種計及多主體效益的增量配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法。

1 各利益主體規(guī)劃模型

在目前電力市場環(huán)境下，市場主體有發(fā)電公司、配電公司、電力用戶、儲能電站、DG運營商等[11-13]，本文重點在于含DG的增量配電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃研究，因而選取DG運營商、配電網(wǎng)投資公司和電力用戶這幾個典型主體進行仿真分析。不同于傳統(tǒng)模式下配網(wǎng)公司主導網(wǎng)架結(jié)構(gòu)規(guī)劃，綜合考慮多個利益主體的不同訴求及市場整體利益。各利益主體從個體理性角度出發(fā)，在參與網(wǎng)架規(guī)劃決策時目標偏向不同，因此需根據(jù)各主體的投資及期望收益，分別構(gòu)建上述各利益主體的規(guī)劃模型。

1.1 DG運營商

相對于DG運營商，期望減少DG的前期建設(shè)投入及運維支出，提高售電收入，盡可能使凈收入最大化。

1.1.1 目標函數(shù)

DG運營商規(guī)劃模型的目標函數(shù)主要有以下幾部分組成:DG售電收入WS.DG、DG前期建設(shè)投入WI.DG以及DG運維支出WOM.DG，目標函數(shù)如下

maxWDG(ni，Ni)=WS.DG-WI.DG-WOM.DG

(1)

式中:

(2)

(3)

(4)

式中:Ut是一天內(nèi)所有時刻集合;qes是DG的單位售電價格;Pt.DG是DG在t時刻提供的有功功率;qsg是單位容量DG建設(shè)投入;Ui是預(yù)設(shè)接入DG節(jié)點集合;ni是0-1變量，ni=0為第i個預(yù)設(shè)節(jié)點不投入DG運行，ni=1為第i個預(yù)設(shè)節(jié)點投入DG運行;Psg.DG是一臺DG的額定有功功率;Y是設(shè)備的壽命周期;Ni是預(yù)設(shè)節(jié)點投入DG運行的臺數(shù);a是貼現(xiàn)率;qom是DG單位供電運維支出。

1.1.2 約束條件

DG運營商規(guī)劃模型的約束條件有:DG預(yù)設(shè)節(jié)點投入運行臺數(shù)約束、DG滲透率上限及DG發(fā)電容量限制。

(1)DG預(yù)設(shè)節(jié)點投入運行臺數(shù)約束

Ni.min≤Ni≤Ni.max

(5)

式中:Ni.min與Ni.max分別是在預(yù)設(shè)節(jié)點i接入DG數(shù)目的最小值與最大值。

(2)DG滲透率上限

(6)

式中:β是DG并入電網(wǎng)后的滲透率，Pload是DG預(yù)設(shè)節(jié)點負荷量。

(3)DG發(fā)電容量限制

Pmin.DG≤Pt.DG≤Pmax.DG

(7)

式中:Pmin.DG與Pmax.DG分別為DG發(fā)電容量的下限值與上限值。

1.2 配電網(wǎng)投資公司

相對于配電網(wǎng)投資公司，期望降低傳輸線損、前期建設(shè)、向上級購電等支出，提高售電收入，盡可能使自身利益最大化。

1.2.1 目標函數(shù)

配電網(wǎng)投資公司規(guī)劃模型的目標函數(shù)WDN主要有以下幾部分組成:售電收入WS.DN、線損支出WL.DN、故障修復支出WE.DN、從上級購電支出WB1.DN及從DG運營商購電支出WB2.DN，目標函數(shù)如下

maxWDN(zi)=WS.DN-WL.DN-WE.DN-WB1.DN-WB2.DN

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中:fes是對用戶的售電價格;Pt.load是t時刻的初始負荷量;Pt.out是t時刻轉(zhuǎn)移出的負荷量;Pt.in是t時刻轉(zhuǎn)移進的負荷量;Pt.loss是t時刻的有功損耗;EENSt是t時刻對用戶少供電能的期望值;Ub是電網(wǎng)所有線路的集合;λb是第b條線路的發(fā)生故障概率值;Un是所有負荷點的集合;Pn.t.load是t時刻節(jié)點n的初始負荷量;feb1是從上級電網(wǎng)購電價格;feb2是從DG運營商購電價格。

1.2.2 約束條件

配電網(wǎng)投資公司規(guī)劃模型的約束條件有:各線路潮流約束以及電壓、功率限制。

(1)各線路潮流約束

(Uj.t)2=(Ui.t)2-2(RijPij.t+XijQij.t)+

(15)

式中:Pi.t與Qi.t分別是i節(jié)點在t時刻的有功、無功電量;Pij.t、Qij.t分別是支路ij上在t時刻傳輸?shù)挠泄?、無功電量;Ui.t與Uj.t分別是i節(jié)點與j節(jié)點在t時刻的電壓幅值;Rij、Xij、Gij和Bij分別是i、j節(jié)點間線路的電阻、電抗、電導和電納;φij是i節(jié)點與j節(jié)點間的電壓相角差;u(j)、d(j)分別是與j節(jié)點相連的上游節(jié)點集合和下游節(jié)點集合。

(2)電壓、功率限制

(16)

式中:Ui.min與Ui.max分別是i節(jié)點電壓幅值的最小值與最大值;Pij.t與Pij.max分別是i、j節(jié)點間線路上流過的功率及其最大值。

1.3 電力用戶

相對于電力用戶，期望通過調(diào)整用電方案，減少電費支出。本文考慮的需求側(cè)響應(yīng)方式為基于分時電價的價格型需求側(cè)響應(yīng)(Demand side response，DSR)，參與DSR的用戶根據(jù)分時電價信息于電價高峰期間移出負荷，于電價低谷期間轉(zhuǎn)進負荷[14，15]。

1.3.1 目標函數(shù)

電力用戶規(guī)劃模型的目標函數(shù)WUS主要是參與DSR后降低的電費支出，目標函數(shù)如下

maxWUS(Pt.is，Pt.out，Pt.in)=

(17)

式中:γeb是用戶向配電網(wǎng)投資公司購電的價格。

1.3.2 約束條件

根據(jù)用戶參與DSR的方式，電力用戶規(guī)劃模型的約束條件為負荷轉(zhuǎn)移量的限制。

(18)

(19)

式中:ρminPt.load與ρmaxPt.load分別是t時刻負荷轉(zhuǎn)移出功率系數(shù)的最小值與最大值;σminPt.load與σmaxPt.load分別是t時刻負荷轉(zhuǎn)移進功率系數(shù)的最小值與最大值。

2 各市場主體規(guī)劃模型求解

2.1 增量配電網(wǎng)下的多主體行為研究

以綜合考慮DG運營商、配電網(wǎng)投資公司和電力用戶三個利益主體，分析各主體在規(guī)劃決策時的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 各主體關(guān)系示意圖

配電網(wǎng)投資公司根據(jù)歷史負荷數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)以及當前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)“決策”出DG位置和接入容量;參與DSR的電力用戶根據(jù)分時電價信息開展響應(yīng)措施，制定最佳用電方案，即確定可轉(zhuǎn)移的負荷量，并轉(zhuǎn)化為等效負荷的形式給予DG運營商與配電網(wǎng)投資公司反饋;DG運營商根據(jù)配電網(wǎng)投資公司決策結(jié)果以及自身發(fā)電成本在當前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下進行DG的選址定容，并將DG出力、布點信息傳遞給配電網(wǎng)投資公司;配電網(wǎng)投資公司接受來自其它主體的傳遞信息，根據(jù)獲知的DG布點并結(jié)合當前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的情況“決策”出新的DG接入位置和容量。配電網(wǎng)投資公司、電力用戶、DG運營商分別通過各自的決策因素即分時電價及激勵信息、用電方案、DG安裝位置及容量影響其余利益主體規(guī)劃決策，實現(xiàn)DG的合理規(guī)劃。

2.2 市場整體規(guī)劃模型

由于DG實際發(fā)電量在一定范圍內(nèi)有所波動，將導致系統(tǒng)的供需不平衡，會給電網(wǎng)帶來電壓暫降、頻率波動、功率不匹配等問題。針對DG出力在一定范圍內(nèi)有所波動的問題，須制定出最優(yōu)方案以使可能蒙受的損失或電網(wǎng)運行風險降到最低，盡可能抑制不確定性帶來的負面影響，進而達到收益最大化的目的。

DG并入電網(wǎng)的不確定性會進一步影響電網(wǎng)運行的安全性，并會增加相關(guān)成本，導致配電網(wǎng)投資運營商優(yōu)化規(guī)劃方案經(jīng)濟性的降低。根據(jù)式(8)得出計及DG不確定性時的目標函數(shù)如下

maxWDN(zi)=WS.DN-WI.DN-WL.DN-WE.DN-

WB1.DN-WB2.DN-WB3.DG

(20)

式中:

(21)

式中:WB3.DG為DG出力波動帶來的損失，Pp為因隨機波動所需支付的懲罰性電價，ρs為出現(xiàn)場景s的概率，ΔQs為DG在場景s下的隨機波動量。

DG運營商、配電網(wǎng)投資公司、電力用戶多個市場主體彼此的利益訴求不同，其參與規(guī)劃時目標偏向相異，都希望各自收益最大化。各主體個人利益最大化可能會導致整體利益遠離最優(yōu)的不利局面，所以整體收益按照三個主體重要性選取不同權(quán)重相加，如下式

W=γ1WDG+γ2WDN+γ3WUS

(22)

式中:γ1、γ2、γ3分別為DG運營商、配電網(wǎng)投資公司、電力用戶目標函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，并且γ1+γ2+γ3=1。

為了處理所提出的配電網(wǎng)約束的復雜性和非凸性，需要對第2節(jié)約束進行二階錐松弛處理。

定義新的變量

U′i.t=(Ui.t)2

(23)

I′ij.t=(Iij.t)2

(24)

可得

(25)

式(23)～(25)中，U′i、I′ij為二階錐松弛處理的輔助變量;Iij為節(jié)點i、j間的線路電流。

非線性等式(25)可以松弛為不等式

(26)

可以按照以下標準二階錐來重新構(gòu)造

(27)

隨著松弛和改造，計及多主體效益的增量配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的原始模型被重新設(shè)計為

min (22)

s.t. (5)(7)(15)(16)(18)(19)

(28)

最后利用優(yōu)化求解器cplex計算此優(yōu)化規(guī)劃問題。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

以IEEE33節(jié)點系統(tǒng)為例進行仿真分析，如圖2所示。此系統(tǒng)所包含的支路數(shù)共33條，總負荷量為3.5 MV·A，負荷標準差為0.12，規(guī)劃年限為10年。DG考慮為光伏發(fā)電，光伏轉(zhuǎn)換率和光伏出力發(fā)電采用文獻[16]中所提出的模型。光伏發(fā)電待選接入位置分別為節(jié)點5、8、14、16、18、31，DG單位售電價為400元/MW·h。

圖2 IEEE33節(jié)點系統(tǒng)圖

基于分時電價的價格型DSR將峰平谷各時段劃分為:高峰時段(8:00—11:00，18:00—23:00)，共計8小時;平時段(23:00—6:00)，共計7小時;低谷時段(6:00—8:00，11:00—18:00)，共計9小時，且假設(shè)所有電力用戶均參與DSR。分時電價如表1所示。

表1 用戶購電分時電價表

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 多主體優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果

整體收益為根據(jù)各主體的重要性所占權(quán)重乘以其實際收益之和，參考歷史數(shù)據(jù)以及實際需求，DG運營商、配電網(wǎng)投資公司、電力用戶目標函數(shù)的權(quán)重系數(shù)分別設(shè)為0.3∶0.5∶0.2。

由表2可知，DG運營商所得優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果為在節(jié)點5、節(jié)點31分別接入0.05 MV·A光伏發(fā)電機組;在節(jié)點14接入0.1 MV·A光伏發(fā)電機組;在節(jié)點18接入0.2 MV·A光伏發(fā)電機組;在節(jié)點8、節(jié)點16不接入光伏發(fā)電機組。

表2 增量配網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果

經(jīng)過多主體收益分析所得的網(wǎng)架規(guī)劃結(jié)果的DG運營商與配電網(wǎng)投資公司的收益與成本如表3和表4所示。

表3 DG運營商收益及成本

表4 配電網(wǎng)投資公司收益及成本

由于一天時間內(nèi)負荷移進、移出總量相平衡，電價高峰時段因移出負荷而降低的電費支出遠大于電價低谷時段因移進負荷而增加的電費支出，因此電力用戶參與DSR后支出的總電費降低。電力用戶的目標函數(shù)是收益，即其收益有所提高。增量配電網(wǎng)中，各主體得到的優(yōu)化規(guī)劃收益結(jié)果如表5所示。

表5 增量配電網(wǎng)各主體收益及整體收益

3.2.2 與不考慮多主體效益的場景進行比較

為了對比分析計及多主體效益對增量配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃的影響，驗證文中提出方法的合理性與準確性，分別考慮以下4種場景:

場景1:只考慮DG運營商的目標函數(shù)取得最大值;

場景2:只考慮配電網(wǎng)投資公司的目標函數(shù)取得最大值;

場景3:只考慮電力用戶的目標函數(shù)取得最大值;

場景4:考慮多主體的整體效益。

為了進一步說明考慮多主體效益的增量配電網(wǎng)規(guī)劃的必要性，對4種場景下各主體收益以及整體收益進行分析，結(jié)果如表6～9所示。

表6 場景1下增量配電網(wǎng)各主體收益及整體收益

表7 場景2下增量配電網(wǎng)各主體收益及整體收益

表8 場景3下增量配電網(wǎng)各主體收益及整體收益

表9 場景4下增量配電網(wǎng)各主體收益及整體收益

由圖3、表6～9可知，場景1中DG運營商凈收益相較于優(yōu)化結(jié)果多了3.69萬元，其原因是DG并網(wǎng)后出力增多，由于優(yōu)先消納DG的準則，配電網(wǎng)投資公司增加向DG運營商的購電量，使得DG投資成本及運維成本的增加小于DG的售電收益，即DG運營商凈收益增加。場景2中配電網(wǎng)投資公司凈收益相較于優(yōu)化結(jié)果多了4.40萬元，其原因是減少的向DG運營商購電成本大于多付出的主網(wǎng)購電成本、運維成本和故障成本，且售電收入增加，則配電網(wǎng)投資公司凈收入增加。場景3中電力用戶收益比優(yōu)化結(jié)果增多0.31萬元，是因為場景3犧牲了DG運營商以及配電網(wǎng)投資公司的利益，盡可能實現(xiàn)電力用戶節(jié)省支出最大化的目標。場景4即3.2.1節(jié)中已分析過的計及多主體效益的整體優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果。

圖3 多場景下增量配電網(wǎng)各主體收益及整體收益

4種場景下的整體利益都小于計及多主體效益的優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果的整體利益值，是因為只計及一個主體進行增量配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃，是在犧牲其他主體利益的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)其目標函數(shù)達到最優(yōu)，僅專注于自身利益的獨立優(yōu)化不利于整體向最優(yōu)方向發(fā)展。以自身利益為中心的規(guī)劃方法不僅不利于市場整體獲得最大收益，還壓制了增量配電網(wǎng)市場活躍性的提高，無疑是對增量配電網(wǎng)持續(xù)健康發(fā)展沒有好處的。這也證明了計及多主體效益的增量配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃法是使整體利益達到最優(yōu)的。

4 結(jié)束語

本文聯(lián)合考慮DG并網(wǎng)后增量配電網(wǎng)多個收益主體、不確定因素增多等問題，通過在配電網(wǎng)投資公司的目標函數(shù)中加入波動帶來的損失，減少了DG并網(wǎng)產(chǎn)生不確定因素的不利影響，從而減少其對規(guī)劃決策的干擾。提出了一種計及多主體效益的增量配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法，并與不考慮整體效益、僅以自身收益為優(yōu)化目標的場景進行比較分析，驗證了該規(guī)劃方法的準確性與合理性。此優(yōu)化規(guī)劃方法可充分體現(xiàn)市場中各主體間的利益關(guān)系，促進市場中各利益主體不斷優(yōu)化自身規(guī)劃決策，使各自收益最大化，并實現(xiàn)了整體利益最優(yōu)，激發(fā)了市場的活躍性與優(yōu)化規(guī)劃決策的有效性與經(jīng)濟性。