PDF《考虑配电网重构的城市多能源配电/气/热网扩展规划》

h t t p : / / ww w.

a e p s - i n f o . c o m 考虑配电网重构的城市多能源配电 / 气/ 热网扩展规划 周贤正,郭创新,董树锋,陈玮(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市

3 1

0 0

2 7 ) 摘要:城市多能源配网( UME D N) 处于能源互联网末端, 实现 UME D N 的协同规划与运行对提升 多能量供给的可靠性与经济性至关重要.从能源配送网络的角度出发, 提出了融合配电网重构的 配电/气/热网扩展规划模型.首先, 构建了能源集线器的数学模型;

然后, 考虑城市配电网、 配气 网、 配热网以及能源集线器的相关约束, 通过小时级别时间尺度模拟 UME D N 的运行工况, 以总成 本最小为目标, 建立了混合整数二次规划模型.采用所提模型可得到能量源、 配送管道及能源集线 器的最优建设类型、 投运时间以及建设位置.仿真结果表明考虑配电网重构以及能源集线器的 UME D N 协同规划能显著提升系统可靠性, 降低相关设备的配置容量, 减少能量传输损耗, 从而显 著降低总体规划与运行费用. 关键词:配电网;

重构;

扩展规划;

能源互联网;

热网;

天然气网;

混合整数二次规划 收稿日期:

2 0

1 8 -

0 3 -

2 0;

修回日期:

2 0

1 8 -

0 5 -

2 8. 上网日期:

2 0

1 8 -

0 9 -

1 1. 国家重点研发计划资 助项目(

2 0

1 7 Y F B

0 9

0 2

6 0 0) ;

国家自然科学基金资助项目(

5 1

8 7

7 1

9 0 ) .

0 引言 为提高能源供给的可靠性与经济性, 国内外学 者对综合能源系统的协同利用进行了深入研究, 如 何利用电/气/热等多种能源网络之间的耦合关系, 充分挖掘不同能源网络内部的特性, 在更大维度内 统筹 源―网―荷 的规划与运行, 是当前研究的热点[

1 - 2] .城市多能源配网(urbanmulti-energydistributionn e t w o r k, UME D N) 处于能源互联网的 末梢, 为用户供给能源, 是能量损耗最大的环节[ 3] , 合理统筹规划能显著提升供能的可靠性与经济性. 目前, 多能源系统规划多集中于主网层面.文献[

4 ] 使用混合整数线性规划建立了长期多区域多 阶段的电网与气网的联合规划模型;

文献[

5 ] 针对大 规模系统的发电、 输电以及天然气网络的拓展问题, 提出了一种多阶段联合规划方法;

文献[

6 ] 通过一阶 泰勒展开式对天然气网络方程进行线性化并提出一 种线性联合拓展规划方法, 以最小化电网与气网的 成本.文献[

7 ] 考虑市场的不确定性和系统的可靠 性并使用模糊粒子群算法求解混合整数非线性规划 模型.在城市级多能源系统规划层面, 按其规划的 对象来看, 研究多集中于电/气网的联合规划.文献 [

8 ] 通过气转电的装置实现配电网和气网的耦合, 在 模型的构建部分, 将模型拆分为主程序和子程序, 主 程序使用智能算法生成电网和气网的网络拓扑, 子 程序用于评估网架并将评估值返回主程序;

在此基 础上, 进一步考虑了供能可靠性、 负荷不确定性以及 多目标优化等[

9 -

1 1] , 但是其建模过于复杂, 大量的非 线性项使得模型只能采用智能算法进行求解, 不能 保证寻找到最优解, 亦有部分文章基于电网、 热网进 行联合规划.文献[

1 2 ] 基于热网以及冷热电联供系 统构建电网与热网的联合规划模型, 并对热网约束 进行了合理近似.但是, 以上文献均未考虑运行过 程中网架结构的灵活性对规划的影响. 关于电力网络、 天然气网络和热网络等3种网 络联合规划的研究尚属空白.多网联合规划涉及的 网络结构复杂且解算困难, 因此, 有必要对系统模型 进行合理简化, 使之适应更大规模、 更多维度的多能 源配电网联合规划.同时, 为了挖掘城市多能源系 统的潜力, 本文提出了融合小时级别配电网重构的 配电/气/热网3种网络架构的扩展规划模型.决策 变量考虑多年份和多设备备选类型, 使用部分节点 形成的能源集线器( e n e r g yh u b , EH) 将3种网络耦 合起来.利用配电网网络拓扑的可重构特性, 并将 其作为控制变量集成到 UME D N 扩展规划模型中, 进一步降低了 UME D N 的成本.本文使用线性化 方法将原来难以求解的非线性非凸问题转化为容易 求解的混合整数二次规划( m i x e di n t e g e rq u a d r a t i c p r o g r a mm i n g , M I Q P) 问题.通过配电网5 4节点测 试系统、 配气网5 0节点测试系统[

8 ] 、 改进的配热网

3 2 第4 3卷第7期2019年4月1 0日Vol.43N o . 7A p r .

1 0,

2 0

1 9 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 8

0 3

2 0

0 0

8 3 8节点测试系统[

1 3] 和5个EH 耦合的联合测试网 络验证了所提模型的正确性和有效性.

1 UME D N 数学模型 1.

1 模型描述 本文采用能源集线器( EH) 描述 UME D N 的耦 合单元― ― ―EH 的数学模型, 进而构建考虑含配电 网重构的配电网络、 配气网络、 配热网络以及 EH 相关约束的小时级优化规划模型. 如图1所示, UME D N 由配电网、 配气网、 配热网以及 EH 四部 分构成.其中, EH 模型需要确定设备的安装年份、 型号、 新装还是扩容;

配电网模型、 配气网模型和配 热网模型需要根据小时级的网络运行情况, 模拟能 量运行的实时潮流, 确定能量源和输能通道的安装 年份、 型号、 新装还是 扩容.UME D N 位于能源供给的末端, 考虑到经济性以及后续管理的便利性, 配 电网、 配气网和配热网均采用常用的辐射状网架结构[

1 4 -

1 6] .图中变量含义于下文说明. 图1 城市多能源配网网络拓扑及相关变量 F i g .

1 T o p o l o g yo f i n v e s t i g a t e dUME D Nn e t w o r ka n dr e l a t e dv a r i a b l e s 1.

2 E H 数学模型 在UME D N 中, EH 通过转换矩 阵, 连接能源需求端与配送端.从系统角度来看, 为多输入多输 出的多能源载体, 可视为一个终端网络节点[

1 7 ] .图 1中, 右下角为待规划的 EH 架构, 输入端接受来自 配电网、 配气网以及配热网的能量, 输出端为负荷, 供给冷热电能.内部有五种能量转换装置, 包括变 压器、 热电联产装置( CH P) 、 燃气锅炉( B L) 、 电制冷 机( E C) 、 吸收制冷机( HC) .图1中, 变压器、 燃气 锅炉和电制冷机为初始年已经存在的设备.随着负 荷的增 加, 设备需要新建或扩容.为明确待规划EH 输入与输出的能量转换关系, 可得矩阵方程: L E L C L H ? ? ??? ? ? ? ??? ? = η T η C G E v

0 0

0 0

0 η C GH v+ η B ( 1- v)

1 ? ? ??? ? ? ? ??? ? P E P G P H ? ? ??? ? ? ? ??? ? + -1

0 η E C η H C

0 -1 ? ? ??? ? ? ? ??? ? P E C P H C ? ? ?? ? ? ?? (

1 ) 式中: η C G E 和η C GH 分别为热电联产装置将天然气变 为电能和热能的转换效率;

η T 和η B 分别为变压器 和燃气锅炉将天然气变为热能的转换效率;

v 为将 源自配气网的天然气流入热电联产装置的比例, 1- v 为相应注入燃气锅炉的比例;

η E C 为电制冷机将电 能变为冷能的转换效率;

η H C 为吸收制冷机将热能 变为冷能的转换效率;

L E , L H , L C 分别为电负荷、 热 负荷和冷负荷;

P E , P G , P H 分别为从配电网、 配气 网和配热网输入至 EH 的能量;

P E C 为输入至电制 冷机的电能;

P H C 为输入至吸收制冷机的热能.

2 UME D N 扩展规划模型 2.

1 目标函数 以UME D N 总成本F 最小作为目标函数, 即minF=C1+C2+C3+C4 (

2 ) 式中: C1 为新建成本;

C2 为维护成本;

C3 为运行成 本;

C4 为中断成本. 为便于说明, 本文定义, 对? i∈ΩC, 有: xy C, i= Xy C, i-X ( y-1) C, i y∈{ 2, 3, …, T} Xy C, i y=1 (

3 ) 式中: xy C, i 为设备i 在第y 年是否安装, 取0为在第 y 年不安装i 设备, 取1为在第y 年安装该设 备;

Xy C, i 为设备i 第y 年是否存在, 若存在, 则其值为 1, 反之为0;

ΩC 为所有候选设备的可选型号集合;

T 为规划期.

1 ) 新建成本C1 C1 =∑ y ∑ i∈ΩC Dy C I NV i xy C, i - ∑ y ∑ i∈ΩE Dy ψi C I NV i xy C, i DT (

4 ) 式中: ΩE 为所有现有设备的可选型号集合;

Dy 为422019,

4 3 (

7 ) ・多元用户互动的配电网规划设计和运行控制关键技术・ h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 净现值系数, 且Dy =1 / ( 1+d) y-1 , d 为贴现率;

ψ i 为设备i的回收因子, 其值越大, 说明残值越高, 意 味着越低的损耗;

C I NV i 为设备i 的新建成本;

DT 为 规划期T 的净现值系数, 即DT =1 / ( 1+d) T-1 .

2 ) 维护成本C2 C2 =∑ y ∑ i∈ΩC Dy C MN T i xy C, i + ∑ y ∑ i∈ΩE Dy C MN T i ( 1-xy C, i ) (

5 ) 式中: C MN T i 为设备的维护成本.

3 ) 运行成本C3 运行成本包括配电网的线路损耗, 线路热量损 耗、 EH 内能量转换损耗和配热网的水泵运行电费. C3 =∑ y ∑ s ∑ h Dy ? ? ?? C E LO S S ∑ ( i, j) ∈Ω E L r i j U

2 ( ( P E, h s y i j )

2 + ( Q E, h s y i j )

2 ) + ∑ ( i, j) ∈Ω H L C H LO S S( P H, h s y i j, j -P H, h s y i j, i ) + CLO S S ∑ i∈Ω EH ( 1-η i) P h s y i + ∑ i∈Ω H B U S ηH CB UY( L H, h s y i -P HL C, h s y i ) ? ? ?? (

6 ) 式中: r i j 为电力线路i j 的电阻;

U 为配电网的额定 电压;

P E, h s y i j 和Q E, h s y i j 分别为 在第y 年第s 季度........