基于网络解和非网络解的输电系统柔性规划方法及系统

摘要

本发明提供了一种基于网络解和非网络解的输电系统柔性规划系统及方法，包括：模块M1：根据柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，建立输电系统要素柔性模型；模块M2：根据输电系统要素柔性模型改进输电系统规划优化模型，得到输电系统双层柔性规划模型，建立基于输电系统优化的网络解和非网络解求解输电系统双层柔性规划模型，得到最终输电系统柔性规划方案；本发明能够对电力系统新兴要素进行统一柔性建模，解决新能源不可控、不确定性问题，充分利用非网络解调控能力减少投资成本，实现灵活运行场景下的规划方案设计。

说明书

技术领域

本发明涉及电力企业输电系统线路扩展规划领域，具体地，涉及一种基于网络解和非网络解的输电系统柔性规划方法及系统，更为具体地，涉及扩展建设方案规划模型。

背景技术

电力企业现行输电系统规划方法为：由相关专家按照电网规划技术导则文件要求，研究相关区域内的电量供给情况，对于出现电量供给失衡、输电线路负载率过高的区域进行电网规划，根据政策要求更换对应该电压等级的相关设备，包括特定型号的变压器和线路，在仿真计算软件上进行线路扩展规划，主要考虑输电系统潮流平衡，关注是否解决原有的问题，是否产生新的问题，尽可能找出经济最优的规划方案。

现行输电系统规划模型为：以经济性最优或可靠性量化而成的经济性最优为目标函数，以潮流约束、支路容量约束、N-1约束等为基本约束条件，构建最优模型。

现行电力企业输电系统规划方法中主要存在以下不足：

1.规划方案设计市场竞争性差。现行的电力企业始终坚持以可靠性为第一目标，在设备更换环节往往不计成本，造成了一定的冗余，在“新电改”电力市场化改革的背景下缺乏对市场竞争的考虑，一定程度上不利于社会整体经济发展。

2.规划方案设计不能适应电力相关技术的发展。由于能源危机，新能源发电和储能技术飞速发展，现有的规划方案设计缺乏对具有间歇性、随机性特点的新能源发电的考虑，也没有对可中断负荷、电动汽车等可调度的灵活性资源的全面考虑，缺乏实现灵活性资源与新能源发电不确定性平衡的规划方案设计流程，因此当前的规划方案设计流程及相关模型不适应未来电力技术发展。

3.规划方案中考虑的运行场景不全面。在未来电力系统中，不确定的成分和需要调控的成分逐渐增加，造成了运行场景复杂化，原先的最恶劣场景规划方法逐渐难以适应多变的运行情况，导致没有充分考虑多个灵活运行场景，存在冗余规划造成经济浪费以及不充分规划影响电力系统安全可靠的问题。

专利文献CN109830955A(申请号：201811650646.9)公开了考虑柔性约束与全周期成本的电-气配网柔性规划方法。该方法包括如下步骤：1)建立基于CCHP耦合的电-气配网典型规划模型，包括：分别建立目标函数和约束条件；2)引入柔性规划要素，包括：柔性潮流约束和全周期规划成本；3)形成柔性规划模型并求解，包括：柔性规划模型描述和调用MOSEK求解。本发明建立基于二阶锥模型的CCHP耦合电-气配网潮流模型，该模型消除了传统潮流方程中的非凸、非线性项，在确保计算精度的同时能进行有效求解；针对规划中的各种不确定性，在规划模型中引入柔性约束的概念，提升了规划方案对各类不确定因素的鲁棒适应性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于网络解和非网络解的输电系统柔性规划系统及方法。

根据本发明提供的一种基于网络解和非网络解的输电系统柔性规划系统，包括：

模块M1：根据柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，建立输电系统要素柔性模型；

模块M2：根据输电系统要素柔性模型改进输电系统规划优化模型，得到输电系统双层柔性规划模型，建立基于输电系统优化的网络解和非网络解求解输电系统双层柔性规划模型，得到最终输电系统柔性规划方案；

所述输电系统要素柔性模型是通过柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，通过输电系统要素柔性模型处理输电系统新要素的不确定性和调节能力；

所述输电系统规划优化模型以生成最优规划方案为目的的数学优化模型；

所述输电系统双层柔性规划模型是带入柔性要素建模的优化模型。

优选地，所述模块M1包括：

模块M1.1：根据柔性建模方法中概率区间建模方法对输电系统中具有不可控性、不确定性的要素依据误差波动范围进行被动柔性建模；

模块M1.2：根据柔性建模方法中概率区间建模方法对输电系统中对具有可控性的要素根据最大调节范围进行主动柔性建模。

优选地，所述输电系统要素柔性建模方法包括：通过柔性系数和柔性区间描述不确定性或放宽限制条件；

针对等式约束c＝a，柔性约束的变化形式如下：

c＝a→c≤a+(1-λ

其中，p

h

针对不等式约束a≤c≤b，柔性约束的变化形式如下：

a≤c≤b→a-h

优选地，所述模块M2包括：通过网络解和非网络解迭代平衡计算输电系统双层柔性规划模型的上层规划主问题和下层运行子问题，得到输电系统双层柔性规划模型；

将网络解和非网络解互为前置条件，将非网络解求出的结果作为网络解的前置条件，将网络解求解出的结果作为非网络解的前置条件，依次迭代循环，直至网络解不再发生变化，则迭代结束，得到最终输电系统柔性规划方案。

优选地，所述网络解包括：由输电系统双层柔性规划模型的上层规划主问题求解而来，网络解调整网架结构，包括线路新建、线路扩建、电源新建和电源扩容。

优选地，所述非网络解包括：由输电系统双层柔性规划模型的下层运行子问题求解而来，利用柔性资源进行调控，从电源和负荷处入手进行控制管理。

优选地，所述所述柔性系数是预设规划场景下的固有属性，被动柔性系数描述不确定性程度，主动柔性系数描述可调节程度。

优选地，所述柔性区间是输电系统要素不确定性范围。

根据本发明提供的一种基于网络解和非网络解的输电系统柔性规划方法，包括：

步骤M1：根据柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，建立输电系统要素柔性模型；

步骤M2：根据输电系统要素柔性模型改进输电系统规划优化模型，得到输电系统双层柔性规划模型，建立基于输电系统优化的网络解和非网络解求解输电系统双层柔性规划模型，得到最终输电系统柔性规划方案；

所述输电系统要素柔性模型是通过柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，通过输电系统要素柔性模型处理输电系统新要素的不确定性和调节能力；

所述输电系统规划优化模型以生成最优规划方案为目的的数学优化模型；

所述输电系统双层柔性规划模型带入柔性要素建模的优化模型。

优选地，所述步骤M1包括：

步骤M1.1：根据柔性建模方法中概率区间建模方法对输电系统中具有不可控性、不确定性的要素依据误差波动范围进行被动柔性建模；

步骤M1.2：根据柔性建模方法中概率区间建模方法对输电系统中对具有可控性的要素根据最大调节范围进行主动柔性建模；

所述输电系统要素柔性建模方法包括：通过柔性系数和柔性区间描述不确定性或放宽限制条件；

针对等式约束c＝a，柔性约束的变化形式如下：

c＝a→c≤a+(1-λ

其中，p

h

针对不等式约束a≤c≤b，柔性约束的变化形式如下：

a≤c≤b→a-h

所述步骤M2包括：通过网络解和非网络解迭代平衡计算输电系统双层柔性规划模型的上层规划主问题和下层运行子问题，得到输电系统双层柔性规划模型；

将网络解和非网络解互为前置条件，将非网络解求出的结果作为网络解的前置条件，将网络解求解出的结果作为非网络解的前置条件，依次迭代循环，直至网络解不再发生变化，则迭代结束，得到最终输电系统柔性规划方案；

所述网络解包括：由输电系统双层柔性规划模型的上层规划主问题求解而来，网络解调整网架结构，包括线路新建、线路扩建、电源新建和电源扩容；

所述非网络解包括：由输电系统双层柔性规划模型的下层运行子问题求解而来，利用柔性资源进行调控，从电源和负荷处入手进行控制管理；

所述所述柔性系数是预设规划场景下的固有属性，被动柔性系数描述不确定性程度，主动柔性系数描述可调节程度；

所述柔性区间是输电系统要素不确定性范围。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明适应新电改背景下的市场竞争性要求，用先进的规划模型减少输电系统投资成本；

2、本发明对电力系统领域的新兴要素进行统一建模，适应很长一段时间下的未来电力系统发展形势。

3、本发明引入柔性的概念实现对不确定性和灵活性的统一建模，提高了规划模型的科学性，并且使模型求解更为便捷；

4、本发明利用网络解和非网络解的概念使电力系统规划建设和运行调控相结合；

5、本发明使用网络解和非网络解迭代平衡运算的方法，灵活试验多个运行场景，确保规划方案的适应性和可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为输电系统柔性要素统一建模研究的框架图。

图2为网源协同规划模型中网络解和非网络解迭代平衡运算的算法流程图；

图3为结合网络解和非网络解的输电系统柔性规划方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

针对上述背景技术中，经济性权重较低、不能适应新能源发电技术的发展、考虑运行场景不全面的问题，本发明提供了一种结合网络解和非网络解的输电系统柔性扩展规划模型，用于电力企业规划设计部门，以解决现有输电系统规划设计中存在的市场竞争性不强、不适应新技术发展、缺乏考虑灵活运行场景的问题，全面考虑电力系统新能源发电相关技术、灵活性资源调度分配方案以及社会效益，以实现规划设计方案经济成本最小和社会效益最优为目标，充分考虑电力系统中的新兴要素，引入柔性的概念描述电力系统中的不确定性和需求响应能力，采用网络解和非网络解相结合的网源协同规划方法，充分利用各规划运行场景，使规划方案能够保障输电系统的安全可靠。

根据本发明提供的一种基于网络解和非网络解的输电系统柔性规划系统，包括：

全面考虑电力系统新能源发电相关技术、灵活性资源调度分配方案以及社会效益，从而确定适应未来电力技术发展、充分考虑灵活运行场景的规划设计方案。

模块M1：根据柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，建立输电系统要素柔性模型；

模块M2：根据输电系统要素柔性模型改进输电系统规划优化模型，得到输电系统双层柔性规划模型，建立基于输电系统优化的网络解和非网络解求解输电系统双层柔性规划模型，得到最终输电系统柔性规划方案；

所述输电系统中各要素包括支路电流、节点电压、火电出力等以及输电系统中的新兴要素如新能源发电出力、储能设备等进行统一建模，力求统一建模情况下能够处理新要素的不确定性。

所述输电系统要素柔性模型是通过柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，通过输电系统要素柔性模型处理输电系统新要素的不确定性和调节能力；

所述输电系统规划优化模型以生成最优规划方案为目的的数学优化模型；

所述输电系统双层柔性规划模型是带入柔性要素建模的优化模型。

具体地，所述模块M1包括：

输电系统要素柔性模型为了平衡电网运行不确定性所造成的供需缺额的柔性需求，为实现统一建模；

模块M1.1：根据柔性建模方法中概率区间建模方法对输电系统中具有不可控性、不确定性的要素依据误差波动范围进行被动柔性建模，描述系统的柔性调节需求；

模块M1.2：根据柔性建模方法中概率区间建模方法对输电系统中对具有可控性的要素根据最大调节范围进行主动柔性建模，描述系统的主动调节能力。

主动柔性建模和被动柔性建模可以改进优化模型中的约束条件，从而完成上层规划优化问题和下层运行优化问题的求解。

被动建模得到的是概率区间形式的波动模型；主动建模描述了调节能力的范围。

具体地，所述输电系统要素柔性建模方法包括：通过柔性系数和柔性区间描述不确定性或放宽限制条件，下面以约束条件的一般性数学表达式为例，说明具体的柔性化处理方法；

针对等式约束c＝a，柔性约束的变化形式如下：

c＝a→c≤a+(1-λ

其中，p

h

针对不等式约束a≤c≤b，柔性约束的变化形式如下：

a≤c≤b→a-h

等式约束指优化数学模型中的等式约束，如潮流平衡约束和电量平衡约束；

不等式约束指优化数学模型中的不等式约束，如节点电压约束和线路容量约束。

具体地，所述模块M2包括：通过网络解和非网络解迭代平衡计算输电系统双层柔性规划模型的上层规划主问题和下层运行子问题，得到输电系统双层柔性规划模型；

将网络解和非网络解互为前置条件，将非网络解求出的结果作为网络解的前置条件，将网络解求解出的结果作为非网络解的前置条件，依次迭代循环，直至网络解不再发生变化，则迭代结束，得到最终输电系统柔性规划方案。

将非网络解求出的最恶劣场景作为求解网络解的前置条件，将网络解求解出的网架规划方案作为求解非网络解的前置条件，以此迭代循环，当求解出的网络规划方案(线路新建、扩建以及电源新建扩容方案，是规划优化求解的网络解)不发生变化时，达到平衡。

具体地，所述网络解包括：由输电系统双层柔性规划模型的上层规划主问题求解而来，网络解调整网架结构，包括线路新建、线路扩建、电源新建和电源扩容，使网络架构满足未来负荷增长的需要。

具体地，所述非网络解包括：由输电系统双层柔性规划模型的下层运行子问题求解而来，利用柔性资源进行调控，从电源和负荷处入手进行控制管理，减少电网的不必要投资。

具体地，所述所述柔性系数是对于特定规划场景下的固有属性，被动柔性系数描述不确定性程度，主动柔性系数描述可调节程度，可通过历史数据建模或广泛设置得到适应性最强的结果，柔性系数的设置可根据经济情况决定，预算的经济成本越高可以设置的被动柔性系数越大，主动柔性系数越小，反之亦然。

具体地，所述柔性区间是输电系统要素不确定性范围或可控范围的大小，被动柔性区间描述不确定要素的预测误差范围，主动柔性区间描述可控要素的调节范围或临时越限范围，电力系统在实际运行中往往会出现某一指标超出规定范围的现象，来保障整体系统的稳定性，越限范围指某指标临时超出规定的允许范围。

上述柔性建模都用于改进规划模型的约束条件。

根据本发明提供的一种基于网络解和非网络解的输电系统柔性规划方法，包括：

全面考虑电力系统新能源发电相关技术、灵活性资源调度分配方案以及社会效益，从而确定适应未来电力技术发展、充分考虑灵活运行场景的规划设计方案。

步骤M1：根据柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，建立输电系统要素柔性模型；

步骤M2：根据输电系统要素柔性模型改进输电系统规划优化模型，得到输电系统双层柔性规划模型，建立基于输电系统优化的网络解和非网络解求解输电系统双层柔性规划模型，得到最终输电系统柔性规划方案；

所述输电系统中各要素包括支路电流、节点电压、火电出力等以及输电系统中的新兴要素如新能源发电出力、储能设备等进行统一建模，力求统一建模情况下能够处理新要素的不确定性。

所述输电系统要素柔性模型是通过柔性建模方法对输电系统中各要素进行统一建模，通过输电系统要素柔性模型处理输电系统新要素的不确定性和调节能力；

所述输电系统规划优化模型以生成最优规划方案为目的的数学优化模型；

所述输电系统双层柔性规划模型是带入柔性要素建模的优化模型。

具体地，所述步骤M1包括：

输电系统要素柔性模型为了平衡电网运行不确定性所造成的供需缺额的柔性需求，为实现统一建模；

步骤M1.1：根据柔性建模方法中概率区间建模方法对输电系统中具有不可控性、不确定性的要素依据误差波动范围进行被动柔性建模，描述系统的柔性调节需求；

步骤M1.2：根据柔性建模方法中概率区间建模方法对输电系统中对具有可控性的要素根据最大调节范围进行主动柔性建模，描述系统的主动调节能力。

主动柔性建模和被动柔性建模可以改进优化模型中的约束条件，从而完成上层规划优化问题和下层运行优化问题的求解。

被动建模得到的是概率区间形式的波动模型；主动建模描述了调节能力的范围。

具体地，所述输电系统要素柔性建模方法包括：通过柔性系数和柔性区间描述不确定性或放宽限制条件，下面以约束条件的一般性数学表达式为例，说明具体的柔性化处理方法；

针对等式约束c＝a，柔性约束的变化形式如下：

c＝a→c≤a+(1-λ

其中，p

h

针对不等式约束a≤c≤b，柔性约束的变化形式如下：

a≤c≤b→a-h

等式约束指优化数学模型中的等式约束，如潮流平衡约束和电量平衡约束；

不等式约束指优化数学模型中的不等式约束，如节点电压约束和线路容量约束。

具体地，所述步骤M2包括：通过网络解和非网络解迭代平衡计算输电系统双层柔性规划模型的上层规划主问题和下层运行子问题，得到输电系统双层柔性规划模型；

将网络解和非网络解互为前置条件，将非网络解求出的结果作为网络解的前置条件，将网络解求解出的结果作为非网络解的前置条件，依次迭代循环，直至网络解不再发生变化，则迭代结束，得到最终输电系统柔性规划方案。

将非网络解求出的最恶劣场景作为求解网络解的前置条件，将网络解求解出的网架规划方案作为求解非网络解的前置条件，以此迭代循环，当求解出的网络规划方案(线路新建、扩建以及电源新建扩容方案，是规划优化求解的网络解)不发生变化时，达到平衡。

具体地，所述网络解包括：由输电系统双层柔性规划模型的上层规划主问题求解而来，网络解调整网架结构，包括线路新建、线路扩建、电源新建和电源扩容，使网络架构满足未来负荷增长的需要。

具体地，所述非网络解包括：由输电系统双层柔性规划模型的下层运行子问题求解而来，利用柔性资源进行调控，从电源和负荷处入手进行控制管理，减少电网的不必要投资。

具体地，所述所述柔性系数是对于特定规划场景下的固有属性，被动柔性系数描述不确定性程度，主动柔性系数描述可调节程度，可通过历史数据建模或广泛设置得到适应性最强的结果，柔性系数的设置可根据经济情况决定，预算的经济成本越高可以设置的被动柔性系数越大，主动柔性系数越小，反之亦然。

具体地，所述柔性区间是输电系统要素不确定性范围或可控范围的大小，被动柔性区间描述不确定要素的预测误差范围，主动柔性区间描述可控要素的调节范围或临时越限范围，电力系统在实际运行中往往会出现某一指标超出规定范围的现象，来保障整体系统的稳定性，越限范围指某指标临时超出规定的允许范围。

上述柔性建模都用于改进规划模型的约束条件。

实施例2是实施例1的变化例

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例用于对特定范围的输电系统进行规划方案设计。

如图1-图2、图3所示，本实施例包括：输电系统柔性建模以及网络解与非网络解迭代平衡运算，其中：

如图1所示，所述输电系统柔性建模是对输电系统中各要素进行统一建模，进而对规划模型中相关的约束条件进行改进，以常规负荷和可中断负荷柔性建模为例，说明本实施例中的要素建模情况：

要素建模主要是将传统规划模型中的数值表示转化为更科学的区间表示，本实施例用T(y)描述柔性区间。

T(P

式中：P

上式表示对某节点负荷的柔性建模，以被动柔性系数和柔性区间描述负荷预测存在的误差，将不确定性以区间的形式表示。

T(P

式中：P

上式表示对某节点可控负荷的柔性建模，以主动柔性系数和柔性区间描述可中断负荷调节范围，将可控性以区间的形式表示。

所述输电系统规划模型约束条件柔性建模是对各传统约束条件或涉及包括储能设备、可再生能源的约束条件进行柔性统一建模，以火电机组功率上限约束和可再生能源发电机组功率上限约束为例进行说明：

式中，G

上式对传统火电机组功率上限约束加入了区间的形式，体现了火电机组出力调控的灵活性。

式中，G

上式对可再生能源发电机组功率上限约束加入了区间的形式，描述了新能源发电机组出力的不确定性。

本实施例中，规划模型的经济性目标包括新建线路、线路扩容的规划建设成本以及弃风弃光、切负荷的运行调控成本。

在上述实施例中，对类似柔性约束条件，建立双层网源协同规划模型，其中上层为规划主问题，下层为运行子问题。运行子问题的目标是对运行进行优化并筛选出最恶劣场景，规划主问题的目标是生成输电系统规划设计方案。

图2为将上层模型解出的网络解和下层模型解出的非网络解迭代平衡运算的算法流程图。具体过程是：

步骤一，考虑基准年的网络状况，即基准年的输电系统网架拓扑结构以及电源负荷分布情况，进行运行子问题优化，得出非网络解，即各个场景的最优调度方案，为筛选最恶劣场景做前置准备，进入步骤二；

步骤二，以待规划资源的影子价格作为场景受限的评价指标，用以筛选出最严重的受限的运行场景，进入步骤三；

步骤三，在上层规划优化问题中考虑由最受限制的运行场景组成的集合，以实现输电网规划的网络解决方案，进入步骤四；

步骤四，把网络解决方案从规划主问题传递给运行子问题作为已知数据，再一次进行运行适应性评估，即在新的网架情况下对各场景进行运行优化，进入步骤五；

步骤五，运行步骤二、步骤三，如网络扩展规划方案不发生变化，视为达到迭代平衡，输出最终扩展方案；否则，进入步骤四。

所述影子价格，是在考虑网络约束的经济调度模型中，对应网络资源(例如线路)的约束条件起作用时，其影子价格表示假设该资源扩容1个单位(例如线路扩容1MW)，所减少的调度成本，反映了网络扩容对运行的影响。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。