一种工业园区配电台区可开放容量评估方法

摘要

一种工业园区配电台区可开放容量评估方法，包括步骤S1，分析台区分布式光伏与负荷的逆调峰时序特性，确定最大可开放容量的约束条件；步骤S2,构建包含上、中、下层的工业园配电台区最大可开放容量多层级交互式评估模型，上层将分布式光伏选相配置方案传递至中层，中层在上层确定的选相配置方案下进行虚拟增容，并将优化的负荷情况传递至给上层，上中层源荷交互得到可新增分布式光伏容量传递给下层，下层根据上一电压等级可开放容量，确定最终的工业园区配电台区可开放容量评估结果；步骤S3，通过分段线性近似与McCormick包络对模型进行线性化后求解。本发明能在保证变压器安全稳定运行的基础上提高工业园区配电台区可开放容量。

说明书

技术领域

本发明涉及低压配电系统技术领域，尤其指一种工业园区配电台区可开放容量评估方法。

背景技术

目前，配电台区已成为可再生能源分布式消纳的重要战场，这标志着高渗透率分布式光伏将大量接入配电台区。大量分布式光伏接入配电台区易导致电压越限、台区甚至上级变电站反向重过载、三相不平衡加剧等问题。而工业园区中常常存在冲击负荷，即突然出现的大功率负荷，例如启动大型设备或机器时的瞬态负荷，冲击负荷对变压器的可开放容量有很高的要求。因此考虑光伏超发引起工业园区配电台区反向重过载和电压越限约束、冲击负荷约束、以及三相不平衡对工业园区配电台区变压器反向负载能力的影响，合理进行工业园区配电台区可开放容量评估，推算当前工业园区配电台区分相可开放容量的安全边界，对工业园区配电台区业扩报装配套接入方案优化和数字化管理提供技术支撑具有重要意义。

目前大部分针对高渗透率分布式光伏下可开放容量评估的研究普遍基于三相平衡的配网模型和仅考虑工业园区配电台区现有负荷情况，未考虑三相不平衡对变压器反向负载能力的影响，难以在保证提高可新增光伏容量的同时降低三相不平衡度，导致变压器最大反向负载能力有所下降，加剧工业园区配电台区反向重过载情况，影响变压器安全稳定运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工业园区配电台区可开放容量评估方法，该方法能在保证变压器安全稳定运行的基础上提高工业园区配电台区可开放容量。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种工业园区配电台区可开放容量评估方法，包括：

步骤S1，分析工业园配电台区分布式光伏与负荷的逆调峰时序特性，考虑光伏超发引起台区反向重过载、电压越限约束、冲击负荷约束、以及三相不平衡对台区变压器反向负载能力的影响，确定工业园区配电台区最大可开放容量的约束条件；

步骤S2，构建工业园配电台区最大可开放容量多层级交互式评估模型，该模型包括上层、中层、下层，其中：

上层为选相配置层，其基于步骤S1确定的约束条件，以分布式光伏的选相与容量为优化变量实现台区分相可开放容量最大化；

中层为虚拟增容层，其以工业园区配电台区柔性负荷充电功率为优化变量实现接入上层规划的光伏选相配置后台区变压器反向负载最小，所述柔性负荷包括电动汽车和可平移负荷；

下层为校验修正层，其以接入上、中层源荷交互优化得到的可新增分布式光伏容量后上级变电站不过载为目标实现工业园区配电台区可开放容量的最优化；

上层将优化后的分布式光伏选相配置方案传递至中层，中层在上层确定的选相配置方案下进行虚拟增容，并将优化后的负荷情况传递至给上层，使上层在优化后的负荷情况下再一次进行分布式光伏选相定容，实现上层与中层的源荷交互，中层将源荷交互优化后得到的可新增分布式光伏容量传递给下层，下层根据给定的上一电压等级可开放容量，确定最终的工业园区配电台区可开放容量评估结果；

步骤S3，通过分段线性近似与McCormick包络对步骤S2所构建的模型进行线性化，以Benders分解进行模型的上、中层求解，再通过下层的校验修正求出最终的工业园区配电台区可开放容量评估结果。

进一步的，步骤S1中，确定的工业园区配电台区最大可开放容量的约束条件包括：

1）台区反向重过载约束：接入新增的分布式光伏后反向负载不能超过变压器的反向负载能力，如下式：

式中，

考虑三相不平衡度对台区变压器反向负载能力的影响，工业园区配电台区变压器最大反向负载能力的计算公式如下：

式中，

2）台区电压越限约束：接入新增的分布式光伏后电压偏差没有超过电压允许偏差范围，如下式：

式中，

3）冲击负荷约束：接入新增的分布式光伏后能满足重要辅助设备的启动冲击功率要求，确保冲击负荷能够成功启动，并且不损坏系统设备，如下式：

式中，

进一步的，所述选相配置层的目标函数为：

式中，

将步骤S1确定的工业园区配电台区最大可开放容量的约束条件最为选相配置层的约束条件，其中，评估周期

式中，

再进一步的，所述虚拟增容层的目标函数

所述虚拟增容层的约束条件包括：

1)电动汽车充电时段约束：电动汽车充电时段要在最后出行结束时刻和起始出行时刻之间，即电动汽车的充电结束时段不能超过外出时段，如下式：

式中，

2)电动汽车充电功率约束，如下式：

式中，

3)车主期望充电电量约束：电动汽车在可充电时段内须充至车主期望的电池电量，以满足车主正常的出行需求，如下式：

式中，

4)可平移负荷设备消耗功率约束：可平移负荷需整体平移，其用电时间不能中断且持续时间固定，用电时段所需的功率也不可改变，如下式：

式中，

再进一步的，所述校验修正层的目标函数为：

式中：

更进一步的，所述步骤S3包括：

S301，采用以下线性化方法将步骤S2所构建的模型转化为易求解的混合整数线性规划模型；

首先引入辅助变量

再引入辅助变量

接着采用McCormick包络法对式(26)进行线性化，得到式(29)；

式中，

然后采用大

式中，

最后引入辅助变量

式中，

S302，上层向中层添加分布式光伏选相配置约束，中层采用分支定界求解得到混合整数线性规划的解，求解结果向上层添加Benders割，以此迭代求解得到可新增分布式光伏容量和初始的工业园区配电台区可开放容量最大值；

S303，下层对S302得到的结果进行校验修正，求出最终的工业园区配电台区可开放容量评估结果。

本发明提供的工业园区配电台区可开放容量评估方法，先分析台区分布式光伏与负荷的逆调峰时序特性，确定最大可开放容量的约束条件；再构建包含上、中、下层的工业园配电台区最大可开放容量多层级交互式评估模型，上层将优化的分布式光伏选相配置方案传递至中层，中层在上层确定的选相配置方案下进行虚拟增容，并将优化后的负荷情况传递至给上层，上中层以此进行源荷交互，得到可新增分布式光伏容量后传递给下层，下层根据上一电压等级可开放容量，确定最终的工业园区配电台区可开放容量评估结果；最后通过分段线性近似与McCormick包络将模型线性化，并基于Benders分解将该模型转化为光伏选相配置优化、灵活性资源需求响应和上级变电站容量校验三个子问题进行交互式求解。简而言之，本发明所采用的是一种选相配置-虚拟增容-校验修正可开放容量多层级交互式协同评估方法，该方法充分考虑了光伏超发所能引起的各种问题，其中包括三相不平衡对变压器反向负载能力的影响，从多维度提出了最大化台区可开放容量的约束条件，保障了台区变压器运行的稳定性；本发明再采用虚拟增容的办法促进光伏消纳和减小三相不平衡，提高了变压器反向负载能力和降低评估周期内变压器的反向负载，以及采用多层级交互协同评估的办法进一步提高台区变压器运行的稳定性，使得工业园区配电台区能在变压器安全稳定运行的前提下最大化台区可开放容量。

附图说明

图1为本发明中工业园区配电台区可开放容量评估方法的流程图；

图2为本发明中某工业园区台区不同渗透率分布式光伏和电动汽车接入下分布式光伏与负荷的逆调峰时序特性图；

图3为本发明中某水泵软启动冲击电流曲线图；

图4为本发明中工业园配电台区最大可开放容量多层级交互式评估模型示意图；

图5为本发明实施方式中优化前后工业园区配电台区台区三相不平衡度曲线图；

图6为本发明实施方式中优化前后工业园区配电台区变压器反向负载曲线图（图中，(a)为当前台区反向负载曲线图；(b)为采用传统方法加入可新增分布式光伏后台区反向负载曲线图；(c)为采用本发明方法加入可新增分布式光伏后台区反向负载曲线图）；

图7为本发明实施方式中优化前后工业园区配电台区电压曲线图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

如图1所示，一种工业园区配电台区可开放容量评估方法，包括：

步骤S1，分析工业园配电台区分布式光伏与负荷的逆调峰时序特性，考虑光伏超发引起台区反向重过载、电压越限约束、冲击负荷约束、以及三相不平衡对台区变压器反向负载能力的影响，确定工业园区配电台区最大可开放容量的约束条件。

根据工业企业负荷的性质不同，工业园区负荷可分为产线负荷和重要辅助负荷，产线负荷是生产负荷是指工业企业中用于日常生产设备所对应负荷，重要辅助负荷是指在工业生产过程中对于企业的生产活动有着至关重要的作用的一部分设备所对应的负荷。工业园区的负荷曲线因其生产模式的特殊性异于居民负荷和商业负荷，正常情况下产线设备不间断运行，只有在工人换班或用餐时间才会关闭部分产线负荷。图2为某工业园区台区不同渗透率分布式光伏和电动汽车接入下分布式光伏与负荷的逆调峰时序特性图，从图中可看出分布式光伏出力集中在8：00~17：00，中午时段，光伏出力充足，而此时产线负荷处于低谷，当产线负荷用电需求较少时，光伏出力达到最高峰，而当产线负荷用电需求较大时，光伏出力较少或者不出力，具有逆调峰特性。

1）台区反向重过载约束

因光伏具有逆调峰特性，在负荷水平低且太阳能辐射度强时，工业园区台区总用电负荷小于分布式光伏出力，而导致部分光伏不能就地消纳，分布式光伏反送电，工业园区配电台区出现反向潮流，工业园区配电台区变压器需承受反向负载。从图2可以看出光伏中午时刻逆调峰严重，并且随着光伏渗透率的增大，分布式光伏反送电的情况越严重，即工业园区配电台区变压器承受的反向负载越大，如图2所示，当台区分布式光伏渗透率达到90%时，该台区的上送负载达到484KW，上送负载率达到96.8%，超过台区变压器的最大反向负载能力80%，影响变压器稳定运行，因此在计算工业园区配电台区可开放容量时需保证接入新增的分布式光伏后反向负载没有超过变压器的反向负载能力以防止台区反向重过载，具体形式如下：

式中，

工业园区内的负荷分布可能存在不平衡现象，即各个相之间的负荷分布不均匀。这可能是由于不同工厂和设施之间的用电模式和负荷分布的差异引起的。而分布式光伏的大量接入无法保证接入三相的分布式光伏发电容量和出力是平衡的，可能会出现大量分布式光伏接在台区变压器的同一相，进一步加剧三相不平衡。

对油浸式电力变压器而言，热点温度是限制其反向负载能力的关键因素，油浸式电力变压器正常运行时，绕组损耗和铁芯损耗是内部热源，三相不平衡会使配电变压器单相过载导致损耗增加、热点温度升高，进而加快绝缘老化速度、降低变压器带负载能力，进而影响台区可开放容量。因此在计算工业园区配电台区可开放容量时需要考虑三相不平衡度对变压器反向负载能力的影响，防止接入可新增光伏容量后变压器反向负载超过三相不平衡下的变压器最大反向负载能力。

三相不平衡下变压器绕组热点温度模型的具体形式如下：

式中，

将公式(32)中的热点温度

也即

根据公式(33)可以得到变压器最高热点温度限制下的相对负载系数

式中，

2）台区电压越限约束

分布式光伏出力的波动性和光伏发电功率与负荷之间不平衡引发的逆向潮流都会打破工业园区配电台区有功和无功平衡，进而影响电压稳定，导致工业园区配电台区电压越限。中午时刻太阳辐射度较强，光伏电源发电量大，工业园区配电台区负荷使用较小，会出现反向负载的情况，各母线电压幅值大幅度升高，电压越限情况最为严重。随着光伏渗透率的增加，工业园区配电台区电压越限情况会进一步加剧。并且工业园区内的负荷通常具有多样性，即涵盖了多种不同类型和性质的工业负荷。这些负荷可能包括制造业、加工业、装配业、物流仓储等不同行业的工厂和设施，每个行业的负荷特性可能存在差异。负荷的多样性可能导致电网电压的波动性增加，从而影响电压稳定。因此在计算工业园区配电台区可开放容量时需保证接入新增的分布式光伏后电压偏差没有超过电压允许偏差范围以防止电压越限，具体形式如下：

式中，

3）冲击负荷约束

工业园区台区中的重要辅助负荷多为水泵、风机等感应电机，这些设备在实际的生产过程中会频繁的启停，由于这类设备主要由感应电机组成，由电机的电磁特性可知，其启动过程具有非常强的冲击性，因而，在实际中经常配置软启动装置，从而降低启动冲击电流。以某水泵软启动装置为例，其软启动电流最大约为额定电流的４倍左右，整个启动的冲击过程约20秒左右，如图3所示。因此，在计算工业园区配电台区可开放容量时需要考虑冷却水泵的软启动冲击特性，满足重要辅助设备的启动冲击功率要求，确保冲击负荷能够成功启动，并且不损坏系统设备，即接入可新增分布式光伏后评估周期 

式中，

步骤S2，考虑分布式光伏选相配置优化、电动汽车有序充电和可平移负荷需求响应，构建高比例分布式光伏与电动汽车接入下工业园区配电台区最大可开放容量多层级交互评估模型。

现有的可开放容量评估方法大多是基于现有分布式光伏和负荷对可新增分布式光伏容量进行计算，很少考虑源荷交互提高工业园区配电台区可开放容量。基于此，本发明构建了考虑源荷交互的台区最大可开放容量多层级交互式评估模型，如图4所示。在该模型中，工业园区配电台区的可开放容量计算不再直接基于现有分布式光伏容量和负荷信息，而是通过源荷多层级交互式迭代使其可新增光伏容量最大。该模型由上、中、下三层组成，主要包括新增分布式光伏、台区柔性负荷和上级变压器三大主体，各主体传递信息包括新增分布式光伏的接入规划、台区柔性负荷的优化调度信息和上级变压器的可新增光伏容量限制。

1、其中，上层为选相配置层，该上层以分布式光伏的选相与容量为优化变量实现台区分相可开放容量最大化，并将优化后的分布式光伏选相配置方案传递至中层。

根据步骤S1的公式(1)可以看出受到变压器反向重过载约束，变压器的反向负载主要是由变压器反向负载能力和评估周期T内最大反向负载决定，而变压器反向负载能力主要是由变压器额定容量和三相不平衡度决定，由公式(4)和(5)可以看出在相同环境温度下三相不平衡度越低台区变压器反向负载能力越大。因此可以通过对工业园区配电台区分布式光伏选相配置，减少三相不平衡度，增大台区变压器反向负载能力，从而增加工业园区配电台区分相可开放容量。

选相配置层的目标函数的具体形式如下：

式中，

该上层的约束采用步骤S1确定的工业园区配电台区最大可开放容量的约束条件，其中公式(4)中的三相不平衡度的计算本发明采用净负荷三相不平衡度用来近似表征电压、电流三相不平衡度，原因是电压、电流不平衡度需要通过序分量法三相潮流计算，计算公式比较复杂，并且净负荷的三相不平衡是导致工业园区配电台区三相不平衡的主要原因，具体形式如下：

式中，

2、前述模型的中层为虚拟增容层。根据步骤S1的公式(1)可以看出分相可开放容量的最大值受到变压器反向负载能力和评估周期

需要提出说明的是，可平移负荷的用电时间可按计划变动，负荷需整体平移，用电时间跨越多个调度时段，如可定时洗衣机，因此可以通过改变可平移负荷的用电时间来促进新能源消纳和降低变压器的反向负载。电动汽车在时间和空间两个维度上都具备转移的能力，所以可制定电动汽车充电策略对电动汽车接入时的充电所在相充电功率的大小和时间进行优化控制，在满足电动汽车用户充电需求的前提下促进新能源消纳和减低三相不平衡度，进一步提高工业园区配电台区的可开放容量。

虚拟增容层的目标函数

在对评估区域内的可平移负荷和电动汽车优化调度之前，首先需要对每台电动汽车的出行数据和可平移负荷的用电特征进行统计，并分别形成

式中，

虚拟增容层的约束条件为：

1)电动汽车充电时段约束：电动汽车充电时段要在最后出行结束时刻和起始出行时刻之间，即电动汽车的充电结束时段不能超过外出时段，如下式：

式中，

2)电动汽车充电功率约束，如下式：

式中，

3)车主期望充电电量约束：电动汽车在可充电时段内须充至车主期望的电池电量，以满足车主正常的出行需求，如下式：

式中，

4)可平移负荷设备消耗功率约束：可平移负荷需整体平移，其用电时间不能中断且持续时间固定，用电时段所需的功率也不可改变，如下式：

式中，

3、前述模型的下层为校验修正层，该下层以接入上、中层源荷交互优化得到的可新增分布式光伏容量后上级变电站不过载为目标实现工业园区配电台区可开放容量的最优化。

为防止工业园区配电台区的可新增光伏容量超过上级变电站的可开放容量导致上级变电站重过载，配电网可开放容量的执行应遵循先到先得、接满为止的原则，当上级变电站的可开放容量为零时，该变电站所属的下级设备无论是否还有可开放容量，均停止分布式电源接入，即本级电压等级的可新增光伏容量不得大于上级电压等级的可新增光伏容量。因此，该下层主要是根据给定的上一电压等级可开放容量，将上层、下层得到的可新增分布式光伏容量与上一电压等级的可开放容量进行比较，取两者较小值，并减去报装在途容量作为的工业园区配电台区可开放容量评估结果。

校验修正层的目标函数为：

式中：

步骤S3，通过分段线性近似与McCormick(McCormick Envelope，是一种数学计算方法，用于对非线性函数进行近似和优化)包络对步骤S2所构建的模型进行线性化，以Benders(Benders Decomposition，是一种数学规划方法，用于解决线性规划问题中具有特定结构的复杂问题)分解进行模型的上、中层求解，再通过下层的校验修正求出最终的工业园区配电台区可开放容量评估结果。具体而言，步骤S3包括：

S301，采用以下线性化方法将步骤S2所构建的模型转化为易求解的混合整数线性规划模型。

首先引入辅助变量

再引入辅助变量

接着采用McCormick包络法对式(26)进行线性化，得到式(29)。

式中，

然后采用大

式中，

最后引入辅助变量

式中，

S302，上层向中层添加分布式光伏选相配置约束，中层采用分支定界求解得到混合整数线性规划的解，求解结果向上层添加Benders割，以此迭代求解得到可新增分布式光伏容量和初始的工业园区配电台区可开放容量最大值。

S303，下层对S302得到的结果进行校验修正，求出最终的工业园区配电台区可开放容量评估结果。

将前述步骤S1-S3所涉方法用于某工业园区配电台区的可开放容量评估中，按照图1所示流程在matlab中编程实现，优化前后台区可新增光伏容量如表1所示，由表1可以看出本发明所涉方法较传统方法能提升工业园区配电台区可开放容量38.71%；优化前后台区三相不平衡度如图5所示，优化前后台区反向过载情况如图6所示，优化前后台区电压越限情况如图7所示，由图5-7可以看出本发明所涉方法较传统方法能降低三相不平衡度、反向重过载和电压越限情况。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。