張沈習(xí) ,程浩忠 ,邢海軍 ,姚良忠 ,張 逸
(1.上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京 100085;3.福建省電力科學(xué)研究院,福建 福州 350007)
近年來(lái),分布式電源DG(Distributed Generation)技術(shù)得到了快速發(fā)展,并成為智能電網(wǎng)背景下電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。DG合理地接入配電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)提高電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、緩解電力緊張、改善系統(tǒng)可靠性和減少環(huán)境污染等均能起到重要的作用[1-5];但是當(dāng)DG接入不合理時(shí),也會(huì)對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)一些不利影響,例如諧波污染、電壓波動(dòng)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)增大等問(wèn)題[1-5]。
為了充分發(fā)揮DG的優(yōu)勢(shì)并減少其不利影響,有必要對(duì)接入配電網(wǎng)的DG進(jìn)行合理的選址定容規(guī)劃。配電網(wǎng)中DG選址定容規(guī)劃可定義為:在已知規(guī)劃期間內(nèi)負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果以及現(xiàn)有配電網(wǎng)基本狀況的基礎(chǔ)上,確定DG在配電網(wǎng)中的安裝類型、安裝位置、安裝容量和安裝時(shí)間等,使得整個(gè)規(guī)劃期內(nèi)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等達(dá)到最優(yōu)。
DG按出力特性不同可分為穩(wěn)定出力型DG和間歇出力型DG兩大類。穩(wěn)定出力型DG主要包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池等。間歇出力型DG亦可稱為間歇性DG,主要包括分布式風(fēng)電、分布式光伏發(fā)電等。間歇性DG的輸出功率具有明顯的間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性,接入配電網(wǎng)運(yùn)行后,將大幅增加配電網(wǎng)中的不確定性,從而影響配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo),且影響程度與接入的位置和容量有著密切的關(guān)系,給相關(guān)規(guī)劃工作帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[3]。
配電網(wǎng)按照是否在運(yùn)行過(guò)程中采用主動(dòng)管理措施可分為2類:一類是傳統(tǒng)的不考慮主動(dòng)管理措施的傳統(tǒng)配電網(wǎng) TDN(Traditional Distribution Network);另一類則是考慮一系列主動(dòng)管理措施的主動(dòng)配電網(wǎng)ADN(Active Distribution Network)[6-8]。
目前,配電網(wǎng)中考慮不確定性的DG規(guī)劃研究主要可歸結(jié)于以下3個(gè)方面。
(1)不確定性因素的建模研究。
不確定性因素的建模研究是配電網(wǎng)中考慮不確定性的DG規(guī)劃的基礎(chǔ),其涉及風(fēng)電和光伏的出力特性、負(fù)荷的不確定性、未來(lái)電價(jià)的不確定性和燃料成本的不確定性等。
(2)TDN中的DG規(guī)劃方法。
DG接入TDN后,遵循“安裝即忘記”的原則,即DG在運(yùn)行過(guò)程中不接受來(lái)自配電網(wǎng)的主動(dòng)管理和控制。目前,TDN中考慮不確定性的DG規(guī)劃方法主要有3類:第1類是基于多場(chǎng)景技術(shù)的規(guī)劃方法;第2類是基于機(jī)會(huì)約束理論的規(guī)劃方法;第3類則是基于模糊數(shù)學(xué)理論的規(guī)劃方法。
(3)ADN中的DG規(guī)劃方法。
ADN是目前智能配電網(wǎng)一種新的發(fā)展模式,能利用先進(jìn)的自動(dòng)化、通信和電力電子等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)接入配電網(wǎng)的DG和其他設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)管理[6-8]。目前,ADN中考慮不確定性的DG規(guī)劃方法主要包括單層規(guī)劃方法和基于雙層規(guī)劃理論的雙層規(guī)劃方法。
下文將依次從上述3個(gè)方面綜述目前配電網(wǎng)中考慮不確定性的DG規(guī)劃相關(guān)問(wèn)題的研究現(xiàn)狀和研究成果,分析其面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇,并展望未來(lái)可能的發(fā)展方向。
風(fēng)速是影響風(fēng)電出力的主要因素,風(fēng)速的不斷變化會(huì)使得風(fēng)電的輸出功率在0到額定值之間波動(dòng)。現(xiàn)有研究中用來(lái)描述風(fēng)速的不確定性主要有3類模型:概率模型[9-17]、模糊模型[18]和區(qū)間模型[19-20]。風(fēng)速的概率模型包括Weibull 分 布[9-15,21]、Rayleigh分 布[14,16-17]、Inverse Gaussian 分 布[14]和LogNormal分布[14-15]等。其中,兩參數(shù)Weibull分布是應(yīng)用最廣泛的一種,該分布的2個(gè)參數(shù)(尺度參數(shù)和形狀參數(shù))可通過(guò)對(duì)觀測(cè)到的歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到,常用方法包括極大似然估計(jì)法[22]、均值和方差估算法[23]、最小二乘法[24]等。 風(fēng)速的模糊模型[18]以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ),采用三角模糊數(shù)和梯形模糊數(shù)等來(lái)描述風(fēng)速的不確定性,主要適用于風(fēng)速不具備統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的場(chǎng)合。風(fēng)速的區(qū)間模型[19-20]基于區(qū)間數(shù)理論,采用區(qū)間數(shù)來(lái)表征風(fēng)速的不確定性,主要用于風(fēng)速預(yù)測(cè)結(jié)果不精確但在一定范圍內(nèi)準(zhǔn)確時(shí)的場(chǎng)合。
研究風(fēng)速分布的不確定性模型是為了確定風(fēng)電的出力。風(fēng)電的出力特性主要取決于風(fēng)速,通??捎蔑L(fēng)電的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速3個(gè)參數(shù)來(lái)描述。當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速或大于切出風(fēng)速時(shí),風(fēng)電的出力為0;當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速且小于切出風(fēng)速時(shí),風(fēng)電的出力可達(dá)額定值;當(dāng)風(fēng)速介于切入風(fēng)速和額定風(fēng)速時(shí),文獻(xiàn)[25]認(rèn)為風(fēng)電的出力和風(fēng)速的關(guān)系是三次函數(shù)關(guān)系,文獻(xiàn)[26-27]則認(rèn)為風(fēng)電的出力和風(fēng)速之間的關(guān)系可近似為線性。
光伏發(fā)電的出力受很多因素的影響,例如太陽(yáng)能光照強(qiáng)度、光伏組件表面的溫度和濕度等,其中受太陽(yáng)能光照強(qiáng)度的影響最大[27]。光照強(qiáng)度的變化會(huì)使得光伏發(fā)電的輸出功率在0到額定值之間變化?,F(xiàn)有研究工作中用來(lái)描述光照強(qiáng)度的不確定性主要有 2 類模型:概率模型[9-11,27-31]和區(qū)間模型[20]。光照強(qiáng)度的概率模型包括 Beta 分布[9,11,28-31]和Weibull分布[10,27]等。 其中,Beta 分布是應(yīng)用最廣泛的一種,該分布的參數(shù)可通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到,常用的方法是均值和方差估算法[9,28-29]。光照強(qiáng)度的區(qū)間模型[20]則是采用區(qū)間數(shù)來(lái)描述其不確定性,具有模型簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行不確定性建模是為了確定光伏發(fā)電的出力。文獻(xiàn)[9,30]認(rèn)為光伏發(fā)電的出力與光照強(qiáng)度呈正比例關(guān)系;文獻(xiàn)[10,27,29,31]在建模過(guò)程中引入額定光照強(qiáng)度這一參數(shù),認(rèn)為當(dāng)光照強(qiáng)度小于額定光照強(qiáng)度時(shí),光伏發(fā)電的出力與光照強(qiáng)度呈正比例關(guān)系,當(dāng)光照強(qiáng)度大于額定光照強(qiáng)度時(shí),光伏發(fā)電的出力恒為額定值。
負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差和負(fù)荷的波動(dòng)性導(dǎo)致未來(lái)負(fù)荷具有不確定性。目前負(fù)荷的不確定性模型主要包括概率模 型[9-12,26-27]、模糊模型[32-34]和區(qū)間模型[19-20]。 負(fù)荷的概率模型最常見(jiàn)的是正態(tài)分布,其參數(shù)可通過(guò)非參數(shù)概率密度估計(jì)法[35]來(lái)估算。 模糊模型[32-34]和區(qū)間模型[19-20]則分別采用模糊數(shù)和區(qū)間數(shù)來(lái)表征負(fù)荷的不確定性。
除了風(fēng)電、光伏和負(fù)荷的不確定性外,配電網(wǎng)中還存在其他一些不確定性因素,例如配電網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)的不確定性、燃料成本的不確定性等。購(gòu)電電價(jià)會(huì)隨著市場(chǎng)的波動(dòng)而變化,常用正態(tài)分布[16,35]、模糊數(shù)[32-34]、幾何布朗運(yùn)動(dòng)[27]等來(lái)表示未來(lái)電價(jià)的不確定性。對(duì)于需要燃料的DG(例如微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等),其運(yùn)行成本以燃料成本為主,而未來(lái)的燃料價(jià)格會(huì)受很多因素影響,要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并不容易,一般認(rèn)為未來(lái)燃料價(jià)格的隨機(jī)變化可用模糊數(shù)[32-33]、幾何布朗運(yùn)動(dòng)[10,27]等來(lái)描述。
TDN中考慮不確定性的DG規(guī)劃方法主要可分為3類:第1類是基于多場(chǎng)景技術(shù)的規(guī)劃方法;第2類是基于機(jī)會(huì)約束理論的規(guī)劃方法;第3類則是基于模糊數(shù)學(xué)理論的規(guī)劃方法。這3類規(guī)劃方法對(duì)應(yīng)的規(guī)劃模型、求解算法和特點(diǎn)具體如下所述。
基于多場(chǎng)景技術(shù)的DG規(guī)劃方法的思路是:將風(fēng)電、光伏和負(fù)荷等不確定性因素可能的取值通過(guò)某種規(guī)則選取出來(lái)并進(jìn)行一一枚舉,從而組成一系列“規(guī)劃場(chǎng)景”,每個(gè)“規(guī)劃場(chǎng)景”對(duì)應(yīng)一組確定的規(guī)劃參數(shù),從而將不確定性問(wèn)題處理成一系列確定性問(wèn)題。
現(xiàn)有的基于多場(chǎng)景技術(shù)的TDN中考慮不確定性因素的DG規(guī)劃方法具體如下。文獻(xiàn)[28]將風(fēng)電出力、光伏出力和負(fù)荷分為多個(gè)場(chǎng)景組合,以系統(tǒng)年網(wǎng)損最小為目標(biāo),建立了多類型可再生能源DG優(yōu)化配置的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[36]基于多場(chǎng)景技術(shù),研究了考慮DG無(wú)功出力約束的多階段規(guī)劃問(wèn)題。文獻(xiàn)[37]選取一個(gè)典型日,采用多場(chǎng)景技術(shù)建立了考慮環(huán)境成本的DG優(yōu)化配置模型。文獻(xiàn)[38]將風(fēng)電出力、負(fù)荷和電價(jià)分為多個(gè)場(chǎng)景,以總費(fèi)用最低和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最小為目標(biāo),建立了多目標(biāo)DG規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[39]將DG出力時(shí)序特性曲線和負(fù)荷時(shí)序特性曲線離散化并組合成多個(gè)耦合場(chǎng)景,以網(wǎng)損最小和停電損失最小為目標(biāo)建立規(guī)劃模型。
上述基于多場(chǎng)景技術(shù)的DG規(guī)劃模型的一般形式可概括為:
其中,f(E,X)為目標(biāo)函數(shù),一般以費(fèi)用最小、損耗最小、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最小等為目標(biāo);E為DG的投資決策變量,包括DG的安裝類型、位置、容量和時(shí)間等;X為狀態(tài)變量,包括各場(chǎng)景的節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角、支路功率等;h(E,X)≤0為不等式約束,包含了各場(chǎng)景的節(jié)點(diǎn)電壓幅值上下限約束、各場(chǎng)景的支路功率約束、可靠性約束、DG滲透率約束、DG待選節(jié)點(diǎn)的安裝容量上限約束等;g(E,X)=0為等式約束,包含了各場(chǎng)景的潮流方程約束和節(jié)點(diǎn)功率平衡方程約束等。
式(1)屬于混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型,現(xiàn)有文獻(xiàn)中常用的求解方法有2類:一類是基于商業(yè)軟件平臺(tái)(例如 GAMS[28])的求解方法;另一類則是以粒子群優(yōu)化算法[37]和遺傳算法[38-39]為代表的智能算法。
基于機(jī)會(huì)約束理論的DG規(guī)劃方法以不確定數(shù)學(xué)理論中的機(jī)會(huì)約束方法為基礎(chǔ),將規(guī)劃過(guò)程中的大量不確定性因素用相應(yīng)的隨機(jī)變量加以描述和模擬,并將這些數(shù)學(xué)變量直接納入建模過(guò)程[40]。
文獻(xiàn)[3]建立了考慮無(wú)功補(bǔ)償裝置因素影響的間歇性DG機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型,該模型考慮了風(fēng)電、光伏和負(fù)荷的不確定性,著重研究了無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響;文獻(xiàn)[10,27]計(jì)及電動(dòng)汽車充放電站的不確定性,建立了DG多階段機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型,重點(diǎn)研究了可再生能源DG帶來(lái)的潛在效益;文獻(xiàn)[12]以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo),基于機(jī)會(huì)約束方法建立了DG選址定容規(guī)劃模型,并分析了不同置信水平對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響;文獻(xiàn)[26]以獨(dú)立發(fā)電商收益最大為目標(biāo),建立了DG選址定容規(guī)劃模型,同樣分析了不同置信水平對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響;文獻(xiàn)[41]考慮風(fēng)電和光伏出力的互補(bǔ)性,利用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法研究了間歇性DG的優(yōu)化配置問(wèn)題;文獻(xiàn)[42]利用相關(guān)系數(shù)矩陣描述風(fēng)電和負(fù)荷間的相關(guān)性,建立風(fēng)電選址定容多階段機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型,重點(diǎn)研究了相關(guān)性對(duì)規(guī)劃結(jié)果帶來(lái)的影響;文獻(xiàn)[43]針對(duì)在不同發(fā)展階段可能存在不同的DG投資主體,以機(jī)會(huì)約束理論為基礎(chǔ),建立了考慮配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需求指標(biāo)和用戶需求指標(biāo)的DG優(yōu)化配置模型。
TDN中考慮不確定性的DG機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型的一般形式如下:
其中,f(E,X)為目標(biāo)函數(shù);E為DG的投資決策變量;X為包含隨機(jī)變量的狀態(tài)變量;α和β均為決策者預(yù)先給定的置信水平;為給定置信水平α下能實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值;P{·}為{·}中事件成立的概率;h1(E,X)≤0通常為節(jié)點(diǎn)電壓約束和支路功率約束;h2(E,X)≤0為常規(guī)不等式約束,主要有 DG 滲透率約束、DG待選節(jié)點(diǎn)的安裝容量上限約束、可靠性約束等;g(E,X)=0為等式約束,主要有潮流方程約束、節(jié)點(diǎn)功率平衡方程約束等。
式(2)屬于復(fù)雜的混合整數(shù)非線性機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型,難以采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法進(jìn)行求解,一般采用智能算法結(jié)合概率潮流法進(jìn)行求解。其中,智能算法(包括遺傳算法[3,10,27,41-43]、混合蛙跳算法[12]、模擬植物生長(zhǎng)算法[26]等)是整個(gè)求解方法的框架,用于獲得DG規(guī)劃方案;概率潮流則用來(lái)模擬不確定性并檢驗(yàn)智能算法中每個(gè)個(gè)體(一個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)一套DG規(guī)劃方案)的機(jī)會(huì)約束條件。機(jī)會(huì)約束條件的檢驗(yàn)方法關(guān)系到模型的計(jì)算速度和精度,現(xiàn)有文獻(xiàn)中檢驗(yàn)機(jī)會(huì)約束條件的方法主要有3種:(1)基于簡(jiǎn)單隨機(jī)采樣的蒙特卡洛模擬SRS-MCS(Simple Random Sampling-based Monte Carlo Simulation)[10,27];(2)基于拉丁超立方采樣的蒙特卡洛模擬LHS-MCS(Latin Hypercube Sampling-based Monte Carlo Simulation)[12,42-43];(3)基于半不變量法和級(jí)數(shù)展開(kāi)SMSE(Semi-invariant Method and Series Expansion)[3,26,41]的概率潮流法。3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn):文獻(xiàn)[10,27]采用的SRS-MCS法在檢驗(yàn)機(jī)會(huì)約束條件時(shí)具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但是該方法往往需要大量的采樣規(guī)模才能保證計(jì)算結(jié)果的精度和穩(wěn)定性,具有耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn);針對(duì)SRS-MCS法在檢驗(yàn)機(jī)會(huì)約束條件時(shí)的缺點(diǎn),文獻(xiàn)[12,42-43]提出采用LHS-MCS法對(duì)機(jī)會(huì)約束條件進(jìn)行檢驗(yàn),該方法能在保證計(jì)算精度的同時(shí),大幅減少采樣規(guī)模、縮短計(jì)算時(shí)間,且穩(wěn)定性較好;文獻(xiàn)[3,26,41]則提出了基于SMSE的概率潮流法對(duì)機(jī)會(huì)約束條件進(jìn)行檢驗(yàn),該方法具有計(jì)算速度快、結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),但是計(jì)算精度相對(duì)較差。3種檢驗(yàn)機(jī)會(huì)約束條件的方法對(duì)比如表1所示。
表1 機(jī)會(huì)約束條件檢驗(yàn)方法的對(duì)比表Table 1 Comparison among methods for checking chance constraints
DG模糊規(guī)劃方法以不確定數(shù)學(xué)中的模糊理論為基礎(chǔ),將規(guī)劃過(guò)程中的不確定性因素用相應(yīng)的模糊數(shù)來(lái)表征。該方法的特點(diǎn)是不僅多個(gè)約束函數(shù)中的物理量本身及其取值范圍具有模糊性,而且目標(biāo)函數(shù)本身及其趨優(yōu)也具有模糊性。
文獻(xiàn)[32]用三角模糊數(shù)來(lái)描述不確定性因素,在此基礎(chǔ)上以總費(fèi)用最少、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最小和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)最小為目標(biāo)建立DG多目標(biāo)多階段模糊規(guī)劃模型;文獻(xiàn)[33]利用模糊數(shù)來(lái)表征負(fù)荷需求、電力價(jià)格、DG運(yùn)行成本以及投資成本的不確定性,從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境方面對(duì)DG在既有配電網(wǎng)中的選址定容和技術(shù)比重規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化;文獻(xiàn)[34]基于模糊規(guī)劃理論,以收益最大、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最小和環(huán)境最友好為目標(biāo),以經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行的各種限制為約束條件,建立了DG多目標(biāo)靜態(tài)模糊規(guī)劃模型。
基于模糊數(shù)學(xué)理論的DG模糊規(guī)劃模型的一般形式可概括為如下形式:
其中,為目標(biāo)函數(shù)的模糊量;E為DG的投資決策變量;為狀態(tài)變量的模糊量,主要有負(fù)荷模糊量、電價(jià)模糊量、DG出力模糊量、節(jié)點(diǎn)電壓和支路功率模糊量等;是含有模糊量的不等式約束,主要有節(jié)點(diǎn)電壓模糊約束、支路功率模糊約束等;h2(E)≤0是只含決策變量的不等式約束,主要包括DG滲透率約束、DG待選節(jié)點(diǎn)安裝容量上限約束等;是模糊等式約束,主要包括模糊潮流方程約束、模糊節(jié)點(diǎn)功率平衡約束等。
式(3)通常采用智能算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[32]采用非支配排序遺傳算法得到費(fèi)用、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的折中解,并采用最大最小法選取最終規(guī)劃方案;文獻(xiàn)[33-34]同樣采用非支配排序遺傳算法得到多目標(biāo)規(guī)劃模型的帕累托最優(yōu)解集,供決策者進(jìn)行選擇。
基于多場(chǎng)景技術(shù)的DG規(guī)劃方法可將不確定性規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為各自的確定性等價(jià)類,然后利用傳統(tǒng)方法建立其等價(jià)的確定性規(guī)劃模型,從而降低建模和求解的難度。但當(dāng)不確定性因素過(guò)多時(shí),如何對(duì)其進(jìn)行合理的分類、組合,從而構(gòu)成各種具有代表性的場(chǎng)景且保證模型的精度,是一大難點(diǎn),也是制約其廣泛應(yīng)用的主要因素。
基于機(jī)會(huì)約束理論的DG機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法能夠精確地利用隨機(jī)變量的表達(dá)式來(lái)描述DG規(guī)劃時(shí)的不確定性因素。該方法最大的特點(diǎn)是允許最終的DG規(guī)劃方案在一定程度上不滿足電氣約束條件,且能在規(guī)劃過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需求來(lái)控制規(guī)劃方案的風(fēng)險(xiǎn)。該方法的缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模增大時(shí),規(guī)劃模型的計(jì)算時(shí)間普遍較長(zhǎng)。
基于模糊數(shù)學(xué)理論的DG模糊規(guī)劃方法采用模糊數(shù)來(lái)描述DG規(guī)劃過(guò)程中的不確定性因素。和機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法一樣,DG模糊規(guī)劃模型的部分約束條件通常也采用軟約束的形式。相比于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法,模糊規(guī)劃方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需知道不確定性因素的概率分布函數(shù),缺點(diǎn)則是規(guī)劃結(jié)果的精度不夠高。
在TDN中,DG接入后遵照“安裝即忘記”的原則,這樣不僅無(wú)法充分利用DG在降低網(wǎng)損、改善系統(tǒng)潮流分布等方面的積極作用,還很大程度上限制了DG的滲透容量。針對(duì)TDN的弊端,ADN應(yīng)運(yùn)而生。ADN是目前智能配電網(wǎng)一種新的發(fā)展模式,能利用先進(jìn)的自動(dòng)化、通信和電力電子等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)DG和其他設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)管理和控制。
ADN的出現(xiàn)給考慮不確定性的DG規(guī)劃問(wèn)題帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在ADN中進(jìn)行考慮不確定性的DG規(guī)劃時(shí),除了需要計(jì)及各種不確定性因素的影響外,還需在規(guī)劃階段模擬ADN的運(yùn)行和主動(dòng)管理措施?,F(xiàn)有文獻(xiàn)中考慮的主動(dòng)管理措施主要包括調(diào)節(jié)DG的有功出力、調(diào)節(jié)DG的功率因數(shù)、調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器抽頭、調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償裝置和切負(fù)荷等[44-54]。
目前,ADN中進(jìn)行考慮不確定性的DG規(guī)劃時(shí),通常采用多場(chǎng)景技術(shù)[44-49]或概率模型[50-54]來(lái)處理各種不確定性因素。文獻(xiàn)[44-49]均采用聯(lián)合概率分布法來(lái)構(gòu)建不確定因素的典型場(chǎng)景,從而將不確定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列確定性問(wèn)題;文獻(xiàn)[50-54]采用概率模型來(lái)直接處理不確定性,并利用概率最優(yōu)潮流技術(shù)[50-53]或者概率潮流技術(shù)[54-55]來(lái)計(jì)及不確定性因素。
ADN中考慮不確定性的DG規(guī)劃方法可以歸納為2類:一類是DG單層規(guī)劃方法[44-48];另一類是基于雙層規(guī)劃理論的DG雙層規(guī)劃方法[49-54]。這2類規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀具體如下所述。
文獻(xiàn)[44]對(duì)風(fēng)電和負(fù)荷進(jìn)行多場(chǎng)景分析,在此基礎(chǔ)上以DG滲透容量最大為目標(biāo)建立多時(shí)段優(yōu)化規(guī)劃模型;文獻(xiàn)[45-47]考慮了風(fēng)電出力和負(fù)荷之間的時(shí)序耦合性,分別以網(wǎng)損最小、DG滲透容量最大、DG發(fā)電量消納最大為目標(biāo)建立了優(yōu)化模型;文獻(xiàn)[48]考慮短路電流約束,以風(fēng)電發(fā)電量消納最大為目標(biāo)建立規(guī)劃模型,詳細(xì)分析了不同主動(dòng)管理措施組合對(duì)結(jié)果的影響。此類模型一般采用以內(nèi)點(diǎn)法為基礎(chǔ)的多時(shí)段最優(yōu)潮流法進(jìn)行求解。
雙層規(guī)劃方法是基于雙層規(guī)劃理論的一種分層協(xié)調(diào)優(yōu)化方法[55]。文獻(xiàn)[49]采用聯(lián)合概率分布法來(lái)處理DG和負(fù)荷間的時(shí)序耦合性,在此基礎(chǔ)上建立了DG選址定容雙層規(guī)劃模型;文獻(xiàn)[50-51]以獨(dú)立發(fā)電商收益最大為目標(biāo)建立了DG在ADN中的優(yōu)化配置雙層規(guī)劃模型;文獻(xiàn)[52]以DG投資費(fèi)用最小和網(wǎng)損最小為目標(biāo),建立了多目標(biāo)DG規(guī)劃模型;文獻(xiàn)[53]基于雙層規(guī)劃理論,以年費(fèi)用最小為目標(biāo)建立了DG和無(wú)功補(bǔ)償裝置聯(lián)合規(guī)劃模型,上層規(guī)劃用來(lái)優(yōu)化DG的安裝類型和容量,以及補(bǔ)償電容器的容量,下層規(guī)劃則用來(lái)優(yōu)化DG和補(bǔ)償電容器的日運(yùn)行狀態(tài);文獻(xiàn)[54]研究了間歇性DG和補(bǔ)償電容器聯(lián)合規(guī)劃問(wèn)題,采用雙層規(guī)劃模型得到的最優(yōu)方案在兼顧經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),還可利用補(bǔ)償電容器進(jìn)一步改善系統(tǒng)的電壓質(zhì)量,從而獲得經(jīng)濟(jì)效益與電壓質(zhì)量的綜合最優(yōu)。
ADN中考慮不確定性的DG雙層規(guī)劃模型的總體建模思路為:上層規(guī)劃模型用于確定規(guī)劃方案(包括DG安裝類型、位置、容量和時(shí)間等),下層規(guī)劃模型則用來(lái)確定ADN在不同場(chǎng)景下的最優(yōu)運(yùn)行方式。上、下層規(guī)劃模型的數(shù)學(xué)表達(dá)分別如式(4)、(5)所示。
其中,fU和fL分別為上、下層規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù);hU(E)≤0為上層規(guī)劃模型的不等式約束,包括DG待選節(jié)點(diǎn)安裝容量上限約束、DG滲透率約束、可靠性約束等;hL(E,X)≤0為下層規(guī)劃模型的不等式約束,包括節(jié)點(diǎn)電壓約束、支路功率約束、DG出力約束、DG功率因數(shù)約束、無(wú)功補(bǔ)償容量約束、有載調(diào)壓變壓器抽頭約束和容量約束、切負(fù)荷量約束等;gL(E,X)=0為下層規(guī)劃的等式約束,包括潮流方程約束、DG出力的有功和無(wú)功關(guān)系約束等。
式(4)、(5)屬于非常復(fù)雜的混合整數(shù)非線性雙層規(guī)劃模型,現(xiàn)有文獻(xiàn)中主要有2類求解策略:(1)智能算法,例如文獻(xiàn)[54-55]均采用遺傳算法對(duì)DG雙層規(guī)劃模型進(jìn)行求解;(2)混合求解算法,其將智能算法和內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行結(jié)合,用智能算法優(yōu)化離散變量,用內(nèi)點(diǎn)法優(yōu)化連續(xù)變量,充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)?;旌锨蠼馑惴ㄖ?,智能算法是框架,用于確定上層規(guī)劃中DG的安裝類型、位置、容量和時(shí)間等;在智能算法的每次迭代過(guò)程中,需要確定ADN在每個(gè)場(chǎng)景中的最優(yōu)運(yùn)行方式。上層規(guī)劃將DG規(guī)劃方案?jìng)鬟f給下層,下層規(guī)劃則在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)場(chǎng)景的ADN進(jìn)行考慮主動(dòng)管理措施的優(yōu)化運(yùn)行模擬,并將相應(yīng)結(jié)果傳遞回上層,上層規(guī)劃再利用下層規(guī)劃傳遞來(lái)的結(jié)果計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值和適應(yīng)度值,如此交替迭代直至收斂。文獻(xiàn)[50-51]采用模擬植物生長(zhǎng)算法作為混合求解策略的外部框架,運(yùn)用點(diǎn)估計(jì)法和內(nèi)點(diǎn)法相結(jié)合的概率最優(yōu)潮流法對(duì)下層規(guī)劃模型進(jìn)行求解;文獻(xiàn)[52]采用差分進(jìn)化算法結(jié)合內(nèi)點(diǎn)法對(duì)模型進(jìn)行求解;文獻(xiàn)[53]采用非支配排序遺傳算法結(jié)合內(nèi)點(diǎn)法對(duì)模型進(jìn)行求解,得到帕累托最優(yōu)解集,供決策者選擇。
DG單層規(guī)劃模型采用的基于內(nèi)點(diǎn)法的多時(shí)段最優(yōu)潮流法具有計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn),但是該方法難以處理離散變量,故難以計(jì)及DG安裝容量的離散性約束。因此,該方法在應(yīng)用中具有一定的局限性。
DG雙層規(guī)劃采用了分層協(xié)調(diào)的思想,將DG模型劃分為規(guī)劃主問(wèn)題和運(yùn)行子問(wèn)題,并采用交替迭代的思想對(duì)模型進(jìn)行求解。DG雙層規(guī)劃模型的2類求解方法各有優(yōu)缺點(diǎn):智能算法具有編程易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),但是采用該方法求解DG雙層規(guī)劃模型時(shí),待優(yōu)化變量非常多,尤其是當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模增大時(shí),算法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、收斂速度慢且精度低,因此該求解方法具有一定的局限性;混合求解算法采用智能算法優(yōu)化離散變量、用內(nèi)點(diǎn)法優(yōu)化連續(xù)變量,能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),是目前求解DG雙層規(guī)劃模型較為有效的一種方法。
配電網(wǎng)中的不確定性因素大都是相互影響且多重相關(guān)的,然而現(xiàn)有相關(guān)研究中大多假設(shè)各類不確定性因素相互獨(dú)立,通常對(duì)各不確定性因素進(jìn)行單一處理而忽略它們之間的相關(guān)性。雖然已有文獻(xiàn)考慮了相關(guān)性,例如文獻(xiàn)[39,41]采用典型日的時(shí)序來(lái)代表隨機(jī)變量間的相關(guān)性,文獻(xiàn)[42]在進(jìn)行DG規(guī)劃時(shí)利用相關(guān)系數(shù)矩陣考慮了風(fēng)速和負(fù)荷間的相關(guān)性,文獻(xiàn)[52]利用聯(lián)合概率分布法處理風(fēng)電出力和負(fù)荷間的相關(guān)性,但是這些方法在考慮相關(guān)性時(shí)都不夠系統(tǒng)、全面,還需進(jìn)一步考慮各節(jié)點(diǎn)間的風(fēng)速相關(guān)性、各節(jié)點(diǎn)間的光照強(qiáng)度相關(guān)性、各節(jié)點(diǎn)間的負(fù)荷相關(guān)性等。因此,在配電網(wǎng)中進(jìn)行考慮不確定性的DG規(guī)劃時(shí),如何建立能夠全面考慮不確定性因素多重相關(guān)性的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
在進(jìn)行考慮不確定性的DG規(guī)劃時(shí),配電網(wǎng)絡(luò)的本身結(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)規(guī)劃結(jié)果造成重要的影響。傳統(tǒng)的規(guī)劃方法往往先進(jìn)行網(wǎng)架規(guī)劃,然后再進(jìn)行DG規(guī)劃,這樣通常會(huì)導(dǎo)致最終的規(guī)劃結(jié)果并非整體最優(yōu)。此外,DG作為配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃的一種選擇,給配電網(wǎng)的升級(jí)改造帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此,如何在滿足各類技術(shù)經(jīng)濟(jì)約束條件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)DG和配電網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃,將是未來(lái)考慮不確定性的DG規(guī)劃領(lǐng)域中一個(gè)值得研究的熱點(diǎn)。
風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃本質(zhì)上是不確定規(guī)劃的進(jìn)一步延伸。大量間歇性DG接入配電網(wǎng)后,規(guī)劃中需要計(jì)及DG、負(fù)荷和其他一系列不確定性因素,造成了規(guī)劃結(jié)果的安全性和經(jīng)濟(jì)性均存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此,如何在不確定性環(huán)境下對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,并在此基礎(chǔ)上通過(guò)規(guī)劃的手段盡可能地降低風(fēng)險(xiǎn),將是未來(lái)智能電網(wǎng)背景下DG規(guī)劃領(lǐng)域的一個(gè)研究方向。
全壽命周期成本建模的關(guān)鍵是要明確所包含的費(fèi)用項(xiàng)目,即要列出設(shè)備或者系統(tǒng)的費(fèi)用構(gòu)成體系或分解結(jié)構(gòu)[56]。不同類型的DG設(shè)備或者不同規(guī)模的配電網(wǎng),其分解結(jié)構(gòu)也會(huì)不同,在計(jì)算全壽命周期成本時(shí)不應(yīng)漏掉重要的費(fèi)用項(xiàng)目,也不允許重復(fù)計(jì)算費(fèi)用項(xiàng)目。因此,如何對(duì)DG和配電網(wǎng)進(jìn)行全壽命周期建模和相關(guān)費(fèi)用分解,在規(guī)劃過(guò)程中盡可能詳細(xì)地計(jì)及設(shè)備整個(gè)壽命周期中的相關(guān)費(fèi)用,從而使得規(guī)劃方案利于未來(lái)的電力系統(tǒng)資產(chǎn)全壽命成本管理,將是一個(gè)研究難點(diǎn)。
隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展,各種需求側(cè)響應(yīng)和管理應(yīng)運(yùn)而生。目前,對(duì)需求側(cè)響應(yīng)的研究包括直接負(fù)荷控制、可中斷負(fù)荷控制、緊急需求響應(yīng)機(jī)制、分時(shí)電價(jià)機(jī)制、可靠性電價(jià)機(jī)制和關(guān)鍵峰荷電價(jià)等。不同的需求側(cè)響應(yīng)方式具有不同的特性。因此,如何針對(duì)需求側(cè)響應(yīng)本身的特性進(jìn)行建模,并將其融入現(xiàn)有的考慮不確定性的DG規(guī)劃模型將是未來(lái)智能配電網(wǎng)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
隨著儲(chǔ)能技術(shù)的成熟,儲(chǔ)能系統(tǒng)已在配電網(wǎng)中得到了示范性應(yīng)用,能夠起到平抑間歇性DG出力波動(dòng)和削峰填谷等作用。儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要遵循充放電狀態(tài)約束、最大充放電功率約束、剩余容量約束和充放電次數(shù)約束等。若在DG規(guī)劃階段考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入,其物理特性約束將使得配電網(wǎng)的前后運(yùn)行狀態(tài)之間存在時(shí)序耦合關(guān)系,意味著在規(guī)劃過(guò)程中需要模擬包括儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)的時(shí)序動(dòng)態(tài)特性,這將大幅增加規(guī)劃模型的復(fù)雜度。因此,如何在進(jìn)行DG規(guī)劃時(shí)合理地對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模并計(jì)及其帶來(lái)的時(shí)序動(dòng)態(tài)特性,將是未來(lái)研究的一大挑戰(zhàn)。
配電網(wǎng)中進(jìn)行考慮不確定性的DG規(guī)劃時(shí),模型的復(fù)雜度會(huì)隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和DG類型的增加而呈現(xiàn)指數(shù)形式的增長(zhǎng)。目前,在求解配電網(wǎng)中考慮不確定性的DG規(guī)劃模型時(shí),通常采用基于智能算法的求解策略,這類方法在小規(guī)模系統(tǒng)中的求解效果比較好,但是當(dāng)問(wèn)題規(guī)模增加時(shí),其計(jì)算效率和收斂性均受到影響。此外,隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,需求側(cè)響應(yīng)和儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)中得到了推廣,這大幅增加了規(guī)劃模型的復(fù)雜度。因此,研究規(guī)劃模型的合理簡(jiǎn)化方法、采用新思路或者新的數(shù)學(xué)理論來(lái)研究更高效的求解算法也將是一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。
本文圍繞配電網(wǎng)中考慮不確定性因素的DG規(guī)劃,綜述了現(xiàn)有文獻(xiàn)中不確定性因素的建模工作,評(píng)述了近年來(lái)配電網(wǎng)中考慮不確定性因素的DG規(guī)劃模型和求解方法。在此基礎(chǔ)上,從不確定性因素建模、規(guī)劃模型和求解算法3個(gè)方面著手,展望了考慮不確定性因素的DG規(guī)劃領(lǐng)域在未來(lái)可能出現(xiàn)的理論和方法,以期能為該領(lǐng)域?qū)?lái)的研究提供一些參考。
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