唐巍,张志刚,张璐,孙岩,张筱慧,侯雲鹏/考虑柔性负荷整形的含源配电线路升级与开关配置综合优化.
研究背景
能源绿色转型背景下，分布式光伏等高比例可再生能源和超级快充等大规模新型负荷接入电力系统，为配电网承载力提升和灵活性供需平衡带来了巨大挑战。如何考虑高比例分布式光伏并网环境下源网荷储协同规划以提升配电网综合承载力亟须解决。利用柔性资源整形可以促进源荷协调优化，实现分布式光伏并网后配电网运行的灵活性、稳定性及就地高效消纳。优化开关配置可以贯通网络通道，并利用网络重构快速平滑地改变配电网联络方式，获得网络拓扑灵活性改造方案，以调整网架结构至最优状态，促进柔性资源与可再生能源时空匹配，有效提升网络功率传输能力。因此，针对源荷不同层面元素接入配电网，综合运用柔性资源整形和开关优化配置，对提升新型电力系统承载力发展具有重要的理论价值和现实意义。
研究内容
2.1配电线路整形可行范围分析
配电线路整形可行范围取柔性资源整形潜力与线路整形需求的交集。柔性资源整形潜力由负荷整形意愿（即柔性负荷参与整形的程度）与最大可调控功率决定；线路整形需求由负载率约束与功率反送约束决定。
Takagi-Sugeno-Kang(TSK)模糊系统是最著名的模糊系统之一，具有很好的非线性逼近潜力，本文采用TSK模糊系统建立柔性负荷整形模糊意愿模型。
首先，对n个影响因素分别定义高、中、低3个模糊子集，各模糊子集隶属度采用高斯型函数曲线，根据各个因素的取值范围和经验知识确定高斯型隶属度函数的曲线中心和宽度。
其次，基于各影响因素模糊子集的隶属度函数值和模糊规则，通过模糊推理确定柔性负荷的隶属度值。将隶属度值作为TSK模糊规则的输入量，获取各规则下的整形意愿，对应的模糊规则如下式所示：
(1)
最后，将TSK模糊模型对应各模糊规则下柔性负荷的整形意愿求加权均值，即可获得柔性负荷最终的整形意愿，如式（2）所示。
(2)
温控负荷整形意愿受环境温度、补偿电价等因素影响。各时刻电驱动温控设备的运行功率与室内外温度之间的关系式为：
(3)
制热条件下，t时刻温控设备的最大上调/下调功率分别为：
(4)
制冷条件下，t时刻温控设备的最大上调/下调功率分别为：
(5)
最大允许上调/下调功率由温度调节范围决定，温控负荷整形意愿强烈（补偿电价高、对舒适性要求低），温度调节范围就大。
电动汽车充放电功率受电池荷电状态、补偿电价等因素影响。
假设t时刻电动汽车e的停驶概率为，额定充放电功率为
，则各时刻电动汽车的可调度容量即整形潜力
为：
(6)
2.2计及运行安全约束的配电线路整形需求分析
根据配电线路负载率约束和功率反送约束，规定馈线组内线路正常运行时不重载、全线转供时不过载，提出考虑运行安全要求的配电线路最低整形需求边界计算方法。
线路首端基于运行安全性约束的配电线路传输功率上限取最大负载率限值，传输功率下限取最小负载率限值
与最大允许反送功率
中的较大者。线路干线各段及支线的传输功率上限取最大负载率限值
，传输功率下限取最小负载率限值
。
2.3考虑柔性负荷整形的含源配电线路升级与开关配置综合优化模型
上层模型构建以配电线路型号以及分段开关与联络开关的位置为决策变量，以开关设备的投资约束与配电网可靠性提升为约束条件，考虑线路正常运行时不重载、借助整形使全线转供时各线路段均不过载且各节点电压均不越限，同时考虑各线路段净负荷功率和柔性资源均衡分布，进行配电线路选型和开关配置，并将线路型号与开关配置组合方案传递给下层模型，提升互联线路规划的经济性、可靠性与安全性。下层模型根据开关配置结果，考虑分布式光伏接入位置与安装容量，优化开关最佳动作时间与开关状态，实现线路间净负荷均衡，并通过运行模拟获得各线路段在各时刻的整形需求以及柔性负荷整形潜力；分段优化各时刻整形功率值，在具有主动调节意愿的柔性负荷整形潜力不足时根据用户与电网事先签订的协议进行负荷有序中断，并给予用户高额赔偿，获得网络重构和功率优化后各配电线路电负荷曲线及运行成本，以此为信息传递给上层模型，实现互联线路经济运行。上、下层模型交互迭代，在解空间内寻求满足约束条件的最优解，如图1所示。
图1 配电线路双层规划模型结构图
算例分析
3.1单辐射线路向单联络升级改造规划结果
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图2 单辐射线路向单联络升级改造拓扑结构图
表1 不同方法下的配电线路规划结果及成本
表2 不同方法下的线路负载率
采用方法1进行配电线路规划时，年平均停电持续时间（SAIDI）与所失电量的期望值（EENS）分别为60.8 min/(户·a)、8 836（kW·h）/a；采用方法2进行配电线路规划时，SAIDI指标与EENS指标分别为43.5 min/(户·a)、6 479（kW·h）/a。由此可知，采用方法2进行配电线路规划时可靠性较方法1得到有效提升。
表3 不同方方法法下的运行结果
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一方面，随着柔性负荷渗透率的提升，在分段开关和联络开关配置的基础上充分利用其整形潜力在一定程度上可以延缓扩容，降低改造成本，提升改造方案的经济性；另一方面，随着柔性资源渗透率增加，在不需要扩容换线的基础上，柔性负荷在满足整形需求之后，剩余整形潜力更有利于运行调控和故障恢复。
随着柔性负荷渗透率的提升，联络规划的配电线路充分运用柔性负荷整形潜力可以进一步提升线路负载率，从而使线路资产利用率得到显著提升。但是受运行经济性的限制，线路负载率不能持续提升，线路资产利用率不会随着柔性资源渗透率提升而一直增加。
3.2单辐射线路向三分段三联络升级改造方案规划结果
分段开关与联络开关配置结果如图3所示。线路改造前线路Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的负载率分别为91.7%、89.2%、96.9%，面临严重的重载问题；且线路Ⅳ在夏季典型日12:00—13:00反向功率越限，导致节点电压越、弃光严重。采用本文方法进行线路联络升级与扩容改造后，线路型号均为LGJ-150，年规划成本为175.6万元，其中年投资成本100.6万元、年维护成本23万元、年运行成本52万元。线路Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的负载率分别为67.4%、73.8%、62.8%；SAIDI指标与EENS指标分别为53.6 min/(户·a)、7 713（kW·h）/a。改造后各线路有效消除了重载运行问题，光伏也得到了充分消纳；同时，与只采用线路扩容改造单一手段相比，本文所提方法可以明显提升规划的经济性和供电可靠性。
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图5 单辐射线路向三分段三联络升级改造规划结果图
结语
高比例柔性负荷接入配电网整形潜力巨大，线路联络规划可以进一步提升线路资产利用率。本文针对柔性负荷整形潜力评估和配电线路资产利用率提升进行研究，提出了考虑柔性负荷整形的含源配电线路升级与开关配置综合优化方法，实现了配电线路的经济可靠规划。并发现提高线路负荷匹配度和柔性资源渗透率，有助于“手拉手”线路负载率突破50%的限制，为未来分布式可再生能源与电动汽车充电桩高比例接入与承载奠定基础。
/ 引文信息
唐巍,张志刚,张璐,等.考虑柔性负荷整形的含源配电线路升级与开关配置综合优化[J/OL].电力系统自动化:1-25[2024-05-
21].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20240407.1027.006.html.
主要作者简介
Introduction to the Main Authors
张 璐
教授，博士生导师。兼任IEEE Senior Member、《供用电》编委，《电力系统自动化》期刊候选编委，Applied Energy青年编委。长期从事配电网规划运行相关研究，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子任务、国家重大军工项目子任务、省科技支撑项目子任务、电网公司总部科技项目等20余项。以第一作者/通讯作者发表国际高水平SCI/EI学术论文70余篇，多篇论文入选年度优秀论文与高被引论文。入选北京市科协青年托举、中国电机工程学会青年托举工程和福布斯(中国)U30精英榜。
唐巍
教授、博士生导师，IEEE PES（中国）配电技术分委会副主席，CIGRE C6中国专委会委员，国家电网有限公司配电领域科技项目咨询专家，配变节能技术北京市重点实验室学术委员，系统仿真学会电力系统仿真专委会副主任，宝钢优秀教师奖获得者。主要研究方向包括：新型配电系统规划、智能配电网运行控制、交直流柔性配电网、微电网技术、综合能源系统等。在IEEE Transactions on Power Systems、IEEE Transactions on Smart Grid、《电力系统自动化》等期刊发表论文150余篇。主持承担国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、NSFC-UKRI_EPSRC项目(中英)基金项目、国家自然科学基金、国家电网有限公司重点项目、南方电网公司科技项目40余项。主持研发的“农村电网建设与改造综合评价软件”在全国26个省、2000多个县推广应用。获得国家电网有限公司科技进步奖、国家能源局软科学研究优秀成果奖、中国石油和化学工业联合会科学技术奖、贵州省科技进步奖等。
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