研究背景

近年來，隨著分布式電源（DG）在配電系統(tǒng)層面的大規(guī)模接入，配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從無源到有源的轉(zhuǎn)變，而現(xiàn)有獨(dú)立運(yùn)行規(guī)劃方法難以解決高比例可再生能源接入帶來的一系列諸如電壓越限、DG消納、線路阻塞等系統(tǒng)運(yùn)行問題。因此，有必要利用系統(tǒng)協(xié)同理論實(shí)現(xiàn)輸配電系統(tǒng)規(guī)劃的優(yōu)化，該方法也為降低系統(tǒng)總投資提供了一種新思路。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文基于分解優(yōu)化建模原理，將一個(gè)混合輸配電系統(tǒng)從物理層面分解為輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和連接兩者的邊界節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。圖1給出了可以反映上述結(jié)構(gòu)的兩層混合輸配電系統(tǒng)示意圖，其中，位于第1層的元素表示輸電系統(tǒng)，位于第2層的元素表示配電系統(tǒng)。

圖1 兩層混合輸配電系統(tǒng)示意圖

為了對(duì)混合輸配電系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系和耦合進(jìn)行建模，需要將各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化變量劃分為兩類：1）局部變量，即僅與該子系統(tǒng)獨(dú)立優(yōu)化有關(guān)的變量，不參與其他子系統(tǒng)的優(yōu)化決策；2）共享變量，即與其他子系統(tǒng)優(yōu)化共享的變量，同時(shí)參與多個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化決策。

對(duì)于圖1中的每層每個(gè)元素，局部變量包括與投資有關(guān)的優(yōu)化變量xpq和每一場(chǎng)景下與運(yùn)行有關(guān)的優(yōu)化變量ypq,s，共享變量則是指每一場(chǎng)景下與其他元素交互的優(yōu)化變量zpq,s。易知，正是由于存在共享變量，才導(dǎo)致各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化問題無法獨(dú)立求解。

為解決這一問題，共享變量zpq,s進(jìn)一步分解為目標(biāo)變量tpq,s和響應(yīng)變量rpq,s。其中，tpq,s是從輸電系統(tǒng)角度處理的共享變量，即在輸電系統(tǒng)規(guī)劃子問題中作為優(yōu)化變量；rpq,s是從配電系統(tǒng)角度處理的共享變量，即在配電系統(tǒng)規(guī)劃子問題中作為優(yōu)化變量。利用上述分解方法，即可以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)優(yōu)化問題的獨(dú)立求解。

需要說明的是，目標(biāo)變量和響應(yīng)變量本質(zhì)上表示的是相同的共享變量，在各子系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立規(guī)劃的同時(shí)，上述變量需保證一致性。本文采用增廣拉格朗日罰函數(shù)的形式對(duì)共享變量的一致性約束加以松弛，即可對(duì)應(yīng)到各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立求解，同時(shí)保證共享變量的一致性。

分析輸配電系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃模型，屬于混合整數(shù)凸優(yōu)化問題。考慮到輸、配電系統(tǒng)在分層規(guī)劃的同時(shí)需保證邊界節(jié)點(diǎn)交互信息的一致性，本文采用基于分析目標(biāo)級(jí)聯(lián)的分布式優(yōu)化算法對(duì)聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃模型加以求解，克服了傳統(tǒng)多學(xué)科綜合優(yōu)化方法、層級(jí)框架理論、協(xié)同優(yōu)化方法在求解速度、精度方面的缺陷，具有可并行優(yōu)化、層數(shù)不受限制等優(yōu)點(diǎn)。

該算法是一種由內(nèi)、外兩層循環(huán)構(gòu)成的迭代式求解方法，在內(nèi)層循環(huán)中，保持一致性約束罰函數(shù)系數(shù)和權(quán)重不變，對(duì)各個(gè)輸、配電系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃問題交替求解；在外層循環(huán)中，根據(jù)內(nèi)層循環(huán)的求解結(jié)果更新一致性約束罰函數(shù)系數(shù)和權(quán)重。

算例輸配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。算例由1個(gè)IEEE RTS 24節(jié)點(diǎn)輸電系統(tǒng)和9個(gè)IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)共同構(gòu)成。其中，輸電系統(tǒng)共有10臺(tái)發(fā)電機(jī)，38條線路，9個(gè)配電系統(tǒng)分別通過節(jié)點(diǎn)1、2、3、5、6、7、10、13和19接入輸電系統(tǒng)。以配電系統(tǒng)6為例，節(jié)點(diǎn)1連接輸電系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)13和節(jié)點(diǎn)25分別接有1臺(tái)DG。

圖2 算例網(wǎng)絡(luò)

從輸電系統(tǒng)層面，將本文所提出的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型用于算例研究，得到輸電系統(tǒng)層優(yōu)化規(guī)劃方案。相比獨(dú)立規(guī)劃，協(xié)調(diào)規(guī)劃可少建2條線路，降低2.04 M$的投資，有效延緩升級(jí)改造，與此同時(shí)，發(fā)電成本減少10.53 M$，從而較大幅度地降低了輸電系統(tǒng)機(jī)組的發(fā)電量，具有良好的環(huán)保效益。

此外，協(xié)調(diào)規(guī)劃方案總成本比獨(dú)立規(guī)劃總成本減少了12.57 M$，降幅達(dá)5.6%，說明協(xié)調(diào)規(guī)劃方法較獨(dú)立規(guī)劃方法更有利于提高輸電系統(tǒng)規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性。分析其原因是由于協(xié)調(diào)規(guī)劃方法計(jì)及了下級(jí)配電系統(tǒng)的具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和靈活調(diào)節(jié)能力，使得規(guī)劃總成本下降。

與輸電系統(tǒng)層相似，將本文所提出的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型從配電系統(tǒng)層面用于算例研究，得到配電系統(tǒng)層優(yōu)化規(guī)劃方案。相比于獨(dú)立規(guī)劃方法，協(xié)調(diào)規(guī)劃方法有助于減少改造線路條數(shù)、延緩變電站擴(kuò)容，有效降低了配電系統(tǒng)6的規(guī)劃投資成本。

雖然協(xié)調(diào)規(guī)劃方案的發(fā)電成本較獨(dú)立規(guī)劃方案的發(fā)電成本高，但是前者的總成本依舊較后者的低，說明類似于輸電系統(tǒng)層面，協(xié)調(diào)規(guī)劃方法同樣有助于從配電系統(tǒng)層面得到更加經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)的規(guī)劃方案。

結(jié)論

本文考慮負(fù)荷波動(dòng)等不確定因素，提出了一種混合輸配電系統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)劃方法。該法將傳統(tǒng)集中式輸配電系統(tǒng)規(guī)劃問題分解為一個(gè)輸電系統(tǒng)規(guī)劃子問題和一系列配電系統(tǒng)規(guī)劃子問題，在滿足邊界節(jié)點(diǎn)共享變量一致性約束的前提下，實(shí)現(xiàn)輸、配電系統(tǒng)的分層自主優(yōu)化。

利用基于分析目標(biāo)級(jí)聯(lián)的分布式優(yōu)化算法求解各輸、配電系統(tǒng)的擴(kuò)展規(guī)劃方案和電源經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。將配電系統(tǒng)規(guī)劃子問題松弛為二階錐規(guī)劃模型，以保證分布式優(yōu)化算法收斂性。分別從輸、配電系統(tǒng)層面，通過算例對(duì)比是否考慮輸配電聯(lián)合下的系統(tǒng)規(guī)劃方案驗(yàn)證了所提方法的有效性。

引用本文

劉佳, 程浩忠, 姚良忠, 張建平, 張嘯虎. 混合輸配電系統(tǒng)的分布式隨機(jī)優(yōu)化規(guī)劃[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(10): 1987-1998. Liu Jia, Cheng Haozhong, Yao Liangzhong, Zhang Jianping, Zhang Xiaohu. A Distributed Stochastic Optimization Method for Planning Transmission and Distribution Systems. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 1987-1998.

團(tuán)隊(duì)介紹

劉佳

博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃、運(yùn)行。曾參與包含國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金在內(nèi)的縱橫向科技項(xiàng)目10余項(xiàng)，以第一作者發(fā)表SCI、EI論文17篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)。

程浩忠

上海交通大學(xué)教授（特聘，專業(yè)技術(shù)二級(jí)），博士研究生導(dǎo)師，博士，電氣工程學(xué)位委員會(huì)主任，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)科負(fù)責(zé)人，國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家，國(guó)家能源智能電網(wǎng)（上海）研發(fā)中心學(xué)術(shù)委員會(huì)、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)、城市供電專業(yè)委員會(huì)委員，上海市電機(jī)工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)電力科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、國(guó)家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)、上海市科技啟明星、上海市曙光學(xué)者、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人、上海市科技精英獎(jiǎng)、上海領(lǐng)軍人才獲得者。主持包含國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目在內(nèi)的縱橫向科技項(xiàng)目200余項(xiàng)，出版專著12部，在SCI、EI、ISTP上發(fā)表論文400余篇。