基于节点可靠性重要度评估的配网侧储能鲁棒规划方法_刘志宏.pdf

第39卷 第2期2023年2月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.2Feb.2023智能电网Smart Grid基金项目：国网西藏电力有限公司科技项目（SGXZJY00-JHJS2000048）；国家自然科学基金项目（61773309；62103321）。Project Supported by the Science&Technology Program of StateGrid Tibet Electric Power Co.，Ltd.（SGXZJY00JHJS2000048）；theNational Natural Science Foundation of China（61773309；62103321）ABSTRACT：To improve the system reliability，a robustmethod for planning energy storage stations is proposed.A rapidevaluation algorithm for nodal reliability importance is proposedto form candidate nodes for the planning.A two-stage robustplanning model for energy storage plants is constructed.The N-kuncertainty set is used to model line-outage scenarios.Throughthe capacity planning，the system is scheduled with theminimization of the power loss under the worst line-outagescenario.With different assumptions，the planning model issolved efficiently by a three-levels method.The method is testedby an example of an actual network in Tibet.The results show thatthe proposed method can identify the key nodes accurately andthe energy storage plan plays a crucial role in the improvement ofsystem reliability.Compared with existing methods，the proposedmethod achieves higher reliability benefits.KEY WORDS：power distribution network；energy storageplanning；power supply reliability；nodal importance；robustoptimization摘要：面向可靠性提升，提出基于节点可靠性重要度评估的配网储能规划方法。综合源-荷关系、节点负荷及供能关键性等要素，提出基于供电可靠性的节点重要度快速评估算法，形成储能接入候选节点集，构建基于 2 阶段鲁棒优化的储能规划模型。考虑配电网故障不确定性，采用“N-k”不确定集来表征断线故障场景，并在最差故障场景与重要节点集约束作用下实现系统整体失负荷电量的最小化；针对不同故障假设，提出 2 类 3 层优化求解策略，支撑鲁棒储能规划模型的高效求解。西藏某地区实际配电网的算例结果表明，所提方法能够准确辨识对供电可靠性提升起到关键作用的节点，并给出具有强风险承受力的储能配置方案。相较 2 种对比方法，所提储能规划方法的可靠性收益更高。关键词：配电网；储能规划；供电可靠性；节点重要度；鲁棒优化配电网就像电网的“神经末梢”，连接着输电网和电力用户，是电力系统的重要环节，也是保障和改善民生的重要基础设施1。近年来，随着储能相关技术的不断发展、成熟，在配网侧大规模配置储能已具备充分的可行性，因而受到广泛关注。合理地规划和调度储能，不仅可以有效实现需求侧管理以及柔性负荷响应，降低负荷峰谷差，还能提高供电可靠性，促进可再生能源的充分消纳2。因此，恰当的储能配置对配电网具有很好的支撑作用，对降低整个电力生产中的碳排放也有积极作用。在配网储能规划中，储能选址的离散投资决策是必要的，但这给最优规划的计算带来了非线性困难，也就是说，储能规划问题一般是计算难度较大的非线性整数规划问题。针对该问题，减少整数变量是提高问题求解效率的重要手段3。考虑到少数关键节点的供电可靠性有可能对整个配电网的供电可靠性产生较为显著的影响4，采用预选重要节点来减少整数变量是一种有价值的方法。目前，节点重要度的评价指标有度中心性、介数文章编号：1674-3814（2023）02-0033-07中图分类号：TM911文献标志码：A基于节点可靠性重要度评估的配网侧储能鲁棒规划方法刘志宏1，邵振通2，丛鹏1，李西1，许志伟1，曹晓宇2，翟桥柱2（1.国网西藏电力有限公司经济技术研究院，西藏 拉萨850000；2.西安交通大学，陕西 西安710049）A Robust Planning Method for Distribution-Level Energy Storage Based onNodal Reliability Importance AssessmentLIU Zhihong1，SHAO Zhentong2，CONG Peng1，LI Xi1，XU Zhiwei1，CAO Xiaoyu2，ZHAI Qiaozhu2（1.StateGridTibetElectricPowerCo.，Ltd.，Lhasa850000，Tibet，China；2.Xi anJiaotongUniversity，Xi an710049，Shaanxi，China）智能电网Smart Grid中心性、特征向量中心性、最大子图节点数、网络分离子图数量和网络效率变化等5。文献6用节点（集）被删除后，形成的所有不连通节点对之间的距离（即，原始拓扑图中节点对之间的权值最小的路径的距离值）的倒数之和来体现所删节点（集）的重要性。文献7考虑节点的介数，重点关注局部结构。文献8对电网进行区域划分，利用复杂网络的重叠社区理论，重点关注各区域的重叠部分，实现对关键联络节点的探测。文献9基于复杂网络理论，提出 m 阶邻居节点的概念，并引入 2 个参数，用于调节节点重要度评估对节点自身特性及 m 阶邻居节点的依赖程度。文献10定义一种新的电气介数和网络效能指标，以辨识复杂电网中的脆弱线路。文献11通过计算电网节点间的电气距离，提出电气耦合连接度的概念，并以此建立了电力系统关键节点辨识模型。文献12基于功率转移分布因子计算节点效率指标，并利用这一指标定义改进的节点重要度评价矩阵。文献13综合考虑节点及其相邻节点的度值、节点效能值和线路的电抗值，定义电网节点重要度矩阵，构建了电网关键节点辨识模型。文献14基于区域电网的复杂网络拓扑特性和电气特性，提出评估区域电网关键节点的指标，避免了人为确定权重的主观性。但现有方法不是针对储能规划问题设计的，并未从配置储能后可靠性改善的角度来考虑节点的重要度。针对现有不足，本文以可靠性提升为配网储能规划目标，首次提出可靠性重要度指标，以甄别储能接入关键节点；以此为基础，提出电网中关键节点的快速辨识方法，生成重要节点集，作为储能候选节点集；进而提出面向储能规划的 2 阶段鲁棒优化模型及其高效求解策略。最后，以西藏地区某实际配网为例进行测试，通过与现有方法对比，验证了所提方法的正确性和有效性。1基于可靠性的节点重要度评估方法1.1基于供电可靠性准则的节点重要度指标在可靠性意义下选取重要节点的首要挑战，在于对节点重要度评价指标的合理定义。基于图论中的“点割集”概念，通过计算被评估节点删除后对网络连通性的破坏程度，可以反映节点的可靠性重要度。然而，单纯基于图论会存在 2 方面的局限性：1）网络拓扑破坏程度与电气结构破坏程度不一定等价；2）删除部分节点对于网络连通性的影响是相同的，无法客观地反映节点重要度。为弥补上述不足，本文将“节点删除”的思想与配电网源-荷关系、负荷容量及供能关键性等要素结合，提出基于供电可靠性准则的节点重要度指标。节点可靠性重要度可以定义为该节点接入储能后，当系统断线故障发生时的节点失负荷电量期望。由于配电网中、短期运行中，极少出现 2 条线路同时故障的情况，所以本文假设断线故障为“N-1”故障。考虑到实际储能接入后，需准确计算失负荷期望的巨大计算负担，快速统计“相对意义”下的系统可靠性水平，实现高效判断是十分有价值的。1.2节点可靠性重要度评估的算法流程节点重要度快速评估的实施步骤如下：1）参数初始化。待评估配电网拓扑()N,E、变电站节点N0、非变电站节点iN N0，节点负荷PL,i，负荷关键权重wi、支路lE故障概率pl；初始化待评估节点指针k=1。2）节点 k 的可靠性重要度评估。假设在节点 k接入储能，并在“N-1”故障假设下通过双层遍历算法来计算该节点的可靠性重要度指标。步骤 1：针对支路l发生断线的故障场景，修正配电网的拓扑邻接矩阵为M l ll；通过遍历M l ll，判断节点 i 与变电站或储能接入节点jN0 k的连接关系。若存在连通路径C()i,j，将该节点的失负荷标志置为fki,l=0；否则，令fki,l=1。步骤 2：遍历节点iNN0 k，计算断线场景l下的系统失负荷电量，即Skl=iNN0 kfki,lwiPL,i（1）步骤 3：遍历断线场景lE，计算节点 k 接入储能后的系统失负荷电量期望，即Ek=llSkl（2）其中，支路l的断线故障概率l的计算公式为l=plmEl()1-pm,lE（3）3）评估结果输出。遍历节点kNN0可获得所有节点的失负荷电量期望，记为 EkkN N0；对其进行归一化处理，输出各节点的可靠性重要度指标，即刘志宏，等：基于节点可靠性重要度评估的配网侧储能鲁棒规划方法Vol.39No.234第39卷第2期电网与清洁能源智能电网Smart GridRIk=maxkN N0 Ek-EkEk-minkN N0 Ek,kN N0（4）以下对所提算法做 2 点补充讨论：1）根据配电网拓扑结构的特殊性，可以简化步骤 1 中源-荷连接关系的判断策略。由于配电网通常呈辐射状拓扑，故任一支路断开均会将系统分割为 2 个子树。针对断线场景l，将与变电站断开连接的独立子树记为Tl。显然，Tl中未接入储能或电源时，Tl的所有节点均失负荷。由于子树信息可以先于遍历算法存储，采用上述策略将会有效降低计算的复杂度。2）负荷关键性权重与节点用电类型有关，可以采用层次分析法、模糊赋权法和专家经验法等方法确定。通过引入权重系数，可以协同结合负荷重要度与节点可靠性。1.3储能规划候选节点的筛选方法由式（4）可知，若RIk越大，说明节点 k 接入储能电站后产生的系统整体失负荷越小，则该节点的重要度越高。根据上述指标，可以筛选出储能规划的候选节点集：设候选节点的 m 个元素与配电网节点数 N 的关系为m=N，其中 x表示大于或等于 x 的最小整数。参数0,1定义了候选节点比。基于上述前提，先将负荷节点kN N0依据指标RIk从大到小排列，再选取可靠性重要度指标最高的前 m 个节点，最终得到储能规划候选节点集0。2考虑可靠性重要节点集的配网侧储能鲁棒规划方法2.1配电线路故障的“N-k”不确定集首先引入配电线路故障的不确定性描述。在难以获取故障概率具体分布的情况下，采用“N-k”离散集合来表征所有可能出现的网络故障场景。U=|uij,()i,j E|()i,j Euijk（5）式中：()i,j为支路编号；k为发生故