一種多目標的區域多微網結構和容量優化規劃方法
【專利摘要】本發明涉及一種多目標的區域多微網結構和容量優化規劃方法，包括：得到負荷的容量和類型，分布式電源的位置和容量以及類型，多微網的網絡架構，儲能的位置和容量以及類型的初始化數據；設定組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標的要求值；得到滿足組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標值的一系列抗體種群；采用免疫遺傳算法對抗體種群進行操作；輸出滿足組網靈活性、分布式能源消納和多能綜合利用目標的區域多微網結構和容量的經濟性最優規劃方法。在保證經濟性的前提下，能提高區域多微網的組網靈活性、分布式能源消納能力和多能綜合利用效率。
【專利說明】
一種多目標的區域多微網結構和容量優化規劃方法
技術領域
[0001] 本發明屬于微網技術領域，涉及一種區域多微網結構和容量優化規劃方法。
【背景技術】
[0002] 以風電、光伏為代表的可再生能源發電由于出力具有較大的不確定性，直接并網 容易對電網的安全運行和電力的可靠供應產生影響。風電、光伏等可再生能源發電與儲能、 負荷等配合組成微網的形式接入電網，則有助于消除可再生能源發電不確定性的影響，提 高電網對可再生能源的消納能力。同時，微網既能并網運行，又可以在外部電網發生故障時 孤島運行，因而可以解決大電網停電條件下對關鍵負荷的連續供電問題，提高供電可靠性。 微網的上述優勢使其迅速成為研究熱點。由于地理上鄰近的區域內可能建設有多個微網， 每個微網的配置和負荷需求不同，通過合理的規劃，將微網互聯成為區域多微網系統運行 將有助于提高整個系統的性能。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是為區域多微網組網靈活性、分布式能源消納和多能綜合利用多目 標的規劃提供一種經濟性最優的結構和容量規劃方法。技術方案如下：
[0004] -種多目標的區域多微網結構和容量優化規劃方法，包括下列步驟：
[0005] 1)收集當地以往的光照和風力數據，預測當地的負荷情況，獲取包括燃氣輪機參 數在內的相關數據，建立包含光伏和風力以及燃氣輪機在內的分布式電源模型，負荷預測 模型及儲能模型。
[0006] 2)根據預測的負荷的容量和類型，預測分布式電源的位置和容量以及類型，再根 據負荷和分布式電源預測多微網的網絡架構，根據負荷、分布式電源和網絡架構預測儲能 的位置和容量以及類型，得到負荷的容量和類型，分布式電源的位置和容量以及類型，多微 網的網絡架構，儲能的位置和容量以及類型的初始化數據。
[0007] 3)設定組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標的要求值，上述三種目標 都是將各自目標下的指標以一定權重比組合得到，其中，
[0008] 組網靈活性目標是為實現多微網的方便靈活組網，體現微網結構的優化而提出的 目標，包含以下兩個指標：
[0009] (1)多微網聯絡度MCD:該指標表征了各微網之間聯系的強弱，多微網的聯絡度越 大，各微網之間的聯系就越強：
[0010] MCD = 2m/n2(n2-l)
[0011] 其中，m、n2*別表示微網之間直接相連的線路數和微網的個數，當任意兩個微網 之間都直接相連時，多微網的聯絡度指標最大且為1，表示此時多微網之間的聯系最強，任 何一個微網都可以直接通過一個線路向其他微網提供或接受能量；
[0012] ⑵區域多微網結構靈活性指標MSF:該指標表征了區域多微網結構的靈活程度， 分值越高，代表區域多微網的結構越靈活：
[0013] MSF= (100*ηι+90*η2+80*η3)/(ηι+Π 2+η3+η4)
[0014]其中，111、112、113、114分別表不并列式、嵌套式、串聯式、分散式多微網的個數，100、 90、80、0分別是并列式、嵌套式、串聯式、分散式多微網的評分，100分是滿分。
[0015] 將這兩種指標進行組合，得到組網靈活性目標。
[0016] 4)考慮環境效益的分布式能源和儲能設備以及開關的成本包括分布式能源、儲 能、靜態開關的投資和運行維護成本，以最少的投資實現上述3組目標，即實現多微網的經 濟最優；
[0017] 5)計算抗體種群的組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標以及分布式 能源和儲能設備以及開關的經濟性。
[0018] 6)得到滿足組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標值的一系列抗體種 群;若不滿足組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標值，則重新選擇抗體種群，然 后回到步驟4。
[0019] 7)判斷是否滿足停止條件，如不滿足，則采用免疫遺傳算法對抗體種群進行操作， 然后回到步驟4。
[0020] 8)滿足停止條件，輸出滿足組網靈活性、分布式能源消納和多能綜合利用目標的 區域多微網結構和容量的經濟性最優規劃方法。
[0021] 本發明提出以組網靈活性、分布式能源消納和多能綜合利用作為優化子目標，以 經濟性作為優化主目標，采用免疫遺傳算法的區域多微網的結構和容量多目標優化規劃方 法，將區域多微網的優化規劃問題看成結構優化和容量優化兩個子優化問題，并以組網靈 活性、分布式能源消納和多能綜合利用作為優化的多目標函數，對多微網的結構和容量進 行優化規劃，得到經濟性最優的規劃方法，此方法在保證經濟性的前提下，能提高區域多微 網的組網靈活性、分布式能源消納能力和多能綜合利用效率。
【附圖說明】
[0022] 圖1基于免疫遺傳算法的多微網結構和容量規劃優化流程。
【具體實施方式】
[0023] 以下結合附圖1和【具體實施方式】對本發明中以組網靈活性、分布式能源消納和多 能綜合利用為目標的區域多微網結構和容量的經濟性最優規劃方法進行詳細的敘述。
[0024] 本發明采用的技術方案包括多微網規劃內容、規劃目標，具體如下：
[0025] 1.多微網的規劃內容包括結構優化和容量優化2部分，分別說明如下：
[0026] 1)結構優化
[0027] 結構優化主要包括微網內拓撲結構優化和多微網拓撲結構優化兩部分。微網內拓 撲結構優化主要是利用本發明提出的免疫遺傳算法對微網內分布式能源和儲能的位置進 行規劃優化，其目標是微網內分布式能源消納、多能綜合利用以及經濟性組成的多目標最 優;多微網拓撲結構優化主要是通過開關和儲能等的合理配置，促使多微網的組網靈活性 的提高，在此之上實現多微網整體的經濟性最優。
[0028] 2)容量優化
[0029]容量優化主要包括多微網內提供冷熱電三聯供的燃氣輪機的容量優化配置，光 伏、風力等提供電能的分布式電源容量優化配置和儲能的容量優化配置。在微網和多微網 兩個層面，包含燃氣輪機和光伏、風力在內的分布式能源容量的規劃目標都是在分布式能 源滲透率和多能綜合利用率盡可能高的條件下提高微網內或多微網整體的經濟性，而儲能 的容量規劃的目標則主要是減小分布式能源的不確定性，使得分布式能源平滑輸出。
[0030] 2.多微網的規劃視為一個包含組網靈活性、分布式能源消納和多能綜合利用的多 目標優化規劃問題。其主要包括以下目標：
[0031] 1)組網靈活性目標
[0032] 組網靈活性目標是為了實現多微網的方便靈活組網，體現微網結構的優化而提出 的目標。多微網越靈活，則其可供選擇的運行方式也越多，越能滿足不同用戶的差異化需 求。主要包含以下兩個指標：
[0033] (1)多微網聯絡度(Multi-microgrid Connection Degree;MCD):該指標表征了各 微網之間聯系的強弱，多微網的聯絡度越大，各微網之間的聯系就越強。
[0034] MQ) = 2m/n2(n2-l) (1)
[0035] 其中，m、n2*別表示微網之間直接相連的線路數和微網的個數。當任意兩個微網 之間都直接相連時，多微網的聯絡度指標最大且為1，表示此時多微網之間的聯系最強，任 何一個微網都可以直接通過一個線路向其他微網提供或接受能量。
[0036] (2)區域多微網結構靈活性指標（Multi-microgrid Structure Flexibility; MSF):該指標表征了區域多微網結構的靈活程度。分值越高，代表區域多微網的結構越靈 活。
[0037] MSF= (100*ηι+90*η2+80*η3)/(ηι+Π 2+η3+η4) (2)
[0038]其中，111、112、113、114分別表不并列式、嵌套式、串聯式、分散式多微網的個數，100、 90、80、0分別是并列式、嵌套式、串聯式、分散式多微網的評分，100分是滿分。根據上述由多 微網聯絡度指標評價得到的結果，并列式多微網的結構最靈活，故給分100，；嵌套式多微網 結構的靈活性次之，故給分90;串列式多微網結構的靈活性再次之，故給分80;而分散式多 微網結構的靈活性最差，幾乎沒有，故給分0。
[0039] 2)分布式能源消納目標
[0040] 分布式能源消納目標分為微網和多微網兩類目標，共包含以下六個指標：
[0041] (1)微網分布式能源自用率（Microgrid Distributed Energy Microgrid-load Consumption Rate ;MDEMCR)，該指標描述了微網自身消耗分布式電源發出的能量占微網內 分布式電源發出的能量的比值。
[0042]
[0043] 其中，Pdt)為微網的輸出功率，Pg(t)為微網內總的發電功率，此指標通過預測得 到，若其值越大，說明微網自發自用的程度越高，可為或需要其他微網提供能量的要求就越 低。
[0044] (2)微網分布式電源與負荷容量比（Microgrid Distributed Generation and Load Capacity Rate;MDGLCR)，該指標描述了微網內分布式電源的額定容量與額定負荷的 比值。
[0045](4> l=-L
j=l
[0046] 其中，PcdPPu分別表示微網內第i個分布式電源和第j個負荷的額定功率。
[0047] (3)微網儲能與分布式電源容量比（Microgrid Energy Storage and Distributed Generation Capacity Rate;MESDGCR)，該指標描述了微網內儲能的額定容 量占分布式電源的額定容量的比值。
[0048]
(5)
[0049] 其中，PSi和PCj分別表示微網內第i個儲能和第j個分布式電源的額定功率。該指標 越大，則微網內儲能額定容量占分布式電源額定容量的值越大，越能使分布式電源平滑輸 出，但相應的經濟性越差。
[0050] (4)多微網整體分布式能源自用率（Multi_microgrid Whole Di stributed Energy Microgrid-load Consumption Rate;MWDEMCR)，該指標描述了多微網自身消耗分 布式電源發出的能量占多微網內分布式電源發出的能量的比值。
[0051]
[0052] Pig (t)和P (t)分別表示第i個微網內總的發電功率和多微網的輸出功率。此指標通 過預測得到，若其值越大，說明多微網自發自用的程度越高。
[0053] (5)多微網整體分布式電源與負荷容量比(Multi-microgrid Whole Distributed Generation and Load Capacity Rate;MWDGLCR)，該指標描述了多微網內分布式電源的額 定容量與額定負荷的比值。
[0054]
(：7)
[0055] 其中，PCij和PLmn分別表示第i個微網內第j個分布式電源和第m個微網內第η個負荷 的額定功率。
[0056] (6)多微網整體儲能與分布式電源容量比（Multi-microgrid Whole Energy Storage and Distributed Generation Capacity Rate;MWESDGCR)，該指標描述了多微網 內儲能的額定容量占分布式電源的額定容量的比值。
[0057]
(8)
[0058]其中，Psij和PGmn分別表不苐i個微N內第j個儲能和第m個微網內第η個分布式電源 的額定功率。該指標越大，則多微網內儲能額定容量占分布式電源額定容量的值越大，越能 使分布式電源平滑輸出，但相應的經濟性越差，通過微網之間共用儲能可提高多微網的經 濟性。
[0059] 3)多能綜合利用目標
[0060] 多能綜合利用目標主要包含三種指標，如下所示：
[0061 ] (1)可再生能源發電滲透率(Renewable Energy Penetration;REP)。該指標為微 網中可再生能源平均發電量占平均負荷需求總量的百分比。
[0062]
C9)
[0063]式中：PRz(t)為在考慮DG故障與微網運行約束條件下，t時刻微網內某類或全部可 再生能源DG的輸出功率之和(kW)，PL(t)為t時刻微網負荷總量(kW)。該指標反映了能源利 用中可再生能源占總能源的比例。
[0064] ( 2 )多微網電/熱裝機容量比值（Mu 11 i-microgr id El ectr i cal/Thermal Capacity Ratio ;METCR)，用于評估區域多微網內電/熱裝機容量的比值。
[0065]
(10；
[0066] 式中：Pe。為所有微網供電機組的總額定功率;Pt。為所有供熱機組的額定功率;該 指標反映了能源利用中不同種類的能源的相對大小關系，描述了電熱綜合利用的水平。
[0067] (3)區域多微網綜合能效指標（Regional Multi-microgrid Comprehensive Energy Efficiency Index;RMCEEI)，該指標描述了區域多微網包含冷熱電在內的能源利 用效率。
[0068]
ill)
[0069] 式中：EjPEc分別表示在某一典型時段內區域多微網中所有的負荷消耗的能量和 所有的機組發出的能量(包含冷熱電三種能量）。該指標反映了多能綜合利用的效率。
[0070] 本發明需要實現在滿足一定的約束條件的前提下，以最少的投資實現上述3組目 標，即實現多微網的經濟最優。考慮環境效益的分布式能源和儲能設備以及開關的成本包 括分布式能源、儲能、靜態開關的投資和運行維護成本。表示如下：
[0071] (12)
[0072] 式中：Ντ為設備類型總數，Ni為第i類設備的數量，CAi,i與CM,i分別為設備i的投資成 本年值與年度運行維護費用。
[0073]設備的投資成本年值與設備的初始投資成本以及使用壽命有關，可表示為
[0074] (13)
[0075] 式中：Ci、Ti為苐i類設備的早位成本以及使用壽命，γ為折現率。
[0076] 本發明認為設備的年度運行維護成本與投資成本年值成正比，可表示為
[0077] CM,i = CAI,i · Hi (14)
[0078] 式中:ru為第i類設備年度運行維護費用與投資成本年值的比例系數。
[0079]本發明的技術方案可以概括為：
[0080] 1)收集當地以往的光照和風力數據，預測當地的負荷情況，獲取燃氣輪機的參數 等相關數據。建立包含光伏和風力以及燃氣輪機在內的分布式電源的模型，建立負荷的預 測模型，建立儲能的模型。
[0081] 2)根據預測的負荷的容量和類型，預測分布式電源的位置和容量以及類型，再根 據負荷和分布式電源預測多微網的網絡架構，最后根據負荷、分布式電源和網絡架構預測 儲能的位置和容量以及類型，得到負荷的容量和類型，分布式電源的位置和容量以及類型， 多微網的網絡架構，儲能的位置和容量以及類型的初始化數據。
[0082] 3)設定組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標的要求值，上述三種目標 都是將各自目標下的指標以一定權重比組合得到。
[0083] 4)計算抗體種群的組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標以及分布式 能源和儲能設備以及開關的經濟性。
[0084] 5)得到滿足組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標值的一系列抗體種 群;若不滿足組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標值，則重新選擇抗體種群，然 后回到步驟4。
[0085] 6)判斷是否滿足停止條件，如不滿足，則采用免疫遺傳算法對抗體種群進行操作， 然后回到步驟4。
[0086] 7)滿足停止條件，輸出滿足組網靈活性、分布式能源消納和多能綜合利用目標的 區域多微網結構和容量的經濟性最優規劃方法。
[0087] 以天津某動漫園示范系統為例，對動漫園區各建筑進行負荷預測，其中電負荷預 測情況為主樓3963kW，02-01號樓1645kW，02-02號樓2259kW，02-03號樓2314kW，其中二級負 荷容量約為3978kW，三級負荷容量約為136.5kW，純消防負荷安裝容量約為16.5kW;熱負荷 預測情況為主樓3509kW，02-01號樓1886kW，02-02號樓2006kW，02-03號樓2342kW;冷負荷預 測情況為主樓5055kW，02-01號樓2717kW，02-02號樓2889kW，02-03號樓3374kW。得到規劃方 案如下表1所示：
[0088] 表1天津某動漫園示范系統規劃方案
[0089]
[0090] 說明：動漫園主樓的400kWh與動漫園能源站共用。
【主權項】
1. 一種多目標的區域多微網結構和容量優化規劃方法，包括下列步驟： 1) 收集當地以往的光照和風力數據，預測當地的負荷情況，獲取包括燃氣輪機參數在 內的相關數據，建立包含光伏和風力以及燃氣輪機在內的分布式電源模型，負荷預測模型 及儲能模型。 2) 根據預測的負荷的容量和類型，預測分布式電源的位置和容量以及類型，再根據負 荷和分布式電源預測多微網的網絡架構，根據負荷、分布式電源和網絡架構預測儲能的位 置和容量以及類型，得到負荷的容量和類型，分布式電源的位置和容量以及類型，多微網的 網絡架構，儲能的位置和容量以及類型的初始化數據； 3) 設定組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標的要求值，上述三種目標都是 將各自目標下的指標以一定權重比組合得到，其中， 組網靈活性目標是為實現多微網的方便靈活組網，體現微網結構的優化而提出的目 標，包含以下兩個指標： (1) 多微網聯絡度MCD:該指標表征了各微網之間聯系的強弱，多微網的聯絡度越大，各 微網之間的聯系就越強： MCD = 2m/n2(n2-l) 其中，m、n2*別表示微網之間直接相連的線路數和微網的個數，當任意兩個微網之間 都直接相連時，多微網的聯絡度指標最大且為1，表示此時多微網之間的聯系最強，任何一 個微網都可以直接通過一個線路向其他微網提供或接受能量； (2) 區域多微網結構靈活性指標MSF:該指標表征了區域多微網結構的靈活程度，分值 越高，代表區域多微網的結構越靈活： MSF= (100*ni+90*n2+80*n3)/(ni+n2+n3+n4) 其中，ηι、Π 2、η3、η4分別表不并列式、嵌套式、串聯式、分散式多微網的個數，100、90、80、0 分別是并列式、嵌套式、串聯式、分散式多微網的評分，100分是滿分； 將這兩種指標進行組合，得到組網靈活性目標； 4) 考慮環境效益的分布式能源和儲能設備以及開關的成本包括分布式能源、儲能、靜 態開關的投資和運行維護成本，以最少的投資實現上述3組目標，即實現多微網的經濟最 優； 5) 計算抗體種群的組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標以及分布式能源 和儲能設備以及開關的經濟性； 6) 得到滿足組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標值的一系列抗體種群;若 不滿足組網靈活性、分布式能源消納、多能綜合利用目標值，則重新選擇抗體種群，然后回 到步驟4; 7) 判斷是否滿足停止條件，如不滿足，則采用免疫遺傳算法對抗體種群進行操作，然后 回到步驟4; 8) 滿足停止條件，輸出滿足組網靈活性、分布式能源消納和多能綜合利用目標的區域 多微網結構和容量的經濟性最優規劃方法。
【文檔編號】G06Q50/06GK105976063SQ201610329449
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】王守相, 張齊, 莊劍, 王旭東
【申請人】天津大學, 國網天津市電力公司