考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划方法

技术领域

本发明属于可再生能源电力系统规划建设技术领域，具体涉及一种考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划方法。

背景技术

为应对环境恶化与化石能源枯竭，可再生能源大规模并网将成为电力系统的发展方向。然而，可再生能源具有极大的不确定性，而且呈现能源分布高度集中且远离负荷中心的特点，因此其并网给电力系统输电通道规划带来了新的挑战。另一方面，随着电网技术的不断发展，储能技术应用日渐广泛。将储能技术应用于电网侧，不仅可以平抑可在生能源出力波动，而在还可以进行削峰填谷，有效缓解电网输电压力。所以，为缓解可再生能源发电与输电之间的矛盾，提升可再生能源消纳率，研究高可再生能源渗透率下的储输联合规划具有重要意义。

目前，国内外对于可再生能源电力系统的储能、输电通道规划已有一定的研究成果。但当前研究几乎都是以电力系统建设成本、运行成本、惩罚成本等经济性指标作为优化目标的，优化模型中缺少对系统抵御可再生能源波动等不确定事件能力的量化。规划方案在取得经济性最优的同时，其为应对不确定事件所留存的裕度往往较小。灵活性指标能够量化电力系统经济可靠地应对可再生能源波动等不确定事件的能力。开展灵活性专项规划对提高可再生能源利用率，增强高比例可再生能源电力系统可靠性具有重要意义。2018年，IEA在年度能源展望报告中提出了“灵活性是电力系统的新主张”的主旨观点，灵活性成为了安全性、可靠性和经济性之外，电力系统的又一个核心特征属性。如今，国内外研究机构对于电力系统灵活性的研究还处于初级阶段，主要围绕其基本概念的定义及定量评估展开，仅有少数文献考虑了灵活性在电力系统规划中的应用，且大都是从电源的角度进行规划设计，鲜有针对输电通道灵活性指标的规划研究。因此，进行储输灵活性规划，对提升电网运行的经济性与灵活性，增强电力系统对可再生能源的消纳能力，将产生极大的帮助。

发明内容

针对上述不足，本发明提出了一种考虑灵活性与经济性的多目标储输联合规划方法。首先计算输电通道灵活性指标，然后基于所提灵活性指标，建立了考虑多目标的储输双层规划模型，通过NSGAII优化算法对所提模型进行求解，从而实现了优化模型经济性与灵活性的最优。本发明所提方法能够有效提升输电线路灵活性，满足高比例可再生能源并网需求，增强系统对可再生能源的消纳能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划方法，包括以下步骤：

步骤(1)，计算输电通道上调灵活性指标与输电通道下调灵活性指标，之后计算场景s下在t时刻输电通道灵活性指标以及输电通道总灵活性指标；

步骤(2)，建立考虑多目标的储输双层规划模型；上层为储输规划层，该层以储能、输电线路两种灵活性资源建设容量为决策变量，以经济性、灵活性为优化目标进行规划方案，确定系统结构参数；下层则为运行模拟层，该层以运行经济性最优为目标，在上层确定的系统结构下进行多场景运行模拟，获得最优的储能、火电机组控制方法，并将系统运行参数返回上层；上层根据下层运行模拟参数，计算规划方案的经济性指标与灵活性指标，并根据计算结果对规划方案进行优化，迭代求解，得到最优规划方案。

进一步，优选的是，步骤(1)的具体步骤包括：

对于任意已经执行的调度断面t-1，下一时刻t子电网针对火电、储能的可调节功率需求即灵活性需求为：

式中：P

下一时刻子电网的可控机组灵活性功率供给为：

式中：

在随机场景s下t时刻输电通道路上下调灵活性指标flex

式中，P

计算随机场景s下在t时刻输电通道灵活性指标flex

flex

FLEX

进一步，优选的是，步骤(2)的具体步骤包括：

上层规划模型优化目标分别为规划方案总成本C

F＝min{F

式中，s为下层随机运行场景，ψ

下层运行模型以各随机场景的年运行成本C

f＝minC

各运行成本计算公式如下：

(1)火电机组运行成本C

式中，P

(2)储能运行溢价成本C

式中，P

(3)外界电网发电成本C

κ

(4)惩罚成本C

惩罚成本包括可再生能源弃用惩罚成本以及失负荷惩罚成本；κ

之后对双层规划模型进行求解，获得最优规划方案。

进一步，优选的是，上层规划模型约束如下所示：

(1)灵活性资源建设容量约束

x

式中，x

(2)建设成本约束

0≤C

式中，C

(3)可再生能源利用率约束

式中，P

进一步，优选的是，下层运行模型约束为：

(1)输电通道传输容量约束

-P

式中，P

(2)火电机组出力约束

式中，P

(3)储能出力约束

P

式中，P

(4)储能容量约束

式中，Soc

进一步，优选的是，采用NSGAII优化算法进行求解，得到Pareto最优端面后，采用模糊隶属度函数计算每个Pareto最优解的满意度，具有最大满意度的优化方案，即为最优规划方案，该个体的变量值即为当前的最优决策值；所述的变量值包括输电通道的配置容量以及储能装置的配置容量。

本发明同时提供考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划系统，包括：

第一处理模块，用于计算输电通道上调灵活性指标与输电通道下调灵活性指标；

第二处理模块，用于计算场景s下在t时刻输电通道灵活性指标以及输电通道总灵活性指标；

输电通道与储能联合规划调度模块，用于建立考虑多目标的储输双层规划模型；上层为储输规划层，该层以储能、输电线路两种灵活性资源建设容量为决策变量，以经济性、灵活性为优化目标进行规划方案，确定系统结构参数；下层则为运行模拟层，该层以运行经济性最优为目标，在上层确定的系统结构下进行多场景运行模拟，获得最优的储能、火电机组控制方法，并将系统运行参数返回上层；上层根据下层运行模拟参数，计算规划方案的经济性指标与灵活性指标，并根据计算结果对规划方案进行优化，迭代求解，得到最优规划方案，之后按照最优规划方案进行规划和调度。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划方法的步骤。

本发明另外提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划方法的步骤。

本发明对贴现率与工程固定运行费率取值没有限制，一般情况下取值范围为0.1-0.2。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明首先提出了一种考虑储输联合运行的输电通道灵活性指标计算方法。再基于所提灵活性指标，构建了考虑经济性、灵活性的储输多目标规划模型。该模型为双层优化模型，上层规划层确定建设方案，下层运行层对规划方案进行模拟运行。上层根据运行结果计算经济性、灵活性指标，从而对规划方案进行优化。通过上下层的不断迭代，实现了对最优规划方案的求解。本发明能够有效提升输电通道灵活性，增强系统的可在生能源消纳能力。同时通过引入储能，在提升输电通道灵活性的同时，保证了规划方案成本并未有太大提升，所得规划结果同时具有较好的经济性和灵活性。

附图说明

图1为规划模型结构图；

图2为电力系统结构图；

图3为可再生能源典型运行场景集；

图4为灵活性规划方案Pareto前沿图；

图5为经济性规划方案Pareto前沿图；

图6为随机场景下规划方案总成本；

图7为规划方案输电通道负载率与储能荷电状态变化情况图；

图8是本发明考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划系统的结构示意图；

图9为本发明电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料、设备等未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

实施例1

一种考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，计算输电通道上调灵活性指标与输电通道下调灵活性指标，之后计算场景s下在t时刻输电通道灵活性指标以及输电通道总灵活性指标；

步骤(1)的具体步骤包括：

对于任意已经执行的调度断面t-1，下一时刻t子电网针对火电、储能的可调节功率需求即灵活性需求为：

式中：P

下一时刻子电网的可控机组灵活性功率供给为：

式中：

在随机场景s下t时刻输电通道路上下调灵活性指标flex

式中，P

计算随机场景s下在t时刻输电通道灵活性指标flex

flex

FLEX

步骤(2)，建立考虑多目标的储输双层规划模型；上层为储输规划层，该层以储能、输电线路两种灵活性资源建设容量为决策变量，以经济性、灵活性为优化目标进行规划方案，确定系统结构参数；下层则为运行模拟层，该层以运行经济性最优为目标，在上层确定的系统结构下进行多场景运行模拟，获得最优的储能、火电机组控制方法，并将系统运行参数返回上层；上层根据下层运行模拟参数，计算规划方案的经济性指标与灵活性指标，并根据计算结果对规划方案进行优化，迭代求解，得到最优规划方案。

步骤(2)的具体步骤包括：

上层规划模型优化目标分别为规划方案总成本C

F＝min{F

式中，s为下层随机运行场景，ψ

下层运行模型以各随机场景的年运行成本C

f＝minC

各运行成本计算公式如下：

(1)火电机组运行成本C

式中，P

(2)储能运行溢价成本C

式中，P

(3)外界电网发电成本C

κ

(4)惩罚成本C

惩罚成本包括可再生能源弃用惩罚成本以及失负荷惩罚成本；κ

之后对双层规划模型进行求解，获得最优规划方案。

其中，上层规划模型约束如下所示：

(1)灵活性资源建设容量约束

x

式中，x

(2)建设成本约束

0≤C

式中，C

(3)可再生能源利用率约束

式中，P

下层运行模型约束为：

(1)输电通道传输容量约束

-P

式中，P

(2)火电机组出力约束

式中，P

(3)储能出力约束

P

式中，P

(4)储能容量约束

式中，Soc

优选，采用NSGAII优化算法进行求解，得到Pareto最优端面后，采用模糊隶属度函数计算每个Pareto最优解的满意度，具有最大满意度的优化方案，即为最优规划方案，该个体的变量值即为当前的最优决策值；所述的变量值包括输电通道的配置容量以及储能装置的配置容量。

如图8所示，考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划系统，包括：

第一处理模块101，用于计算输电通道上调灵活性指标与输电通道下调灵活性指标；

第二处理模块102，用于计算场景s下在t时刻输电通道灵活性指标以及输电通道总灵活性指标；

输电通道与储能联合规划调度模块103，用于建立考虑多目标的储输双层规划模型；上层为储输规划层，该层以储能、输电线路两种灵活性资源建设容量为决策变量，以经济性、灵活性为优化目标进行规划方案，确定系统结构参数；下层则为运行模拟层，该层以运行经济性最优为目标，在上层确定的系统结构下进行多场景运行模拟，获得最优的储能、火电机组控制方法，并将系统运行参数返回上层；上层根据下层运行模拟参数，计算规划方案的经济性指标与灵活性指标，并根据计算结果对规划方案进行优化，迭代求解，得到最优规划方案，之后按照最优规划方案进行规划和调度。

在本发明实施例中，第一处理模块101计算输电通道上调灵活性指标与输电通道下调灵活性指标；第二处理模块102计算场景s下在t时刻输电通道灵活性指标以及输电通道总灵活性指标；输电通道与储能联合规划调度模块103建立考虑多目标的储输双层规划模型；上层为储输规划层，该层以储能、输电线路两种灵活性资源建设容量为决策变量，以经济性、灵活性为优化目标进行规划方案，确定系统结构参数；下层则为运行模拟层，该层以运行经济性最优为目标，在上层确定的系统结构下进行多场景运行模拟，获得最优的储能、火电机组控制方法，并将系统运行参数返回上层；上层根据下层运行模拟参数，计算规划方案的经济性指标与灵活性指标，并根据计算结果对规划方案进行优化，迭代求解，得到最优规划方案，之后按照最优规划方案进行规划和调度。

本发明实施例提供的考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划系统，该系统能够有效提升输电通道灵活性，增强系统的可在生能源消纳能力，所得规划结果同时具有较好的经济性和灵活性，易于推广应用。

本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

图9为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图9，该电子设备可以包括：处理器(processor)201、通信接口(Communications Interface)202、存储器(memory)203和通信总线204，其中，处理器201，通信接口202，存储器203通过通信总线204完成相互间的通信。处理器201可以调用存储器203中的逻辑指令，以执行如下方法：计算输电通道上调灵活性指标与输电通道下调灵活性指标，之后计算场景s下在t时刻输电通道灵活性指标以及输电通道总灵活性指标；建立考虑多目标的储输双层规划模型；上层为储输规划层，该层以储能、输电线路两种灵活性资源建设容量为决策变量，以经济性、灵活性为优化目标进行规划方案，确定系统结构参数；下层则为运行模拟层，该层以运行经济性最优为目标，在上层确定的系统结构下进行多场景运行模拟，获得最优的储能、火电机组控制方法，并将系统运行参数返回上层；上层根据下层运行模拟参数，计算规划方案的经济性指标与灵活性指标，并根据计算结果对规划方案进行优化，迭代求解，得到最优规划方案。

此外，上述的存储器203中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划方法，例如包括计算输电通道上调灵活性指标与输电通道下调灵活性指标，之后计算场景s下在t时刻输电通道灵活性指标以及输电通道总灵活性指标；建立考虑多目标的储输双层规划模型；上层为储输规划层，该层以储能、输电线路两种灵活性资源建设容量为决策变量，以经济性、灵活性为优化目标进行规划方案，确定系统结构参数；下层则为运行模拟层，该层以运行经济性最优为目标，在上层确定的系统结构下进行多场景运行模拟，获得最优的储能、火电机组控制方法，并将系统运行参数返回上层；上层根据下层运行模拟参数，计算规划方案的经济性指标与灵活性指标，并根据计算结果对规划方案进行优化，迭代求解，得到最优规划方案。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

应用实例

一种考虑经济性与灵活性的输电通道与储能联合规划方法，包括以下步骤：

步骤(1)，本发明首先提出了一种针对输电通道灵活性的指标计算方法，从而为电力系统储输联合规划提供依据。

对于所提灵活性指标，本发明将其分为输电通道上调灵活性指标与输电通道下调灵活性指标两种。对于任意已经执行的调度断面t-1，下一时刻t子电网针对火电、储能的可调节功率需求即灵活性需求为：

式中：P

下一时刻子电网的可控机组灵活性功率供给为：

式中：

因此在场景s下t时刻输电通道路上下调灵活性指标flex

式中，P

最后，场景s下在t时刻输电通道灵活性指标flex

flex

FLEX

步骤(2)，基于步骤(1)所提灵活性指标，本发明建立了一种考虑多目标的储输双层规划模型，上层为储输规划层，该层以储能、输电线路两种灵活性资源建设容量为决策变量，以经济性、灵活性为优化目标进行规划方案，确定系统结构参数；下层则为运行模拟层，该层以运行经济性最优为目标，在上层确定的系统结构下进行多场景运行模拟，获得最优的储能、火电机组控制方法，并将系统运行参数返回上层。上层根据下层运行模拟参数，计算规划方案的经济性指标与灵活性指标，并根据计算结果对规划方案进行优化。模型在不断重复上述步骤的过程中实现了上下层之间的迭代。模型基于此迭代过程实现了对规划方案的优化求解。通过对模型进行求解，得到了电网最优规划建设方案。

上层规划模型的优化目标分别为规划方案总成本C

F＝min{F

式中，s为下层运行场景，ψ

式(9)为上层规划模型目标函数，式(10)为各目标具体表达式，式(11)为等效年建设维护成本C

上层规划模型约束如下所示：

(1)灵活性资源建设容量约束

x

式中，x

(2)建设成本约束

0≤C

式中，C

(3)可再生能源利用率约束

式中，P

由于提升输电通道灵活性的根本目的是增强系统对可再生能源的消纳能力，因此下层以各场景年运行成本C

f＝minC

各运行成本计算公式如下：

(1)火电机组运行成本C

式中，P

(2)储能运行溢价成本C

式中，P

(3)外界电网发电成本C

当系统内部发电机的输出功率不足以满足系统负荷需要时，就需外界电网通过输电通道向系统输送功率，从而产生一定的成本。κ

(4)惩罚成本C

惩罚成本包括可再生能源弃用惩罚成本以及失负荷惩罚成本两部分。κ

下层运行模型约束为：

(1)输电通道传输容量约束

-P

式中，P

(2)火电机组出力约束

式中，P

(3)储能出力约束

P

式中，P

(4)储能容量约束

式中，Soc

采用NSGAII优化算法对该多目标模型进行求解，得到Pareto最优端面后，采用模糊隶属度函数计算每个Pareto最优解的满意度。具有最大满意度的优化方案，即为最优规划方案，该个体的变量值即为当前的最优决策值。所述的变量值包括输电通道的配置容量以及储能装置的配置容量。

为验证本发明的有效性，在如图2所示含风电、光伏、火电的电力系统中，以储能、线路作为灵活性资源，进行了输电通道灵活性规划。

子电网原输电通道容量70MW，风电装机140MW，最大负荷100MW，无储能装置。假设在未来某规划水平年内，子电网新增了一风电场、一光伏电站与一火电厂。新增风电场装机180MW，光伏装机100MW，火电装机50MW。此时需提升输电通道容量以增强系统的清洁能源消纳能力，设置可再生能源弃用惩罚成本系数为9.67$/MW，负荷弃用惩罚成本系数为20.45$/MW，外界电网发电成本系数为11.2$/MW，系统参数如表1与表2所示。

表1火电机组参数

表2储能参数

可再生能源典型运行场景集如图3所示。为方便显示，分别将可再生能源出力与负荷出力以可再生能源出力装机量、最大负荷为基值进行了标幺化。设置储能成本为60000$/MWh，线路建设成本为120000$/MW，贴现率为0.1，工程使用年限为20年，下层调度时间为1h。种群个数设为100，迭代100代，最终规划结果的Pareto前沿如图4中“*”型方案集所示。

从图4中可以看出，随着储能以及线路投资成本的增加，输电通道灵活性指标逐渐降低，灵活性增强。上图中“o”型方案集为不建设储能，仅建设线路时所得到的Pareto前沿。可以看出，同时进行储能与线路建设，相比于仅建设线路，在相同的经济成本下，能够取得更好的灵活性。或者说，通过储能削峰填谷的作用，规划模型能够在满足系统灵活性的同时，降低规划方案经济成本。

为了进行对比，本发明同时也进行了传统的仅考虑经济性指标的规划。在上述模拟运行场景集下，以投资成本与运行成本为目标，进行输电通道规划，最终规划结果的Pareto前沿如图5所示。

两种规划方案的最优解及其主要指标如表3所示。可以看出，经济性规划方案的年运行成本高于灵活性规划方案。经分析发现这是由于经济性规划存在一定的惩罚成本，也就是说，经济性规划通过允许一定的弃可再生能源与弃负荷实现了建设成本的极大降低。因此相比于灵活性规划方案，经济性规划极大的减少了规划方案的总成本。然而，正如前面所述，传统经济性规划的鲁棒性难以控制，规划方案在取得最小经济成本时，其为应对可再生能源不确定波动所留的裕度往往较小。令上述场景集的可再生能源的出力在[0,0.25]的范围内均匀波动，重新生成10个随机场景，此时两种规划方案的总成本如图6所示。

表3规划方案最优解及其主要指标

由图6可以看到，在新生成的10个随机场景下，灵活性规划的总成本要小于经济性规划。这是由于传统的经济性规划方法无法衡量系统应对不确定性事件的能力，因此难以控制规划方案的所留裕度。其所得到的最优方案往往是在作为输入数据的场景下的最优方案，一旦留存裕度不够，在其他场景下，就极易出现指标恶化的情况，而灵活性规划，由于可以精确控制规划方案对不确定性事件的承受能力，因此在其他场景下往往也能保持优化目标的稳定。

图7则显示了在场景1下两种规划方案的输电通道负载率与储能荷电状态变化情况。场景1属于可再生能源输电需求最大的场景，可以看到，此时两种规划方案下输电通道在大多数情况下为满载。这主要是由两种原因导致的。一种是规划方案优先选择通过输电通道将可再生能源出力输送到主网中，而不是通过储能吸收这部分功率从而导致产生储能充放电成本。另一种则是当输电通道未满载时，储能可能会进行溢价成本为0的放电从而保证荷电状态不会过高。

而在某些时刻，当输电通道容量不足以满足传输需求时，储能将开始充电。由图7(b)可以看出，灵活性规划的储能荷电状态最大为0.83，绝大多数情况在0.6以下，说明灵活性规划有较多的裕度去平衡可再生能源的出力波动。而经济性规划由于储能容量较小，因此储能很快达到满载状态，若此时仍无法满足可再生能源传输需求，便会产生可再生能源弃用情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。