考虑安全性与可靠性的微电网电能优化调度

摘要：随着电网结构和功能不断复杂化，对电力系统经济、环保、可靠的要求越来越高。如何提高电力系统能源利用率、改善能源结构，缓解能源需求与能源短缺、能源利用与环境保护之间的矛盾，使电网走向清洁、安全、高效、可靠的发展道路已成为电网优化运行的难题与关键。

关键词：安全性；可靠性；微电网电能；优化调度

1考虑不确定性因素的微电网安全性与可靠性分析

本文考虑的微电网包含光伏电池（photovoltaiccell，PV）、风力发电（windturbine，WT）、微型燃气轮机（microturbine，MT）以及柴油机（dieselgenerator，DE），其中PV和WT为不可控电源，采用可再生能源最大化利用原则。MT和DE为可控电源，同时微电网可以通过联络线向低压配电网（distributionnetwork，DN）进行购电，MT、DE和DN是微电网经济调度主要优化控制对象。微电网的不确定性因素主要包括可再生能源发电功率的不确定性、负荷预测误差以及机组故障停运的不确定性等。故障停运状况通过随机数发生器随机模拟，具体的操作如下：利用随机数发生器产生[0，1]区间的随机数r，如果随机数r小于机组的强迫停运率s，则机组停运；否则机组正常运行。以上不确定性因素将直接影响微电网优化调度方案。为了减小不确定性因素对微电网优化调度的影响，微电网需增加部分风险费用以平衡功率预测偏差，因此，本文定义的微电网风险费用主要包括微电网所需承受的高估和低估费用，其表达式为：

式中：C，t为t时段高估或低估风险费用；ut为t时段互斥的0-1状态变量，当ut为0时表示低估微电网中不确定性因素出力，当ut为1时表示高估微电网中不确定性因素出力；Ch，t、Cd，t分别为t时段微电网的高估费用和低估费用。

1）高估费用。

高估费用是指当微电网中不确定性因素的预测出力总和高于实际出力总和时，微电网为平衡预测误差所需承担的风险费用。因此，本文的高估费用评估采用系统可靠性最高策略，即优先利用微电网系统中可控机组的正旋转备用以调整高估电量，不足的电量采用切负荷方式，以保证重要负荷的正常供电。因此，高估费用包括：①可控机组出力变化而增加的燃料费用和维护费用；②可控机组出力调整费用；③供电不足而引起中断负荷的补偿费用。高估费用表达式为：

式中：n为微电网中可控机组的个数；Δt为机组运行时段长度；Ci，t为t时段可控机组i的燃料成本；Pi，t为t时段可控机组i有功功率计划出力；δi，t为t时段可控机组i的调整功率；ru，i为第i台可控机组的向上爬坡速率；Ki为第i台DG的单位维护费用；cT为可控机组单位功率调整费用；？h，t为t时段高估电量；closs为中断负荷单位功率补偿费用；ΔPloss，t为t时段失负荷电量。

高估电量h，t表达式为

式中：m、w、v分别为可控机组、WT和PV的数量；Pline，t为t时段微电网向DN计划购电电量；k*，t为0-1状态变量，表示t时段DG的开停状态δLt、，δwjt？和δslt分别为t时段负荷预测误差、WT出力误差和PV出力误差；Rline，t为t时段微电网向DN计划购入旋转备用容量；Pj，t、Pl，t、PL，t分别为t时段WT、PV和负荷的预测值。

失负荷电量ΔPloss，t表达式为：

2）低估费用。

低估费用是指当微电网不确定性因素的预测出力总和低于实际出力总和时，微电网为平衡预测误差所需承担的风险费用。低估费用采用资源浪费最小化策略，即优先利用微电网系统可控机组的负旋转备用调整低估电量，而多余的电量采用罚款的形式计入低估费用中。因此，低估费用包括：①可控机组的出力变化而减少的燃料费用和维护费用；②可控机组出力调整费用；③资源浪费而造成的惩罚费用。低估费用表达式为：

式中：δd，t为t时段低估电量；rd，i表示为第i台可控机组的向下爬坡速率；cpun為资源浪费单位功率惩罚费用；ΔPwas，t为t时段浪费电量。

低估电量δd，t表达式为：

2考虑安全性与可靠性的微电网经济调度

2.1微电网经济调度数学模型

微电网经济调度问题需将可控机组出力分配与微电网安全、可靠运行进行联合优化，在满足功率平衡约束、安全运行约束、机组出力约束以及实时运行约束的前提下，微电网系统以运行成本最小为目标，实现微电网安全、可靠、经济的优化调度。微电网在实际运行过程中，其运行成本主要考虑计划成本和风险成本，计划成本主要包括燃料成本、维护成本和主网计划交换成本。综上分析，采用机会约束规划的微电网经济调度目标函数表示为

式中：T为微电网调度周期的时段数；Cline，t为t时段微电网通过联络线与DN交换费用；CMi，t为t时段可控机组i的维护费用；为容忍度，表示最大允许目标函数偏离的程度；F为系统运行成本。

1）燃料成本。

由于微电网中PV和WT为清洁可再生能源发电，不会消耗化石燃料，在计算燃料成本时只考虑消耗化石燃料的可控机组，柴油机组其燃料成本用二次多项式函数近似表示为。

式中：A、B、C为可控机组的燃料成本系数，可以通过其耗量性曲线拟合得到。

对于微型燃气轮机，燃料成本与运行效率和输出功率有关。其燃料消耗成本近似表示为

式中：Cnl为天然气价格；L为天然气低热值；为时间间隔J内的机组效率。

2）维护成本。

微电网的维护成本正比于DG有功功率出力，其表达式为

2.2约束条件

为保证微电网安全、可靠、经济的运行，除满足式（8）—（10）外，还需满足如下的约束条件：

1）DG出力约束。

式中Pi，min、Pi，max为第i台DG出力下限和上限。

2）微电网功率平衡约束。

式中？δline，t为t时段DN与微电网交换功率的调整量，且有δline，t≤Rline，t。

3）微电网与主网联络线传输功率约束。

式中Pline，max、Pline，min分别为联络线的传输功率上限和下限。

4）可控机组爬坡率约束。

5）输电线路传输功率安全约束。

为保障输电线路安全运行，各支路的输送功率必须小于支路允许输送功率的最大值。

式中：iM，M为微电网总节点数；li，t为节点i在第t时段的负荷功率；Si，j，t为节点i第t时段的注入功率对支路i-j的灵敏度；pi，j，max为支路i-j允许输送功率的最大值。

3结束语

考虑微电网的安全与经济、节能与环保、效率与可靠等诸多因素，同时为消除间歇性发电设备出力、负荷以及系统设备的不确定因素带给微电网的影响，实现微电网的负荷最优分配，在满足系统约束条件下，建立考虑不确定因素下含低估或高估费用的微电网经济调度模型。模型中设置了满足系统安全性与可靠性的电压安全裕度与失负荷率的安全约束指标。

参考文献：

[1]周文辉.智能电网分布式能源优化调度与控制方法研究[D].广东工业大学，2017.

[2]王程.基于分布式优化的微电网群经济运行方法[D].华北电力大学（北京），2017.

[3]陈鸿亮.面向大型园区供能的冷热电联供型微网优化调度研究[D].南京理工大学，2017.

[4]孙恒楠.基于开放市场环境的多微电网系统优化调度方法研究[D].天津大学，2016.

（作者单位：国网河南省电力公司鹤壁供电公司）

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