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)實現(xiàn)了從無源到有源的轉變，而現(xiàn)有獨立運行規(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)運行問題。因此，有必要利用系統(tǒng)協(xié)同理論實現(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

本文基于分解優(yōu)化建模原理，將一個混合輸配電系統(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)點系統(tǒng)。圖1給出了可以反映上述結構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

為了對混合輸配電系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間的聯(lián)系和耦合進行建模，需要將各個子系統(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)獨立優(yōu)化有關的變量，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，同時參與多個子系統(tǒng)的優(yōu)化決策。

對于圖1中的每層每個元素，局部變量包括與投資有關的優(yōu)化變量xpq和每一場景下與運行有關的優(yōu)化變量ypq,s，共享變量則是指每一場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，才導致各個子系統(tǒng)的優(yōu)化問題無法獨立求解。

為解決這一問題，共享變量zpq,s進一步分解為目標變量tpq,s和響應變量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，即可以實現(xiàn)各子系統(tǒng)優(yōu)化問題的獨立求解。

需要說明的是，目標變量和響應變量本質上表示的是相同的共享變量，在各子系統(tǒng)進行獨立規(guī)劃的同時，上述變量需保證一致性。本文采用增廣拉格朗日罰函數(shù)的形式對共享變量的一致性約束加以松弛，即可對應到各個子系統(tǒng)進行獨立求解，同時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?？紤]到輸、配電系統(tǒng)在分層規(guī)劃的同時需保證邊界節(jié)點交互信息的一致性，本文采用基于分析目標級聯(lián)的分布式優(yōu)化算法對聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃模型加以求解，克服了傳統(tǒng)多學科綜合優(yōu)化方法、層級框架理論、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。

該算法是一種由內、外兩層循環(huán)構成的迭代式求解方法，在內層循環(huán)中，保持一致性約束罰函數(shù)系數(shù)和權重不變，對各個輸、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)內層循環(huán)的求解結果更新一致性約束罰函數(shù)系數(shù)和權重。

算例輸配電系統(tǒng)網架結構如圖2所示。算例由1個IEEE RTS 24節(jié)點輸電系統(tǒng)和9個IEEE 33節(jié)點配電系統(tǒng)共同構成。其中，輸電系統(tǒng)共有10臺發(fā)電機，38條線路，9個配電系統(tǒng)分別通過節(jié)點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1連接輸電系統(tǒng)，節(jié)點13和節(jié)點25分別接有1臺DG。

圖2 算例網絡

從輸電系統(tǒng)層面，將本文所提出的協(xié)調規(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。相比獨立規(guī)劃，協(xié)調規(guī)劃可少建2條線路，降低2.04 M$的投資，有效延緩升級改造，與此同時，發(fā)電成本減少10.53 M$，從而較大幅度地降低了輸電系統(tǒng)機組的發(fā)電量，具有良好的環(huán)保效益。

此外，協(xié)調規(guī)劃方案總成本比獨立規(guī)劃總成本減少了12.57 M$，降幅達5.6%，說明協(xié)調規(guī)劃方法較獨立規(guī)劃方法更有利于提高輸電系統(tǒng)規(guī)劃方案的經濟性。分析其原因是由于協(xié)調規(guī)劃方法計及了下級配電系統(tǒng)的具體網絡拓撲結構和靈活調節(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。相比于獨立規(guī)劃方法，協(xié)調規(guī)劃方法有助于減少改造線路條數(shù)、延緩變電站擴容，有效降低了配電系統(tǒng)6的規(guī)劃投資成本。

雖然協(xié)調規(guī)劃方案的發(fā)電成本較獨立規(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)調規(guī)劃方法同樣有助于從配電系統(tǒng)層面得到更加經濟優(yōu)質的規(guī)劃方案。

結論

本文考慮負荷波動等不確定因素，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)點共享變量一致性約束的前提下，實現(xiàn)輸、配電系統(tǒng)的分層自主優(yōu)化。

利用基于分析目標級聯(lián)的分布式優(yōu)化算法求解各輸、配電系統(tǒng)的擴展規(guī)劃方案和電源經濟調度方案。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，通過算例對比是否考慮輸配電聯(lián)合下的系統(tǒng)規(guī)劃方案驗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)的分布式隨機優(yōu)化規(guī)劃[J]. 電工技術學報, 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.

團隊介紹

劉佳

博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃、運行。曾參與包含國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金在內的縱橫向科技項目10余項，以第一作者發(fā)表SCI、EI論文17篇，申請國家發(fā)明專利4項。

程浩忠

上海交通大學教授（特聘，專業(yè)技術二級），博士研究生導師，博士，電氣工程學位委員會主任，電力系統(tǒng)及其自動化學科負責人，國務院政府特殊津貼專家，國家能源智能電網（上海）研發(fā)中心學術委員會、中國電機工程學會電力系統(tǒng)專業(yè)委員會、城市供電專業(yè)委員會委員，上海市電機工程學會副理事長。國家科技進步二等獎、中國電力科技進步三等獎、國家電網公司科技進步一等獎、上海市科學技術獎一等獎、上海市科技進步獎、上海市科技啟明星、上海市曙光學者、上海市優(yōu)秀學術帶頭人、上海市科技精英獎、上海領軍人才獲得者。主持包含國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家電網公司科技項目在內的縱橫向科技項目200余項，出版專著12部，在SCI、EI、ISTP上發(fā)表論文400余篇。