研究背景

近年來，隨著分布式電源（DG）在配電系統層面的大規模接入，配電系統實現了從無源到有源的轉變，而現有獨立運行規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、線路阻塞等系統運行問題。因此，有必要利用系統協同理論實現輸配電系統規劃的優化，該方法也為降低系統總投資提供了一種新思路。

論文方法及創新點

本文基于分解優化建模原理，將一個混合輸配電系統從物理層面分解為輸電系統、配電系統和連接兩者的邊界節點系統。圖1給出了可以反映上述結構的兩層混合輸配電系統示意圖，其中，位于第1層的元素表示輸電系統，位于第2層的元素表示配電系統。

圖1 兩層混合輸配電系統示意圖

為了對混合輸配電系統中各個子系統之間的聯系和耦合進行建模，需要將各個子系統的優化變量劃分為兩類：1）局部變量，即僅與該子系統獨立優化有關的變量，不參與其他子系統的優化決策；2）共享變量，即與其他子系統優化共享的變量，同時參與多個子系統的優化決策。

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化變量xpq和每一場景下與運行有關的優化變量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，才導致各個子系統的優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是從輸電系統角度處理的共享變量，即在輸電系統規劃子問題中作為優化變量；rpq,s是從配電系統角度處理的共享變量，即在配電系統規劃子問題中作為優化變量。利用上述分解方法，即可以實現各子系統優化問題的獨立求解。

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，在各子系統進行獨立規劃的同時，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。

分析輸配電系統聯合優化規劃模型，屬于混合整數凸優化問題。考慮到輸、配電系統在分層規劃的同時需保證邊界節點交互信息的一致性，本文采用基于分析目標級聯的分布式優化算法對聯合優化規劃模型加以求解，克服了傳統多學科綜合優化方法、層級框架理論、協同優化方法在求解速度、精度方面的缺陷，具有可并行優化、層數不受限制等優點。

該算法是一種由內、外兩層循環構成的迭代式求解方法，在內層循環中，保持一致性約束罰函數系數和權重不變，對各個輸、配電系統的優化規劃問題交替求解；在外層循環中，根據內層循環的求解結果更新一致性約束罰函數系數和權重。

算例輸配電系統網架結構如圖2所示。算例由1個IEEE RTS 24節點輸電系統和9個IEEE 33節點配電系統共同構成。其中，輸電系統共有10臺發電機，38條線路，9個配電系統分別通過節點1、2、3、5、6、7、10、13和19接入輸電系統。以配電系統6為例，節點1連接輸電系統，節點13和節點25分別接有1臺DG。

圖2 算例網絡

從輸電系統層面，將本文所提出的協調規劃模型用于算例研究，得到輸電系統層優化規劃方案。相比獨立規劃，協調規劃可少建2條線路，降低2.04 M$的投資，有效延緩升級改造，與此同時，發電成本減少10.53 M$，從而較大幅度地降低了輸電系統機組的發電量，具有良好的環保效益。

此外，協調規劃方案總成本比獨立規劃總成本減少了12.57 M$，降幅達5.6%，說明協調規劃方法較獨立規劃方法更有利于提高輸電系統規劃方案的經濟性。分析其原因是由于協調規劃方法計及了下級配電系統的具體網絡拓撲結構和靈活調節能力，使得規劃總成本下降。

與輸電系統層相似，將本文所提出的協調規劃模型從配電系統層面用于算例研究，得到配電系統層優化規劃方案。相比于獨立規劃方法，協調規劃方法有助于減少改造線路條數、延緩變電站擴容，有效降低了配電系統6的規劃投資成本。

雖然協調規劃方案的發電成本較獨立規劃方案的發電成本高，但是前者的總成本依舊較后者的低，說明類似于輸電系統層面，協調規劃方法同樣有助于從配電系統層面得到更加經濟優質的規劃方案。

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的分布式協調優化規劃方法。該法將傳統集中式輸配電系統規劃問題分解為一個輸電系統規劃子問題和一系列配電系統規劃子問題，在滿足邊界節點共享變量一致性約束的前提下，實現輸、配電系統的分層自主優化。

利用基于分析目標級聯的分布式優化算法求解各輸、配電系統的擴展規劃方案和電源經濟調度方案。將配電系統規劃子問題松弛為二階錐規劃模型，以保證分布式優化算法收斂性。分別從輸、配電系統層面，通過算例對比是否考慮輸配電聯合下的系統規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. 混合輸配電系統的分布式隨機優化規劃[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優化規劃、運行。曾參與包含國家重點研發計劃、國家自然科學基金在內的縱橫向科技項目10余項，以第一作者發表SCI、EI論文17篇，申請國家發明專利4項。

程浩忠

上海交通大學教授（特聘，專業技術二級），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）研發中心學術委員會、中國電機工程學會電力系統專業委員會、城市供電專業委員會委員，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上發表論文400余篇。