[0001] 本发明涉及电力领域，具体而言，涉及一种配电网规划方法。

[0002] 随着电力需求的不断增长，配电公司需要及时扩展配电网络，并保持配电系统的安全运行。过去十年，随着分布式可再生能源渗透率的不断提高，系统净峰值负荷的不确定性逐渐增加，配电网规划如何应对可再生能源带来的不确定性成为了新的问题。另一方面，随着售电市场的放开，配电系统扩容的大量投资给配电公司带来了巨大压力，这促使配电公司采用非电力网络解决方案来满足部分负荷增长的需求。作为重要的非电力网络解决方案，需求响应资源具有降低或转移用户用电量的能力，可以有效地减小系统扩容的投资，因此近年来在配电网系统扩展规划中受到越来越多的关注。

[0003] 目前在将需求响应资源纳入配电网系统扩展规划问题的研究中，普遍涉及两种类型的需求响应，分别是价格型需求响应和激励型需求响应。现有的大多数研究都集中在价格型需求响应，几乎所有这些研究都应用价格弹性模型来描述需求对价格变化的响应。在现有的考虑需求响应资源的配电网规划研究中，有的研究将价格型需求响应资源纳入配电网规划框架，通过确定的价格弹性模型对负荷可削减量进行建模；有的研究提出考虑实时电价需求响应的配电系统双层扩展规划模型，使用自价格弹性和交叉价格弹性模型来描述消费者为响应电价变化而调整需求的意愿；有的研究将价格型需求响应资源和分布式电源发电、网络升级方案进行协同优化，用高斯分布来描述价格弹性系数的不确定性；有的研究量化了需求响应资源的价格弹性系数对配电网扩展规划的影响。

[0004] 与价格型需求响应相比，将激励型需求响应资源纳入配电网扩展规划的文献相对较少，这些研究包括：考虑分布式电源发电和可中断负荷的配电网扩展规划模型；考虑激励型需求响应资源的主动配电网规划的概率方法；考虑网络重构、可中断负荷和分布式发电的配电网系统扩展规划模型，等等。然而，在这些研究中，对可中断负荷的约束条件只是简单地给其加上一个基于经验值的上限，并没有考虑不同用户需求响应潜力的差异性和不确定性。此外，这些研究未考虑给予用户的激励价格和客户参与度之间的关系。

[0005] 针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

[0018] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0019] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0020] 根据本发明实施例，提供了一种配电网规划方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

[0021] 图1是根据本发明实施例的配电网规划方法的流程图，如图1所示，该配电网规划方法包括如下步骤：

[0022] 步骤S102，获取配电网系统扩展规划的成本数据，其中，成本数据至少包括：网络扩容投资、运行损耗、需求响应资源成本；

[0023] 在具体实施过程中，上述配电网系统扩展规划的成本数据包括但不限于网络扩容投资、运行损耗、需求响应资源成本。

[0024] 步骤S104，建立目标模型，其中，目标模型用于在配电网系统扩展规划满足成本数据的情况下，基于配电网系统扩展规划的预设参数确定配电网系统扩展规划总成本的现值，其中，预设参数至少包括：配电网系统扩展规划所处的规划阶段、规划阶段所包含的年数和年利率；

[0025] 步骤S106，将多个约束条件输入到目标模型，其中，多个约束条件分别用于指示在配电网系统扩展规划满足成本数据的情况下成本数据被限制的范围；

[0026] 步骤S108，根据目标模型对配电网系统扩展规划总成本的现值进行调整。

[0027] 通过上述步骤，可以首先采用获取配电网系统扩展规划的成本数据，其中，成本数据至少包括：网络扩容投资、运行损耗、需求响应资源成本；其次建立目标模型，其中，目标模型用于在配电网系统扩展规划满足成本数据的情况下，基于配电网系统扩展规划的预设参数确定配电网系统扩展规划总成本的现值，其中，预设参数至少包括：配电网系统扩展规划所处的规划阶段、规划阶段所包含的年数和年利率；再者将多个约束条件输入到目标模型，其中，多个约束条件分别用于指示在配电网系统扩展规划满足成本数据的情况下成本数据被限制的范围；进而根据目标模型对配电网系统扩展规划总成本的现值进行调整。通过目标模型和多个约束条件的结合得到最优的配电网系统扩展规划总成本的现值，从而实现了提高需求响应资源的成本效益，降低配电网系统扩展规划的成本的技术效果，进而解决了相关技术中的配电网系统扩展规划没有考虑到需求响应资源的影响，导致配电网系统扩展规划的成本过高的技术问题。

[0028] 作为一种可选的实施例，在建立目标模型之前，上述还包括：基于数据挖掘技术从智能电表数据中提取出历史用电负荷数据，构建客户需求响应潜力模型，并以此计算需求响应潜力指数(Demand Response Index，简称为DRI)。其中，DRI用来评估配电网高峰时段单个客户的需求响应潜力水平的期望值。然后，基于对每个用户所计算出的需求响应潜力指数，使用Jenks自然断裂法将整个配电网中的所有客户分为k组。通过这种方法，在配电网系统扩展规划的目标模型中就可以通过确定每个节点上每个客户组的参与人数来实现用户的选择。

[0029] 由于客户的用电行为各不相同，因此不同客户之间的需求响应潜力差异很大。通过上述方式可以筛选出合理的客户，基于客户分组结果将客户需求响应潜力的差异性应用到配电网系统扩展规划的目标模型中。

[0030] 作为一种可选的实施例，可以使用从智能电表数据中提取的空调用电负荷数据，建立评估单个客户的需求响应潜力的模型，并根据客户的需求响应水平对客户进行聚类分组。在此基础上，将客户需求响应潜力的差异性、需求响应给与用户的激励价格和用户参与需求响应项目的概率之间的关系应用于配电网系统扩展规划的目标模型中。

[0031] 需要说明的是，将激励和参与度的关系纳入配电网系统扩展规划的目标模型中，各个规划阶段在各负荷节点上所需要为需求响应项目招募的用户数量，以及相应的给予用户的激励价格，可以为不同负荷节点上的不同客户群体设置适当的差异化激励。通过这种方式设计最优的差异化的激励价格，可使激励价格与用户需求响应潜力、配电网不同节点对需求响应资源的需求实现真正的匹配。通过上述方式可以帮助配电公司针对不同节点上具有不同需求响应潜力的用户设计差异化的激励措施，以便配电公司为需求响应资源所支付的成本可以真实反映其价值。

[0032] 作为一种可选的实施例，上述目标模型为非线性混合整数规划模型。为了得到稳定的全局最优解，可将非线性混合整数规划模型转化为线性混合整数规划模型，然后再用线性优化求解器对问题进行求解。

[0033] 可选地，在获取配电网系统扩展规划的成本数据之前，上述方法还包括：确定配电网系统扩展规划的成本数据，其中，确定配电网系统扩展规划的成本数据包括：依据配电网系统扩展规划的变电站投资和/或馈线投资，确定成本数据的网络扩容投资；依据配电网系统扩展规划的变压器损耗和/或馈线损耗，确定成本数据的运行损耗；依据配电网系统扩展规划的设备安装成本和/或需求响应激励费用，确定成本数据的需求响应资源成本。

[0034] 可选地，上述目标模型使用如下目标函数：

[0035] 其中，S为规划阶段的集合，τ为规划阶段的标号，λ为年利率，D为一个规划阶段中所包含年数， 为网络扩容投资， 为需求响应资源成本中包含的设备安装成本， 为运行损耗， 为需求响应资源成本中包含的需求响应激励费用，PVEC为配电网系统扩展规划总成本的现值。例如，上述设备安装成本可以为空调控温设备的安装成本。在具体实施过程中，将目标函数中PVEC的最小值作为目标模型的配电网系统扩展规划总成本的现值。通过上述方式可以在最大程度上降低配电网系统扩展规划的成本。

[0036] 作为一种可选的实施例， 和 的费用发生在每个规划阶段的开始，而 和的费用发生在每个年度， 和 分别发生在年初和年末，因此， 比 对应地多乘了一项系数1/(1+λ)。

[0037] 作为一种可选的实施例， 可以采用如下函数表示：

[0038] 可选地，可以表示升级或建造馈线和变电站所需的投资成本。

[0039] 作为一种可选的实施例， 可以采用如下函数表示：

[0040] 可选地， 可以表示空调控温器设备的安装成本。从第二阶段开始， 由与上一个规划阶段相比新增的参与需求响应项目的用户数所确定。

[0041] 作为一种可选的实施例， 可以采用如下函数表示：

[0042] 可选地， 可以表示年度支付的需求响应激励。

[0043] 作为一种可选的实施例， 可以采用如下函数表示：

[0044] 可选地， 可以表示系统的年运行成本，其中，第一项是馈线损耗，第二项是变电站能量损耗。

[0045] 在上述函数中，S为规划阶段的集合；τ为规划阶段标号；i,j为节点标号；ΩF和ΩSEF CF EF CF为候选导体/变压器类型的标号；Φ 和Φ 分别为候选导体、变压器类型的集合；Φ 和ΦES CS
分别为现有、候选支路的集合；Φ 和Φ 分别为现有、候选变电站节点的集合；k为客户类别的标号；G为客户类别的集合；r为需求响应激励‑参与率离散水平的标号；B为需求响应激EF CF F
励与参与关系离散水平的集合(Φ ∪Φ )；Φ为配电网系统扩展规划中所有支路的集合EF CF S ES CS
(Φ ∪Φ )，Φ为所有变电站节点的集合(Φ ∪Φ )。

[0046] 在上述函数中，λ为年利率；D为一个规划阶段中所包含年数； 为使用a型导体更换馈线的成本；lij为支路ij的长度； 为使用a型导体新建馈线的建设成本； 为使用变TM压器类型b对变电站进行扩容的成本； 为使用变压器类型b来新建变电站的建设成本；c为给一位参与需求响应项目的客户安装空调远程温控装置的成本；NS为总的规划阶段数；
E
πr为第r个需求响应激励价格的水平；为负载系数；h为一年的总小时数(h＝8760)；c 为电能成本；aij(gi)为现有支路ij/gi的初始导体类型，若支路ij/gi在规划之前尚未有支路，Ra为导体a的电阻；φ为变电站的损耗系数；bi为节点i上现有变电站的初始变压器类型，若节点i在规划之前尚未建变电站， 为b型变压器的额定铜损； 为b型变压器的额定容量。

[0047] 在上述函数中， 和 是0‑1变量，用以标识是否对升级或新建馈线/变电站；ni,k,τ为在阶段τ在节点i上在用户组k中所招募的客户数量；ωi,k,r,τ为标识是否在阶段τ对节点i的客户组k选择激励价格水平πr的0‑1变量； 为ij支路中电流的平方； 为在阶段τ节点i上的变电站输出视在功率的平方； 为标识在阶段τ节点i上的变电站中是否选择变压器类型b的0‑1变量； 在阶段τ节点i上的变电站提供的无功功率。

[0048] 可选地，上述多个约束条件至少包括：网络与投资约束、需求响应资源约束。

[0049] 在具体实施过程中，上述约束条件包括但不限于网络与投资约束、需求响应资源约束，其中，上述网络与投资约束包括但不限于配电网交流潮流约束、变电站容量和节点电压限制、投资决策和辐射状网络拓扑约束。通过上述约束条件可以进一步降低配电网系统扩展规划的成本。

[0050] 可选地，在约束条件为网络与投资约束的情况下，网络与投资约束采用以下方式：配电网交流潮流约束、变电站容量和节点电压限制、投资决策和辐射状网络拓扑约束。

[0051] 作为一种可选的实施例，上述配电网交流潮流约束可以采用如下函数表示：

[0052] 其中，

[0053]

[0054] ，其中，

[0055] 其 中 ，其中，

[0056] 需要说明的是，上述所有函数结合用于基于DistFlow分支方程的精确表示对径向配电网中的交流潮流进行建模。上述前三个函数结合用于约束基于基尔霍夫电流定律的节点有功和无功功率。上述最后一个函数约束用于保证基尔霍夫电压定律的实现。

[0057] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束基尔霍夫电压定律的节点电压。

[0058] 在上述函数中，ΦτN为在τ阶段的节点集合 为阶段τ的负载节点集合；为阶段τ节点i的负荷需求有功功率； 为阶段τ节点i上的分布式电源输出的有功功率；
L R DR
μ、μ、μ 为负载/分布式电源/空调的无功功率与有功功率之比；Xa为导体a的电抗；Za为导体a的阻抗； 为阶段τ节点i上的变电站所输出的有功功率； 为阶段τ节点i上参与需求响应项目的空调负荷可削减的有功功率； 和 为从节点j处测得的支路ij的有功/无功功率流，其中“+”表示从节点i到节点j的功率流，“‑”表示反向功率流。 阶段τ节点i上的变电站所提供的无功功率；μi(j),τ为节点i(j)的电压平方；γij,τ为标识在阶段τ支路ij是否被投入使用的0‑1变量。

[0059] 作为一种可选的实施例，上述变电站容量和节点电压限制可以采用如下函数表示：

[0060] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束变电站所提供的有功、无功功率与其视在功率之间的等式关系。

[0061] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束变电站所提供的视在功率范围。

[0062] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束变电站所提供的节点电压的幅度范围，其中，和V分别为节点电压幅度的上限/下限。

[0063] 作为一种可选的实施例，上述投资决策和辐射状网络拓扑约束可以采用如下函数表示：

[0064] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束根据每个规划阶段中所使用的导体类型对支路电流。

[0065] 其中，

[0066] 其中，

[0067] 其中，

[0068] 其中，

[0069] 需要说明的是，上述函数用于约束馈线的有功和无功功率及其流向与导体选型之间的关系。

[0070] 其中，

[0071] 其中，

[0072] 需要说明的是，上述函数用于约束在规划期限内，每个元件最多允许升级或新建一次。

[0073] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束每个支路的潮流只允许一个方向。

[0074] 其中，

[0075] 其中，

[0076] 需要说明的是，上述函数用于约束在每个阶段馈线使用哪个导体类型。

[0077] 其中，

[0078] 其中，

[0079] 需要说明的是，上述函数用于约束每个阶段的投资决策变量与相应的变压器选型之间的关系。

[0080] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束导体选型与相应馈线是否投入使用之间的关系。

[0081] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束配电网的辐射状拓扑。

[0082] 在上述函数中，v为规划阶段标号， 为a型馈线导体的电流上限；M为一个足够大的正数， 为标识在阶段τ支路ij是否选择导体类型b的0‑1变量； 为标识在阶段τ支路ij的潮流方向的0‑1变量。

[0083] 作为一种可选的实施例，上述需求响应资源约束可以采用如下函数表示：

[0084] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束在阶段τ节点i上客户组k中可招募的客户数量的上限。

[0085] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束需求响应空调可削减功率的上限，该上限由对应节点上对应个客户组的招募人数来确定。

[0086] 其中， 需要说明的是，该函数用于约束在每个规划阶段每个节点上每个客户组最多选择一个激励水平。

[0087] 在上述函数中，ρr为第r个激励水平所对应的客户参与率；Ni,k为节点i上第k个客户组中的客户总数； 为第k个客户组在节点i的总需求响应潜力。

[0088] 可选地，上述方法还包括：对配电网系统扩展规划进行优化，其中，对配电网系统扩展规划进行优化包括：新建或者扩容配电网的变电站；和/或，新建或者更换配电网的馈线。

[0089] 作为一种可选的实施例，对配电网系统扩展规划进行优化也就是配电网升级方案，至少包括各个阶段变电站的新建或扩容方案以及馈线的新建或更换方案。

[0090] 下面对本发明一种可选的实施方式进行详细说明。

[0091] 作为一种可选的实施例，将上述配电网规划方法在24节点配电网系统上进行了测试。该系统为20kV配电网系统，由24个节点(4个变电站节点和20个负载节点)和35个分支组成。假设规划期为9年，分为3个阶段，每个阶段3年。客户的用电量数据来自Pecan Street数据集，该数据集包含了来自目标区域的255个家庭的真实智能电表读数。在具体实施过程中，可以将用户分为三类，其中，这三类客户的平均需求响应潜力分别为1.44kW，0.88kW和0.42kW。

[0092] 可选地，配电网系统扩展规划的目标模型是通过在标准PC上使用CPLEX 12.10和‑3Matlab来求解的。CPLEX的分支定界算法的停止标准(即最佳间隔)设置为10 。

[0093] 为了量化需求响应模型对配电网系统扩展规划结果的影响，针对以下3种计算场景进行了研究：场景1)在配电网系统扩展规划的目标模型中考虑用户需求响应潜力的差异性；场景2)在配电网系统扩展规划的目标模型不考虑用户需求响应的差异性，即将每个客户的需求响应潜力视为一致；场景3)在配电网系统扩展规划的目标模型不考虑需求响应资源。

[0094] 图2是根据本发明可选实施例的三种场景下求解获得的网络规划拓扑结构的示意图，具体如图2所示。表1列出了投资和运行成本，表2列出了三种场景下每个阶段的空调负荷削减量、网络损耗和所需的变压器容量。可以看到，在规划中考虑需求响应资源对降低配电网扩容成本有明显的积极影响。由于需求响应资源的调峰能力，场景1和场景2所需的变压器容量比场景3少，从而大大减少了网络扩容投资以及馈线和变压器的能量损耗。与场景3相比，场景1和场景2的总投资和运营成本分别降低了27.3％和24.7％。

[0095] 表1投资及运行成本(103$)

[0096]

[0097] 表2系统峰荷时空调负荷削减量以及所需的变压器容量

[0098]

[0099] 表3场景1和场景2中各激励水平对应的用户数量

[0100]

[0101] 通过将场景1和场景2进行比较，从表2和图2可以看出，两种情况下配电网系统峰荷时的空调负荷的削减量几乎相同，从而导致网络的扩容规划结果相同。但是，如表3所示，要获取相同量的需求响应资源(即可削减负荷)，场景1所需招募的用户比场景2少。因此，如表1所示，对于场景1，需求响应资源的成本与场景2相比，可节省29％。这表明，与随机招募用户相比，在配网规划中考虑用户需求响应潜力的异质性并对用户进行有针对性的选择可以显着提高需求响应资源的成本效益，从而降低配电网系统扩展规划的成本。

[0102] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0103] 在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。