高压输电网络规划设计设计外文翻译本科毕业论文.docx
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高压输电网络规划设计设计外文翻译本科毕业论文
基于微电网的合作生成和优化在电力系统的输电规划
阿明候达恩，会员，IEEE院士，IEEE和穆罕默德沙黑得朴
摘要
本文提出了一种算法，微电网作为一种替代的生成和优化规划在电力系统输电扩建规划。
该微电网配电系统中的整合将提供一个分散控制当地资源，以满足网络本地负载所需的可靠性和电能质量。
我们的目标本文中，以尽量减少系统的总的规划成本包括当地的微型电网，投资和运行费用大型发电机组的合作，优化规划和传输线，和缺电的预期成本。
服务器提供服务的成本能反映负载脱落的成本，这是添加出于可靠性的考虑目标函数。
微电网基于联合优化规划问题分解成一规划的问题，每年的可靠性子问题。
的最优整数规划决策规划问题计算检查对系统的可靠性限制，在子问题规划决策都会被修订，使用适当的可行性被侵犯如果每年的可靠性限制削减。
数值模拟证明的有效性的建议是基于微电网合作在电力系统优化规划和探索微电网规划的经济性和可靠性的优点相比基于网格的生成和传输升级。
年度的可靠性，优化传输和发电规划，微电网，电力系统扩展计划。
命名规则
指标：
Alpha
b负载块指数
h期间指数
i机组指数
l传输线的指数
m指数巴士
q微电网指数
s标方案
t年的指数
指数计算变量
集：
CG候选人产生单位设置
CL集的候选传输线
EG原有机组的设置
EL现有的输电线路的设置
Nm设置连接到总线的组件
参数：
B巴士线的发病率矩阵
CC资本成本
d折现率
D高压母线负荷需求
DT持续时间
M大型积极常数
NQ微电网设施的最大数量
PD微电网负荷需求
pT几率
T一批多年从事规划地平线
Tcom试运行一年
UX机组的应急状态
UY输电线路的应急状态
VOLL价值丢失的负载
电抗线
目前价值价值系数
打捞因子
变量：
C总投资和运行成本
CR缺电成本
EENS预期能源不担任
LS负载脱落
OC营业成本
P机组发电
PL线流
PM本地发电微电网
u微电网的投资状态
y线的投资状态
z单位投资状态
系统负荷削减
电压相角
双变量
2012年4月2日收到手稿，7月28日修订，2012年10月9日接受。
当前版出版日期是2012年4月18日。
这项工作是支持部分由美国能源部奖＃DE-FC2608NT02875。
纸张没有。
TPWRS-00325-2012。
A.Khodaei是电气工程和计算机系，休斯顿，休斯顿大学，美国TX77004（电子邮箱：
*******************。
EDU）。
M.与RobertWShahidehpour。
高尔文电力创新中心，美国伊利诺理工大学，芝加哥，IL60616USA（电子邮件：
MS@IIT。
EDU）。
数字对象标识符10.1109/TPWRS.2012.2224676
引言
微电网产生，分配和调节流量当地的客户，相当于一个现代化的电力小规模电力系统，具有高度的灵活性和供需双方部门的效率[1]-[5]。
从技术上讲，微电网系统与至少一个分布式能源资源（DER），一个需求可以孤岛其外主配电系统。
在实践中，介绍了微电网以解决出现的大量的分布式能源配电系统中，以确保安全和最佳的操作可能孤岛电网.
微电网被视为一个可控聚合负载从实用的角度来看。
每小时运行的微电网控制微电网的主控制器，而不是中央调度的效用。
分布式能源微电网内的由常规发电厂的不同它们具有较小容量的，直接连接到微电网分销网络，并可以进行定制，以提供当地负载的要求[6]。
一个微电网的好处，包括提高了可靠性在当地的分销网络，通过引入自愈，电能质量较高通过本地负载管理，减少碳排放能源来源多样化，通过降低T＆D成本，利用较少的经济运行昂贵的可再生能源，并提供能源效率响应实时市场价格[7]-[10]。
微电网的显着特点是它能够孤岛从上游交换机主电网点的共同点耦合（PCC）。
可以引入经济孤岛以及可靠性的目的。
在主网架干扰，微电网传输从电网连接的岛状消费者加载模式和可靠和不间断电源提供本地发电资源。
微电网主控制器将提供最佳的操作维护频率和电压在允许范围内。
孤岛将微电网与主电网一旦重新同步去除干扰的[11]-[13]。
微电网的替代传统的T＆D扩展可以减少规划总成本，提高了系统的可靠性与本地控制选项降低的可能性负载脱落。
微电网提供了一个较低的施工时间被视为可行的选择减少了传输拥堵新一代和大量投资时，传输设备没有着落[14]-[18]。
前电力系统规划研究调查代和输电网规划方法在一家垂直一体化的电力系统（一个集中的地方生成和传输进行扩展），以及一个以市场为基础的环境中（如建议的产生和传输扩展规划方案进行协调）[19]-[29]。
然而，现有的规划方法没有考虑的电源微电网设施的影响系统扩展。
本文利用的联合优化方法的生成输电网规划也认为电源微电网安装在最合适的地点的系统。
建议的做法认为短线操作结合的联合优化规划的约束发电和输电。
建议基于微电网联合优化方法将模拟迭代和交互式规划之间的协调发电企业，传输公司，在竞争激烈的电力和ISO市场。
图1典型的微电网架构（DG：
分布式发电，ESS能源存储系统中，PCC：
公共耦合点）
建议基于微电网的合作，优化规划是一个混合整数规划（MIP）的问题。
最优性价比的可靠性被认为是一个客观的和可接受被建模为一个约束的可靠性水平。
蒙特卡洛被施加到模拟模拟随机分量中断的和一个场景还原法的应用之间的权衡的计算时间和解的精度。
随机在计算系统组件被认为是停电预计全年能源不提供（EENS）。
剩下的纸张安排如下：
第二节讨论了微电网架构，并引入了微电网组件。
第三部分提出了基于微电网规划模式，而第四部分提出的问题制定。
第五节提出说明性的例子表明，该模式应用到一个标准的电源系统。
探讨该模型的特点和结束语在第六节和第七节。
二微网模型
图1描绘了一个典型的微电网配置，其中分布式能源被连接到负载通过低电压（LV）和中压（MV）的分销网络。
PCC断路器使微电网孤岛。
促进分布式能源的整合双向的电力的配电网络中流动。
微电网可以相互连接，形成一个集群微电网。
以这种方式，在每个微电网的负载供给从几个互连的微电网使用共同配送网络。
相互关联的微电网会取得更大的稳定性和可控性，以及增强的冗余，以确保供应的可靠性。
互连显着微电网降低了复杂性，在控制和操作数百个人的DERs。
DERs无缝地控制电源，并提供所需的能量到本地负载互连。
我们假设，分布式能源和负载进行协调，使得用于微电网代纯粹以满足微电网互连的加载或存储在不是专门设计的储能在微电网系统。
DERs不断供应主电网发电。
由允许这种权力转移，电力系统可能会进一步依靠的DER一代代大型发电扩建计划。
因此，微电网可控的负载被视为在这项研究并没有发电注入到主电网从互连的微电网。
可能包括微电网一些具有可变生成的档案分布式能源，然而，在这研究中，我们假设微电网，分布式能源汇集在一个集群供给本地负载，其中，对应于一个微网更以每小时配置文件从可控负荷ISO的观点。
间歇性分布式能源微电网内将需要额外的情景生成模型DER操作。
我们假设拓展分销网络内在作为微电网群集的一部分，这不会是ISO的关注。
图2建议基于微电网的合作，优化规划模型
三提出微电网的规划模型
图2描述了建议的基于微电网的规划模型。
我们假设候选微电网安装在指定的巴士通常情况下，在电网连接的模式操作。
在一个主电网的干扰的情况下，然而，微电网会切换到孤岛模式，以满足当地的用电负荷。
投资在年度基础上进行了分析。
一年分解到多个期间和负荷持续曲线（最不发达国家）利用负载块，在每一个时期的数目和载荷块的持续时间被认为是一个折中建议规划的精度和计算负担模型。
在每一个时期，每一个块中的负荷预测远景规划是满足系统的运行和扩展规划决策。
在图2的规划问题。
共同优化的最小成本选择候选发电机组，输电线路，微型电网供电负荷预测和满足现行操作和规划限制。
目标包括新的资源，机组和微电网的运营成本，而成本的投资成本和残值缺电。
分解图2以协调作为优化的一部分，运行和规划约束的计划。
分解会分开规划共同优化发电，输电和问题微电网，短线操作的子问题（检查传输网络的限制建议计划）经济运行子问题（找到最佳系统操作的基础上提出的计划）。
如果可行性或最优性检查失败，适当的切割中产生的相应的子问题，并加入到下一个迭代发电，输电和微电网的优化。
此迭代过程将继续下去，直到一个安全的和最佳的扩展规划解决方案的实现。
四微电网为基础制定规划问题
A.规划问题
基于微电网的规划建议的目标问题是整个规划总成本最小化规划范围，如
（1）中所示：
（1）
在这里，
是目前值得价值系数。
该目标包括相关的投资和运行费用新的发电机组，输电线路，以及微电网，除了缺电的成本。
我们的目标评估贴现成本，折扣率纳入成本目前价值成分。
一更高的折扣率会影响投资作为候选人较高的投资成本变得逊色。
服务器提供服务的成本能量在目标表示系统的经济性可靠性。
方程组
（2）-（5）定义的成本中使用的术语的目的的功能。
（2）发电成本包括投资成本新机组和现有的运营成本安装单位。
运营成本包括燃料和维护成本。
新的输电线路的投资成本由（3）表示。
残值，即百分比包含在初始投资折旧，投资成本代表的货币价值，安装资源规划地平线年底。
是值得的资源规划的结束值系数地平线：
（2）
（3）
候选产生单位和输电线路将一次规划，详细的工程设计委托，和建设工作已经完成。
试运行单元的类型和大小依赖于时间（6）-（7）。
一旦候选人产生单位或传输线安装后，它的投资状态将被固定在1对其余多年在规划地平线（8）-（9）：
一个微电网的投资和运行费用将取决于的大小和微网中使用的不同的分布式能源。
微电网的投资成本被假定为一个线性函数其发电能力。
获得的操作成本基于微电网发电调度。
总规划微电网的成本的总和，其投资和经营成本减去残值（4）。
总线负载的供应是有限的相关微电网的发电能力（10）-（11）。
微电网将无缝转移从电网连接到孤岛模式用于供给本地负载。
要么提供微网发电（12）相关的微电网或负载存储在本地存储设施（而不是馈送主电网的负载）。
微电网可能会受到进一步扩大（13）向当地负荷预测。
微电网相互连接，形成集群，使在一个微电网可以提供所需的储备相互连接的微电网，分布式能源将无缝提供所需的能量，在互连的局部载荷。
在一个情况下，一个微网对其他未互连微电网，（10）将进行修改，以增加装机容量进一步考虑必要的旋转备用：
（5）定义的缺电的成本获得根据EENS和丢失的负载值（汇鸿）。
EENS计算中的子问题，在每次迭代中添加的规划的问题。
EENS在第一次迭代的基本情况系统的可靠性。
VOLL，这是负载脱落价格补偿客户，取决于几个因素，包括客户类型，用量和负载中断的持续时间和断电时间。
，汇鸿对应较高降低甩负荷[30]，[31]。
作为输入提供给被给VOLL我们的模型。
建议合作优化扩展规划目标受当时操作的限制，如限制代，燃料，斜坡，排放等，和传输网络的限制[32]，[33]。
直流电源流使用，其中假定电压相关的问题，将处理由微电网主控制器。
其他细节上的分解规划问题被发现[34]-[37]。
B.周年可靠性的作用
一旦微电网优化规划决策主电网规划问题，新系统拓扑结构被发送到子问题来计算，每年EENS。
一年一度的可靠性计算负载块，期间小时，一年情景的制定（14）-（28）。
（14）的目标是最大限度地减少负载平衡缩减目的在系统组件断电的情况下[38]。
在每个系统总线结合方程（15）定义的负载均衡负载脱落变量。
对偶变量，得到（16）-（18）代表的增量减少在负载缩减至于系统投资。
对偶变量被用于产生供后续迭代的投资信号规划问题。
现行的候选人产生单位容量限制的定义由式（19）-（20），分别约束现有的传输线路上的所施加的（21）-（22），而那些候选传输线（23）-（24）。
该产生微电网（25）是有限的，而一个群集在有限的微电网（26）。
（27）是有限的负载脱落。
参考总线的相位角被设置为零，由（28）式：
在上述配方中，关于候选生成的约束单元，传输线，和微网包括相关联的二元变量确定在规划问题。
应急的发电机组和输电线路的状态都包含在组约束。
蒙特卡罗模拟被施加到模拟随机机组停机传输线[39]，[40]。
此外，减少一个场景方法，采用为计算之间的权衡负担和建模精度。
一个微电网停电将得到补偿，由相邻的微网而不是主电网。
微电网系统计算的年度EENS如Alpha
EENS限制如果被侵犯，可靠性约束（30）-（31）产生并增加规划问题，为促进新的发电机组，输电线路，投资微电网。
其中，
和
是双值的约束（16）-（18），分别。
此外，可靠性约束促进计算成本缺电规划问题。
迭代过程将继续下去，直至获得最佳的计划是计算出来的。
五规划问题的数值模拟
修改后的IEEE118总线系统是用来证明应用该模型基于微电网的优化发电和输电规划。
该系统有118辆公交车，54个单位，186家分支机构。
数据列于motor.ece.iit.edu/数据/MicrogridPlanning.xls的。
一组16候选人发电机组和8个候选传输线考虑。
被迫停运机组和传输率线，分别为4％和1％。
一个20年规划被认为是地平线。
每个规划一年分为12每月时期。
月负荷分为三种负载块，占非高峰期，中间和峰值负载。
该在每一个时期的负载块的数量和持续时间可能会有所不同每年内。
该计划每年进行一次，而为每个负载块进行操作。
汇鸿10/kWh美元及贴现率为5％。
年度投资或数量上没有限制微电网，发电机组或传输线，可以每年安装。
初始系统的高峰负荷为5400兆瓦年负荷增长率为2.9％。
表一显示了每年高峰负荷预测。
最初的可用发电容量5850兆瓦。
EENS上限为150兆瓦时，被认为是第一个规划年。
EENS限制每年增加2.9％如表II所示。
整个规划的总EENS是有限的水平达到3990兆瓦时。
表1年度高峰负荷预测
表2年度EENS限制
表3情景还原后的情景概率
我们假设可以安装在任何系统总线微网投资成本$2000/kW和运营成本微电网1/MWh美元[41]。
蒙特卡罗模拟是应用场景和模拟随机中断系统组件。
每一个可能的系统状态表示由一个场景。
的均匀分布的随机数0到1的是，代表中断产生采样单元和传输线。
如果随机数小于相关的强迫停运率，相应的产生单元或传输线路上停电，否则它是在服务[39]，[40]。
的场景减少，从而降低了数量的方案从1000到12，和相应的概率表明在表Ⅲ中。
的概率基于度量的的场景还原法[39]适用于本纸张。
拟议的规划方法上实现个人电脑上使用的2.4-GHzCPLEX11.0[42]。
Alpha
研究下面的情况：
案例0：
主电网发电的基本情况规划单位
案例1：
共同优化规划主网架产生单元和传输线
案例2：
主网架产生的联合优化规划单位与微电网
案例3：
合作优化规划主网架产生单位和与微电网的传输线：
表4候选单位及安装年份
表5候补线及安装年份
案例0：
现有的系统不能满足负荷增长规划地平线。
现有发电容量较大载荷年1-14比，但是，该系统无法满足负载和满足可靠性的要求，一并5至20年。
的年度EENS限制的是在5-20年，违反额外的负载脱落是不可避免的。
因此，产生建议规划安装单元1-7和9-11问题，以满足预测的负荷。
然而，扩大发电容量不能满足系统的可靠性的要求在子问题。
虽然原来的EENS减少新机组在安装后，新的EENS违反EENS限制在5至20年。
在这种情况下，额外的单位违反EENS限制传输网络是拥挤的。
案例1：
20年规划的主要合作优化电网的发电和输电扩展规划没有任何微电网的装置。
候选人产生单元和传输线的安装年示于表IV和V分别。
发电装机容量规划地平线年底是7590兆瓦总规划4.496B美元成本。
EENS总额862.47兆瓦时及缺电的成本是400万美元。
负载脱落部分发生在巴士1，4，35，59，60，95和117。
的负载在这种情况下，脱落是是提供一种经济的选择规划解决方案。
在这种情况下，建议的负载脱落更换安装的候选单位14-16。
案例2：
微电网的规划和合作优化被认为是主电网发电。
表VI总结的规划总成本随着服务器提供服务的预计成本能量。
在案例2中，安装了42个微电网和部分负荷脱落巴士4，59，60，和82。
表四显示微电网设施将消除要求安装机组3,4和9-16。
总EENS为1047.37兆瓦，这需要较高的负载脱落相比，案例1中。
在案例1中，我们考虑了的候选传输线1，这将减少安装对现有生产线4-5的挤塞情况，并相应地减少的负载脱落巴士4。
然而，在情况2中，较高的总EENS发生时没有微电网安装在总线4。
将讨论的外壳3时，系统将考虑安装的传输线，以减少EENS。
表6系统成本（亿元）概要（G：
生成单位，T：
传输线，M：
微电网）
图3作为微电网的函数的总的规划成本和缺电成本资本成本
总投资成本的增加，总的操作成本下降相比，案例1案例2建议微电网的安装将减轻的传输拥塞线2-12，23-25和84-85。
供应少代昂贵的单位，将增加不太拥挤的网格和运行成本将降低。
安装微电网容量规划期结束时，将提供30％相关联的峰值负载时，这表明多数负载将将以主电网发电。
在这种情况下，总规划成本4.435B美元相比下降1.36％在第1种情况中，这表明在第2种情况提供了一个更具有较高的EENS经济的解决方案。
Alpha
图3示出的总的规划成本与成本的服务器提供服务的作为微电网的资本成本的函数的能量。
该微电网的建设费用依赖于不同的位置DER。
一个不太昂贵的微电网将导致一个较高的数字微电网的安装，这将减少负荷水平脱落和缺电的成本。
此外，减少将被安装在主电网发电机组。
微电网会导致在安装的资本成本$1000/kW5机组和52微电网，而一个资本成本$3000/kW，微电网会导致在安装9机组和12个微电网。
图3示出的投资成本是一个决定性的因素，在微电网设施，尽管微电网将提供低运营成本提供本地负载。
作为微电网的投资成本的增加，这将是更经济地建立一个候选机组在主网格层和/或考虑采取额外甩负荷作为微网安装成为劣势。
在本文中，汇鸿固定在在所有巴士10/kWh美元。
然而，VOLL取决于客户类型，金额和负载中断的持续时间，且时间在其中中断发生[43]。
汇鸿，这将影响服务器提供服务能源，从而影响微电网的投资。
图4示出的总的规划成本与成本服务器提供服务的能量作为汇鸿功能。
图4表明，汇鸿较小将导致更高的缺电。
在另一方面，较高的VOLL将降低系统的EENS和的服务器提供服务的能量对应于较高的投资成本在系统规划。
因此，汇鸿将控制预期在每个负载总线甩负荷水平。
当汇鸿是$10/kWh，负载将被部分缩减巴士4，36，59，60，82，93，和94。
由于汇鸿增加至$20/kWh，微电网安装和甩负荷下降巴士36，93，94.When汇鸿$30/kWh，额外的微电网安装在巴士62。
因此，较高的汇鸿将导致额外微电网投资。
案例3：
一次合作优化扩展规划被认为是微电网与主电网发电机组和输电线。
表四显示，只有4个单位安装。
输电线路1被安装在5年来减少拥塞现有生产线4-5，提高单元1代（巴士5）减少脱落于4总线的负载。
较低的资本成本这个候选传输线，使它更可行的投资选项相比，微电网安装在总线4。
它推定微电网的将被安装在载。
作为发电机组和输电线路的调试时间大，几个微电网安装在1-4年减少系统EENS，满足了系统的可靠性的要求。
在这种情况下，一共有31个微电网在规划安装地平线和传输线流量相比，改变以前的案件。
输电阻塞线4-5，15-17，23-25，84-85和17-113缓解。
规划总成本1.49％相比，在案例1和0.13％而在案例2中。
该结果表明，在达到更高的可靠性和经济性的里程碑共同主电网和微电网优化规划。
微电网代表聚集几个巴士和，因此，可以被安装在任何主要的网格区域。
在总线117代表一个给定的系统，远程总线互连通过一个单一的传输与系统其余部分的线。
在这条总线在第1年的年度高峰负荷是4MW增加20年6.88MW。
缺乏足够的一代这种公交车，线路停运后，将导致削减在整个负载。
这一条线上的中断可能会导致预期，缺电643.48MWh（高峰时负荷方案中发生的概率为0.042）。
减载该总线可减少安装一个第二这个总线连接到系统的其余部分的传输线或微电网在这个偏远的总线位置。
第一个选项可能功能安装成本高和大量调试时间传输线。
因此，被认为是一个微电网快速，高效地解决这个缩减问题。
下一步，我们将限制微电网安装数NQ，其中
以提供一个洞察微电网的安装，如何在合理的数量微电网安装会影响操作和可靠性的结果，和微电网安装在最合适的巴士扩展规划问题。
表Ⅶ总结了结果。
必要投资的发电机组和输电被安装在一个较高的数字微电网线将下降在适当的位置。
的位置和数量的微网微电网的最大数目，可以潜在地将取决于被安装。
微电网的安装可以减少年度EENS。
然而，总的EENS将不会改变单调与已安装的微电网的数量。
比较甩负荷水平的数量与在例1和2中表Ⅶ中的已安装的微电网中，很明显，多数
微电网是安装在公交车发生负载脱落（即，总线1，35，60，95）。
有几个其他负载巴士脱落的（即巴士4，59，82），微电网最终不安装。
额外派遣机组主电网的负荷水平将减轻这些脱落巴士。
因此，微电网主要是安装在巴士，负载脱落是其中杰出的本地机组不足以提供所指定的负载。
六讨论
微电网增加了系统的可靠性（减少负载脱落和提高本地控制）和改善制度经济学（通过降低系统拥塞，提高较便宜的单位的操作，并减少了需要额外的发电和输电投资）。
具体建议的基于微电网的联合优化规划功能发电和输电列出如下：
联合优化扩展规划：
基于微电网规划采用了联合优化规划发电和输电。
微电网投资规划替代那些作出决定发电和输电。
随机规划方法：
应用随机方法建议合作优化规划方法计算了系统的可靠性标准。
随机规划采用了MonteCarlo模拟的建模随机中断的系统组件。
随机指标（Stochastic）规划的做法，认为作为微电网提高了系统的可靠性，当考虑替代主电网突发事件。
增强系统操作的产生和传输升级到大型调试时间和取决于地理位置的可用性在主网格，但是，微电网可以安装迅速在任何选定的系统总线，提供了一个快速，高效地解决了系统的可靠性的要求。
微电网的最优位置：
所有的系统总线考虑作为微电网安装的潜在选择。
最合适的巴士安装微电网位于受限地理位置往往受逐时负荷缩减。
微电网经济学：
虽然较高的资本投资要求，微电网提供经济利益动力系统。
微电网可以降低供应成本通过减少网络拥塞的局部载荷和提高电力系统中的利用较便宜的单位。
负载脱落经济学：
高汇鸿建议规划的做法，足以证明微电网安装，而对于较低的经济性负载VOLLs脱落可能是与微电网安装。
计算效率：
基于微电网的优化规划将包括附加的二进制和连续与微型电网投资相关的变量和操作。
为了减少计算负担，可靠性要求的年度检查可靠性的子问题，作为后置处理器，这将减少基于微电网的规划问题的大小和使得它可以应用该方法对大型规划的问题。
表七微电网设施概要
七结论
基于微电网的合作优化规划模型电力系统的可靠性和经济性标准提议。
一个高效的制定微电网安装提出，将投资和运行费用的微电网。
建议考虑的问题每年
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