本發(fā)明涉及電網(wǎng)規(guī)劃，尤其涉及一種配置固態(tài)超級電容器的城市電網(wǎng)韌性提升優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)今我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了社會各界用電需求，城市電網(wǎng)承擔(dān)負(fù)荷日漸增大。隨著新能源占比越來越大，城市電網(wǎng)的系統(tǒng)復(fù)雜度日益提升；在此場景下，城市電網(wǎng)的微弱故障都有可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，甚至使電力系統(tǒng)癱瘓，一旦發(fā)生大停電事故，將對城市造成巨大影響。隨著全球氣候環(huán)境惡化，像臺風(fēng)、洪澇等極端自然災(zāi)害發(fā)生愈發(fā)頻繁，電力系統(tǒng)因其所受其影響繼而折損的概率較之前會大幅增加；受極端自然災(zāi)害造成電網(wǎng)系統(tǒng)的安全隱患，嚴(yán)重關(guān)系到國家和人民的生命財產(chǎn)安全。及時在受極端自然災(zāi)害波及地區(qū)對損壞設(shè)備進(jìn)行搶修或在當(dāng)?shù)貙﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)顯得尤為重要。

2、在極端自然災(zāi)害背景下進(jìn)行城市電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)，需要考慮三個方面的問題：一是如何選取韌性提升的建設(shè)方式，二是如何考慮電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，三是如何均衡問題一和問題二的量化結(jié)果，使得城市電網(wǎng)防災(zāi)建設(shè)的整體效益最優(yōu)。城市電網(wǎng)韌性提升方面，可采用超級電容器作為城市電網(wǎng)應(yīng)急供電裝置。超級電容器作為一種高效的儲能設(shè)備，具有高功率密度、快速響應(yīng)能力、高充放電效率、長壽命和高循環(huán)次數(shù)以及良好的耐久性和穩(wěn)定性等性能優(yōu)勢；而固態(tài)超級電容器相較于常規(guī)的超級電容器，具有便于轉(zhuǎn)移和高可靠性的優(yōu)勢，在城市電網(wǎng)中能起到快速響應(yīng)、頻率調(diào)節(jié)和電壓支撐、能量平衡和削峰填谷以及增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用。對于第一個方面的問題，可采用固態(tài)超級電容器進(jìn)行對事故后的城市電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)和電壓支撐，建立基于固態(tài)超級電容器建立自然災(zāi)害后城市電網(wǎng)韌性提升模型。

3、城市電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性方面，固態(tài)超級電容器的成本包含投資成本、運維成本更換成本以及殘值等，效益包括日常運行中進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)頻作用起到的經(jīng)濟(jì)效益。對于第二個方面的問題，可采用經(jīng)濟(jì)效益模型量化固態(tài)超級電容器產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益，但是如何解決配置固態(tài)超級電容器后城市電網(wǎng)韌性提升效果和經(jīng)濟(jì)效益之間的均衡問題,從而對電網(wǎng)公司進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃時提供準(zhǔn)確的參考是亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供了一種配置固態(tài)超級電容器的城市電網(wǎng)韌性提升優(yōu)化方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中不能在城市電網(wǎng)經(jīng)受極端災(zāi)害后短時間內(nèi)恢復(fù)供電的同時，保證防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)中規(guī)劃不合理的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明實施例的第一方面提供了一種配置固態(tài)超級電容器的城市電網(wǎng)韌性提升優(yōu)化方法，方法包括：

3、根據(jù)所述固態(tài)超級電容器的輸出功率和考慮功率損耗的輸出功率，得到所述固態(tài)超級電容的基本功率，基于所述固態(tài)超級電容的基本功率和極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型構(gòu)建得到城市電網(wǎng)韌性提升模型；

4、構(gòu)建所述固態(tài)超級電容器的總成本模型，構(gòu)建所述固態(tài)超級電容器在調(diào)峰和調(diào)頻下的第一功率輸出模型和第二功率輸出模型，根據(jù)所述第一功率輸出模型和第二功率輸出模型得到城市電網(wǎng)收益模型，根據(jù)所述城市電網(wǎng)韌性提升模型、所述總成本模型和所述城市電網(wǎng)收益模型構(gòu)建均衡模型；

5、利用多目標(biāo)優(yōu)化算法對所述均衡模型進(jìn)行計算，得到優(yōu)化結(jié)果，以使所述人員根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果配置所述固態(tài)超級電容。

6、在第一方面的一種可能的實現(xiàn)方式中，基于所述固態(tài)超級電容的基本功率和極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型構(gòu)建得到城市電網(wǎng)韌性提升模型，包括:

7、基于風(fēng)險值理論，得到極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型，其中，所述極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型為：

8、

9、式中，s(i)為所述極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型，xi為第i處應(yīng)急電源的供電狀態(tài)，0表示i處有應(yīng)急電源供電，1表示i處沒有應(yīng)急電源供電，δti為第i處停電時間，zi為第i處停電損失功率，c0為單位負(fù)荷停電損失；

10、根據(jù)所述固態(tài)超級電容器在應(yīng)急供電狀態(tài)下開始電量和等效參數(shù)值，得到固態(tài)超級電容器在應(yīng)急供電狀態(tài)下的消耗電量，其中，所述消耗電量表達(dá)式為：

11、z(t)＝z0·(1-soc)

12、

13、式中，z(t)為所述固態(tài)超級電容器在t時刻的電壓，z0為開始電量，t為時刻，pout(t)為所述固態(tài)超級電容器的基本功率，v(t)為所述固態(tài)超級電容器在t時刻的電壓，resr為內(nèi)阻值，為電容值，pout(t)為所述固態(tài)超級電容器在t時刻輸出的功率，soc為所述固態(tài)超級電容器的荷電狀態(tài)量；

14、根據(jù)所述消耗電量和所述極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型構(gòu)建得到城市電網(wǎng)韌性提升模型，其中，所述城市電網(wǎng)韌性提升模型為：

15、

16、式中，s(i)為所述極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型，xi為第i處應(yīng)急電源的供電狀態(tài)，0表示i處有應(yīng)急電源供電，1表示i處沒有應(yīng)急電源供電，δti為第i處停電時間，zi為第i處停電損失功率，c0為單位負(fù)荷停電損失。

17、在第一方面的一種可能的實現(xiàn)方式中，構(gòu)建所述固態(tài)超級電容器的總成本模型，包括：

18、根據(jù)固態(tài)超級電容器模塊成本、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成本和安裝成本，得到所述固態(tài)超級電容的初始投資成本；

19、根據(jù)所述初始投資成本和所述維護(hù)成本，得到所述固態(tài)超級電容器的總成本模型，其中，所述總成本模型為：

20、fc＝cinv,supercap+co&m,supercap+creplace,supercap-csalvage,supercap

21、式中，cinv,supercap為初始投資成本，co&m,supercap為運維成本，creplace,supercap為更換成本，csalvage,supercap為殘值。

22、在第一方面的一種可能的實現(xiàn)方式中，維護(hù)成本是根據(jù)所述運維成本、更換成本和所述殘值得到的，其中，所述運維成本的表達(dá)式為：

23、co&m,supercap＝αsupercap·cinv,supercap·t

24、式中，co&m,supercap為運維成本，αsupercap為每年運維費率，t是固態(tài)超級電容器的壽命周期；

25、所述更換成本的表達(dá)式為：

26、creplace,supercap＝nreplace,supercap·csupercap

27、式中，creplace,supercap為運維成本，nreplace,supercap為更換次數(shù)，t為所述固態(tài)超級電容器的壽命周期，csupercap為固態(tài)超級電容器模塊成本；

28、所述殘值的表達(dá)式為：

29、

30、式中，tlife,supercap為固態(tài)超級電容器的實際使用年限，tdesign,supercap為固態(tài)超級電容器的設(shè)計壽命。

31、在第一方面的一種可能的實現(xiàn)方式中，構(gòu)建所述固態(tài)超級電容器在調(diào)峰和調(diào)頻下的第一功率輸出模型和第二功率輸出模型，包括：

32、構(gòu)建所述固態(tài)超級電容器在調(diào)峰和調(diào)頻下的第一功率輸出模型和第二功率輸出模型，所述第一功率輸出模型為：

33、

34、其中，p(t)為固態(tài)超級電容的輸出功率，v(t)為固態(tài)超級電容的兩端的電壓，c為固態(tài)超級電容器的額定容值，k1為與系統(tǒng)特性相關(guān)的常數(shù)；

35、所述第二功率輸出模型為：

36、

37、式中，p(t)為固態(tài)超級電容的輸出功率，v(t)為固態(tài)超級電容的兩端的電壓，c為固態(tài)超級電容器的額定容值，k2為與負(fù)荷調(diào)節(jié)能力相關(guān)的常數(shù)，δpload(t)為負(fù)荷功率的變化量。

38、在第一方面的一種可能的實現(xiàn)方式中，根據(jù)所述第一功率輸出模型和第二功率輸出模型得到總收益模型，包括：

39、根據(jù)所述第一功率輸出模型和第二功率輸出模型得到總功率輸出模型，其中，所述總功率輸出模型為：

40、

41、式中，ptotal(t)為所述固態(tài)超級電容器在時間時的總輸出功率，為基本的電容功率輸出部分，k1·δvgrid(t)為所述固態(tài)超級電容器為固態(tài)超級電容的兩端的電壓支撐所提供的功率，k2·δpload(t)為所述固態(tài)超級電容器為調(diào)峰提供的功率，k3·δf(t)為所述固態(tài)超級電容器為調(diào)頻提供的功率，為所述固態(tài)超級電容器的內(nèi)阻損耗；

42、根據(jù)所述總功率輸出模型和單位電量收益得到城市電網(wǎng)收益模型，其中，所述城市電網(wǎng)收益模型為：

43、

44、式中，ptotal為所述收益模型，e0為單位電量的經(jīng)濟(jì)效益。

45、在第一方面的一種可能的實現(xiàn)方式中，根據(jù)所述城市電網(wǎng)韌性提升模型、所述總成本模型和所述城市電網(wǎng)收益模型構(gòu)建均衡模型，包括：

46、根據(jù)所述城市電網(wǎng)韌性提升模型、所述總成本模型和所述城市電網(wǎng)收益模型構(gòu)建均衡模型，其中，所述均衡模型的目標(biāo)函數(shù)為：

47、

48、式中，d1、d1分別為談判破裂點，fe為所述城市電網(wǎng)收益模型，fc為所述城市電網(wǎng)韌性提升模型。

49、在第一方面的一種可能的實現(xiàn)方式中，利用多目標(biāo)優(yōu)化算法對所述均衡模型進(jìn)行計算，得到優(yōu)化結(jié)果，以使所述人員根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果配置所述固態(tài)超級電容，包括：

50、初始化種群，根據(jù)所述種群中的個體和所述均衡模型的目標(biāo)函數(shù)，計算每個所述個體的目標(biāo)函數(shù)值；

51、根據(jù)各個所述個體的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行非支配排序，得到非支配排序結(jié)果，基于所述非支配排序結(jié)果，將所述種群劃分為多個等級，得到各個所述個體的非支配排序等級，并在同一個非支配前沿內(nèi)，計算每個所述個體的擁擠距離；

52、根據(jù)非支配排序等級和擁擠距離在所有所述個體中選擇最優(yōu)解，得到帕累托最優(yōu)解集合，使用遺傳算法的交叉和變異操作生成子代種群，根據(jù)所述子代種群和所述均衡模型的目標(biāo)函數(shù)，計算得到新的目標(biāo)函數(shù)值；

53、將父代種群和子代種群合并，得到臨時種群，對所述臨時種群進(jìn)行非支配排序，根據(jù)種群規(guī)模和排序等級選擇下一代種群，若達(dá)到最大代數(shù)或種群收斂，則停止計算，確定帕累托最優(yōu)解集合為優(yōu)化結(jié)果。

54、本發(fā)明實施例的第二方面提供了一種配置固態(tài)超級電容器的城市電網(wǎng)韌性提升優(yōu)化系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：

55、韌性提升模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)所述固態(tài)超級電容器的輸出功率和考慮功率損耗的輸出功率，得到所述固態(tài)超級電容的基本功率，基于所述固態(tài)超級電容的基本功率和極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型構(gòu)建得到城市電網(wǎng)韌性提升模型；

56、均衡模型構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建所述固態(tài)超級電容器的總成本模型，構(gòu)建所述固態(tài)超級電容器在調(diào)峰和調(diào)頻下的第一功率輸出模型和第二功率輸出模型，根據(jù)所述第一功率輸出模型和第二功率輸出模型得到城市電網(wǎng)收益模型，根據(jù)所述城市電網(wǎng)韌性提升模型、所述總成本模型和所述城市電網(wǎng)收益模型構(gòu)建均衡模型；

57、求解模塊，用于利用多目標(biāo)優(yōu)化算法對所述均衡模型進(jìn)行計算，得到優(yōu)化結(jié)果，以使所述人員根據(jù)所述優(yōu)化結(jié)果配置所述固態(tài)超級電容。

58、在第二方面的一種可能的實現(xiàn)方式中，韌性提升模型構(gòu)建模塊包括損失模型構(gòu)建單元、消耗電量模型構(gòu)建單元和韌性模型構(gòu)建單元，

59、其中，所述損失模型構(gòu)建單元用于基于風(fēng)險值理論，得到極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型，其中，所述極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型為：

60、

61、式中，s(i)為所述極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型，xi為第i處應(yīng)急電源的供電狀態(tài)，0表示i處有應(yīng)急電源供電，1表示i處沒有應(yīng)急電源供電，δti為第i處停電時間，zi為第i處停電損失功率，c0為單位負(fù)荷停電損失；

62、所述消耗電量模型構(gòu)建單元用于根據(jù)所述固態(tài)超級電容器在應(yīng)急供電狀態(tài)下開始電量和等效參數(shù)值，得到固態(tài)超級電容器在應(yīng)急供電狀態(tài)下的消耗電量，其中，所述消耗電量表達(dá)式為：

63、z(t)＝z0·(1-soc)

64、

65、式中，z(t)為所述固態(tài)超級電容器在t時刻的電壓，z0為開始電量，t為時刻，pout(t)為所述固態(tài)超級電容器的基本功率，v(t)為所述固態(tài)超級電容器在t時刻的電壓，resr為內(nèi)阻值，為電容值，pout(t)為所述固態(tài)超級電容器在t時刻輸出的功率，soc為所述固態(tài)超級電容器的荷電狀態(tài)量；

66、所述韌性模型構(gòu)建單元用于根據(jù)所述消耗電量和所述極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型構(gòu)建得到城市電網(wǎng)韌性提升模型，其中，所述城市電網(wǎng)韌性提升模型為：

67、

68、式中，s(i)為所述極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型，xi為第i處應(yīng)急電源的供電狀態(tài)，0表示i處有應(yīng)急電源供電，1表示i處沒有應(yīng)急電源供電，δti為第i處停電時間，zi為第i處停電損失功率，c0為單位負(fù)荷停電損失。

69、本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點：

70、本發(fā)明實施例提供的配置固態(tài)超級電容器的城市電網(wǎng)韌性提升優(yōu)化方法，通過根據(jù)固態(tài)超級電容器的輸出功率和考慮功率損耗的輸出功率，得到固態(tài)超級電容的基本功率，基于固態(tài)超級電容的基本功率和極端災(zāi)害下城市電網(wǎng)損失模型構(gòu)建得到城市電網(wǎng)韌性提升模型，根據(jù)城市電網(wǎng)韌性提升模型、所述總成本模型和所述城市電網(wǎng)收益模型構(gòu)建均衡模型，最后利用多目標(biāo)優(yōu)化算法對均衡模型進(jìn)行計算，得到優(yōu)化結(jié)果，以使人員根據(jù)優(yōu)化結(jié)果配置固態(tài)超級電容。上述方法能在城市電網(wǎng)經(jīng)受極端災(zāi)害后短時間內(nèi)恢復(fù)供電的同時，提高防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)中的規(guī)劃合理性。