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Two-Stage Robust Expansion Planning of Transmission Network Considering Uncertainty of Offshore Wind Power
TIAN Shuxin, HAN Xue, FU Yang, SU Xiangjing, LI Zhenkun
Journal of Shanghai Jiao Tong University    2024, 58 (9): 1400-1409.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.028
Abstract   (1269 HTML6 PDF(pc) (1718KB)(47)  

The complex and multiple uncertainties of offshore wind power pose great challenges to the safety and robustness of transmission grid structures. In order to improve the adaptability of grid structure to offshore wind power, a robust expansion planning method based on Vague soft set is proposed. First, Monte Carlo simulation is employed to construct the offshore wind Vague scenarios, which transform multiple comprehensive uncertainties of offshore wind power into uncertain parameter sets from true membership function, pseudo-membership function, and unknown information measure based on the Vague soft set theory. Then, a two-stage robust expansion planning model based on Vague scenario set is established for transmission network with offshore wind power penetration. The minimum total investment cost of offshore and onshore line and network loss is taken as the objective function in the first stage, while the minimum objectives of wind abandonment and cutting load for offshore wind power are proposed with the alternating current power flow constraint based on second-order cone relaxation in the second stage. Based on the expected values of wind abandonment and cutting load returned by the second stage model, the operation variables of the first stage model are modified to ultimately obtain the iterative transmission network robust planning scheme. Finally, the Gurobi mathematical optimization engine is used to analyze the Garver 6-node system and IEEE 39-node system to verify the effectiveness and feasibility of the proposed robust expansion planning method.


场景号 不确定集 规划模型 海陆线路
投建费用/亿元
海上风电
弃风率%
切负荷率/% 总成本/亿元
1 典型随机 常规规划 7.5591 4.64 0.92 36.02
2 典型随机 鲁棒规划 7.8688 1.31 0 29.82
3 Vague极限 常规规划 7.5620 5.72 3.28 72.81
4 Vague极限 鲁棒规划 7.8701 3.28 0 57.63
Tab.1 Results of improved Garver 6-node line expansion planning
Extracts from the Article
海上风电综合不确定性分析是建立海上风电出力场景集的基础.引入Vague软集理论,从论域与参数集两方面融合不同准则对具有不确定、不精准和不完备特征的海上风电复杂不确定性因素进行刻画.Vague软集是一种将Vague集合和软集理论相结合的不确定性参数分析方法[19],其本质是具有Vague集区间特征的软集.Vague软集利用论域内不确定性元素的真隶属度函数tF(h)(x)、伪隶属度函数fF(h)(x)和未知信息测度τF(h)(x)来同时表达对参数不确定因素的支持、反对和未知的程度.因此,x对论域D内所有元素的Vague集构成的集合具有三维信息,即(tF(h)(x), fF(h)(x), τF(h)(x)),通常可以简记为[tF(h)(x), 1-fF(h)(x)].Vague软集通过区间[tF(h)(x), 1-fF(h)(x)]刻画了论域D内各元素参数集的不确定性程度,其值介于tF(h)(x)和1-fF(h)(x)之间.
因此,可选取不确定性因素集合Ew={e1, e2},其中,e1表示海上风电场出力的不确定性;e2表示海上风电接入网络中负荷的不确定性.计算参数集内e1和e2的Vague值,即利用tF(e1)tF(e2)表征某海上风电场不确定性因素的真隶属度的下界;利用1-fF(e1)和1-fF(e2)表征某海上风电场不确定性因素的真隶属度的上界;利用τF(e1)τF(e2)表征某海上不确定性因素的信息不完备程度.e1属于正指标,值越大越优,其对应的Vague值计算公式为
式中:Fr为鲁棒规划方案的总目标函数;F'r为常规规划方案的目标函数;Fc1为规划方案的海陆线路投资费用;Fc2为规划方案的线路维护费用;Fc3为方案年网损费用,可在一定程度上反映规划方案在运行期间内的经济性;Ω为输电网中线路走廊集合;Ω1为陆上输电网中节点i、j之间待选新建线路集合;Ω2为海上节点i、j之间待选新建输电线路集合;Ω3为海陆输电网中节点i、j之间已投建线路集合;cijg为陆上输电网中节点i、j之间第g回线路单位投资费用;lijg为陆上输电网中节点之间第g回线路的线路长度;kijg为陆上线路投建决策变量,当g∈Ω3时取值为1,表示系统中已存在线路,当g∈Ω1时取值为1或0,表示投建或者未投建;pijτ为输电网节点i、j之间第τ回线路单位维护管理费用;kijτ为节点i、j之间第τ回线路投建决策变量;lijτ为海陆输电网中节点之间第τ回线路的线路长度;σ为线路资金回收系数;ρ为网损费用系数;η为输电线路网损的单位电价;U为系统额定电压;Rij为输电网节点之间的线路总电阻;PGij为正常情况下输电网中节点之间传输的有功功率;Fcdij为节点之间的高压海缆线路的投资成本;C1ij为节点之间的高压海缆线路单位长度的购买成本;C2ij为节点之间的高压海缆线路单位长度敷设成本;l'ij为高压海缆线路长度.式(6)表示鲁棒扩展规划方案的投资总费用;式(7)表示常规规划方案投资总费用.
基于以上场景进行计算,并根据海陆线路投资成本、海上风电弃风率、线路切负荷率以及综合运行成本等指标对比分析系统规划结果.由于传统Garver 6节点系统与IEEE 39节点系统均不包含海上风电机组,为了验证所提方案,在改进 Garver 6节点系统中节点6配置500和400 MW的海上风电机组;在改进IEEE 39节点系统中节点41、42分别新增400和500 MW的海上风电机组.线路造价为7.96万元/km,海底电缆造价为400万元/km,资金折现系数为10%,线路切负荷成本系数为 2.79万元/(MW·h),海上弃风成本系数为 0.069万元/(MW·h).结合式(6)~(35)中的海上风电接入下输电网鲁棒扩展规划模型,对改进的Garver 6节点系统进行求解,得到的线路扩展规划结果如表1所示.表1中Vague极限是指基于Vague软集的不确定性边界值,典型随机场景为Vague场景集内部的典型随机场景,总成本为综合考虑海陆线路投建费用与弃风、切负荷惩罚费用之后的总费用.根据扩展规划方案可知,输电网鲁棒扩展规划模型相较于常规扩展规划模型典型场景下线路投建费用增加 0.309 7亿元、Vague极限场景下线路投建费用增加 0.308 1亿元.然而由于鲁棒规划方案在海上风电弃风、切负荷量方面的优化,使得其总成本在Vague典型场景与Vague极限场景下均反而低于常规输电网扩展规划模型的总成本,分别降低6.2亿元和15.18亿元.对应场景4中Vague极限不确定性集合下改进Garver 6节点系统的输电网鲁棒规划方案如图5所示.
由表1和表2可知,无论是算例中的常规扩展规划方案还是鲁棒扩展规划方案,都可能出现弃风切负荷的情况,而扩展规划的目的并非不计成本地全额消纳海上风电,而是综合考虑各方面指标后在海上风电以及系统负荷不确定影响下,牺牲部分经济效益,使得系统的海上弃风率、切负荷率较小,实现海陆线路投资成本与海上风电消纳之间的动态平衡.对比4个场景可以看出,改进Garver 6节点系统或改进IEEE 39节点系统的输电网鲁棒扩展规划方案都比常规扩展规划方案在线路投建成本上有所增加,目的是在一定程度上增强输电网架骨架结构,以更好地应对海上风电带来的复杂不确定性,使得扩展方案无论是典型随机场景还是Vague极限场景下都可以更好地消纳海上风电,提高应对海上风电波动的鲁棒性以及综合效果.
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