可再生能源配电网协调规划与节能:标准化信息模型与软件

抽象的

近年来，国家高度重视节能环保，从政策和规划层面做了很多努力。针对目前配电网规划中对减损、减碳、环境友好等节能环保属性的要求，提出了一套配电网节能环保评价指标。然后，针对典型设备构建CIM文件库。基于CIM文件，设计了配电网数字化规划技术。对节能环保指标特征库、潮流计算模块、碳流计算模块、可再生能源集成规划模块进行了描述。

1.介绍

2016年12月，中国发布了《十三五节能环保产业发展规划》，指出环保产业是促进经济增长、增强绿色竞争力、支持生态保护的关键广东省发改委提出广东省能源发展“十三五”规划（2016-2020）2017年1月，提出了完善绿色低碳能源体系、推进节能减排的发展目标，同时，广东省政府提出，从经济、节能、环保角度实施节能低碳电力调度至关重要此外，南方电网公司还建立了一套完整的节能环保指标评价体系，有助于将市场交易与节能低碳电力调度相结合，因此，南方电网公司在电力市场竞争中发挥了重要作用可以预测，提高可再生能源普及率、发展低碳规划技术、推广分布式能源（如太阳能、风能和地热）是未来电力系统的发展趋势[1- - - - - -3.］.

分发网络是电厂和最终用户之间的链接。分销网络的科学规划可以确保电网的合理结构和经济运行。此外，通过提高电源质量，改善环境和优化能耗结构，实现电力系统的双碳控制（碳峰值和碳化）是重要的。从规划的角度来看，电能应以高质量的高品质传送到用户终端。而且，大规模分配设备支持可靠的电能供应。因此，分销网络投资的经济和技术成本效益分析对于电力系统的有效和经济运行至关重要[4］.从操作的角度来看，配电网络负载侧的电压较低，负载电流大，这使得变压器和线路的损失。这些功率损耗甚至可以达到传输功率的大约10％甚至更高。因此，应进行节能和损失减少措施，以提高分销网络的经济运行水平和设备利用率[5］.

近年来，随着经济的发展、电力系统的改革和节能环保的举措，对配电网规划提出了更高的要求。配电网规划不仅要求配电网在安全可靠的供电条件下尽可能降低建设和运营成本，而且注重配电网与环境的协调，减少碳排放，保护环境[6］.目前，配电网的节能降耗工作较多[7- - - - - -9设计了一系列新技术、新设备，并建立了相关评价指标。然而，这些研究忽视了配电网设备建设和运行过程中存在的环境问题，如二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳排放等温室效应。相反，配电变压器、架空线路和电缆线路的电磁辐射可能会影响附近的居民，这引起了大量的批评。此外，配电网可再生能源接入规划的研究主要包括规划算法[10- - - - - -12]、规划模式[13- - - - - -15]、可再生能源选址及规模[16- - - - - -20.[可再生能源和电力系统之间的合作规划[21，22］.并且，需要进一步研究评估指标和分销网络环境保护规划的智能规划软件。

为了弥补上述不足，本文建立了指导配电网规划、评价节能环保属性的指标体系，并建立了典型设备库，基于CIM文件对配电网设备进行了系统建模设计了节能环保软件的功能模块，为数字配电网规划奠定了基础。

2.节能环保指标

建立指标体系的目的是为了更好地评价配电网的节能环保特性，下面将对这两个方面进行分析和阐述。

2．1.节能指标

节能指标主要包括设备生命周期，线路损耗，设备损耗和操作损失;它们的结构如图所示1。其中，全寿命周期是指设备(如变压器、架空线路、电缆线路、断路器、负荷开关、开关柜、户外开关柜、电缆分配箱、环网柜、无功补偿装置、避雷针等)从生产到回收的总成本。线路损耗和设备损耗充分描述了配电网实际运行中线路加热和设备加热造成的实际运行损耗。此外，在运行附加水平上还应进一步考虑三相不平衡附加损耗、不合理运行电压附加损耗、高次谐波附加损耗和设备老化附加损耗。

２.２.环境保护指标

环保指标主要概述设备环保指标，高谐波含量，绿色分配网络指数，碳排放流动和电能替代指数;它们的草图地图是在图中给出的2。特别地，设备环保指数侧重于辐射强度和噪声强度。而且，分布式功率渗透率，电动车充电（更换）发电站区域密度，容量比例的公共电动车充电和交换设施，分布式发电年消耗率，以及分销网络中的废气处理成本，以及分配网络的成本作为绿色设备比例，是绿色分布网络指示器的子线索。此外，碳排放流认为碳排放流速和节点碳电位作为评估标准。并且，电替代指数表示“替换油，气体和煤炭”的潜力。

3. CIM文件及其分析过程

CIM模型是各个子系统的集合，使用CIM文件的主要目的是建立统一的、标准的信息模型，为配电网的研究和规划提供有效的模型支持。有必要确定每个子系统之间的关系，然后构建一个易于用户理解的集成框架。CIM有三种型号:(1）核心模型：此模型是描述和分析管理系统的基本。它定义了每个子系统的控制范围，也是所有公共模型的起点。(2)通用模式:该模式独立于系统，有助于开发设置程序、Internet程序等管理应用程序。（3）扩展模型:该模型是通用模型的技术扩展，主要用于特定环境中。

作为一种基于信息的模型，设计者可以通过统一建模语言(UML)实现CMI可视化建模。通过Internet实现CIM模型的自动信息交换;在此基础上，建立了智能配电网规划技术。此外，CIM模型避免了定义繁多导致的子类大的问题。泛型类用于标识每个子类的属性及其名称。因此，该模型可以通过整数、布尔变量、浮点数、字符串等方式来描述监控内容的具体属性。

本文对CIM文件进行了分析，探讨了配电网规划中涉及的主要目标。然后，可以给出CIM文件的分析过程:(1）读取CIM文件，提取CIM组件对象，包括站、线、总线、开关、变压器、终端(2)根据断路器的端子头找到所连接的部件（3）根据元件确定终端头并读取元件集（4)遍历组件集和识别总线节点，分配节点和联系开关（5)重复步骤(4)，直到递归遍历完成(6）实施骨架分析，包括主线标记和主线横截面、支线不足的评估;然后，可以生成问题库（7）SVG元素节点映射（8）将CIM数据保存到库中

4.典型配电网设备CIM文件库

分销网络模型通常具有大数据和复杂结构。而且，本文的理论和实践基于电网设备的建模（例如，拓扑，线路，负载，设备和馈线），这可以描述如下：(1）线路型号:线路型号可根据导线类型、接线方式、导线种类、导线型式等进行分类。然而，导体类型的定义表明，该模型仅适用于采用正序分量和零序分量描述线路阻抗的三相对称系统。配电网为三相非对称系统，在建立综合线模型时需要考虑更多的几何属性、电气属性和电气信息。(2)变压器型号：变压器模型由设备容器，变压器绕组等组成。在CIM模型中，变压器的绕组类型由与星阻抗型和导纳型相关联的末端类型代替，以表示变压器的参数矩阵。（3）负荷模型：该模型描述电网的负荷，能够（a）显示负荷接入点的特性，（b）表示多相连接及其连接类型，（c）反映恒定阻抗、恒定功率和恒定电流负荷，（d）表示配电网中的三相平衡和三相不平衡。（4)馈线模型:采用CIM模型对馈线模型进行扩展。馈线是配电网中含有大量电力设备的同一电压等级的电力线路的组合。馈线模型可以建立配电网中组合设备与单一设备之间的整体或局部关系。

5.协调规划与节能软件的设计

该软件是一种新型的配电网规划技术，可实现接入可再生能源的配电网规划与决策的数字化、智能化。并充分考虑节能环保因素，满足绿色配电网建设的要求。平台的算法和函数从底层编译、打包、封装，使平台接口能够调用这些函数包。系统登录页面和技术框架如图所示3.和4,分别。

此外，该软件的设计主要包括四个模块：节能环保指标特征库，电力计算，碳流量计算和可再生能源连通规划。

5.1。节能环保指标特色库

该图书馆是动态的，可以从工程案例中存储典型的节能和环保指标。该图书馆的突出优势在于，软件的计算效率和库的数据容量同时提高。特别是，基于工程案例分析的结果增加了数据库的规模。然后，工程案例可以从库中提取特征数据来估计节省大量计算时间的设备的相关索引。

并且，标识特征库的可视界面在图中给出5。通过工程实例分析，节能环保指标得到了较好的体现。通过不断增加工程案例，不断丰富数据库，建立设备指标特征库。

5.2。功率流计算

CIM扩展包定义了配电网中各设备的连接方式，可以用“设备-终端-连接点”来描述。终端是设备的末端。一个设备有多个终端，连接点根据网络运行情况将相关的终端进行无阻抗聚合。以网络层的模型库为中间层，对中间层数据库进行CIM模型分析，生成实时同步计算数据库，实现整个物理模型的自动建模。通过对API接口的二次开发和封装，建立接口层，实现潮流计算的自周期运行。

基于图的网络拓扑子系统能够识别电气设备，支持拓扑程序自动调用、网络拓扑分析、节点编号和拓扑结果更新。该系统具有网络自动跟踪、状态网络分析、动态网络潜水、区域分割等功能。

潮流计算模块为内置计算模块。通过对CIM文件中包含配电网信息的解析，得到其计算参数。然后，将相关计算参数输入潮流计算界面。最终的计算结果通过Python语言开发的内置计算模块输出并显示在前端拓扑界面上。潮流计算模块由我们从代码的底部编写而成，没有使用其他机构或公司的软件包。

5.3.碳流量计算

碳流量计算模块主要涉及以下指标。

5.3.1。分支碳流量

分支碳流量是碳流量最基本的物理量，用表示F。碳排放量定义为给定时间内通过某一支路的碳流量随负荷流量的累计排放量。碳流量的单位与碳排放的单位相同。

5.3.2。分支碳流速

单位时间的分支的碳流速称为分支碳流量，其表示R其值等于分支碳流的导数，单位为t·CO₂/ h或公斤·有限公司₂/ s:

5.3.3。碳通量密度

电力系统的碳排放流与有功潮流相关，因此有必要将上述概念结合起来进行研究。支路碳通量密度定义为支路碳流量率与有功功率流量的比值，用表示ρ。不难发现分支碳流密度的单位与发电侧碳排放强度相同，即kg·CO₂/ kWh。

5.3.4。节点碳势

电力系统节点碳势描述了通过节点的碳流与有功潮流之间的线性关系，记为E。表达式是哪里N⁺是所有分支机构的集合流入节点N和我是分支机构号码。可以看出，节点碳势的单位与分支碳通量密度相同，其值等于碳流密度的加权平均值ρ_我流向节点的分支N用于有效电流P_我。

电力系统碳排放流量计算的实质是根据潮流分布定量确定碳排放流量的流动状态。潮流分析和碳排放流量分析的区别和联系可概括如下：（a）碳排放流量取决于潮流的存在，影响潮流分布的因素也会对碳排放流量产生影响；（b）碳排放流量与发电机组的碳排放特性有关，因此，碳排放流量不仅受潮流分布的限制，还受发电机组的一些参数和边界条件的影响。

通过基于CIM文件的潮流计算，可以得到各节点的有功功率、无功功率、电压、相角以及各支路的潮流。根据碳排放流量的性质，各分支上的碳流量密度等于各分支连接节点的碳势。当得到所有节点的碳势时，由起始节点的碳势和支路负荷流计算得到各支路的碳流量。然后，根据各节点的碳势获取各分支和关键路段的碳流量。

类似于负载流量计算模块，碳流计算由内置计算模块使用Python语言进行，并且计算结果显示在前端拓扑界面中（见图6）。此外，引入了两个实际工程案例，以评估设计的负载流量和碳流量计算平台的性能。并且，这些工程案例的草图地图如图所示7。请注意，由于保密需求，详细信息隐藏在地图中。此外，计算出馈线的显示界面在图中表示8。

(一)

(b)

5.4。可再生能源连通规划

随着电力电子技术的进步和推广和中国节能减排策略的不断推进，新能源进入对分销网络的规模和比例正在增加。为了应对近年来分销网络中新能源接入比例增加的情况，新的能源接入模块在这里设计。

光伏系统在具有可再生能源的配送网络中具有重要作用和大市场。因此，考虑到太阳能开发了该提出的模块。

光伏电池是光伏系统的基本成分，其输出功率值与能量转换效率，太阳照射，面板区域等有关。光伏系统的有功功率近似表示如下：哪里一个是面板区域，R太阳辐照，和η为能量转换效率。

光伏系统通常在白天工作。太阳辐照度满足分布，概率密度为哪里R_最大限度最大的太阳照射是和吗α和β两者都是β发布的形状参数。

因此，输出功率的概率密度由

基于CIM文件的光伏组件的思想是建立前端输入接口。然后，可以手动输入光伏设备的模型和参数，也可以读取文本并存储在数据库中。特别是光伏设备的选择直接影响到设备的性能和参数。，相关参数如下:(1）形状参数α(2)形状参数β（3）单方阵区域一个（4)能量转换效率η（5)最大的太阳能辐射R_最大限度(6）光伏产能s

在实际场景中，光伏设备的选址和容量的确定存在工程上的限制。因此，光伏系统的位置和容量的确定依赖于该软件模块的人工操作。内置模块可对配电网运行状态进行评估，其可视化界面如图所示9。

六，结论

本文提出了配电网协调规划与节能的标准化信息模型和软件，主要贡献如下:(1）提出了分销网络的节能和环境保护综合指标体系，提供了强大的工具，用于实现电力系统的评估和规划。(2)建立了分销网络中典型设备的CIM文件库。此库有助于配送网络的智能规划。（3）节能环保软件模块是基于CIM文件设计的，可以看作是一种通用的设计方案。（4)设计的索引功能库可以实现软件性能和背景数据容量的提高。（5)所构建的潮流计算模块、碳流计算模块、可再生能源互联规划模块是配电网可视化规划的基础。

下一步工作将从以下两个方面推进:(1）软件平台的功能模块将继续扩展。(2)增强软件的数字化、自动化能力，增加多种机器学习核心算法。

数据可用性

用于支持本研究结果的研究数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

作者的贡献

t.w.将研究概念化，发展为研究的方法论，并写了最初的草稿。洪昌、陈国光、张立等进行形式化分析，可视化研究，获取资源。T. Y.和R. C.审阅并编辑了这篇文章。

致谢

作者感谢中国南方电网公司科技项目的支持（GDKJXM20173256）。

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