一种考虑区域自治能力的主动配电网全局优化调度方法

技术领域

本发明涉及电力系统的优化调度技术领域，尤其涉及考虑区域自治能力的主动配电网全局优化调度方法。

背景技术

随着电力系统的不断发展，大量的以光伏、风电为主的分布式电源(DistributedGeneration DG)接入配电网，形成主动配电网(Active Distribution Grid ADG)。在带来经济、环境效益的同时，分布式电源固有的不确定性也给主动配电网的优化运行带来了极大的挑战。

当分布式电源大量接入时，传统的配电网整体层面的优化运行会导致网络通信压力增大，求解过程复杂，速度难以满足实时性要求，因此，目前主动配电网多采用全局优化加上区域自治的分层分区的调度方法，在全局层面制定日前计划、在区域内进行实时自治调整。

对于一个包含多个区域的主动配电网，在进行全局优化时，其优化协调目标主要有：配电网总费用最小、网损最小和可再生能源利用率最大等。在实际操作中，根据不同的需求选用不同的优化目标。这些目标大多数都是传统配电网调度关注的重点，但对于主动配电网，除了这些关注点之外，更要着重考虑可再生能源不确定性带来的影响。

现有的文献大多都是用多场景、鲁棒优化等方法处理可再生能源的不确定性，等效后进行全局优化，但并没有考虑他们的波动对所在区域的影响，而分层分区调度在做好日前计划后，只在区域内进行实时调整，若某些区域自治能力较低，风电、光伏的波动就有可能会使其距离最优目标偏离较大，难以实现自治，得出保守或者冒进的决策方案，失去了分层分区的意义，最后对整个配电网的经济安全性带来威胁。

对于主动配电网的优化调度，目前缺少一种考虑区域自治能力的主动配电网全局优化调度的建模及求解方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种考虑区域自治能力的主动配电网全局优化调度方法。

所述方法包括4个步骤：

步骤1：以总费用最小为目标，考虑分布式电源、储能及网络安全约束，建立全局优化调度模型，求得各区域联络线功率分布,其中总费用除购电费用、微型燃气轮机费用、储能费用外，还包括代表区域自治能力的联络线功率变化费用，以此调节区域联络线功率，协调各区域自治能力；

步骤2：根据步骤1中得到的区域联络线功率，以可再生能源产生波动时，区域联络线功率变化量费用最小为目标，建立区域自治模型；

步骤3：针对步骤2中的区域自治模型，生成拉格朗日函数进行求解，对区域联络线功率变化量求偏导，得到自治能力衡量指标；

步骤4：在主动配电网全局优化调度数学模型、区域自治模型中迭代更新区域联络线功率与自治能力衡量指标，直至区域联络线功率不再发生变化，得到考虑区域自治能力的主动配电网全局优化最优调度方案。

所述步骤1中的主动配电网全局优化调度数学模型如下：

目标函数：

式中：分别为上级电网购电电价、微型燃气轮机单位功率电价、储能单位功率电价，分别为t时刻节点j处上级电网注入有功功率、微型燃气轮机功率、储能放电功率、储能充电功率，β_l,t代表区域l的区域联络线功率单位变化费用，ΔP_l,t代表区域联络线功率变化量，T代表时间段，N_grid代表与上级电网的连接点数，N_MT代表微型燃气轮机个数，N_BS代表储能电池组数，L代表区域个数；

约束条件：

a)线路有功平衡约束：

式中：P_ij,t、I_ij,t、r_ij分别为t时刻，节点i到节点j的线路有功功率、电流、电阻；P_jk,t为t时刻节点j连接的其他线路的有功功率；P_j,m,t为t时刻节点j处可再生能源入网功率；为节点j处在t时刻的有功负荷，节点k为与节点j相连线路的末端节点，δ(j)为与节点j相连线路的末端节点集合；节点i为与节点j相连线路的首端节点，π(j)为与节点j相连线路的首端节点集合；

对于区域l的区域联络线功率P_l,t，则将其修改成为区域自治时区域联络线功率基准值，ΔP_l,t为区域联络线功率的变化量，以作为各区域的区域联络线功率，

b)线路无功平衡约束：

式中：Q_ij,t、x_ij分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、线路电抗；Q_jk,t为节点j在t时刻连接的其他线路的无功功率；V_j,t为t时刻节点j的电压幅值；为t时刻节点j处上级电网注入无功功率；为节点j处在t时刻的无功负荷，b_j为节点j处的电纳，I_ij,t为t时刻，节点i到节点j的线路有电流；

c)电压约束：

d)线路潮流：

e)上级电网注入功率约束

式中：分别为注入有功功率的最小值、有功功率的最大值、无功功率的最小值、无功功率的最大值，V_i.t为t时刻节点i的电压幅值；

f)微型燃气轮机约束

式中：为微型燃气轮机功率输出最大值，分别为爬坡约束的最小值、爬坡约束的最大值，

g)储能约束

式中：分别为储能的开关变量，为储能在t时刻的容量，和C₀分别为储能容量的最大值、最小值以及初值,η_j为充电效率，为储能放电功率、充电功率的最大值；

h)光伏、风电功率约束

式中：为t时刻可再生能源发电功率预测值，

i)网络安全约束

式中：V_j,max和V_j,min分别为电压的最大值与电压的最小值，I_ij,max为电流的最大值。

将其中的线路潮流方程(5)作凸化松弛处理，对模型非线性进行处理：

引入中间变量和消除原来的平方项，则式(2)等效如下：

式(3)等效如下：

式(4)等效如下：

将式(5)化为标准二阶锥形式：

安全约束式(10)等效如下：

所述步骤2中的区域自治模型如下，

目标函数：

约束条件：

同公式(6)-(8)、(10)-(17)，将区域的注入功率修改成修改成其中，为全局优化得到的区域联络线功率，ΔP_l,t、ΔQ_l,t为区域联络线功率的变化量，C_l,t代表区域l的区域联络线功率单位变化费用。

所述步骤3中，针对区域自治模型，生成拉格朗日函数，对区域联络线功率变化量ΔP_l,t求偏导，

生成拉格朗日函数L_l(ΔP,λ,α,π,η,ω)，ΔP为联络线注入功率增量，且ΔP≥0；λ、α、π、η、ω指相应约束条件对应的拉格朗日乘子，

将β_l,t定义为区域自治能力的影响指标，当可再生能源波动时，当区域能够自治，β_l,t＝0，当区域不能自治，β_l,t＜0。

所述步骤2的区域自治模型中，将可再生能源波动量设置为最差的场景，即最大出力均为最小值，设定波动量为在最差的场景下，可再生能源的发电量为即：

为资源m在t时刻的预测值为

本发明的有益效果在于：

(1)提出了基于价格的自治能力的衡量指标。以风电、光伏产生波动时，联络线功率变化量的费用最小为目标，建立了区域自治模型，生成了拉格朗日函数，对联络线功率变化量求偏导，得到了区域自治能力的衡量指标，该指标能够比较合理的度量联络线功率变化对区域自治能力的影响，并以费用的形式给出，便于引入到全局优化模型中；

(2)生成了考虑区域自治能力的主动配电网全局优化调度方法。相较于传统优化方法，本发明所提的方法考虑了区域自治能力的影响，利用所提出的指标，将区域自治能力用费用大小来度量，并将其加入到目标函数中，调整联络线功率，综合考虑了费用与自治能力，得到了一个最优的解决方案。

附图说明

图1为考虑区域自治能力的主动配电网全局优化调度方法流程示意图；

图2为主动配电网网络结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

如图1所示，考虑区域自治能力的主动配电网全局优化调度方法包括以下步骤：

步骤1：以总费用最小为目标，考虑分布式电源、储能及网络安全等约束，建立全局优化调度模型，求得各区域联络线功率分布。其中总费用除常规费用外，还包括代表区域自治能力的联络线功率变化费用，以此调节区域联络线功率，协调各区域自治能力；主动配电网网络结构示意图如图2所示。

步骤2：将全局优化得到的区域联络线功率设为基值，以风电、光伏产生波动时，区域联络线功率变化量的费用最小为目标，建立区域自治模型，衡量各区域的自治能力；

步骤3：针对上述区域自治模型，生成拉格朗日函数，对联络线功率变化量求偏导，得到基于价格的自治能力的衡量指标来度量联络线功率变化对区域自治能力的影响，；

步骤4：将所提指标引入到全局优化模型中，根据全局优化调度模型、区域自治模型，迭代更新区域联络线功率与自治能力衡量指标，直至不再发生变化，得到考虑区域自治能力的主动配电网全局优化最优调度方案。

其中，对于步骤1，以总费用最小为目标，考虑分布式电源、储能及网络安全等约束，建立全局优化调度模型。

考虑经济性，全局优化目标为总费用最小，包含购电费用、微型燃气轮机费用、储能费用。为了充分利用可再生能源，在此不考虑可再生能源费用。

同时，由于上下层的联系主要是联络线功率，下层的区域自治能力也与联络线功率大小息息相关，所以，为了考虑区域自治能力的影响，目标函数中还应加入代表区域自治能力的联络线功率变化费用。

目标函数如下：

式中：分别为上级电网购电电价、微型燃气轮机单位功率电价、储能单位功率电价。分别为t时刻节点j处上级电网注入有功功率、微型燃气轮机功率、储能放电功率、储能充电功率。β_l,t代表区域l联络线功率单位变化费用，由步骤2、3计算所得，，ΔP_l,t代表联络线功率变化量，T代表时间段，N_grid代表与上级电网的连接点数，N_MT代表微型燃气轮机个数，N_BS代表储能电池组数，L代表区域个数。

②约束条件：

a)线路有功平衡约束：

式中：P_ij,t、I_ij,t、r_ij分别为t时刻，节点i到节点j的线路有功功率、电流、电阻；P_jk,t为t时刻节点j连接的其他线路的有功功率；P_j,m,t为t时刻节点j处可再生能源入网功率；为节点j处在t时刻的有功负荷，节点k为与节点j相连线路的末端节点，δ(j)为与节点j相连线路的末端节点集合；节点i为与节点j相连线路的首端节点，π(j)为与节点j相连线路的首端节点集合。

对于区域l的联络线功率P_l,t，则将其修改成为区域自治时联络线功率基准值，ΔP_l,t为联络线功率变化量，最后以作为各区域的联络线功率下发给下层自治区域。

b)线路无功平衡约束：

式中：Q_ij,t、x_ij分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、线路电抗；Q_jk,t为节点j在t时刻连接的其他线路的无功功率；V_j,t为t时刻节点j的电压幅值；为t时刻节点j处上级电网注入无功功率；为节点j处在t时刻的无功负荷，b_j为节点j处的电纳，I_ij,t为t时刻，节点i到节点j的线路有电流。

c)电压约束：

d)线路潮流：

e)上级电网注入功率约束

式中：分别为注入有功功率的最小值、有功功率的最大值、无功功率的最小值、无功功率的最大值，V_i.t为t时刻节点i的电压幅值；

f)微型燃气轮机约束

式中：为微型燃气轮机功率输出最大值，分别为爬坡约束的最小值、爬坡约束的最大值，

g)储能约束

式中：分别为储能的开关变量，为储能在t时刻的容量，和C₀分别为储能容量的最大值、最小值以及初值，η_j为充电效率，为储能放电功率、充电功率的最大值。

h)光伏、风电功率约束

式中：为t时刻可再生能源发电功率预测值。

i)网络安全约束

式中：V_j,max和V_j,min分别为电压的最大值和最小值，I_ij,max为电流的最大值。

二阶锥等价变形:

由于公式(2)-(5)导致原问题难以求解，因此将其中的潮流方程作凸化松弛处理，将原问题转化为一个可被有效求解的混合整数二阶锥优化问题，可通过算法包轻易求取最优结果，并对一个辐射网来说，该SOC松弛是严格的，求得的解即为原问题最优解。

对模型非线性进行处理：

引入变量和消除原来的平方项，则式(2)等效如下：

式(3)等效如下：

式(4)等效如下：

将式(5)化为标准二阶锥形式：

安全约束式(10)等效如下：

对于步骤2，根据所得到的区域联络线功率，以可再生能源产生波动时，联络线功率变化最小为目标，建立区域自治模型，衡量区域自治能力。

①目标函数：

区域自治能力的强弱体现在可再生能源功率发生变化时，区域内可控资源是否足以平衡该功率波动，即联络线功率是否变化。所以以ΔP_l,t最小为目标函数能够很好的体现区域的自治能力。

由于该指标要代入全局优化模型中进行考虑，而全局优化目标一般为费用最小，因此，区域自治模型的目标修改为联络线功率波动费用C_l,tΔP_l,t最小。

②约束条件：

同公式(6)-(8)、(10)-(17)，将区域的注入功率修改成修改成其中，为全局优化得到的联络线功率，ΔP_l,t、ΔQ_l,t为相应的波动量。

同时，考虑可再生能源波动量最差的场景，即最大出力均为下限，以此度量可再生能源的波动对自制能力的影响。设资源m在t时刻的预测值为假设波动量为所以最差场景下，可再生能源的发电量为即：

对于步骤3针对上述区域自治模型，生成拉格朗日函数进行求解，对联络线功率变化量ΔP_l,t求偏导，得到区域自治能力的衡量指标。

生成拉格朗日函数L_l(ΔP,λ,α,π,η,ω)，可以得到：

ΔP为联络线注入功率增量，且ΔP≥0；λ、α、π、η、ω指相应约束条件对应的拉格朗日乘子，将β_l,t定义为第l个区域的联络线功率波动对区域自治能力的影响指标，相当于联络线变化的费用成本，与全局优化中的费用相当，可参与全局优化调度。

当可再生能源波动时，若区域能够自治，β_l,t＝0，不能自治，β_l,t＜0，利用该指标来衡量区域自治能力，参与全局优化调度，调整联络线功率大小。

对于步骤4，在主动配电网全局优化调度数学模型、区域自治模型中迭代更新联络线功率与区域自治能力衡量指标，直至不再发生变化，得到最优调度方案。

迭代过程：

①令k＝1，根据步骤1中模型，计算得到各区域联络线功率

②将代入步骤2中模型，根据步骤3生成拉格朗日函数，得到区域自治能力的衡量指标

③将代入步骤1中模型，计算得到新的联络线功率

④若均有则停止迭代，否则，k＝k+1，返回步骤②。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。