考慮源網荷協調互動的主動配電網多時間尺度優化方法與流程

2023-05-06 10:55:56

本發明屬於配電網運行控制技術領域，具體涉及一種考慮源網荷協調互動的主動配電網多時間尺度優化方法。

背景技術：

傳統配電網是一種基於電網供電與用戶用電之間的單向電力分配網絡，是一種「電網-負荷」的二元結構。隨著電力需求的持續增長、傳統能源的短缺、電力市場的開放，電網正朝著高效、靈活、智能和可持續方向發展，可持續性表現為分布式電源尤其是大量可再生能源的規模化接入與應用。大量分布式電源的接入，配電網由傳統二元結構升級為「源-網-荷」三元結構，傳統的單向潮流變為複雜的雙向潮流，電壓分布、線損、供電可靠性、繼電保護等也都受到廣泛影響；同時，由於分布式電源的不確定性，實現源-網-荷三者的平衡成為配電網運行控制的新挑戰。主動配電網在配電網中引入主動控制機制，通過主動調動分布式電源和可調負荷參與電網運行控制與優化，提升配電網對分布式電源的接納能力，提升配網資產利用率，延緩配電網升級改造，實現配電網安全可靠、優質高效運行的目標。

針對分布式電源的大規模接入，目前尚未從系統層面上提出有效的協調控制方案，研究重點多集中在分布式電源的選址和定容優化；在源-網-荷協調互動方面，側重考慮網-荷協調、源-荷協調或者源-網協調，綜合三者的協調優化鮮有涉及。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種考慮源網荷協調互動的主動配電網多時間尺度優化方法。本發明綜合網絡重構、分布式電源出力優化、柔性負荷優化調度等多重手段，實現日前和日內不同時間尺度的優化實現源-網-荷的實時功率平衡。

為了實現上述發明目的，本發明採取如下技術方案：

一種考慮源網荷協調互動的主動配電網多時間尺度優化方法，所述方法包括如下步驟：

(1)針對給定的含分布式電源的配電網，結合天氣信息，進行次日24h負荷預測和分布式電源出力預測；

(2)考慮開關操作次數約束，對次日24h負荷曲線進行時段劃分；

(3)根據負荷曲線分段結果，進行日前多時間段落的源網協調優化；

(4)基於日前電網調度計劃和分布式電源出力安排，進行日內柔性負荷優化調度；

(5)通過所述源網協調優化和所述柔性負荷優化調度，充分利用分布式電源和各種柔性負荷，達到源網荷的實時功率平衡。

優選的，所述步驟(3)中，所述源網協調優化以最小化配電網供電成本和最大化消納分布式電源出力為目標，確定各個時段的開關狀態的組合、分布式電源出力以及電網的輸入功率，計算公式如下：

目標函數

所述最小化配電網供電成本為：

式中：ccost為電力企業的供電成本，包括從上級電網的購電費用、開關操作費用以及分布式電源的出力成本三部分；t1為按照購電電價劃分的時段數；ek、dk分別為第k個電價時段的電網購電電量和該時段購電的單位電價；n為開關總數；t2為劃分後的時段數；cswitch為開關單次操作費用；si,t為序號為i的開關在時段劃分後第t時段的狀態，si,t＝1表示閉合，si,t＝0表示斷開；ndg為分布式電源的總數；為第g個分布式電源在第t時段的輸出功率；dg為第g個分布式電源單位輸出功率的成本；

所述最大化消納分布式電源出力為：

式中：edg為分布式電源的有功電量總量；t2為劃分後的時段數；ndg為分布式電源的總數；為第g個分布式電源在第t時段的調度輸出功率；δt為第t時段的持續時間；

約束條件

①功率平衡約束

式中：為第t時段電網輸入功率；ndg為分布式電源的總數；為第g個分布 式電源在第t時段的輸出功率；nl為負荷總數目；為第j個負荷點在第t時段的功率預測值；nf為支路總數目；為第k條支路在第t時段的功率損耗；sk,t為第k條支路在第t時段的工作狀態，sk,t＝1表示投入運行，sk,t＝0表示退出運行；

②節點電壓約束

ui_min≤ui≤ui_max(4)

式中：ui_min為節點電壓下限，ui_max為節點電壓上限；

③支路功率約束

式中：為編號為i的支路在第t時段的傳輸功率；為編號為i的支路的最大允許傳輸功率；

④開關動作次數約束

式中：si,t為序號為i的開關在時段劃分後第t時段的狀態；ni,max為序號為i的開關最大動作次數；nmax為所有開關的最大動作次數；

⑤分布式電源出力約束

式中：為第i個分布式電源在第t時段的輸出功率；分別為第i個分布式電源的有功出力的下限和上限；

⑥網絡拓撲約束

網絡拓撲滿足無孤島、無環的輻射狀結構。

優選的，所述步驟(4)中，所述進行日內柔性負荷優化調度包括兩種情況：

a、當負荷波動和分布式電源出力波動的綜合表現為供電能力過剩時，即電網輸入功率和分布式電源輸出功率大於負荷需求時，以電網調度成本最小為目標，對電網中的可轉移負荷和激勵負荷進行優化調度；

b、當負荷波動和分布式電源出力波動的綜合表現為供電能力不足時，即電網輸入功率和分布式電源輸出功率小於負荷需求時，對電網中的可中斷負荷和直接控制負荷進行優化調度：

優選的，所述情況a計算方法如下：

目標函數

式中：cdemand_1為電力過剩時電力企業調度柔性負荷支付的成本，包括可轉移負荷調度成本和激勵負荷調度成本兩部分；t—時段數；ntl為可轉移負荷的數目；為編號為i的可轉移負荷在第t時段的負荷增加量；δt為第t時段的持續時間；αi,t為編號為i的可轉移負荷在第t時段進行負荷轉移的補償率；nel為激勵負荷的數目；為編號為j的激勵負荷在第t時段的負荷增加量；βi,t為編號為j的激勵負荷在第t時段進行負荷增加享受的電價折扣率；為第t時段的基準電價；

約束條件

①功率平衡約束

對任意時刻，有：

式中：—實施可轉移負荷和激勵負荷優化調度前、後的總負荷；—可轉移負荷的轉入負荷量與轉出負荷量；δpel—激勵負荷的負荷增加量；

式中：pgrid為電網的輸入功率；為分布式電源輸出功率之和；為實施負荷優化調度策略後的負荷功率；δploss′為實施負荷優化調度策略後的有功功率損耗；

②功率調整約束

式中：分別為編號為i的可轉移負荷在第t時段的負荷響應量的下限和上限；分別為編號為j的激勵負荷在第t時段的負荷響應量的下限和上限；

③可轉移負荷時間約束

可轉移負荷的負荷轉移時段和持續時間滿足可轉移負荷協議的相關要求。

優選的，所述可轉移負荷和所述激勵負荷都屬於電價敏感性負荷；所述可轉移負荷是指，出於電價考慮，將用電行為從電價較高的時刻轉移至電價較低的時刻，但是該類負荷的用電行為及用電量仍會發生，在一定周期內用電量保持固定；所述激勵負荷是指享受電力公司的折扣電價在特定時段增加用電量的負荷。

優選的，所述情況b計算方法如下：

目標函數

式中：cdemand_2為供電能力不足時電力企業調度柔性負荷支付的成本，包括可中斷負荷調度成本和直接負荷控制成本兩部分；nil為可中斷負荷的數目；為編號為i的可中斷負荷在第t時段的負荷削減量；λi,t為編號為i的可中斷負荷在第t時段進行負荷削減的補償率；ndl為直接控制負荷的數目；為編號為j的直接控制負荷在第t時段的負荷削減量；γj,t為編號為j的直接控制負荷在第t時段進行負荷削減的補償率；δt為第t時段的持續時間；為第t時段的基準電價；

約束條件

①功率平衡約束

對任意時刻，有：

式中：為實施可中斷負荷和直接控制負荷優化調度前、後的總負荷；δpil—可中斷負荷的負荷削減量；δpdl—直接控制負荷的負荷削減量；

式中：pgrid為電網的輸入功率；為分布式電源輸出功率之和；為實施負荷優化調度策略後的負荷功率；δploss″為實施負荷優化調度策略後的有功功率損耗；

②功率調整約束

式中：分別為編號為i的可中斷負荷在第t時段的負荷削減量的下限和上限；分別為編號為j的直接控制負荷在第t時段的負荷響應量的下限和上限；

③負荷中斷時間約束

可中斷負荷的負荷中斷時段和持續時間滿足可中斷負荷協議的相關要求。

優選的，所述直接控制負荷是指電力企業在系統高峰負荷時段利用電力監控和電力信號切斷所需控制負荷與系統的聯繫。

與現有技術相比，本發明的有益效果在於：

本發明綜合網絡重構、分布式電源出力優化、柔性負荷優化調度等多重手段，實現日前和日內不同時間尺度的優化實現源-網-荷的實時功率平衡；

本發明充分發揮柔性負荷的快速響應能力和靈活性，在負荷高峰時期通過可中斷負荷和直接控制負荷的優化調度達到平抑負荷的目的，在負荷低谷時期通過可轉移負荷和激勵負荷的優化調度，最大限度的消納分布式電源出力，提升分布式電源的利用率；

本發明通過源網荷的協調互動，充分發揮分布式電源、柔性負荷對電網的支撐作用，實現潮流的合理分配，可有效降低網損，提升節點電壓水平和電能質量，提升電網運行的經濟性和可靠性。

附圖說明

圖1是本發明提供的考慮源網荷協調互動的主動配電網多時間尺度優化方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明提供一種考慮源網荷協調互動的主動配電網多時間尺度優化方法，通過日前源-網協調優化、日內柔性負荷優化調度兩個階段，綜合網絡重構、分布式 電源機組優化、柔性負荷調度等多種優化手段，最大限度提升配電網對分布式電源的消納能力，達到源網荷功率平衡，實現配電網安全可靠、經濟運行的目的。包括如下步驟：

(1)針對給定的含分布式電源的配電網，結合光照、風力等天氣信息，進行次日24h負荷預測和分布式電源出力預測，常規負荷預測可採用基於相似日的負荷預測法、時間序列預測法、基於混沌理論的負荷預測法等；分布式電源出力預測可採用概率預測法；

(2)考慮開關操作次數約束，對次日24h負荷曲線進行時段劃分，可以按照等時間間隔進行劃分，也可根據負荷水平(峰荷、谷荷、腰荷)進行劃分；

(3)根據負荷曲線分段結果，進行日前多時間段落的源網協調優化：

以最小化配電網供電成本和最大化消納分布式電源出力為目標，確定各個時段的開關狀態的組合、分布式電源出力以及電網的輸入功率。

1)目標函數

電力企業的供電成本為：

式中：ccost—電力企業的供電成本，包括從上級電網的購電費用、開關操作費用以及分布式電源的出力成本三部分；t1—按照購電電價劃分的時段數；ek、dk—第k個電價時段的電網購電電量以及該時段購電的單位電價；n—開關總數；t2—劃分後的時段數；cswitch—開關單次操作費用；si,t—序號為i的開關在時段劃分後第t時段的狀態，si,t＝1表示閉合，si,t＝0表示斷開；ndg—分布式電源的總數；—第g個分布式電源在第t時段的輸出功率；dg—第g個分布式電源單位輸出功率的成本。

電網調度的分布式電源的供電電量為：

式中：edg—分布式電源的有功電量總量；t2—劃分後的時段數；ndg—分布式電源的總數；—第g個分布式電源在第t時段的調度輸出功率；δt—第t時段的持續時間。

2)約束條件

①功率平衡約束

式中：—第t時段電網輸入功率；ndg—分布式電源的總數；—第g個分布式電源在第t時段的輸出功率；nl—負荷總數目；—第j個負荷點在第t時段的功率預測值；nf—支路總數目；—第k條支路在第t時段的功率損耗；sk,t—第k條支路在第t時段的工作狀態，sk,t＝1表示投入運行，sk,t＝0表示退出運行。

②節點電壓約束

ui_min≤ui≤ui_max(4)

式中：ui_min—節點電壓下限，ui_max—節點電壓上限。

③支路功率約束

式中：—編號為i的支路在第t時段的傳輸功率；—編號為i的支路的最大允許傳輸功率。

④開關動作次數約束

式中：si,t—序號為i的開關在時段劃分後第t時段的狀態；ni,max—序號為i的開關最大動作次數；nmax—所有開關的最大動作次數。

⑤分布式電源出力約束

式中：—第i個分布式電源在第t時段的輸出功率；—第i個分布式電源的有功出力的下限和上限。

⑥網絡拓撲約束

網絡拓撲應滿足無孤島、無環的輻射狀結構。

(4)基於日前電網調度計劃和分布式電源出力安排，進行日內柔性負荷優化調度

當負荷波動和分布式電源出力波動的綜合表現為供電能力過剩，即電網輸入功率和分布式電源輸出功率大於負荷需求時，以電網調度成本最小為目標，對電網中的可轉移負荷和激勵負荷進行優化調度：

1)目標函數

式中：cdemand_1—電力過剩時電力企業調度柔性負荷支付的成本，包括可轉移負荷調度成本和激勵負荷調度成本兩部分；t—時段數；ntl—可轉移負荷的數目；—編號為i的可轉移負荷在第t時段的負荷增加量；δt—第t時段的持續時間；αi,t—編號為i的可轉移負荷在第t時段進行負荷轉移的補償率；nel—激勵負荷的數目；—編號為j的激勵負荷在第t時段的負荷增加量；βi,t—編號為j的激勵負荷在第t時段進行負荷增加享受的電價折扣率；—第t時段的基準電價。

可轉移負荷和激勵負荷都屬於電價敏感性負荷。可轉移負荷是指，出於電價考慮，將用電行為從電價較高的時刻轉移至電價較低的時刻，但是該類負荷的用電行為及用電量仍會發生，在一定周期內用電量保持固定；激勵負荷是指享受電力公司的折扣電價在特定時段增加用電量的負荷。

2)約束條件

①功率平衡約束

對任意時刻，有：

式中：—實施可轉移負荷和激勵負荷優化調度前、後的總負荷；—可轉移負荷的轉入負荷量與轉出負荷量；δpel—激勵負荷的負荷增加量。

式中：pgrid—電網的輸入功率；—分布式電源輸出功率之和；—實施負荷優化調度策略後的負荷功率；δploss′—實施負荷優化調度策略後的有功功率損耗。

②功率調整約束

式中：—編號為i的可轉移負荷在第t時段的負荷響應量的下限和上限；—編號為j的激勵負荷在第t時段的負荷響應量的下限和上限。

③可轉移負荷時間約束

可轉移負荷的負荷轉移時段和持續時間應滿足可轉移負荷協議的相關要求。

當負荷波動和分布式電源出力波動的綜合表現為供電能力不足時，即電網輸入功率和分布式電源輸出功率小於負荷需求，對電網中的可中斷負荷和直接控制負荷進行優化調度：

1)目標函數

式中：cdemand_2—供電能力不足時電力企業調度柔性負荷支付的成本，包括可中斷負荷調度成本和直接負荷控制成本兩部分；nil—可中斷負荷的數目；—編號為i的可中斷負荷在第t時段的負荷削減量；λi,t—編號為i的可中斷負荷在第t時段進行負荷削減的補償率；ndl—直接控制負荷的數目；—編號為j的直接控制負荷在第t時段的負荷削減量；γj,t—編號為j的直接控制負荷在第t時段進行負荷削減的補償率；δt—第t時段的持續時間；—第t時段的基準電價。

可中斷負荷的用電行為具有較大的靈活性，用戶與電力公司籤訂可中斷負荷協議，在特定時段削減用電量並且接受電力公司一定的補償，在另外時段不再增加用電量。

直接控制負荷是指電力企業在系統高峰負荷時段利用電力監控和電力信號切斷所需控制負荷與系統的聯繫。

2)約束條件

①功率平衡約束

對任意時刻，有：

式中：—實施可中斷負荷和直接控制負荷優化調度前、後的總負荷；δpil—可中斷負荷的負荷削減量；δpdl—直接控制負荷的負荷削減量。

式中：pgrid—電網的輸入功率；—分布式電源輸出功率之和；—實施負荷優化調度策略後的負荷功率；δploss″—實施負荷優化調度策略後的有功功率損耗。

②功率調整約束

式中：—編號為i的可中斷負荷在第t時段的負荷削減量的下限和上限；—編號為j的直接控制負荷在第t時段的負荷響應量的下限和上限。

③負荷中斷時間約束

可中斷負荷的負荷中斷時段和持續時間應滿足可中斷負荷協議的相關要求。

(5)通過日前的源網協調優化和日內的柔性負荷優化調度，充分利用分布式電源和各種柔性負荷，達到源網荷的實時功率平衡，同時最大限度的消納分布式電源出力，提升分布式電源利用率，實現配電網安全可靠、優質高效運行。

最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。