CN103825301B - 一种分布式能源接入主动配电系统的统一接口建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式能源接入主动配电系统的统一接口建模方法，本方法所建模型包含输出接口、输入接口，其中输出接口约定了分布式能源设备及储能装置向控制系统上送的信息，输入接口约定了控制系统向分布式能源设备及储能装置下发的信息及动作流程。本发明主要有以下显著效果：1、建立统一的接口模型，便于主动配电系统控制器采取统一的管理模式，简化控制算法；2、只传输接口信息，减少数据采集量，提高通信效率；3、分布式计算模式，提高计算效率；4、统一的接口，奠定设备即插即用基础。

Description

一种分布式能源接入主动配电系统的统一接口建模方法

技术领域

本发明涉及主动配电系统领域，特别是涉分布式能源以及储能装置接入主动配电系统的统一接口建模，本发明提出一种分布式能源接入主动配电系统的统一接口建模方法。

背景技术

由于分布式能源以及储能装置接入配电网后，配电网已经不是传统的被动配电网了，未来的配电系统是具有灵活结构的可以主动控制和主动管理的配电系统，因此称为主动配电系统。发展主动配电系统的目的是提高对可再生能源的接纳能力、提升配电网资产的利用率、延缓配电网的升级投资，以及提高用户的用电质量和供电可靠性。然而，分布式能源和储能装置种类多样、发电特性各异，当它们接入配电系统之后将增加配电系统的复杂性，使配电网由传统的单电源辐射网络变成一个多源网络，此时，如果没有有效的协调控制，不仅无法达到发展主动配电系统的目的，反而有可能对配电系统产生更多负面影响。

目前的配电系统对接入其中的分布式能源和储能装置多采用全局采集、集中优化的控制方式，该方式将分布式发电设备以及储能装置的信息全部汇集至配电系统的控制器，集中进行负荷预测、能量管理、经济运行等方面的优化。该方式信息传输量大、信息种类繁复、通信周期长、能量管理策略复杂。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种分布式能源接入主动配电系统的统一接口建模方法。该方法以最简的方式对设备进行抽象，建立统一的接口模型，使得主动配电系统对接入其中的分布式能源设备及储能装置可以采取统一的管理、控制方式，在保证各项指标的前提下，极大的简化了信息采集、能量管理、经济运行控制等方面的工作，并为实现设备的即插即用奠定基础。

本发明所采用的技术方案是：

1)、分析提取配电系统对分布式能源及储能装置进行调度、能量管理以及成本控制的信息需求，分析提取设备健康、高效运行的信息需求。其中配电系统对分布式能源及储能装置进行调度、能量管理以及成本控制需要的信息包括：设备当前的状态及实际出力，设备未来一段时间的出力能力、设备出力调节速率、设备的出力成本；考虑让分布式能源发电设备及储能装置健康、高效运行，则需要供能-负荷状态、设备出力计划、出力能力极限及健康状态这一类信息。以上信息均具有普偏性，适用于目前可能接入配电系统的所有分布式能源设备及储能装置。

2)、根据步骤一的信息需求确立能够最简而又完整的提供这些信息的信号量，配电系统对分布式能源及储能装置进行调度、能量管理以及成本控制需要的信息采用信号：设备id、当前有功无功、未来T时间内分辨率为ΔT的有功无功预测值、有功无功调节速率、有功无功出力成本来描述；新能源发电设备及储能装置健康、高效运行需要的信息采用信号：配电系统供能-负荷状态字、未来T时间内分辨率为ΔT的有功无功出力计划、有功无功调节上限、设备健康度、运行控制字来描述。

3)、根据步骤二信号的流向设计模型的输出、输入接口，其中输出接口约定了分布式能源设备及储能装置向控制系统上送的信息，输入接口约定了控制系统向分布式能源设备及储能装置下发的信息及动作流程。所述输出接口表示为：

其中ID表示唯一的设备号，P_n、Q_n分别为设备的当前有功、无功功率；

P_p＝(P_t,P_t+ΔT,P_t+ΔT*2…P_t+ΔT*n)

表示设备从当前时刻t到t+ΔT*n时间段内，分辨率为ΔT的有功功率预测序列；

Q_p＝(Q_t,Q_t+ΔT,Q_t+ΔT*2…Q_t+ΔT*n)

表示设备从当前时刻t到t+ΔT*n时间段内，分辨率为ΔT的无功功率预测序列；

$P_r=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\Δ}t},Q_r=\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}$

分别表示设备的有功、无功调节速率；

P_lim＝(P_min,P_max)，Q_lim＝(Q_min,Q_max)

分别表示设备的有功、无功调节范围，其中P_min＜P_max,Q_min＜Q_max；

C_P,C_Q分别表示设备的有功、无功出力成本；

为机组运行状态字，R_s＝1表示设备正常运行，能够接收功率指令并正确响应，R_s＝2表示设备待机，此时设备有功无功输出都为0，但和馈线保持相连，一旦接收到功率指令便可运行，R_s＝3表示设备停机，和馈线断开，下达功率指令前需要先启动设备；

为机组健康度，H＝1表示设备一切正常，可以优先出力；H＝2表示设备有缺陷，可作为后备电源点运行；H＝3表示设备有严重故障，无法运行；

所述输入接口表示为：

其中D_s表示配电系统的供能-负荷状态字，计算公式如下：

$D_s=\left\{\begin{array}{c}1,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{pi}>L_a;\\ 0,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{pi}\≤L_a;\end{array}\right.$

假设配电系统中共有n台分布式能源设备或储能装置，P_pi是第i台设备的预测功率，L_a是配电系统的总负荷；

P_s＝(P_t,P_t+ΔT,P_t+ΔT*2…P_t+ΔT*n)

表示设备在未来的T时间内，分辨率为ΔT的有功出力计划；

Q_s＝(Q_t,Q_t+ΔT,Q_t+ΔT*2…Q_t+ΔT*n)

表示设备在未来的T时间内，分辨率为ΔT的无功出力计划；

C_w是控制系统下发设备的控制字，取值为：

C_w＝1表示控制系统要求设备转运行状态，并按照设定出力计划发电；C_w＝2表示控制系统要求设备转待机状态，有功无功出力计划均为0，但设备仍然和馈线保持连接，随时准备转入运行态；C_w＝3表示控制系统要求设备停机并和馈线断开。

4)、约定步骤三中分布式能源设备及储能装置输入接口接受到指令后按照以下流程动作：

(1)所述分布式能源设备及储能装置输入接口接收到控制字C_w指令后首先判断C_w和设备健康度H的值，如果C_w＝1且H＜3则启动设备并合出口断路器，然后按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果C_w＝2且H＜3则启动设备并合出口断路器，然后设备出力调节为0，最后将机组运行状态字置为待机态，如果C_w＝3或H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，最后将机组运行状态字置为停机态，如果C_w的值不在定义范围内则报控制字错误信息，设备出力保持不变；

(2)输入接口接收到供能-负荷状态字D_s后首先判断D_s和设备健康度H的值，如果D_s＝1且H＝1则储能装置按照最大充电需求预测功率、分布式能源设备按照最低成本预测出力，如果D_s＝1且H＝2则储能装置按照最小充电需求预测功率、分布式能源设备按照最佳负荷预测出力，如果D_s＝0且H＝1则储能装置按照最大放电能力预测功率、分布式能源设备按照最大发电能力预测出力，如果D_s＝0且H＝2则储能装置按照最安全放电功率预测功率、分布式能源设备按照最佳运行负荷预测出力，如果H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，机组运行状态字置为停机态，如果D_s的值不在定义范围内则报控制字错误信息，设备出力保持不变；

(3)输入接口接收到有功、无功出力计划P_s、Q_s指令后首先判断设备健康度H的值，如果H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，机组运行状态字置为停机态，H＜3的情况下判断机组运行状态字R_s，如果R_s＝3则设备启动并合出口断路器，然后按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果R_s＝2则设备按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果R_s＝1则设备按照出力计划P_s、Q_s出力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、统一的接口便于制订统一的管理模式，简化控制算法。由于所有接入主动配电系统的分布式能源设备和储能装置都采用统一的接口，主动配电系统控制器在对其进行能量优化控制、经济调度时可以采取完全一致的方式，这将大大简化控制算法。

2、减少数据采集量，提高通信效率。本发明涉及的接口将功率预测、设备健康状态判断、发电成本计算等功能分散到分布式能源设备及储能装置自身的CPU中进行计算，只需将少量的计算结果传至主动配电系统控制器，既避免了大量信息的传输，又降低了主动配电系统控制器的计算开销。

3、分布式计算模式，提高计算效率。本发明涉及的接口建模方法将分布式能源设备及储能装置的有功、无功功率预测、设备健康状态、发电成本等信息则交由设备自身进行计算，这种方式和现有的集中计算方式相比一方面降低了配电系统控制器的计算开销，提高了计算效率，另一免方面设备在本地进行功率预测、设备健康状态、发电成本等计算，获取的计算信息更全面、更快键，所得结果也更加准确。

4、统一的接口，便于设备即插即用。由于所有接入主动配电系统的分布式能源设备和储能装置都采用统一的接口，当有设备增减时，不会影响原有的管理控制策略，为设备的即插即用奠定基础。

附图说明

图1为主动配电系统分布式能源及储能装置统一接口示意图；

图2为输入接口控制字C_w处理流程图；

图3为输入接口供能-负荷状态字D_s处理流程图；

图4为输入接口有功、无功出力计划P_s、Q_s处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。本发明提供了一种分布式能源接入主动配电系统的统一接口建模方法，示意图如图1所示。具体步骤如下：

1)、分析提取配电系统对分布式能源及储能装置进行调度、能量管理以及成本控制的信息需求，包括：设备当前的状态及实际出力，设备未来一段时间的出力能力、设备的出力调节速率、设备的出力成本；分析提取分布式能源发电设备及储能装置健康、高效运行的信息需求，包括供能-负荷状态、设备出力计划、出力能力极限及健康状态。

2)、根据步骤一的信息需求确立能够最简而又完整的提供这些信息的信号量，配电系统对分布式能源及储能装置进行调度、能量管理以及成本控制需要的信息采用信号：设备id、当前有功无功、未来T时间内分辨率为ΔT的有功无功预测值、有功无功调节速率、有功无功出力成本来描述；新能源发电设备及储能装置健康、高效运行需要的信息采用信号：配电系统供能-负荷状态字、未来T时间内分辨率为ΔT的有功无功出力计划、有功无功调节上限、设备健康度、运行控制字来描述。

3)、根据步骤二信号的流向设计模型的输出、输入接口，其中输出接口约定了分布式能源设备及储能装置向控制系统上送的信息，输入接口约定了控制系统向分布式能源设备及储能装置下发的信息及动作流程。所述输出接口表示为：

其中ID表示唯一的设备号，P_n、Q_n分别为设备的当前有功、无功功率；

P_p＝(P_t,P_t+ΔT,P_t+ΔT*2…P_t+ΔT*n)

表示设备从当前时刻t到t+ΔT*n时间段内，分辨率为ΔT的有功功率预测序列；

Q_p＝(Q_t,Q_t+ΔT,Q_t+ΔT*2…Q_t+ΔT*n)

表示设备从当前时刻t到t+ΔT*n时间段内，分辨率为ΔT的无功功率预测序列；

$P_r=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\Δ}t},Q_r=\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}$

分别表示设备的有功、无功调节速率；

P_lim＝(P_min,P_max)，Q_lim＝(Q_min,Q_max)

分别表示设备的有功、无功调节范围，其中P_min＜P_max,Q_min＜Q_max；

C_P,C_Q分别表示设备的有功、无功出力成本；

为机组运行状态字，R_s＝1表示设备正常运行，能够接收功率指令并正确响应，R_s＝2表示设备待机，此时设备有功无功输出都为0，但和馈线保持相连，一旦接收到功率指令便可运行，R_s＝3表示设备停机，和馈线断开，下达功率指令前需要先启动设备；

为机组健康度，H＝1表示设备一切正常，可以优先出力；H＝2表示设备有缺陷，可作为后备电源点运行；H＝3表示设备有严重故障，无法运行；

所述输入接口表示为：

其中D_s表示配电系统的供能-负荷状态字，计算公式如下：

$D_s=\left\{\begin{array}{c}1,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{pi}>L_a;\\ 0,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{pi}\≤L_a;\end{array}\right.$

假设配电系统中共有n台分布式能源设备或储能装置，P_pi是第i台设备的预测功率，L_a是配电系统的总负荷；

P_s＝(P_t,P_t+ΔT,P_t+ΔT*2…P_t+ΔT*n)

表示设备在未来的T时间内，分辨率为ΔT的有功出力计划；

Q_s＝(Q_t,Q_t+ΔT,Q_t+ΔT*2…Q_t+ΔT*n)

表示设备在未来的T时间内，分辨率为ΔT的无功出力计划；

C_w是控制系统下发设备的控制字，取值为：

C_w＝1表示控制系统要求设备转运行状态，并按照设定出力计划发电；C_w＝2表示控制系统要求设备转待机状态，有功无功出力计划均为0，但设备仍然和馈线保持连接，随时准备转入运行态；C_w＝3表示控制系统要求设备停机并和馈线断开。

4)、步骤三中分布式能源设备及储能装置输入接口接收到控制字C_w指令后的动作如附图2所示，接收到供能-负荷状态字D_s指令后的动作如附图3所示，接收到有功、无功出力计划P_s、Q_s指令后的动作如附图4所示，具体流程如下：

(1)所述分布式能源设备及储能装置输入接口接收到控制字C_w指令后首先判断C_w和设备健康度H的值，如果C_w＝1且H＜3则启动设备并合出口断路器，然后按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果C_w＝2且H＜3则启动设备并合出口断路器，然后设备出力调节为0，最后将机组运行状态字置为待机态，如果C_w＝3或H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，最后将机组运行状态字置为停机态，如果C_w的值不在定义范围内则报控制字错误信息，设备出力保持不变；

(2)输入接口接收到供能-负荷状态字D_s后首先判断D_s和设备健康度H的值，如果D_s＝1且H＝1则储能装置按照最大充电需求预测功率、分布式能源设备按照最低成本预测出力，如果D_s＝1且H＝2则储能装置按照最小充电需求预测功率、分布式能源设备按照最佳负荷预测出力，如果D_s＝0且H＝1则储能装置按照最大放电能力预测功率、分布式能源设备按照最大发电能力预测出力，如果D_s＝0且H＝2则储能装置按照最安全放电功率预测功率、分布式能源设备按照最佳运行负荷预测出力，如果H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，机组运行状态字置为停机态，如果D_s的值不在定义范围内则报控制字错误信息，设备出力保持不变；

(3)输入接口接收到有功、无功出力计划P_s、Q_s指令后首先判断设备健康度H的值，如果H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，机组运行状态字置为停机态，H＜3的情况下判断机组运行状态字R_s，如果R_s＝3则设备启动并合出口断路器，然后按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果R_s＝2则设备按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果R_s＝1则设备按照出力计划P_s、Q_s出力。

此外，本发明还给出基于所述接口模型的最优控制实例，配网控制系统以有功、无功出力计划P_s、Q_s为决策变量，以权重为k₁的发电成本最小，权重为k₂的设备健康度最佳为目标函数，以功率平衡、调节范围、调节速率、功率预测、健康度为约束条件，建立如下最优规划：

$\min f(P_{si},Q_{si})=\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\right(P_{si}{C}_P+Q_{si}{C}_Q)k_1+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(P_{si}+Q_{si}\left){\mathrm{Hk}}_2\right)$

功率平衡约束：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{si}=L_{Pa};\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_{si}=L_{Qa};\end{array}\right.$

式中L_Pa、L_Qa为有功无功总负荷，调节范围约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{si}\∈P_{\lim };\\ Q_{si}\∈Q_{\lim };\end{array}\right.$

调节速率约束：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{si}\≥P_{Ls};\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_{si}\≥Q_{Ls};\end{array}\right.$

功率预测约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{si}\≤P_p;\\ Q_{si}\≤Q_p;\end{array}\right.$

健康度约束：

H_i≤2

本发明所述方法以最简的方式对接入主动配电系统中的分布式能源设备和储能装置进行抽象，建立统一的接口模型，并且该方法具有普遍性，适用于目前所有能接入配电网的分布式能源设备和储能装置。通过实例可以看出，该模型使得配电系统只需采取简单的最优化控制策略，就能实现对接入其中的分布式能源和储能装置进行满足负荷平衡、最小成本运行、功率预测等要求的最优调度管理，与此同时下达设备出力计划时还兼顾了设备的健康运行需求，有助于延长设备运行寿命。以上实例还可以作很多改进和优化，这里主要是为了帮助阐述本发明，同时也可以反映出本发明能够容易的应用于主动配电系统的管理控制中，具有很好的实用性。

Claims (1)

1.一种分布式能源接入主动配电系统的统一接口建模方法，其特征在于，所建模型包含输出接口、输入接口，其中输出接口约定了分布式能源设备及储能装置向控制系统上送的信息，输入接口约定了控制系统向分布式能源设备及储能装置下发的信息及动作流程；

其中：所述输出接口表示为：

其中ID表示唯一的设备号，P_n、Q_n分别为设备的当前有功、无功功率；

P_p＝(P_t,P_t+ΔT,P_t+ΔT*2…P_t+ΔT*n)

表示设备从当前时刻t到t+ΔT*n时间段内，分辨率为ΔT的有功功率预测序列；

Q_p＝(Q_t,Q_t+ΔT,Q_t+ΔT*2…Q_t+ΔT*n)

表示设备从当前时刻t到t+ΔT*n时间段内，分辨率为ΔT的无功功率预测序列；

$P_r=\frac{\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\Δ}t},Q_r=\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}$

分别表示设备的有功、无功调节速率；

P_lim＝(P_min,P_max)，Q_lim＝(Q_min,Q_max)

分别表示设备的有功、无功调节范围，其中P_min＜P_max,Q_min＜Q_max；

C_P,C_Q分别表示设备的有功、无功出力成本；

为机组运行状态字，R_s＝1表示设备正常运行，能够接收功率指令并正确响应，R_s＝2表示设备待机，此时设备有功无功输出都为0，但和馈线保持相连，一旦接收到功率指令便可运行，R_s＝3表示设备停机，和馈线断开，下达功率指令前需要先启动设备；

为机组健康度，H＝1表示设备一切正常，可以优先出力；H＝2表示设备有缺陷，可作为后备电源点运行；H＝3表示设备有严重故障，无法运行；

所述输入接口表示为：

其中D_s表示配电系统的供能-负荷状态字，计算公式如下：

$D_s=\left\{\begin{array}{c}1,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{pi}>L_a;\\ 0,\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{pi}\≤L_a;\end{array}\right.$

假设配电系统中共有n台分布式能源设备或储能装置，P_pi是第i台设备的预测功率，L_a是配电系统的总负荷；

P_s＝(P_t,P_t+ΔT,P_t+ΔT*2…P_t+ΔT*n)

表示设备在未来的T时间内，分辨率为ΔT的有功出力计划；

Q_s＝(Q_t,Q_t+ΔT,Q_t+ΔT*2…Q_t+ΔT*n)

表示设备在未来的T时间内，分辨率为ΔT的无功出力计划；

C_w是控制系统下发设备的控制字，取值为：

C_w＝1表示控制系统要求设备转运行状态，并按照设定出力计划发电；C_w＝2表示控制系统要求设备转待机状态，有功无功出力计划均为0，但设备仍然和馈线保持连接，随时准备转入运行态；C_w＝3表示控制系统要求设备停机并和馈线断开；

所述动作流程为：

(1)分布式能源设备及储能装置输入接口接收到控制字C_w指令后首先判断C_w和设备健康度H的值，如果C_w＝1且H＜3则启动设备并合出口断路器，然后按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果C_w＝2且H＜3则启动设备并合出口断路器，然后设备出力调节为0，最后将机组运行状态字置为待机态，如果C_w＝3或H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，最后将机组运行状态字置为停机态，如果C_w的值不在定义范围内则报控制字错误信息，设备出力保持不变；

(2)输入接口接收到供能-负荷状态字D_s后首先判断D_s和设备健康度H的值，如果D_s＝1且H＝1则储能装置按照最大充电需求预测功率、分布式能源设备按照最低成本预测出力，如果D_s＝1且H＝2则储能装置按照最小充电需求预测功率、分布式能源设备按照最佳负荷预测出力，如果D_s＝0且H＝1则储能装置按照最大放电能力预测功率、分布式能源设备按照最大发电能力预测出力，如果D_s＝0且H＝2则储能装置按照最安全放电功率预测功率、分布式能源设备按照最佳运行负荷预测出力，如果H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，机组运行状态字置为停机态，如果D_s的值不在定义范围内则报控制字错误信息，设备出力保持不变；

(3)输入接口接收到有功、无功出力计划P_s、Q_s指令后首先判断设备健康度H的值，如果H＝3则设备出力设为0，然后分出口断路器、设备停机，机组运行状态字置为停机态，H＜3的情况下判断机组运行状态字R_s，如果R_s＝3则设备启动并合出口断路器，然后按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果R_s＝2则设备按照出力计划P_s、Q_s出力，最后将机组运行状态字置为运行态，如果R_s＝1则设备按照出力计划P_s、Q_s出力。