CN106712114A - 一种考虑环境效益的主动配电网能量分层优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种主动配电网能量分层优化调度方法属于智能配电网领域，特别涉及一种考虑环境因数的主动配电网能量分层优化调度方法。包括步骤：1)将直接参与主动配电网优化调度的分布式单元分为分布式电源单元、分布式储能单元、负荷以及由多微电网组成的微网群，分3层进行优化调度；2)主动配电网调度中心收集汇总各分布式电源、储能装置以及微网群调度中心上报的相关出力信息以及配电网与上级电网的交互电价，结合接入配电网中的负荷，进行第一层优化调度；3)中间层优化以上层优化为基础，为微网群调度中心优化；4)底层优化以中间层优化为基础，为微网群内各微电网的优化调度。

Description

一种考虑环境效益的主动配电网能量分层优化调度方法

技术领域

本发明一种主动配电网能量分层优化调度方法属于智能配电网领域，特别涉及一种考虑环境因数的主动配电网能量分层优化调度方法。

背景技术

当前世界能源消费以化石能源为主，化石能源日趋枯竭、气候环境变化成为威胁人类可持续发展的两大关键问题。为了转变旧的能源生产与消费模式，转变以化石能源为主的能源格局，世界各国都在努力探索新的能源生产和消费模式，寻求多元化的能源供应策略。近年来，以利用清洁能源或可再生能源为主的分布式能源系统得到了快速的发展。这里的清洁能源是指天然气、氢气等污染物排放少的能源，而可再生能源一般指太阳能、风能、潮汐能等能源。这些分布式能源系统大部分以分布式电源的形式接入配电网，就地消纳，与大电网互为补充，进而实现能源结构的调整同时提高系统环境效益。

随着分布式电源在配电网中渗透率的不断升高，对配电网的运行带来了较大的影响，如电能质量的恶化、短路容量的提高、故障处理过程以及保护的难度加大等。同时，分布式电源、可控负荷和大量储能装置的接入，使配电网中各单元的互动进一步增强，配电网逐渐从传统的“被动”模式向“主动”模式转变。应对这一变化，国际大电网会议配电及分布式发电委员会成立专门工作组展开研究，于2008年提出了主动配电网这一概念。

主动配电网的基本定义为：通过灵活的网络拓扑结构来管理潮流，实现对局部的分布式电源进行主动控制和主动管理的配电系统。主动配电网提出的核心目的是为了应对分布式电源的高渗透率，在充分协调配电网中分布式电源、可控负荷和储能装置的前提下，提高电能质量与供电可靠性，通过对配电网进行优化调度，实现能量综合管理。

分布式电源大规模并网会使供电公司的利益受到影响，而在现在电力市场环境下，分布式电源的环境效益也未得到充分重视。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种主动配电网能量分层优化调度方法，是一种考虑环境因数的主动配电网能量分层优化调度方法，综合考虑供电公司的收益和用电过程中的环境效应，在保证主动配电网安全可靠运行的前提下，充分协调主动配电网中分布式电源、可控负荷、储能装置和微电网等分布式单元，综合考虑配电网供电公司和发电环境效益，分别以供电公司收益最大和发电环境效益最大为目标建立模型，利用多目标优化技术，实现充分考虑两方面的主动配电网的能量优化调度。

本发明是采取以下技术方案实现的：

一种考虑环境因数的主动配电网能量分层优化调度方法，包括以下步骤：

步骤一、将接入主动配电网的分布式单元分为分布式发电单元、分布式储能系统、负荷以及由多个微电网组成的微网群，将整个主动配电网的能量优化分为上层、中层和底层三层；

具体的是上层主动配电网调度中心优化调度、中间层微网群调度中心优化调度和底层微电网调度中心优化调度；

步骤二、上层主动配电网调度中心收集汇总各分布式电源、储能装置以及微网群调度中心上报的相关信息以及配电网与上级电网的交互电价，结合接入配电网中的负荷，进行第一层优化调度；

步骤三、中间层微网群调度中心根据上层调度结果，结合微网群内各微电网上报的出力信息，进行微网群内部优化调度，分配微网群内各微电网的出力，完成第二层优化调度；

步骤四、底层微电网控制中心根据步骤三中第二层优化结果，结合微电网内部各微源、负荷等信息，进行优化调度，得到各微源的出力情况，完成底层优化调度。

步骤二中，主动配电网调度中心优化调度分别以配电网供电公司综合收益最大和环境效益最大化建立优化模型，利用多目标优化技术，得到综合考虑供电公司收益以及发电环境效益的优化调度最优解，其中供电公司综合收益由供电公司收入减去供电公司支出得到；供电公司收入包括对配电网负荷的售电收益加上对微网群输入电量所获收益以及购买分布式电源电量得到的政府补贴；供电公司支出包括购买上级电网以及分布式电源电量的支出、配电网线路损耗支出以及从微网群购买电量支出；环境效益等效为配电网用电造成的环境成本进行计算；环境成本包括发电产生的污染物的环境价值和排放污染物所受的罚款，配电网向上级电网购买电量在计算环境成本时，以传统火力发电环境成本处理。

步骤二中，主动配电网采集的相关信息包括分布式光伏电源和分布式风力电源在调度周期内的出力预测曲线，负荷预测曲线，分布式储能装置的荷电状态、额定容量、最大充放电功率，微型燃起轮机、燃料电池和微网群的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线，配电网与上级电网交互电价，配电网与微电网交互电价，其中，微网群的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线视微网群内部各微电网的情况而定，由微网群内部各微电网调度中心上传的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线综合得到。

步骤二中，分布式光伏电源和分布式风力电源出力受环境因素影响较大，采用最大功率跟踪方式运行，不可控，主动配电网调度中心优化调度时，优先考虑分布式光伏电源和分布式风力电源出力，并且将分布式光伏电源和分布式风力电源以清洁能源处理，不产生污染物，微型燃气轮机和燃料电池作为可控分布式电源参与优化调度同时也会排放一定污染物。

步骤三中，微网群依据群内各微电网上报的出力上下限、出力-成本曲线以及出力-污染物排放曲线等信息，结合上层优化结果，以微网群出力成本最低为目标，综合考虑微网群的出力成本以及环境成本建立优化模型，优化过程中采用分布式控制方式，微电网之间允许进行功率交换，但微电网之间的交换电量只用来满足微电网内部负荷。

步骤四中，微电网调度中心依据第二层优化调度结果，结合内部各微源的出力情况、负荷曲线、储能系统状态等信息，以微电网运行成本最低为目标建立优化模型，完成底层优化调度，其中，微电网运行成本同样考虑发电成本和环境成本。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）以供电公司收益最大和发电环境效益最大为目标进行多目标函数优化调度，充分考虑了供电公式在高分布式电源渗透率下的利益以及分布式电源良好的环境效益；（2）整个优化调度过程分为主动配电网调度中心优化调度、微网群调度中心优化调度和微电网调度中心优化调度三层，使主动配电网的能量优化调度变得简单、高效。

附图说明

图1是考虑环境效益的主动配电网分层优化调度流程图。

图2是本发明的多目标粒子群优化算法流程图。

图3是本发明的模拟退火遗传算法流程图。

图1中：1、主动配电网可控电源分类，2、上层配电网调度中心优化，3、中间层微网群优化调度，4、微电网控制中心优化调度。

具体实施方式

本发明所述的一种考虑环境因数的主动配电网能量分层优化调度方法，具体包括一下步骤：

步骤一、结合实际情况，将接入主动配电网的分布式单元分为分布式发电单元、分布式储能系统、负荷以及由多个微电网组成的微网群，将整个主动配电网的能量优化分为三层：上层主动配电网调度中心优化调度，中间层微网群调度中心优化调度，底层微电网调度中心优化调度；

步骤二、主动配电网调度中心收集汇总各分布式电源、储能装置以及微网群调度中心上报的相关信息以及配电网与上级电网的交互电价，结合接入配电网中的负荷，进行第一层优化调度；

步骤三、中间层微网群调度中心根据上层调度结果，结合微网群内各微电网上报的出力信息，进行微网群内部优化调度，分配微网群内各微电网的出力，完成第二层优化调度；

步骤四、底层微电网控制中心根据第二层优化结果，结合微电网内部各微源、负荷等信息，进行优化调度，得到各微源的出力情况，完成底层优化调度。

进一步，步骤二中，配电网调度中心优化调度分别以配电网供电公司综合收益最大和环境效益最大化建立优化模型，利用多目标优化技术，得到综合考虑供电公司收益以及发电环境效益的优化调度最优解，其中供电公司综合收益由收入减去支出得到，供电公司收入包括对配电网负荷的售电收益加上对微网群输入电量所获收益以及购买分布式电源电量得到的政府补贴，供电公司支出包括购买上级电网以及分布式电源电量的支出、配电网线路损耗支出以及从微网群购买电量支出。

以电网公司收益最高的目标函数可以表示为：

(1)

公式(1)中，t 表示调度周期时间段，i 表示配电网节点编号；LD、MG、DG、BSG分别为配电网中负荷、微网群、分布式电源和分布式储能装置的节点编号集合；表示电网公司一个调度周期内的收益。包括两个部分，其一部分为电网公司的售电收益以及从微电网或分布式电源处售电所得的政府补贴；第二部分是电网公司购电支出以及配电网中网损支出。第一部分，和代表t 时间段电网公司对负荷、微网群输送电量的售价。和代表t 时间段电网公司向分布式电源和微电网购电得到的政府补贴单价；、、、分别对应负荷节点、微网群节点、分布式电源以及分布式储能装置节点在t 时间段的功率；、为描述微网群节点源/载特性的状态量，当时，=1，当<0时，，且满足；、与、类似，满足，描述储能装置的充放电状态，当时，，储能装置处于充电状态，相当于负荷，时，，储能装置处于放电状态，相当于电源。第二部分，、、分别为t 时间段电网公司向微网群、分布式电源以及上级电网购电单价；和分别为t 时间段配电网同上级电网的交换功率以及该时间段内的网损。

环境效益等效为配电网用电造成的环境成本进行计算，而环境成本包括发电产生的污染物的环境价值和排放污染物所受的罚款，配电网向上级电网购买电量在计算环境成本时，以传统火力发电环境成本处理。以环境成本最小为优化目标的表达式为：

(2)

公式(2)中，为整个调度时间段内配电网调度产生的总环境成本；、分别为微网群中污染物排放种类和分布式电源排放污染物种类；和分别为微网群和分布式电源在t 时间段产生的污染物排放量；和分别为污染物的环境价值和排放所受的罚款；表达式中第三项是将配电网从上级电网购买的电量的环境成本等效为传统火电厂产生的环境成本得到的，为传统火电厂的污染物排放种类，为t时间段传统电厂的污染物排放量。

为与求最大值相一致，取负号：

(3)

则上层多目标优化调度目标函数为：

(4)

优化调度需考虑的约束条件包括等式约束和不等式约束，其中等式约束条件主要指调度周期每个时间内的各节点的功率平衡：

(5)

公式(5)中，N 为配电网节点总数；、分别为节点在时段电压的实部和虚部； 、 分别为节点与之间的电纳和互电导；为无功功率，与有功功率对应下标的意义相同。

不等式约束节点电压约束、线路潮流约束、分布式电源出力约束、微网群出力约束等：

(6)

公式(6)中，、和分别为节点在时间段的运行电压及其上下限；为配电网与上级电网交换功率的上限；和为分布式电源在时间段的出力上下限；、为微网群在时间段的出力上下限，、为分布式储能装置出力上下限。

进一步，步骤二中，主动配电网采集信息包括分布式光伏电源和分布式风力电源在调度周期内的出力预测曲线，负荷预测曲线，分布式储能装置的荷电状态、额定容量、最大充放电功率，微型燃起轮机、燃料电池和微网群的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线，配电网与上级电网交互电价，配电网与微电网交互电价，其中，微网群的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线视微网群内部各微电网的情况而定，由微网群内部各微电网调度中心上传的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线综合得到。

进一步，步骤二中，分布式光伏电源和分布式风力电源出力受环境因素影响较大，采用最大功率跟踪方式运行，不可控，主动配电网调度中心优化调度时，优先考虑分布式光伏电源和分布式风力电源出力，并且将分布式光伏电源和分布式风力电源以清洁能源处理，不产生污染物，微型燃气轮机和燃料电池作为可控分布式电源参与优化调度同时也会排放一定污染物。

进一步，步骤三中，微网群依据群内各微电网上报的出力上下限、出力-成本曲线以及出力-污染物排放曲线等信息，结合上层优化结果，以微网群出力成本最低为目标，综合考虑微网群的出力成本以及环境成本建立优化模型，优化过程中采用分布式控制方式，微电网之间允许进行功率交换，但微电网之间的交换电量只用来满足微电网内部负荷。

微电网的出力范围与其内部各单元在个时间段的运行状态有关，微电网由风力电源、光伏电源、微型燃气轮机、燃料电池、蓄电池以及负荷组成。由于风力电源和光伏电源以最大功率跟踪方式运行，考虑到微电网内部负荷的情况，微电网在调度周期内各时间段最终的功率范围可能是一个从正到负的动态区间。在不考虑每个时间段内的功率波动的前提下，的范围可以表示为：

(7)

(8)

(9)

公式(7)、(8)、(9)中，和分别为微电网允许功率上下限；C G _i 为微电网i中可控电源（微型燃起轮机、燃料电池等）的集合，和分别为微电网i 内t 时间段可控电源的出力上下限；、、分别为微电网i 内t 时间段光伏电源、风力电源的出力预测值以及负荷预测值；和为蓄电池的输出功率上下限。

可控电源的出力上下限和需要满足爬坡约束：

(10)

(11)

公式(10)、(11)中，、微电源i 的出力上、下爬坡率；为微电网在时间段的输出功率。和同样需要根据蓄电池时间段的运行情况来确定：

(12)

(13)

公式(12)、(13)中为蓄电池的自放电速率；为时间段的蓄电池剩余储存电量；、分别蓄电池充、放电效率；为蓄电池额定容量；、分别为蓄电池最大、最小剩余电量百分比。

进一步，步骤四中，微电网调度中心依据第二层优化调度结果，结合内部各微源的出力情况、负荷曲线、储能系统状态等信息，以微电网运行成本最低为目标建立优化模型，完成底层优化调度，其中，微电网运行成本同样考虑发电成本和环境成本。

以微电网发电成本最小目标函数表达式：

(14)

公式(14)中，表示微电网i 在整个调度周期内的发电成本，在各微源的运行成本中考虑环境成本；为微电网i 中可控微源的数量；为微电源中第j 个可控微源的出力，为对应的出力成本和环境成本；、和、分别为光伏发电、风力发电在t 时间段的发电功率和发电成本；和分别为蓄电池在t 时间段的功率和充放电成本，时，蓄电池放电，时，蓄电池充电。

约束条件同样包含等式约束和不等式约束，其中等式约束有微电网i 的最终优化结果应该使微电网公共连接点的功率满足配电网调度中心分配的出力任务。

(15)

不等式约束包括：

(16)

公式(16)中，为节点i 允许流过的最大功率。、和、分别为微型燃气轮机和燃料电池的出力上、下限。

在微电网优化过程中，对蓄电池的处理较为复杂，蓄电池在t 时间段的充放电功率可以表示为：

(17)

公式(17)中，和分别对应t 时间段和时间段结束时的蓄电池剩余电量，应满足，和分别为蓄电池能量的最低、最高限值；时，蓄电池在t 时间段放电状态，应满足，时，蓄电池处于充电状态，满足，其中和为蓄电池充、放点效率，和分别是蓄电池最大充、放点功率。每个时间段的充放电功率应该满足如下约束：

(18)

要使蓄电池在微网的各个调度周期内能够持续的发挥作用，蓄电池在每个调度周期的首末时间段的蓄电池容量应该相等，即，表示为：

(19)

整个优化过程中，上层优化为多目标函数优化，这里采用多目标粒子群优化算法进行求解，其流程图2所示，多目标优化问题相对与单目标优化问题而言，算法在每次迭代后所得到的最优解可能不止一个而为一组，所以在这里引入一种互不支配关系。由于最优解不止一个，所以在更新全局引导者时，会有不止一个候选点，且这些候选点互不支配，将这些候选点存入外部储备集，当粒子需要更新位置时，从外部储备集中选取全局引导者。而且，外部储备集中的元素还可以作为算法的最终结果输出。

中间层和底层优化调度为单目标优化问题，这里采用一种结合遗传算法和模拟退火算法的混合优化算法进行求解，具体流程图如图3所示。

Claims (6)

1.一种考虑环境效益的主动配电网能量分层优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将接入主动配电网的分布式单元分为分布式发电单元、分布式储能系统、负荷以及由多个微电网组成的微网群，将整个主动配电网的能量优化分为上层、中层和底层三层；具体的是上层主动配电网调度中心优化调度、中间层微网群调度中心优化调度和底层微电网调度中心优化调度；

步骤二、上层主动配电网调度中心收集汇总各分布式电源、储能装置以及微网群调度中心上报的相关信息以及配电网与上级电网的交互电价，结合接入配电网中的负荷，进行第一层优化调度；

步骤三、中间层微网群调度中心根据上层调度结果，结合微网群内各微电网上报的出力信息，进行微网群内部优化调度，分配微网群内各微电网的出力，完成第二层优化调度；

步骤四、底层微电网控制中心根据步骤三中第二层优化结果，结合微电网内部各微源、负荷等信息，进行优化调度，得到各微源的出力情况，完成底层优化调度。

2.根据权利要求1所述的考虑环境效益的主动配电网能量分层优化调度方法，其特征在于：所述步骤二中，主动配电网调度中心优化调度分别以配电网供电公司综合收益最大和环境效益最大化建立优化模型，利用多目标优化技术，得到综合考虑供电公司收益以及发电环境效益的优化调度最优解，其中供电公司综合收益由供电公司收入减去供电公司支出得到；供电公司收入包括对配电网负荷的售电收益加上对微网群输入电量所获收益以及购买分布式电源电量得到的政府补贴；供电公司支出包括购买上级电网以及分布式电源电量的支出、配电网线路损耗支出以及从微网群购买电量支出；环境效益等效为配电网用电造成的环境成本进行计算；环境成本包括发电产生的污染物的环境价值和排放污染物所受的罚款，配电网向上级电网购买电量在计算环境成本时，以传统火力发电环境成本处理。

3.根据权利要求1所述的考虑环境效益的主动配电网能量分层优化调度方法，其特征在于：所述步骤二中，主动配电网采集的相关信息包括分布式光伏电源和分布式风力电源在调度周期内的出力预测曲线，负荷预测曲线，分布式储能装置的荷电状态、额定容量、最大充放电功率，微型燃起轮机、燃料电池和微网群的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线，配电网与上级电网交互电价，配电网与微电网交互电价，其中，微网群的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线视微网群内部各微电网的情况而定，由微网群内部各微电网调度中心上传的出力-成本曲线和出力-污染物排放量曲线综合得到。

4.根据权利要求1所述的考虑环境效益的主动配电网能量分层优化调度方法，其特征在于：所述步骤二中，分布式光伏电源和分布式风力电源出力受环境因素影响较大，采用最大功率跟踪方式运行，不可控，主动配电网调度中心优化调度时，优先考虑分布式光伏电源和分布式风力电源出力，并且将分布式光伏电源和分布式风力电源以清洁能源处理，不产生污染物，微型燃气轮机和燃料电池作为可控分布式电源参与优化调度同时也会排放一定污染物。

5.根据权利要求1所述的考虑环境效益的主动配电网能量分层优化调度方法，其特征在于：所述步骤三中，微网群依据群内各微电网上报的出力上下限、出力-成本曲线以及出力-污染物排放曲线等信息，结合上层优化结果，以微网群出力成本最低为目标，综合考虑微网群的出力成本以及环境成本建立优化模型，优化过程中采用分布式控制方式，微电网之间允许进行功率交换，但微电网之间的交换电量只用来满足微电网内部负荷。

6.根据权利要求1所述的考虑环境效益的主动配电网能量分层优化调度方法，其特征在于：所述步骤四中，微电网调度中心依据第二层优化调度结果，结合内部各微源的出力情况、负荷曲线、储能系统状态等信息，以微电网运行成本最低为目标建立优化模型，完成底层优化调度，其中，微电网运行成本同样考虑发电成本和环境成本。