CN106803677A - 一种基于分布式电源的主动配电网电压管控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及主动配电网电压管控领域，具体公开了一种基于分布式电源的主动配电网电压管控方法及系统。该方法上层利用配电网动态重构的方法，以主动配电网长时间尺度的经济运行为原则，实现主动配电网全局性电压管控；下层以馈线自动调压器与电容器为控制对象，以支路电压水平为优化目标，实现主动配电网局部电压管控；所提电压主动控制双层模型相互协调制定更为全面的电压优化策略，以实现主动配电网的电压主动管控。同时基于上述电压主动控制双层模型，利用二阶锥松弛上层全局性调压模型的潮流约束，并采用库恩塔克KKT条件将电压主动控制双层模型等效转化为单层决策模型，在保证主动配电网调压性能的基础上简化模型求解复杂度，提高算法效率。

Description

一种基于分布式电源的主动配电网电压管控方法及系统

技术领域

本发明涉及主动配电网电压管控领域，具体涉及一种基于分布式电源的主动配电网电压管控方法及系统。

背景技术

目前，在主动配电网电压管控技术方面，大多运用全局性电压优化控制方法，从目标函数、控制变量、调压手段以及SVR与电容器等因素入手对主动配电网的电压控制方法及策略进行了大量有利探讨；但是，全局性的电压优化控制随着清洁能源渗透率的快速增加必然存在以下几方面的问题，一是全局性电压控制策略难以保障局部支路电压水平；二是控制策略难以充分考虑到分散清洁能源的时序波动性对主动配电网电压的影响，失去了对系统电压的主动控制；三是主动配电网中调压方式与SVR与电容器种类丰富，且各有优劣；因此，有学者提出利用电压主动控制双层模型解决高渗透清洁能源接入下主动配电网电压管控问题，但是在建立电压主动控制双层模型时，有的采用单一的配网重构电压主动控制双层模型，没有考虑对主动配电网中SVR与电容器的协调；有的方法针对单一SVR与电容器提出主动配电网分层、分阶段的电压控制框架，没有充分考虑不同调压装置的优劣；针对高渗透清洁能源接入的主动配电网，单一的利用配电网网络灵活性或SVR与电容器都难以充分挖掘主动配电网的电压控制能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种基于分布式电源的主动配电网电压管控方法及系统，该方法兼顾了主动配电网结构灵活性与电压调节资源能力，采用全局优化与局部优化相结合的控制策略，实现了主动配电网电压的主动管控。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于分布式电源的主动配电网电压管控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)模型构建：根据主动配电网中不同调压对象的调压特性，构建控制独立、策略关联的电压主动控制双层模型；所述电压主动控制双层模型包括由主动配电网进行网架重构的上层全局性调压模型和协调支路调压的下层局部支路调压模型；

(2)协调策略：将主动配电网中具有调压能力的支路联络开关由上层全局性调压模型控制，以改善电压的全局性分布状态；将调压资源由下层局部支路调压模型控制，以进一步改善局部电压水平；所述调压资源包括SVR与电容器。

本发明的有益效果是：电压主动控制双层模型分层控制方式可以很好地满足主动配电网电压主动控制的要求，既利用主动配电网灵活的网架结构实现了高渗透清洁能源接入下主动配电网电压全局分布的改善，又利用主动配电网中的多类型SVR与电容器，针对局部馈线支路电压问题进一步提高馈线支路电压水平，此外，本发明所提的电压主动控制双层模型是基于高渗透清洁能源接入主动配电网的实时状态，考虑了分布式电源与负荷的时序波动问题，具有很高的实用性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述步骤(1)的上层全局性调压模型根据主动配电网的上层目标函数、网络拓扑信息、系统潮流约束、节点电压约束、DG约束及拓扑放射性约束，对配电网网络结构进行重构，优化主动配电网中节点电压的分布，所述上层目标函数以主动配电网系统网损最小为目标，以动态网络重构为全局性电压优化手段，主动配电网中馈线支路的联络开关为决策变量，对配电网网络结构进行重构，优化主动配电网中节点电压的分布；当系统网损最小时，此拓扑结构状态下主动配电网全局性电压分布最优；当系统网损不是最小时，则协调支路联络开关进行网络重构，以优化主动配电网电压分布，降低系统网络损耗；

所述上层目标函数：

式中，N为节点总数，Θ_i为节点i的相邻节点的集合，τ_ij为支路ij开关状态，τ_ij＝0表示支路断开，τ_ij＝1表示支路闭合，r_ij为支路ij的电阻，i_ij为流过支路ij的电流，α为惩罚系数，F为下层目标函数；

节点功率平衡约束：

式中，P_DG,i，Q_DG,i分别为DG在节点i的有功、无功，Q_C,i为电容器在节点i的无功补偿量，P_i，Q_j为节点i的有功、无功，Pⁱⁿ _i，Qⁱⁿ _j为节点i的有功、无功注入量；

有功、无功潮流约束：

式中，P_ij，Q_ij分别为支路ij的有功、无功功率，v_i，v_j分别为节点i，节点j的电压幅值，G_ij，B_ij为ij线路电导、电纳；

节点电压约束：

v_i,min≤v_i≤v_i,max

式中，v_imin，v_imax为节点电压上、下限；

DG出力约束：

0≤P_DG,i≤P_DG,i,max

式中，P_DG,,i,max为第i个DG出力上限；

支路功率约束：

|τ_ijP_l|≤P_lmax

式中，P_l为线路l的传输功率，P_lmax为线路l的传输功率上限；

配电网拓扑放射结构约束：

g_k∈G

式中，g_k为重构后的网络拓扑，G为所有可行辐射状拓扑集合；

开关约束

式中，τ_ij0为重构前支路ij开关状态，n_smax为重构允许开关动作的最大次数

所述下层局部支路调压模型根据下层目标函数，以局部支路电压水平为优化目标，以SVR与电容器为控制对象，进一步调节主动配电网节点电压水平；当支路电压水平最优时，SVR与电容器保持当前状态；当支路电压水平不是最优时，则协调SVR与电容器动作，并将SVR的变比值、电容器投切容量优化结果反馈给上层全局性调压模型；

所述下层目标函数：

式中，N_SVR为SVR安装数量，k_s为第s个SVR的变比，v_s,n为第s个SVR的前端引入虚拟节点n的电压幅值，U_j为节点j的理想电压幅值，Δv_j,_max为节点j的最大电压允许偏差；

SVR档位约束：

m_min≤m≤m_max m∈Z

式中，m_min为SVR档位调节下限，m_max为SVR档位调节上限，Z表示整数；

电容器分组投切约束：

Q_C,min≤Q_C≤Q_C,max

式中，Q_C,min为电容器投切容量下限，Q_C,max为电容器投切容量上限，Q_C表示节点无功补偿电容器的投切量。

SVR允许动作次数：

0≤D_n≤D_n,max

式中，D_n为SVR动作次数，D_n,max为SVR允许动作的最大次数。

电容器允许动作次数：

0≤D_C,n≤D_C,n,max

式中，D_C,n为电容器投切次数，D_C,n,max为电容器允许投切的最大次数。

采用上述进一步方案的有益效果是：实现主动配电网中不同利益主体的调压手段与资源基于自身利益的协调控制，SVR与电容器的调压环境基于网络重构后的较优电压分布，能有效降低调压资源的调压成本。

进一步，所述步骤(2)的协调策略，具体包括以下步骤：

(1)上层全局性调压模型获取主动配电网的DG出力状态实时数据信息、节点负荷状态实时数据信息以及配电网系统中电压实时数据信息，并根据各项实时数据信息设定调压协作策略，协调配电网中馈线支路联络开关进行网络重构，并向下层局部支路调压模型传递节点电压信息与无功容量信息；

(2)下层局部支路调压模型获取上层全局性调压模型传递的优化后节点电压信息与无功容量信息，并根据局部馈线支路实时电压状况与调压资源状态，设定SVR与电容器的调压策略，以实现局部馈线支路的电压水平最优化，并向上层全局性调压模型反馈SVR的变比值与电容器投切容量，同时将局部支路电压优化结果的惩罚项引入上层全局性调压模型；

(3)上层全局性调压模型根据接收的SVR的变比值、电容器投切容量和系统网损最小化的决策目标进行决策校验，判断系统电压是否满足主动配电网安全经济运行原则；若满足系统经济安全运行原则，则实现了主动配电网电压的主动管控；否则，则返回上层全局性调压模型重新制定协作策略，以实现主动配电网电压的主动管控。

进一步，所述分布式电源包括高渗透率的光伏发电、风力发电。

进一步，所述下层局部支路调压模型的调压策略为：

若局部支路电压水平最优或达到SVR与电容器可调节的限值，则反馈SVR当前变比值与电容器投切容量给上层全局性调压模型，计算主动配电网此状态下的系统网损目标；

若局部支路电压水平未实现最优调节，且调压资源仍具有一定调压能力，则协调SVR与电容器进一步调节，直至局部电压水平最优或调压资源调压能力极限时为止，并反馈SVR当前变比值与电容器投切容量于上层全局性调压模型，计算主动配电网此状态下的系统网损目标。

采用上述进一步方案的有益效果是：基于主动配电网中分布式电源的出力随机性与波动性制定调压策略，不仅能有效减少配电网中弃风弃光量，同时大大提高了电压协调策略的适应性。

进一步，所述步骤(1)的电压主动控制双层模型简化过程为：所述上层全局性调压模型采用二阶锥松弛算法将上层全局性调压模型中潮流计算简化、近似，在保留潮流方程中的变量和物理关系的同时，将原有潮流方程的非凸非线性约束条件转化为一次线性约束条件；

所述下层局部支路调压模型中馈线支路含SVR与电容器支路，在SVR前端引入虚拟节点，将原有阻抗可变的馈线支路划分为仅包含恒定线路阻抗值的支路与阻抗值与SVR变比相关的支路；

利用KKT条件将下层局部支路调压模型的目标函数与约束条件利用拉格朗日函数转化为上层目标函数的约束条件，将电压主动控制双层模型转化为带平衡约束的单层优化模型，并采用粒子群算法求解。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用二阶锥能有效松弛模型中的潮流约束条件，同时利用KKT条件将双层模型转化为单层模型大大降低了模型的求解难度，提高了结果的收敛性，有助于快速获取最优解。

进一步，所述粒子群算法求解过程为

(1)初始化粒子位置，计算模型目标函数的适应值，初始化粒子历史最优位置及种群最优位置；

(2)根据粒子位置解码得到一个满足拓扑放射约束带重构解；

(3)计算适应度函数，更新粒子历史最优位置及种群最优位置；直至种群中粒子数量达到要求，否则返回步骤(1)；

(4)更新当前种群中粒子的位置及速度,以及主动配电网历史最优状态下的系统网损值；

(5)根据主动配电网中拓扑结构编码规则与粒子状态，随机生成一个主动配电网拓扑结构解集，计算目标函数适应值；若系统网损值已达到重构可调节状态下的最优状态则进入步骤(6)；若网损值未达到最优则返回步骤(4)；

(6)判断主动配电网中各节点电压状态，若全部节点电压安全，则输出结果；若仍存在局部支路电压越限，则进入步骤(7)；

(7)调节SVR档位与电容器投切容量，若局部支路电压水平最优，则输出结果；若SVR与电容器均处于最大调节状态，且局部支路电压水平未实现最优调节，则返回步骤(1)。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用粒子群算法求解模型，模型框架具有很好的拓展性，适应性。

此外，本发明还提供了基于分布式电源的主动配电网电压管控系统，包括控制独立、策略关联的电压主动控制双层模型；所述电压主动控制双层模型包括由主动配电网进行网架重构的上层全局性调压模型和协调支路调压的下层局部支路调压模型；

所述上层全局性调压模型包括状态监测模块、联络开关控制决策模块、信息交互模块和行为模块；

所述状态监测模块，用于获取主动配电网中DG出力状态实时数据信息、节点负荷状态实时数据信息以及配电网系统中电压实时数据信息；

所述联络开关控制决策模块，用于根据状态监测模块获取的各项实时数据信息，控制主动配电网系统中联络开关动作，通过动态网络重构实现主动配电网全局性电压优化；

所述信息交互模块，用于向下层局部支路调压模型传递节点电压信息与无功容量信息和接收下层局部支路调压模型优化决策结果的惩罚项；

所述行为模块，用于根据节点电压主动控制策略调节电压输出；

所述下层局部支路调压模型包括信息交互模块、调压资源监测模块和决策模块；

所述信息交互模块，用于接收上层全局性调压模型传递的节点电压信息与无功容量信息，同时向上层全局性调压模型反馈调压资源监测模块监测的SVR与电容器的工作状态信息及其安全运行约束；

所述调压资源监测模块，用于获取当前时刻支路中SVR与电容器的工作状态信息及其安全运行约束；

所述决策模块，用于根据信息交互模块与调压资源监测模块中获取的主动配电网信息，做出行为决策，以实现下层局部支路调压模型的优化目标。

采用上述进一步方案的有益效果是：不同模块间信息共享但独立决策，这种通讯方式能有效降低对主动配电网通讯压力，提高策略制定效率。

附图说明

图1为本发明的电压主动控制双层模型的结构框图；

图2为本发明上层全局性调压模型工作原理图；

图3为本发明下层局部支路调压模型工作原理图；

图4为本发明的电压主动控制双层模型电压主动控制流程图；

图5为本发明简化后模型求解流程图；

图6为本发明中含SVR与电容器馈线支路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参考图1，图1为本发明的主动配电网电压主动控制双层模型的双层结构框图；该模型包括上层全局性调压模型和下层局部支路调压模型两层控制模型，上层全局性调压模型是以实现全局性电压优化控制的模型，下层局部支路调压模型是以提高局部电压水平的控制模型；

其中，如图2所示，上层全局性调压模型主要由主动配电网状态监测模块、联络开关控制决策模块、信息交互模块、行为模块四个部分组成；模型中的状态监测模块用于获取主动配电网中DG出力状态实时数据信息、节点负荷状态实时数据信息以及配电网系统中电压实时数据信息；联络开关控制决策模块为上层全局性调压模型的核心模块，其主要功能是根据状态监测模块获取的各项实时数据信息，控制主动配电网系统中联络开关动作，通过动态网络重构实现主动配电网全局性电压优化；信息交互模块用于相互传递上层全局性调压模型下层局部支路调压模型优化决策结果；而行为模块则是节点电压主动控制策略的具体实施单元。

其中，如图3所示，下层局部支路调压模型由信息交互模块、SVR与电容器监测模块、决策模块三个部分组成；信息交互模块负责接收来自上层全局性调压模型的全局调压优化结果，同时向上层全局性调压模型反馈下层局部支路调压模型对SVR与电容器的局部控制结果；SVR与电容器监测模块负责获取当前时刻下馈线支路中SVR与电容器的工作状态及其安全运行约束；决策模块根据信息交互模块与SVR与电容器监测模块中获取的主动配电网信息，做出行为决策，以实现下层局部支路调压模型的优化目标。

如图1所示，该模型分为两个层次：上层全局性控制模型，下层区域性控制模型；上层全局性调压模型以全局性优化为目标，其目标函数由系统网损与下层局部馈线支路优化结果的惩罚项构成，包含了系统潮流约束、节点电压约束、DG出力约束以及主动配电网拓扑结构约束，上层全局性调压模型以动态网络重构为全局性电压优化手段，主动配电网中馈线支路的联络开关为决策变量；下层局部支路调压模型以局部馈线支路电压水平为优化目标，基于SVR与电容器安全约束实现局部电压水平优化，下层局部支路调压模型以主动配电网中SVR与电容器为控制对象，调节SVR档位调节、电容器投切容量以进一步改善支路电压水平。

参考图4，图4为采用本发明的主动配电网电压主动控制电压主动控制双层模型进行电压控制的流程图；

在步骤S1中，根据模型控制要求，将主动配电网中具有调压能力的灵活网络结构与SVR与电容器分别由上层全局性调压模型、下层局部支路调压模型控制；

根据本申请的一个实施例，将主动配电网按以下方式划分成由上层全局性调压模型、下层局部支路调压模型组成的控制独立但策略关联的电压主动控制双层模型：

1)主动配电网的网络结构中所有馈线支路的联络开关由上层全局性调压模型控制，成为上层电压主动控制的基本手段；

2)主动配电网中若馈线支路包含SVR与电容器则该馈线支路受下层局部支路调压模型控制。

这种电压主动控制双层模型分层控制方式可以很好地满足主动配电网电压主动控制的要求，既利用主动配电网灵活的网架结构实现了高渗透清洁能源接入下主动配电网电压全局分布的改善，又利用主动配电网中的多类型SVR与电容器，针对局部馈线支路电压问题进一步提高馈线支路电压水平。此外，本发明所提的电压主动控制双层模型是基于高渗透清洁能源接入主动配电网的实时状态，考虑了分布式电源与负荷的时序波动问题，具有很高的实用性。

根据本申请的一个实施例，主动配电网中包含光伏发电、风力发电机、负荷、SVR和电容器。

在步骤S2中，根据上层全局性调压模型中的调压手段设定该层模型的调压协作策略；

根据本申请的一个实施例，在上述模型分层的基础上，模型内电压主动控制的行为决策是基于全局性电压优化目标制定协作策略，该协作策略力求实现主动配电网系统网损最小、含SVR与电容器馈线支路的电压水平最优，例如当高渗透清洁能源出力与负节点荷波动导致当前时刻下主动配电网电压分布不满足系统经济安全运行要求时，则由上层全局性调压模型控制馈线联络开关进行动态网络重构，这种调压手段的优势在于既可以实现主动配电网电压的全局优化，又可以减少主动配电网中分布式电源的弃风弃光量，同时能有效减少调压策略对系统中调压资源的依赖。

在步骤S3中，下层局部支路调压模型获取上层全局性调压模型传递的优化后节点电压信息，并根据局部馈线支路实时电压状况与调压资源状态，设定SVR与电容器的调压策略，以尽可能提高局部馈线支路的电压水平。

根据本申请的一个实施例，在上层全局性调压模型优化策略的基础上，下层局部支路调压模型根据上层全局性调压模型下发的节点电压状态信息，与下层局部支路调压模型所掌握的局部馈线支路上SVR与电容器的状态，再根据下层局部支路调压模型的协作策略和自身状态做出判断，决定各自的控制模式。

下层局部支路调压模型中SVR与电容器调压策略具体如下表所示：

表1SVR与电容器协作策略

该策略既保证了局部馈线支路的电压水平，又充分利用配电网中SVR与电容器的协调配合实现了主动配电网电压的主动控制。

例如：假设某时刻，主动配电网中局部馈线支路电压水平与SVR与电容器的实时状态如下表2所示：

表2主动配电网局部馈线支路的实时情况

元件	运行情况
		节点电压状态	低于系统安全运行要求
无功需求总量	380.8Kvar
		SVR	位于档位6
电容器	接入容量300Kvar

根据表2中局部馈线支路的电压、无功与SVR与电容器的实时情况，下层局部支路调压模型可判定：此时局部馈线支路“节点电压不满足安全运行要求，无功供应不足，SVR与电容器均还具有一定调节容量”，根据上述实时状态制定调节策略，SVR提高调压变比以提高节点电压水平，电容器增加接入容量以补偿无功缺额。

在步骤S4和步骤S5中，上层全局性调压模型判断系统电压是否满足主动配电网安全经济运行原则；当电压主动控制策略满足最优时，实现了高渗透清洁能源接入下主动配电网的电压优化；当电压主动控制策略不满足最优时，则返回上层全局性调压模型重新制定协作策略，以实现高渗透清洁能源接入下主动配电网的电压优化。

根据本申请的一个实施例，当电压主动控制双层模型进行优化时，上层全局性调压模型和下层局部支路调压模型进行交互迭代时计算时间长、求解过程复杂、收敛性差，往往难以得到模型最优解。因此，本发明提出利用二阶锥松弛算法与KKT转换条件对电压主动控制双层模型进行简化。

电压主动控制双层模型简化后的电压主动控制求解过程如图5所示：

(1)初始化粒子位置，计算模型目标函数的适应值，初始化粒子历史最优位置及种群最优位置；

(2)根据粒子位置解码得到一个满足拓扑放射约束带重构解；

(3)计算适应度函数，更新粒子历史最优位置及种群最优位置；直至种群中粒子数量达到要求，否则返回步骤(1)；

(4)更新当前种群中粒子的位置及速度,以及主动配电网历史最优状态下的系统网损值；

(5)根据主动配电网中拓扑结构编码规则与粒子状态，随机生成一个主动配电网拓扑结构解集，计算目标函数适应值；若系统网损值已达到重构可调节状态下的最优状态则进入步骤(6)；若网损值未达到最优则返回步骤(4)；

(6)判断主动配电网中各节点电压状态，若全部节点电压安全，则输出结果；若仍存在局部支路电压越限，则进入步骤(7)；

(7)调节SVR档位与电容器投切容量，若局部支路电压水平最优，则输出结果；若SVR与电容器均处于最大调节状态，且局部支路电压水平未实现最优调节，则返回步骤(1)。

其中，对主动配电网中分布式电源可行性核算是指核算有功功率发出量是否满足潮流安全约束；对拓扑结构可行性核算是指核算当前拓扑状态是否满足反射性拓扑结构要求；对馈线联络开关核算可行性是指核算其动作总次数是否满足开关安全动作约束；

其中，对主动配电网中SVR与电容器核算可行性是指核算其安全容量以及调节次数是否满足安全约束；

其中，向主动配电网系统反馈SVR与电容器状态计算网损目标时，此时含SVR支路模型如图6所示。

主动配电网中含SVR的馈线支路，随着SVR变比的改变，该馈线支路的阻抗值随之改变，考虑到阻抗对系统网损的影响，同时为了简化支路阻抗计算难度，本发明提出引入虚拟节点n，将馈线支路分为只计及线路阻抗的支路i-n，以及电压、阻抗的变化只与SVR变比有关的支路n-j。

引入虚拟节点n后，线路i-n的有功功率、无功功率，电流幅值约束如下式所示：

式中，v_i节点i的电压幅值，v_n节点n的电压幅值，i_in线路电流幅值，r_in线路电阻，x_in线路电抗；

经SVR调压后，节点j处电压改变，电容器组的无功投切量为：

式中，ΔQ_C,j为无功投切量，v_j节点j调压后的电压幅值，v_j,0节点j调压前的电压幅值，X_C为容抗值。

本发明的电压主动管控方法概括为：主动配电网利用其自身网络结构的灵活性，根据各时刻清洁能源出力与节点负荷波动情况采用动态网络重构的手段，及时、快速的改善主动配电网全局性电压分布；随着清洁能源渗透率逐渐增加，网络重构难以保障主动配电网中所有馈线支路的电压水平，当局部馈线支路电压水平难以维持系统安全运行时，局部馈线支路上的SVR与电容器根据SVR与电容器状态以及网络重构后系统运行情况设定馈线支路调压策略，并将决策结果返回上层全局性调压模型，最后由上层全局性调压模型对系统安全经济运行进行统一校验，若满足系统安全经济运行要求，则该策略能实现高渗透清洁能源接入下主动配电网电压的主动管控。

本发明方法实现的主要过程包括建立系统模型与支路模型、提出主动配电网电压管控策略、简化模型求解算法。

本发明在搭建系统模型时，对主动配电网的电压控制从全局控制与局部控制出发，构建兼顾主动配电网网络结构灵活性与SVR与电容器调节能力的电压主动控制双层模型来实现主动配电网电压的主动管控，最大可能的减少主动配电网中的弃风弃光量，同时提高主动配电网的电压水平。

调压手段方面，对于高渗透清洁能源接入下的主动配电网，若单利用主动配电网网络结构的灵活性来调压则必然会牺牲大量清洁能源出力，而完全采用调压装置来实现清洁能源消纳又会大幅增加主动配电网的投资成本，因此，本发明兼顾全局电压优化与局部电压优化的思路，采用动态网络重构与SVR与电容器协调相结合的方法，既可以减少清洁能源丢弃量提高了主动配电网电压水平，又有效控制了主动配电网的投资成本，其具体含义如下：

全局优化：主动配电网利用网络结构的灵活性，对整个系统的电压分布进行优化；系统根据各时刻清洁能源出力与负荷波动，协调馈线支路联络开关进行网络重构，尽可能优化主动配电网电压分布。

局部优化：协调馈线支路上SVR与电容器，进一步优化局部馈线支路电压水平，充分利用主动配电网中的SVR与电容器，配合全局电压优化以实现对主动配电网电压的主动管控性。

模型求解方面：本发明采用二阶锥模型松弛潮流方程，提高算法寻优效率，同时针对电压主动控制双层模型迭代寻优求解难度大，收敛性差且难以获得最优结果，采用KKT转换条件简化电压主动控制双层模型，KKT条件的基本思想是利用电压主动控制双层模型中下层局部支路调压模型的极值点处导数为零的特性对下层局部支路调压模型的目标函数和约束建立拉格朗日函数，求导后转化为约束条件，引入上层全局性调压模型中，将双层优化问题转化为带平衡约束的单层优化问题，使得模型的求解效率高于传统电压主动控制双层模型，大大提高了求解精确度。

本发明涉及主动配电网电压管控领域，具体公开了一种高渗透清洁能源接入下主动配电网电压的主动管控策略及模型，该模型上层利用配电网动态重构的方法，以主动配电网长时间尺度的经济运行为原则，实现主动配电网全局性电压管控；下层以馈线自动调压器(Step Voltage Regulator，SVR)与电容器为控制对象，以支路电压水平为优化目标，实现主动配电网局部电压管控；所提电压主动控制双层模型相互协调制定更为全面的电压优化策略，以实现主动配电网的电压主动管控。同时基于上述电压主动控制双层模型，利用二阶锥松弛上层全局性调压模型的潮流约束，并采用库恩塔克(Karush-Kuhn-Tucker，KKT)条件将电压主动控制双层模型等效转化为单层决策模型，在保证主动配电网调压性能的基础上简化模型求解复杂度，提高算法效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于分布式电源的主动配电网电压管控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)模型构建：根据主动配电网中不同调压对象的调压特性，构建控制独立、策略关联的电压主动控制双层模型；所述电压主动控制双层模型包括由主动配电网进行网架重构的上层全局性调压模型和协调支路调压的下层局部支路调压模型；

(2)协调策略：将主动配电网中具有调压能力的支路联络开关由上层全局性调压模型控制，以改善电压的全局性分布状态；将调压资源由下层局部支路调压模型控制，以进一步改善局部电压水平；所述调压资源包括SVR与电容器。

2.根据权利要求1所述的基于分布式电源的主动配电网电压管控方法，其特征在于，

所述步骤(1)的上层全局性调压模型根据主动配电网的上层目标函数、网络拓扑信息、系统潮流约束、节点电压约束、DG约束及拓扑放射性约束，对配电网网络结构进行重构，优化主动配电网中节点电压的分布，所述上层目标函数以主动配电网系统网损最小为目标，以动态网络重构为全局性电压优化手段，主动配电网中馈线支路的联络开关为决策变量，对配电网网络结构进行重构，优化主动配电网中节点电压的分布；当系统网损最小时，此拓扑结构状态下主动配电网全局性电压分布最优；当系统网损不是最小时，则协调支路联络开关进行网络重构，以优化主动配电网电压分布，降低系统网络损耗；

所述上层目标函数：

$\min f=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j={\mathrm{\Θ}}_i}{\Σ}{\mathrm{\τ}}_{ij}{r}_{ij}{i}_{ij}^2+\mathrm{\α}F$

式中，N为节点总数，Θ_i为节点i的相邻节点的集合，τ_ij为支路ij开关状态，τ_ij＝0表示支路断开，τ_ij＝1表示支路闭合，r_ij为支路ij的电阻，i_ij为流过支路ij的电流，α为惩罚系数，F为下层目标函数；

节点功率平衡约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{DG,i}-P_i=P_i^{in}\\ Q_{DG,i}+Q_{C,i}-Q_i=Q_i^{in}\end{array}\right.$

式中，P_DG,i，Q_DG,i分别为DG在节点i的有功、无功，Q_C,i为电容器在节点i的无功补偿量，P_i，Q_j为节点i的有功、无功，Pⁱⁿ _i，Qⁱⁿ _j为节点i的有功、无功注入量；

有功、无功潮流约束：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{ij}=v_i^2{G}_{ij}-v_i{v}_j(G_{ij}cos{\mathrm{\θ}}_{ij}+B_{ij}sin{\mathrm{\θ}}_{ij})\\ Q_{ij}=-v_i^2{B}_{ij}+v_i{v}_j(G_{ij}sin{\mathrm{\θ}}_{ij}-B_{ij}cos{\mathrm{\θ}}_{ij})\end{array}\right.$

式中，P_ij，Q_ij分别为支路ij的有功、无功功率，v_i，v_j分别为节点i，节点j的电压幅值，G_ij，B_ij为ij线路电导、电纳；

节点电压约束：

v_i,min≤v_i≤v_i,max

式中，v_imin，v_imax为节点电压上、下限；

DG出力约束：

0≤P_DG,i≤P_DG,i,max

式中，P_DG,,i,max为第i个DG出力上限；

支路功率约束：

|τ_ijP_l|≤P_{l max}

式中，P_l为线路l的传输功率，P_{l max}为线路l的传输功率上限；

配电网拓扑放射结构约束：

g_k∈G

式中，g_k为重构后的网络拓扑，G为所有可行辐射状拓扑集合；

开关约束

$\underset{i,j\∈N}{\Σ}|{\mathrm{\τ}}_{ij}-{\mathrm{\τ}}_{ij0}|\≤n_{smax}$

式中，τ_ij0为重构前支路ij开关状态，n_smax为重构允许开关动作的最大次数

所述下层局部支路调压模型根据下层目标函数，以局部支路电压水平为优化目标，以SVR与电容器为控制对象，进一步调节主动配电网节点电压水平；当支路电压水平最优时，SVR与电容器保持当前状态；当支路电压水平不是最优时，则协调SVR与电容器动作，并将SVR的变比值、电容器投切容量优化结果反馈给上层全局性调压模型；

所述下层目标函数：

$\min F=\underset{s=1}{\overset{N_{SVR}}{\Σ}}{\left(\frac{k_s{v}_{s,n}-U_j}{{\mathrm{\Δv}}_{j,\max }}\right)}^2$

式中，N_SVR为SVR安装数量，k_s为第s个SVR的变比，v_s,n为第s个SVR的前端引入虚拟节点n的电压幅值，U_j为节点j的理想电压幅值，Δv_j,max为节点j的最大电压允许偏差；

SVR档位约束：

m_min≤m≤m_max m∈Z

式中，m_min为SVR档位调节下限，m_max为SVR档位调节上限，Z表示整数；

电容器分组投切约束：

Q_C,min≤Q_C≤Q_C,max

式中，Q_C,min为电容器投切容量下限，Q_C,max为电容器投切容量上限，Q_C表示节点无功补偿电容器的投切量。

SVR允许动作次数：

0≤D_n≤D_n,max

式中，D_n为SVR动作次数，D_n,max为SVR允许动作的最大次数。

电容器允许动作次数：

0≤D_C,n≤D_C,n,max

式中，D_C,n为电容器投切次数，D_C,n,max为电容器允许投切的最大次数。

3.根据权利要求1或2所述的基于分布式电源的主动配电网电压管控方法，其特征在于，所述步骤(2)的协调策略，具体包括以下步骤：

(1)上层全局性调压模型获取主动配电网的DG出力状态实时数据信息、节点负荷状态实时数据信息以及配电网系统中电压实时数据信息，并根据各项实时数据信息设定调压协作策略，协调配电网中馈线支路联络开关进行网络重构，并向下层局部支路调压模型传递节点电压信息与无功容量信息；

(2)下层局部支路调压模型获取上层全局性调压模型传递的优化后节点电压信息与无功容量信息，并根据局部馈线支路实时电压状况与调压资源状态，设定SVR与电容器的调压策略，以实现局部馈线支路的电压水平最优化，并向上层全局性调压模型反馈SVR的变比值与电容器投切容量，同时将局部支路电压优化结果的惩罚项引入上层全局性调压模型；

(3)上层全局性调压模型根据接收的SVR的变比值、电容器投切容量和系统网损最小化的决策目标进行决策校验，判断系统电压是否满足主动配电网安全经济运行原则；若满足系统经济安全运行原则，则实现了主动配电网电压的主动管控；否则，则返回上层全局性调压模型重新制定协作策略，以实现主动配电网电压的主动管控。

4.根据权利要求3所述的基于分布式电源的主动配电网电压管控方法，其特征在于，所述下层局部支路调压模型的调压策略为：

若局部支路电压水平最优或达到SVR与电容器可调节的限值，则反馈SVR当前变比值与电容器投切容量给上层全局性调压模型，计算主动配电网此状态下的系统网损目标；

若局部支路电压水平未实现最优调节，且调压资源仍具有一定调压能力，则协调SVR与电容器进一步调节，直至局部电压水平最优或调压资源调压能力极限时为止，并反馈SVR当前变比值与电容器投切容量于上层全局性调压模型，计算主动配电网此状态下的系统网损目标。

5.根据权利要求1所述的基于分布式电源的主动配电网电压管控方法，其特征在于，所述分布式电源包括高渗透率的光伏发电、风力发电。

6.根据权利要求2所述的基于分布式电源的主动配电网电压管控方法，其特征在于，所述步骤(1)的电压主动控制双层模型简化过程为：

所述上层全局性调压模型采用二阶锥松弛算法将上层全局性调压模型中潮流计算简化、近似，在保留潮流方程中的变量和物理关系的同时，将原有潮流方程的非凸非线性约束条件转化为一次线性约束条件；

所述下层局部支路调压模型中馈线支路含SVR与电容器支路，在SVR前端引入虚拟节点，将原有阻抗可变的馈线支路划分为仅包含恒定线路阻抗值的支路与阻抗值与SVR变比相关的支路；

利用KKT条件将下层局部支路调压模型的目标函数与约束条件利用拉格朗日函数转化为上层目标函数的约束条件，将电压主动控制双层模型转化为带平衡约束的单层优化模型，并采用粒子群算法求解。

7.根据权利要求6所述的基于分布式电源的主动配电网电压管控方法，其特征在于，所述粒子群算法求解过程为：

(1)初始化粒子位置，计算上层全局性调压模型目标函数的适应值，初始化粒子历史最优位置及种群最优位置；

(2)根据粒子位置解码得到一个满足拓扑放射约束带重构解；

(3)计算适应度函数，更新粒子历史最优位置及种群最优位置；直至种群中粒子数量达到要求，否则返回步骤(1)；

(4)更新当前种群中粒子的位置及速度,以及主动配电网历史最优状态下的系统网损值；

(5)根据主动配电网中拓扑结构编码规则与粒子状态，随机生成一个主动配电网拓扑结构解集，计算目标函数适应值；若系统网损值已达到重构可调节状态下的最优状态则进入步骤(6)；若网损值未达到最优则返回步骤(4)；

(6)判断主动配电网中各节点电压状态，若全部节点电压安全，则输出结果；若仍存在局部支路电压越限，则进入步骤(7)；

(7)调节SVR档位与电容器投切容量，若局部支路电压水平最优，则输出结果；若SVR与电容器均处于最大调节状态，且局部支路电压水平未实现最优调节，则返回步骤(1)。

8.一种基于分布式电源的主动配电网电压管控系统，其特征在于，包括控制独立、策略关联的电压主动控制双层模型；所述电压主动控制双层模型包括由主动配电网进行网架重构的上层全局性调压模型和协调支路调压的下层局部支路调压模型；

所述上层全局性调压模型包括状态监测模块、联络开关控制决策模块、信息交互模块和行为模块；

所述状态监测模块，用于获取主动配电网中DG出力状态实时数据信息、节点负荷状态实时数据信息以及配电网系统中电压实时数据信息；

所述联络开关控制决策模块，用于根据状态监测模块获取的各项实时数据信息，控制主动配电网系统中联络开关动作，通过动态网络重构实现主动配电网全局性电压优化；

所述信息交互模块，用于向下层局部支路调压模型传递节点电压信息与无功容量信息和接收下层局部支路调压模型优化决策结果的惩罚项；

所述行为模块，用于根据节点电压主动控制策略调节电压输出；

所述下层局部支路调压模型包括信息交互模块、调压资源监测模块和决策模块；

所述信息交互模块，用于接收上层全局性调压模型传递的节点电压信息与无功容量信息，同时向上层全局性调压模型反馈调压资源监测模块监测的SVR与电容器的工作状态信息及其安全运行约束；

所述调压资源监测模块，用于获取当前时刻支路中SVR与电容器的工作状态信息及其安全运行约束；

所述决策模块，用于根据信息交互模块与调压资源监测模块中获取的主动配电网信息，做出行为决策，以实现下层局部支路调压模型的优化目标。