CN108206542B - 基于结构紧密度的能源互联网构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构紧密度的虚拟微网构造方法，包括以下步骤：根据配电网络的结构特性，确定配电网络中节点间电气关联的强度；根据节点间电气关联的强度，评价划分的配网子区域的电气结构的关联紧密度；基于电气结构的关联紧密度，将电气结构紧密度强的子区域配置资源构造相应的虚拟微网。本发明提出了配电网络电气关联强度和电气关联矩阵的定义，根据网络局部区域的内部强关联性，划定虚拟微网的边界。以划分的虚拟微网为基础单元，统一协调分布式发电、储能以及微网控制设施的优化部署。

Description

基于结构紧密度的能源互联网构造方法

技术领域

本发明属于能源互联网控制与电气技术领域，具体涉及一种基于结构紧密度的能源互联网构造方法。

背景技术

随着能源互联网概念的提出，建设用户侧能源网络或能源局域网成为发展能源互联网的重要课题，然而，现有配电网的资源配置和运行方式是依据早期的规划建成的，其不能满足能源互联网自由、对等、灵活、自治的目标。因此，建设具有自治、灵活、自由交互等优点的微网被认为是规划能源局域网的合理方式。但是，目前建成的并投入运行的微网少之又少，对于大型配电网络，更加切实可行的方法是将传统配电网建设成具有微网特性的、内部互联的虚拟微网，并以虚拟微网为基础构建能源局域网。

能源局域网建设的核心问题便是对能源局域网的边界进行界定。已有的研究往往将分布式发电等资源作为给定条件，根据潮流和电压等状态量界定能源局域网的边界。然而，在现有配电网中，可再生能源分布式发电、储能等设备并没有大规模地接入和使用，因此，基于状态的界定方法具有很大的不确定性，同时也丧失了对这些资源配置进行合理规划的机遇。实际上，状态是由结构和配置共同决定的，当配置没有确定时，结构是决定其未来状态的根本因素。因此，结合实际情况，能源局域网的规划应该以分析电网的结构特性为基础，实现每个能源局域网内部具有较强的电气关联聚合性，而各个能源局域网之间的电气关联相对较弱的目标。

根据能源互联网的建设目标，在能源局域网规划的初期，应该尽可能地提供多种设计方案，使其尽可能地满足未来自由、灵活等特点。目前，尚未有人以电网结构特性为基础，提出能源局域网的构造方案。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供一种基于结构紧密度的能源互联网构造方法，提出了配电网络电气关联强度和电气关联矩阵的定义，根据网络局部区域的内部强关联性，划定虚拟微网的边界。以划分的虚拟微网为基础单元，统一协调分布式发电、储能以及微网控制设施的优化部署。

本发明的技术方案是：

一种基于结构紧密度的虚拟微网构造方法，包括以下步骤：

S01：根据配电网络的结构特性，确定配电网络中节点间电气关联的强度；

S02：根据节点间电气关联的强度，评价划分的配网子区域的电气结构的关联紧密度；

S03：基于电气结构的关联紧密度，将电气结构紧密度强的子区域配置资源构造相应的虚拟微网。

优选的，所述步骤S01中对节点间电气关联的强度进行量化，选取两节点间的结构参数，通过复合权重整合多个所选取的结构参数，以复合权重作为电气关联强度的量化指标。

优选的，根据电气关联强度的量化指标，构成配电网络的电气关联强度矩阵。

优选的，所述步骤S03中，将所有任意两个节点之间的平均电气关联强度不小于设定临界参数的配网子区域作为电气结构紧密度强的子区域。

优选的，在步骤S03中，在虚拟微网的边界节点处安装可控开关，所述虚拟微网满足以下要求：

a.当边界开关闭合时，该区域做为虚拟微网并网运行，向主网呈现出单一可控状态；

b.当边界开关开断时，该区域作为微网孤岛运行，利用自身电源供给内部负荷；

c.当所有虚拟微网解列孤岛运行时，可通过依次闭合各微网边界开关，逐步恢复全网的并网运行。

本发明还公开了一种能源互联网框架，包括物理交互层、信息交互层和社会经济交互层，所述物理交互层以虚拟微网为基础整合其它能源设施；

在信息交互层，与所划分虚拟微网对应部署信息采集以及控制网络，形成对应的信息局域网，并通过互联网形成彼此交互信息和控制指令的广域通信网络；

在社会经济交互层，与虚拟微网对应构建相应的管理控制组织机构形成集成代理商，所述集成代理商以物理交互层可支持的能量交互为基础，以信息层提供的信息交互为依据，通过彼此协调形成交互决策。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明提出了配电网络电气关联强度和电气关联矩阵的定义，根据网络局部区域的内部强关联性，划定虚拟微网的边界。以划分的虚拟微网为基础单元，统一协调分布式发电、储能以及微网控制设施的优化部署。对传统配电网进行改造与规划，提高配电网的灵活性、自愈性，以便适应未来能源互联网的功能与需求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明基于虚拟微网和扩展CPS的能源互联网规划示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

本发明首先提出了电气关联强度和电气关联矩阵的定义，在此基础上，提出区域紧密度的概念。

1.电气关联强度及电气关联矩阵

为了描述节点间电气联系的大小，取节点间电气距离(阻抗)和有效传输容量这两个特征量的复合权重来定义任意两个节点v和节点w间的等效电气关联强度：

其中，Z_vw表示节点v和节点w之间的等效电气距离(阻抗)，C_vw表示节点v和节点w之间的有效传输容量。

和

为对应的全网平均值。其物理含义为，两节点间的电气距离越小，其传输损耗越小；两节点间传输容量越大，其可传输的最大功率越大。因此，若两节点间的电气距离越小，传输容量越大，则其电气关联强度越大。

由此，基于两点间电气关联强度的定义，对于一个给定的电网G，可以得到描述其电气结构特性的电气关联强度矩阵A，其第v行第w列的元素为：

即代表矩阵中的元素。与传统的邻接矩阵的定义不同，该矩阵中的所有非对角元素都是非零元素，因为任意两节点间的电气关联强度都不为零。

2.区域紧密度

根据电气关联强度的定义，对于一个给定划分的配网子区域C，假设其内部节点总数为m。则其内部聚合紧密度的评价标准为：

其中η为根据现场实践规定的临界参数。

其物理含义为所划分的配网子区域内，任意两个节点之间的平均电气关联强度不小于指定的临界参数，也就意味着其内部聚合紧密度达到指定的要求。该区域在电网运行中即可呈现出较强的对外单一可控的特征。

3.结构性虚拟微网

根据前述方法确定的强聚合子区域，根据其现有内部资源状况，按照传统微网构造的方法配置必要的分布式电源、储能、电力电子控制设备等资源，在其边界节点处安装可控开关。使其达到以下要求：

a.当边界开关闭合时，该区域做为虚拟微网并网运行，向主网呈现出单一可控状态，如与主网交换功率恒定等；

b.当边界开关开断时，该区域可作为微网孤岛运行，利用自身电源供给主要或全部内部负荷；

c.当所有虚拟微网解列孤岛运行时，可通过依次闭合各微网边界开关，逐步恢复全网的并网运行。

4.基于物理、信息和社会经济交互三层框架的能源互联网构造

图1是基于虚拟微网和扩展CPS(Cyber Physical and Socioeconomic)框架规划能源互联网的示意图。

在物理层，首先基于传统配电网的网络结构，根据网络局部区域的内部强关联性，划定虚拟微网的边界。以划分的虚拟微网为基础单元，统一协调分布式发电、储能以及微网控制设施的优化部署。

具体步骤如下：

对于给定的传统配电网络，根据其结构参数确定所有线路的阻抗和传输容量等参数。

根据所获参数，计算全网络的电气关联强度矩阵；根据现场实际需求确定紧密度临界参数η。

依据电网原始结构，采用手动或自动识别方法将全配电网划分成若干子区域，并校核所有子区域内部聚合紧密度是否高于参数η。如果不满足，则重新调整划分方案，或者调整η，或者对网络采取优化改造以满足要求。

根据划定的子网区域，根据各区域不同的条件特征，分别配置资源构造相应的虚拟微网。概括为以下情况：

a.为确保每个虚拟微网的孤岛运行能力，要确保其可控电源(小型燃气机组、生物发电机组或储能设备)占比不小于指定参数；

b.电源容量与负荷总量相匹配，最大限度的满足微网内自供应需求，或在紧急情况下减少甩负荷量；

c.要充分考虑可再生能源发电受时间、天气、季节等因素的影响，合理配置虚拟微网内资源。

d.根据现场具体控制需求，配置必要的电力电子可控器件，使虚拟微网具备相应的控制能力。

由于能源互联网可集成多种类型的能源，也可以虚拟微网为基础进一步整合其它能源设施。

在信息层，与所划分虚拟微网对应部署信息采集以及控制网络,形成对应的信息局域网,并进一步通过互联网形成彼此交互信息和控制指令的广域通信网络。

在社会经济交互层,与以往电动汽车或负荷集成商类似,可以虚拟微网对应构建相应的管理控制组织机构,形成集成代理商。集成代理商以物理层可支持的可行的能量交互为基础，以信息层提供的信息交互为依据，通过彼此协调形成交互决策。

在控制层面，可分配多智能体(Multi-agent)系统，每一个虚拟微网对应的集成代理商有一个相应的agent代理。各agent之间通过信息网络交互信息和控制策略。此外，对应于全能源互联网可设置一个总协调agent负责全网络协调，以确保在满足各agent需求的同时，保证全网具有可行且可靠安全的运行解。通过物理、信息和社会经济交互三层的协调运作，从而实现虚拟微网作为能源局域网具有可预测、可控制、可调度的特性，从而实现能源互联网相对于传统电网的全新运行模式。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种基于结构紧密度的虚拟微网构造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：根据配电网络的结构特性，确定配电网络中节点间电气关联的强度；选取节点间电气距离和有效传输容量两个特征量的复合权重作为任意两个节点v和节点w间的等效电气关联强度：

其中，Z_vw表示节点v和节点w之间的等效电气距离，C_vw表示节点v和节点w之间的有效传输容量，

和

为对应的全网平均值；

S02：根据节点间电气关联的强度，评价划分的配网子区域的电气结构的关联紧密度；基于两点间电气关联强度的定义，对于一个给定的电网G，得到描述电网G的电气结构特性的电气关联强度矩阵A，电气关联强度矩阵A中第v行第w列的元素为：

代表矩阵中的元素；电气关联强度矩阵A中的所有非对角元素都是非零元素；

根据电气关联强度的定义，对于一个给定划分的配网子区域C，假设配网子区域C的内部节点总数为m，则内部聚合紧密度的评价标准为：

其中η为根据现场实践规定的临界参数；

S03：基于电气结构的关联紧密度，将电气结构紧密度强的子区域配置资源构造相应的虚拟微网。

2.根据权利要求1所述的基于结构紧密度的虚拟微网构造方法，其特征在于，所述步骤S01中对节点间电气关联的强度进行量化，选取两节点间的结构参数，通过复合权重整合多个所选取的结构参数，以复合权重作为电气关联强度的量化指标。

3.根据权利要求2所述的基于结构紧密度的虚拟微网构造方法，其特征在于，根据电气关联强度的量化指标，构成配电网络的电气关联强度矩阵。

4.根据权利要求1所述的基于结构紧密度的虚拟微网构造方法，其特征在于，所述步骤S03中，将所有任意两个节点之间的平均电气关联强度不小于设定临界参数的配网子区域作为电气结构紧密度强的子区域。

5.根据权利要求1所述的基于结构紧密度的虚拟微网构造方法，其特征在于，在步骤S03中，在虚拟微网的边界节点处安装可控开关，所述虚拟微网满足以下要求：

a.当边界开关闭合时，该区域做为虚拟微网并网运行，向主网呈现出单一可控状态；

b.当边界开关开断时，该区域作为微网孤岛运行，利用自身电源供给内部负荷；

c.当所有虚拟微网解列孤岛运行时，可通过依次闭合各微网边界开关，逐步恢复全网的并网运行。

6.一种能源互联网框架，其特征在于，包括物理交互层、信息交互层和社会经济交互层，所述物理交互层以权利要求1-5任一项所述的方法构造的虚拟微网为基础整合其它能源设施；

在信息交互层，与所划分虚拟微网对应部署信息采集以及控制网络，形成对应的信息局域网，并通过互联网形成彼此交互信息和控制指令的广域通信网络；

在社会经济交互层，与虚拟微网对应构建相应的管理控制组织机构形成集成代理商，所述集成代理商以物理交互层可支持的能量交互为基础，以信息层提供的信息交互为依据，通过彼此协调形成交互决策。

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