CN108599157B - 一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法，属于电力系统安全经济运行技术领域，包括利用价格弹性系数进行配电网电价型需求响应建模；确定交直流混合配电网优化调度的目标函数；确定交流配电网约束条件；确定直流配电网约束条件；确定VSC换流站约束条件；判断所有约束条件是否都为线性化约束条件；模型中存在非线性化约束条件则将非线性约束进行二阶锥松弛及线性转化并返回上一步。本发明在输配分离的电力市场环境下，实现确保系统安全运行的同时最大化配电网主体的总收益；采用二阶锥松弛和线性化技术将交直流混合配电网非线性化问题转化为混合整数二阶锥凸优化问题，以快速求解，便于在实际电力系统中应用。

Description

一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法

技术领域

本发明属于电力系统安全经济运行技术领域，特别是涉及到一种电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法。

背景技术

电力负荷的增长、环境问题的凸显以及电力市场的开放等因素，促使电力系统向着更加高效、可持续和智能的方向快速发展。在这样的形势下，主动配电网技术应运而生。利用柔性直流技术，构建交直流混合的主动配电网，是主动配电网技术未来的发展方向。交直流混合配电网中的柔性互联装置可以灵活地控制系统潮流，实现多区域间的负荷转移及广域潮流范围内的能量调度，优化配电网的供电方式。随着分布式发电(distributedgeneration，DG)技术及电力电子技术的发展，直流配电网已在诸多方面具备一定的经济与技术优势。交直流混合配电网是未来智能配电网的一种重要形式，其关键技术之一是以优化调度策略为核心的能量管理技术。

输配分离的电力市场实时电价政策将使配电网主体不得不考虑如何降低其从上级电网购电的成本。在电力市场中，需求响应(demand response，DR)资源将可以根据不同时期的电价水平或激励措施响应系统运行状态的变化，调整用电需求，主动改变用电方式，最终实现用户用电成本的降低和系统可靠性的提高。随着智能电网和电力市场改革的发展，DR资源参与配电网的调度运行将成为保持配电网电力供需平衡的有效手段。

目前，国内外学者对于考虑电价型需求响应的配电网优化调度展开了广泛的研究，但都局限于传统交流配电网、微电网及输电网。随着柔性直流技术的发展，研究DR资源参与交直流混合微电网的优化运行具有重要意义。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法，在输配分离的电力市场环境下，实现确保系统安全运行的同时最大化配电网主体的总收益；同时，采用二阶锥松弛和线性化技术将交直流混合配电网非线性化问题转化为混合整数二阶锥凸优化问题，以快速求解，便于在实际电力系统中应用，是一种科学合理、适用性强以及可靠性高的方法。

一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法，其特征是：包括以下步骤，以下步骤公式中字母和符号的含义为：

为时刻t节点电流i的有功负荷预测值，

为时刻t节点电流i的无功负荷预测值，

为需求响应DR实施后时刻t节点电流i的有功负荷，

为DR实施后时刻t节点电流i的无功负荷，α_kt为电价档位的标识，η_kt为时刻t档位k下的负荷响应率，K为电价的分档数，Ω^L为交直流配电网内的交直流负荷节点集合，Γ为交流配电网的关口数集合，

为时刻t从上级电网的购电价，

为时刻t向上级电网的售电价，c_kt为时刻t档位k下向用户的售电价，

为时刻t关口j向上级电网的购电量，

为时刻t关口j向上级电网的售电量，P_ijt为节点i流向节点j的三相有功功率，Q_ijt为节点i流向节点j的三相无功功率，

为节点j处三相负荷的有功功率，

为节点j处三相负荷的无功功率，

为节点j处分布式电源DG的有功功率，

为节点j处DG的无功功率，

为节点j处储能系统ESS的充电功率，V_it为节点i的三相电压幅值，r_ij为支路ij的三相电阻，x_ij为支路ij的三相电抗，u(j)为以j为末端节点的支路首端节点集合，v(j)为以j为首端节点的支路末端节点集合，下角标t代表时刻，N^dc为直流网络节点集合，

为直流支路ij的载流量上限值，

为时刻t直流支路ij流过的有功功率，

为直流网络节点导纳矩阵中对应节点i和j的元素值，

为节点j处ESS的放电功率，

为节点j处ESS的充电功率，

为节点i处的换流站模型VSC输入的单相有功功率，

为节点i处的换流站模型VSC输入的输出的直流功率，

为节点i处的VSC输入的直流电压，

为节点i处的直流电压，M_it为时刻t节点i处的VSC换流站的调制度，μ为直流电压利用率，

为时刻t换流站i的无功功率，

为换流站i的无功调节上限，

为换流站i的载流量上限，V^ref为参考电压，

为支路ij的最大载流量限值，ε为节点电压允许偏差量；

步骤一、对配电网电价型需求响应建模

电价型需求响应模型中，电网电价与用户用电量成反比，得到电价型需求响应实施后配电网的有功、无功负荷为：

步骤二、建立交直流混合配电网优化调度的目标函数

交直流混合配电网优化调度的目标函数根据电力市场的实时电价，将配电网主体总收益取最大值，得到：

步骤三、构建交流配电网支路潮流模型，确定交流配电网约束条件

三相平衡交流配电系统，配电网支路潮流模型为：

其中，P_jkt为t时刻节点j流向节点k的有功功率，Q_jkt为t时刻节点j流向节点k的无功功率，V_jt为t时刻节点j的三相电压幅值；

交流配电网约束条件包括对用户用电量的约束，用户电费支出的约束，关口功率限制约束，分布式电源DG运行约束，节点电压安全约束，线路载流量约束，储能系统ESS运行约束以及交流配电网三相支路潮流约束；

步骤四、确定直流配电网约束条件

包括直流网络节点潮流约束，

其中，

为t时刻节点j的直流电压；

直流线路载流量约束，

步骤五、确定电压源型换流器VSC换流站约束条件

包括VSC换流站内部损耗约束，VSC换流站的内部损耗与阻抗Z^VSC等效，与所述步骤三中配电网支路潮流模型等效，且输入VSC的三相有功功率与VSC输出的直流功率相等，

VSC换流站电压关系约束，VSC输入的相电压与输出的直流电压的数学模型关系为：

换流站载流量约束，

换流站无功调节量约束，

步骤六、判断优化调度模型中步骤三、步骤四以及步骤五中的约束条件是否均为线性化约束条件；

步骤三～步骤五中的约束条件均为线性约束条件，电网优化调度结束；步骤三～骤五中的约束条件存在非线性约束条件，进入下一步线性转化；

步骤七、交直流混合配电网优化调度模型中的非线性约束的二阶锥松弛及线性转化

包括对VSC换流站内部损耗约束进行二阶锥松弛转化，对交流配电网支路载流量约束进行线性化转化以及对VSC换流站载流量约束进行线性化转化。

所述步骤三中节点电压安全约束为，

式中，V^ref为参考电压，ε为节点电压允许偏差量，V_it为节点i的三相电压幅值。

所述步骤七中对交流配电网支路载流量约束进行线性化转化采用正方形约束，转化为线性约束为，

式中，

为支路ij的最大载流量限值，P_ijt为节点i流向节点j的三相有功功率，Q_ijt为节点i流向节点j的三相无功功率。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法，通过将电价型需求响应应用到交直流混合配电网优化调度中，使交直流混合配电网在安全运行的同时实现主体收益的最大化，并将交直流混合配电网中非线性化约束条件进行二阶锥松弛及线性转化，以能快速进行求解，便于在实际电力系统中应用。具有科学合理，适用性强，可靠性高，效果佳的优点。

本发明在保证预测估计精度的前提下，使状态估计器在复杂节点和大规模量测样本存在的条件下，能够在低维度的样本数据上进行模型训练，大大降低了状态估计器进行预测估计的训练时间开销；同时由于利用了系统历史积累的大规模量测数据，能够更好的得到状态量的历史变化规律，进而很好满足系统状态估计中对于精度和实时性的要求。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法流程示意框图。

图2为本发明一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法交直流混合配电网拓扑结构示意图。

图3为本发明一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法VSC换流站模型示意图。

图4为本发明一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法二次圆约束线性化方法示意图。

图5为本发明一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法交流配电网关口有功功率曲线图。

图6为本发明一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法VSC换流站有功功率曲线图。

具体实施方式

一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法，如图1所示，包括以下步骤，

步骤1:利用价格弹性系数进行配电网电价型需求响应建模；

步骤2：确定交直流混合配电网优化调度的目标函数；

步骤3：构建交流配电网支路潮流模型，确定交流配电网约束条件；

步骤4：确定直流配电网约束条件；

步骤5：根据电压源型换流器(voltage source converter，VSC)换流站模型确定VSC换流站约束条件；

步骤6：判断优化调度模型中所有约束条件是否都为线性化约束条件；

步骤7：若模型中存在非线性化约束条件则将非线性约束进行二阶锥松弛及线性转化并返回步骤6；若全部约束条件都已线性化则结束流程。

其中所述步骤三中构建交流配电网支路潮流模型，确定交流配电网约束条件；具体说明如下，对于图2中的辐射型交流配电网区域，假设交流配电系统三相平衡，则其支路潮流模型为：

式中：P_ijt、Q_ijt为节点i流向节点j的三相有功、无功功率，

为节点j处三相负荷的有功、无功功率，

为节点j处DG的有功、无功功率，

为节点j处储能系统(energy storage system，ESS)的放电、充电功率，V_it为节点i的三相电压幅值，rij、x_ij为支路ij的三相电阻和电抗，u(j)为以j为末端节点的支路首端节点集合，v(j)为以j为首端节点的支路末端节点集合，公式下角标t代表时刻。

交流配电网约束条件规定如下：

用户用电量约束：此约束用以保证当需求响应措施实施后，用户的总用电量不能减少。

用户电费支出约束：此约束用以保证当需求响应措施实施后，用户的总电费支出不能增加。

关口功率限制约束：为了抑制有源配电网的功率波动对上级电网的影响，需要限制交流配电网根节点的关口交换功率。

其中，

为时刻t关口i向上级电网的购电量，

为时刻t关口i向上级电网的售电量；

DG运行约束：

节点电压安全约束：

线路载流量约束：

ESS运行约束：

交流配电网三相支路潮流约束：

公式(1)～公式(7)

式中：c⁰为交直流配电网主体向用户的原始售电价，ε为节点电压允许偏差量，

为关口i与上级电网交换的有功、无功功率，

为关口i与上级电网交换的有功、无功功率限值，

为01状态标识，

为节点i处DG的最大出力，

为功率因数角，V^ref为参考电压，

为支路ij的最大载流量限值，η^ES,ch、η^ES,dis为ESS充电、放电效率，

为节点i处ESS的最大放电、充电功率，E_i、

为节点i处ESS的最小、最大电量限值，E_it为时刻t节点i处ESS的电量。

所述步骤四中，确定直流配电网约束条件。具体说明如下：

直流网络节点潮流约束:

直流线路载流量约束:

式中：N^dc为直流网络节点集合，

为直流支路ij的载流量上限值，

为时刻t直流支路ij流过的有功功率，

为直流网络节点导纳矩阵中对应节点i和j的元素值。

对交流配电网支路潮流约束条件中的非线性约束条件进行二阶锥松弛转化。具体说明如下：

考虑到由约束(1)～(3)表示的交流配电网支路潮流的非凸性，难以获得最优解，且求解效率不高，可以采用二阶锥松弛技术对其松弛。为此，定义新变量节点电压幅值的平方U_i和支路电流幅值的平方L_ij

在满足目标函数L_ij的严格增函数及节点负荷无上界等条件下，可将式(19)变形为：

然后将上式写成标准二阶锥的形式为：

因此，支路潮流约束(1)～(3)可变形为：

其中，U_jt为节点j电压幅值的平方。

所述步骤五中，确定VSC换流站约束条件。具体说明如下：

(1)VSC换流站内部损耗约束：由图3可知，VSC换流站的内部损耗可以由阻抗Z^VSC进行等效，即可由支路潮流模型式(1)～(3)进行等效处理，且输入VSC的三相有功功率与VSC输出的直流功率相等，即

(2)VSC换流站电压关系约束：VSC输入的相电压与输出的直流电压满足的关系为：

式中：

为节点i处的VSC输入的单相有功功率、输出的直流功率，

为节点i处的VSC输入的基波相电压、输出的直流电压，M_it为时刻t节点i处的VSC换流站的调制度，μ为直流电压利用率。

当采用SPWM调制方式时，μ＝0.866。因此式(24)可以等效为如下线性约束。

(3)换流站载流量约束

(4)换流站无功调节量约束

式中：

为时刻t换流站i的无功功率，

为换流站i的无功调节上限，

为换流站i的载流量上限。

对VSC换流站内部损耗约束进行二阶锥松弛转化。具体说明如下：

由于VSC换流站内部损耗约束可由交直流混合配电网支路潮流模型等效处理，因此VSC换流站内部损耗约束的二阶锥松弛转化与对交流配电网支路潮流约束条件中的非线性约束条件进行二阶锥松弛转化相同。

对交流配电网支路载流量约束进行线性化转化。具体说明如下：

由于交流配电网支路载流量约束属于二次圆约束，从图4中可以看出使用的正方形约束越多，二次约束逼近的精确度越高。因此采用两个呈45°夹角的正方形约束对二次圆约束进行逼近，则载流量二次约束可转化为如下线性约束：

对VSC换流站载流量约束进行线性化转化。具体说明如下：

由于VSC换流站载流量约束与交流配电网支路载流量约束同属于二次圆约束，因此线性化转化与对交流配电网支路载流量约束进行线性化转化相同。

如图5和图6所示，是本发明在Matlab软件中的具体应用，具体说明如下：

如图5可知，在3：00到6:00和12:00到15:00间，由于从上级电网购电成本较低，配电网将从上级电网购买大量电量，在供给负荷用电的同时为储能系统充电以便在重负荷时释放能量。当从上级电网购电成本较高时，如7:00到9:00和18:00到21:00之间，配电网从上级电网的买电量将减少，储能系统将储存的电能放出以满足配电区域的负荷需求。说明储能系统的调度结果主要受上级电网实时电价的影响，这样的充放电策略，达到了低电价时储能、高电价时放电的目的，从而降低配电网从上级电网买电的成本。实现了本发明最大化交直流混合配电网主体总收益的目的。

如图6所示，有功功率大于0为逆变状态，有功功率小于0为整流状态。在0:00到7:00期间，3个换流站均处于整流状态，说明在电力市场电价较低的时段，直流配电网从交流配电网吸收功率以满足直流负荷需求，富余的功率将为直流配电网内的储能系统充电，在7:00到20:00的大部分时间内，换流站的有功功率逐渐为正，受到市场电价和直流配电网内光伏出力增加的共同影响，在满足直流负荷需求的同时，直流配电网内的储能系统开始放电，协助供给交流负荷，表现为换流站逐渐由整流状态转为逆变状态，功率从直流配电网流向交流配电网。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法，其特征是：包括以下步骤，以下步骤公式中字母和符号的含义为：

为时刻t节点电流i的有功负荷预测值，

为时刻t节点电流i的无功负荷预测值，

为需求响应DR实施后时刻t节点电流i的有功负荷，

为DR实施后时刻t节点电流i的无功负荷，α_kt为电价档位的标识，η_kt为时刻t档位k下的负荷响应率，K为电价的分档数，Ω^L为交直流配电网内的交直流负荷节点集合，Γ为交流配电网的关口数集合，

为时刻t从上级电网的购电价，

为时刻t向上级电网的售电价，c_kt为时刻t档位k下向用户的售电价，

为时刻t关口j向上级电网的购电量，

为时刻t关口j向上级电网的售电量，P_ijt为节点i流向节点j的三相有功功率，Q_ijt为节点i流向节点j的三相无功功率，

为节点j处三相负荷的有功功率，

为节点j处三相负荷的无功功率，

为节点j处分布式电源DG的有功功率，

为节点j处DG的无功功率，

为节点j处储能系统ESS的充电功率，V_it为节点i的三相电压幅值，r_ij为支路ij的三相电阻，x_ij为支路ij的三相电抗，u(j)为以j为末端节点的支路首端节点集合，v(j)为以j为首端节点的支路末端节点集合，下角标t代表时刻，N^dc为直流网络节点集合，

为直流支路ij的载流量上限值，

为时刻t直流支路ij流过的有功功率，

为直流网络节点导纳矩阵中对应节点i和j的元素值，

为节点j处ESS的放电功率，

为节点j处ESS的充电功率，

为节点i处的换流站模型VSC输入的单相有功功率，

为节点i处的换流站模型VSC输入的输出的直流功率，

为节点i处的VSC输入的直流电压，

为节点i处的直流电压，M_it为时刻t节点i处的VSC换流站的调制度，μ为直流电压利用率，

为时刻t换流站i的无功功率，

为换流站i的无功调节上限，

为换流站i的载流量上限，V^ref为参考电压，

为支路ij的最大载流量限值，ε为节点电压允许偏差量；

步骤一、对配电网电价型需求响应建模

电价型需求响应模型中，电网电价与用户用电量成反比，得到电价型需求响应实施后配电网的有功、无功负荷为：

步骤二、建立交直流混合配电网优化调度的目标函数

交直流混合配电网优化调度的目标函数根据电力市场的实时电价，将配电网主体总收益取最大值，得到：

步骤三、构建交流配电网支路潮流模型，确定交流配电网约束条件

三相平衡交流配电系统，配电网支路潮流模型为：

其中，P_jkt为t时刻节点j流向节点k的有功功率，Q_jkt为t时刻节点j流向节点k的无功功率，V_jt为t时刻节点j的三相电压幅值；

交流配电网约束条件包括对用户用电量的约束，用户电费支出的约束，关口功率限制约束，分布式电源DG运行约束，节点电压安全约束，线路载流量约束，储能系统ESS运行约束以及交流配电网三相支路潮流约束；

步骤四、确定直流配电网约束条件

包括直流网络节点潮流约束，

其中，

为t时刻节点j的直流电压；

直流线路载流量约束，

步骤五、确定电压源型换流器VSC换流站约束条件

包括VSC换流站内部损耗约束，VSC换流站的内部损耗与阻抗Z^VSC等效，与所述步骤三中配电网支路潮流模型等效，且输入VSC的三相有功功率与VSC输出的直流功率相等，

VSC换流站电压关系约束，VSC输入的相电压与输出的直流电压的数学模型关系为：

换流站载流量约束，

换流站无功调节量约束，

步骤六、判断优化调度模型中步骤三、步骤四以及步骤五中的约束条件是否均为线性化约束条件；

步骤三～步骤五中的约束条件均为线性约束条件，电网优化调度结束；步骤三～骤五中的约束条件存在非线性约束条件，进入下一步线性转化；

步骤七、交直流混合配电网优化调度模型中的非线性约束的二阶锥松弛及线性转化

包括对VSC换流站内部损耗约束进行二阶锥松弛转化，对交流配电网支路载流量约束进行线性化转化以及对VSC换流站载流量约束进行线性化转化。

2.根据权利要求1所述的一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法，其特征是：所述步骤三中节点电压安全约束为，

式中，V^ref为参考电压，ε为节点电压允许偏差量，V_it为节点i的三相电压幅值。

3.根据权利要求1所述的一种考虑电价型需求响应的交直流配合电网优化调度方法，其特征是：所述步骤七中对交流配电网支路载流量约束进行线性化转化采用正方形约束，转化为线性约束为，

式中，

为支路ij的最大载流量限值，P_ijt为节点i流向节点j的三相有功功率，Q_ijt为节点i流向节点j的三相无功功率。

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