CN109149586B - 面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法，包括以下步骤：根据选定的有源配电系统的结构和参数，以分布式电源接入点作为电网各划分区域的中心，通过灵敏度分析得到分布式电源出力变化时各节点的电压变化量；建立面向智能软开关的有源配电网集中式电压控制模型；建立面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型；将有源配电网分区分散式电压控制模型采用交替方向乘子算法进行求解，直至满足收敛精度；输出求解结果。本发明充分考虑高渗透率分布式电源接入的影响，建立面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型，采用交替方向乘子法进行求解，得到智能软开关的分散式电压控制策略。

Description

面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种有源配电网的电压控制方法，特别是涉及面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法。

背景技术

对能源和环境的高度关注使得配电网的发展面临着新的压力和挑战，这些压力和挑战同时也是推动传统配电网向有源配电网发展的重要机遇。近年来，包括光伏(Photovoltaic，PV)、风机等在内的分布式电源(Distributed Generation，DG)渗透率的不断提高使有源配电网面临一系列新问题，如双向潮流、电压越限、网络阻塞等，其中电压越限情况尤为突出。在传统配电系统中，其调节手段有限，尤其是针对一次系统的控制手段严重匮乏，现有装备多是针对无功功率的调节，如电容器组、静止无功补偿器等。然而在配电网中，有功和无功功率之间的关系是相互耦合的，有功功率对电压分布的影响同样显著。因此，尤其对于含高渗透率分布式电源的配电网，单纯依靠无功调节很难消除电压越限问题。智能软开关(soft openpoint，SOP)是在上述背景下衍生出的取代传统联络开关的一种基于电力电子技术的新型配电装置。智能软开关能够实现有功功率和无功功率的联合调整，而且功率控制简单、可靠，从而有效应对包括电压越限在内的一系列问题。

目前，智能软开关主要采用集中式控制策略来实现其运行控制。集中式控制策略利用全局信息对智能软开关、分布式电源等可控资源进行全局优化，但过大的数据量会带来沉重的通信和数据处理负担，增大时间延迟；另外，有时出于隐私以及安全方面的考虑而难以获取全局的详细信息，此时将不适合采用集中式控制。而分散控制仅仅依靠本地测量信息，虽然无法实现全局最优，但不需要节点间的信息交流或远程量测，从而减少了通信的数据量，降低了控制变量的维度；并且，当分布式发电波动较大时，分散控制策略可以迅速响应，从而快速抑制波动。

为了满足大规模有源配电网运行优化以及智能软开关运行控制的快速性要求，分散控制模式成为未来智能软开关运行控制的主流方向。其一方面要求将配网划分区域，充分利用各配网子区域的内部信息以及相互之间的信息交互能力，依据高度共享的现有信息做出决策，共同协作完成控制任务；另一方面还需要将分散式优化计算的思想融入到整个控制体系中，基于对就地信息的分析判断实现智能软开关的主动优化控制，同时确保局部优化与全局优化目标的协调一致，在减小计算负担的前提下尽可能实现全局最优。

如今大量分布式电源接入配电网，使得传统配电网形成了一个多源控制的复杂系统，同时控制变量也随之增加，给计算求解带来较大挑战。因此，迫切需要一种分区分散电压控制方法，在进行电压控制前将配电网划分为多个子区域，从而分别对各子区域进行优化，提高计算效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法，能够针对有源配电网电压控制问题，满足系统运行约束，制定智能软开关的分区分散式控制策略。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法，包括如下步骤：

步骤1、根据选定的有源配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统安全节点电压和支路电流限制，分布式电源的接入位置和容量，智能软开关的接入位置、容量及参数，系统基准电压和基准功率的初值，电压功率灵敏度阈值；

步骤2、以分布式电源接入点作为电网各划分区域的中心，通过灵敏度分析得到分布式电源出力变化时各节点的电压变化量，通过已设定的灵敏度阈值判断系统中各节点的分区情况；

步骤3、依据步骤1提供的有源配电系统结构及参数，建立面向智能软开关的有源配电网集中式电压控制模型，该模型包括：设定有源配电系统损耗和电压偏差之和最小为目标函数，分别考虑系统潮流约束、系统安全运行约束、分布式电源运行约束和智能软开关运行约束；

步骤4、依据步骤3得到的面向智能软开关的有源配电网集中式电压控制模型，结合步骤2得到的有源配电网络区域划分结果，建立面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型；

步骤5、将步骤4得到的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型采用交替方向乘子算法进行求解，直至满足收敛精度；

步骤6输出步骤5的包括目标函数值、各节点电压幅值、智能软开关运行策略的求解结果。

进一步，在步骤2中，所述的通过灵敏度分析得到分布式电源出力变化时各节点的电压变化量表示为：

式中，ΔV_i为节点i的电压变化量；N_N为系统节点总数；R_ij、X_ij分别为节点i和节点j到源节点唯一路径上重叠部分的电阻与电抗；ΔP_j为节点j上的有功功率变化量；ΔQ_j为节点j上的无功功率变化量；

进一步，在步骤2中，所述的通过已设定的灵敏度阈值判断系统中各节点的分区情况的具体方法为：当电压变化量大于设定阈值时，该节点包含在该分布式电源所属分区中；当电压变化量小于设定阈值时，该节点排除在该分布式电源所属的分区之外；当节点所属的分区不止一个时，选择影响电压变化量较大的分区作为其所属分区；当2个或多个分区的影响区域包含对方分布式电源接入点时，2个或多个分区合并为一个分区。

进一步，在步骤4中，所述的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型表示为：

式中，a为区域编号，S为所划分的区域总数，f_a(x)为关于区域a的目标函数，x＝(x₁,…,x_s)^T为各区域的决策变量的总集合；g_a(x)、h_a(x)为关于区域a的不等式约束和等式约束；x _a、

分别为区域a中各决策变量的下限和上限；

为关于节点i的全局决策变量集合，其中P_i、Q_i为节点i上注入的有功、无功功率之和，

为节点i上智能软开关注入的有功、无功功率，u_i为节点i的电压幅值的平方，P_ji、Q_ji为节点j流向节点i的有功功率和无功功率，l_ji为节点j流向节点i的电流幅值的平方；N_o为各区域边界重叠部分的节点集合，N′_a为区域a内节点和通过连接线或智能软开关连接的相邻区域内节点的总集合。

进一步，在步骤5中，所述的采用交替方向乘子算法进行求解表示为：

式中，X^a为区域a中决策变量的可行域，k为迭代次数；ρ为惩罚因子；O为重叠区域节点；

为引入的辅助变量，λ_a,i是对应等式约束的拉格朗日乘子；A_i为包含节点i的区域集合。

进一步，在步骤5中，所述的满足收敛精度表示为

式中，r^k为原始问题可行性的原始残差，d^k为对偶问题可行性的对偶残差，ε为给定的计算误差。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其立足于解决大规模有源配电网的电压控制问题，充分考虑高渗透率分布式电源接入的影响，建立面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型，采用交替方向乘子法进行求解，满足系统运行约束，并得到智能软开关的分散式电压控制策略。

附图说明

图1是本发明的控制方法流程图；

图2是改进的PG&E69节点算例结构及分区结果图；

图3是优化前后各节点处的电压分布情况。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、根据选定的有源配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统安全节点电压和支路电流限制，分布式电源的接入位置和容量，智能软开关的接入位置、容量及参数，系统基准电压和基准功率的初值，电压功率灵敏度阈值。

步骤2、以分布式电源接入点作为电网各划分区域的中心，通过灵敏度分析得到分布式电源出力变化时各节点的电压变化量，通过已设定的灵敏度阈值判断系统中各节点的分区情况；其中：

(1)所述的通过灵敏度分析得到分布式电源出力变化时各节点的电压变化量表示为

式中，ΔV_i为节点i的电压变化量；N_N为系统节点总数；R_ij、X_ij分别为节点i和节点j到源节点唯一路径上重叠部分的电阻与电抗；ΔP_j为节点j上的有功功率变化量；ΔQ_j为节点j上的无功功率变化量。

(2)所述的通过已设定的灵敏度阈值判断系统中各节点的分区情况，具体方法为：当电压变化量大于设定阈值时，该节点包含在该分布式电源所属分区中；当电压变化量小于设定阈值时，该节点排除在该分布式电源所属的分区之外；当节点所属的分区不止一个时，选择影响电压变化量较大的分区作为其所属分区；当2个或多个分区的影响区域包含对方分布式电源接入点时，2个或多个分区合并为一个分区。

步骤3、依据步骤1提供的有源配电系统结构及参数，建立面向智能软开关的有源配电网集中式电压控制模型，包括：设定有源配电系统损耗和电压偏差之和最小为目标函数，分别考虑系统潮流约束、系统安全运行约束、分布式电源运行约束和智能软开关运行约束；其中：

(1)所述的有源配电系统损耗和电压偏差之和最小为目标函数表示为

min f＝αf_L+βf_v (2)

式中，α和β分别为系统损耗f_L和系统电压偏差情况f_v的权重系数，其中，系统损耗f_L和系统电压偏差情况f_v的表达式如下：

式中，

为节点间的无向线路集合；l_ij为节点i流向节点j的电流幅值的平方；u_i为节点i的电压幅值的平方；

为节点i上智能软开关的有功损耗值；

和

分别为期望电压的最小值和最大值的平方。

(2)所述的系统潮流约束表示为

式中，P_ji为节点j流向节点i的有功功率，P_i为节点i上注入的有功功率之和，P_ik为节点i流向节点k的有功功率；Q_ji为节点j流向节点i的无功功率，Q_i为节点i上注入的无功功率之和，Q_ik为节点i流向节点k的无功功率；u_j为节点j的电压幅值的平方；

分别为节点i上分布式电源注入的有功功率、智能软开关注入的有功功率、负荷消耗的有功功率；

分别为节点i上分布式电源注入的无功功率、智能软开关注入的无功功率、负荷消耗的无功功率。

(3)所述的系统安全运行约束表示为

u^max≤u_i≤u^min (11)

l_ij≤l^max (12)

式中，u^max和u^min为系统最大允许电压值的平方和最小允许电压值的平方；u_i为节点i的电压幅值的平方；l_ij为节点i流向节点j的电流幅值的平方；l^max为支路最大允许电流值的平方；

(4)所述的分布式电源运行约束表示为

式中，

为节点i上分布式电源的有功出力预测值；

为节点i上分布式电源的功率因数；

(5)所述的智能软开关运行约束表示为

式中，

和

分别为节点i、j上智能软开关的有功损耗值；

和

分别为节点i、j上智能软开关的有功损耗系数；

步骤4、依据步骤3得到的面向智能软开关的有源配电网集中式电压控制模型，结合步骤2得到的有源配电网络区域划分结果，建立面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型；其中：

(1)所述的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型表示为

式中，a为网络区域编号；S为所划分的区域总数；x＝(x₁,…,x_s)^T为各区域的决策变量总集合；f_a(x)为关于区域a的目标函数，g_a(x)、h_a(x)为关于区域a的不等式约束和等式约束；xa、

分别为区域a中各决策变量的下限和上限；

为关于节点i的全局决策变量集合；N_o为各区域边界重叠部分的节点集合，N′_a为区域a内节点和通过连接线或智能软开关连接的相邻区域内节点的总集合；

步骤5、将步骤4得到的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型采用交替方向乘子算法进行求解，直至满足收敛精度；其中：

(1)所述的采用交替方向乘子算法进行求解表示为

式中，X^a为区域a中决策变量的可行域，k为迭代次数；ρ为惩罚因子；O为重叠区域节点；

为引入的辅助变量，λ_a,i是对应等式约束的拉格朗日乘子；A_i为包含节点i的区域集合。

(2)所述的满足收敛精度表示为

式中，r^k为原始问题可行性的原始残差，d^k为对偶问题可行性的对偶残差，ε为给定的计算误差；

步骤6、输出步骤5的求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、智能软开关运行策略。

本发明采用交替方向乘子算法实现了面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法的求解。

对于本实施例，首先输入改进的PG&E69节点系统中线路元件的阻抗值、负荷元件的有功功率基准值和功率因数、网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，详细参数见表1和表2；节点3、19、20、27、34、38、48、51、54和66分别接入一组光伏系统，容量均为0.3MVA；设定两组智能软开关接入配电网的节点27与节点54、节点35与节点48之间，容量均为1MVA，损耗系数均为0.02；设置系统的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA；设置各节点电压幅值(标幺值)的安全运行上下限分别为1.10和0.90。节点电压期望运行区间为0.98p.u.-1.02p.u.，系统损耗和电压偏差情况的权重系数分别取0.7和0.3。

分别采用三种方案进行对比分析，方案I为有源配电网的初始运行状态，方案II采用面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制策略，方案III采用面向智能软开关的有源配电网集中式电压控制策略，三种方案的优化结果见表3。

执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-1620，主频为3.70GHz，内存为32GB；软件环境为Windows 10操作系统。

通过所述的分区方法将改进的PG&E69节点系统划分为四个子区域，具体划分结果见图2。表3为方案II和方案III中智能软开关的有功传输量和无功补偿量，从表3中可以看出，分区分散式电压控制方法中智能软开关的运行策略与集中控制方法的结果相近。表4为不同方案的优化结果比较，从表4可以看出，智能软开关通过精准且快速的潮流调节，可以有效地减小电压偏差和降低网络损耗。图3为不同方案下的电压波动曲线，初始状态下，分布式电源的接入会导致剧烈的电压波动；采用智能软开关进行分区分散式调节后，有源配电网各节点电压水平得到了明显的改善，且接近智能软开关采用集中控制策略的效果。

表1 PG&E69节点算例负荷接入位置及功率

表2 PG&E69节点算例线路参数

表3智能软开关的有功传输量和无功补偿量

表4不同方案的优化结果比较

方案	电压最小值/p.u.	电压最大值/p.u.	网损/kW
				方案I	0.9504	1.0054	108.09
方案II	0.9811	1.0013	21.98
				方案III	0.9814	1.0008	21.95

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、根据选定的有源配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统安全节点电压和支路电流限制，分布式电源的接入位置和容量，智能软开关的接入位置、容量及参数，系统基准电压和基准功率的初值，电压功率灵敏度阈值；

步骤2、以分布式电源接入点作为电网各划分区域的中心，通过灵敏度分析得到分布式电源出力变化时各节点的电压变化量，通过已设定的灵敏度阈值判断系统中各节点的分区情况；

步骤3、依据步骤1提供的有源配电系统结构及参数，建立面向智能软开关的有源配电网集中式电压控制模型，该模型包括：设定有源配电系统损耗和电压偏差之和最小为目标函数，分别考虑系统潮流约束、系统安全运行约束、分布式电源运行约束和智能软开关运行约束；

步骤4、依据步骤3得到的面向智能软开关的有源配电网集中式电压控制模型，结合步骤2得到的有源配电网络区域划分结果，建立面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型；

步骤5、将步骤4得到的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型采用交替方向乘子算法进行求解，直至满足收敛精度；

步骤6输出步骤5的包括目标函数值、各节点电压幅值、智能软开关运行策略的求解结果。

2.根据权利要求1所述的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法，其特征在于：在步骤2中，所述的通过灵敏度分析得到分布式电源出力变化时各节点的电压变化量表示为：

式中，ΔV_i为节点i的电压变化量；N_N为系统节点总数；R_ij、X_ij分别为节点i和节点j到源节点唯一路径上重叠部分的电阻与电抗；ΔP_j为节点j上的有功功率变化量；ΔQ_j为节点j上的无功功率变化量。

3.根据权利要求1所述的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法，其特征在于：在步骤2中，所述的通过已设定的灵敏度阈值判断系统中各节点的分区情况的具体方法为：当电压变化量大于设定阈值时，该节点包含在该分布式电源所属分区中；当电压变化量小于设定阈值时，该节点排除在该分布式电源所属的分区之外；当节点所属的分区不止一个时，选择影响电压变化量较大的分区作为其所属分区；当2个或多个分区的影响区域包含对方分布式电源接入点时，2个或多个分区合并为一个分区。

4.根据权利要求1所述的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制方法，其特征在于：在步骤4中，所述的面向智能软开关的有源配电网分区分散式电压控制模型表示为：

式中，a为区域编号，S为所划分的区域总数，f_a(x)为关于区域a的目标函数，x＝(x₁，...，x_S)^T为各区域的决策变量的总集合；g_a(x)、h_a(x)为关于区域a的不等式约束和等式约束；x _a、

分别为区域a中各决策变量的下限和上限；

为关于节点i的全局决策变量集合，其中P_i、Q_i为节点i上注入的有功、无功功率之和，

为节点i上智能软开关注入的有功、无功功率，u_i为节点i的电压幅值的平方，P_ji、Q_ji为节点j流向节点i的有功功率和无功功率，l_ji为节点j流向节点i的电流幅值的平方；N_o为各区域边界重叠部分的节点集合，N′_a为区域a内节点和通过连接线或智能软开关连接的相邻区域内节点的总集合。

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