CN109390930A - 一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法，包括：步骤1，建立主动配电网电力网络模型：基于主动配电网网络拓扑结构、主动配电网支路信息和节点信息，构建主动配电网电力网络模型；步骤2，建立主动配电网微电网化分区优化目标函数：综合考虑控制自治性和通信成本因素建立主动配电网微电网化分区目标函数，目的是使目标函数达到最小值，也就是使考虑控制自治性和通信因素的总成本最小；步骤3，给定主动配电网微电网化分区优化约束：给定配电网分区自治性约束、电网潮流约束、网络节点电压约束、分布式电源出力约束；步骤4，对给定的电网潮流约束进行松弛处理：利用二阶锥规划松弛，凸化电网潮流约束；步骤5，用优化求解器求解主动配电网微电网化优化分区问题：针对二阶锥规划松弛处理之后的约束，优化求解器计算比较所有情况的优化目标函数，得到使优化目标函数最小的解。

Description

一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区 方法

技术领域

本发明涉及配电网控制分区领域，具体涉及一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法。

背景技术

主动配电系统控制技术是实现海量接入多类型DG、多元复合储能、多样化负荷、及其他设备主动协调管控的有效解决方案之一，也是提高系统安全性、可靠性、运行效率的关键技术。然而，间歇式新能源的不确定性、并网逆变器参与调控的需求、负荷的多样化发展趋势、以及用户对高品质供电的要求等，均给主动配电系统的运行控制带来了极大的挑战。

对于主动配电网来说，通信和控制是至关重要的。通信和控制设计在电力系统中存在两种重要的通信和控制策略，即集中式和分散式。在集中场景下，所有可控设备从中心控制中心接收控制命令。尽管安装通信和控制中心的成本较低，但这种方案具有较长的通信介质长度，较大的延迟和较低的可靠性。另一种方式是将分布式电源，存储设备，可控负载等可控设备分组形成多个微电网，构建通信区域，使各区域具有自己的控制中心，包括电压和频率控制单元。对主动配电系统进行分区聚类划分，将单个DG控制转变为对耦合分区内多个DG的集群控制，可以有效避免控制维度灾，并降低控制的复杂度。因此开展主动配电网微电网化分区研究，为主动配电网微电网化分区提供依据，具有非常重要的现实意义。目前仍未见针对于主动配电网控制而进行分区的研究，尚处于起步阶段。要实现主动配电网分区，需要解决以下问题：1)主动配电网依据哪些因素分区；2)怎样对配电网的分区效果进行评估，了解分区结果是否理想。

发明内容

为了弥补现有技术的缺乏，本发明提供了一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法。

一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法，包括以下步骤：步骤1：建立主动配电网电力网络模型；步骤2：建立主动配电网微电网化分区优化目标函数；步骤3：给定主动配电网微电网化分区优化约束；步骤4：对电网潮流约束进行松弛处理；步骤5：用优化求解器求解主动配电网微电网化分区问题。

更进一步的，所述步骤2具体为：

所述步骤2包含以下三个步骤，如下：

步骤2-1：建立通信相关成本优化目标函数(C₁)：使通信线路长度和控制中心的成本达到最小值，其计算公式如下式：

C₁＝α_L×L_C+α_N×N_C

式中，L_C是通信线路的总长度，N_C是控制中心的个数，系数α_L和α_N是通信线路的成本以及安装通信和控制中心的成本，它们的单位分别是元/km和元/ 个；

步骤2-2：建立控制自治性相关优化目标函数(C₂)：用成本来衡量分区的控制自治性，使分区之间的潮流交换最小，获得各分区最大的独立运行能力，计算公式如下式：

式中，i为主动配电网分区切割线的编号；k为主动配电网分区切割线的数量；P_i、Q_i分别为主动配电网分区切割线上流动的有功和无功功率；k为切割线数量；β_P、β_Q可以看作为区域间的功率交换的成本，单位分别为元/MW，元/Mvar；

步骤2-3：综合步骤2-1和步骤2-2建立的目标函数，将最终的主动配电网微电网化分区优化目标函数C表示为C₁和C₂的加权和，如下式：

Min(C),C＝K₁C₁+K₂C₂

式中，K₁、K₂为加权系数。

更进一步的，所述步骤3具体为：

步骤3-1：给定潮流约束，如下式：

式中，U_i、U_j、P_j、Q_j、P_ij、Q_ij、R_ij、X_ij、I_ij分别为节点i、j的电压幅值、节点j所需的有功功率、无功功率、节点i、j间线路的有功功率、无功功率、电阻、电抗、电流；γ(j)、d(j)分别为连接于节点j的上游节点集合和下游节点集合；P_jl、Q_jl分别为节点j、l间线路的有功功率、无功功率；ψ_N为主动配电网网络中的节点集合，ψ_L为主动配电网网络中的线路集合；

步骤3-2：给定主动配电网电压约束，如下式：

式中，U_min、U_max为允许电压幅值的最小值和最大值；

步骤3-3：给定主动配电网微电网化分区自治性约束，如下式；

式中，N_DGk为第k个分区的DG节点数量；ψ_C为分区集合。

更进一步的，所述步骤4具体为：

定义新的变量：

U_i′＝(U_i)²

I_ij′＝(I_ij)²

得；

式中，U_i＇、I_ij＇为二阶锥规划松弛的辅助变量；I_ij为节点i、j间的线路电流；

根据上式可得：

同时式重新表达为线性不等式；

非线性等式松弛为不等式；

按照以下标准二阶锥来重新构造：

随着以上的松弛和改造，主动配电网微电网化分区优化的原始模型被重新设计为符合二阶锥规划的标准形式；

min C＝K₁C₁+K₂C₂

更进一步的，所述步骤5具体为：

根据步骤4得到处理后的主动配电网微电网化分区优化约束，利用优化求解器求解步骤2建立的主动配电网微电网化分区优化目标函数，给出使优化目标函数最小的解。

有益效果

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明建立的主动配电网微电网化分区优化目标函数同时考虑了通信相关成本和控制自治性，提高了优化结果的综合性和科学性；

2、本发明对主动配电网进行分区，分成多个微电网，利用微电网化分区简化实现主动配电网运行控制，达到微电网分区间协调、分区内自治的控制效果，有效降低主动配电网控制的维度和复杂度。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2是本发明的系统结构图。

图3为本发明的结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

如图1所示，本发明所述的一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法，流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：建立主动配电网电力网络模型

所述主动配电网网络模型的建立考虑了主动配电网电力网络的拓扑结构、主动配电网支路信息和节点信息。与实际情况十分接近，具有较高的实际意义。具体包括：主动配电网电力网络拓扑结构，考虑了主动配电网节点的连接关系；主动配电网支路信息，主动配电网线路电阻和电感；主动配电网节点信息，主动配电网节点负荷大小和节点安装分布式电源(Distributed Generation，DG)容量。

步骤2：建立主动配电网微电网化分区优化目标函数

根据步骤1建立的主动配电网电力网络模型，考虑通信相关成本和控制自治性，给出主动配电网微电网化分区优化目标函数，目的是使优化目标函数达到最小值。目标函数越小，表示综合通信相关成本和控制自治性成本的总成本越小，分区效果越好。

所述步骤2包含以下三个步骤，如下：

步骤2-1：建立通信相关成本优化目标函数(C₁)：考虑通信线路长度和控制中心个数，目标是使通信线路长度和控制中心的成本达到最小值，其计算公式如式(1)：

C₁＝α_L×L_C+α_N×N_C 式(1)

式(1)中，L_C是通信线路的总长度，N_C是控制中心的个数。系数α_L和α_N是通信线路的成本以及安装通信和控制中心的成本。它们的单位分别是元/km和元/个(控制中心)。

步骤2-2：建立控制自治性相关优化目标函数(C₂)：用成本来衡量分区的控制自治性，目标是使分区之间的潮流交换最小，以获得各分区最大的独立运行能力，其计算公式如式(2)：

式(2)中，i为主动配电网分区切割线的编号；k为主动配电网分区切割线的数量；P_i、Q_i分别为主动配电网分区切割线上流动的有功和无功功率；k为切割线数量；β_P、β_Q可以看作为区域间的功率交换的成本，单位分别为元/MW，元/Mvar。

步骤2-3：综合步骤21和步骤22建立的目标函数，将最终的主动配电网微电网化分区优化目标函数C表示为C₁和C₂的加权和，如式(3)：

Min(C),C＝K₁C₁+K₂C₂ 式(3)

式(3)中，K₁、K₂为加权系数。

步骤3：给定主动配电网微电网化分区优化约束

所述主动配电网微电网化分区优化约束包括电网潮流约束、主动配电网电压约束、分布式电源出力约束和控制自治性约束，如下：

步骤3-1：给定潮流约束，如式(4)～式(6)：

式(4)～(6)中，U_i、U_j、P_j、Q_j、P_ij、Q_ij、R_ij、X_ij、I_ij分别为节点i、j 的电压幅值、节点j所需的有功功率、无功功率、节点i、j间线路的有功功率、无功功率、电阻、电抗、电流；γ(j)、d(j)分别为连接于节点j的上游节点集合和下游节点集合；P_jl、Q_jl分别为节点j、l间线路的有功功率、无功功率；ψ_N为主动配电网网络中的节点集合，ψ_L为主动配电网网络中的线路集合。

步骤3-2：给定主动配电网电压约束，如式(7)：

式(7)中，U_min、U_max为允许电压幅值的最小值和最大值。

步骤3-3：给定主动配电网微电网化分区自治性约束，如式(8)

式(9)中，N_DGk为第k个分区的DG节点数量；ψ_C为分区集合。

步骤4：对电网潮流约束进行松弛处理

为了处理所提出的主动配电网潮流约束的复杂性和非凸性，需要对此约束进行二阶锥规划松弛处理。

定义新的变量：

U_i′＝(U_i)² 式(9)

I_ij′＝(I_ij)² 式(10)

得

式(9)～(11)中，U_i＇、I_ij＇为二阶锥规划松弛的辅助变量；I_ij为节点i、j 间的线路电流。

根据式(9)和(10)的定义，式(4)～(6)等价于线性等式(12)～(14)

同时式(7)可以重新表达为线性不等式

非线性等式(11)可以松弛为不等式

可以按照以下标准二阶锥来重新构造：

随着以上的松弛和改造，主动配电网微电网化分区优化的原始模型被重新设计为

符合二阶锥规划的标准形式。

步骤5：用优化求解器求解主动配电网微电网化分区问题根据步骤4得到处理后的主动配电网微电网化分区优化约束，利用优化求解器求解步骤2建立的主动配电网微电网化分区优化目标函数。优化求解器计算并比较不同情况下的优化目标函数，给出使优化目标函数最小的解。

实施案例

1)建立主动配电网网络模型

图2为IEEE33节点配电系统。其节点安装DG容量如表1所示。

表1.节点DG安装容量

根据主动配电网网络拓扑结构形成33×33阶的网络关联矩阵A₀。

根据主动配电网支路电阻和支路电抗形成支路电阻数组R_L和支路电抗数组X_L.

根据主动配电网节点负荷信息和节点安装DG容量形成节点有功无功数组 P_d和Q_d。

2)建立主动配电网微电网化分区优化目标函数

假设每条线路均为10公里，建立主动配电网微电网化分区优化目标函数参数如表2所示：

表2.优化目标函数参数

α<sub>L</sub>	α<sub>N</sub>	β<sub>P</sub>	β<sub>Q</sub>
				6500	2030	3000	2000

3)给定主动配电网微电网化分区优化约束

针对仿真网络给定优化约束如下：

(1)网络潮流约束

式(19)～式(22)中，R_ij的值为上述建立的支路电阻数组R_L中线路ij的电阻；X_ij的值为上述建立的支路电抗数组X_L中线路ij的电抗；P_j的值为上述建立的节点有功数组P_d中节点j的有功负荷减去节点DG有功出力；Q_j的值为上述建立的节点无功数组Q_d中节点j的无功负荷减去节点DG无功出力。

(2)主动配电网节点电压约束

4)使用优化求解器求解此优化问题

使用优化求解器求解此优化问题，优化结果如表2所示，分区后结果如图3。

表2分区结果

切割线路

11

24

30

综上所述，分区之后可以保证每个分区内部存在DG，保证分区的自治性。

Claims (5)

1.一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立主动配电网电力网络模型；

步骤2：建立主动配电网微电网化分区优化目标函数；

步骤3：给定主动配电网微电网化分区优化约束；

步骤4：对电网潮流约束进行松弛处理；

步骤5：用优化求解器求解主动配电网微电网化分区问题。

2.根据权利要求1所述的一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

所述步骤2包含以下三个步骤，如下：

步骤2-1：建立通信相关成本优化目标函数(C₁)：使通信线路长度和控制中心的成本达到最小值，其计算公式如下式：

C₁＝α_L×L_C+α_N×N_C

式中，L_C是通信线路的总长度，N_C是控制中心的个数，系数α_L和α_N是通信线路的成本以及安装通信和控制中心的成本，它们的单位分别是元/km和元/个；

步骤2-2：建立控制自治性相关优化目标函数(C₂)：用成本来衡量分区的控制自治性，使分区之间的潮流交换最小，获得各分区最大的独立运行能力，计算公式如下式：

式中，i为主动配电网分区切割线的编号；k为主动配电网分区切割线的数量；P_i、Q_i分别为主动配电网分区切割线上流动的有功和无功功率；k为切割线数量；β_P、β_Q可以看作为区域间的功率交换的成本，单位分别为元/MW，元/Mvar；

步骤2-3：综合步骤2-1和步骤2-2建立的目标函数，将最终的主动配电网微电网化分区优化目标函数C表示为C₁和C₂的加权和，如下式：

Min(C),C＝K₁C₁+K₂C₂

式中，K₁、K₂为加权系数。

3.根据权利要求1所述的一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

步骤3-1：给定潮流约束，如下式：

式中，U_i、U_j、P_j、Q_j、P_ij、Q_ij、R_ij、X_ij、I_ij分别为节点i、j的电压幅值、节点j所需的有功功率、无功功率、节点i、j间线路的有功功率、无功功率、电阻、电抗、电流；γ(j)、d(j)分别为连接于节点j的上游节点集合和下游节点集合；P_jl、Q_jl分别为节点j、l间线路的有功功率、无功功率；ψ_N为主动配电网网络中的节点集合，ψ_L为主动配电网网络中的线路集合；

步骤3-2：给定主动配电网电压约束，如下式：

式中，U_min、U_max为允许电压幅值的最小值和最大值；

步骤3-3：给定主动配电网微电网化分区自治性约束，如下式；

式中，N_DGk为第k个分区的DG节点数量；ψ_C为分区集合。

4.根据权利要求1所述的一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

定义新的变量：

U_i′＝(U_i)²

I_ij′＝(I_ij)²

得；

式中，U_i＇、I_ij＇为二阶锥规划松弛的辅助变量；I_ij为节点i、j间的线路电流；

根据上式可得：

同时式重新表达为线性不等式；

非线性等式松弛为不等式；

按照以下标准二阶锥来重新构造：

随着以上的松弛和改造，主动配电网微电网化分区优化的原始模型被重新设计为符合二阶锥规划的标准形式；

min C＝K₁C₁+K₂C₂

5.根据权利要求1所述的一种考虑控制自治性和通信成本的主动配电网微电网化分区方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

根据步骤4得到处理后的主动配电网微电网化分区优化约束，利用优化求解器求解步骤2建立的主动配电网微电网化分区优化目标函数，给出使优化目标函数最小的解。