CN110518575A - 基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法。该方法为：首先根据短期负荷预测和分布式电源出力预测建立全局优化模型，制定全局调压设备整定值；然后结合电压灵敏度、模块度函数和区域电压调节能力制定综合分区指标，并以综合分区指标为依据，将全局配电网络划分为耦合度较小的分区；最后建立区域自治模型，实时监控电压运行情况，当节点电压发生越限时，根据其所属分区，调控对应区域的调压设备。本发明降低了频繁进行集中优化控制的计算压力和通信压力，能够快速地对电压越限进行响应调控。

Description

基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法

技术领域

本发明涉及主动配电网电压控制技术领域，特别是一种基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法。

背景技术

为缓解非再生能源的库存量不断缩减的压力，在能源日益紧张以及负荷对电能质量的要求不断提高的情况下，利用可再生能源发电的趋势日益上升，分布式发电技术成为智能电网的研究重点。由于分布式能源易受气候环境变化的影响，其带来的间歇性、波动性和不确定性将影响电网的运行性能，在大规模分布式能源接入的配电网中，电压稳定性将受到严重影响。

模块度是用来衡量复杂网络中社区划分质量的一个度量值，任何一个复杂网络可以根据其拓扑结构分成耦合度不同的区，区内节点的耦合度较高，连接较紧密，区间的节点耦合度较低，连接较稀疏。复杂网络的分区方法在电力系统中已有应用，把主动配电网的灵敏度加入到模块度函数中可以增加实际的物理意义，同时考虑分区内有功/无功裕度可以保证电网具有足够的电压调节能力。

目前全局优化结合区域控制的双层控制方式中，大多采用馈线分段开关划分区域的，此方式受电网系统的物理拓扑结构限制，不能灵活适应多变的主动配电网，而电压控制基本采用就地补偿和区域自治，不能兼顾系统的全局经济性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够降低全局控制中获取信息的频率、减轻通信频繁的压力、确保电压的稳定性及可靠性的基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据短期负荷预测和分布式电源出力预测建立全局优化模型，制定全局调压设备整定值；

步骤2、结合电压灵敏度、模块度函数和区域电压调节能力制定综合分区指标，并以综合分区指标为依据，将全局配电网络划分为耦合度小于设定值的分区；

步骤3、建立区域自治模型，实时监控电压运行情况，当节点电压发生越限时，根据该节点所属分区，调控对应区域的调压设备。

进一步地，步骤1所述的根据短期负荷预测和分布式电源出力预测建立全局优化模型，制定全局调压设备整定值，具体如下：

在全局优化控制中，选择电容器组、光伏无功出力以及储能有功充放电功率作为调压设备，以网络损耗最小、电压偏差最小为目标，以潮流方程、电压范围、调压设备出力上下限为约束，利用加权法处理多目标函数问题，利用粒子群优化算法处理此非线性离散模型；

目标函数F₁、F₂计算公式如下：

其中P_loss(t)为t时段系统的有功网损，ΔV(t)为t时段系统的电压偏差；N_k、N_j分别为系统总支路数和总节点数，k、j分别为支路、节点的编号；P_k、Q_k分别为支路k的有功、无功功率；V_k、V_k分别为支路k末端的电压和节点j处的电压；R_k为支路k的电阻；V_n为系统电压基准值；V_min、V_max分别为节点电压允许的最小值和最大值；t表示t时段；

约束条件计算公式如下：

①潮流约束：

其中P_i(t)＝P_DG,i(t)-P_L,i(t)，Q_i(t)＝N_CB,i(t)b_iV_i ²(t)+Q_DG,i(t)-Q_L,i(t)，P_i(t)、Q_i(t)分别为t时段节点i处的有功功率和无功功率；V_i(t、V_j(t分别为节点i、j处的电压；G_ij、B_ij、θ_ij(t)分别为节点i、j之间的电导、电纳和相角差；P_DG,i(t)、Q_DG,i(t)分别为节点i处的DG注入有功、无功功率；P_L,i(t)、Q_L,i(t)分别为节点i处负荷的有功、无功功率；N_CB,i(t)、b_i分别为节点i处投切电容器组数和每组电容器的导纳；

②电压约束：

U_min≤U_i≤U_max

其中U_min、U_max分别为电压幅值上下限，U_i表示支路i的电压幅值；

③控制变量约束：

其中分别为节点i处电容器补偿功率的最小值和最大值；分别为节点i处DG无功出力的最小值和最大值；Q_CB,i(t)为t时段节点i处电容器补偿功率，Q_DG,i(t)为t时段节点i处DG无功出力。

进一步地，步骤2中所述的结合电压灵敏度、模块度函数和区域电压调节能力制定综合分区指标，并以综合分区指标为依据，将全局配电网络划分为耦合度小于设定值的分区，具体如下：

用灵敏度矩阵改进模块度函数的边权矩阵，将区域内储能装置的有功裕度和分布式电源的无功裕度作为电压调节能力参数，将改进的模块度函数和区域电压调节能力作为划分区域的指标值，将全局配电网络按照综合分区指标划分不同区域；

计算公式如下：

灵敏度矩阵：

其中ΔU为节点电压幅值矩阵；A_P＝(J^-1HL-N)^-1为有功电压灵敏度矩阵，A_Q＝(H^{- 1}JN-L)^-1为无功电压灵敏度矩阵，H、N、J、L分别为雅克比矩阵的四个分块矩阵；ΔP为有功功率变化量，ΔQ为无功功率变化量；

改进的模块度函数：

A′＝A_P+A_Q

其中A′为灵敏度矩阵，A′_ij为节点i、j之间的灵敏度值；m′为网络中灵敏度权重之和，k′_i为所有与节点i相连接的节点灵敏度权重之和；c_i为节点i所在的区域编号，如果节点i和j分布在同一个区域，则δ(c_i,c_j)＝1，否则δ(c_i,c_j)＝0；

区域电压调节能力：

其中为区域电压调节系数；为节点i、j之间的无功灵敏度值；ΔV_i ^max为分区内电压最高或最低节点i的电压越限量；为节点i、j之间的有功灵敏度值；Q_j为分区内分布式电源位置节点j的可调无功量，P_j为分区内储能装置位置节点j的可用储能容量，分别为分区内与节点i相连节点调节无功、有功时对节点i的电压改变量；

综合分区指标Q_jm：

其中N为分区数，c_k为分区k的编号。

进一步地，步骤3所述的建立区域自治模型，实时监控电压运行情况，当节点电压发生越限时，根据该节点所属分区，调控对应区域的调压设备，具体如下：

步骤3.1、根据越限节点所属区域进行分类；

步骤3.2、在每个分区内，按照节点电压越限值从大到小进行排序，选中越限最大的节点，等待调节；

步骤3.3、按照灵敏度从大到小的顺序选择分布式电源作为调控目标，优先调节对越限节点电压影响最大的分布式电源，若该分布式电源的无功裕度已达上限，则按顺序依次调节其他分布式电源；若所有分布式电源的无功裕度都达上限，则利用储能装置进行调控；

进行无功补偿时，无功补偿量按照进行计算；若调节储能装置，则有功调节量按照进行计算。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)降低了全局控制中获取信息的频率，减轻了通信频繁的压力，确保了电压的稳定性；(2)区域划分方法综合考虑了网络拓扑结构和电压调节能力，提高了分区结果的可靠性；(3)建立基于长时间尺度的全局优化模型，制定全局调压设备运行指标，并提出短时间尺度的区域自治模型，既可以保障全局的经济性又能满足区局运行的合理性。

附图说明

图1为本发明基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法的示意图。

图2为本发明基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法的流程图。

图3为本发明中建立全局优化模型的流程示意图。

图4为本发明中建立区域自治模型的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明选择含高渗透率分布式电源的主动配电网为应用场景，提出一种全局优化结合区域自治的多时间尺度优化控制模型，其中区域划分标准综合考虑灵敏度矩阵、网络分区方法以及区域内电压调节能力进行建模分区。

结合图1、图2，本发明一种基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据短期负荷预测和分布式电源出力预测建立全局优化模型，制定全局调压设备整定值；

步骤2、结合电压灵敏度、社团发现算法和区域电压调节能力制定综合分区指标，将全局配电网络划分为耦合度较小的分区；

步骤3、建立区域自治模型，实时监控电压运行情况，当节点电压发生越限时，根据其所属分区，调控对应区域的调压设备。

结合图3，步骤1中所述的根据短期负荷预测和分布式电源出力预测建立全局优化模型，制定全局调压设备整定值，具体如下：

在全局优化控制中，选择电容器组、光伏无功出力以及储能有功充放电功率作为调压设备，以网络损耗最小、电压偏差最小为目标，以潮流方程、电压范围、调压设备出力上下限为约束，利用加权法处理多目标函数问题，利用粒子群优化算法处理此非线性离散模型；

目标函数F₁、F₂计算公式如下：

其中P_loss(t)为t时段系统的有功网损，ΔV(t)为t时段系统的电压偏差；N_k、N_j分别为系统总支路数和总节点数，k、j分别为支路、节点的编号；P_k、Q_k分别为支路k的有功、无功功率；V_k、V_k分别为支路k末端的电压和节点j处的电压；R_k为支路k的电阻；V_n为系统电压基准值；V_min、V_max分别为节点电压允许的最小值和最大值；t表示t时段；

约束条件计算公式如下：

①潮流约束：

其中P_i(t)＝P_DG,i(t)-P_L,i(t)，Q_i(t)＝N_CB,i(t)b_iV_i ²(t)+Q_DG,i(t)-Q_L,i(t)，P_i(t)、Q_i(t)分别为t时段节点i处的有功功率和无功功率；V_i(t、V_j(t分别为节点i、j处的电压；G_ij、B_ij、θ_ij(t)分别为节点i、j之间的电导、电纳和相角差；P_DG,i(t)、Q_DG,i(t)分别为节点i处的DG注入有功、无功功率；P_L,i(t)、Q_L,i(t)分别为节点i处负荷的有功、无功功率；N_CB,i(t)、b_i分别为节点i处投切电容器组数和每组电容器的导纳；

②电压约束：

U_min≤U_i≤U_max

其中U_min、U_max分别为电压幅值上下限，U_i表示支路i的电压幅值；

③控制变量约束：

其中分别为节点i处电容器补偿功率的最小值和最大值；分别为节点i处DG无功出力的最小值和最大值；Q_CB,i(t)为t时段节点i处电容器补偿功率，Q_DG,i(t)为t时段节点i处DG无功出力。

步骤2中所述的结合电压灵敏度、模块度函数和区域电压调节能力制定综合分区指标，并以综合分区指标为依据，将全局配电网络划分为耦合度较小的分区，具体如下：

用灵敏度矩阵改进模块度函数的边权矩阵，将区域内储能装置的有功裕度和分布式电源的无功裕度作为电压调节能力参数，将改进的模块度函数和区域电压调节能力作为划分区域的指标值，将全局配电网络按照综合分区指标划分不同区域；

计算公式如下：

灵敏度矩阵：

其中ΔU为节点电压幅值矩阵；A_p＝(J^-1HL-N)^-1为有功电压灵敏度矩阵，A_Q＝(H^{- 1}JN-L)^-1为无功电压灵敏度矩阵，H、N、J、L分别为雅克比矩阵的四个分块矩阵；ΔP为有功功率变化量，ΔQ为无功功率变化量；

改进的模块度函数：

A′＝A_P+A_Q

其中A′为灵敏度矩阵，A′_ij为节点i、j之间的灵敏度值；m′为网络中灵敏度权重之和，k′_i为所有与节点i相连接的节点灵敏度权重之和；c_i为节点i所在的区域编号，如果节点i和j分布在同一个区域，则δ(c_i,c_j)＝1，否则δ(c_i,c_i)＝0；

区域电压调节能力：

其中为区域电压调节系数；为节点i、j之间的无功灵敏度值；ΔV_i ^max为分区内电压最高或最低节点i的电压越限量；为节点i、j之间的有功灵敏度值；Q_j为分区内分布式电源位置节点j的可调无功量，P_j为分区内储能装置位置节点j的可用储能容量，分别为分区内与节点i相连节点调节无功、有功时对节点i的电压改变量；

综合分区指标Q_im：

其中N为分区数，c_k为分区k的编号。

结合图4，步骤3中所述的建立区域自治模型，实时监控电压运行情况，当节点电压发生越限时，根据其所属分区，调控对应区域的调压设备，具体如下：

在区域自治控制中，选择光伏无功出力以及储能有功充放电功率作为调压设备，在每个时间段间隔内，当有多个节点电压越限时，根据不同节点所属区域并行控制。在每个分区内，针对区域电压越限最大的节点，根据无功电压灵敏度从大到小的顺序调控可控DG的无功功率，若可调无功不足，则利用该区域内的储能装置进行有功功率的调控。

主要的几个步骤如下：

步骤3.1、根据越限节点所属区域进行分类；

步骤3.2、在每个分区内，按照节点电压越限值从大到小进行排序，选中越限最大的节点，等待调节；

步骤3.3、按照灵敏度从大到小的顺序选择分布式电源作为调控目标，优先调节对越限节点电压影响最大的分布式电源，若该分布式电源的无功裕度已达上限，则按顺序依次调节其他分布式电源；若所有分布式电源的无功裕度都达上限，则利用储能装置进行调控；

进行无功补偿时，无功补偿量按照行计算；若调节储能装置，则有功调节量按照进行计算。

综上所述，本发明建立基于长时间尺度的全局优化模型，制定全局调压设备运行指标，并提出短时间尺度的区域自治模型，既可以保障全局的经济性又能满足区局运行的合理性。总之，降低了全局控制中获取信息的频率，减轻了通信频繁的压力，确保了电压的稳定性；区域划分方法综合考虑了网络拓扑结构和电压调节能力，提高了分区结果的可靠性。

Claims (4)

1.一种基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据短期负荷预测和分布式电源出力预测建立全局优化模型，制定全局调压设备整定值；

步骤2、结合电压灵敏度、模块度函数和区域电压调节能力制定综合分区指标，并以综合分区指标为依据，将全局配电网络划分为耦合度小于设定值的分区；

步骤3、建立区域自治模型，实时监控电压运行情况，当节点电压发生越限时，根据该节点所属分区，调控对应区域的调压设备。

2.根据权利要求书1所述的基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法，其特征在于，步骤1所述的根据短期负荷预测和分布式电源出力预测建立全局优化模型，制定全局调压设备整定值，具体如下：

在全局优化控制中，选择电容器组、光伏无功出力以及储能有功充放电功率作为调压设备，以网络损耗最小、电压偏差最小为目标，以潮流方程、电压范围、调压设备出力上下限为约束，利用加权法处理多目标函数问题，利用粒子群优化算法处理此非线性离散模型；

目标函数F₁、F₂计算公式如下：

其中P_loss(t)为t时段系统的有功网损，ΔV(t)为t时段系统的电压偏差；N_k、N_j分别为系统总支路数和总节点数，k、j分别为支路、节点的编号；P_k、Q_k分别为支路k的有功、无功功率；V_k、V_k分别为支路k末端的电压和节点j处的电压；R_k为支路k的电阻；V_n为系统电压基准值；V_min、V_max分别为节点电压允许的最小值和最大值；t表示t时段；

约束条件计算公式如下：

①潮流约束：

其中分别为t时段节点i处的有功功率和无功功率；V_i(t)、V_j(t)分别为节点i、j处的电压；G_ij、B_ij、θ_ij(t)分别为节点i、j之间的电导、电纳和相角差；P_DG，i(t)、Q_DG，i(t)分别为节点i处的DG注入有功、无功功率；P_L，i(t)、Q_L，i(t)分别为节点i处负荷的有功、无功功率；N_CB，i(t)、b_i分别为节点i处投切电容器组数和每组电容器的导纳；

②电压约束：

U_min≤U_i≤U_max

其中U_min、U_max分别为电压幅值上下限，U_i表示支路i的电压幅值；

③控制变量约束：

其中分别为节点i处电容器补偿功率的最小值和最大值；分别为节点i处DG无功出力的最小值和最大值；Q_CB，i(t)为t时段节点i处电容器补偿功率，Q_DG，i(t)为t时段节点i处DG无功出力。

3.根据权利要求书1所述的基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法，其特征在于，步骤2中所述的结合电压灵敏度、模块度函数和区域电压调节能力制定综合分区指标，并以综合分区指标为依据，将全局配电网络划分为耦合度小于设定值的分区，具体如下：

用灵敏度矩阵改进模块度函数的边权矩阵，将区域内储能装置的有功裕度和分布式电源的无功裕度作为电压调节能力参数，将改进的模块度函数和区域电压调节能力作为划分区域的指标值，将全局配电网络按照综合分区指标划分不同区域；

计算公式如下：

灵敏度矩阵：

其中ΔU为节点电压幅值矩阵；A_P＝(J^-1HL-N)^-1为有功电压灵敏度矩阵，A_Q＝(H^-1JN-L)^-1为无功电压灵敏度矩阵，H、N、J、L分别为雅克比矩阵的四个分块矩阵；ΔP为有功功率变化量，ΔQ为无功功率变化量；

改进的模块度函数：

A′＝A_P+A_Q

其中A′为灵敏度矩阵，A′_ij为节点i、j之间的灵敏度值；m′为网络中灵敏度权重之和，k′_i为所有与节点i相连接的节点灵敏度权重之和；c_i为节点i所在的区域编号，如果节点i和j分布在同一个区域，则δ(c_i，c_j)＝1，否则δ(c_i，c_j)＝0；

区域电压调节能力：

其中为区域电压调节系数；为节点i、j之间的无功灵敏度值；为分区内电压最高或最低节点i的电压越限量；为节点i、j之间的有功灵敏度值；Q_j为分区内分布式电源位置节点j的可调无功量，P_j为分区内储能装置位置节点j的可用储能容量’分别为分区内与节点i相连节点调节无功、有功时对节点i的电压改变量；

综合分区指标Q_im：

其中N为分区数，c_k为分区k的编号。

4.根据权利要求书1所述的基于区域划分的多时间尺度主动配电网电压优化控制方法，其特征在于，步骤3所述的建立区域自治模型，实时监控电压运行情况，当节点电压发生越限时，根据该节点所属分区，调控对应区域的调压设备，具体如下：

步骤3.1、根据越限节点所属区域进行分类；

步骤3.2、在每个分区内，按照节点电压越限值从大到小进行排序，选中越限最大的节点，等待调节；

步骤3.3、按照灵敏度从大到小的顺序选择分布式电源作为调控目标，优先调节对越限节点电压影响最大的分布式电源，若该分布式电源的无功裕度已达上限，则按顺序依次调节其他分布式电源；若所有分布式电源的无功裕度都达上限，则利用储能装置进行调控；

进行无功补偿时，无功补偿量按照进行计算；若调节储能装置，则有功调节量按照进行计算。