CN110601224A - 基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法。所述方法具体步骤为：首先，采集存在电压三相不平衡的台区内与电网企业签订需求侧响应合同用户的温控负荷参数和用电信息、环境信息和总用电量等数据；其次，建立以最小化低压台区电压三相不平衡管理成本和用户不舒适性为目标的低压台区电压三相不平衡管理优化模型；然后，利用商业优化软件求解优化模型得到家庭温控负荷优化运行策略，并将其发送给签订需求侧响应合同的用户；最后，用户执行运行策略，完成低压台区电压三相不平衡管理。本发明提出的电压三相不平衡调节方法，充分利用居民侧资源，可兼顾电网企业和用户效益，有效解决低压台区三相不平衡问题。

Description

基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法

技术领域

本发明涉及低压台区电压三相不平衡治理方法，特别涉及一种基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法。

背景技术

由于低压台区中存在大量单相负荷，电压三相不平衡已成为低压台区的突出问题。与此同时，分布式光伏和电动汽车等新型设备并网率增加，扩大了用户用电行为的复杂性和不一致性，将进一步加剧电压三相不平衡问题。电压三相不平衡可增加线路和变压器的电能损耗、降低电动机效率、影响用电设备安全运行等。鉴于三相不平衡问题带来的严重影响，其治理方法研究受到了广泛关注。

传统方法采用更新网络、有载调压、电容器无功补偿和换向开关等方法改善三相不平衡问题，然而这些调节手段安装运维成本高、响应时间慢、灵活性差，难以适应低压台区中由分布式电源出力间歇性、波动性引起的电压频繁波动所带来的电压高频调节需求。

针对以上问题，本发明提供一种基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，通过调动居民需求侧资源，有效改善低压台区三相不平衡问题。

发明内容

为了治理低压台区三相不平衡问题，本发明提供基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，包括以下步骤：

S1、采集存在电压三相不平衡的台区内的与电网企业签订需求侧响应合同的用户的相关数据；

S2、建立以最小化低压台区电压三相不平衡管理成本和用户不舒适性为目标的低压台区电压三相不平衡管理优化模型；

S3、利用商业优化软件求解优化模型得到家庭温控负荷优化运行策略，并将其发送给签订需求侧响应合同的用户；

S4、用户执行运行策略，完成低压台区电压三相不平衡管理。

进一步地，步骤S1中，所述台区为一台低压变压器的供电范围；所述需求侧响应合同为直接负荷控制项目合同；所述温控负荷为电热水器和空调；所述相关数据包括温控负荷参数、用电信息、环境信息和总用电量；所述温控负荷参数包括电热水器和空调的额定功率、电热水器的热阻和热容、空调的能效系数；所述环境信息包括室内温度、室外温度、热水温度和室内散热系数。

进一步地，步骤S2中，所述用户不舒适性用指标用户不舒适度表示，用户不舒适度定义为用户热水温度不舒适度和室内温度不舒适度之和；热水温度不舒适度为热水实际温度与用户设定的热水理想温度之间的距离的平方，室内温度不舒适度为室内实际温度与用户设定的室内理想温度之间的距离的平方，热水温度不舒适度和室内温度不舒适度的数值越大说明热水和室内的实际温度与理想温度偏差越大，对应的用户不舒适度越大，计算公式如下所示：

CI＝CI_AC+CI_EWH (1)

其中，CI为用户不舒适度；CI_AC和CI_EWH分别表示用户室内温度不舒适度和热水温度不舒适度；和分别表示室内实际温度和用户设定的理想温度；θ_EWH和分别表示热水实际温度和用户设定的理想温度。

进一步地，步骤S2中，所述低压台区电压三相不平衡管理成本包括支付给用户的需求侧响应成本和网损；需求侧响应成本最小化目标、网损最小化目标和用户不舒适性最小化目标分别对应f₁、f₂和f₃，计算公式如下：

其中，N_H为参与需求侧响应的总用户数；p_DR为电网企业给参与需求侧响应用户的补偿金额，单位为元/kW；P_origin(k)和P_real(k)分别为第k个用户需求侧响应之前和之后的用电功率，单位为kW；表示变压器的有功损耗，表示线路e的有功损耗；E表示低压台区中线路总数，χ为低压台区中的线路的编号；CI(k)表示第k个用户的不舒适度。

进一步地，步骤S2中，所述低压台区电压三相不平衡管理优化模型的目标函数为：

其中，F_1min、F_2min、F_3min分别为单独对f₁、f₂和f₃求最小化时所对应的F₁、F₂和F₃值；F_1max为单独对f₂和f₃求最小化时所得到的两个F₁中的较大值，F_2max为单独对f₁和f₃求最小化时所得到的两个F₂中的较大值，F_3max为单独对f₁和f₂求最小化时所得到的两个F₃中的较大值；w₁、w₂和w₃分别为优化目标f₁、f₂和f₃对应的权重。

进一步地，步骤S2中，所述低压台区电压三相不平衡管理优化模型的约束条件包括潮流约束、低压台区安全运行约束以及居民温控设备运行约束。

进一步地，所述潮流约束如下所示：

其中，η为低压台区端点总和，低压配电网络中处于相同位置的不同相的多个节点统称为一个端点；α_p＝a,b,c,n为相数集合；ΔI_i,g为第i个端点第g相的电流不平衡量；为基于节点导纳矩阵计算得到的第i个端点第g相的节点注入电流；为基于节点功率和电压计算得到的第i个端点第g相的节点注入电流；；为端点i的h相自阻抗，为端点i和端点j之间g相和h相的互阻抗； 分别为端点i、j在h相的节点电压；分别为端点i在g相的有功功率和无功功率；分别为端点i在g相线电压的实部和虚部；n_g为端点i第g相上的总用户数；P_cload(k_g)为用户k_g除空调、电热水器以外的负荷用电功率之和；P_AC(k_g)为用户k_g的空调用电功率；P_EWH(k_g)为用户k_g的电热水器用电功率；P_PV(k_g)为用户k_g的光伏出力；η_VAR为功率因素。

进一步地，所述低压台区安全运行约束如下：

为实现安全运行，低压台区运行时需满足电流幅值、电压幅值和电压三相不平衡度约束，如下所示：

其中，为端点i、j之间的线路允许流经的最大电流值，为低压台区运行时端点i、j之间的电流幅值；V_i ^h为低压台区运行时端点i的电压幅值；VUF_i为第i个端点的三相不平衡度；和分别为端点i的正负序电压值。

进一步地，所述居民温控设备运行约束如下：

所述居民温控设备为空调和电热水器，这两种设备运行受其额定功率和用户设定的可接受温度范围约束，如下所示：

其中，P_AC(t)和P_EWH(t)分别为t时段用户空调和电热水器的实际用电功率；和分别为空调和电热水器的额定功率；Δt＝t-(t-1),为单位时间间隔；T为优化总时段，t为优化时段的编号；和θ_EWH(t)分别为t时段的室内温度和热水温度；θ_out(t)为t时段的室外温度；α_AC和β_AC分别为室内散热系数和空调的能效系数；和分别为用户设定的室内温度上下限值；R和C分别为热水的热阻和热容；和分别为用户设定的热水温度上下限值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明可适应低压台区中由分布式电源出力间歇性、波动性引起的电压频繁波动所带来的电压高频调节需求；

2)本发明不需要在低压台区中增加装置，因此本发明具有成本低、工程量小的特点。

附图说明

图1为基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法示意图。

图2为本发明实施例中出现电压三相不平衡的6用户低压台区示意图。

图3为本发明实施例中应用本发明提供方法前后6用户低压台区电压三相不平衡度情况对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施做进一步说明。显然所述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，包括以下步骤：

S1、采集存在电压三相不平衡的台区内的与电网企业签订需求侧响应合同的用户的相关数据；

所述台区为一台低压变压器的供电范围；所述需求侧响应合同为直接负荷控制项目合同；所述温控负荷为电热水器和空调；所述相关数据包括温控负荷参数、用电信息、环境信息和总用电量；所述温控负荷参数包括电热水器和空调的额定功率、电热水器的热阻和热容、空调的能效系数；所述环境信息包括室内温度、室外温度、热水温度和室内散热系数。

S2、建立以最小化低压台区电压三相不平衡管理成本和用户不舒适性为目标的低压台区电压三相不平衡管理优化模型；所述低压台区电压三相不平衡管理成本包括支付给用户的需求侧响应成本和网损；

所述用户不舒适性用指标用户不舒适度表示，用户不舒适度定义为用户热水温度不舒适度和室内温度不舒适度之和；热水温度不舒适度为热水实际温度与用户设定的热水理想温度之间的距离的平方，室内温度不舒适度为室内实际温度与用户设定的室内理想温度之间的距离的平方，热水温度不舒适度和室内温度不舒适度的数值越大说明热水和室内的实际温度与理想温度偏差越大，对应的用户不舒适度越大，计算公式如下所示：

CI＝CI_AC+CI_EWH (1)

其中，CI为用户不舒适度；CI_AC和CI_EWH分别表示用户室内温度不舒适度和热水温度不舒适度；和分别表示室内实际温度和用户设定的理想温度；θ_EWH和分别表示热水实际温度和用户设定的理想温度。

进一步地，需求侧响应成本最小化目标、网损最小化目标和用户不舒适性最小化目标分别对应f₁、f₂和f₃，计算公式如下：

其中，N_H为参与需求侧响应的总用户数；p_DR为电网企业给参与需求侧响应用户的补偿金额，单位为元/kW；P_origin(k)和P_real(k)分别为第k个用户需求侧响应之前和之后的用电功率，单位为kW；表示变压器的有功损耗，表示线路e的有功损耗；E表示低压台区中线路总数，χ为低压台区中的线路的编号；CI(k)表示第k个用户的不舒适度。

所述低压台区电压三相不平衡管理优化模型的目标函数为：

其中，F_1min、F_2min、F_3min分别为单独对f₁、f₂和f₃求最小化时所对应的F₁、F₂和F₃值；F_1max为单独对f₂和f₃求最小化时所得到的两个F₁中的较大值，F_2max为单独对f₁和f₃求最小化时所得到的两个F₂中的较大值，F_3max为单独对f₁和f₂求最小化时所得到的两个F₃中的较大值；w₁、w₂和w₃分别为优化目标f₁、f₂和f₃对应的权重，该值由专家打分决定。

所述低压台区电压三相不平衡管理优化模型的约束条件包括潮流约束、低压台区安全运行约束以及居民温控设备运行约束。

进一步地，所述潮流约束如下所示：

其中，η为低压台区端点总和，低压配电网络中处于相同位置的不同相的多个节点统称为一个端点；α_p＝a,b,c,n为相数集合；ΔI_i,g为第i个端点第g相的电流不平衡量；为基于节点导纳矩阵计算得到的第i个端点第g相的节点注入电流；为基于节点功率和电压计算得到的第i个端点第g相的节点注入电流；为端点i的h相自阻抗，为端点i和端点j之间g相和h相的互阻抗；分别为端点i、j在h相的节点电压；分别为端点i在g相的有功功率和无功功率；分别为端点i在g相线电压的实部和虚部；n_g为端点i第g相上的总用户数；P_cload(k_g)为用户k_g除空调、电热水器以外的负荷用电功率之和；P_AC(k_g)为用户k_g的空调用电功率，P_EWH(k_g)为用户k_g的电热水器用电功率；P_PV(k_g)为用户k_g的光伏出力；η_VAR为功率因素。

进一步地，所述低压台区安全运行约束如下：

为实现安全运行，低压台区运行时需满足电流幅值、电压幅值和电压三相不平衡度约束，如下所示：

其中，为端点i、j之间的线路允许流经的最大电流值，为低压台区运行时端点i、j之间的电流幅值；V_i ^h为低压台区运行时端点i的电压幅值；VUF_i为第i个端点的三相不平衡度；V_i ^-和V_i ⁺分别为端点i的正负序电压值。

进一步地，所述居民温控设备运行约束如下：

所述居民温控设备为空调和电热水器，这两种设备运行受其额定功率和用户设定的可接受温度范围约束，如下所示：

其中，P_AC(t)和P_EWH(t)分别为t时段用户空调和电热水器的实际用电功率；和分别为空调和电热水器的额定功率；Δt＝t-(t-1),为单位时间间隔；T为优化总时段，t为优化时段的编号；和θ_EWH(t)分别为t时段的室内温度和热水温度；θ_out(t)为t时段的室外温度；α_AC和β_AC分别为室内散热系数和空调的能效系数；和分别为用户设定的室内温度上下限值；R和C分别为热水的热阻和热容；和分别为用户设定的热水温度上下限值。

S3、利用商业优化软件求解优化模型得到家庭温控负荷优化运行策略，并将其发送给签订需求侧响应合同的用户；

S4、用户执行运行策略，完成低压台区电压三相不平衡管理。

如图2所示，以存在电压三相不平衡的6用户低压台区为例进行仿真计算。此时低压台区A、B、C三相总负载分别为11.3kW、16kW、21.6kW，端点最大电压三相不平衡度为2.31％，超过上限值2％。6用户均参与需求侧响应项目，补偿价格为0.4元/kW。6位居民的空调和电热水器设备参数和用电信息、环境信息如表1所示。三个目标函数的权重分别为0.5、0.2和0.3。此外，假设优化前用户的空调和电热水器的运行目标为室内温度和热水温度尽可能接近理想温度。在这种情况下，用户的空调和电热水器的优化前用电功率如表1所示。

表1

根据基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，采用MATLAB中的IPOPT求解器求解，得到用户空调和电热水器的优化运行策略如表2所示，优化前后的端点电压三相不平衡情况如图3所示。如图3所示，优化后端点最大三相不平衡度降低为1.15％，所有端点电压三相不平衡度均在合格范围内。

表2

综上所述，本发明提供一种基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，通过该方法充分利用居民侧资源，无需在低压台区中增加设备，有效解决低压台区三相不平衡问题。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集存在电压三相不平衡的台区内的与电网企业签订需求侧响应合同的用户的相关数据；

S2、建立以最小化低压台区电压三相不平衡管理成本和用户不舒适性为目标的低压台区电压三相不平衡管理优化模型；

S3、利用商业优化软件求解优化模型得到家庭温控负荷优化运行策略，并将其发送给签订需求侧响应合同的用户；

S4、用户执行运行策略，完成低压台区电压三相不平衡管理。

2.根据权利要求1所述的基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，步骤S1中，所述台区为一台低压变压器的供电范围；所述需求侧响应合同为直接负荷控制项目合同；所述温控负荷为电热水器和空调；所述相关数据包括温控负荷参数、用电信息、环境信息和总用电量；所述温控负荷参数包括电热水器和空调的额定功率、电热水器的热阻和热容、空调的能效系数；所述环境信息包括室内温度、室外温度、热水温度和室内散热系数。

3.根据权利要求1所述的基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，步骤S2中，所述用户不舒适性用指标用户不舒适度表示，用户不舒适度定义为用户热水温度不舒适度和室内温度不舒适度之和；热水温度不舒适度为热水实际温度与用户设定的热水理想温度之间的距离的平方，室内温度不舒适度为室内实际温度与用户设定的室内理想温度之间的距离的平方，热水温度不舒适度和室内温度不舒适度的数值越大说明热水和室内的实际温度与理想温度偏差越大，对应的用户不舒适度越大，计算公式如下所示：

CI＝CI_AC+CI_EWH (1)

其中，CI为用户不舒适度；CI_AC和CI_EWH分别表示用户室内温度不舒适度和热水温度不舒适度；和分别表示室内实际温度和用户设定的理想温度；θ_EWH和分别表示热水实际温度和用户设定的理想温度。

4.根据权利要求1所述的基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，步骤S2中，所述低压台区电压三相不平衡管理成本包括支付给用户的需求侧响应成本和网损；需求侧响应成本最小化目标、网损最小化目标和用户不舒适性最小化目标分别对应f₁、f₂和f₃，计算公式如下：

其中，N_H为参与需求侧响应的总用户数；p_DR为电网企业给参与需求侧响应用户的补偿金额，单位为元/kW；P_origin(k)和P_real(k)分别为第k个用户需求侧响应之前和之后的用电功率，单位为kW；表示变压器的有功损耗，表示线路e的有功损耗；E表示低压台区中线路总数，χ为低压台区中的线路的编号；CI(k)表示第k个用户的不舒适度。

5.根据权利要求1所述的基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，步骤S2中，所述低压台区电压三相不平衡管理优化模型的目标函数为：

其中，F_1min、F_2min、F_3min分别为单独对f₁、f₂和f₃求最小化时所对应的F₁、F₂和F₃值；F_1max为单独对f₂和f₃求最小化时所得到的两个F₁中的较大值，F_2max为单独对f₁和f₃求最小化时所得到的两个F₂中的较大值，F_3max为单独对f₁和f₂求最小化时所得到的两个F₃中的较大值；w₁、w₂和w₃分别为优化目标f₁、f₂和f₃对应的权重。

6.根据权利要求1所述的基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，步骤S2中，所述低压台区电压三相不平衡管理优化模型的约束条件包括潮流约束、低压台区安全运行约束以及居民温控设备运行约束。

7.根据权利要求6所述的基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，所述潮流约束如下所示：

其中，η为低压台区端点总和，低压配电网络中处于相同位置的不同相的多个节点统称为一个端点；α_p＝a,b,c,n为相数集合；ΔI_i,g为第i个端点第g相的电流不平衡量；为基于节点导纳矩阵计算得到的第i个端点第g相的节点注入电流；为基于节点功率和电压计算得到的第i个端点第g相的节点注入电流；为端点i的h相自阻抗，为端点i和端点j之间g相和h相的互阻抗；分别为端点i、j在h相的节点电压；分别为端点i在g相的有功功率和无功功率；分别为端点i在g相线电压的实部和虚部；n_g为端点i第g相上的总用户数；P_cload(k_g)为用户k_g除空调、电热水器以外的负荷用电功率之和；P_AC(k_g)为用户k_g的空调用电功率；P_EWH(k_g)为用户k_g的电热水器用电功率；P_PV(k_g)为用户k_g的光伏出力；η_VAR为功率因素。

8.根据权利要求6所述的基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，所述低压台区安全运行约束如下：

为实现安全运行，低压台区运行时需满足电流幅值、电压幅值和电压三相不平衡度约束，如下所示：

其中，为端点i、j之间的线路允许流经的最大电流值，为低压台区运行时端点i、j之间的电流幅值；V_i ^h为低压台区运行时端点i的电压幅值；VUF_i为第i个端点的三相不平衡度；V_i ^-和V_i ⁺分别为端点i的正负序电压值。

9.根据权利要求6所述的基于家庭温控负荷的低压台区电压三相不平衡调节方法，其特征在于，所述居民温控设备运行约束如下：

所述居民温控设备为空调和电热水器，这两种设备运行受其额定功率和用户设定的可接受温度范围约束，如下所示：

其中，P_AC(t)和P_EWH(t)分别为t时段用户空调和电热水器的实际用电功率；和分别为空调和电热水器的额定功率；Δt＝t-(t-1),为单位时间间隔；T为优化总时段，t为优化时段的编号；和θ_EWH(t)分别为t时段的室内温度和热水温度；θ_out(t)为t时段的室外温度；α_AC和β_AC分别为室内散热系数和空调的能效系数；和分别为用户设定的室内温度上下限值；R和C分别为热水的热阻和热容；和分别为用户设定的热水温度上下限值。