CN110783967B - 基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法及装置，涉及电力系统调度运行技术领域，其中，该方法包括：获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据；根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型；根据虚拟电厂静态安全约束模型构建虚拟电厂出力可行域模型；根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据和可行域顶点枚举算法对虚拟电厂出力可行域模型进行计算得到虚拟电厂出力可行域。该方法可以刻画安全运行允许的虚拟电厂出力可行域，使得虚拟电厂可以参与电力系统优化调度运行和电力现货市场出清，确保调度和出清结果不会违反虚拟电厂内部的安全运行约束，进而可提升系统的安全性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统调度运行技术领域，特别涉及一种基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法及装置。
背景技术
随着分布式风电、光伏、小型燃气轮机、需求响应资源、用户侧储能、电动汽车等各类分布式资源的快速发展和大量接入，传统的输电网与配电网解耦的调度运行模式已经无法适应，这制约了分布式资源的有效利用。同时，当前的电力批发市场仅允许容量较大的发电机组参与，配网内的分布式资源难以直接参与电力市场竞争和资源优化配置。此外，配网内分布式资源运行方式不合理，将可能造成配电网电压越限、潮流阻塞等安全问题。在这一背景下，如何高效聚合配网内的分布式资源参与输电网优化运行、参与电力系统大范围资源优化配置、同时保证配网安全可靠运行，成为我国电力系统调度运行以及分布式资源发展迫切需要解决的现实问题。
虚拟电厂是指将含有分布式发电设施的配电系统等值为一个发电厂，其可以根据电网调度机构的调度指令或电力现货市场的出清结果调节配电系统在并网关口处与输电网交换的有功和无功功率，从而使得配网内的分布式资源可以参与输电网优化运行以及现货市场资源优化配置。将虚拟电厂视作传统发电厂参与输电系统和电力现货市场优化，需要知道虚拟电厂可以提供的有功和无功出力可行范围。已有文献研究了实现虚拟电厂实现分布式发电与配电网协同优化的定价策略和方法，但其没有充分考虑虚拟电厂内的各类安全运行约束。已有文献提出了考虑网络约束的虚拟电厂参与电力市场优化模型，但这一模型需要假设其它各发电设备的成本和物理参数已知，这无法适应实际应用需求。已有文献研究了利用虚拟电厂提供无功支撑和无功辅助服务的机制，但其没有考虑虚拟电厂在不同的有功出力下允许的无功出力范围变化。
现有文献和技术尚无法计算和刻画虚拟电厂出力可行域、无法在虚拟电厂参与输电网和现货市场的优化过程中简洁、有效地考虑虚拟电厂的安全运行约束。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法，该方法将虚拟电厂内各类分布式资源的运行约束以及配电网安全运行约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的显式约束条件，可以刻画安全运行允许的虚拟电厂出力可行域，确保调度和出清结果不会违反虚拟电厂内部的安全运行约束，提升系统的安全性和经济性。
本发明的另一个目的在于提出一种基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法，包括：
S1，获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据；
S2，根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型；
S3，根据所述虚拟电厂静态安全约束模型构建虚拟电厂出力可行域模型；
S4，根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据和可行域顶点枚举算法对所述虚拟电厂出力可行域模型进行计算得到虚拟电厂出力可行域。
本发明实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法，通过将含有分布式电源和需求响应资源的配电网等值为一个虚拟电厂参与输电网的优化调度运行；基于静态安全约束模型，通过约束聚合构建虚拟电厂出力可行域模型；通过一种顶点枚举算法，计算虚拟电厂出力可行域的边界顶点，从而得到描述虚拟电厂出力可行域的线性不等式约束。将虚拟电厂内各类分布式资源的运行约束以及配电网安全运行约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的显式约束条件，可以刻画安全运行允许的虚拟电厂出力可行域，使得虚拟电厂可以像同步发电机一样参与电力系统优化调度运行和电力现货市场出清，确保调度和出清结果不会违反虚拟电厂内部的安全运行约束，进而可提升系统的安全性和经济性。
另外，根据本发明上述实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据，包括：
配网连接拓扑、配电线路的电导和电纳参数、变压器的电导和电纳参数、配电线路传输容量极限、安全运行允许的节点电压上下限、配网内部分布式电源有功和无功出力上下限、配网内部负荷节点的有功和无功负荷预测。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述虚拟电厂静态安全约束模型，包括：
其中，式(1)和式(2)分别为节点i和节点j之间的配电线路的有功和无功潮流方程约束，
分别为配电线路的有功和无功潮流，bij、gij分别为配电电路的串联电纳、串联电导，vi、vj分别为节点i和节点j电压幅值，θi、θj分别为节点i和节点j电压相角，
是节点编号集合，
表示与节点i通过配电线路直接相连的节点编号的集合；
式(3)和式(4)分别是节点有功和无功平衡方程约束，Pi g、
分别是节点i处分布式发电的有功出力和无功出力，Pi d、
分别是节点i的有功负荷和无功负荷，P0、Q0分别是虚拟电厂的有功和无功出力；
式(5)表示节点i和节点j之间的配电线路、配电变压器的传输容量约束，式中
分别是节点i和节点j之间的配电线路和配电变压器的视在功率传输上限，N是对传输容量约束进行分段线性化的分段数；
式(6)表示配网节点电压上下限约束，式中
分别为节点i允许的电压幅值上限和下限；
式(7)为分布式发电的有功和无功出力上下限约束，式中
是节点i的分布式发电的有功出力上下限，
是节点i的分布式发电的无功出力的上下限。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S3进一步包括：
S31，根据所述虚拟电厂静态安全约束模型确定关于(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)的虚拟电厂静态安全约束可行域记Ω：
Ω＝{(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)|s.t.(1)～(7)} (8)
其中，v、θ、Pg、Qg分别是以vi、θi、Pi g、
为元素的向量；
S32，消去虚拟电厂内部状态变量v、θ和内部决策变量Pg、Qg，将虚拟电厂静态安全约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的约束，得到虚拟电厂出力可行域模型：
其中，Φ为所述虚拟电厂出力可行域。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述S4进一步包括：
S41，设定所述虚拟电厂出力可行域的误差限值ε；
S42，根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据计算初始顶点集合和初始近似多边形；
所述虚拟电厂出力可行域Φ的初始顶点集包含4个可行域顶点，通过求解如下优化问题计算得到：
其中，
是优化问题目标函数系数，对
依次取值(1,1)、(1,-1)、 (-1,1)、(-1,-1)，通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器对式(10)进行求解，对应的优化问题最优解记为
vm为第m个初始顶点；将初始顶点构成集合 V0＝{v1,v2,v3,v4}，将可行域顶点集合初始化为V＝V0；将初始顶点构成的多边形各个边界的方程的集合记为FT；对V0中顶点计算平均值，即
S43，初始化新增边界集合FN为空集，即
S44，通过向外平移FT中的边界搜索所述虚拟电厂出力可行域Φ的边界点，对于FT中的第k个边界，边界的方程为f(k):
边界两端的顶点分别为
顶点搜索的计算模型如下：
通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器求解顶点搜索的计算模型，求解得到顶点最优解记为
顶点最优值记为
S45，将顶点最优解加进可行域顶点集合V；
S46，根据设定的所述虚拟电厂出力可行域的误差限值和步骤S44中的顶点搜索的改进量判断是否需要增加待平移边界；
S461，步骤S44中顶点搜索的改进量为：
S462，在Δgk>ε时，分别计算vk与
确定的直线的方程f1 (k)、f2 (k)，将f1 (k)、f2 (k)加入新增边界集合FN，返回步骤S44，使用FT中的第k+1个边界再进行顶点搜索；
S463，在Δgk≤ε时，返回步骤S44，使用FT中的第k+1个边界进行顶点搜索；
S47，对FT中的所有边界方程进行顶点搜索后，判断FN是否为空集；
S471，如果FN不为空集，将待搜索边界集FT更新为FN，即FT←FN，并返回步骤 S43对更新后的FT中的边界进行顶点搜索；
S472，如果FN为空集，则结束，根据顶点集合V中的顶点确定多边形，根据确定的多边形得到所述虚拟电厂出力可行域。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置，包括：
获取模块，用于获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据；
第一构建模块，用于根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型；
第二构建模块，用于根据所述虚拟电厂静态安全约束模型构建虚拟电厂出力可行域模型；
计算模块，用于根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据和可行域顶点枚举算法对所述虚拟电厂出力可行域模型进行计算得到虚拟电厂出力可行域。
本发明实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置，通过将含有分布式电源和需求响应资源的配电网等值为一个虚拟电厂参与输电网的优化调度运行；基于静态安全约束模型，通过约束聚合构建虚拟电厂出力可行域模型；通过一种顶点枚举算法，计算虚拟电厂出力可行域的边界顶点，从而得到描述虚拟电厂出力可行域的线性不等式约束。将虚拟电厂内各类分布式资源的运行约束以及配电网安全运行约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的显式约束条件，可以刻画安全运行允许的虚拟电厂出力可行域，使得虚拟电厂可以像同步发电机一样参与电力系统优化调度运行和电力现货市场出清，确保调度和出清结果不会违反虚拟电厂内部的安全运行约束，进而可提升系统的安全性和经济性。
另外，根据本发明上述实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步，在本发明的一个实施例中，所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据，包括：
配网连接拓扑、配电线路的电导和电纳参数、变压器的电导和电纳参数、配电线路传输容量极限、安全运行允许的节点电压上下限、配网内部分布式电源有功和无功出力上下限、配网内部负荷节点的有功和无功负荷预测。
进一步，在本发明的一个实施例中，所述虚拟电厂静态安全约束模型，包括：
其中，式(1)和式(2)分别为节点i和节点j之间的配电线路的有功和无功潮流方程约束，
分别为配电线路的有功和无功潮流，bij、gij分别为配电电路的串联电纳、串联电导，vi、vj分别为节点i和节点j电压幅值，θi、θj分别为节点i和节点j电压相角，
是节点编号集合，
表示与节点i通过配电线路直接相连的节点编号的集合；
式(3)和式(4)分别是节点有功和无功平衡方程约束，Pi g、
分别是节点i处分布式发电的有功出力和无功出力，Pi d、Qi d分别是节点i的有功负荷和无功负荷，P0、Q0分别是虚拟电厂的有功和无功出力；
式(5)表示节点i和节点j之间的配电线路、配电变压器的传输容量约束，式中
分别是节点i和节点j之间的配电线路和配电变压器的视在功率传输上限，N是对传输容量约束进行分段线性化的分段数；
式(6)表示配网节点电压上下限约束，式中
分别为节点i允许的电压幅值上限和下限；
式(7)为分布式发电的有功和无功出力上下限约束，式中
是节点i的分布式发电的有功出力上下限，
是节点i的分布式发电的无功出力的上下限。
进一步，在本发明的一个实施例中，所述第二构建模块进一步用于：
根据所述虚拟电厂静态安全约束模型确定关于(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)的虚拟电厂静态安全约束可行域记Ω：
Ω＝{(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)|s.t.(1)～(7)} (8)
其中，v、θ、Pg、Qg分别是以vi、θi、Pi g、
为元素的向量；
消去虚拟电厂内部状态变量v、θ和内部决策变量Pg、Qg，将虚拟电厂静态安全约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的约束，得到虚拟电厂出力可行域模型：
其中，Φ为所述虚拟电厂出力可行域。
进一步，在本发明的一个实施例中，所述计算模块，包括：
设定单元，用于设定所述虚拟电厂出力可行域的误差限值ε；
初始顶点与多边形计算单元，用于根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据计算初始顶点集合和初始近似多边形；
所述初始顶点与多边形计算单元具体用于，所述虚拟电厂出力可行域Φ的初始顶点集包含4个可行域顶点，通过求解如下优化问题计算得到：
其中，
是优化问题目标函数系数，对
依次取值(1,1)、(1,-1)、 (-1,1)、(-1,-1)，通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器对式(10)进行求解，对应的优化问题最优解记为
vm为第m个初始顶点；将初始顶点构成集合 V0＝{v1,v2,v3,v4}，将可行域顶点集合初始化为V＝V0；将初始顶点构成的多边形各个边界的方程的集合记为FT；对V0中顶点计算平均值，即
新增边界初始化单元，用于初始化新增边界集合FN为空集，即
顶点搜索单元，用于通过向外平移FT中的边界搜索所述虚拟电厂出力可行域Φ的边界点，对于FT中的第k个边界，边界的方程为f(k):
边界两端的顶点分别为
顶点搜索的计算模型如下：
通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器求解顶点搜索的计算模型，求解得到顶点最优解记为
顶点最优值记为
加入单元，用于将顶点最优解加进可行域顶点集合V；
第一判断单元，根据设定的所述虚拟电厂出力可行域的误差限值和所述顶点搜索单元中的顶点搜索的改进量判断是否需要增加待平移边界；
所述第一判断单元，具体用于，顶点搜索的改进量为：
在Δgk>ε时，分别计算vk与
确定的直线的方程f1 (k)、f2 (k)，将f1 (k)、f2 (k)加入新增边界集合FN，返回所述顶点搜索单元，使用FT中的第k+1个边界再进行顶点搜索；
在Δgk≤ε时，返回所述顶点搜索单元，使用FT中的第k+1个边界进行顶点搜索；
第二判断单元，对FT中的所有边界方程进行顶点搜索后，判断FN是否为空集；
如果FN不为空集，将待搜索边界集FT更新为FN，即FT←FN，并返回所述新增边界初始化单元对更新后的FT中的边界进行顶点搜索；
如果FN为空集，则结束，根据顶点集合V中的顶点确定多边形，根据确定的多边形得到所述虚拟电厂出力可行域。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法流程图；
图2为根据本发明一个实施例的通过顶点枚举算法计算虚拟电厂出力可行域的具体流程图；
图3为根据本发明又一个实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法流程图；
图4为根据本发明一个实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法及装置。
首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法。
图1为根据本发明一个实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法流程图。
如图1所示，该基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法包括以下步骤：
步骤S1，获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据。
具体地，虚拟电厂是指将含有分布式光伏、分布式风电、小型燃气轮机、需求响应资源等分布式发电设施的配电系统等值为一个发电厂，可以根据电网调度机构的调度指令或电力现货市场的出清结果调节配电系统在并网关口处与输电网交换的有功和无功功率。
获取的虚拟电厂内部配电系统运行基础数据包括：虚拟电厂内部配电系统运行基础数据包括配网连接拓扑、配电线路的电导和电纳参数、变压器的电导和电纳参数、配电线路传输容量极限、安全运行允许的节点电压上下限、配网内部分布式电源有功和无功出力上下限、配网内部负荷节点的有功和无功负荷预测。
步骤S2，根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型。
在获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据之后，根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型。
虚拟电厂静态安全约束模型，表达式如下：
其中，式(1)和式(2)分别为节点i和节点j之间的配电线路ij的有功和无功潮流方程约束，
分别为配电线路的有功和无功潮流，bij、gij分别为配电电路的串联电纳、串联电导，vi、vj分别为节点i和节点j电压幅值，θi、θj分别为节点i和节点j电压相角，
是节点编号集合，
表示与节点i通过配电线路直接相连的节点编号的集合；
式(3)和式(4)分别是节点有功和无功平衡方程约束，Pi g、
分别是节点i处分布式发电的有功出力和无功出力，Pi d、
分别是节点i的有功负荷和无功负荷，P0、Q0分别是虚拟电厂的有功和无功出力；
式(5)表示配电线路ij、配电变压器的传输容量约束，式中
分别是配电线路ij和配电变压器的视在功率传输上限，N是对传输容量约束进行分段线性化的分段数；
式(6)表示配网节点电压上下限约束，式中
分别为节点i允许的电压幅值上限和下限；
式(7)为分布式发电的有功和无功出力上下限约束，式中
是节点i的分布式发电的有功出力上下限，
是节点i的分布式发电的无功出力的上下限。
步骤S3，根据虚拟电厂静态安全约束模型构建虚拟电厂出力可行域模型。
具体地，根据上面得到的虚拟电厂静态安全约束模型，及约束聚合理论构建电厂出力可行域模型，包括：
S31，根据虚拟电厂静态安全约束模型(式(1)-式(7))确定关于(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)的虚拟电厂静态安全约束可行域记Ω：
Ω＝{(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)|s.t.(1)～(7)} (8)
其中，v、θ、Pg、Qg分别是以vi、θi、Pi g、
为元素的向量；
S32，消去虚拟电厂内部状态变量v、θ和内部决策变量Pg、Qg，将虚拟电厂静态安全约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的约束，得到虚拟电厂出力可行域模型：
其中，Φ为虚拟电厂出力可行域，其是二维空间中的一个有界区域；该模型将虚拟电厂内各类分布式资源的运行约束以及配网安全运行约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的可行域，其可以保证任何满足约束Φ的虚拟电厂出力(P0,Q0)均可以被虚拟电厂内部的配电系统执行且不会违反静态安全约束。
步骤S4，根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据和可行域顶点枚举算法对虚拟电厂出力可行域模型进行计算得到虚拟电厂出力可行域。
采用一种可行域顶点枚举算法计算步骤S3中构建的虚拟电厂出力可行域：该可行域顶点枚举算法通过向外平移已有近似多边形的边、搜索Φ的新顶点，并使用新搜索得到的顶点更新近似多边形，由此不断逼近真实的虚拟电厂出力可行域；如图2所示，使用该顶点枚举算法计算虚拟电厂出力可行域的具体流程叙述如下：
S41，算法的输入包括虚拟电厂内部配电系统运行基础数据、预先设定的虚拟电厂出力可行域的误差限值ε(典型取值为0.01～0.05，可根据计算的精度需求设定)。
S42，根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据计算初始顶点集合和初始近似多边形。
虚拟电厂出力可行域Φ的初始顶点集包含4个可行域顶点，通过求解如下优化问题计算得到：
其中，
是优化问题目标函数系数，对
依次取值(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1)，通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器对式(10)进行求解，对应的优化问题最优解记为
vm为第m个初始顶点；将初始顶点构成集合 V0＝{v1,v2,v3,v4}，将可行域顶点集合初始化为V＝V0；将初始顶点构成的多边形各个边界的方程的集合记为FT；对V0中顶点计算平均值，即
S43，初始化新增边界集合FN为空集，即
S44，顶点搜索：通过向外平移FT中的边界搜索虚拟电厂出力可行域Φ的边界点，对于FT中的第k个边界，边界的方程为f(k):
边界两端的顶点分别为
顶点搜索的计算模型如下：
通过非线性优化算法(如原对偶内点法)或调用非线性优化求解器(如IPOPT)求解顶点搜索的计算模型，求解得到顶点最优解记为
顶点最优值记为
S45，更新顶点集：将顶点最优解加进可行域顶点集合V。
S46，根据设定的虚拟电厂出力可行域的误差限值和步骤S44中的顶点搜索的改进量判断是否需要增加待平移边界。
S461，步骤S44中顶点搜索的改进量为：
S462，在Δgk>ε时，分别计算vk与
确定的直线的方程f1 (k)、f2 (k)，将f1 (k)、f2 (k)加入新增边界集合FN，返回步骤S44，使用FT中的第k+1个边界再进行顶点搜索；
S463，在Δgk≤ε时，返回步骤S44，使用FT中的第k+1个边界进行顶点搜索；
S47，判断算法是否终止：对FT中的所有边界方程进行顶点搜索后，通过判断FN是否为空集判断算法是否终止；
S471，如果FN不为空集，即
将待搜索边界集FT更新为FN，即FT←FN，并返回步骤S43对更新后的FT中的边界进行顶点搜索；
S472，如果FN为空集，即
则算法终止，根据顶点集合V中的顶点确定多边形，根据确定的多边形得到虚拟电厂出力可行域。
顶点集合V中的顶点确定的多边形即为虚拟电厂出力可行域的计算结果，该多边形的各边界不等式即为表征虚拟电厂出力可行域的线性不等式约束。
如图3所示，为本发明实施例的整体流程图，通过获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据，构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型，再基于约束聚合理论构建虚拟电厂出力可行域模型，采用一种可行域顶点枚举算法计算虚拟电厂出力可行域。
通过上述方法，填补了在虚拟电厂参与输电网和现货市场的优化过程中无法有效考虑虚拟电厂出力可行域的技术空白。将虚拟电厂内各类分布式资源的运行约束以及配网安全运行约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的显式约束条件，刻画安全运行允许的虚拟电厂出力可行域，从而使得虚拟电厂可以像同步发电机一样参与电力系统优化调度运行和电力现货市场出清，可保证对虚拟电厂的调度和出清结果不会违反虚拟电厂安全运行约束，有利于提升电力系统运行的安全性、经济性。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置。
图4为根据本发明一个实施例的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置结构示意图。
如图4所示，该基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置包括：获取模块100、第一构建模块200、第二构建模块300和计算模块400。
获取模块100，用于获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据。
第一构建模块200，用于根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型。
第二构建模块300，用于根据虚拟电厂静态安全约束模型构建虚拟电厂出力可行域模型。
计算模块400，用于根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据和可行域顶点枚举算法对虚拟电厂出力可行域模型进行计算得到虚拟电厂出力可行域。
该装置使得虚拟电厂可以像同步发电机一样参与电力系统优化调度运行和电力现货市场出清，可保证对虚拟电厂的调度和出清结果不会违反虚拟电厂安全运行约束，有利于提升电力系统运行的安全性、经济性。
进一步，在本发明的一个实施例中，虚拟电厂内部配电系统运行基础数据，包括：
配网连接拓扑、配电线路的电导和电纳参数、变压器的电导和电纳参数、配电线路传输容量极限、安全运行允许的节点电压上下限、配网内部分布式电源有功和无功出力上下限、配网内部负荷节点的有功和无功负荷预测。
进一步，在本发明的一个实施例中，虚拟电厂静态安全约束模型，包括：
其中，式(1)和式(2)分别为节点i和节点j之间的配电线路ij的有功和无功潮流方程约束，
分别为配电线路的有功和无功潮流，bij、gij分别为配电电路的串联电纳、串联电导，vi、vj分别为节点i和节点j电压幅值，θi、θj分别为节点i和节点j电压相角，
是节点编号集合，
表示与节点i通过配电线路直接相连的节点编号的集合；
式(3)和式(4)分别是节点有功和无功平衡方程约束，
分别是节点i处分布式发电的有功出力和无功出力，Pi d、
分别是节点i的有功负荷和无功负荷，P0、Q0分别是虚拟电厂的有功和无功出力；
式(5)表示配电线路ij、配电变压器的传输容量约束，式中
分别是配电线路 ij和配电变压器的视在功率传输上限，N是对传输容量约束进行分段线性化的分段数；
式(6)表示配网节点电压上下限约束，式中
分别为节点i允许的电压幅值上限和下限；
式(7)为分布式发电的有功和无功出力上下限约束，式中
是节点i的分布式发电的有功出力上下限，
是节点i的分布式发电的无功出力的上下限。
进一步，在本发明的一个实施例中，第二构建模块进一步用于：
根据虚拟电厂静态安全约束模型确定关于(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)的虚拟电厂静态安全约束可行域记Ω：
Ω＝{(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)|s.t.(1)～(7)} (8)
其中，v、θ、Pg、Qg分别是以vi、θi、Pi g、
为元素的向量；
消去虚拟电厂内部状态变量v、θ和内部决策变量Pg、Qg，将虚拟电厂静态安全约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的约束，得到虚拟电厂出力可行域模型：
其中，Φ为虚拟电厂出力可行域。
进一步，在本发明的一个实施例中，计算模块，包括：
设定单元，用于设定虚拟电厂出力可行域的误差限值ε；
初始顶点与多边形计算单元，用于根据虚拟电厂内部配电系统运行基础数据计算初始顶点集合和初始近似多边形；
初始顶点与多边形计算单元具体用于，虚拟电厂出力可行域Φ的初始顶点集包含4个可行域顶点，通过求解如下优化问题计算得到：
其中，
是优化问题目标函数系数，对
依次取值(1,1)、(1,-1)、 (-1,1)、(-1,-1)，通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器对式(10)进行求解，对应的优化问题最优解记为
vm为第m个初始顶点；将初始顶点构成集合 V0＝{v1,v2,v3,v4}，将可行域顶点集合初始化为V＝V0；将初始顶点构成的多边形各个边界的方程的集合记为FT；对V0中顶点计算平均值，即
新增边界初始化单元，用于初始化新增边界集合FN为空集，即
顶点搜索单元，用于通过向外平移FT中的边界搜索虚拟电厂出力可行域Φ的边界点，对于FT中的第k个边界，边界的方程为f(k):
边界两端的顶点分别为
顶点搜索的计算模型如下：
通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器求解顶点搜索的计算模型，求解得到顶点最优解记为
顶点最优值记为
加入单元，用于将顶点最优解加进可行域顶点集合V；
第一判断单元，根据设定的虚拟电厂出力可行域的误差限值和顶点搜索单元中的顶点搜索的改进量判断是否需要增加待平移边界；
第一判断单元，具体用于，顶点搜索的改进量为：
在Δgk>ε时，分别计算vk与
确定的直线的方程f1 (k)、f2 (k)，将f1 (k)、f2 (k)加入新增边界集合FN，返回顶点搜索单元，使用FT中的第k+1个边界再进行顶点搜索；
在Δgk≤ε时，返回顶点搜索单元，使用FT中的第k+1个边界进行顶点搜索；
第二判断单元，对FT中的所有边界方程进行顶点搜索后，判断FN是否为空集；
如果FN不为空集，将待搜索边界集FT更新为FN，即FT←FN，并返回新增边界初始化单元对更新后的FT中的边界进行顶点搜索；
如果FN为空集，则结束，根据顶点集合V中的顶点确定多边形，根据确定的多边形得到虚拟电厂出力可行域。
需要说明的是，前述对基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置，通过将含有分布式电源和需求响应资源的配电网等值为一个虚拟电厂参与输电网的优化调度运行；基于静态安全约束模型，通过约束聚合构建虚拟电厂出力可行域模型；通过一种顶点枚举算法，计算虚拟电厂出力可行域的边界顶点，从而得到描述虚拟电厂出力可行域的线性不等式约束。将虚拟电厂内各类分布式资源的运行约束以及配电网安全运行约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的显式约束条件，可以刻画安全运行允许的虚拟电厂出力可行域，使得虚拟电厂可以像同步发电机一样参与电力系统优化调度运行和电力现货市场出清，确保调度和出清结果不会违反虚拟电厂内部的安全运行约束，进而可提升系统的安全性和经济性。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据；
S2，根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型；
S3，根据所述虚拟电厂静态安全约束模型构建虚拟电厂出力可行域模型；
所述虚拟电厂静态安全约束模型，包括：
其中，式(1)和式(2)分别为节点i和节点j之间的配电线路的有功和无功潮流方程约束，
分别为配电线路的有功和无功潮流，bij、gij分别为配电线路的串联电纳、串联电导，vi、vj分别为节点i和节点j电压幅值，θi、θj分别为节点i和节点j电压相角，
是节点编号集合，
表示与节点i通过配电线路直接相连的节点编号的集合；
式(3)和式(4)分别是节点有功和无功平衡方程约束，Pi g、
分别是节点i处分布式发电的有功出力和无功出力，Pi d、
分别是节点i的有功负荷和无功负荷，P0、Q0分别是虚拟电厂的有功和无功出力；
式(5)表示节点i和节点j之间的配电线路、配电变压器的传输容量约束，式中
分别是节点i和节点j之间的配电线路和配电变压器的视在功率传输上限；
式(6)表示配网节点电压上下限约束，式中
分别为节点i允许的电压幅值上限和下限；
式(7)为分布式发电的有功和无功出力上下限约束，式中
是节点i的分布式发电的有功出力上下限，
是节点i的分布式发电的无功出力的上下限；
S3进一步包括：
S31，根据所述虚拟电厂静态安全约束模型确定关于(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)的虚拟电厂静态安全约束可行域记Ω：
Ω＝{(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)|s.t.(1)～(7)} (8)
其中，v、θ、Pg、Qg分别是以vi、θi、Pi g、
为元素的向量；
S32，消去虚拟电厂内部状态变量v、θ和内部决策变量Pg、Qg，将虚拟电厂静态安全约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的约束，得到虚拟电厂出力可行域模型：
其中，Φ为所述虚拟电厂出力可行域；
S4，根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据和可行域顶点枚举算法对所述虚拟电厂出力可行域模型进行计算得到虚拟电厂出力可行域；
S4进一步包括：
S41，设定所述虚拟电厂出力可行域的误差限值ε；
S42，根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据计算初始顶点集合和初始近似多边形；
所述虚拟电厂出力可行域Φ的初始顶点集包含4个可行域顶点，通过求解如下优化问题计算得到：
其中，
是优化问题目标函数系数，对
依次取值(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1)，通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器对式(10)进行求解，对应的优化问题最优解记为
vm为第m个初始顶点；将初始顶点构成集合V0＝{v1,v2,v3,v4}，将可行域顶点集合初始化为V＝V0；将初始顶点构成的多边形各个边界的方程的集合记为FT；对V0中顶点计算平均值，即
S43，初始化新增边界集合FN为空集，即
S44，通过向外平移FT中的边界搜索所述虚拟电厂出力可行域Φ的边界点，对于FT中的第k个边界，边界的方程为
边界两端的顶点分别为
顶点搜索的计算模型如下：
通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器求解顶点搜索的计算模型，求解得到顶点最优解记为
顶点最优值记为
S45，将顶点最优解加进可行域顶点集合V；
S46，根据设定的所述虚拟电厂出力可行域的误差限值和步骤S44中的顶点搜索的改进量判断是否需要增加待平移边界；
S461，步骤S44中顶点搜索的改进量为：
S462，在Δgk>ε时，分别计算vk与
确定的直线的方程f1 (k)、
将f1 (k)、
加入新增边界集合FN，返回步骤S44，使用FT中的第k+1个边界再进行顶点搜索；
S463，在Δgk≤ε时，返回步骤S44，使用FT中的第k+1个边界进行顶点搜索；
S47，对FT中的所有边界方程进行顶点搜索后，判断FN是否为空集；
S471，如果FN不为空集，将待搜索边界集FT更新为FN，即FT←FN，并返回步骤S43对更新后的FT中的边界进行顶点搜索；
S472，如果FN为空集，则结束，根据顶点集合V中的顶点确定多边形，根据确定的多边形得到所述虚拟电厂出力可行域。
2.根据权利要求1所述的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识方法，其特征在于，所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据，包括：
配网连接拓扑、配电线路电导和电纳参数、变压器的电导和电纳参数、配电线路传输容量极限、安全运行允许的节点电压上下限、配网内部分布式电源有功和无功出力上下限、配网内部负荷节点的有功和无功负荷预测。
3.一种基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取虚拟电厂内部配电系统运行基础数据；
第一构建模块，用于根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据构建基于交流潮流方程的虚拟电厂静态安全约束模型；
第二构建模块，用于根据所述虚拟电厂静态安全约束模型构建虚拟电厂出力可行域模型；所述虚拟电厂静态安全约束模型，包括：
其中，式(1)和式(2)分别为节点i和节点j之间的配电线路的有功和无功潮流方程约束，
分别为配电线路的有功和无功潮流，bij、gij分别为配电线路的串联电纳、串联电导，vi、vj分别为节点i和节点j电压幅值，θi、θj分别为节点i和节点j电压相角，
是节点编号集合，
表示与节点i通过配电线路直接相连的节点编号的集合；
式(3)和式(4)分别是节点有功和无功平衡方程约束，Pi g、
分别是节点i处分布式发电的有功出力和无功出力，Pi d、
分别是节点i的有功负荷和无功负荷，P0、Q0分别是虚拟电厂的有功和无功出力；
式(5)表示节点i和节点j之间的配电线路、配电变压器的传输容量约束，式中
分别是节点i和节点j之间的配电线路和配电变压器的视在功率传输上限；
式(6)表示配网节点电压上下限约束，式中
分别为节点i允许的电压幅值上限和下限；
式(7)为分布式发电的有功和无功出力上下限约束，式中
是节点i的分布式发电的有功出力上下限，
是节点i的分布式发电的无功出力的上下限；
所述第二构建模块进一步用于：
根据所述虚拟电厂静态安全约束模型确定关于(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)的虚拟电厂静态安全约束可行域记Ω：
Ω＝{(v,θ,Pg,Qg,P0,Q0)|s.t.(1)～(7)} (8)
其中，v、θ、Pg、Qg分别是以vi、θi、Pi g、
为元素的向量；
消去虚拟电厂内部状态变量v、θ和内部决策变量Pg、Qg，将虚拟电厂静态安全约束聚合为关于虚拟电厂有功和无功出力的约束，得到虚拟电厂出力可行域模型：
其中，Φ为所述虚拟电厂出力可行域；
计算模块，用于根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据和可行域顶点枚举算法对所述虚拟电厂出力可行域模型进行计算得到虚拟电厂出力可行域；
所述计算模块，包括：
设定单元，用于设定所述虚拟电厂出力可行域的误差限值ε；
初始顶点与多边形计算单元，用于根据所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据计算初始顶点集合和初始近似多边形；
所述初始顶点与多边形计算单元具体用于，所述虚拟电厂出力可行域Φ的初始顶点集包含4个可行域顶点，通过求解如下优化问题计算得到：
其中，
是优化问题目标函数系数，对
依次取值(1,1)、(1,-1)、(-1,1)、(-1,-1)，通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器对式(10)进行求解，对应的优化问题最优解记为
vm为第m个初始顶点；将初始顶点构成集合V0＝{v1,v2,v3,v4}，将可行域顶点集合初始化为V＝V0；将初始顶点构成的多边形各个边界的方程的集合记为FT；对V0中顶点计算平均值，即
新增边界初始化单元，用于初始化新增边界集合FN为空集，即
顶点搜索单元，用于通过向外平移FT中的边界搜索所述虚拟电厂出力可行域Φ的边界点，对于FT中的第k个边界，边界的方程为
边界两端的顶点分别为
顶点搜索的计算模型如下：
通过非线性优化算法或调用非线性优化求解器求解顶点搜索的计算模型，求解得到顶点最优解记为
顶点最优值记为
加入单元，用于将顶点最优解加进可行域顶点集合V；
第一判断单元，根据设定的所述虚拟电厂出力可行域的误差限值和所述顶点搜索单元中的顶点搜索的改进量判断是否需要增加待平移边界；
所述第一判断单元，具体用于，顶点搜索的改进量为：
在Δgk>ε时，分别计算vk与
确定的直线的方程f1 (k)、
将f1 (k)、
加入新增边界集合FN，返回所述顶点搜索单元，使用FT中的第k+1个边界再进行顶点搜索；
在Δgk≤ε时，返回所述顶点搜索单元，使用FT中的第k+1个边界进行顶点搜索；
第二判断单元，对FT中的所有边界方程进行顶点搜索后，判断FN是否为空集；
如果FN不为空集，将待搜索边界集FT更新为FN，即FT←FN，并返回所述新增边界初始化单元对更新后的FT中的边界进行顶点搜索；
如果FN为空集，则结束，根据顶点集合V中的顶点确定多边形，根据确定的多边形得到所述虚拟电厂出力可行域。
4.根据权利要求3所述的基于约束聚合的虚拟电厂出力可行域辨识装置，其特征在于，所述虚拟电厂内部配电系统运行基础数据，包括：
配网连接拓扑、配电线路的电导和电纳参数、变压器的电导和电纳参数、配电线路传输容量极限、安全运行允许的节点电压上下限、配网内部分布式电源有功和无功出力上下限、配网内部负荷节点的有功和无功负荷预测。
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