CN110808579A - 主动配电网源网荷协调运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动配电网源网荷协调运行方法。分析主动配电网源网荷协调运行涵义，建立源网荷协调运行指标体系，构建源网荷协调运行优化模型及其求解算法，具体步骤为：1)分析主动配电网源网荷协调运行的具体涵义；2)建立用于评价电网源网荷运行的综合评价指标体系；3)建立源网荷协调运行优化模型；3)将蚁群算法和目标函数相结合，得出具体的处理方法。本发明可以提高对分布式电源的消纳能力，避免了对自然资源的过度浪费，降低分布式能源发电的弃电率，使全网运行在一个更安全、更经济、更环保的状态下，从而提高经济效益和环境效益。

Description

主动配电网源网荷协调运行方法

技术领域

本发明属于智能电网领域，具体地说，是一种主动配电网源网荷协调运行方法。

背景技术

随着经济不断发展，社会对电力需求的持续增长，但是传统能源的短缺问题愈发严重，迫切需要电力市场不断开放以驱动电网朝着高效、灵活、智能和可持续方式发展，以适应未来的技术需求。可持续性是未来电网的基础特征，其主要表现为分布式电源尤其是可再生能源的规模化接入与应用，如风力发电、光伏发电、生物质能等等。

目前电网侧尤其是配电网仍然存在可再生能源消纳能力不足、一次网架薄弱、自动化水平不高、调度方式落后以及用电互动化水平较低等问题，严重制约了可再生能源的高度渗透，不利于能源结构的优化调整。针对这些问题，在2008年国际大电网会议上提出了主动配电网概念，旨在解决电网兼容及应用大规模间歇式可再生能源，提升绿色能源利用率，优化一次能源结构等问题，使传统配电网由被动变为主动，以此适应大规模新能源的接入。

主动配电网中源荷互动方面的研究极少，一个重要的问题就是如何消纳大量的可再生能源问题，达到调峰的目的，但目前大多数情况下仍然使用的是发电量跟踪负荷的传统控制模式，没有充分发挥负荷在电网调节方面的积极作用，也就没有完全实现真正意义上的“源荷互动”，缺乏对用户侧指标以及系统互动水平的考虑，不能反映系统源网荷运行水平，已经不适应智能电网协调运行的评价要求了。

因此，本发明专利是

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑电源侧、电网侧、用户侧三个方面的主动配电网源网荷协调运行方法，通过建立全局优化指标体系，建立数学模型，用蚂蚁群算法求解该数学模型，从而解决主动配电网源网荷协调运行的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种主动配电网源网荷协调运行方法，包括以下步骤：

步骤一、按照电源侧、电网侧和负荷侧的顺序，对源网荷各侧的特性进行分析，包括分布式电源特性、柔性负荷、电网侧的柔性，给出主动配电网源网荷多目标协调运行的涵义；

步骤二、基于步骤一中的源网荷协调运行的定义，建立用于评价电网源网荷运行的综合评价指标体系；

步骤三、根据节约运行费用，减少环境污染、保证用户侧互动的需求，选取体系中的能源消耗、环境影响、需求侧响应成本的指标建立源网荷协调运行数学优化模型；

步骤四、将蚁群算法和数学模型相结合，根据指标体系中的指标参数，对参数和数据进行处理，采用蚁群优化算法进行数据处理，得出配电网源网荷协调运行的方法。

进一步，步骤一中，按照电源侧、电网侧和负荷侧的顺序，对各侧的特性进行了详细地分析，包括分布式电源特性、柔性负荷、电网侧的柔性等；其次，对源网荷协调运行所包含的源源互补、源网协调、源荷协调以及网荷互动等各种交互模式进行了总结；最后，在上述分析的基础上，对源网荷协调运行的涵义给出了明确的定义。

进一步，步骤二中，明确了指标体系建立的基本原则和思路；其次，从电源侧指标、电网侧指标、用户侧指标以及互动水平指标等四个方面进行指标分析，而在构建各侧指标体系时，着重强调了安全、经济以及环保的水平；再次，对各个指标的具体计算方法进行了详细地论述；最后，归纳得出用于评价电网源网荷协调运行的综合评价指标体系。

进一步，步骤三中，据协调运行的目标，构建了以总成本最小为优化目标的目标函数，其中总成本包括机组运行成本、环境成本以及需求侧响应三方面，并根据实际情况，提出了所建数学模型应满足的一系列约束条件。

进一步，步骤四中，将蚁群算法和数学模型相结合，得出具体的处理方法和求解策略，得出使全网运行在一个更安全、更经济、更环保的状态下的运行机制。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)提出主动配电网源网荷多目标协调运行的指标体系，研究电源侧指标，包括电源利用效率、发电运行成本等；研究电网侧指标，包括电网运行效率、电网可靠性等；研究负荷侧指标，包括用户调峰成本等。通过源网荷三者运行指标，提出优化的全局指标；(2)剖析了主动配电网源网荷协调运行的内部机理，建立了分布式电源、电网和柔性负荷的数学分析模型，改进了现有优化问题的目标函数，最后用优化的蚁群算法求解。从而得到实现源网荷协调运行，达到节约成本，保护环境的目的。

附图说明

图1是本发明的主动配电网源网荷协调运行方法流程图。

图2是Sigmoid函数曲线图。

图3是本发明的蚁群算法流程图。

图中：1为分析源网荷协调运行内涵，2为构建综合指标体系，3为建立数学模型，4为用蚁群算法得出运行方案。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

本发明一种主动配电网源网荷协调运行方法，配置方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、按照电源侧、电网侧和负荷侧的顺序，对源网荷各侧的特性进行分析，包括分布式电源特性、柔性负荷、电网侧的柔性，给出主动配电网源网荷多目标协调运行的涵义；

步骤二、构建智能电网综合评价体系的基本原则和思路，对各指标进行分析，归纳得出用于评价电网源网荷协调运行的综合评价指标体系；

步骤三、选取体系中的能源消耗、环境影响、需求侧响应成本指标，构造目标函数及约束条件；

步骤四、根据指标体系中的指标参数，对参数和数据进行处理，采用蚁群优化算法进行数据处理，得出配电网源网荷协调运行的方法。

进一步，步骤一中，按照电源侧、电网侧和负荷侧的顺序，对各侧的特性进行了详细地分析，包括分布式电源特性、柔性负荷、电网侧的柔性等；其次，对源网荷协调运行所包含的源源互补、源网协调、源荷协调以及网荷互动等各种交互模式进行了总结；最后，在上述分析的基础上，对源网荷协调运行的涵义给出了明确的定义。

进一步，步骤一中，主动配电网中的分布式电源包括风力发电、光伏发电以及小型柴油机发电，储能系统采用广泛使用的铅酸蓄电池，分别对其进行模型的分析。步骤一中所述主动配电网源网荷多目标协调运行的涵义：以电网安全可靠、经济环保和良好互动为只要目标，依托各种监控手段，通过各种交互方法，充分协调调度电源侧、电网侧和负荷侧可以调动的资源，实现配电网中电源、网络、负荷共同参与并优化系统运行。提高对可再生能源的消纳能力，实现源网荷三方面的良好互动，保证配电网安全可靠、优质高效运行。

进一步，步骤二中，明确了指标体系建立的基本原则和思路；其次，从电源侧指标、电网侧指标、用户侧指标以及互动水平指标等四个方面进行指标分析，而在构建各侧指标体系时，着重强调了安全、经济以及环保的水平；再次，对各个指标的具体计算方法进行了详细地论述；最后，归纳得出用于评价电网源网荷协调运行的综合评价指标体系。

进一步，步骤二中的电源侧指标体系包括电源侧安全性指标、电源侧经济指标和电源侧的环保指标。电网侧指标体系包括电网侧安全性指标、电网侧经济性指标和电网侧环境友好指标。用户侧的评价指标体系包括用电满意度、负荷侧经济性指标。互动水平指标包括分布式电源/储能设备占比和激励用电量占比、系统最大可消纳分布式电源占比、系统互动潜能、智能电表安装率、供电协调性。通过对上述指标的分析，建立入下表所示的综合指标体系。

用于评价电网源网荷运行的综合评价指标体系，包括电源侧指标、电网侧指标、负荷侧指标以及互动水平指标，如下表所示：

进一步，步骤三中，根据节约运行费用，减少环境污染、保证用户侧互动的需求，建立数学模型。

能源的消耗数学模型，风电机组不消耗燃料，也不排放污染物，故在描述中不予考虑。所以火电机组成为了主要对象。数学表达式为：

式(1)中，N为机组的数目；T为优化时间区域的时间段数目；F为运行费用；P_ij为机组i在时间段j的时间内机组出力；C_i(P_ij)表示在时间段j的时间内，机组i的能源消耗，一般情况下，损耗可以近似表示为出力的二次函数：

a_i，b_i，c_i为第i机组的消耗系数，S_ij表示机组的启动能耗系数，分为热启动成本和冷启动成本，具体取值与机组运行的状态有关，由以下情况决定：

式(3)中C_HS，i，C_CS，i分别为机组i的热启动成本和冷启动成本。t_ij表示在第j时间段机组i已经连续运行的时间。当连续运行时，该值表示为正数；当连续停运时，该值表示为负数。T_CS，i表示机组i的冷启动时间。

环境影响数学模型，主要考虑二氧化碳和二氧化硫的排放量。将这两种主要的污染物表示成机组出力的二次函数，体现在目标函数里边就是：

式(4)(5)表示排放的质量，还需换算成惩罚成本，乘以各自的惩罚系数：

F_s＝ρ_sE_s (6)

F_c＝ρ_cE_c (7)

其中，E_s表示二氧化硫排放量，α_si、β_si、γ_si分别表示机组i二氧化硫排放量关于机组i出力的二次函数各项系数；E_c表示二氧化碳的排放量，α_ci、β_ci、γ_ci分别表示机组i二氧化碳排放量关于机组i出力的二次函数各项系数；F_c表示二氧化碳排放的惩罚成本；F_s表示二氧化硫排放的惩罚成本。

需求侧响应调用成本的表现为多种形式，本发明中选取一种具有代表性的分段线性函数：

式(8)中，F_MG代表需求侧响应的调用成本；n_MG表示需求侧可调用的资源数量；P₀表示需求侧响应出力补偿价格分界线，当需求侧补偿量(P_MGk,l)小于这个值时，采用补偿系数λ_α，当需求侧补偿量(P_MGk)大于这个值时，采用另外一个补偿系数λ_b。

将上述的几种因素作为总体来处理，可以得到目标函数：

minC＝F+F_MG+F_s+F_c (9)

式(9)，C表示总的目标函数；F_MG表示需求侧响应的调用成本；F_c表示二氧化碳排放的惩罚成本；F_s表示二氧化硫排放的惩罚成本。

进一步，步骤三中，系统的约束条件有下列几个方面。

系统功率平衡约束：

式(10)中P_Wj表示风电机在第j时段内的出力预测值；P_Dj表示在第j时段内的负荷预测值。P_MGj表示在第j时段内有可能的需求侧响应值。

旋转备用约束：

式(11)中P_i ^max为机组i的最大技术出力；P_Rj表示系统在第j时段的旋转备用容量。

机组出力约束：

P_i ^min≤P_ij≤P_i ^max (12)

P_i ^max为机组i的最大技术出力；P_i ^min为机组i的最小技术出力。

最小停机时间和最小开机时间约束：

式(13)中，T_MU,i表示第i个机组最小连续开机时间；T_MD,i表示第i个机组最小连续开机时间；t_ij表示第i个机组在第j个时段内，已经连续开或关的时间，正值表示开，负值表示关。

机组的爬坡约束：

式(14)中，UR_i表示机组i的出力上升的限值，UD_i表示机组i的出力下降的限值。

进一步，步骤四中，本发明对传统的蚁群算法进行优化。由于机组组合问题既要求解机组开关量，又要求解机组的出力。在二进制里边，蚁的移动可以看成某些位的改变。比如说，如果所有的位都没有变化，则蚁的位置不变；如果所有的位都改变，则蚂蚁移动的距离越大。假设离散二进制中的每一个蚂蚁，其每一维数的数值都取0或1，则可以用将速度V_id映射到一个概率，这个概率表示第i个蚂蚁的第d维的值为1的可能性。本发明中选取一个函数Sigmoid来完成这种映射。该函数的函数特性为：

函数曲线如图2所示，可以看出该函数为一个连续有界的曲线，定义域为整个横轴，而值域为(0,1)。可以实现任意速度到概率的转换。在实际转换时，可以将此函数值和一个随机数进行比较，以得出蚂蚁移动的概率，可以得到一个新的位置更新公式：

其中，rand为介于0和1之间的随机数。本发明中的处理方法给二进制蚁群算法带来了一个显著的特点，那就是这种算法不直接对变量本身进行优化，而是优化变量变为1的概率。这也就导致了全局搜索能力会随着最大速度的增加，而有所减小。

进一步，步骤四中，本发明中采用蚁群算法对所建源网荷协调运行优化模型进行求解。蚂蚁的组成包括机组组合和机组出力以及需求侧响应几个方面，其中，需求侧响应可以当作是虚拟发电机来处理，由于本文只是初步探讨需求侧响应问题，故暂时将需求侧资源只设为一个。用0表示机组停运状态，用1表示机组运行状态。则机组组合的状态可以用来表示：

表1机组组合表示

在调度时间段内，机组出力和需求侧响应用实数编码，则每个蚂蚁的状态用以下矩阵表示：

进一步，步骤四中，算法的流程图如图3所示，其算法的步骤为

Step1:输入所求问题的各项已知条件，如常规机组的各项参数、负荷以及风电的预测值、需求侧响应的参数；

Step2:对蚁群算法的各项参数进行设置，如蚂蚁的数量、信息素挥发系数等；

Step3：在满足约束条件的范围内，初始化参数。

Step4：迭代次数赋值为1，准备开始迭代；

Step5：对蚁群的数量、信息素浓度进行更新，得到新的参数；

Step6：计算目标函数值；

Step7：更新个体最优值和全局最优值；

Step8：迭代次数加一，更新惯性权重；

Step9：判断是否满足迭代终止条件，如果满足则停止迭代，如果不满足则重复Step5继续更新信息素，继续迭代；

Step10：输出迭代完成之后，所求的解。

本发明的主动配电网源网荷协调运行方法，分析了电网各侧的柔性特征和各种互动模式，剖析了源网荷协调运行的整体内涵，包括内部机理、实现手段及基本原则等。进一步，建立主动配电网源网荷多目标协调运行的指标体系，包括电源侧、电网侧、负荷侧指标以及互动水平指标等，并进一步提出了优化的全局指标。研究主动配电网源网荷协调运行的内部机理，建立了分布式电源、电网和柔性负荷的数学分析模型，改进了现有优化问题的目标函数，最后用蚁群算法求解得出解决方案。实现配电网的对分布式能源和负荷的主动管理，对主动配电网源网荷协调运行有一定的指导意义。

Claims (5)

1.一种主动配电网源网荷协调运行方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、按照电源侧、电网侧和负荷侧的顺序，对源网荷各侧的特性进行分析，包括分布式电源特性、柔性负荷、电网侧的柔性，给出主动配电网源网荷多目标协调运行的涵义；

步骤二、基于步骤一中的源网荷协调运行的定义，建立用于评价电网源网荷运行的综合评价指标体系；

步骤三、选取体系中的能源消耗、环境影响、需求侧响应成本指标，构造目标函数及约束条件；

步骤四、将蚁群算法和目标函数相结合，计算得出配电网源网荷协调运行的方法。

2.如权利要求1所述的主动配电网源网荷协调运行方法，其特征在于：步骤二中所述用于评价电网源网荷运行的综合评价指标体系，包括电源侧指标、电网侧指标、负荷侧指标以及互动水平指标，如下表所示：

3.如权利要求1所述的主动配电网源网荷协调运行方法，其特征在于：步骤三中，选取体系中的能源消耗、环境影响、需求侧响应成本指标，构造目标函数及约束条件：

3.1能源消耗

其数学表达式为：

其中：N为机组的数目；T为优化时间区域的时间段数目；F为运行费用；P_ij为机组i在时间段j的时间内机组出力；C_i(P_ij)表示在时间段j的时间内，机组i的能源消耗，损耗表示为出力的二次函数：

a_i,b_i,c_i为第i机组的能耗系数，S_ij表示机组的启动能耗系数；

3.2环境的影响

机组对环境的影响主要体现在污染物的排放量上，目标函数是：

上述式子仅仅表示排放的质量，还需换算成惩罚成本，乘以各自的惩罚系数：

F_s＝ρ_sE_s (5)

F_c＝ρ_cE_c (6)

其中，E_s表示二氧化硫排放量，α_si、β_si、γ_si分别表示机组i二氧化硫排放量关于机组i出力的二次函数的各项系数；E_c表示二氧化硫的排放量，α_ci、β_ci、γ_ci分别表示机组i二氧化碳排放量关于机组i出力的二次函数的各项系数；F_c表示CO₂排放的惩罚成本；F_s表示SO₂排放的惩罚成本；

3.3需求侧响应调用成本的表现

需求侧响应有多种形式，其代表性的分段线性函数：

其中，F_MG代表需求侧响应的调用成本；n_MG表示需求侧可调用的资源数量；P₀表示需求侧响应出力补偿价格的分界线，当需求侧补偿量(P_MGk,l)小于这个值时，采用补偿系数λ_a，当需求侧补偿量(P_MGk)大于这个值时，采用另外一个补偿系数λ_b。

4.如权利要求1中所述的主动配电网源网荷协调运行方法，其特征在于：限制系统的约束条件包括以下3种：

系统功率平衡约束

P_Wj表示风电机组在第j时段内的出力预测值；P_Dj表示在第j时段内的负荷预测值。P_MGj表示在第j时段内有可能的需求侧响应值；

旋转备用约束

P_i ^max为机组i的最大技术出力；P_Rj表示系统在第j时段的旋转备用容量；

机组出力约束

P_i ^min≤P_ij≤P_i ^max (10)

P_i ^max为机组i的最大技术出力；P_i ^min为机组i的最小技术出力。

5.如权利要求1、2、3或4所述的主动配电网源网荷协调运行方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：

4.1输入所求问题的各项已知条件；

4.2对蚁群算法的各项参数进行设置，在满足约束条件的范围内，初始化参数；

4.3迭代次数赋值为1，准备开始迭代；

4.4对蚁群的数量、信息素浓度进行更新，得到新的参数；

4.5计算目标函数值；

4.6更新个体最优值和全局最优值；

4.7迭代次数加一，更新惯性权重；判断是否满足迭代终止条件，如果满足则停止迭代，如果不满足则返回4.4继续更新信息素，继续迭代；

4.8输出迭代完成之后，得到所求的解，从而得到主动配电网源网荷协调运行方法。

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