CN110829425B - 一种分布式电力系统经济运行调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式电力系统经济运行调度方法，包括：根据污染气体排放函数和发电机成本函数构建目标函数，并设置和输入系统参数；引入误差函数和触发函数，判断是否满足触发条件；通过系统设置的参数计算一致性变量初始值，再进行发电机间的通信，由一致性变量收敛值计算最优发电机功率；判断其否在功率约束范围之内，并确定达到功率限制的发电机机组号集合；根据发电机的约束条件更新一致性变量公式；根据一致性变量更新公式重新计算最优发电机功率，使目标函数值最小。本发明减少了通讯频率和通讯网络压力，可有效减少通信资源的浪费，使得电力系统在通信资源有限或者不稳定的情况下，仍能保证其安全稳定且有效地运行。

Description

一种分布式电力系统经济运行调度方法
技术领域
本发明属于电力系统经济调度领域，具体涉及一种分布式电力系统经济运行调度方法。
背景技术
电力系统的经济调度是电力系统稳定运行研究和应用中的一个基本问题，是指在满足用电安全、用电需求和电能质量的前提下，合理利用能源和设备，以最低的发电成本对用户可靠地供电的一种调度方法。传统的经济调度通常采用集中式的调度方法，但集中式方法需要中央控制器收集全局信息，不仅需要大量系统能量，且易受通信故障和拓扑转变的影响。而在分布式算法下，每个发电机组只需与邻居通讯，不需要全局信息，分布式算法享有信息需求较少、鲁棒性强和可扩展性强的优点。
传统算法通常采用时间周期通信策略，即按照固定时间间隔输出信息。但此种策略需要较大的通信带宽，且若系统没受到扰动或受到轻微扰动，一直在理想状态下运行时，会造成计算资源的浪费。采用事件触发的分布式一致性算法，能有效减少通信频率，减少通信网络中的数据传输量，降低网络负载,节省系统能源。在事件触发机制下，发电机功率只有达到触发条件下才会改变状态，能有效应对通信带宽不足，通信网拓扑结构多变等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分布式电力系统经济运行调度方法，考虑环境效益和功率约束，在分布式一致性算法的基础上增加了事件触发机制，减少了通讯频率和通讯网络压力，在满足发电机组功率约束的前提下达到总发电成本和污染气体排放的最优。
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
本发明提供一种分布式电力系统经济运行调度方法，包括如下步骤：
步骤S1：根据污染气体排放函数和发电机成本函数构建目标函数，并设置和输入系统参数，包括电力系统中发电机组个数N、总功率需求PD、成本函数系数αi、系数βi、系数γi、污染气体排放函数系数ai、系数bi、系数ci、发电机的最大功率PiMax、发电机的最小功率Pimin，其中，αi、βi、γi、ai、bi、ci均为常数，i表示发电机组的序号，i＝1,2,…,N；根据发电机组的网络拓扑和通信交互，确定连接系数aij，j＝1,2,…,N；
步骤S2：引入误差函数ei(t)和触发函数fi(t)，判断fi(t)是否满足触发条件；
步骤S3：通过系统设置的参数计算一致性变量初始值λi，再根据步骤S2进行发电机间的通信，由一致性变量收敛值λ*计算最优发电机功率pi *；
步骤S4：判断pi *是否在功率约束范围之内，超出限制的功率输出为限制的最大值和最小值，未超出约束范围的功率按计算值计算，并确定达到功率限制的发电机机组号集合Θ；
步骤S5：根据发电机的约束条件更新一致性变量公式；
步骤S6：根据一致性变量更新公式重新计算最优发电机功率
Figure BDA0002286695590000021
使得目标函数值最小。
进一步地，步骤S1中所述目标函数为：
Figure BDA0002286695590000022
其中：αi、βi、γi是第i台发电机的成本系数，ai、bi、ci是第i台发电机的排放系数，Pi为第i台发电机输出功率，ε是耦合系数。
进一步地，步骤S2中的误差函数为
Figure BDA0002286695590000023
其中
Figure BDA0002286695590000024
表示一致性变量上一次触发时的状态值。
进一步地，步骤S2中的触发函数为：
Figure BDA0002286695590000025
其中：di表示第i个发电机组的相连接的发电机数量，σ是一个取值在(0,1/di)之间的常数，θ是一个取值在(0,1)之间的常数。
进一步地，步骤S3中最优发电机功率Pi *的计算公式为：
Figure BDA0002286695590000031
进一步地，步骤S4中功率约束下的发电机输出功率表达式：
Figure BDA0002286695590000032
进一步地，步骤S5中一致性变量更新公式为：
Figure BDA0002286695590000033
其中；
Figure BDA0002286695590000034
为有功率约束下的一致性变量，λ*为无功率约束下的一致性变量收敛值。进一步地，步骤S6中最优发电机功率
Figure BDA0002286695590000035
的计算公式为：
Figure BDA0002286695590000036
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：
(1)本发明在考虑电力系统功率约束下，使成本函数和排放函数达到最小；
(2)本发明除考虑发电机功率约束条件，还考虑了环境效益，继承了分布式一致性算法的优点，在电力系统经济运行调度采用事件触发机制，只有在达到触发条件时发电机功率才会发生改变；在调度过程中各个发电机组只与邻居发电机组进行了信息交互，对通信网络的依赖程度低，降低了通信成本。
(3)本发明中事件触发机制不需要考虑网络拓扑的代数连通性，即不需要计算拉普拉斯矩阵的特征值，分布式电力系统可以在任何大小无向网络拓扑下快速收敛到最优值；
(4)本发明中电力系统调度可以在通讯受限或者不可靠的情况下依然可以有效运行。
附图说明
通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对发明的限制。在附图中：
图1是本发明发电机组之间的通信拓扑图；
图2是本发明事件触发图；
图3是本发明一致性变量变化图；
图4是本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
本发明实施例以一个由5个发电机组构成的电力系统为例，其中，发电机组之间的通信网络拓扑如图1所示，触发时刻如图2所示。
本发明提供一种分布式电力系统经济运行调度方法，如图4所示，包括如下步骤：
步骤S1，设置系统参数：发电机组个数N＝5，总功率需求为PD为250MW，目标函数为：
Figure BDA0002286695590000041
其中：αi、βi、γi是第i台发电机的成本系数，ai、bi、ci是第i台发电机的排放系数，ε是耦合系数，Pi为第i台发电机输出功率，P0为发电机初始工作功率，PiMax和Pimin各发电机组的功率最大值和最小值。取ε为0.2，其余参数如下表所示：
Figure BDA0002286695590000051
根据电力系统的通信网络拓扑：用通信拓扑Laplacian矩阵表达通信连接系数aij，若第i台发电机组和第j台发电机组之间能进行信息传递，则aij＝1，否则为0，其中i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,N,且i≠j。Laplacian矩阵为：
Figure BDA0002286695590000052
步骤S2，引入误差函数ei(t)和触发函数fi(t)，误差函数的表达式为
Figure BDA0002286695590000053
触发函数的表达式为
Figure BDA0002286695590000054
触发条件为：当触发函数fi(t)满足fi(t)>0时，事件触发，邻居发电机从发电机i获得其触发时刻的状态的一致性变量值；当触发函数fi(t)满足fi(t)<0时，事件不触发，发电机i不会将一致性变量值传递给邻居发电机，邻居发电机保持上一次从i发电机获得的一致性变量值。
步骤S3，根据系统参数计算一致性变量初始值中λi，
Figure BDA0002286695590000055
步骤S4，根据一致性变量λ*计算发电机功率，考虑功率约束条件调整发电机输出功率和确定发电机达到功率限制的集合Θ。发电机功率约束条件为：
Figure BDA0002286695590000061
步骤S5，根据约束条件更新一致性变量公式：
Figure BDA0002286695590000062
Figure BDA0002286695590000063
其中：
Figure BDA0002286695590000064
为有功率约束下的一致性变量，λ*为无功率约束下的一致性变量收敛值。
步骤S6，根据一致性变量更新公式重新计算出发电机最优功率
Figure BDA0002286695590000065
Figure BDA0002286695590000066
为验证本发明上述调度方法的有效性，进行了仿真实验，如图3所示，表示了一致性变量的变化情况，在仿真前10秒是无功率约束情况下的变化，在10秒后是有功率约束下的变化，可以得到在有功率约束条件下的未达到功率限制的发电机组的增量成本最终趋于一致。
本发明在考虑电力系统功率约束下，使成本函数和排放函数达到最小；且除了考虑发电机功率约束条件，还考虑了环境效益，继承了分布式一致性算法的优点，在电力系统经济运行调度采用事件触发机制，只有在达到触发条件时发电机功率才会发生改变；在调度过程中各个发电机组只与邻居发电机组进行了信息交互，对通信网络的依赖程度低，降低了通信成本；此外，本发明事件触发机制不需要考虑网络拓扑的代数连通性，即不需要计算拉普拉斯矩阵的特征值，分布式电力系统可以在任何大小无向网络拓扑下快速收敛到最优值；本发明电力系统调度可以在通讯受限或者不可靠的情况下依然可以有效运行。
综上所述，本发明采用发电机成本函数和污染气体排放函数耦合构建目标函数，根据目标函数引入一致性变量，用一致性算法进行计算，利用事件触发方式来实现电力系统的经济运行调度，符合未来经济调度的需求和发展。与传统时间周期采样通信策略相比较，本发明提供的分布式电力系统经济运行调度方法，采用事件触发的方式，考虑环境效益和功率约束，在分布式一致性算法的基础上增加了事件触发机制，减少了通讯频率和通讯网络压力，通信拓扑不需要强连通且无需知晓的网络拓扑的代数连通性，可在满足发电机组功率约束的前提下达到总发电成本和污染气体排放的最优；可有效减少通信资源的浪费，使得电力系统在通信资源有限或者不稳定的情况下，仍能保证其安全稳定且有效地运行。
应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims (7)

1.一种分布式电力系统经济运行调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：根据污染气体排放函数和发电机成本函数构建目标函数，并设置和输入系统参数，包括电力系统中发电机组个数N、总功率需求PD、成本函数系数αi、系数βi、系数γi、污染气体排放函数系数ai、系数bi、系数ci、发电机的最大功率PiMax、发电机的最小功率Pimin，其中，αi、βi、γi、ai、bi、ci均为常数，i表示发电机组的序号，i＝1,2,…,N；根据发电机组的网络拓扑和通信交互，确定连接系数aij，j＝1,2,…,N；
步骤S2：引入误差函数ei(t)和触发函数fi(t)，判断fi(t)是否满足触发条件；所述触发函数fi(t)为：
Figure FDA0003021608810000011
其中：di表示第i个发电机组的相连接的发电机数量，σ是一个取值在(0,1/di)之间的常数，θ是一个取值在(0,1)之间的常数；
步骤S3：通过系统设置的参数计算一致性变量初始值λi，再根据步骤S2进行发电机间的通信，由一致性变量收敛值λ*计算最优发电机功率pi *；
步骤S4：判断pi *是否在功率约束范围之内，超出限制的功率输出为限制的最大值和最小值，未超出约束范围的功率按计算值计算，并确定达到功率限制的发电机机组号集合Θ；
步骤S5：根据发电机的约束条件更新一致性变量公式；
步骤S6：根据一致性变量更新公式重新计算最优发电机功率
Figure FDA0003021608810000021
使得目标函数值最小。
2.根据权利要求1所述的分布式电力系统经济运行调度方法，其特征在于，步骤S1中所述目标函数为：
Figure FDA0003021608810000026
其中：αi、βi、γi是第i台发电机的成本系数，ai、bi、ci是第i台发电机的排放系数，Pi为第i台发电机输出功率，ε是耦合系数。
3.根据权利要求1所述的分布式电力系统经济运行调度方法，其特征在于，步骤S2中的误差函数为
Figure FDA0003021608810000022
其中
Figure FDA0003021608810000023
表示一致性变量上一次触发时的状态值。
4.根据权利要求1所述的分布式电力系统经济运行调度方法，其特征在于，步骤S3中最优发电机功率Pi *的计算公式为：
Figure FDA0003021608810000024
5.根据权利要求1所述的分布式电力系统经济运行调度方法，其特征在于，步骤S4中功率约束下的发电机输出功率表达式：
Figure FDA0003021608810000025
6.根据权利要求1所述的分布式电力系统经济运行调度方法，其特征在于，步骤S5中一致性变量更新公式为：
Figure FDA0003021608810000031
其中；
Figure FDA0003021608810000032
为有功率约束下的一致性变量，λ*为无功率约束下的一致性变量收敛值。
7.根据权利要求1所述的分布式电力系统经济运行调度方法，其特征在于，步骤S6中最优发电机功率
Figure FDA0003021608810000033
的计算公式为：
Figure FDA0003021608810000034
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