CN110970939B

CN110970939B - 一种分布式能源集群优化方法及系统

Info

Publication number: CN110970939B
Application number: CN201911341306.2A
Authority: CN
Inventors: 刘念; 潘明夷
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: CN110970939A

Abstract

本发明公开了一种分布式能源集群优化方法及系统。该方法包括：获取配电网内各节点不同时刻的有功功率；根据配电网内各节点不同时刻的有功功率计算配电网内节点之间的电气距离；根据配电网内节点之间的电气距离对配电网内各节点进行聚类处理，生成多个聚类后的分布式能源集群；以消纳风光发电量最大为目标分别对每一个分布式能源集群进行优化处理，得到每一个分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。采用本发明的方法及系统，能够满足集群内部负荷和新能源出力的双向调节需求，提高分布式能源的消纳水平。

Description

一种分布式能源集群优化方法及系统

技术领域

本发明涉及分布式能源技术领域，特别是涉及一种分布式能源集群优化方法及系统。

背景技术

分布式能源作为新型能源利用方式，在能源紧缺问题日益严峻的环境下具有无可比拟的优势。随着大规模分布式能源的接入，使配电网从单电源、单向潮流变为多端电源和频繁变化的双向潮流，配电网的电源供电结构、运行方式都发生巨大的改变，电源自身出力的不确定性更是加重了灵活性电源的调节负担。传统集中式配电网控制已经不适用于如今多节点拥有发电、储能、用电及辅助服务能力的分布式能源网络。近年来兴起的分布式能源集群化为解决这一问题提供了新的思路。分布式能源集群区别于微网需要依靠地理位置形成分布式能源集合，一般根据特定优化目标而实现，为电网运行和控制提供便利，能够充分发挥集群内部高度自治特性，为分布式能源大规模接入配电网造成的冲击提供了新的解决思路。

目前，分布式能源集群优化方法，多集中于电压优化控制、减少功率损耗等方面。但是，由于电力系统的负荷特性呈现明显的时变特点，不同类型、不同用电特点的电力负荷迅速增长，负荷峰谷差正呈逐步扩大的趋势，负荷侧的调峰需求增大。随着大规模新能源的不断接入，在控制节点多且分散的情况下，电源自身出力的不确定性加重了灵活性电源的调节负担，同时受限于系统的调峰能力，当新能源的出力超过了系统灵活性电源的调节范围时，必须限制其出力以保证系统发用电的实时平衡，从而出现了新能源弃电，消纳受限的现象。传统的电压优化控制、减少功率损耗的分布式能源集群优化方法不能解决分布式电源消纳这一问题。因此，如何在分布式能源集群优化的同时考虑分布式电源的消纳，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑分布式电源消纳的分布式能源集群优化方法及系统，满足集群内部负荷和新能源出力的双向调节需求，提高分布式能源的消纳水平。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种分布式能源集群优化方法，包括：

获取配电网内各节点不同时刻的有功功率；所述节点包括分布式电源和负荷；

根据所述配电网内各节点不同时刻的有功功率计算配电网内节点之间的电气距离；所述电气距离反映节点功率的相似程度；

根据所述配电网内节点之间的电气距离对配电网内各节点进行聚类处理，生成多个聚类后的分布式能源集群；

以消纳风光发电量最大为目标分别对每一个分布式能源集群进行优化处理，得到每一个分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。

可选的，所述根据所述配电网内各节点不同时刻的有功功率计算配电网内节点之间的电气距离，具体包括：

根据如下公式计算节点之间的电气距离：

式中，L_ij和L_ji均表示节点i和节点j之间的电气距离，D_it表示节点i在t时刻的有功功率，D_jt表示节点j在t时刻的有功功率。

可选的，所述根据所述配电网内节点之间的电气距离对配电网内各节点进行聚类处理，生成多个聚类后的分布式能源集群，具体包括：

获取待生成分布式能源集群的个数；

按照节点之间的电气距离由小到大的顺序生成每一个节点的电气距离集合；

将电气距离集合中第M个元素小于预设电气距离对应的节点加入集群中心候选集合；所述预设电气距离是将每一个电气距离集合的第M个元素由小到大顺序排列，选取排序后第T个元素的值作为预设电气距离；

在所述集群中心候选集合中确定待生成分布式能源集群的集群中心；集群中心的个数与所述待生成分布式能源集群的个数相同；

针对每一个集群中心计算配电网内除集群中心以外的节点与集群中心之间的电气距离，比较同一节点与不同集群中心之间电气距离的大小，将节点加入电气距离小的分布式能源集群中；

根据分布式能源集群内节点之间的电气距离更新分布式能源集群的集群中心；

判断更新前后分布式能源集群的集群中心是否发生变化，若发生变化，返回步骤“针对每一个集群中心计算配电网内除集群中心以外的节点与集群中心之间的电气距离”；若未发生变化，根据待生成分布式能源集群的个数和分布式能源集群内节点之间的电气距离生成集群划分指标；

判断待生成分布式能源集群的个数是否大于配电网内节点的个数，若待生成分布式能源集群的个数小于或等于配电网内节点的个数，将待生成分布式能源集群的个数加1，并返回步骤“在所述集群中心候选集合中确定待生成分布式能源集群的集群中心”；若待生成分布式能源集群的个数大于配电网内节点的个数，对所述集群划分指标采用肘部法则确定最优分布式能源集群个数，同时生成多个聚类后的分布式能源集群；所述聚类后的分布式能源集群的个数与最优分布式能源集群个数相同。

可选的，所述在所述集群中心候选集合中确定待生成分布式能源集群的集群中心，具体包括：

判断待生成分布式能源集群的个数是否小于T；

若大于或等于T，则将所述集群中心候选集合中的所有元素均作为集群中心；

若小于T，根据所述集群中心候选集合中节点的电气距离确定待生成分布式能源集群的集群中心。

可选的，所述以消纳风光发电量最大为目标分别对每一个分布式能源集群进行优化处理，得到每一个分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率，具体包括：

根据如下公式确定目标函数：

式中，C表示目标函数，T表示时刻集合，M₁表示分布式能源集群内分布式风光电源总个数，m表示分布式能源集群内分布式风光电源节点，C_P表示单位弃光、弃风惩罚费用，

表示第m个分布式电源在t时刻弃光、弃风量，

P_m,t表示t时刻分布式电源m的出力，ΔP_m,t表示t时刻分布式电源m利用的有功功率，N表示分布式能源集群内负荷节点总个数，n表示分布式能源集群内负荷节点，

表示分布式能源集群与电网进行能量交互的成本，

表示第n个负荷节点在t时刻与电网进行能量交互的电量，

表示需要从电网购电，

表示多余电量上网，P_b表示从电网的购电电价，P_s表示向电网的售电电价；

根据如下公式确定约束条件：

0≤ΔP_m,t≤P_m,t

式中，

表示第m个分布式电源容量下限，

表示第m个分布式电源容量上限；

根据所述目标函数和约束条件采用粒子群优化算法确定分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。

本发明还提供一种分布式能源集群优化系统，包括：

节点功率获取模块，用于获取配电网内各节点不同时刻的有功功率；所述节点包括分布式电源和负荷；

电气距离计算模块，用于根据所述配电网内各节点不同时刻的有功功率计算配电网内节点之间的电气距离；所述电气距离反映节点功率的相似程度；

节点聚类模块，用于根据所述配电网内节点之间的电气距离对配电网内各节点进行聚类处理，生成多个聚类后的分布式能源集群；

分布式能源集群优化模块，用于以消纳风光发电量最大为目标分别对每一个分布式能源集群进行优化处理，得到每一个分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。

可选的，所述电气距离计算模块，具体包括：

电气距离计算单元，用于根据如下公式计算节点之间的电气距离：

可选的，所述节点聚类模块，具体包括：

待生成分布式能源集群个数获取单元，用于获取待生成分布式能源集群的个数；

电气距离集合生成单元，用于按照节点之间的电气距离由小到大的顺序生成每一个节点的电气距离集合；

集群中心候选集合生成单元，用于将电气距离集合中第M个元素小于预设电气距离对应的节点加入集群中心候选集合；所述预设电气距离是将每一个电气距离集合的第M个元素由小到大顺序排列，选取排序后第T个元素的值作为预设电气距离；

集群中心确定单元，用于在所述集群中心候选集合中确定待生成分布式能源集群的集群中心；集群中心的个数与所述待生成分布式能源集群的个数相同；

分布式能源集群确定单元，用于针对每一个集群中心计算配电网内除集群中心以外的节点与集群中心之间的电气距离，比较同一节点与不同集群中心之间电气距离的大小，将节点加入电气距离小的分布式能源集群中；

集群中心更新单元，用于根据分布式能源集群内节点之间的电气距离更新分布式能源集群的集群中心；

第一判断单元，用于判断更新前后分布式能源集群的集群中心是否发生变化，若发生变化，将指令发送至分布式能源集群确定单元；若未发生变化，将指令发送至集群划分指标生成单元；

集群划分指标生成单元，用于根据待生成分布式能源集群的个数和分布式能源集群内节点之间的电气距离生成集群划分指标；

第二判断单元，用于判断待生成分布式能源集群的个数是否大于配电网内节点的个数，若待生成分布式能源集群的个数小于或等于配电网内节点的个数，将待生成分布式能源集群的个数加1，并将指令发送至所述集群中心确定单元；若待生成分布式能源集群的个数大于配电网内节点的个数，将指令发送至节点聚类单元；

节点聚类单元，用于对所述集群划分指标采用肘部法则确定最优分布式能源集群个数，同时生成多个聚类后的分布式能源集群；所述聚类后的分布式能源集群的个数与最优分布式能源集群个数相同。

可选的，所述集群中心确定单元，具体包括：

集群中心确定子单元，用于判断待生成分布式能源集群的个数是否小于T；若大于或等于T，将所述集群中心候选集合中的所有元素均作为集群中心；若小于T，根据所述集群中心候选集合中节点的电气距离确定待生成分布式能源集群的集群中心。

可选的，所述分布式能源集群优化模块，具体包括：

目标函数确定单元，用于根据如下公式确定目标函数：

表示第m个分布式电源在t时刻弃光、弃风量，

表示分布式能源集群与电网进行能量交互的成本，

表示第n个负荷节点在t时刻与电网进行能量交互的电量，

表示需要从电网购电，

约束条件确定单元，用于根据如下公式确定约束条件：

0≤ΔP_m,t≤P_m,t

式中，

表示第m个分布式电源容量下限，

表示第m个分布式电源容量上限；

分布式能源集群优化单元，用于根据所述目标函数和约束条件采用粒子群优化算法确定分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种分布式能源集群优化方法及系统，根据配电网内各节点有功功率进行聚类，将功率特性曲线差别较大的划为同一集群，电气距离越小的节点划分入同一集群越有利于控制，使得综合后的分布式能源集群出力趋于平滑，以消纳风光发电量最大为目标分别对每一个分布式能源集群进行优化处理，以优化后的集群为整体接入配电网，能够有效缓解分布式能源接入给电网运行造成的冲击，促进分布式电源消纳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中分布式能源集群优化方法流程图；

图2为本发明实施例中选取第三集群中心示意图；

图3为本发明实施例中集群划分指标SSE与集群数K的关系示意图；

图4为本发明实施例中分布式能源集群优化系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

在划分分布式能源集群前，首先要明确划分依据，通过制定合理的划分依据作为节点间的电气距离，电气距离越小的节点划分入同一集群越有利于控制。以分布式电源消纳为目标对分布式能源进行集群划分，主要目标是为了制定分布式电源集群管理策略，充分的发挥集群的优势，促进分布式电源的消纳。就电网而言，该局域电网本身传统能源的调节能力的大小，蓄能装置容量的大小，以及新能源本身的随时间变化的能源特征，共同影响着该地区分布式电源的消纳水平。一个分布式电源能否被消纳，一方面取决于自身的发电曲线，另一方面取决于该地区系统的调峰能力。由于分布式电源本身不确定性因素较多，随时间、季节变化较大，因此根据配网内各节点有功功率进行聚类，将出力(有功功率)特性曲线差别较大的划为同一集群，使得综合后的集群出力趋于平滑，以集群为整体接入配电网能够有效缓解分布式能源接入给电网运行造成的冲击，促进分布式电源消纳。

图1为本发明实施例中分布式能源集群优化方法流程图，如图1所示，本实施例提供了一种分布式能源集群优化方法，包括：

步骤101：获取配电网内各节点不同时刻的有功功率。节点包括分布式电源和负荷。

步骤102：根据配电网内各节点不同时刻的有功功率计算配电网内节点之间的电气距离；电气距离反映节点功率的相似程度。

步骤102，具体包括：

根据如下公式计算节点之间的电气距离：

步骤103：根据配电网内节点之间的电气距离对配电网内节点进行聚类处理，生成多个聚类后的分布式能源集群。

步骤103，具体包括：

获取待生成分布式能源集群的个数。

按照节点之间的电气距离由小到大的顺序生成每一个节点的电气距离集合LS_i＝{L_i1,L_i2,...,L_ij,...,L_iN,j≠i}。

将电气距离集合中第M个元素小于预设电气距离对应的节点加入集群中心候选集合；预设电气距离是将每一个电气距离集合的第M个元素由小到大顺序排列，选取排序后第T个元素的值作为预设电气距离。即电气距离集合中第M个元素的集合为index＝{index₁,index₂,...,index_N}，N表示配电网内节点总数，将电气距离集合中第M个元素小于预设电气距离对应的节点加入集群中心候选集合Hindex＝{index₁,index₂,...,index_T}，数值越小表示该节点周围的节点数目越多。

在集群中心候选集合中确定待生成分布式能源集群的集群中心；集群中心的个数与待生成分布式能源集群的个数相同。

确定待生成分布式能源集群的集群中心的步骤，具体包括：

判断待生成分布式能源集群的个数是否小于T。若大于或等于T，则将集群中心候选集合中的所有元素均作为集群中心；若小于T，根据集群中心候选集合中节点的电气距离确定待生成分布式能源集群的集群中心。

例如，待生成分布式能源集群的个数为3个。

首先，在集群中心候选集合中选取电气距离集合中第M个元素最小值对应的节点作为第一集群中心。

然后，在集群中心候选集合中选取与第一集群中心电气距离最远的节点作为第二集群中心。选取远离现有所有集群中心的节点作为下一个集群中心是为了优化集群效果，防止形成的集群内部节点之间距离较远。如果集群中心选择过近，有可能最终形成的集群内部节点之间距离较远，集群划分效果差。

最后，在集群中心候选集合中选取除去第一集群中心和第二集群中心以外的第三集群中心。如图2所示，图2为本发明实施例中选取第三集群中心示意图，先计算集群中心候选集合Hindex中剩余节点1-5距离已形成两个集群中心O₁、O₂的距离，比较每一个节点与O₁、O₂的电气距离，找到与已确定中心的最小距离，即在节点1-5中，节点1-3与集群中心O₁电气距离小，节点4和5与集群中心O₂电气距离小。然后从5个电气距离(分别为节点1与集群中心O₁的电气距离、节点2与集群中心O₁的电气距离、节点3与集群中心O₁的电气距离、节点4与集群中心O₂的电气距离和节点5与集群中心O₂的电气距离)中找到最大值，最大值所对应的节点即为选取的第三集群中心，即节点3为选取的第三集群中心。

针对每一个集群中心计算配电网内除集群中心以外的节点与集群中心之间的电气距离，比较同一节点与不同集群中心之间电气距离的大小，将节点加入电气距离小的分布式能源集群中。

根据分布式能源集群内节点之间的电气距离更新分布式能源集群的集群中心。更新分布式能源集群的集群中心的公式如下：

式中，ε_k表示分布式能源集群k的聚类中心，C_k表示第k个分布式能源集群。

判断更新前后分布式能源集群的集群中心是否发生变化，若发生变化，返回步骤“针对每一个集群中心计算配电网内除集群中心以外的节点与集群中心之间的电气距离”；若未发生变化，根据待生成分布式能源集群的个数和分布式能源集群内节点之间的电气距离生成集群划分指标。集群划分指标计算公式如下：

式中，SSE表示集群划分指标，K表示待生成分布式能源集群的个数，C_i表示第i个分布式能源集群，ε_i表示第i个待生成分布式能源集群的集群中心，

表示节点j与集群中心ε_i的电气距离。

判断待生成分布式能源集群的个数是否大于配电网内节点的个数，若待生成分布式能源集群的个数小于或等于配电网内节点的个数，将待生成分布式能源集群的个数加1，并返回步骤“在集群中心候选集合中确定待生成分布式能源集群的集群中心”；若待生成分布式能源集群的个数大于配电网内节点的个数，对集群划分指标采用肘部法则确定最优分布式能源集群个数，同时生成多个聚类后的分布式能源集群；聚类后的分布式能源集群的个数与最优分布式能源集群个数相同。

由划分经验可知，一般指标SSE随K的增加并不是线性减小，在K较小时减少较快，随K增大减少程度越来越小，图3为本发明实施例中集群划分指标SSE与集群数K的关系示意图，如图3所示，K₀作为拐点，在K₀之前，SSE随K增大而减小，且减小速度较快；在K₀之后，K的增大对SSE的减小影响幅度不大。因此，确定K₀为最佳集群数K，此时，不仅尽可能优化了集群划分结果，也确保了集群数不会过多。因为K₀点形似手肘部位，将此种确定集群数K的方法称为肘部法则。

步骤104：以消纳风光发电量最大为目标分别对每一个分布式能源集群进行优化处理，得到每一个分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。

步骤104，具体包括：

根据如下公式确定目标函数：

表示第m个分布式电源在t时刻弃光、弃风量，

表示分布式能源集群与电网进行能量交互的成本，

表示第n个负荷节点在t时刻与电网进行能量交互的电量，

表示需要从电网购电，

表示多余电量上网，P_b表示从电网的购电电价，P_s表示向电网的售电电价。

根据如下公式确定约束条件：

0≤ΔP_m,t≤P_m,t

式中，

表示第m个分布式电源容量下限，

表示第m个分布式电源容量上限。

根据目标函数和约束条件采用粒子群优化算法确定分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。采用粒子群优化算法求解集群策略，以分布式能源节点的最终利用有功出力ΔP_m,t作为变量，目标函数C作为适应度函数，并对变量加以约束，求得最优解。

图4为本发明实施例中分布式能源集群优化系统结构图，如图4所示，本实施例提供了一种分布式能源集群优化系统，其特征在于，包括：

节点功率获取模块201，用于获取配电网内各节点不同时刻的有功功率；节点包括分布式电源和负荷。

电气距离计算模块202，用于根据配电网内各节点不同时刻的有功功率计算配电网内节点之间的电气距离；电气距离反映节点功率的相似程度。

电气距离计算模块202，具体包括：

式中，L_ij和L_ji均表示节点i和节点j之间的电气距离，D_it表示节点i在t时刻的有功功率，D_jt表示节点j在t时刻的有功功率。。

节点聚类模块203，用于根据配电网内节点之间的电气距离对配电网内各节点进行聚类处理，生成多个聚类后的分布式能源集群。

节点聚类模块203，具体包括：

集群中心候选集合生成单元，用于将电气距离集合中第M个元素小于预设电气距离对应的节点加入集群中心候选集合；预设电气距离是将每一个电气距离集合的第M个元素由小到大顺序排列，选取排序后第T个元素的值作为预设电气距离；

集群中心确定单元，用于在集群中心候选集合中确定待生成分布式能源集群的集群中心；集群中心的个数与待生成分布式能源集群的个数相同；

集群中心确定单元，具体包括：

集群中心确定子单元，用于判断待生成分布式能源集群的个数是否小于T；若大于或等于T，将集群中心候选集合中的所有元素均作为集群中心；若小于T，根据集群中心候选集合中节点的电气距离确定待生成分布式能源集群的集群中心。

第二判断单元，用于判断待生成分布式能源集群的个数是否大于配电网内节点的个数，若待生成分布式能源集群的个数小于或等于配电网内节点的个数，将待生成分布式能源集群的个数加1，并将指令发送至集群中心确定单元；若待生成分布式能源集群的个数大于配电网内节点的个数，将指令发送至节点聚类单元；

节点聚类单元，用于对集群划分指标采用肘部法则确定最优分布式能源集群个数，同时生成多个聚类后的分布式能源集群；聚类后的分布式能源集群的个数与最优分布式能源集群个数相同。

分布式能源集群优化模块204，用于以消纳风光发电量最大为目标分别对每一个分布式能源集群进行优化处理，得到每一个分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。

分布式能源集群优化模块204，具体包括：

目标函数确定单元，用于根据如下公式确定目标函数：

表示第m个分布式电源在t时刻弃光、弃风量，

表示分布式能源集群与电网进行能量交互的成本，

表示第n个负荷节点在t时刻与电网进行能量交互的电量，

表示需要从电网购电，

约束条件确定单元，用于根据如下公式确定约束条件：

0≤ΔP_m,t≤P_m,t

式中，

表示第m个分布式电源容量下限，

表示第m个分布式电源容量上限。

分布式能源集群优化单元，用于根据目标函数和约束条件采用粒子群优化算法确定分布式能源集群内分布式电源利用的有功功率。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明针对分布式电源消纳定义了配电网节点间的电气距离，将聚类方法应用到配电网分布式能源的集群划分中，能够自动确定最优集群划分数，根据粒子群优化算法基本原理和集群分布式电源消纳的目标函数，提出了适用于大规模分布式能源接入的配电网的促进分布式电源消纳方法，通过合理集群划分和集群内部自治特性，能够有效促进分布式电源消纳。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。