CN113572168B - 一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源优化技术领域,具体涉及到一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法,包括以下步骤:建立风光水能源多重不确定性分类分布模型;提出风光水功率偏差置信风险量化计算方法;建立考虑多重不确定性置信风险的源网协调多目标优化调度模型;采用多目标动态分解进化算法对源网协调多目标优化调度模型进行求解。本发明为更加合理灵活地评估风光水多重不确定性给优化调度带来的风险性,在电力系统优化调度中量化考虑这种风光水并网不确定性带来的风险,使调度过程的准确性和灵活程度性提高;为了使智能电网调度决策更合理,本发明考虑将可控电网元件的状态纳为决策变量,并充分利用网端资源,实现源网协调优化调度。
Description
技术领域
本发明涉及能源优化技术领域,具体涉及到一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法。
背景技术
当前,能源结构加速优化升级,呈现“风光领跑、多源协调”的态势。鉴于风电、光伏和径流式小水电等可再生能源发电存在较强的波动性和不确定性,其并网调度会给电力系统带来了许多不确定因素。目前,国内外众多学者已对多种可再生能源并网调度问题展开了广泛的研究。然而,目前风光水电功率预测误差现象仍然存在,其出力将很大程度上被低估或高估,一般很少有文献在电力系统优化调度中量化考虑这种风光水并网不确定性带来的风险,使调度过程的准确和灵活程度较低。此外,在多种可再生能源大规模接入电力系统的背景下,为解决电压稳定等安全问题,调度过程中交流潮流源网间的关联程度日益紧密。为了使智能电网调度决策更合理,考虑将可控电网元件的状态纳为决策变量,并充分利用网端资源,以实现源网协调优化调度。
综上分析,为了合理灵活地评估风光水多重不确定性给优化调度带来的风险性,有必要设计一种综合考虑风光水多重不确定性功率偏差置信风险的源网协调多目标优化调度模型。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一,提供一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法,包括以下步骤:
步骤1,建立风光水能源多重不确定性分类分布模型;
步骤2,结合风光水能源多重不确定性分类分布模型和机会约束,提出风光水功率偏差置信风险量化计算方法;
步骤3,基于风光水功率偏差置信风险量化计算方法,建立考虑多重不确定性置信风险的源网协调多目标优化调度模型;
步骤4,采用多目标动态分解进化算法对源网协调多目标优化调度模型进行求解,并采用逼近理想解排序法自动提取最优折衷解以实现多目标优化调度决策。
进一步的,在步骤1中,建立风光水能源多重不确定性分类分布模型包括:
步骤1.1,建立风电不确定性模型,具体包括:
采用描述风速概率密度函数的三参数Burr分布函数来拟合风速分布,具体表示为:
步骤1.2,建立光伏不确定性模型,具体包括:
采用对数正态分布来描述其概率密度函数:
步骤1.3,建立径流式小水电不确定性模型,具体包括:
采用Gumbel分布来描述其概率密度函数:
进一步的,在步骤2中,对风光水能源多重不确定性分类分布模型进行功率偏差置信风险分析,具体包括:
步骤2.1,分析不确定性功率偏差置信区间:
步骤2.2 ,分析风电出力高估和低估置信风险:
风速不确定性若满足Burr分布,其累积分布函数为:
步骤2.3 ,分析光伏出力高估和低估置信风险:
太阳辐射度不确定性若满足对数正态分布,其累积分布函数和概率密度函数可由式(4)推导得出;
步骤2.4,分析光伏与径流式小水电联合出力高估和低估置信风险:
光伏与径流式小水电的联合出力高估和低估功率偏差置信风险包括:
进一步的,在步骤3中,所述源网协调多目标优化调度模型的目标函数包括:
总运营成本最优目标函数:
在调度周期内总运营成本最优目标由考虑常规机组阀点效应的总燃料成本、环境成本、全寿命周期内风电机组的运营成本、全寿命周期内太阳能光伏电站的运营成本以及全寿命周期内光伏与径流式小水电联合发电的运营成本组成:
式中:T为总调度时段数;为常规机组总数;分别为t时段常规机组i的有功出力和最小有功出力; 为常规机组i的发电燃料成本系数;为常规机组i的阀点效应系数;为常规机组i的环境成本系数; 为常规机组i的污染气体排放系数; 分别为全寿命周期内风电、光伏、光伏与径流式小水电联合发电的运营成本系数;t时刻太阳能光伏电站出力;t时刻风电机组出力;为t时刻光伏与径流式小水电出力;
风光水多重不确定性置信风险最低目标函数:
式中:和分别为t时段风电机组在置信水平下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险;和分别为t时段太阳能光伏电站在置信水平下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险;和分别为t时段光伏与径流式小水电在置信水平下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险。
进一步的,在步骤3中,所述源网协调多目标优化调度模型的约束条件包括电网潮流约束、火电机组爬坡速率约束、风光水机组有功出力约束、风光水机组无功出力约束、网端可控元件约束,其中,网端可控元件约束具体如下:
有载调压变压器变比约束:
电容器组无功补偿装置容量约束:
可控元件动作次数约束:
进一步的,在步骤4中,所述多目标动态分解进化算法通过对分解多目标进化算法改进得到,具体如下:
所述分解多目标进化算法包括计算权重向量邻域、切比雪夫分解、DE进化操作,通过在分解多目标进化算法中引入动态资源分配策略与高效优势可行解约束处理方法,得到将高效优势可行解约束处理方法与具有动态资源分配策略的分解多目标进化算法相结合的多目标动态分解进化算法;
式中:,N Z 为种群数;,m为目标数;为每50次迭代后第z个子问题的目标值变化率;分别为第z个子问题中第j个目标每50次迭代前、后的目标值;在每次迭代过程中,采用锦标赛择优法,依据各子问题效率值进行计算资源分配,每50次迭代更新一次;
进一步的,在步骤4中,采用多目标动态分解进化算法对源网协调多目标优化调度模型进行求解,其步骤如下:
步骤4.1,输入预测所得的Burr分布参数、对数正态分布参数、Gumbel分布参数、IEEE30节点负荷需求值;
步骤4.5,为子问题更新范围的选取设置较大概率,满足概率,更新范围为邻域,否则为整个种群;在更新范围内执行DE进化操作;
步骤4.6,计算进化后子问题决策变量对应的目标函数值和各约束违反总量;
步骤4.9,输出结果,并基于逼近理想解排序法选取帕累托最优折衷解。
由上述对本发明的描述可知,与现有技术相比,本发明的考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法至少包括以下有益效果之一:
1、本发明为更加合理灵活地评估风光水多重不确定性给优化调度带来的风险性,在电力系统优化调度中量化考虑这种风光水并网不确定性带来的风险,使调度过程的准确性和灵活程度性提高;为了使智能电网调度决策更合理,本发明考虑将可控电网元件的状态纳为决策变量,并充分利用网端资源,实现源网协调优化调度;
2、本发明充分利用智能电网可控资源,通过优化控制发电机出力、变压器变比和无功补偿容量等,实现了在满足安全约束下系统运行成本最低和风险性最小的源网协调优化调度目标,并建立考虑多重不确定性置信风险的源网协调多目标优化调度模型;
3、本发明为了实现对所提复杂模型的高效求解,将高效优势可行解约束处理方法与具有动态资源分配策略的分解多目标进化算法相结合,提出了一种新型的多目标动态分解进化算法;并采用逼近理想解排序法自动提取最优折衷解以实现多目标优化调度决策,确保所提模型和算法的合理性与高效性。
附图说明
图1为本发明优选实施例中一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法的步骤流程图。
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,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示,本发明的优选实施例,一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法,包括以下步骤:
步骤1,建立风光水能源多重不确定性分类分布模型;
步骤2,结合风光水能源多重不确定性分类分布模型和机会约束,提出风光水功率偏差置信风险量化计算方法;
步骤3,基于风光水功率偏差置信风险量化计算方法,建立考虑多重不确定性置信风险的源网协调多目标优化调度模型;
步骤4,采用多目标动态分解进化算法对源网协调多目标优化调度模型进行求解,并采用逼近理想解排序法自动提取最优折衷解以实现多目标优化调度决策。
本发明为更加合理灵活地评估风光水多重不确定性给优化调度带来的风险性,在电力系统优化调度中量化考虑这种风光水并网不确定性带来的风险,使调度过程的准确性和灵活程度性提高;为了使智能电网调度决策更合理,本发明考虑将可控电网元件的状态纳为决策变量,并充分利用网端资源,实现源网协调优化调度;本发明充分利用智能电网可控资源,通过优化控制发电机出力、变压器变比和无功补偿容量等,实现了在满足安全约束下系统运行成本最低和风险性最小的源网协调优化调度目标,并建立考虑多重不确定性置信风险的源网协调多目标优化调度模型; 本发明为了实现对所提复杂模型的高效求解,将高效优势可行解约束处理方法与具有动态资源分配策略的分解多目标进化算法相结合,提出了一种新型的多目标动态分解进化算法;并采用逼近理想解排序法自动提取最优折衷解以实现多目标优化调度决策,确保所提模型和算法的合理性与高效性。
作为本发明的优选实施例,其还可具有以下附加技术特征:
在本实施例中,在步骤1中,建立风光水能源多重不确定性分类分布模型包括:
步骤1.1,建立风电不确定性模型,具体包括:
采用描述风速概率密度函数的三参数Burr分布函数来拟合风速分布,具体表示为:
步骤1.2,建立光伏不确定性模型,具体包括:
采用对数正态分布来描述其概率密度函数:
步骤1.3,建立径流式小水电不确定性模型,具体包括:
采用Gumbel分布来描述其概率密度函数:
在本实施例中,在步骤2中,对风光水能源多重不确定性分类分布模型进行功率偏差置信风险分析,具体包括:
步骤2.1,分析不确定性功率偏差置信区间:
步骤2.2 ,分析风电出力高估和低估置信风险:
风速不确定性若满足Burr分布,其累积分布函数为:
步骤2.3 ,分析光伏出力高估和低估置信风险:
太阳辐射度不确定性若满足对数正态分布,其累积分布函数和概率密度函数可由式(4)推导得出;
步骤2.4,分析光伏与径流式小水电联合出力高估和低估置信风险:
光伏与径流式小水电的联合出力高估和低估功率偏差置信风险包括:
在本实施例中,在步骤3中,所述源网协调多目标优化调度模型的目标函数包括:
总运营成本最优目标函数:
在调度周期内总运营成本最优目标由考虑常规机组阀点效应的总燃料成本、环境成本、全寿命周期内风电机组的运营成本、全寿命周期内太阳能光伏电站的运营成本以及全寿命周期内光伏与径流式小水电联合发电的运营成本组成:
式中:T为总调度时段数;为常规机组总数;分别为t时段常规机组i的有功出力和最小有功出力; 为常规机组i的发电燃料成本系数;为常规机组i的阀点效应系数;为常规机组i的环境成本系数;为常规机组i的污染气体排放系数; 分别为全寿命周期内风电、光伏、光伏与径流式小水电联合发电的运营成本系数;t时刻太阳能光伏电站出力;t时刻风电机组出力;为t时刻光伏与径流式小水电出力;
风光水多重不确定性置信风险最低目标函数:
式中:和分别为t时段风电机组在置信水平下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险;和分别为t时段太阳能光伏电站在置信水平下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险;和分别为t时段光伏与径流式小水电在置信水平下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险。
在本实施例中,在步骤3中,所述源网协调多目标优化调度模型的约束条件包括电网潮流约束、火电机组爬坡速率约束、风光水机组有功出力约束、风光水机组无功出力约束、网端可控元件约束,其中,网端可控元件约束具体如下:
有载调压变压器变比约束:
电容器组无功补偿装置容量约束:
可控元件动作次数约束:
在本实施例中,在步骤4中,所述多目标动态分解进化算法通过对分解多目标进化算法改进得到,具体如下:
所述分解多目标进化算法包括计算权重向量邻域、切比雪夫分解、DE进化操作,通过在分解多目标进化算法中引入动态资源分配策略与高效优势可行解约束处理方法,得到将高效优势可行解约束处理方法与具有动态资源分配策略的分解多目标进化算法相结合的多目标动态分解进化算法;
式中:,为种群数;,m为目标数;为每50次迭代后第z个子问题的目标值变化率;分别为第z个子问题中第j个目标每50次迭代前、后的目标值;在每次迭代过程中,采用锦标赛择优法,依据各子问题效率值进行计算资源分配,每50次迭代更新一次;
在本实施例中,在步骤4中,采用多目标动态分解进化算法对源网协调多目标优化调度模型进行求解,其步骤如下:
步骤4.1,输入预测所得的Burr分布参数、对数正态分布参数、Gumbel分布参数、IEEE30节点负荷需求值;
步骤4.5,为子问题更新范围的选取设置较大概率,满足概率,更新范围为邻域,否则为整个种群;在更新范围内执行DE进化操作;
步骤4.6,计算进化后子问题决策变量对应的目标函数值和各约束违反总量;
步骤4.9,输出结果,并基于逼近理想解排序法选取帕累托最优折衷解。
在不出现冲突的前提下,本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
可以理解,本发明是通过一些实施例进行描述的,本领域技术人员知悉的,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外,在本发明的教导下,可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此,本发明不受此处所公开的具体实施例的限制,所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,建立风光水能源多重不确定性分类分布模型;
步骤2,结合风光水能源多重不确定性分类分布模型和机会约束,提出风光水功率偏差置信风险量化计算方法;
步骤3,基于风光水功率偏差置信风险量化计算方法,建立考虑多重不确定性置信风险的源网协调多目标优化调度模型;具体的,所述源网协调多目标优化调度模型的目标函数包括:
总运营成本最优目标函数:
在调度周期内总运营成本最优目标Cop由考虑常规机组阀点效应的总燃料成本Cf、环境成本Ce、全寿命周期内风电机组的运营成本Cw、全寿命周期内太阳能光伏电站的运营成本Cs以及全寿命周期内光伏与径流式小水电联合发电的运营成本Cs-h组成:
minCop=Cf+Ce+Cw+Cs+Cs-h (21)
式中:T为总调度时段数;NC为常规机组总数;Pi,t、分别为t时段常规机组i的有功出力和最小有功出力;bi、gi、hi为常规机组i的发电燃料成本系数;pi、si为常规机组i的阀点效应系数;ri为常规机组i的环境成本系数;φi、εi、τi、ξi为常规机组i的污染气体排放系数;Kw、Ks、Ks-h分别为全寿命周期内风电、光伏、光伏与径流式小水电联合发电的运营成本系数;t时刻太阳能光伏电站出力Ws,t;t时刻风电机组出力Ww,t;Ws-h,t为t时刻光伏与径流式小水电出力;
风光水多重不确定性置信风险最低目标函数:
风电、光伏、光伏与径流式小水电联合出力总功率偏差置信风险目标D(α)由出力高估功率偏差置信风险DH(α)和出力低估功率偏差置信风险DL(α)组成:
minD(α)=DH(α)+DL(α) (23)
式中:和分别为t时段风电机组在置信水平1-α下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险;和分别为t时段太阳能光伏电站在置信水平1-α下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险;和分别为t时段光伏与径流式小水电在置信水平1-α下出力高估功率偏差置信风险和出力低估功率偏差置信风险;
步骤4,采用多目标动态分解进化算法对源网协调多目标优化调度模型进行求解,并采用逼近理想解排序法自动提取最优折衷解以实现多目标优化调度决策;具体的,所述多目标动态分解进化算法通过对分解多目标进化算法改进得到,具体如下:
所述分解多目标进化算法包括计算权重向量邻域、切比雪夫分解、DE进化操作,通过在分解多目标进化算法中引入动态资源分配策略与可行解约束处理方法,得到将可行解约束处理方法与具有动态资源分配策略的分解多目标进化算法相结合的多目标动态分解进化算法;
在分解多目标进化算法基础上引入动态资源分配策略,通过量化各子问题的实际效率值,为不同难度子问题分配不同的计算资源,具体公式定义如下:
式中:z∈{1,2,…,NZ},NZ为种群数;j∈{1,2,…,m},m为目标数;Δz为每50次迭代后第z个子问题的目标值变化率;fz,j(x)、fz',j(x)分别为第z个子问题中第j个目标每50次迭代前、后的目标值;在每次迭代过程中,采用锦标赛择优法,依据各子问题效率值πz进行计算资源分配,每50次迭代更新一次πz;
可行解约束处理方法在处理多目标优化问题的约束条件时,利用不可行域解的种群信息,使不可行域解尽量处于可行域内,最终得到帕累托最优解集;不可行域解的总约束违反量ζ(x)计算如下:
2.根据权利要求1所述的一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法,其特征在于:在步骤1中,建立风光水能源多重不确定性分类分布模型包括:
步骤1.1,建立风电不确定性模型,具体包括:
采用描述风速概率密度函数的三参数Burr分布函数来拟合风速分布,具体表示为:
式中:vt为t时刻风速;at、ct、kt分别为t时刻Burr分布的比例参数、第一形状参数和第二形状参数,且at>0、ct>0、kt>0;
t时刻风电机组出力Ww,t与风速vt的相关性表示为:
式中:vr、vin、vout分别为风机额定风速、切入风速和切出风速;Wwr为风机额定输出功率;
步骤1.2,建立光伏不确定性模型,具体包括:
采用对数正态分布来描述其概率密度函数:
式中:It为t时刻太阳辐射度;mt、nt分别为t时刻对数正态随机变量的均值和方差;μt和σt为合并计算参数;
t时刻太阳能光伏电站出力Ws,t与太阳辐射度It的相关性表示为:
式中:Istd为标准环境下太阳辐射度;rc为太阳辐射度区间限值;Wsr为太阳能光伏阵列的额定输出功率;
步骤1.3,建立径流式小水电不确定性模型,具体包括:
采用Gumbel分布来描述其概率密度函数:
式中:qt为t时刻河流流量;λt、γt分别为t时刻Gumbel分布的位置参数和比例参数;
t时刻径流式小水电出力Wh,t与河流流量qt的相关性表示为:
Wh,t=ηρgqtHw (6)
式中:η为涡轮发电机组装效率;ρ为水的密度;g为重力加速度;Hw为有效压力水头。
3.根据权利要求2所述的一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法,其特征在于:在步骤2中,对风光水能源多重不确定性分类分布模型进行功率偏差置信风险分析,具体包括:
步骤2.1,分析不确定性功率偏差置信区间:
不同置信水平1-α的不确定性置信区间如式(7)所示:
式中:Pr表示概率水平;ud(α)和uu(α)分别表示不确定性置信区间的下限和上限;
步骤2.2,分析风电出力高估和低估置信风险:
风速不确定性若满足Burr分布,其累积分布函数为:
风电机组出力Ww,t位于0到Wwr之间的概率密度函数f(Ww,t)为:
式中:ψ为合并计算参数;
式中:P{Ww=0}和P{Ww=Wwr}分别为风电机组出力等于0和Wwr时的累积概率;Ww代表风电出力变量;f(Ww)为将Ww作为变量替换式(9)f(Ww,t)中的Ww,t所得概率密度函数式;
步骤2.3,分析光伏出力高估和低估置信风险:
太阳辐射度不确定性若满足对数正态分布,其累积分布函数和概率密度函数可由式(4)推导得出;
步骤2.4,分析光伏与径流式小水电联合出力高估和低估置信风险:
光伏与径流式小水电的联合出力高估和低估功率偏差置信风险包括:
4.根据权利要求1所述的一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法,其特征在于:在步骤3中,所述源网协调多目标优化调度模型的约束条件包括电网潮流约束、火电机组爬坡速率约束、风光水机组有功出力约束、风光水机组无功出力约束、网端可控元件约束,其中,网端可控元件约束具体如下:
有载调压变压器变比约束:
电容器组无功补偿装置容量约束:
可控元件动作次数约束:
5.根据权利要求1所述的一种考虑风光水能源多重不确定性风险的优化调度方法,其特征在于:在步骤4中,采用多目标动态分解进化算法对源网协调多目标优化调度模型进行求解,其步骤如下:
步骤4.1,输入预测所得的Burr分布参数、对数正态分布参数、Gumbel分布参数、IEEE30节点负荷需求值;
步骤4.2,输入风光水机组等各项系统参数;设定种群数NZ、最大迭代次数gmax、置信水平、邻域规模;设当前迭代次数g=1、初始子问题实际效率值为1;
步骤4.3,生成均匀分布的NC组权重向量,计算各权重向量的邻域向量;初始化种群,得到各约束违反总量、总运营成本最优目标Cop和总功率偏差置信风险目标D(α);
步骤4.4,采用锦标赛择优法,根据更新后的实际效率值选取Nsp个子问题,设置k=1;
步骤4.5,为子问题更新范围的选取设置概率,满足概率,更新范围为邻域,否则为整个种群;在更新范围内执行DE进化操作;
步骤4.6,计算进化后子问题决策变量对应的目标函数值和各约束违反总量;
步骤4.7,满足择优条件,则更新该子问题;重复步骤4.5到4.6,执行k+1直至达到Nsp;
步骤4.8,重复步骤4.6到4.7,不断迭代直至满足gmax;其中,每过50代更新一次子问题实际效率值;
步骤4.9,输出结果,并基于逼近理想解排序法选取帕累托最优折衷解。
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