CN113765151B - 一种能量优化调度方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能量优化调度方法及装置，通过建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数；以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程；建立当前列车的功率方程；确定优化条件；依据所述优化条件，结合所述优化目标函数、所述系统潮流方程和所述列车的功率方程，得到能量最优调度模型，该模型具有多目标、多变量、多约束和非线性的特点，进而控制每个车站内设备的运行状态，实现节能降耗和电压波动平稳的目的。

Description

一种能量优化调度方法及装置

技术领域

本发明涉及城市轨道列车技术领域，更具体地说，涉及一种能量优化调度方法及装置。

背景技术

随着社会的发展和电力电子技术的进步，轨道交通牵引供电系统已由传统的二极管整流机组单向供电模式逐步经历二极管整流机组结合能馈变流器、二极管整流机组结合双向变流器、二极管整流机组结合双向变流器以及储能装置的发展方向。

同时，随着“节能降耗、低碳环保和智能友好”的政策方针，也对城轨牵引供电系统的技术指标提出了更高的要求。

由于双向变流器以及储能装置的引入，使轨道交通牵引供电方式由“被动供电”转换为“主动供电”。

那么，如何优化城轨牵引供电系统的能量调度达到节能降耗的目的，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种能量优化调度方法及装置，技术方案如下：

一种能量优化调度方法，应用于城轨牵引供电系统，所述城轨牵引供电系统包含多个车站，每个车站内至少包括双向变流器和储能装置，所述能量优化调度方法包括：

建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数；

以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程；

建立当前列车的功率方程；

确定优化条件和安全约束；

依据所述优化条件和所述安全约束，结合所述优化目标函数、所述系统潮流方程和所述列车的功率方程，得到能量最优调度模型。

优选的，在上述能量优化调度方法中，所述能量优化调度方法还包括：

依据所述能量最优调度模型，获取每个车站相对应的交流母线电压和双向变流器的功率值。

优选的，在上述能量优化调度方法中，所述以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程，包括：

建立所述双向变流器的交流潮流方程和直流潮流方程。

优选的，在上述能量优化调度方法中，所述建立所述双向变流器的交流潮流方程和直流潮流方程，包括：

当接口位于所述双向变流器的交流侧时，依据相对应的参数，建立交流潮流方程；

当接口位于所述双向变流器的直流侧时，依据相对应的参数，建立直流潮流方程。

一种能量优化调度装置，应用于城轨牵引供电系统，所述城轨牵引供电系统包含多个车站，每个车站内至少包括双向变流器和储能装置，所述能量优化调度装置包括：

第一建立模块，用于建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数；

第二建立模块，用于以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程；

第三建立模块，用于建立当前列车的功率方程；

确定模块，用于确定优化条件和安全约束；

获取模块，用于依据所述优化条件和所述安全约束，结合所述优化目标函数、所述系统潮流方程和所述列车的功率方程，得到能量最优调度模型。

优选的，在上述能量优化调度装置中，所述能量优化调度装置还包括：

参数获取模块，用于依据所述能量最优调度模型，获取每个车站相对应的交流母线电压和双向变流器的功率值。

优选的，在上述能量优化调度装置中，所述第二建立模块具体用于：

建立所述双向变流器的交流潮流方程和直流潮流方程。

优选的，在上述能量优化调度装置中，所述第二建立模块还具体用于：

当接口在所述双向变流器的交流侧时，依据相对应的参数，建立交流潮流方程；

当接口在所述双向变流器的直流侧时，依据相对应的参数，建立直流潮流方程。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的能量优化调度方法通过建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数；以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程；建立当前列车的功率方程；确定优化条件；依据所述优化条件，结合所述优化目标函数、所述系统潮流方程和所述列车的功率方程，获取能量最优调度模型，该模型具有多目标、多变量、多约束和非线性的特点，进而控制每个车站内设备的运行状态，实现节能降耗和电压波动平稳的目的。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种城轨牵引供电系统的部分结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种能量优化调度方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种能量优化调度装置的结构示意图。

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。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种城轨牵引供电系统的部分结构示意图。

所述城轨牵引供电系统包含多个车站，每个车站内至少包括双向变流器和储能装置，其中，PSCADA为对车站内电能信息的采集模块，ATS为自动列车监控系统，主要完成对地铁运营列车和信号设备的管理和控制，VOBC为车载控制系统模块，主要完成与列车控制中心进行通信。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种能量优化调度方法的流程示意图。

所述能量优化调度方法包括：

S101：建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数。

S102：以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程。

在该步骤中，所述系统潮流方程为所述双向变流器的交流潮流方程和直流潮流方程，当接口在所述双向变流器的交流侧时，依据相对应的参数，建立交流潮流方程；当接口在所述双向变流器的直流侧时，依据相对应的参数，建立直流潮流方程。

S103：建立当前列车的功率方程。

S104：确定优化条件和安全约束。

S105：依据所述优化条件和所述安全约束，结合所述优化目标函数、所述系统潮流方程和所述列车的功率方程，得到能量最优调度模型。

在该实施例中，该模型具有多目标、多变量、多约束和非线性的特点，依据所述能量最优调度模型，可以获得每个车站相对应的交流母线电压和双向变流器的功率值，进而控制每个车站内设备的运行状态，实现节能降耗和电压波动平稳的目的。

进一步的，基于本发明上述实施例，基于步骤S101而言，建立以最小系统网损f₁和最小直流牵引网网压波动f₂相关的优化目标函数F，具体为：

其中，L_ac表示交流线路的支路数。

g_k表示第k条交流支路的电导。

U_i表示节点i的电压幅值。

θ_i表示节点i的相角。

U_j表示节点j的电压幅值。

θ_j表示节点j的相角。

N_c表示变电站的个数。

Pc_m表示第m台变流器损耗。

Pt_m表示第m台变压器损耗。

L_dc表示直流线路的支路数。

Id_k表示第k条直流支路的电流。

R_k表示第k条直流支路的电阻。

U_dci表示第i个直流节点的电压幅值。

表示直流网压期望值。

需要说明的是，由于最小系统网损f₁和最小直流牵引网网压波动f₂的物理含义和量纲不一致，因此，需要对二者进行标幺化处理。

进一步的，基于本发明上述实施例，基于步骤S102而言，以各个车站的双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程。

所述系统潮流方程为所述双向变流器的交流潮流方程和直流潮流方程。

当接口在所述双向变流器的交流侧时，依据相对应的参数，建立交流潮流方程，具体为：

其中，N_ac表示系统交流节点的个数。

P_loadi表示第i个变电站站内有功负荷。

表示第i个变电站站内无功负荷。

P_ci表示第i个变流器的有功出力或吸收值。

Q_ci表示第i个变流器的无功出力或吸收值。

表示第i个储能装置吸收或提供的功率值。

当接口在所述双向变流器的直流侧时，依据相对应的参数，建立直流潮流方程，具体为：

其中，k_Tk表示换流变压器变比，整流侧θ_dk为触发延迟角α_i，逆变侧θ_dk为熄弧角γ_i，k_γ为常数，一般取0.995。

g_dkj表示消除联络节点后剩余直流网络节点的电导矩阵G_d的元素。

N_c表示换流器的个数。

Δd_1k、Δd_2k表示直流变量与换流变压器相连的交流母线电压U_i之间的耦合关系。

Δd_3k表示直流输电线的直流电压与直流电流之间的关系。

Δd_4k、Δd_5k表示通过给定具体的控制方式(如，定直流功率P_dk、定电流I_dk、定电压U_dk、定变化k_Tk和定控制角θ_dk等)，消除两个未知量，从而使未知量的个数等于直流系统方程的个数。

进一步的，基于本发明上述实施例，直流电压U_dk与列车当前状态相关，假设列车在两个车站之间，当前列车功率为P_train，相邻车站的直流母线电压为U_i和U_j，列车相邻两个车站的线路电阻为R_i和R_j，则相应关系为：

其中，U_di表示第i个变电站直流电压。

I_di表示列车第i个变电站的直流电流。

P_train表示列车牵引或制动时的功率。

R_i表示列车当前位置距离第i个变电站的直流等效阻值。

进一步的，基于本发明上述实施例，考虑到供电网络运行的安全性和可靠性，确定优化条件：

其中，表示第i个变电站变流器有功功率的下限值。

表示第i个变电站变流器无功功率的下限值。

表示第i个变电站配套对应的储能输出功率的下限值。

表示第i个变电站对应的变压器变比下限值。

表示第i个变电站变流器交流侧对应的交流母线电压的下限值。

表示第i个变电站变流器直流侧对应的直流电压值的下限值。

表示变电站i和变电站j之间的交流线路电流。

表示变电站i和变电站j之间的直流线路电流。

X^max表示对应变量的上限值。

综上所述，结合公式(1)-(5)，可以得到能量最优调度模型，是一种非线性多目标优化模型：

其中，f₁(x)表示标幺化处理后的最小系统网损方程。

f₂(x)表示标幺化处理后的最小直流牵引网网压波动方程。

g(x)表示公式(2)-(4)的约束条件方程。

h(x)表示各个控制变量及状态变量的安全约束优化条件组成。

通过上述描述可知，本发明在当前城轨供电系统潮流计算分析的基础上，综合考虑双向变流器功率可控的特点、列车交互运行信息、各车站配套使用的储能装置等，构建车-路-网一体化的多目标最优潮流模型。

从整个城轨牵引供电系统的角度出发，综合考虑交流网与直流牵引网的功率交互特点，构建了以变电站换流器为接口的交流潮流方程和直流潮流方程。

并且，综合考虑以系统运行网损最小为目标，包括交流损耗、直流损耗、变压器损耗、变流器损耗等，和以直流牵引网压波动最小为目标，即以各车站直流牵引网压与牵引网压期望值之差的平方最小为目标，将两种目标函数标幺处理后，再进行线性加权，得到优化模型的目标函数。

以及，考虑了车-路-网一体化的融合，即从列车当前状态信息、供电网信息、变流器及储能装置信息、负荷信息等综合信息考虑的情况下进行大系统优化，将突破传统供电网潮流计算仅给出当前潮流分布，但并未从系统优化的角度进行全局寻优，也并未考虑系统运行的安全约束条件。因此，按本文模型计算得到的结果能兼顾经济性、安全性、可靠性，更能为调度人员、科研人员提供更加丰富的信息。

也就是说，该模型具有多目标、多变量、多约束和非线性的特点，依据所述能量最优调度模型，可以获得每个车站相对应的交流母线电压和双向变流器的功率值，进而控制每个车站内设备的运行状态，实现节能降耗的目的。

进一步的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种能量优化调度装置，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种能量优化调度装置的结构示意图。

所述能量优化调度装置，应用于城轨牵引供电系统，所述城轨牵引供电系统包含多个车站，每个车站内至少包括双向变流器和储能装置。

所述能量优化调度装置包括：

第一建立模块31，用于建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数；

第二建立模块32，用于以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程；

第三建立模块33，用于建立当前列车的功率方程；

确定模块34，用于确定优化条件和安全约束；

获取模块35，用于依据所述优化条件和所述安全约束，结合所述优化目标函数、所述系统潮流方程和所述列车的功率方程，得到能量最优调度模型。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述能量优化调度装置还包括：

参数获取模块36，用于依据所述能量最优调度模型，优化得到每个车站相对应的交流母线电压和双向变流器的功率值。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述第二建立模块32具体用于：

建立所述双向变流器的交流潮流方程和直流潮流方程。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述第二建立模块32还具体用于：

当接口在所述双向变流器的交流侧时，依据相对应的参数，建立交流潮流方程；

当接口在所述双向变流器的直流侧时，依据相对应的参数，建立直流潮流方程。

需要说明的是，本发明实施例提供的能量优化调度装置和上述实施例提供的能量优化调度方法的原理相同，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种能量优化调度方法及装置进行了详细介绍，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，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，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。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种能量优化调度方法，应用于城轨牵引供电系统，所述城轨牵引供电系统包含多个车站，每个车站内至少包括双向变流器和储能装置，其特征在于，所述能量优化调度方法包括：

建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数；

以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程；

建立当前列车的功率方程；

确定优化条件和安全约束；

依据所述优化条件和所述安全约束，结合所述优化目标函数、所述系统潮流方程和所述列车的功率方程，得到能量最优调度模型；

其中，建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数，具体为：

其中，L_ac表示交流线路的支路数，g_k表示第k条交流支路的电导，U_i表示节点i的电压幅值，θ_i表示节点i的相角，U_j表示节点j的电压幅值，θ_j表示节点j的相角，N_c表示变电站的个数，Pc_m表示第m台变流器损耗，Pt_m表示第m台变压器损耗，L_dc表示直流线路的支路数，Id_k表示第k条直流支路的电流，R_k表示第k条直流支路的电阻，U_dci表示第i个直流节点的电压幅值，表示直流网压期望值；

其中，所述以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程，包括：

当接口位于所述双向变流器的交流侧时，依据相对应的参数，建立交流潮流方程，具体为：

其中，N_ac表示系统交流节点的个数，表示第i个变电站站内有功负荷，/>表示第i个变电站站内无功负荷，P_ci表示第i个变流器的有功出力或吸收值，Q_ci表示第i个变流器的无功出力或吸收值，/>表示第i个储能装置吸收或提供的功率值；

当接口位于所述双向变流器的直流侧时，依据相对应的参数，建立直流潮流方程，具体为：

其中，k_Tk表示换流变压器变比，整流侧θ_dk为触发延迟角α_i，逆变侧θ_dk为熄弧角γ_i，k_γ为常数，g_dkj表示消除联络节点后剩余直流网络节点的电导矩阵G_d的元素，N_c表示换流器的个数，Δd_1k、Δd_2k表示直流变量与换流变压器相连的交流母线电压U_i之间的耦合关系，Δd_3k表示直流输电线的直流电压与直流电流之间的关系，Δd_4k、Δd_5k用于表示通过给定的控制方式消除两个未知量，从而使未知量的个数等于直流系统方程的个数，U_dk表示定电压值，I_dk表示定电流值；

其中，建立当前列车的功率方程，具体为：

其中，U_di表示第i个变电站直流电压，I_di表示列车第i个变电站的直流电流，P_train表示列车牵引或制动时的功率，R_i表示列车当前位置距离第i个变电站的直流等效阻值。

2.根据权利要求1所述的能量优化调度方法，其特征在于，所述能量优化调度方法还包括：

依据所述能量最优调度模型，获取每个车站相对应的交流母线电压和双向变流器的功率值。

3.一种能量优化调度装置，应用于城轨牵引供电系统，所述城轨牵引供电系统包含多个车站，每个车站内至少包括双向变流器和储能装置，其特征在于，所述能量优化调度装置包括：

第一建立模块，用于建立以最小系统网损和最小直流牵引网网压波动相关的优化目标函数；

第二建立模块，用于以所述双向变流器为功率交互接口，建立系统潮流方程；

第三建立模块，用于建立当前列车的功率方程；

确定模块，用于确定优化条件和安全约束；

获取模块，用于依据所述优化条件和所述安全约束，结合所述优化目标函数、所述系统潮流方程和所述列车的功率方程，得到能量最优调度模型；

所述第一建立模块，具体用于建立以下函数：

其中，L_ac表示交流线路的支路数，g_k表示第k条交流支路的电导，U_i表示节点i的电压幅值，θ_i表示节点i的相角，U_j表示节点j的电压幅值，θ_j表示节点j的相角，N_c表示变电站的个数，Pc_m表示第m台变流器损耗，Pt_m表示第m台变压器损耗，L_dc表示直流线路的支路数，Id_k表示第k条直流支路的电流，R_k表示第k条直流支路的电阻，U_dci表示第i个直流节点的电压幅值，表示直流网压期望值；

所述第二建立模块，具体用于：

当接口位于所述双向变流器的交流侧时，依据相对应的参数，建立交流潮流方程，具体为：

其中，N_ac表示系统交流节点的个数，表示第i个变电站站内有功负荷，/>表示第i个变电站站内无功负荷，P_ci表示第i个变流器的有功出力或吸收值，Q_ci表示第i个变流器的无功出力或吸收值，/>表示第i个储能装置吸收或提供的功率值；

当接口位于所述双向变流器的直流侧时，依据相对应的参数，建立直流潮流方程，具体为：

其中，k_Tk表示换流变压器变比，整流侧θ_dk为触发延迟角α_i，逆变侧θ_dk为熄弧角γ_i，k_γ为常数，g_dkj表示消除联络节点后剩余直流网络节点的电导矩阵G_d的元素，N_c表示换流器的个数，Δd_1k、Δd_2k表示直流变量与换流变压器相连的交流母线电压U_i之间的耦合关系，Δd_3k表示直流输电线的直流电压与直流电流之间的关系，Δd_4k、Δd_5k用于表示通过给定的控制方式消除两个未知量，从而使未知量的个数等于直流系统方程的个数，U_dk表示定电压值，I_dk表示定电流值；

所述第三建立模块，具体用于建立以下方程：

其中，U_di表示第i个变电站直流电压，I_di表示列车第i个变电站的直流电流，P_train表示列车牵引或制动时的功率，R_i表示列车当前位置距离第i个变电站的直流等效阻值。

4.根据权利要求3所述的能量优化调度装置，其特征在于，所述能量优化调度装置还包括：

参数获取模块，用于依据所述能量最优调度模型，获取每个车站相对应的交流母线电压和双向变流器的功率值。