CN114268090A - 一种配电网联络开关配置优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种配电网联络开关配置优化方法，包括：建立配电网联络开关配置优化模型，所述配电网联络开关配置优化模型以联络开关配置综合成本最小为目标；所述联络开关配置综合成本包括联络开关的投资成本、设备运行维护成本以及系统运行产生的损耗成本；建立配电网联络开关配置优化模型的约束条件，所述约束条件包括线路功率互补性约束、系统潮流约束、系统运行的电压和功率限值约束；基于所述配电网联络开关配置优化模型以及所述约束条件进行优化获得配电网联络开关配置方案。通过本发明，能够解决现有配电网中联络开关的优化配置不考虑线路间的功率互补性而直接通过联络开关进行互联，将无法发挥联络开关功率转供的作用的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及配电网优化技术领域，具体涉及一种配电网联络开 关配置优化方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，城市负荷增长迅速，传统城市交流 配电网面临线路传输功率不足、运行网损过大和电能质量下降等各 种问题，其重载时刻供电能力不足的弊端也越来越明显。电能产生、 输送、分配及利用形态的变化，使得传统交流配电系统存在的许多 缺陷开始不断暴露出来，一方面，传统的交流分区供电无法合环运 行、无法满足高密度负荷区域对供电能力的需求；另一方面，大规 模分布式电源、电动汽车等新型能源设备接入配电网，配网消纳能 力不足的问题也亟待解决。通过联络开关将不同线路进行互联，可通过开关倒闸操作实现线路之间的功率转供。目前，国内对于配电 网中联络开关的优化配置问题大多采用智能算法进行求解，然而不 同线路的供电能力和负荷情况不同，若不考虑线路间的功率互补性 而直接通过联络开关进行互联，将无法发挥联络开关功率转供的作用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种配电网联络开关配置优化方法，以 解决现有配电网中联络开关的优化配置不考虑线路间的功率互补性 而直接通过联络开关进行互联，将无法发挥联络开关功率转供的作 用的技术问题。
为实现上述目的，本发明的实施例提出一种配电网联络开关配 置优化方法，包括如下步骤：
建立配电网联络开关配置优化模型，所述配电网联络开关配置 优化模型以联络开关配置综合成本最小为目标；所述联络开关配置 综合成本包括联络开关的投资成本、设备运行维护成本以及系统运 行产生的损耗成本；
建立配电网联络开关配置优化模型的约束条件，所述约束条件 包括线路功率互补性约束、系统运行的电压和功率限值约束、系统 潮流约束；
基于所述配电网联络开关配置优化模型以及所述约束条件进行 优化获得配电网联络开关配置方案。
优选地，所述线路功率互补性约束包括：
对线路功率互补性进行量化评估得到线路的互补性系数，当线 路的互补性系数大于预设值时，表示线路可以通过联络开关进行互 联。
优选地，所述对线路功率互补性进行量化评估得到线路的互补 性系数，包括：
通过高斯混合模型描述配电网不确定性，并建立节点注入功率 的概率分布函数；
建立线路间节点电压偏差的联合概率密度函数；
计算电压越限线路需求功率和其他线路可提供的功率；
根据所述电压越限线路需求功率和其他线路可提供的功率计算 功率的互补性。
优选地，所述系统运行的电压约束为系统运行的电压满足预设 的电压限值范围，所述功率限值约束为线路每一节点功率均需满足 预设的功率限值范围。
优选地，所述系统潮流约束如下：
其中，Pi为节点i的有功功率，Qi为节点i的无功功率，Ui为节 点i的电压，Uj为节点j的电压，Gij和Bij为节点导纳矩阵i行j列元 素的实部和虚部，θij为节点i和节点j之间的相位差。。
本发明实施例建立考虑线路时序互补性的配电网联络开关配置 优化配置模型，通过联络开关实现线路间的功率转供，从而降低配 电网电压越限风险，提高对分布式电源的消纳能力。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。
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为本发明实施例中一种配电网联络开关配置优化方法的流 程图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和 方面。另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出 了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节， 本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的 手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
参阅图1，本发明实施例提出一种配电网联络开关配置优化方 法，包括如下步骤：
步骤S10、建立配电网联络开关配置优化模型，所述配电网联 络开关配置优化模型以联络开关配置综合成本最小为目标；所述联 络开关配置综合成本包括联络开关的投资成本、设备运行维护成本 以及系统运行产生的损耗成本；
步骤S20、建立配电网联络开关配置优化模型的约束条件，所 述约束条件包括线路功率互补性约束、系统潮流约束、系统运行的 电压和功率限值约束；
步骤S30、基于所述配电网联络开关配置优化模型以及所述约 束条件进行优化获得配电网联络开关配置方案。
其中，所述系统潮流约束、系统运行的电压和功率限值约束如 下：
其中，所述步骤S30，包括：
通过高斯混合模型描述配电网不确定性，并建立节点注入功率 的概率分布函数；
建立线路间节点电压偏差的联合概率密度函数；
计算电压越限线路需求功率和其他线路可提供的功率；
根据所述电压越限线路需求功率和其他线路可提供的功率判断 是否满足功率的互补性；
若不满功率的互补性，则确定线路不适用通过联络开关进行互 联；
若满足功率的互补性，则进一步判断线路功率的互补程度是否 满足预设要求；
若满足预设要求，确定线路适用通过联络开关进行互联；
若不满足预设要求，确定线路不适用通过联络开关进行互联。
具体地，本发明实施例基于高斯混合模型(GMM)的配电网节 点注入功率全概率模型，以某一节点的负荷功率随机变量X为例， 利用若干高斯分布的叠加形式表征其概率分布如下：
式中：M为GMM模型的高斯分量个数；ωm为第m个高斯分量 的权重；Nm()为第m个一维正态分布；μm、σm分别为第m个高 斯分量的均值和协方差。
GMM具有边缘概率不变性和条件概率不变性，即：如果随机 变量
服从GMM，则其边缘概率分布和条件概率分布也服 从GMM。
式中：fX(x)为随机变量X的边缘概率密度；
为随 机变量X在事件
发生条件下的条件概率。
假设配电网内有W个节点的注入功率具有随机性，采用随机向 量X1表示注入功率的实际值、随机向量X2表示W个节点注入功率 的预测值，则预测误差的随机向量可表示为：
Xe＝X1-X2 (3)
其中，注入功率实际值X1、注入功率预测误差Xe、时间T可 进一步表示为：
记Y＝[X1 T]T，用GMM表征预测误差、预测值和时间多维随 机向量[Xe T TT]T的联合概率密度函数
i为节点， i＝1,2,...W。
利用EM算法拟合历史数据，求解得到式(5)中的参数wm、 μm和σm。
在给定注入功率实际值时序分布的条件下，由GMM的条件概 率不变性可知，预测误差的条件概率仍服从GMM，即：
据此，可以得到W个节点注入功率预测误差的条件概率分布， 精确量化配电网各节点注入功率的不确定性。
具体在本发明实施例中，基于电压近似的配电网概率潮流计算 方法，在精确表征配电网节点注入功率预测误差的基础上，为进一 步计算W个节点的节点电压偏移量V＝[V1V2 … VW]T，记 
式中：Ei为节点i的电压；ΔPi和ΔQi分别为节点i的注入有功 功率和无功功率。
式(7)可简记为：
V＝SPΔP+SQΔQ (8)
由于分布式电源逆变器等具有一定的无功调节能力，导致节点 注入无功功率的随机性远小于有功功率，因此本发明实施例主要分 析节点注入有功功率对配电网各节点电压分布的影响，并据此将式 (8)化为：
根据式(1)，所得节点注入有功功率预测误差的条件概率，可 进一步求得各节点电压偏差的概率密度函数为：
由此可知，节点电压偏差的概率分布fV(v)服从m个均值为 Aμm、方差为AσmAT的Gauss分量加权形式，且各分量权重仍为 ωm，与节点注入功率的概率分布相同。
基于以上分析，本发明实施例基于电压越限风险的线路功率互 补性评估如下：
为分析各节点电压的越限风险，需求得单条线路全部节点电压 偏差的概率密度函数fV(v)的边缘概率密度
可以看出，节点i的电压偏差的概率密度函数
服从均值为 
协方差矩阵为
的m个Gauss分量的叠加。其概率分布可表达 为
满足式(4)所示条件的节点i可认为是电压越限高风险节 点。
p(vi>ΔEover)>α||p(vi<ΔElow)>α (4)
式中：p(Z)为事件Z发生的概率；若E*表示配电网线路标 称电压，则[E*-ΔElow，E*+ΔEover]为电压偏移允许范围；ΔElow和 ΔEover分别为电压越下限和越上限的阈值范围，α为电压越限概率允 许阈值，本发明实施例取0.5。
据此，可判断单条线路上各节点电压是否存在较高的越限风险， 尤其需要重点分析双端VSC候选位置的节点电压情况，如果该节点 存在较高的电压越限风险，则在此节点将该线路与传输功率互补的 其他线路互联，能够同时改善两条线路的电压分布情况。
对于节点电压越限风险较高的线路L1，考虑通过VSC与其他 线路互联，实现实时的功率互补，以分析线路L1、L2之间的互补 性关系为例对多条线路的互补性评估进行介绍，其中线路L1、L2 的互联可通过在节点i、j之间安装双端VSC实现。
(1)计算线路L1待平衡的传输功率ΔPij
根据式(4)所示条件，线路L1节点i为电压越限高风险 节点，在时间范围T内的电压越限概率高达50％以上，线路L1、L2 互联后实现功率平衡必须满足下式约束条件：
p(vi>ΔEover)<β&&p(vi<ΔElow)<β (5)
式中：β为功率平衡状态下的电压越限概率允许阈值，本发明 实施例中取0.2。
定义电压偏移满足式(5)条件的分位数分别为
和
通 过求解式所示方程组得到线路L1待平衡的传输功率ΔPij
(2)分析线路L1、L2之间的互补性关系
在线路L1节点i发生电压越限的场景下，根据GMM的条件概 率不变性，得到线路L2电压偏差的概率分布仍服从GMM，即
式中：v'为线路L2的电压偏差随机变量。
对v'求边缘概率分布，根据GMM的边缘概率不变性，得到线 路L2节点j电压偏差的概率分布仍服从GMM，即
其概率分布可表达为：
线路L1、L2不具备互补性的约束条件为：
若满足式(10)中任一约束条件，则线路L1、L2一定不能 互联；否则，二者存在互联的可能性。
(3)判断线路L2是否具备平衡ΔPij的能力
将待平衡的传输功率ΔPij等效为线路L2节点j的电压偏差：
若线路L1节点i为电压越上限高风险节点，则线路L2能够完 全平衡功率ΔPij的概率为：
若线路L1节点i为电压越下限高风险节点，则线路L2能够完 全平衡功率ΔPij的概率为
则线路L2具备平衡ΔPij能力的判断条件为
p+>γ||p->γ (14)
式中：γ为定值，本发明实施例取0.8。
据此，可判断线路L2与线路L2互补，且具备平衡传输功率ΔPij的能力，即可以通过线路L1、L2之间的互联来缓解线路L1的电压 越限和功率不足问题。
本发明实施例配电网联络开关配置优化配置模型，模型目标函 数以联络开关配置综合成本最小为目标，成本包括联络开关的投资 成本、设备运行维护成本、以及系统运行产生的损耗成本：
C＝Cinv+Cmaintain+Closs (24)
式中：C为综合成本，Cinv为联络开关的一次投资成本， Cmaintain为设备运行维护成本，Closs为系统运行过程中产生的损耗 成本。其中，设备的投资成本可按照设备运行年限进行等年值的折 算，系统的损耗成本主要包括线路产生的损耗成本和联络开关运行 产生的损耗成本。
Closs＝Clines+Ctie (25)
式中：Clines为线路损耗成本，Ctie为联络开关运行产生的损耗 成本。
本发明实施例的联络开关优化配置模型中，约束条件主要包括 线路功率互补性约束、系统潮流约束、系统运行的电压、功率限值 约束。
(1)线路功率互补性约束
按照5.1中所提出的线路功率时序互补性评价方法，对线路互 补性进行量化评估，得到线路的互补性系数，用γ表示，当互补性 系数大于0.8时，表示线路可以通过联络开关进行互联，即：
γ>0.8 (26)
(2)系统电压及功率、潮流约束如下：
式中，U*为系统电压的标幺值，i为节点i的有功功率，Qi为 节点i的无功功率，Ui为节点i的电压，Uj为节点j的电压，Gij和Bij为节点导纳矩阵i行j列元素的实部和虚部，θij为节点i和节点j之 间的相位差。
本发明实施例方法具有以下优点：
(1)配电网中高比例电动汽车和分布式电源具有较强的不确定 性，线路的供电能力和负荷情况具有较大差异，如何量化评估线路 间的功率时序互补性是需要解决的难题。本发明提出一种考虑配电 网不确定性的线路功率互补性计算方法，通过高斯混合模型刻画配 电网的不确定性和线路功率互补性。首先，通过高斯混合模型对配 电网节点注入功率进行概率刻画，在此基础上，分析线路电压越限 风险。通过概率潮流方法，计算电压越限线路需求功率和其他线路 可提供功率，进而评估线路间的功率互补性。
(2)在联络开关优化配置模型当中，将线路互补性作为约束条 件，满足功率互补的线路可通过联络开关进行互联，不满足功率互 补的线路，则不能作为互联的备选方案。通过互补性约束的筛选， 联络开关配置的初始解空间得到了有效缩减，使得优化配置问题的 求解效率得到了提高。同时，将线路功率互补性纳入联络开关优化 配置模型中，也使得配置联络开关后的配电网具有更加灵活的功率 调控能力，解决了传统交流配电网电压越限、功率不足、分布式电 源消纳能力不足等问题。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并 非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的 各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员 来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨 在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进， 或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (5)
1.一种配电网联络开关配置优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立配电网联络开关配置优化模型，所述配电网联络开关配置优化模型以联络开关配置综合成本最小为目标；所述联络开关配置综合成本包括联络开关的投资成本、设备运行维护成本以及系统运行产生的损耗成本；
建立配电网联络开关配置优化模型的约束条件，所述约束条件包括线路功率互补性约束、系统运行的电压和功率限值约束、系统潮流约束；
基于所述配电网联络开关配置优化模型以及所述约束条件进行优化获得配电网联络开关配置方案。
2.根据权利要求1所述的配电网联络开关配置优化方法，其特征在于，所述线路功率互补性约束包括：
对线路功率互补性进行量化评估得到线路的互补性系数，当线路的互补性系数大于预设值时，表示线路可以通过联络开关进行互联。
3.根据权利要求2所述的配电网联络开关配置优化方法，其特征在于，所述对线路功率互补性进行量化评估得到线路的互补性系数，包括：
通过高斯混合模型描述配电网不确定性，并建立节点注入功率的概率分布函数；
建立线路间节点电压偏差的联合概率密度函数；
计算电压越限线路需求功率和其他线路可提供的功率；
根据所述电压越限线路需求功率和其他线路可提供的功率计算功率的互补性。
4.根据权利要求1所述的配电网联络开关配置优化方法，其特征在于，所述系统运行的电压约束为系统运行的电压满足预设的电压限值范围，所述功率限值约束为线路每一节点功率均需满足预设的功率限值范围。
5.根据权利要求1所述的配电网联络开关配置优化方法，其特征在于，所述系统潮流约束如下：
其中，Pi为节点i的有功功率，Qi为节点i的无功功率，Ui为节点i的电压，Uj为节点j的电压，Gij和Bij为节点导纳矩阵i行j列元素的实部和虚部，θij为节点i和节点j之间的相位差。
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