CN114362155B - 考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法，在于构建同时考虑主动管理措施和需求响应主动配电网网络重构模型并提出相应求解策略。首先，以考虑网损成本、弃风弃光成本和开关操作惩罚成本的综合成本最小为目标，建立主动管理措施和需求响应的配电网重构模型；然后，针对配电网重构模型的非凸性，引入中间变量并对其进行二阶锥松弛，构建混合整数凸规划模型，使其能够在获得全局最优解的同时提高求解效率；最后，采用改进的IEEE 33节点主动配电网进行算例仿真。算例结果表明，本发明提出的主动配电网重构方法，可以有效提升清洁能源消纳能力、平移负荷峰谷差、提升运行经济性，能够为主动配电网故障恢复提供技术支撑。

Description

考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法

技术领域

本发明涉及一种主动配电网重构方法，尤其是涉及一种考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法。

背景技术

随着分布式电源(DG)的规模化接入，负荷与DG出力的波动性使配电网的运行状况更加复杂多变。运用主动配电网灵活可变的网络结构，针对各时段不同孤岛划分结果动态调整配电网拓扑结构进行动态网络重构，对提高主动配电网故障恢复水平、优化系统潮流分布具有重要的研究意义。

主动配电网网络重构根据优化时间区间的长短可分为静态网络重构和动态网络重构。静态网络重构一般是针对某一特定时刻的系统实时运行状态进行网络重构，而目前配电网中发生的故障大多为永久性接地故障，故障修复通常需要一定的时间，显然，静态网络重构策略的适用性较差。动态网络重构则是在某一故障持续时间段内进行网络重构，不同时段的开关组合状态会影响前后故障时间段的网络重构方案，各时段间具有较强关联性，且需要考虑整个故障时间段内的开关动作次数、网络损耗、弃风弃光以及等效负荷恢复价值，因此网络重构实际上是一个由多约束组成的非凸、非线性优化问题，容易出现维数灾难，属于NP-Hard问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种有效提升清洁能源消纳能力、平移负荷峰谷差、提升运行经济性的考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法。

一种考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法，包括以下步骤：

根据主动管理措施和需求响应的要求，建立网络损耗计算模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型；

根据网络损耗计算模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型建立初级配电网重构模型，以考虑网损成本、弃风弃光成本和开关操作惩罚成本的综合成本为基础建立优化目标函数；

针对初级配电网重构模型的非凸性，引入中间变量并对其进行二阶锥松弛，构建混合整数凸规划模型，以获得最终配电网重构模型；

利用数学软件对最终配电网重构模型进行求解，以获得到最优重构方案。

由上述技术方案可知，本申请以考虑网损成本、弃风弃光成本和开关操作惩罚成本的综合成本最小为目标，建立主动管理措施和需求响应的配电网重构模型，针对配电网重构模型的非凸性，引入中间变量并对其进行二阶锥松弛，构建混合整数凸规划模型，最终获得使其能够在获得全局最优解的同时提高求解效率；算例结果表明，本发明提出的主动配电网重构方法，可以有效提升清洁能源消纳能力、平移负荷峰谷差、提升运行经济性，能够为主动配电网故障恢复提供技术支撑。

附图说明

图1是本申请的考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法流程图。

图2是含DG和储能的IEEE 33节点配电网。

图3是DG与负荷24小时功率分布曲线。

图4是实施需求响应前后的负荷需求曲线。

图5是不同清洁能源渗透率下的节点电压曲面图。

图6是8：00时刻不同清洁能源渗透率下节点电压曲线图。

图中：考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法的步骤S100～106。

具体实施方式

本申请以考虑网损成本、弃风弃光成本和开关操作惩罚成本的综合成本最小为目标，建立主动管理措施和需求响应的配电网重构模型；然后，针对配电网重构模型的非凸性，引入中间变量并对其进行二阶锥松弛，构建混合整数凸规划模型，使其能够在获得全局最优解的同时提高求解效率。

下面通过实施例，并结合附图，对本申请的技术方案作进一步具体的说明。这有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

一种考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法，请同时参看图1，包括以下步骤：

步骤S100，根据主动管理措施和需求响应的要求，建立网络损耗计算模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型；其中，主动管理措施包括DG功率调节、网络重构、储能控制、电容器投切，需求响应考虑的是峰谷电价和负荷弹性系数。

步骤S102，根据网络损耗计算模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型建立初级配电网重构模型，以考虑网损成本、弃风弃光成本和开关操作惩罚成本的综合成本为基础建立优化目标函数；

步骤S104，针对初级配电网重构模型的非凸性，引入中间变量并对其进行二阶锥松弛，构建混合整数凸规划模型，以获得最终配电网重构模型；

步骤S106，利用数学软件对最终配电网重构模型进行求解，以获得到最优重构方案。例如，在本实施方式中，通过Matlab((MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人，控制系统等领域))中的YALMIP工具箱调用MOSEK算法包来对最终配电网重构模型进行求解，以获得到最优重构方案。

其中，步骤S100中，网络损耗模型：

式中：I_ij,t为t时段支路ij电流的有效值，R_ij为支路ij的电阻值。

弃风弃光量模型：

式中：Φ_wind、Φ_pv分别表示系统中风机、光伏接入节点的集合；分别表示t时刻接入节点i的风机和光伏的输出功率；/>分别表示在t时刻风机和光伏注入节点i的实际功率。

分段开关操作次数模型：

式中：α_ij、α_ij,0分别表示配电网重构后以及重构前支路ij线路开关的状态，0表示支路ij开关断开，1表示支路ij开关闭合；Ω为配电网所有支路集合。

其中，步骤S102中，目标函数为：

式中：T为配电网重构持续时间；g_1,t为系统t时段的网络损耗；g_2,t为系统t时段的弃风弃光量；g₃为系统分段开关操作次数；c₁、c₂、c₃分别为网络损耗成本系数、弃风弃光惩罚系数以及分段开关操作惩罚成本系数。

其中，步骤S102中，重构数学模型的约束条件包括：

节点功率平衡约束：

式中：V_i,t、V_j,t为t时段节点i、j电压；G_ij、B_ij为支路ij的电导和电纳，δ_ij,t为t时段支路ij的电压相角差；C(i)为与节点i相连的所有节点的集合；

节点电压约束：

在进行配电网重构时，配电网中节点电压需要满足上下限约束，即：

式中：分别表示节点i的电压上下限；

支路电流约束：

由于线路传输容量的限制，支路传输电流需要满足一定的约束条件，即：

式中：为支路ij允许流过的电流最大值；

DG功率约束：

DG注入配电网的功率应满足：式中：P_DG,i,t、Q_DG,i,t为t时段节点i处DG的有功出力和无功出力；/>为t时段节点i处DG的有功出力和无功出力上限；/>为t时段节点i处DG的有功出力和无功出力下限；

网络结构约束：

配电网在重构过程中需满足连通性约束与辐射状约束，即：

式中：f_di为节点i的虚拟负荷，一般可取单位1；f_ij,t为t时段支路ij处流过的虚拟流量；N_b为支路数，N_n为节点数；N_s为电源数；

储能电池充放电状态及功率约束：

储能电池在充放电过程中应该满足充放电状态及功率约束，即：

式中：分别代表节点i处储能在t时段充放电状态；/>分别表示节点i处储能的充放电最大功率；/>表示节点i处储能在t时段充放电功率；

储能电池剩余容量约束：

由于储能的充放电深度限制，储能在运行过程应当满足储能剩余容量约束，即：

式中：为t时段节点i处储能的剩余容量；/>和/>为节点i处储能的最大、最小容量限制；η_ch、η_dis分别为储能的充放电效率；

电容器投切约束：

为应对由于无功缺额引起的欠电压问题，在网络重构过程中需要投切电容器组进行无功补偿，应满足电容器投切约束，即：

式中：为t时段节点i处电容器的无功补偿容量，/>表示投入单个电容器的无功补偿容量，/>为t时段节点i处投切的电容器数量，/>为节点i处可供投切的电容器总数；

需求响应约束：

在配电网中采用需求响应策略，可以在降低负荷峰谷差的同时，减少配电网运行的综合成本，提高配电网运行的经济性以及可靠性，考虑需求响应的负荷约束如(13)-(16)表示：

式中：ξ_i,t为节点i在t时刻的电价弹性系数；ΔP_i,t为节点i在t时刻实施需求响应前后的用电需求变化量；Δρ_i,t为节点i在t时刻实施需求响应前后的电量变化量；ρ_i,t和分别为节点i在t时刻实施需求响应前后的电价；P_i,t和/>分别为节点i在t时刻实施需求响应前后的负荷量；/>和/>分别为节点i在t时刻实施需求响应后电价的上下限。

其中，步骤S104中，引入的中间变量如式(17)～(21)所示：

C_ij,t＝V_i,tV_j,tcos(δ_ij,t) (19)

D_ij,t＝V_i,tV_j,tsin(δ_ij,t) (20)

原模型中含有平方项的网络损耗(式(4))以及含有平方项、三角函数项的节点功率平衡约束(式(6))，经二阶锥松弛后，分别如式(22)和式(23)所示：

在式(23)中的中间变量C_ij和D_ij对于不同支路ij定义了不同的变量，然而节点电压中间变量u_i和u_j则是定义网络节点(i,j)的中间变量，对于连接这些节点的支路ij所形成的方程是共同变量。因此有必要定义每一条线路ij的线路虚拟电压中间变量和/>并通过式(24)～(27)约束其与节点电压中间变量的关系：

而后可以通过式(28)约束中间变量：

因式(28)中含有二次项，模型仍然具有非凸性，进一步将其松弛后如式(29)所示：

式(29)变形后可得其二阶锥形式：

原模型中含有平方项的网络损耗式(2)以及含有平方项、三角函数项的节点功率平衡约束式(5)，节点电压约束式(6)、节点电流约束式(7)，通过变量替换以及二阶锥松弛后，转化公式如(31)～(35)所示：

以下通过算例分析案例说明本申请的技术方案能够有效提升清洁能源消纳能力、平移负荷峰谷差、提升运行经济性：

以含DG和储能(ES)的IEEE 33节点主动配电网为例进行算例分析，算例网络结构如图2所示。图2中，实线为支路，虚线为联络开关；节点编号标于图2中；系统最大负荷3715kW+2300kvar。假设所有同类型DG和负荷服从图3所示功率分布曲线。

网络重构结果：在清洁能源渗透率为60％时，计及主动管理措施和需求响应措施对主动配电网进行优化重构，系统的峰时电价为1.026元/kWh、谷时电价为0.2561元/kWh，平时电价为0.691元/kWh，负荷弹性系数为0.5。优化结果为：配电网断开线路L_4-5,L_9-10,L_17-18，L_28-29和L_8-21的开关。图4为实施需求响应前后的负荷需求曲线，从图中可以看出，采用本发明的需求响应策略之后，部分负荷从用电高峰时段(12：00-15:00,19:00-23:00)转移到用电低谷时段(0：00-11：00，16：00-18：00)；且进行需求响应前的负荷峰谷差为0.77(标幺值)，而进行需求响应后的负荷峰谷差降低至0.57标幺值)。在配电网重构中计及需求响应措施的负荷峰谷差相比原始负荷峰谷差有一定的改善。

清洁能源渗透率对重构结果的影响：为了探究清洁能源不同渗透率对配电网的影响，分别设置清洁能源渗透率为20％、40％、60％、80％，并计及需求响应，对不同清洁能源渗透率下的配电网进行重构。不同渗透率下计及需求响应的配电网重构结果如表1所示：

表1不同清洁能源渗透率下的模型求解结果

从表1中可以看出，当清洁能源渗透率从20％提升至40％时，接入系统的清洁能源被配电网完全消纳，使得一天之内的系统网损费用减少了195.78元。然而随着清洁能源渗透率从40％提升至60％时，系统网损费用增加了5.81元，这是因为随着清洁能源渗透率的升高，系统以减少弃风弃光量为目标时，会加剧系统内的负荷峰谷差，增大线路传输功率，使得系统网损有所增大。当清洁能源渗透率从60％提升至80％时，系统的网损费用增加了424.97元，同时产生了弃风费用69.43元，导致系统的总费用增加494.4元，这是因为系统大量消纳风光发电加剧了系统内的负荷峰谷差，使得网损费用增加。同时由于系统安全运行约束，使得系统难以消纳所有清洁能源，出现了弃风弃光的现象。

如图5为不同清洁能源渗透率下各节点各时段的电压曲面图，图6为8：00时刻不同清洁能源渗透率下节点电压曲线图。从图5和图6中可以看出，随着清洁能源渗透率的增加，节点电压标幺值整体不断上升。然而当清洁能源渗透率达到80％时，部分节点在某些时刻(如8：00)会高于平衡节点电压(标幺值为1)。

上述结果说明：合适的清洁能源渗透率能够减少网络重构过程中系统的网损，提升电压质量；当清洁能源渗透率过高或者过低时，都会增加系统运行成本，降低电压质量。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法，包括以下步骤：

根据主动管理措施和需求响应的要求，建立网络损耗计算模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型；

根据网络损耗计算模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型建立初级配电网重构模型，以考虑网损成本、弃风弃光成本和开关操作惩罚成本的综合成本为基础建立优化目标函数；

针对初级配电网重构模型的非凸性，引入中间变量并对其进行二阶锥松弛，构建混合整数凸规划模型，以获得最终配电网重构模型；

利用数学软件对最终配电网重构模型进行求解，以获得到最优重构方案；

其中，在“根据主动管理措施和需求响应的要求，建立网络损耗模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型”步骤中，

网络损耗模型：

式中：I_ij,t为t时段支路ij电流的有效值，R_ij为支路ij的电阻值；

弃风弃光量模型：

式中：Φ_wind、Φ_pv分别表示系统中风机、光伏接入节点的集合；分别表示t时刻接入节点i的风机和光伏的输出功率；/>分别表示在t时刻风机和光伏注入节点i的实际功率；

分段开关操作次数模型：

式中：α_ij、α_ij,0分别表示配电网重构后以及重构前支路ij线路开关的状态，0表示支路ij开关断开，1表示支路ij开关闭合；Ω为配电网所有支路集合；

其中，在“根据网络损耗计算模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型建立初级配电网重构模型，以考虑网损成本、弃风弃光成本和开关操作惩罚成本的综合成本为基础建立优化目标函数”步骤中，目标函数为：

式中：T为配电网重构持续时间；g_1,t为系统t时段的网络损耗；g_2,t为系统t时段的弃风弃光量；g₃为系统分段开关操作次数；c₁、c₂、c₃分别为网络损耗成本系数、弃风弃光惩罚系数以及分段开关操作惩罚成本系数。

2.根据权利要求1所述的考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法，其特征在于：在“根据网络损耗计算模型、弃风弃光量模型、分段开关操作次数模型建立初级配电网重构模型，以考虑网损成本、弃风弃光成本和开关操作惩罚成本的综合成本为基础建立优化目标函数”步骤中，重构数学模型的约束条件包括：

节点功率平衡约束：

式中：V_i,t、V_j,t为t时段节点i、j电压；G_ij、B_ij为支路ij的电导和电纳，δ_ij,t为t时段支路ij的电压相角差；C(i)为与节点i相连的所有节点的集合；

节点电压约束：

在进行配电网重构时，配电网中节点电压需要满足上下限约束，即：

V_i ^min≤V_i,t≤V_i ^max (6)

式中：V_i ^max、V_i ^min分别表示节点i的电压上下限；

支路电流约束：

由于线路传输容量的限制，支路传输电流需要满足一定的约束条件，即：

式中：为支路ij允许流过的电流最大值；

DG功率约束：

DG注入配电网的功率应满足：

式中：P_DG,i,t、Q_DG,i,t为t时段节点i处DG的有功出力和无功出力；为t时段节点i处DG的有功出力和无功出力上限；/>为t时段节点i处DG的有功出力和无功出力下限；

网络结构约束：

配电网在重构过程中需满足连通性约束与辐射状约束，即：

式中：f_di为节点i的虚拟负荷，一般可取单位1；f_ij,t为t时段支路ij处流过的虚拟流量；N_b为支路数，N_n为节点数；N_s为电源数；

储能电池充放电状态及功率约束：

储能电池在充放电过程中应该满足充放电状态及功率约束，即：

式中：分别代表节点i处储能在t时段充放电状态；/>分别表示节点i处储能的充放电最大功率；/>表示节点i处储能在t时段充放电功率；

储能电池剩余容量约束：

由于储能的充放电深度限制，储能在运行过程应当满足储能剩余容量约束，即：

式中：为t时段节点i处储能的剩余容量；/>和/>为节点i处储能的最大、最小容量限制；η_ch、η_dis分别为储能的充放电效率；

电容器投切约束：

为应对由于无功缺额引起的欠电压问题，在网络重构过程中需要投切电容器组进行无功补偿，应满足电容器投切约束，即：

式中：为t时段节点i处电容器的无功补偿容量，/>表示投入单个电容器的无功补偿容量，/>为t时段节点i处投切的电容器数量，/>为节点i处可供投切的电容器总数；

需求响应约束：

在配电网中采用需求响应策略，可以在降低负荷峰谷差的同时，减少配电网运行的综合成本，提高配电网运行的经济性以及可靠性，考虑需求响应的负荷约束如(13)-(16)表示：

式中：ξ_i,t为节点i在t时刻的电价弹性系数；ΔP_i,t为节点i在t时刻实施需求响应前后的用电需求变化量；Δρ_i,t为节点i在t时刻实施需求响应前后的电量变化量；ρ_i,t和分别为节点i在t时刻实施需求响应前后的电价；P_i,t和/>分别为节点i在t时刻实施需求响应前后的负荷量；/>和/>分别为节点i在t时刻实施需求响应后电价的上下限。

3.根据权利要求2所述的考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法，其特征在于：在“针对初级配电网重构模型的非凸性，引入中间变量并对其进行二阶锥松弛，构建混合整数凸规划模型，以获得最终配电网重构模型”步骤中，引入的中间变量如式(17)～(21)所示：

C_ij,t＝V_i,tV_j,tcos(δ_ij,t) (19)

D_ij,t＝V_i,tV_j,tsin(δ_ij,t) (20)

原模型中含有平方项的网络损耗(式(4))以及含有平方项、三角函数项的节点功率平衡约束(式(6))，经二阶锥松弛后，分别如式(22)和式(23)所示：

在式(23)中的中间变量C_ij和D_ij对于不同支路ij定义了不同的变量，然而节点电压中间变量u_i和u_j则是定义网络节点(i,j)的中间变量，对于连接这些节点的支路ij所形成的方程是共同变量，因此有必要定义每一条线路ij的线路虚拟电压中间变量和/>并通过式(24)～(27)约束其与节点电压中间变量的关系：

而后可以通过式(28)约束中间变量：

因式(28)中含有二次项，模型仍然具有非凸性，进一步将其松弛后如式(29)所示：

式(29)变形后可得其二阶锥形式：

原模型中含有平方项的网络损耗式(2)以及含有平方项、三角函数项的节点功率平衡约束式(5)，节点电压约束式(6)、节点电流约束式(7)，通过变量替换以及二阶锥松弛后，转化公式如(31)～(35)所示：

(V_i ^min)²≤u_i,t≤(V_i ^max)² (34)

4.根据权利要求3所述的考虑主动管理措施和需求响应的主动配电网重构方法，其特征在于：通过Matlab中的YALMIP工具箱调用MOSEK算法包来对最终配电网重构模型进行求解，以获得到最优重构方案。