CN114844051A - 一种主动配电网的无功电源优化配置方法及终端 - Google Patents

一种主动配电网的无功电源优化配置方法及终端 Download PDF

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CN114844051A CN202210489016.8A CN202210489016A CN114844051A CN 114844051 A CN114844051 A CN 114844051A CN 202210489016 A CN202210489016 A CN 202210489016A CN 114844051 A CN114844051 A CN 114844051A
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Abstract

本发明公开一种主动配电网的无功电源优化配置方法，建立主动配电网的无功电源配置规划层模型和无功电源配置运行层模型；将综合费用和碳排放最小确定为无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与其对应的第一约束条件；将运行费用最小确定为无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与其对应的第二约束条件；基于第一目标函数和第一约束条件对无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容，并基于第二目标函数和第二约束条件对无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置，从而有效地实现主动配电网的无功优化。

Description

一种主动配电网的无功电源优化配置方法及终端
技术领域
本发明涉及主动配电网技术领域，尤其涉及一种主动配电网的无功电源优化配置方法及终端。
背景技术
配电网无功优化有助于改善系统电压水平以及降低配电网网损。传统配电网的无功设备包括电容器(Capacitor banks，CB)、静止无功补偿器(Static var compensator，SVC)，一般采用就地平衡方式补偿系统无功。未来分布式清洁能源的大规模接入是配电网发展的必然趋势，分布式电源(Distributed generators，DG)具备强大的无功输出和调节能力，是一种重要的无功电源。随着电力系统的持续发展，传统配电网正逐步向主动配电网演进，主动管理能力是主动配电网的核心技术，无功电源是主动管理的重要资源之一，传统的无功电源规划无法适应主动配电网的发展需要，因此，研究主动配电网背景下无功电源优化配置方法对配电网发展具有至关重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种主动配电网的无功电源优化配置方法及终端，能够有效地实现主动配电网的无功优化。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种主动配电网的无功电源优化配置方法，包括步骤：
建立主动配电网的无功电源配置规划层模型和无功电源配置运行层模型；
将综合费用和碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与所述第一目标函数对应的第一约束条件；
将运行费用最小确定为所述无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与所述第二目标函数对应的第二约束条件；
基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容，并基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
一种主动配电网的无功电源优化配置终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
建立主动配电网的无功电源配置规划层模型和无功电源配置运行层模型；
将综合费用和碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与所述第一目标函数对应的第一约束条件；
将运行费用最小确定为所述无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与所述第二目标函数对应的第二约束条件；
基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容，并基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置。
本发明的有益效果在于：将综合费用和碳排放最小确定为无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与第一目标函数对应的第一约束条件，将运行费用最小确定为无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与第二目标函数对应的第二约束条件，以此建立了无功电源配置双层模型，并基于各自的目标函数和约束条件进行求解，通过上层规划层实现了无功电源选址定容，通过下层运行层实现了无功优化调度，充分利用了无功电源，将综合费用和碳排放最小作为第一目标函数，将运行费用最小作为第二目标函数，有利于减少主动配电网的碳排放水平，并提高投资效率，对上下两层分别进行求解，得到最后的无功电源配置结果，从而有效地实现主动配电网的无功优化，有利于主动配电网安全、稳定运行。
附图说明
图1为本发明实施例的一种主动配电网的无功电源优化配置方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例的一种主动配电网的无功电源优化配置终端的结构示意图；
图3为本发明实施例主动配电网的无功电源优化配置方法中的配电网系统拓扑示意图；
图4为本发明实施例主动配电网的无功电源优化配置方法中的上级电网、 WTG和PVG有功出力结果示意图；
图5为本发明实施例主动配电网的无功电源优化配置方法中的上级电网、 WTG和PVG无功出力结果示意图；
图6为本发明实施例主动配电网的无功电源优化配置方法中的CB的无功出力结果示意图；
图7为本发明实施例主动配电网的无功电源优化配置方法中的SVC的无功出力结果示意图；
图8为本发明实施例主动配电网的无功电源优化配置方法中的优化前后的系统电压水平对比示意图；
图9为本发明实施例主动配电网的无功电源优化配置方法中的各支路的松弛误差散点示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，本发明实施例提供了一种主动配电网的无功电源优化配置方法，包括步骤：
建立主动配电网的无功电源配置规划层模型和无功电源配置运行层模型；
将综合费用和碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与所述第一目标函数对应的第一约束条件；
将运行费用最小确定为所述无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与所述第二目标函数对应的第二约束条件；
基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容，并基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将综合费用和碳排放最小确定为无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与第一目标函数对应的第一约束条件，将运行费用最小确定为无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与第二目标函数对应的第二约束条件，以此建立了无功电源配置双层模型，并基于各自的目标函数和约束条件进行求解，通过上层规划层实现了无功电源选址定容，通过下层运行层实现了无功优化调度，充分利用了无功电源，将综合费用和碳排放最小作为第一目标函数，将运行费用最小作为第二目标函数，有利于减少主动配电网的碳排放水平，并提高投资效率，对上下两层分别进行求解，得到最后的无功电源配置结果，从而有效地实现主动配电网的无功优化，有利于主动配电网安全、稳定运行。
进一步地，所述第一目标函数包括第一子目标函数和第二子目标函数；
所述将综合费用和碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一目标函数包括：
将综合费用最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一子目标函数；
将碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第二子目标函数；
所述第一子目标函数F1为：
F1＝min(CI+CO+CP)；
Figure BDA0003630531870000041
式中，CI表示投资费用，CO表示运行费用，CP表示电压越线惩罚成本，
Figure BDA0003630531870000042
表示风机的建设成本，
Figure BDA0003630531870000051
表示光伏发电的建设成本，
Figure BDA0003630531870000052
表示可投切电容器组的建设成本，
Figure BDA0003630531870000053
表示静止无功补偿器的建设成本，T表示调度时刻集合，CO,t表示t时刻的运行费用，KP表示低电压单次惩罚费用，NLV表示低电压出现次数；
所述第二子目标函数F2为：
Figure BDA0003630531870000054
式中，
Figure BDA0003630531870000055
表示上级电网在t时刻的二氧化碳总排放，Ωgen表示上级电网节点集合，
Figure BDA0003630531870000056
表示二氧化碳排放因子，
Figure BDA0003630531870000057
表示上级电网在t时刻的电能输入。
由上述描述可知，将综合费用最小确定为无功电源配置规划层模型的第一子目标函数，将碳排放最小确定为无功电源配置规划层模型的第二子目标函数，以此在进行主动配电网无功优化时实现了综合费用和碳排放的最小化。
进一步地，所述第一约束条件为：
Figure BDA0003630531870000058
式中，
Figure BDA0003630531870000059
表示节点j的所述风机的实际安装数量，
Figure BDA00036305318700000510
表示节点j的所述风机的最大安装数量，
Figure BDA00036305318700000511
表示节点j的所述光伏发电的实际安装数量，
Figure BDA00036305318700000512
表示节点j的所述光伏发电的最大安装数量，
Figure BDA00036305318700000513
表示节点j的所述可投切电容器组的实际安装数量，
Figure BDA00036305318700000514
表示节点j的所述可投切电容器组的最大安装数量。
由上述描述可知，确定与第一目标函数对应的第一约束条件，在风机、可投切电容器组以及光伏发电的最大安装数量的约束下求解无功电源配置规划层模型，从而实现无功电源的选址定容。
进一步地，所述将运行费用最小确定为所述无功电源配置运行层模型的第二目标函数包括：
所述第二目标函数f为：
Figure BDA00036305318700000515
Figure BDA0003630531870000061
Figure BDA0003630531870000062
Figure BDA0003630531870000063
Figure BDA0003630531870000064
式中，
Figure BDA0003630531870000065
表示上级电网的电能输入费用，
Figure BDA0003630531870000066
表示分布式电源的运行费用，
Figure BDA0003630531870000067
表示所述可投切电容器组的运行费用，
Figure BDA0003630531870000068
表示所述静止无功补偿器的运行费用，Kgen表示上级电网的输电电价，Pt gen表示上级电网的电能输入，KWTG表示所述风机的发电电价，
Figure BDA0003630531870000069
表示所述风机的有功输出，KWTG,cut表示所述风机的弃电单位费用，
Figure BDA00036305318700000610
表示所述风机的弃电量，KPVG表示所述光伏发电的发电电价，
Figure BDA00036305318700000611
表示所述光伏发电的有功输出，KPVG,cut表示所述光伏发电的弃电单位费用，
Figure BDA00036305318700000612
表示所述光伏发电的弃电量，KCB表示单位容量的所述可投切电容器组的投运费用，
Figure BDA00036305318700000613
表示所述可投切电容器组发出的无功功率，KSVC表示单位容量的所述静止无功补偿器的投运费用，
Figure BDA00036305318700000614
表示所述静止无功补偿器发出的无功功率，ΩWTG表示所述风机节点集合，ΩPVG表示所述光伏发电节点集合，ΩCB表示所述可投切电容器组节点集合，ΩSVC表示所述静止无功补偿器节点集合。
由上述描述可知，将运行费用最小确定为无功电源配置运行层模型的第二目标函数，第二目标函数中包括各类运行费用，以此使得后续能够以运行费用最小为目标来对运行层进行求解。
进一步地，所述第二约束条件包括潮流约束条件；
所述潮流约束条件为：
Figure BDA00036305318700000615
Figure BDA0003630531870000071
Figure BDA0003630531870000072
式中，Pj,t表示节点j注入的有功功率，δ(j)表示以节点j为首节点的支路，即支路jk，Pjk,t表示所述支路jk的有功潮流，π(j)表示以节点j为末节点的支路，即支路ij，Pij,t表示所述支路ij的有功潮流，
Figure BDA0003630531870000073
表示所述支路ij的电流的平方， Rij表示所述支路ij的电阻，Qj,t表示所述节点j的注入的无功功率，Qjk,t表示所述支路jk的无功潮流，Qij,t表示所述支路ij的无功潮流，Xij表示所述支路ij的电抗，
Figure BDA0003630531870000074
表示负荷的有功功率，
Figure BDA0003630531870000075
表示所述风机发出的无功功率，
Figure BDA0003630531870000076
表示所述光伏发电发出的无功功率，
Figure BDA0003630531870000077
表示负荷的无功功率，
Figure BDA0003630531870000078
表示低压侧电压的平方，
Figure BDA0003630531870000079
表示所述节点i的电压的平方。
进一步地，所述第二约束条件还包括有载调压变压器的低压侧电压约束条件；
所述有载调压变压器的低压侧电压约束条件为：
Figure BDA00036305318700000710
Figure BDA00036305318700000711
式中，
Figure BDA00036305318700000712
表示二进制辅助行列式变量，
Figure BDA00036305318700000713
表示有载调压变压器可调的电压序列，ΩOLTC表示所述有载调压变压器节点集合。
进一步地，所述第二约束条件还包括分布式电源约束条件；
所述分布式电源约束条件为：
Figure BDA00036305318700000714
式中，SDG表示所述分布式电源的视在功率，Pt DG表示t时刻所述分布式电源的有功出力，
Figure BDA00036305318700000715
表示t时刻所述分布式电源的最大无功出力，
Figure BDA00036305318700000716
表示t时刻所述分布式电源的最有功出力，Qt DG表示t时刻所述分布式电源的无功出力。
进一步地，所述第二约束条件还包括可投切电容器组约束和静止无功补偿器约束条件；
所述可投切电容器组约束为：
Figure BDA0003630531870000081
Figure BDA0003630531870000082
式中，
Figure BDA0003630531870000083
表示t时刻的节点j的所述可投切电容器组的投入数量，
Figure BDA0003630531870000084
表示所述可投切电容器组的单组电容器的额定容量，
Figure BDA0003630531870000085
表示第一二进制辅助变量，
Figure BDA0003630531870000086
表示第二二进制辅助变量，
Figure BDA0003630531870000087
表示节点j的所述可投切电容器组的最大调节次数，
Figure BDA0003630531870000088
表示t-1时刻的节点j的所述可投切电容器组的投入数量；
Figure BDA0003630531870000089
表示节点j的所述可投切电容器组的实际安装数量；
所述静止无功补偿器约束条件为：
Figure BDA00036305318700000810
式中，
Figure BDA00036305318700000811
表示节点j的所述静止无功补偿器发出的无功功率的最小值，
Figure BDA00036305318700000812
表示节点j的所述静止无功补偿器发出的无功功率的最大值。
由上述描述可知，确定与第二目标函数对应的潮流约束条件、有载调压变压器的低压侧电压约束条件、分布式电源约束条件和可投切电容器组约束条件以及静止无功补偿器约束条件，以此将分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置作为无功电源配置运行层模型的决策变量，在这几个约束条件下对目标函数进行求解，能够实现无功优化调度，且深度挖掘电网潜力，满足负荷和分布式电源的接入需求。
进一步地，所述基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容，并基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置包括：
使用非支配排序遗传算法基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容；
使用CPLEX求解器基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置。
由上述描述可知，使用非支配排序遗传算法对无功电源配置规划层模型进行求解，使用CPLEX求解器对无功电源配置运行层模型进行求解，极大地提高了计算效率。
请参照图2，本发明另一实施例提供了一种主动配电网的无功电源配置终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述主动配电网的无功电源配置方法中的各个步骤。
本发明上述的主动配电网的无功电源优化配置方法及终端能够适用于主动配电网中，以下通过具体实施方式进行说明：
实施例一
请参照图1、图3-图9，本实施例的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，包括步骤：
S1、建立主动配电网的无功电源配置规划层模型和无功电源配置运行层模型；
S2、将综合费用和碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与所述第一目标函数对应的第一约束条件，具体包括：
其中，所述第一目标函数包括第一子目标函数和第二子目标函数；
S21、将综合费用最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一子目标函数；
S22、将碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第二子目标函数；
具体的，所述综合费用由投资费用、运行费用和电压越线惩罚成本组成，其中，所述第一子目标函数F1为：
F1＝min(CI+CO+CP)；
Figure BDA0003630531870000101
式中，CI表示投资费用，CO表示运行费用，CP表示电压越线惩罚成本，
Figure BDA0003630531870000102
表示风机的建设成本，
Figure BDA0003630531870000103
表示光伏发电的建设成本，
Figure BDA0003630531870000104
表示可投切电容器组的建设成本，
Figure BDA0003630531870000105
表示静止无功补偿器的建设成本，T表示调度时刻集合，CO,t表示t时刻的运行费用，KP表示低电压单次惩罚费用，NLV表示低电压出现次数；
其中，
Figure BDA0003630531870000106
式中，
Figure BDA0003630531870000107
表示所述风机的单位容量成本，
Figure BDA0003630531870000108
表示所述风机的额定容量，
Figure BDA0003630531870000109
表示所述风机的固定成本，
Figure BDA00036305318700001010
表示所述光伏发电的单位容量成本，
Figure BDA00036305318700001011
表示所述光伏发电的额定容量，
Figure BDA00036305318700001012
表示所述光伏发电的固定成本，
Figure BDA00036305318700001013
表示所述可投切电容器组的单位容量成本，
Figure BDA00036305318700001014
表示所述可投切电容器组的额定容量，
Figure BDA00036305318700001015
表示所述可投切电容器组的固定成本，
Figure BDA00036305318700001016
表示所述静止无功补偿器的单位容量成本，
Figure BDA00036305318700001017
表示所述静止无功补偿器的额定容量，
Figure BDA00036305318700001018
表示所述静止无功补偿器的固定成本；
所述第二子目标函数F2为：
Figure BDA00036305318700001019
式中，
Figure BDA0003630531870000111
表示上级电网在t时刻的二氧化碳总排放，Ωgen表示上级电网节点集合，
Figure BDA0003630531870000112
表示二氧化碳排放因子，
Figure BDA0003630531870000113
表示上级电网在t时刻的电能输入；
S23、确定与所述第一目标函数对应的第一约束条件；
其中，所述第一约束条件为：
Figure BDA0003630531870000114
式中，
Figure BDA0003630531870000115
表示节点j的所述风机的实际安装数量，
Figure BDA0003630531870000116
表示节点j的所述风机的最大安装数量，
Figure BDA0003630531870000117
表示节点j的所述光伏发电的实际安装数量，
Figure BDA0003630531870000118
表示节点j的所述光伏发电的最大安装数量，
Figure BDA0003630531870000119
表示节点j的所述可投切电容器组的实际安装数量，
Figure BDA00036305318700001110
表示节点j的所述可投切电容器组的最大安装数量；
S3、将运行费用最小确定为所述无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与所述第二目标函数对应的第二约束条件；
其中，所述第二目标函数f为：
Figure BDA00036305318700001111
Figure BDA00036305318700001112
Figure BDA00036305318700001113
Figure BDA00036305318700001114
Figure BDA00036305318700001115
式中，
Figure BDA00036305318700001116
表示上级电网的电能输入费用，
Figure BDA00036305318700001117
表示分布式电源的运行费用，
Figure BDA00036305318700001118
表示所述可投切电容器组的运行费用，
Figure BDA00036305318700001119
表示所述静止无功补偿器的运行费用，Kgen表示上级电网的输电电价，
Figure BDA00036305318700001120
表示上级电网的电能输入，KWTG表示所述风机的发电电价，
Figure BDA00036305318700001121
表示所述风机的有功输出，KWTG,cut表示所述风机的弃电单位费用，
Figure BDA00036305318700001122
表示所述风机的弃电量，KPVG表示所述光伏发电的发电电价，
Figure BDA0003630531870000121
表示所述光伏发电的有功输出，KPVG,cut表示所述光伏发电的弃电单位费用，
Figure BDA0003630531870000122
表示所述光伏发电的弃电量，KCB表示单位容量的所述可投切电容器组的投运费用，
Figure BDA0003630531870000123
表示所述可投切电容器组发出的无功功率，KSVC表示单位容量的所述静止无功补偿器的投运费用，
Figure BDA0003630531870000124
表示所述静止无功补偿器发出的无功功率，ΩWTG表示所述风机节点集合，ΩPVG表示所述光伏发电节点集合，ΩCB表示所述可投切电容器组节点集合，ΩSVC表示所述静止无功补偿器节点集合；
所述第二约束条件包括潮流约束条件、有载调压变压器的低压侧电压约束条件、分布式电源约束条件、可投切电容器组约束和静止无功补偿器约束条件；
所述潮流约束条件为：
Figure BDA0003630531870000125
Figure BDA0003630531870000126
Figure BDA0003630531870000127
式中，Pj,t表示节点j注入的有功功率，δ(j)表示以节点j为首节点的支路，即支路jk，Pjk,t表示所述支路jk的有功潮流，π(j)表示以节点j为末节点的支路，即支路ij，Pij,t表示所述支路ij的有功潮流，
Figure BDA0003630531870000128
表示所述支路ij的电流的平方， Rij表示所述支路ij的电阻，Qj,t表示所述节点j的注入的无功功率，Qjk,t表示所述支路jk的无功潮流，Qij,t表示所述支路ij的无功潮流，Xij表示所述支路ij的电抗，
Figure BDA0003630531870000129
表示负荷的有功功率，
Figure BDA00036305318700001210
表示所述风机发出的无功功率，
Figure BDA00036305318700001211
表示所述光伏发电发出的无功功率，
Figure BDA00036305318700001212
表示负荷的无功功率，
Figure BDA00036305318700001213
表示低压侧电压的平方，
Figure BDA00036305318700001214
表示所述节点i的电压的平方；
所述有载调压变压器的低压侧电压约束条件为：
Figure BDA0003630531870000131
Figure BDA0003630531870000132
式中，
Figure BDA0003630531870000133
表示二进制辅助行列式变量，
Figure BDA0003630531870000134
表示有载调压变压器可调的电压序列，ΩOLTC表示所述有载调压变压器节点集合；
其中，
Figure BDA0003630531870000135
所述分布式电源只能输出有功功率，且有功功率无法调节，但在RPC (RailwayStatic Power Conditioner，铁路功率调节器)控制策略下，分布式电源的最大无功出力可在一定范围内调整，所述分布式电源约束条件为：
Figure BDA0003630531870000136
式中，SDG表示所述分布式电源的视在功率，Pt DG表示t时刻所述分布式电源的有功出力，
Figure BDA0003630531870000137
表示t时刻所述分布式电源的最大无功出力，
Figure BDA0003630531870000138
表示t时刻所述分布式电源的最有功出力，
Figure BDA0003630531870000139
表示t时刻所述分布式电源的无功出力；
其中，所述分布式电源包括所述风机和所述光伏发电；有功功率和环境因素相关，且不可控；
所述可投切电容器组约束为：
Figure BDA00036305318700001310
Figure BDA00036305318700001311
式中，
Figure BDA00036305318700001312
表示t时刻的节点j的所述可投切电容器组的投入数量，
Figure BDA00036305318700001318
表示所述可投切电容器组的单组电容器的额定容量，
Figure BDA00036305318700001313
表示第一二进制辅助变量，
Figure BDA00036305318700001314
表示第二二进制辅助变量，
Figure BDA00036305318700001315
表示节点j的所述可投切电容器组的最大调节次数，
Figure BDA00036305318700001316
表示t-1时刻的节点j的所述可投切电容器组的投入数量；
Figure BDA00036305318700001317
表示节点j的所述可投切电容器组的实际安装数量；
所述静止无功补偿器约束条件为：
Figure BDA0003630531870000141
式中，
Figure BDA0003630531870000142
表示节点j的所述静止无功补偿器发出的无功功率的最小值，
Figure BDA0003630531870000143
表示节点j的所述静止无功补偿器发出的无功功率的最大值；
S4、基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容，并基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置，具体包括：
S41、使用非支配排序遗传算法基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容；
其中，所述非支配排序遗传算法(NSGA-II算法)中的二进制交叉操作为：
Figure BDA0003630531870000144
Figure BDA0003630531870000145
式中，γj表示分布因子，x1j表示第一父代种群，x2j表示第二父代种群，uj表示0～1的随机数，η1表示交叉算子；
所述非支配排序遗传算法(NSGA-II算法)中的多项式变异算子为：
Figure BDA0003630531870000146
式中，Bj表示变异因子，η2表示变异算子；
使用非支配排序遗传算法基于第一目标函数和第一约束条件对无功电源配置规划层模型进行求解，能够得到综合费用和碳排放最小时，对应的第一约束条件中被约束参数的值(比如风机实际安装数量、光伏发电实际安装数量等)，以此得到无功电源的选址定容；
S42、使用CPLEX求解器基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置；
所述无功电源配置运行层模型结合最优潮流算法，对distflow支路潮流方程进行松弛，对可投切电容器组、有载调压变压器位置等非线性约束线性化处理，将其转换为混合整数二阶锥优化问题，便于运用CPLEX商业求解器求解；
得到的所述无功电源的选址定容、所述分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置即无功电源优化配置结果；
使用CPLEX求解器基于第二目标函数和第二约束条件对无功电源配置运行层模型进行求解，能够得到运行费用最小时，对应的第二约束条件中被约束参数的值，即分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置，以此实现了无功优化调度；
本实施例基于如图3所示的配电网系统采用上述主动配电网的无功电源优化配置方法进行仿真验证，其中，节点1为上级电网点接入位置，其余节点2～节点33为负荷节点，采用四季典型日24h数据共形成96个时段；本实施例中，居民负荷节点为节点2～节点18；商业负荷节点为节点26～节点33；工业负荷节点为节点19～节点25；系统负荷为IEEE 33节点配电系统基准值的2倍；
所述风机、光伏发电、可投切电容器组以及静止无功补偿器的单位容量成本(即KWTG、KPVG、KCB和KSVC)分别为20万元/MVA、12万元/MVA、0.7万元/组以及1.4万元/组；上级电网上网电价(即Kgen)为0.3元/kWh；所述分布式电源(包括风机和光伏发电)的发电电价为0.5/kWh；分布式电源的弃电单位费用为2元/kWh，电压越线惩罚成本为50元/次；单位容量的所述可投切电容器组的投运费用为0.1元/kVar；单位容量的所述静止无功补偿器的投运费用为 0.1元/kVar；二氧化碳排放因子为0.8647吨/MWh；所述风机的额定功率因数P/Q 为0.9；所述光伏发电的额定功率因数为0.9；所述有载调压变压器共有9个调节挡位，电压调节步长为0.0125p.u.；电压可调范围为0.95p.u.～1.05p.u.；系统允许最大电压偏差为±7％；节点的所述风机的最大安装数量为5组，单位容量为 0.2MVA，最多可接入2个节点；节点的所述光伏发电的最大安装数量为5组，单位容量为0.3MVA，最多可接入2个节点；节点的所述可投切电容器组的最大安装数量为10组，每组容量为0.1Mvar，最多可接入2个节点；所述可投切电容器组单日最大调节次数不超过30组；所述静止无功补偿器容量为0.3Mvar，最多可接入1个节点；
NSGA-II算法采用二进制交叉操作和多项式变异算子对种群进行迭代，父代种群规模为100，最大迭代次数为50次，交叉率为0.9，变异率为0.1，η1＝1，η2＝5；
本实施例中得到的无功电源优化配置结果如表1所示；
表1无功电源优化配置结果
Figure BDA0003630531870000161
表1中，将3台WTG安装于节点22，单台WTG安装容量为0.2MVA，则3台WTG的安装容量为0.6MVA，将5台WTG安装于节点32，5台WTG的安装容量为1MVA；将5台PVG安装于节点11，单台PVG安装容量为0.3MVA，则5台PVG的安装容量为1.5MVA，5台PVG安装于节点26，5台PVG的安装容量为1.5MVA；CB安装于节点25，共安装10组，总安装容量1Mvar；SVC 安装于节点24，安装容量0.3Mvar；
如表2所示，表2展示了本实施例上述方法优化后的网络和初始网络的仿真结果的对比结果；
表2优化后网络和初始网络的仿真结果的对比结果
Figure BDA0003630531870000162
Figure BDA0003630531870000171
从表2可以看出，初始网络的总费用为1532.7万元，CO2总排放3.04万吨，通过本发明上述方法优化后，总费用为1318万元，下降14％，CO2排放共1.83 万吨，下降39.8％；初始网络不安装任何清洁电源设施，本发明优化后清洁电源装机容量共4.6MVA，由于现阶段的清洁电源发电电价相对较高，安装清洁电源会造成运行费用的提升，优化后配电网电压水平均在允许范围之内，而初始网络则出现95340次低电压，低电压惩罚费用为476.7万元，因此，虽然清洁电源出力的增加会提高运行费用，但综合考虑其可靠性成本后，总费用仍然有所下降；在CO2排放方面，由于清洁电源不排放CO2，CO2排放水平显著下降；综上所述，经过本发明上述的主动配电网的无功电源优化配置方法优化后，配电网的经济性、可靠性以及低碳性上均有所提升；
上级电网(上级电源)、风机以及光伏发电的有功出力和无功出力分别如图 4以及图5所示，可以看出，风机和光伏发电的出力特性相反，光伏发电夏季出力较多、冬季出力少，风机冬季出力较多、夏季出力少，相对而言，风机的出力曲线和负荷特性曲线基本吻合，安装风机和光伏发电之后，对于电源出力的午高峰有较为明显的抑制作用，但对晚高峰的抑制效果不显著，主要原因是晚高峰时刻的风机和光伏发电的出力均较少，但结合图5可知，在晚高峰时段，虽然风机和光伏发电的有功出力均较少，但无功输出能力充分发挥，起到支撑系统电压的作用；
可投切电容器组和静止无功补偿器四季的投入情况分别如图6和图7所示，可以看出，可投切电容器组和静止无功补偿器的无功输出主要集中在8：00-21： 00之间，夏季负荷较大，直至夜晚23：00，无功输出仍然较大，可投切电容器组和静止无功补偿器的无功出力水平和负荷曲线几乎完全一致；
从图4～图7可知，夜晚对无功出力的需求更多，这是由于夜晚清洁电源有功出力小，导致夜晚负荷较重，为维持系统电压的稳定，必须提升无功电源出力水平；选取全年负荷峰值时刻，即夏季20：00时刻的各项数据进行仿真，将使用本发明方法优化后的网络和原网络的电压水平进行对比，对比结果如图8 所示，可以看出，优化后电压水平明显好转，在夏季20：00的负荷高峰时刻，原网络中有共有19个节点发生了低电压问题，从表2可知，全年共发生低电压 95340次，配电网的电压水平较差，但通过本发明方法的优化，低电压治理效果显著，全年不发生低电压问题；
本发明的松弛误差如图9所示，可以看出，松弛误差在10-7数量级，松弛精度较高；本发明充分利用有载调压变压器、风机、光伏发电、静止无功补偿器、可投切电容器组等无功电源，深度挖掘电网潜力，满足负荷和分布式电源接入需求，实现了电压调节，从而有效地实现主动配电网的无功优化。
实施例二
请参照图2，本实施例的一种主动配电网的无功电源优化配置终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一中的主动配电网的无功电源优化配置方法中的各个步骤。
综上所述，本发明提供的一种主动配电网的无功电源优化配置方法及终端，建立主动配电网的无功电源配置规划层模型和无功电源配置运行层模型；将综合费用和碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与所述第一目标函数对应的第一约束条件；将运行费用最小确定为所述无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与所述第二目标函数对应的第二约束条件；使用CPLEX求解器基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置，极大地提高了计算效率，通过上层规划层实现了无功电源选址定容，通过下层运行层实现了无功优化调度，充分利用了无功电源，将综合费用和碳排放最小作为第一目标函数，将运行费用最小作为第二目标函数，有利于减少主动配电网的碳排放水平，并提高投资效率，对上下两层分别进行求解，得到最后的无功电源配置结果，从而有效地实现主动配电网的无功优化，有利于主动配电网安全、稳定运行。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，包括步骤：
建立主动配电网的无功电源配置规划层模型和无功电源配置运行层模型；
将综合费用和碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一目标函数，并确定与所述第一目标函数对应的第一约束条件；
将运行费用最小确定为所述无功电源配置运行层模型的第二目标函数，并确定与所述第二目标函数对应的第二约束条件；
基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容，并基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置。
2.根据权利要求1所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，所述第一目标函数包括第一子目标函数和第二子目标函数；
所述将综合费用和碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一目标函数包括：
将综合费用最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第一子目标函数；
将碳排放最小确定为所述无功电源配置规划层模型的第二子目标函数；
所述第一子目标函数F1为：
F1＝min(CI+CO+CP)；
Figure FDA0003630531860000011
式中，CI表示投资费用，CO表示运行费用，CP表示电压越线惩罚成本，
Figure FDA0003630531860000012
表示风机的建设成本，
Figure FDA0003630531860000013
表示光伏发电的建设成本，
Figure FDA0003630531860000014
表示可投切电容器组的建设成本，
Figure FDA0003630531860000015
表示静止无功补偿器的建设成本，T表示调度时刻集合，CO,t表示t时刻的运行费用，KP表示低电压单次惩罚费用，NLV表示低电压出现次数；
所述第二子目标函数F2为：
Figure FDA0003630531860000021
式中，
Figure FDA0003630531860000022
表示上级电网在t时刻的二氧化碳总排放，Ωgen表示上级电网节点集合，
Figure FDA0003630531860000023
表示二氧化碳排放因子，
Figure FDA0003630531860000024
表示上级电网在t时刻的电能输入。
3.根据权利要求2所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，所述第一约束条件为：
Figure FDA0003630531860000025
式中，
Figure FDA0003630531860000026
表示节点j的所述风机的实际安装数量，
Figure FDA0003630531860000027
表示节点j的所述风机的最大安装数量，
Figure FDA0003630531860000028
表示节点j的所述光伏发电的实际安装数量，
Figure FDA0003630531860000029
表示节点j的所述光伏发电的最大安装数量，
Figure FDA00036305318600000210
表示节点j的所述可投切电容器组的实际安装数量，
Figure FDA00036305318600000211
表示节点j的所述可投切电容器组的最大安装数量。
4.根据权利要求2所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，所述将运行费用最小确定为所述无功电源配置运行层模型的第二目标函数包括：
所述第二目标函数f为：
Figure FDA00036305318600000212
Figure FDA00036305318600000213
Figure FDA00036305318600000214
Figure FDA00036305318600000215
Figure FDA00036305318600000216
式中，
Figure FDA00036305318600000217
表示上级电网的电能输入费用，
Figure FDA00036305318600000218
表示分布式电源的运行费用，
Figure FDA00036305318600000219
表示所述可投切电容器组的运行费用，
Figure FDA00036305318600000220
表示所述静止无功补偿器的运行费用，Kgen表示上级电网的输电电价，Pt gen表示上级电网的电能输入，KWTG表示所述风机的发电电价，
Figure FDA0003630531860000031
表示所述风机的有功输出，KWTG,cut表示所述风机的弃电单位费用，
Figure FDA0003630531860000032
表示所述风机的弃电量，KPVG表示所述光伏发电的发电电价，
Figure FDA0003630531860000033
表示所述光伏发电的有功输出，KPVG,cut表示所述光伏发电的弃电单位费用，
Figure FDA0003630531860000034
表示所述光伏发电的弃电量，KCB表示单位容量的所述可投切电容器组的投运费用，
Figure FDA0003630531860000035
表示所述可投切电容器组发出的无功功率，KSVC表示单位容量的所述静止无功补偿器的投运费用，
Figure FDA0003630531860000036
表示所述静止无功补偿器发出的无功功率，ΩWTG表示所述风机节点集合，ΩPVG表示所述光伏发电节点集合，ΩCB表示所述可投切电容器组节点集合，ΩSVC表示所述静止无功补偿器节点集合。
5.根据权利要求4所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，所述第二约束条件包括潮流约束条件；
所述潮流约束条件为：
Figure FDA0003630531860000037
Figure FDA0003630531860000038
Figure FDA0003630531860000039
式中，Pj,t表示节点j注入的有功功率，δ(j)表示以节点j为首节点的支路，即支路jk，Pjk,t表示所述支路jk的有功潮流，π(j)表示以节点j为末节点的支路，即支路ij，Pij,t表示所述支路ij的有功潮流，
Figure FDA00036305318600000310
表示所述支路ij的电流的平方，Rij表示所述支路ij的电阻，Qj,t表示所述节点j的注入的无功功率，Qjk,t表示所述支路jk的无功潮流，Qij,t表示所述支路ij的无功潮流，Xij表示所述支路ij的电抗，
Figure FDA00036305318600000311
表示负荷的有功功率，
Figure FDA00036305318600000312
表示所述风机发出的无功功率，
Figure FDA00036305318600000313
表示所述光伏发电发出的无功功率，
Figure FDA0003630531860000041
表示负荷的无功功率，
Figure FDA0003630531860000042
表示低压侧电压的平方，
Figure FDA0003630531860000043
表示所述节点i的电压的平方。
6.根据权利要求5所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，所述第二约束条件还包括有载调压变压器的低压侧电压约束条件；
所述有载调压变压器的低压侧电压约束条件为：
Figure FDA0003630531860000044
Figure FDA0003630531860000045
式中，
Figure FDA0003630531860000046
表示二进制辅助行列式变量，
Figure FDA0003630531860000047
表示有载调压变压器可调的电压序列，ΩOLTC表示所述有载调压变压器节点集合。
7.根据权利要求4所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，所述第二约束条件还包括分布式电源约束条件；
所述分布式电源约束条件为：
Figure FDA0003630531860000048
式中，SDG表示所述分布式电源的视在功率，Pt DG表示t时刻所述分布式电源的有功出力，
Figure FDA0003630531860000049
表示t时刻所述分布式电源的最大无功出力，
Figure FDA00036305318600000410
表示t时刻所述分布式电源的最有功出力，
Figure FDA00036305318600000411
表示t时刻所述分布式电源的无功出力。
8.根据权利要求6所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，所述第二约束条件还包括可投切电容器组约束和静止无功补偿器约束条件；
所述可投切电容器组约束为：
Figure FDA00036305318600000412
Figure FDA0003630531860000051
式中，
Figure FDA0003630531860000052
表示t时刻的节点j的所述可投切电容器组的投入数量，
Figure FDA0003630531860000053
表示所述可投切电容器组的单组电容器的额定容量，
Figure FDA0003630531860000054
表示第一二进制辅助变量，
Figure FDA0003630531860000055
表示第二二进制辅助变量，
Figure FDA0003630531860000056
表示节点j的所述可投切电容器组的最大调节次数，
Figure FDA0003630531860000057
表示t-1时刻的节点j的所述可投切电容器组的投入数量；
Figure FDA0003630531860000058
表示节点j的所述可投切电容器组的实际安装数量；
所述静止无功补偿器约束条件为：
Figure FDA0003630531860000059
式中，
Figure FDA00036305318600000510
表示节点j的所述静止无功补偿器发出的无功功率的最小值，
Figure FDA00036305318600000511
表示节点j的所述静止无功补偿器发出的无功功率的最大值。
9.根据权利要求1所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法，其特征在于，所述基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容，并基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置包括：
使用非支配排序遗传算法基于所述第一目标函数和所述第一约束条件对所述无功电源配置规划层模型进行求解，得到无功电源的选址定容；
使用CPLEX求解器基于所述第二目标函数和所述第二约束条件对所述无功电源配置运行层模型进行求解，得到分布式电源的出力、电容器的出力、静止无功补偿器的出力以及有载调压变压器分接头位置。
10.一种主动配电网的无功电源优化配置终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9中任一项所述的一种主动配电网的无功电源优化配置方法中的各个步骤。
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