CN115036963B - 一种提升配电网韧性的两阶段需求响应策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提升配电网韧性的两阶段需求响应策略，包括第一阶段冷负荷回流削减策略和第二阶段虚拟储能模型调用。本发明将处于配电网同一节点的所有分布式资源由一个代理管理，该代理获取分布式资源参数信息并整合后提交给配电网运营商，配电网运营商以尽快恢复负荷为目标制定两阶段需求响应调节策略，在第一阶段，在恢复供电时对重新启动的温控负荷进行调节以削减其引起的冷负荷回流，在第二阶段，对已完全恢复到断电前状态的温控负荷以虚拟能量存储模型为特征，为解决可再生能源带来的波动提供灵活性调节能力。通过两阶段需求响应，充分挖掘温控负荷的灵活性以缓解负荷恢复过程中的供需紧张关系，提高配电网的韧性。

Description

一种提升配电网韧性的两阶段需求响应策略

技术领域

本发明涉及电力系统配电网调节领域，具体涉及一种提升配电网韧性的两阶段需求响应策略。

背景技术

可再生能源高比例渗透、极端天气频繁出现以及网络攻击给电力系统的高效可靠运行带来了巨大挑战。供电恢复是配电网自愈系统的重要组成部分，供需双方的紧张关系是负荷恢复的关键。然而有两个因素制约着配电系统的恢复能力，一是温控负荷(Thermostatically Controlled Loads,TCLs)停电后重启引起的冷负载回流(Cold LoadPickup,CLPU)，需要额外电力来应对负荷的激增，使得供电短缺更加严重；二是配电网中新能源高比例接入带来的不确定性使得配电系统自愈能力灵活性不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种提升配电网韧性的控制方法及设备。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种配电网需求响应策略，包括以下步骤：

所述配电网同一节点的分布式电源由一个代理管理，所述代理获取分布式资源参数信息并整合后提交给配电网运营商，指定以最大化负荷恢复量为目标的调节策略，

所述的调节策略包括：在恢复供电时对重新启动的温控负荷进行调节以削减其引起的冷负荷回流；对已完全恢复断电前状态的温控负荷以虚拟能量存储模型为特征，构建虚拟储能模型。

可选地，所述的削减负荷回流包括以下步骤：

当恢复供电后室内温度属于舒适温度[T^set-ΔT,T^set+ΔT]范围内时，将设定温度由T^set提高到或者

当恢复供电后室内温度高于T^set+ΔT时，将设定温度由T^set提高到T^set+ΔT。

可选地，所述的削减负荷回流的目标函数为最大化不同场景下负荷恢复的平均值，如下式：

式中，ω_i为负荷优先权重；为负荷状态变量；/>为负荷有功功率。

可选地，所述的削减负荷回流的约束包括：潮流约束、序列约束、电压约束、线路容量约束、变电站容量约束、PV出力约束、分布式发电机组约束、储能约束和冷负荷回流约束。

可选地，所述的虚拟储能模型的约束包括虚拟储能参数约束。

一种配电网需求响应装置，包括：若干代理控制模块与调解模块

所述的代理控制模块管理所述配电网的同一节点下的分布式电源，

所述代理控制模块获取分布式资源参数信息并整合后提交给配电网运营商，指定以恢复负荷为目标的调节策略；

所述的调节策略包括：在恢复供电时对重新启动的温控负荷进行调节以削减其引起的冷负荷回流；对已完全恢复断电前状态的温控负荷以虚拟能量存储模型为特征，构建虚拟储能模型；

所述调解模块用于执行所述的调节策略。

可选地，所述的削减负荷回流包括以下步骤：

当恢复供电后室内温度属于舒适温度[T^set-ΔT,T^set+ΔT]范围内时，将设定温度由T^set提高到或者

当恢复供电后室内温度高于T^set+ΔT时，将设定温度由T^set提高到T^set+ΔT。

可选地，所述的削减负荷回流的目标函数为最大化不同场景下负荷恢复的平均值，如下式：

式中，ω_i为负荷优先权重；为负荷状态变量；/>为负荷有功功率。

可选地，所述的削减负荷回流的约束包括：潮流约束、序列约束、电压约束、线路容量约束、变电站容量约束、PV出力约束、分布式发电机组约束、储能约束和冷负荷回流约束。

可选地，所述的虚拟储能模型的约束包括虚拟储能参数约束。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出了一种基于温控负荷来削减冷负荷回流的控制策略，可降低供电恢复过程中的功率需求，加快负荷恢复过程；

(2)本发明在温控负荷完全恢复至停电前状态后，通过将温控负荷构建虚拟储能模型可平抑可再生能源波动，有利于促进可再生能源并网；

(3)本发明采用两阶段需求响应策略，可充分挖掘温控负荷在负荷恢复过程中的灵活性调节能力；

(4)本发明在构建两阶段模型时充分考虑模型参数的时变性以及恢复供电时间的影响，有助于准确描述温控负荷在恢复过程中的实际变化。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1本申请的基于多代理的配电系统负荷恢复框架；

图2本申请的控制策略1下温控负荷运行流程图；

图3本申请的控制策略2下温控负荷运行流程图；

图4本申请的温控负荷削减冷负荷回流的控制策略流程图；

图5本申请的负荷恢复过程中的温控负荷功率分布；

图6本申请的控制方法在断电10分钟削减冷负荷回流效果；

图7本申请的控制方法在断电20分钟削减冷负荷回流效果；

图8本申请的控制方法在断电30分钟削减冷负荷回流效果。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～5所示，一种配电网需求响应策略，包括以下步骤：

所述配电网同一节点的分布式电源由一个代理管理，所述代理获取分布式资源参数信息并整合后提交给配电网运营商，指定以恢复负荷为目标的调节策略，

所述的调节策略包括：在恢复供电时对重新启动的温控负荷进行调节以削减其引起的冷负荷回流；对已完全恢复断电前状态的温控负荷以虚拟能量存储模型为特征，构建虚拟储能模型。

假设在配电网同一个节点上的温控负荷、非温控负荷、储能和可再生能源等分布式资源由一个代理管理，每个代理都可以获得所辖分布式资源的基线功率、冷负荷回流削减控制下的温控负荷功率曲线、温控负荷可调度时间、储能参数、虚拟储能参数以及可再生能源预测数据等信息，代理将所辖分布式资源信息提交给分布式配电网运营商。每个分布式设备都安装一个智能控制器，该控制器具备收集负载信息、生成控制信号和与代理进行通信的功能，代理负责向上级配电网运营商提交所辖分布式资源的信息，配电网运营商依据从代理处收集到的信息制定负荷恢复策略，然后将调度指令发送给代理，每个代理依据调度指令生成控制信号下发给智能控制器。

在本发明的一些示例中，构建温控负荷的基本模型

温控负荷的热力学模型如下所述：

式中，R和C_a分别是等效热阻和热容；Tⁱⁿ和T^out分别是室内温度和室外温度；S(t)为温控负荷开关状态

温控负荷只有两种开关状态，内部温度在[T^min,T^max](T^min＝T^set-δ/2,T^max＝T^set+δ/2)内周期性变化，如下所示：

式中，T^min和T^max分别为室内舒适度允许的最低和最高温度；δ为温度波动范围。

具体地，上述冷负荷回流削减策略可以按如下步骤执行：

当内部温度在首选设定点T^set附近时，人们不会感到明显不舒服，假设用户的舒适度范围为[T^set-ΔT,T^set+ΔT]，

1)控制策略1具体流程：

①当温控负荷恢复供电后，如果内部温度仍在[T^set-ΔT,T^set+ΔT]范围内，则表示用户不会感到不适，将温度设定点提高到如图2(a)。

接通时间与总循环时间的对应比率γ₁如下所示：

②根据恢复温控负荷开关状态。本地控制器生成一个介于0和1之间的随机数r₁，与γ₁进行比较。如果r₁≤γ₁，则保持开关打开，否则关闭(参见图2(b))。然后温控负荷在新的温度设定点/>下运行，并保持总功率稳定(见图2(c))。

2)控制策略2具体流程：

①当温控负荷恢复供电后，如果内部温度高于T^set+ΔT，则表示用户的舒适性受到严重影响，内部温度应恢复到舒适范围，将温度设定点提高到T^set+ΔT，如图3(a)。

接通时间与总循环时间的对应比率γ₂公式如下：

②根据T^set+ΔT恢复温控负荷开关状态。本地控制器生成一个介于0和1之间的随机数r₂，与γ₂进行比较。如果r₂≤γ₂，则保持开关打开，否则关闭(参见图3(b))。

③根据以下公式得到最大温度T_a ^max：

④根据温控负荷开关状态和T_a ^max调节温控负荷：

当温控负荷处于运行状态时，如果Tⁱⁿ(t)≤T_a ^max，根据下式更新室内温度；否则，停止运行。

当温控负荷处于停运状态时，根据上式更新室内温度。如果Tⁱⁿ(t)>T^set+ΔT+δ/2，将温控负荷改为运行状态；如果Tⁱⁿ(t)<T^set+ΔT+δ/2，使温控负荷处于停运状态；否则保持原运行状态不变。

在第1阶段，冷负荷回流削减策略的目标函数是最大化不同场景下负荷恢复的平均值，如下所述：

式中，ω_i为负荷优先权重；为负荷状态变量；/>为负荷有功功率。

冷负荷回流削减策略约束条件可以设置为如下所示：

1)潮流约束：采用DistFlow模型来描述配电系统中的潮流约束。

式中，U_i,t为节点i电压；r_ji和x_ji分别为线路的电阻和电抗；和/>分别为线路传输的有功功率和无功功率；/>为线路电流；/>为负荷状态变量；/>为负荷无功功率；/>和/>分别为温控负荷的有功功率和无功功率；/>为虚拟储能状态变量，当/>时，可以安排虚拟储能出力，否则，无法安排；/>为虚拟储能充/放电功率；/>和/>分别为储能的充电和放电功率；/>为储能的无功功率；/>和/>分别为PV的有功和无功功率；/>和/>分别为分布式发电机组的有功和无功出力；Z_i＝[Z_i,1,Z_i,2,…,Z_i,T]^T。

2)序列约束：负荷恢复供电后，在恢复过程中需要持续为其供电，即

3)电压约束：节点电压应保持在最小和最大电压限制内，即

式中，和/>分别为节点i允许的最小和最大电压。

4)线路容量约束：配电线路的功率不应超过其容量约束，即

式中，和/>分别为线路允许传输的最大有功功率和无功功率。

5)变电站容量约束

式中，P_t ^sub和分别为变电站的有功功率和无功功率限制。

6)PV约束

式中，为PV的安装容量。

7)分布式发电机约束

式中，和/>分别为分布式发电机组的最小和最大有功出力；/>和分别为分布式发电机组的最小和最大无功出力；/>为分布式发电机组的状态变量；P_i ^ramp为分布式发电机组的爬坡率；G为分布式发电机组集合。

8)储能约束

式中，和/>分别为储能的最大充电功率和放电功率；/>为储能的荷电状态；η为储能的充放电系数；/>和/>分别为储能的最小和最大荷电状态；/>和/>分别为储能的初态和末态荷电状态。

9)冷负荷回流约束

冷负荷回流削减控制策略下的温控负荷功率曲线取决于温控负荷恢复供电的时间，即

A_i,t＝[A_i,t,1,A_i,t,2,···,A_i,t,t]^T

B_i,t＝[B_i,t,1,B_i,t,2,···,B_i,t,t]^T

在本发明的一些示例中，进行虚拟储能模型调用。温控负荷将通过需求响应提供灵活性，以解决温控负荷运行状态完全多样化时可再生能源出力不确定性引起的电力波动问题。将温控负荷在一个节点上的负荷恢复能力以虚拟储能模型形式表示^[1]如下：

P^min≤P^v≤P^max

SOC_t+1＝αSOC_t+P^v

SOC^min≤SOC_t+1≤SOC^max

式中，P^min和P^max分别为虚拟储能最小和最大充/放电功率；SOC_t为虚拟储能的荷电状态；α为虚拟储能自放电系数；SOC^min和SOC^max分别为虚拟储能的最小和最大荷电状态。虚拟储能参数获取方法及控制方法参照发明人成果[1]。

虚拟储能的参数由温控负荷完全恢复断电前多样化运行状态的时间确定，约束为

本发明将处于配电网同一节点的所有分布式资源由一个代理管理，该代理获取分布式资源参数信息并整合后提交给配电网运营商，配电网运营商以尽快恢复负荷为目标制定两阶段需求响应调节策略，在第一阶段，在恢复供电时对重新启动的温控负荷进行调节以削减其引起的冷负荷回流，在第二阶段，对已完全恢复断电前状态的温控负荷以虚拟能量存储模型为特征，为解决可再生能源带来的波动提供灵活性调节潜力。通过两阶段需求响应，充分挖掘温控负荷的灵活性以缓解负荷恢复过程中的供需紧张关系，增强配电网的韧性。图6、图7和图8分别为断电10min、20min和30min情况下采用本申请的控制方法的削减冷负荷回流的结果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种配电网需求响应策略，其特征在于，包括以下步骤：

所述配电网同一节点的分布式电源由一个代理管理，所述代理获取分布式资源参数信息并整合后提交给配电网运营商，指定以最大化负荷恢复量为目标的调节策略，

所述的调节策略包括：在恢复供电时对重新启动的温控负荷进行调节以削减其引起的冷负荷回流；对已完全恢复断电前状态的温控负荷以虚拟能量存储模型为特征，构建虚拟储能模型；

削减负荷回流包括以下步骤：

当恢复供电后室内温度属于舒适温度[T^set-ΔT,T^set+ΔT]范围内时，将设定温度由T^set提高到

式中，R为等效热阻，C_a为热容，T^out为室外温度；

接通时间与总循环时间的对应比率γ₁如下所示：

根据恢复温控负荷开关状态，本地控制器生成一个介于0和1之间的随机数r₁，与γ₁进行比较，如果r₁≤γ₁，则保持开关打开，否则关闭；然后温控负荷在新的温度设定点/>下运行，并保持总功率稳定；

当恢复供电后室内温度高于T^set+ΔT时，将设定温度由T^set提高到T^set+ΔT；

接通时间与总循环时间的对应比率γ₂公式如下：

根据T^set+ΔT恢复温控负荷开关状态，本地控制器生成一个介于0和1之间的随机数r₂，与γ₂进行比较，如果r₂≤γ₂，则保持开关打开，否则关闭；

根据以下公式得到最大温度

根据温控负荷开关状态和调节温控负荷：

当温控负荷处于运行状态时，如果室内温度根据下式更新室内温度；否则，停止运行；

当温控负荷处于停运状态时，根据上式更新室内温度，如果Tⁱⁿ(t)>T^set+ΔT+δ/2，将温控负荷改为运行状态；如果Tⁱⁿ(t)<T^set+ΔT+δ/2，使温控负荷处于停运状态；否则保持原运行状态不变；

所述的削减负荷回流的目标函数为最大化不同场景下负荷恢复的平均值，如下式：

式中，ω_i为负荷优先权重；为负荷状态变量；/>为负荷有功功率。

2.根据权利要求1所述的配电网需求响应策略，其特征在于，所述的削减负荷回流的约束包括：潮流约束、序列约束、电压约束、线路容量约束、变电站容量约束、PV出力约束、分布式发电机组约束、储能约束和冷负荷回流约束。

3.根据权利要求1所述的配电网需求响应策略，其特征在于，所述的虚拟储能模型的约束包括虚拟储能参数约束。

4.一种配电网需求响应装置，包括如权利要求1-3任一项所述的配电网需求响应策略，其特征在于，所述配电网需求响应装置包括：若干代理控制模块与调解模块；

所述的代理控制模块管理所述配电网的同一节点下的分布式电源，

所述代理控制模块获取分布式资源参数信息并整合后提交给配电网运营商，指定以恢复负荷为目标的调节策略；

所述的调节策略包括：在恢复供电时对重新启动的温控负荷进行调节以削减其引起的冷负荷回流；对已完全恢复断电前状态的温控负荷以虚拟能量存储模型为特征，构建虚拟储能模型；

所述调解模块用于执行所述的调节策略。

5.根据权利要求4所述的配电网需求响应装置，其特征在于，所述的削减负荷回流包括以下步骤：

当恢复供电后室内温度属于舒适温度[T^set-ΔT,T^set+ΔT]范围内时，将设定温度由T^set提高到或者

当恢复供电后室内温度高于T^set+ΔT时，将设定温度由T^set提高到T^set+ΔT。

6.根据权利要求4所述的配电网需求响应装置，其特征在于，所述的削减负荷回流的目标函数为最大化不同场景下负荷恢复的平均值，如下式：

式中，ω_i为负荷优先权重；为负荷状态变量；/>为负荷有功功率。

7.根据权利要求4所述的配电网需求响应装置，其特征在于，所述的削减负荷回流的约束包括：潮流约束、序列约束、电压约束、线路容量约束、变电站容量约束、PV出力约束、分布式发电机组约束、储能约束和冷负荷回流约束。

8.根据权利要求4所述的配电网需求响应装置，其特征在于，所述的虚拟储能模型的约束包括虚拟储能参数约束。