CN117117870A - 一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法，属于旋转潮流控制器应用技术领域。本发明针对旋转潮流控制器(RPFC)的选址定容问题，综合考虑RPFC的年化固定投资费用、维护费用与运行损耗费用以及有源配电网网络优化重构，以整个方案的年化总成本最小，经济性最好为目标对旋转潮流控制器进行选址定容。采用二阶锥规划算法将RPFC选址定容及网络优化重构模型转换为二阶锥模型，对构建的二阶锥模型进行求解，最终得到年化总成本最低，经济性最好的RPFC选址定容方案。

Description

一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法
技术领域
本申请属于旋转潮流控制器应用技术领域，具体涉及一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法。
背景技术
分布式电源广泛接入配电网能够改善当前电网系统的节点电压分布，提高电网系统整体供电效率与可靠性，但同时也给配电网带来了新的挑战，如电压越限、双向潮流和经济性差等问题。并且传统配电网网架结构单一，调节方式有限，调节能力的欠缺使得配电网的电压和潮流调控愈加复杂和困难，并严重影响了分布式电源消纳水平的提高。另外这些具有不确定性的分布式电源大量接入对配电系统的优化重构也提出了越来越高的要求。
旋转潮流控制器(Rotarypower flow controller，RPFC)是一种柔性交流输电装置，在配电网中用RPFC替代传统联络开关，能够改善配电系统电压、降低网损，在电压调节、潮流控制方面表现出优越的调控性能，从而有效解决新能源随机性、波动性和间歇性给电力系统带来的相应问题。RPFC作为一种调节效果显著的潮流调控手段，可动态控制潮流来提高电力系统的动态稳定性，在电网调节中具有十分广阔的应用前景。
旋转潮流控制器RPFC属于电磁式设备，相较于现有电力电子式的潮流控制器，RPFC的成本较低，仅相当于电力变压器成本，经济性好；运行和维护简单，综合性价比高；耐受冲压能力强，过负荷200％可连续工作10分钟，具有明显优势和工程实践价值。但考虑到投资和运行成本，RPFC在配电网中选址定容的合理规划就十分重要。
然而，现阶段对旋转潮流控制器的选址定容方案的讨论很少，或在进行规划时仅涉及到潮流控制器的选址和定容问题，并没有结合网络优化重构。少有综合考虑有源配电网网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容规划方法。
发明内容
本发明旨在针对RPFC的选址定容问题，综合考虑RPFC的年化固定投资费用、维护费用与运行损耗费用以及有源配电网网络优化重构，以整个方案的年化总成本最小，经济性最好为目标，提出一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法，包括如下步骤：
构建RPFC的数学模型；
建立考虑网络优化重构降损的RPFC选址定容优化配置模型；
采用二阶锥规划算法将RPFC选址定容及网络优化重构模型转换为二阶锥模型，对构建的二阶锥模型进行求解；
输出网络优化重构的线路号及RPFC最优的选址定容配置方案。
进一步地，RPFC数学模型中，RPFC的约束方程表达式具体如下：
RPFC有功功率约束为：
Pi,RPFC+Pj,RPFC+Pij,RPFC＝0
RPFC无功功率约束为：
-μSij,RPFC≤Qi,RPFC≤μSij,RPFC
-μPij,RPFC≤Qj,RPFC≤μSij,RPFC
RPFC容量约束为：
其中：i、j为系统节点，Pi,PRFC、Pj,PRFC、Qi,RPFC、Qj,RPFC为PRFC注入的有功功率和无功功率，μ为功率因数角正弦的绝对值，Pij,RPFC为RPFC传输损耗，Sij,RPFC为i、j节点之间接入的RPFC容量。
进一步地，考虑网络优化重构降损的RPFC选址定容优化配置模型的优化目标是最小化年综合费用，目标函数的表达式具体如下：
minC＝CI+CO+CL
式中：CI为RPFC每年的固定投资费用；CO为RPFC每年的运行维护成本；CL为配电网年供电损耗费用；ck,RPFC为RPFC的单位容量投资成本；Sk,RPFC为RPFC的安装容量；NRPFC为待选安装的RPFC的个数；k为安装的RPFC的个数；y为RPFC的经济使用年限；β表示单位容量的RPFC年运行维护成本系数；c表示电价，为0.5元/(kWh)；η为年供电损耗费用系数；t为供电时间；N为系统节点数；Pi为节点i处注入的有功功率之和；为RPFC在节点i处的功率损耗。
进一步地，考虑网络优化重构降损的RPFC选址定容优化配置模型所满足的约束条件包括：RPFC规划约束和网络优化重构辐射状拓扑约束。
进一步地，RPFC规划约束采用如下公式：
Sk,RPFC＝nkS
式中：nk为非负整数，表示安装在位置k的RPFC个数；S表示单位安装容量，为100kVA；Sk,RPFC表示安装在位置k处的RPFC容量；为RPFC在位置k处的最大允许安装容量。为了简化优化变量和提高效率，可以用整数变量来表示每个位置是否需要安装RPFC以及对应的RPFC容量。如果RPFC容量的值为0，则表示在该位置不需要安装RPFC，即没有RPFC装置。
网络优化重构辐射状拓扑约束采用如下公式：
式中：Φl为系统所有支路的集合；zij、zi'j分别为网络优化重构前和网络优化重构后的开关状态，0表示开关断开，1表示开关闭合；nb、ns分别为系统节点数和根节点数；L为系统支路数；Amax表示最大网络优化重构线路数。
综上，本发明针对RPFC的选址定容问题，综合考虑RPFC的年化固定投资费用、维护费用与运行损耗费用以及有源配电网网络优化重构，以整个方案的年化总成本最小，经济性最好为目标，提出一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法。该方法结合网络优化重构构建RPFC选址定容规划模型，使用二阶锥规划算法在YALMIP平台上调用的gurobi求解器对模型进行求解，最终得到年化总成本最低，经济性最好的RPFC选址定容方案。经过算例仿真验证，通过本发明所构思的以上技术方案与现有方案相比，具有更好的经济性。
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它的附图。
图1为本发明一个实施例提供的一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法的求解流程示意图。
图2为本发明一个实施例提供的一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法的带有分布式电源的配电网络示意图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法进行详细说明。
构建RPFC的数学模型，RPFC的约束方程表达式具体如下：
RPFC有功功率约束为：
Pi,RPFC+Pj,RPFC+Pij,RPFC＝0
RPFC无功功率约束为：
-μSij,RPFC≤Qi,RPFC≤μSij,RPFC
-μPij,RPFC≤Qj,RPFC≤μSij,RPFC
RPFC容量约束为：
其中：i、j为系统节点，Pi,PRFC、Pj,PRFC、Qi,RPFC、Qj,RPFC为PRFC注入的有功功率和无功功率，μ为功率因数角正弦的绝对值，Pij,RPFC为RPFC传输损耗，Sij,RPFC为i、j节点之间接入的RPFC容量。
建立考虑网络优化重构降损的RPFC选址定容优化配置模型，该模型的优化目标是最小化年综合费用，目标函数的表达式具体如下：
min C＝CI+CO+CL
式中：CI为RPFC每年的固定投资费用；CO为RPFC每年的运行维护成本；CL为配电网年供电损耗费用；ck,RPFC为RPFC的单位容量投资成本；Sk,RPFC为RPFC的安装容量；NRPFC为待选安装的RPFC的个数；k为安装的RPFC的个数；y为RPFC的经济使用年限；β表示单位容量的RPFC年运行维护成本系数；c表示电价，为0.5元/(kWh)；η为年供电损耗费用系数；t为供电时间；N为系统节点数；Pi为节点i处注入的有功功率之和；为RPFC在节点i处的功率损耗。
考虑网络优化重构降损的RPFC选址定容优化配置模型的目标函数基于RPFC规划约束和网络优化重构辐射状拓扑约束确定。
RPFC规划约束采用如下公式：
Sk,RPFC＝nkS
式中：nk为非负整数，表示安装在位置k的RPFC个数；S表示单位安装容量，为100kVA；Sk,RPFC表示安装在位置k处的RPFC容量；为RPFC在位置k处的最大允许安装容量。为了简化优化变量和提高效率，可以用整数变量来表示每个位置是否需要安装RPFC以及对应的RPFC容量。如果RPFC容量的值为0，则表示在该位置不需要安装RPFC，即没有RPFC装置。
网络优化重构辐射状拓扑约束采用如下公式：
式中：Φl为系统所有支路的集合；zij、z′ij分别为网络优化重构前和网络优化重构后的开关状态，0表示开关断开，1表示开关闭合；nb、ns分别为系统节点数和根节点数；L为系统支路数；Amax表示最大网络优化重构线路数。
除RPFC规划约束和网络优化重构辐射状拓扑约束之外，该规划模型的约束条件还包括：配电网潮流约束、运行电压约束和支路电流约束。
配电网潮流约束采用如下公式：
Pi(t)＝GiiUi(t)2+∑Ui(t)Uj(t)[Gijcosθij(t)+Bijsinθij(t)]
Qi(t)＝-BiiUi(t)2+∑Ui(t)Uj(t)[Bijcosθij(t)-Gijsinθij(t)]
式中：Ui(t)、Uj(t)分别为t时刻节点i、j的电压幅值；θij为i、j之间的相角差；Gii、Gij、Bii、Bij分别为节点导纳矩阵中的自电导、互电导、自电纳、互电纳。
运行电压约束采用如下公式：
Uimin≤Ui(t)≤Uimax
式中：Uimax、Uimin分别为节点i电压幅值最大值和最小值。
支路电流约束采用如下公式：
式中：Iij(t)为t时刻节点i、j之间流过的电流幅值，Iijmax为节点i、j之间流过电流幅值的最大值。
考虑网络优化重构降损的有源配电网RPFC选址定容规划问题属于多变量、非线性规划模型，二阶锥规划在解决线性空间中凸锥上的数学规划问题具有广泛应用。采用二阶锥规划算法(SOCP)将目标函数与非线性约束条件通过凸松弛与变量替代的方式线性化，对模型进行求解。其具体原理和过程如图1所示。
以下结合具体的仿真实例来对上述结构和方法的应用进行进一步说明。
本发明以IEEE 33节点算例对提出的模型与优化算法进行仿真分析，电压等级为12.66kV。利用MATLAB2018b的YALMIP平台上调用内嵌的gurobi求解器进行求解。
对RPFC待选安装位置和容量进行优化和选择，即在S1～S5这5个位置对RPFC进行选址定容，如图2所示。
为充分考虑风电机组和光伏机组接入对系统的影响，在算例中接入了10台光伏系统和5台风电机组，并遵循表1中的配置参数，以便全面模拟分布式电源的影响，并对所提出的模型与算法进行全面的验证和分析。RPFC相关参数见表2。
表1风机光伏配置参数
表2RPFC相关参数
下面，本实施例设置了3种配置方案来分析本发明的有效性：
方案1：保持原有网架结构，即未进行网络优化重构，且不配置RPFC；
方案2：未进行网络优化重构，但对RPFC进行选址定容；
方案3：进行网络优化重构，并对RPFC进行选址定容。
输出网络优化重构的线路号及RPFC最优的选址定容配置方案如表3所示。四种方案经济性对比如表4所示。
表3RPFC配置方案
表4三种方案经济性对比
结合两表对三种方案进行分析，方案1中未进行网络优化重构，且不配置RPFC时总网损最大，造成总年综合费用也最高；方案2和方案3均对RPFC进行了选址定容，在一定程度上减少了RPFC的支出，但Case3考虑了配网重构，能够对网架结构进行进一步优化。
方案3比方案1的年综合成本节省了5.1万元，降低了14.57％；比方案2的年综合成本减少了1.3万元，降低了4.17％。结果表明：RPFC的合理规划与有源配电网网络优化重构相结合，能够极大地提高整个配电系统运行的经济性。
RPFC灵活的控制模式，能够很好地解决由于分布式电源接入比例不断提高给配定网带来的电压波动、电压越限和潮流失控以及分布式能源消纳能力不足等问题。有利于配电网的安全稳定运行。考虑到上述经济效益和实际工程价值，对RPFC进行选址定容规划的意义将进一步提高。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建旋转潮流控制器(Rotary power flow controller，RPFC)数学模型；
(2)建立考虑网络优化重构降损的RPFC选址定容优化配置模型；
(3)采用二阶锥规划算法将RPFC选址定容及网络优化重构模型转换为二阶锥模型，对构建的二阶锥模型进行求解；
(4)输出网络优化重构的线路号及RPFC最优的选址定容配置方案。
2.根据权利要求1所述的考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法，其特征在于，所述RPFC数学模型中，RPFC的约束方程表达式具体如下：
RPFC有功功率约束为：
Pi,RPFC+Pj,RPFC+Pij,RPFC＝0
RPFC无功功率约束为：
-μSij,RPFC≤Qi,RPFC≤μSij,RPFC
-μPij,RPFC≤Qj,RPFC≤μSij,RPFC
RPFC容量约束为：
其中：i、j为系统节点，Pi,PRFC、Pj,PRFC、Qi,RPFC、Qj,RPFC为PRFC注入的有功功率和无功功率，μ为功率因数角正弦的绝对值，Pij,RPFC为RPFC传输损耗，Sij,RPFC为i、j节点之间接入的RPFC容量。
3.根据权利要求1所述的考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法，其特征在于，所述考虑网络优化重构降损的RPFC选址定容优化配置模型的优化目标是最小化年综合费用，目标函数的表达式具体如下：
min C＝CI+CO+CL
式中：CI为RPFC每年的固定投资费用；CO为RPFC每年的运行维护成本；CL为配电网年供电损耗费用；ck,RPFC为RPFC的单位容量投资成本；Sk,RPFC为RPFC的安装容量；NRPFC为待选安装的RPFC的个数；k为安装的RPFC的个数；y为RPFC的经济使用年限；β表示单位容量的RPFC年运行维护成本系数；c表示电价，为0.5元/(kWh)；η为年供电损耗费用系数；t为供电时间；N为系统节点数；Pi为节点i处注入的有功功率之和；为RPFC在节点i处的功率损耗。
4.根据权利要求1所述的考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法，其特征在于，所述考虑网络优化重构降损的RPFC选址定容优化配置模型所满足的约束条件包括：RPFC规划约束和网络优化重构辐射状拓扑约束。
5.根据权利要求4所述的考虑网络优化重构降损的旋转潮流控制器选址定容方法，其特征在于，所述RPFC规划约束采用如下公式：
Sk,RPFC＝nkS
式中：nk为非负整数，表示安装在位置k的RPFC个数；S表示单位安装容量，为100kVA；Sk,RPFC表示安装在位置k处的RPFC容量；为RPFC在位置k处的最大允许安装容量。为了简化优化变量和提高效率，可以用整数变量来表示每个位置是否需要安装RPFC以及对应的RPFC容量。如果RPFC容量的值为0，则表示在该位置不需要安装RPFC，即没有RPFC装置。
所述网络优化重构辐射状拓扑约束采用如下公式：
式中：Φl为系统所有支路的集合；zij、zi'j分别为网络优化重构前和网络优化重构后的开关状态，0表示开关断开，1表示开关闭合；nb、ns分别为系统节点数和根节点数；L为系统支路数；Amax表示最大网络优化重构线路数。
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