一种含分布式光伏配电网三相不平衡两阶段优化方法

技术领域

本发明涉及电力数据分析领域，尤其涉及一种含分布式光伏配电网三相不平衡两阶段优化方法。

背景技术

低压配电网中多采用三相四线制布线，并且低压用户几乎均为单相并网模式，这些现状导致三相不平衡优化成为配电网优化负荷分布、降低网络损耗、提高运行经济性的关键环节。尤其是在含分布式光伏配电网中，大规模的分布式光伏渗入低压配电网改变了其传统单源-单向的潮流流动特性，“多源”配电网中的源荷互动响应也变得复杂。一方面，分布式光伏出力与低压用户用电均具有较强的随机性，源荷的时序波动在一定程度上会加重三相不平衡状况；另一方面，分布式光伏出力与低压用户间的电能供需也存在较强的时序差异，可能会出现如小负荷大光伏而导致的电压越限情况，严重情况下甚至会危害系统的安全运行。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种利用分布式光伏进行电压控制以抑制系统节点电压越限风险，更好适应含分布式光伏配电网中的三相不平衡优化需求的计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡两阶段优化方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种含分布式光伏配电网三相不平衡两阶段优化方法，包括如下步骤：

步骤1，根据配电网运行数据，计算配电网三相电压不平衡度、线路线损率、在日前预测优化阶段中的参与优化户数；

步骤2，日前预测优化阶段，以用户相序为决策变量，以步骤1中计算的配电网三相电压不平衡度、线路线损率、参与优化户数为最小化优化目标，构建计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化模型；

步骤3，根据配电网运行数据，计算配电网三相不平衡指标、电压越限风险、优化动作次数；

步骤4、日内实时优化阶段，以分布式光伏逆变器参数为决策变量，以分布式光伏逆变器参数为最小化优化目标，构建计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日内实时优化模型；

步骤5，基于计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化模型和计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日内实时优化模型，构建计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化-日内实时优化的两阶段优化框架；

步骤6、完成含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化-日内实时优化的两阶段优化求解，根据得到的优化策略，进而修正配电网中用户和分布式光伏的运行参数，对比未优化的配电网三相电压不平衡度与线路线损率，分析所得优化策略的有效性。

步骤1中配电网三相电压不平衡度计算过程如下：

式中：

配电网的线路线损率表示为：

在计算参与优化户数时，首先定义决策变量X

定义

式中：X

参与优化户数表示为：

式中：O

步骤2中，构建的计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化模型的表达式为：

式中：

步骤3中，配电网三相不平衡指标

配电网的电压越限风险表示为：

式中：

优化动作次数表示为：

式中：

步骤4中，构建的计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日内实时优化模型的表达式为：

式中：

本发明的有益效果是：本发明针对含分布式光伏配电网中因光伏并网导致的不同的运行特性，在优化三相不平衡的同时增加了对节点电压偏差问题的考虑，提出了计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡两阶段优化框架。通过日前预测优化和日内实时优化的两阶段优化，以低压用户和分布式光伏为控制对象，从源荷互动的角度提出了对含分布式光伏配电网的三相不平衡问题的治理方案。所提优化框架，能够有效改善配电网中的三相不平衡问题，相较于传统优化方法还能显著抑制系统的电压越限风险，具有重要学术意义和工程实用价值。

附图说明

图1是本发明的含分布式光伏配电网三相不平衡两阶段优化框架。

图2是本发明实施流程图。

图3是改进的IEEE34节点拓扑结构图。

图4a是实施例中节点806三相电压不平衡度无优化与日前预测优化策略示意图。

图4b是实施例中节点854三相电压不平衡度无优化与日前预测优化策略示意图。

图4c是实施例中节点836三相电压不平衡度无优化与日前预测优化策略示意图。

图5是不同优化方法下各节点的电压偏离值。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图2所示，本发明是一种含分布式光伏配电网三相不平衡两阶段优化方法，包括如下步骤：

步骤1，根据配电网运行数据，计算配电网三相电压不平衡度、线路线损率、在日前预测优化阶段中的参与优化户数；

步骤1中配电网三相电压不平衡度计算过程如下：

式中：

配电网的线路线损率表示为：

式中：

在计算参与优化户数时，首先定义决策变量X

定义

式中：X

参与优化户数表示为：

式中：O

步骤2，日前预测优化阶段，以用户相序为决策变量，以步骤1中计算的配电网三相电压不平衡度、线路线损率、参与优化户数为最小化优化目标，构建计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化模型：

其中：

步骤3，根据配电网运行数据，计算配电网三相不平衡指标、电压越限风险、优化动作次数；

步骤3中，配电网三相不平衡指标

配电网的电压越限风险表示为：

式中：

优化动作次数表示为：

式中：

步骤4、日内实时优化阶段，以分布式光伏逆变器参数为决策变量，以分布式光伏逆变器参数为最小化优化目标，构建计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日内实时优化模型：

其中：

步骤5，基于计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化模型和计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日内实时优化模型，构建计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化-日内实时优化的两阶段优化框架；

针对上述步骤构建的计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡两阶段优化模型，采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法进行优化求解。其中，通过仿真软件OpenDSS来求解配电网潮流分布、节点电压状态。主要分为初始化、日前预测优化、日内实时优化、多目标优化算法四大部分，整体的两阶段优化框架如下图1所示。

首先是初始化部分，初始化OpenDSS中配电网结构参数和用户侧并网参数，包括接入节点的用户和DPV数量、用户类型及其用电模式、DPV容量位置及其出力特性等。

其次是日前预测优化部分，调用OpenDSS读取网络节点接入负荷和DPV的运行状态，确定配电网的三相不平衡程度，构建三相不平衡日前预测优化模型，基于NSGA-Ⅱ算法进行优化求解，得到配电网中的低压用户相序调整策略，并对配网用户侧用户相序进行修正。

接着是日内实时优化部分，构建计及电压越限风险的含分布式光伏配电网日内三相不平衡优化模型，调用OpenDSS潮流计算得到配电网中的有功/无功功率分布、节点电压状态、DPV出力情况等等运行数据，根据决策变量对用户侧分布式光伏的运行参数进行修正。

最后是多目标优化部分，基于NSGA-Ⅱ算法对含分布式光伏配电网两阶段三相不平衡优化问题进行求解。以日内实时优化为例：根据网络运行数据计算式计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相不平衡日内实时优化模型中的目标函数值进行迭代寻优得到优化策略，并传输给OpenDSS完成对用户侧运行参数的参数调整，完成闭环控制。

步骤6、完成含分布式光伏配电网三相不平衡日前预测优化-日内实时优化的两阶段优化求解，根据得到的优化策略，进而修正配电网中用户和分布式光伏的运行参数，对比未优化的配电网三相电压不平衡度与线路线损率，分析所得优化策略的有效性。

本实施例以改进的IEEE34标准节点为例，系统的基准容量为25MVA，基准电压为69kV。采用PYTHON构建三相不平衡两阶段优化模型，结合OpenDSS进行实时潮流运算，采用NSGA-Ⅱ算法对所提两阶段优化模型进行求解验证。算例中，接入用户的包括32户三相可调的低压单相用户、6户单相固定相位用户、15户相间用户以及6户三相用户、4个分布式光伏。其中，可调用户接入点如图3中箭头所示，分布式光伏接入均选取系统末端节点。

其中，所接分布式光伏的具体参数为：节点840所接PV1额定有功功率为10kW，节点890所接PV2额定有功功率为100kW，节点848所接PV3额定有功功率为15kW，节点848所接PV4额定有功功率为5kW。并且，四个分布式光伏均保持0.95的功率因数运行。单相用户及分布式光伏的接入情况如上所述，假设优化对象中的单相用户相序调节不受限制（三相可调），并给定节点电压控制范围为[0.93,1.07]，分布式光伏的功率因数可调范围为[0.95,1.05]。

结合所选34节点配电网拓扑结构，计算计及电压越限风险的三相不平衡两阶段优化模型中的目标函数值，对改进的含分布式光伏IEEE34节点系统进行三相不平衡优化，分析得到的策略。

首先，在日前预测优化模型的优化下。选取拓扑首端、中部、末端三处的节点806、854、836进行分析。对比不同三相不平衡优化策略对网络整体负荷分布改善的有效性，如下图4a、图4b、图4c所示。首端节点806处不平衡度整体均值由0.076%降至0.023%，中间节点854处不平衡度整体均值由1.297%降至0.537%，末端节点836处不平衡度整体均值由1.655%降至0.845%，三处节点的电压不平衡状态都得到了显著的改善。

其次，进一步通过日内实时优化模型优化。结合节点电压状态对分布式光伏逆变器的运行参数进行时序控制，调节其无功功率以抑制电压越限风险，相较于传统三相不平衡优化策略能够有效地调节节点电压分布。以各节点在C相的电压标幺值与标准电压的偏差值为例，对比了传统优化与本发明所提优化方法对节点电压的优化效果，如图5所示。

最后，为综合分析本文方法在优化含分布式光伏配电网三相不平衡问题上的有效性。在表1中对比了传统优化方法和本文所提策略在配电网平均电压不平衡度、平均网络线损率上的整体优化效果。要注意的是，为还原低压配电网中用户相序分布不均的问题，在本文仿真算例中接入了较多的单相用户，导致了网络平均网络线损率为10.89%，较高于实际配电网运行网损率；其中表1具体为：

表1 为本发明所提算法的优化有效性对比分析表

综上所述，所提优化框架在解决含分布式光伏配电网三的相不平衡问题和DPV引起的电压越限问题上均有较好的优化效果。相较传统的仅考虑三相不平衡问题的优化策略，通过考虑分布式光伏的电压控制来进行三相不平衡优化，能够实现在几乎不损失网络线损率优化值的基础上，有效地改善节点电压的分布状态，更能适应目前配电网中大规模DPV接入的现状。