协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化方法及装置

技术领域

本发明涉及配电系统无功优化以及节能领域，更具体地说，涉及一种协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化方法及装置。

背景技术

降压节能(Conservation voltage reduction，CVR)是通过馈线电压调节来降低用户电力需求，从而起到节能技术。馈线电压调节是基于负荷对馈线电压的敏感性，通过调节电压一方面降低配电系统总损耗，另一方面降低需求负荷需求电量。

目前，配电系统CVR设备主要是采用两类无功调节设备来实现，第一类是有载调压器，主要通过调节其分接头来实现馈线电压调节；另一类则是电容器组，其主要目的是为配电系统提供足够的无功功率，降低损耗。但随着基于逆变器的分布式电源、储能等设备的大量并网，配电系统的馈线电压调节愈发多样化，典型的CVR方法通常使用有载调压器、电容器组等设备来实现，而这些无功调节设备均有一定时间的延迟，属于慢时间尺度的调节，而对于配电系统的大量并网的分布式电源和储能，其逆变器的切换更加频繁和迅速，属于快时间的调节。然而，现有的CVR技术缺乏对逆变器与传统 CVR调节设备的协调，在时间尺度上也缺少考虑。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化方法及装置；其能够实现时间尺度上的协调，通过同时协调传统CVR调节设备和逆变器来实现三相配电系统的节能效益，降低用户用电需求，提高节能效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

第一步、建立基于支路潮流的三相潮流模型；

第二步、根据所述支路潮流的三相潮流模型建立基于支路潮流的近似三相潮流模型和线性化三相潮流模型；

第三步、分别对调压器、电容器组、逆变器和电压敏感型负荷进行建模；

第四步、采用线性化三相潮流模型确定传统CVR调节设备和逆变器的整定值建立上层MILP模型，以及根据所述近似非线性最优潮流模型修正逆变器的整定值，获得逼近最优可行解，获得下层NLP模型；求解所述上层 MILP模型和下层NLP模型，根据结果进行电压-无功双层优化。

按上述方案，基于支路潮流的三相潮流模型为：

/>

秩-1正半定(PSD)矩阵

式中，

为p∈Φ

上式中，第一式表示电压降方程，第二式表示功率平衡方程，第三式表示功率方程计算公式，第四式为秩1的约束。

按上述方案，基于支路潮流的近似三相潮流模型为：

其中，对所有(i，j)∈ε，第一式、第二式表示pp∈Φ

其中p∈Φ

各相电压近似相差120°，即满足：

是常数，S

p和q相的相电流为

线性化三相潮流模型为：

调压器的模型为：

a

其中，p∈Φ

和/>

其中，

和/>

为将上表示为

按上述方案，电容器的模型为：

其中，

按上述方案，逆变器的模型为：

为逆变器的可用无功功率，DG的已知有功发电量等于预测值，DG 的无功出力取决于逆变器的额定值，/>

按上述方案，电压敏感型负荷建模的具体方法如下：

首先，建立母线i的p相连接的负荷的ZIP模型的数学模型如下：

其中，k

然后，利用CVR系数将ZIP负荷模型转化等效负荷模型，CVR系数定义为有功或无功功率降低百分比与母线电压降低百分比的比值，有功、无功降低CVR系数CVR

其中，

上式基于CVR系数的负荷模型

假设V

CVR

按上述方案，采用线性化三相潮流模型确定传统CVR调节设备和逆变器的整定值建立上层MILP模型的具体方法为：

通过控制调压器、电容器组和逆变器来最小化系统损耗，为使注入变电站母线的三相有功功率之和最小，优化模型如下：

目标函数：

约束条件如下：

线性交流潮流约束：

基于CVR的负荷模型：

调压器模型：

/>

电容器组模型：

逆变器模型：

电压约束：

上述模型的变量为

按上述方案，根据所述近似非线性最优潮流模型修正逆变器的整定值，获得逼近最优可行解，获得下层NLP模型的具体方法为：

调整逆变器控制变量的整定值，以获得最优可行的三相非线性潮流解，假设离散控制变量

目标函数：

约束条件如下：

在时刻t定义的近似非线性交流潮流方程约束：

/>

基于CVR的负荷模型：

调压器模型：

电容器组模型：

逆变器模型：

电压约束：

上述模型的变量为

本发明还提供了一种协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化装置，包括：

三相潮流模型建立模块，用于建立基于支路潮流的三相潮流模型；

近似三相潮流模型和线性化三相潮流模型建立模块，用于根据所述基于支路潮流的三相潮流模型建立基于支路潮流的近似三相潮流模型和线性化三相潮流模型；

模型建立模块，用于分别对调压器、电容器组、逆变器和电压敏感型负荷进行建模；

电压-无功双层优化模块，用于采用线性化三相潮流模型确定传统CVR 调节设备和逆变器的整定值建立上层MILP模型，以及根据所述近似非线性最优潮流模型修正逆变器的整定值，获得逼近最优可行解，获得下层NLP模型；求解所述上层MILP模型和下层NLP模型，根据结果进行电压-无功双层优化。

实施本发明的协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化方法，具有以下有益效果：

1、本发明开发了三相配电系统潮流模型的近似模型和线性模型，适用于三相不平衡配电系统，与严格的三相配电系统潮流模型相比，减少了潮流变量维数，近似精度高；

2、本发明将ZIP负荷模型转化为基于CVR系数的负荷模型，便于嵌入到三相配电系统潮流模型中，不改变其原有的结构；

3、本发明基于分解协调思想将CVR调节设备和逆变器协调的MINLP问题分解为MILP和NLP的双层优化问题，能够降低复杂性和实现扩展性，具有良好的扩展性和高效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化方法的流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化方法，包括以下步骤：

第一步、建立基于支路潮流的三相潮流模型；

假设有向图G＝(N，ε)，其中N表示母线集合，ε表示支路集合。每条支路(i，j)表示两个相邻节点i和j之间的连接形式。{a，b，c}表示系统的三相，Φ

秩-1正半定(PSD)矩阵

式中，

上式中第一式表示电压降方程；第二式表示功率平衡方程；第三式表示功率方程计算公式；第四式为秩1的约束。

第二步、根据所述支路潮流的三相潮流模型建立基于支路潮流的近似三相潮流模型和线性化三相潮流模型；

定义

首先，假设各相电压近似相差120°，即满足

进一步

利用以上两式可以将

然后，假设对于给定的线路(i，j)，p和q相的相电流为

最后，利用上述假设，将第一步的建立的基于支路潮流的三相潮流模型近似为如下所示的一组线性和非线性方程(基于支路潮流的近似三相潮流模型)：

其中，对所有(i，j)∈ε，第一式、第二式表示pp∈Φ

如果假设支路功率损耗忽略不计，基于支路潮流的近似三相潮流模型可以线性化为(基于支路潮流的线性化三相潮流模型)

第三步、分别对调压器、电容器组、逆变器和电压敏感型负荷进行建模；

调压器建模方法如下：

假设电压调节范围为±10％的32步调压器。设a

其中，

为将上表示为

电容器组建模方法如下：

电容器组所产生的无功功率

其中，

逆变器建模方法如下：

DG的已知有功发电量等于预测值。DG的无功出力取决于逆变器的额定值。设连接i

电压敏感型负荷建模方法如下：

首先，建立母线i的p相连接的负荷的ZIP模型的数学模型如下：

其中，k

然后，本发明利用CVR系数将ZIP负荷模型转化等效负荷模型，CVR 系数定义为有功或无功功率降低百分比与母线电压降低百分比的比值，有功、无功降低CVR系数CVR

其中，

注意，上式基于CVR系数的负荷模型

假设V

CVR

S4、采用线性化三相潮流模型确定传统CVR调节设备和逆变器的整定值建立上层MILP模型，以及根据所述近似非线性最优潮流模型修正逆变器的整定值，获得逼近最优可行解，获得下层NLP模型；求解所述上层MILP模型和下层NLP模型，根据结果进行电压-无功双层优化。

其中上层在14.5-15.5min尺度，优选为15min，采用线性化三相最优潮流模型确定传统CVR调节设备和逆变器的整定值，下层在0.9-1.1min尺度，优选为1min，采用近似非线性最优潮流模型修正逆变器的整定值，获得逼近最优可行解；本实施例在Mtalab平台上分别调用Gurobi工具箱和fmincon函数求解上层MILP模型和下层NLP模型，输出结果。

在上层建立基于线性化三相最优潮流模型的协调优化模型的方法为：

在这一阶段的目标是通过控制调压器、电容器组和逆变器来最小化系统损耗，是使注入变电站母线的三相有功功率之和最小。优化模型如下：

目标函数：

约束条件如下：

线性交流潮流约束：

基于CVR的负荷模型：

调压器模型：

电容器组模型：

逆变器模型：

电压约束：

上述模型的变量为

在下层在min尺度建立基于近似非线性最优潮流模型的逆变器整定值实时修正模型的方法为：

这一阶段的目标是调整逆变器控制变量的整定值，以获得最优可行的三相非线性潮流解。假设离散控制变量

目标函数：

约束条件如下：

在时刻t定义的近似非线性交流潮流方程约束：

基于CVR的负荷模型：

/>

调压器模型：

电容器组模型：

逆变器模型：

电压约束：

上述模型的变量为

本发明还提供了一种协调CVR调节设备和逆变器的电压-无功双层优化装置，包括：

三相潮流模型建立模块，用于建立基于支路潮流的三相潮流模型；

近似三相潮流模型和线性化三相潮流模型建立模块，用于根据所述基于支路潮流的三相潮流模型建立基于支路潮流的近似三相潮流模型和线性化三相潮流模型；

模型建立模块，用于分别对调压器、电容器组、逆变器和电压敏感型负荷进行建模；

电压-无功双层优化模块，用于采用线性化三相潮流模型确定传统CVR 调节设备和逆变器的整定值建立上层MILP模型，以及根据所述近似非线性最优潮流模型修正逆变器的整定值，获得逼近最优可行解，获得下层NLP模型；求解所述上层MILP模型和下层NLP模型，根据结果进行电压-无功双层优化。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。