一种多电压等级交直流配电网的可控资源协调调度方法

技术领域

本发明属于配电网资源协调调度技术领域，特别是一种多电压等级交直流配电网的可控资源协调调度方法。

背景技术

随着经济和社会的快速发展，配电网变得越来越复杂，目前缺乏适用于多电压等级交直流混合配电网的模型和方法，并且随着电动汽车越来越普及，电网中可控资源占比增大，基于以前或现有的管理方法，很难对各级可控资源做出合理安排，从而无法实现系统的最优运行。

将系统中的各级可调度资源，如：储能系统、电动汽车和可转移负荷进行统一管理，充分利用多电压等级之间的功率相互流动作用，可以减少系统网络损耗，并且大幅提高系统运行的安全裕度，在实际工程背景下具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多电压等级交直流配电网的可控资源协调调度方法，从而在保证系统安全运行的前提条件下进一步降低系统损耗。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多电压等级交直流配电网的可控资源协调调度方法，包括以下步骤：

步骤1、选取平衡节点为根节点，采用图/树遍历算法遍历整个配电网络，根据网络信息被访问的先后顺序，分别为多电压等级交直流配电网节点、储能、电动汽车充电站、可转移负荷、风电站、光伏电站顺次编号，根据编号构建中压交流配电网节点集合、低压交流配电网节点集合、低压直流配电网节点集合、中压交流配电网支路集合、低压交流配电网支路集合、低压直流配电网支路集合、电动汽车充电站集合、储能集合、可转移负荷集合、风电站集合、光伏电站集合，并获取网络中各节点之间的连接关系；

步骤2、利用历史数据建立预测模型，预测当天区域中风电站和光伏电站的出力大小、网络节点实时负荷大小、储能的初始电量以及需充电的电动汽车充电信息；

步骤3、基于步骤2得到的区域中风电站和光伏电站的出力大小、网络节点实时负荷大小和需充电的电动汽车充电信息，对这些信息中含有时间的参量进行离散化处理；

步骤4、根据步骤1～步骤3处理的结果，以系统损耗最低为目标建立目标函数，并建立各个电压等级的交直流配电网运行及安全约束、储能运行约束、电动汽车运行约束、可转移负荷运行约束和换流器运行约束的约束条件，求解模型获取可控资源的运行方案。

进一步地，步骤1中所述的采用图/树遍历算法遍历整个配电网络，则必须使节点编号、储能编号、电动汽车充电站编号、可转移负荷编号、风电站编号和光伏电站编号满足以下条件：网络中任意两个处于同一条支路上的节点、储能、电动汽车充电站、可转移负荷、风电站、光伏电站，编号较小的位于另一个的上游。

进一步地，步骤2中所述的需充电的电动汽车充电信息，包括每个充电站当天需服务的电动汽车数量，每个充电站中电动汽车到达时间、离开时间、到达本站时的荷电状态以及每辆电动汽车的电池容量。

进一步地，步骤3所述的对步骤2得到的区域中风电站和光伏电站的出力大小、网络节点实时负荷大小和需充电的电动汽车充电信息，对这些信息中含有时间的参量进行离散化处理，具体如下：

将一日总时长按照时间步长划分为N

将风电站和光伏电站的出力大小以及网络节点实时负荷大小按照时刻进行取值；

所述电动汽车充电信息中含有时间的参量包括电动汽车到达充电站的时间和电动汽车离开充电站的时间，对电动汽车到达充电站的时间，取该时间所处时间段的结束时刻作为电动汽车到达充电站的时间；对电动汽车离开充电站的时间，取该时间所处时间段的开始时间作为电动汽车离开充电站的时间。

进一步地，步骤4中的系统损耗，计算公式为：

其中

所述t时刻下支路ij对应的中压交流、低压交流、低压直流网络损耗、换流器t时刻下的等效损耗

其中，

进一步地，步骤4中的各个电压等级的交直流配电网运行及安全约束，包括线路有功功率传输约束、线路无功功率传输约束、线路电压降约束、节点电压幅值上下限约束、配电网传输容量约束，其中：

多电压等级交流配电网线路有功功率传输约束公式如下：

其中符号#表示当系统为中压交流配电网时的MVAC，或者表示当系统为低压交流配电网时的LVAC；

多电压等级交流配电网线路无功传输约束公式如下：

其中

多电压等级交直流配电网线路电压降约束公式如下：

其中

节点电压幅值上下限约束公式如下：

其中

交流配电网传输容量约束公式如下：

其中系数

进一步地，步骤4中的储能运行约束，包括储能任一时刻下的荷电状态约束、储能的能量平衡约束、储能的荷电状态的上下限约束和储能充放电行为约束，其中：

储能任一时刻下的荷电状态约束为：

其中

进一步地，步骤4中的电动汽车运行约束，包括电动汽车离开充电站时的期望荷电状态约束、电动汽车任一时刻下的荷电状态约束、电动汽车离开电量约束、电动汽车的荷电状态的上下限约束和电动汽车充放电行为约束，其中：

电动汽车离开充电站时的期望荷电状态约束为：

其中

电动汽车任一时刻下的荷电状态约束为：

其中B

进一步地，步骤4中的可转移负荷运行约束，包括最大转移负荷功率限制约束、一天中总转移负荷量约束，其中：

最大转移负荷功率限制约束为：

其中

一天中总转移负荷量约束为：

进一步地，步骤4中的换流器运行约束，包括换流器工作模式约束、换流器两侧的功率约束、换流器安全约束，其中：

换流器工作模式约束为：

其中

换流器两侧的功率约束为：

其中

换流器安全约束为：

其中μ为换流器的直流电压利用率，在正弦脉宽调制控制模式下等于

其中

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)将多个电压等级下的配电网的多种可调度资源合理统一起来，能够在保证系统安全运行的前提条件下，降低了系统损耗；(2)提高了配电网系统的资源利用率，并且提高了系统安全性。

附图说明

图1是本发明多电压等级交直流配电网的可控资源协调调度方法的流程示意图。

图2是本发明实施例中编号后的52节点多电压等级交直流配电网拓扑图。

图3是本发明实施例中优化后的可控资源出力图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

结合图1，本发明一种多电压等级交直流配电网的可控资源协调调度方法，包括以下步骤：

步骤1、选取平衡节点为根节点，采用图/树遍历算法遍历整个配电网络，根据网络信息被访问的先后顺序，分别为多电压等级交直流配电网节点、储能、电动汽车充电站、可转移负荷、风电站、光伏电站顺次编号，根据编号构建中压交流配电网节点集合、低压交流配电网节点集合、低压直流配电网节点集合、中压交流配电网支路集合、低压交流配电网支路集合、低压直流配电网支路集合、电动汽车充电站集合、储能集合、可转移负荷集合、风电站集合、光伏电站集合，并获取网络中各节点之间的连接关系；

步骤2、利用历史数据建立预测模型，预测当天区域中风电站和光伏电站的出力大小、网络节点实时负荷大小、储能的初始电量以及需充电的电动汽车充电信息；

步骤3、基于步骤2得到的区域中风电站和光伏电站的出力大小、网络节点实时负荷大小和需充电的电动汽车充电信息，对这些信息中含有时间的参量进行离散化处理；

步骤4、根据步骤1～步骤3处理的结果，以系统损耗最低为目标建立目标函数，并建立各个电压等级的交直流配电网运行及安全约束、储能运行约束、电动汽车运行约束、可转移负荷运行约束和换流器运行约束的约束条件，求解模型获取可控资源的运行方案。

进一步地，步骤1中所述的采用图/树遍历算法遍历整个配电网络，则必须使节点编号、储能编号、电动汽车充电站编号、可转移负荷编号、风电站编号和光伏电站编号满足以下条件：网络中任意两个处于同一条支路上的节点、储能、电动汽车充电站、可转移负荷、风电站、光伏电站，编号较小的位于另一个的上游。

作为一种具体示例，步骤2中所述的需充电的电动汽车充电信息，包括每个充电站当天需服务的电动汽车数量，每个充电站中电动汽车到达时间、离开时间、到达本站时的荷电状态以及每辆电动汽车的电池容量。

作为一种具体示例，步骤3中所述对步骤2得到的区域中风电站和光伏电站的出力大小、网络节点实时负荷大小和需充电的电动汽车充电信息，对这些信息中含有时间的参量进行离散化处理，具体如下：

将一日总时长按照时间步长划分为N

将风电站和光伏电站的出力大小以及网络节点实时负荷大小按照时刻进行取值；

所述电动汽车充电信息中含有时间的参量包括电动汽车到达充电站的时间和电动汽车离开充电站的时间，对电动汽车到达充电站的时间，取该时间所处时间段的结束时刻作为电动汽车到达充电站的时间；对电动汽车离开充电站的时间，取该时间所处时间段的开始时间作为电动汽车离开充电站的时间。

作为一种具体示例，步骤4中所述根据步骤1-步骤3获取的数据，以系统损耗最低为目标建立目标函数，并建立各个电压等级的交直流配电网运行及安全约束、储能运行约束、电动汽车运行约束、可转移负荷运行约束和换流器运行约束的约束条件，求解模型获取可控资源的运行方案；

作为一种具体示例，所述的系统损耗，计算公式为：

其中

所述t时刻下支路ij对应的中压交流、低压交流、低压直流网络损耗、换流器t时刻下的等效损耗

其中，

作为一种具体示例，所述的各个电压等级的交直流配电网运行及安全约束，包括线路有功功率传输约束、线路无功功率传输约束、线路电压降约束、节点电压幅值上下限约束、配电网传输容量约束，其中：

多电压等级交流配电网线路有功功率传输约束公式如下：

其中符号#表示当系统为中压交流配电网时的MVAC，或者表示当系统为低压交流配电网时的LVAC；

多电压等级交流配电网线路无功传输约束公式如下：

其中

多电压等级交直流配电网线路电压降约束公式如下：

其中

节点电压幅值上下限约束公式如下：

其中

交流配电网传输容量约束公式如下：

其中系数

作为一种具体示例，所述的储能运行约束，包括储能任一时刻下的荷电状态约束、储能的能量平衡约束、储能的荷电状态的上下限约束和储能充放电行为约束，其中：

储能任一时刻下的荷电状态约束为：

其中

作为一种具体示例，所述的电动汽车运行约束，包括电动汽车离开充电站时的期望荷电状态约束、电动汽车任一时刻下的荷电状态约束、电动汽车离开电量约束、电动汽车的荷电状态的上下限约束和电动汽车充放电行为约束，其中：

电动汽车离开充电站时的期望荷电状态约束为：

其中

电动汽车任一时刻下的荷电状态约束为：

其中B

作为一种具体示例，所述的可转移负荷运行约束，包括最大转移负荷功率限制约束、一天中总转移负荷量约束，其中：

最大转移负荷功率限制约束为：

其中

一天中总转移负荷量约束为：

作为一种具体示例，所述的换流器运行约束，包括换流器工作模式约束、换流器两侧的功率约束、换流器安全约束，其中：

换流器工作模式约束为：

其中

换流器两侧的功率约束为：

其中

换流器安全约束为：

其中μ为换流器的直流电压利用率，在正弦脉宽调制控制模式下等于

其中

作为一种具体示例，所述的求解模型，采用粒子群、模拟退火等智能算法或者分支定界的数学方法。

实施例1

本实施例选取某52节点多电压等级交直流配电网，对本发明方法的具体实现方法进行示例演示。

结合图1，本发明一种多电压等级交直流配电网的可控资源协调调度方法，包括以下步骤：

步骤1、选取平衡节点为根节点，采用图/树遍历算法遍历整个网络，根据所述网络节点被访问的先后顺序依次为多电压等级交直流配电网节点、储能、电动汽车充电站、可转移负荷、风电站、光伏电站编号，如图2所示，并获取网络中中压交流配电网节点集合[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39]、低压交流配电网节点集合[40,41,42,43,44,45,46,47]、低压直流配电网节点集合[48,49,50,51,52]、中压交流配电网支路集合支路1-2等共38条、低压交流配电网支路集合支路40-41等共7条、低压直流配电网支路集合支路48-49等共4条、电动汽车充电站集合[1,2,3,4]、储能集合[1,2,3]、可转移负荷集合[1,2,3,4]、风电站集合[1,2]、光伏电站集合[1,2,3]以及网络中节点连接关系。

步骤2、通过历史数据拟合得到风电站出力、光伏电站出力、节点负荷、储能的初始电量和电动汽车的特征曲线，采用蒙特卡洛方法得到风电站出力、光伏电站出力、负荷大小、储能的初始电量以及需充电的电动汽车充电信息。以风电站1为例，在00:00时，其出力大小为298.47kW，在00:01时，其出力大小为298.33kW，在00:02时，其出力大小为298.18kW，一直到23:59时的出力大小，共1440个数据。同理可获得光伏电站出力和负荷大小。获取储能的初始电量，例如储能1，在00:00时，其电量为76.97kWh。区域中共有400辆电动汽车需充电，每个电动汽车充电站服务100辆电动汽车，为方便说明，假设电动汽车电池容量均为100kWh，以编号1的电动汽车为例，它到达充电站1的时间为14:33，离开充电站1的时间为第二天的09:02，到达充电站1的荷电状态为0.44。

步骤3、将所述步骤2所获得的风电站和光伏电站出力大小、网络节点实时负荷大小以及需充电的电动汽车充电信息进行离散化处理，具体流程为：

步骤3.1、以15分钟为步长，将一天24小时化为96个时间段，每个时间段的起始时间记为该时间段的起始时刻；

步骤3.2、将风电站和光伏电站出力大小、网络节点实时负荷按照时刻进行取值，以风电站1为例，取风电站1在00:00时的有功出力为298.47kW，在00:15时的有功出力为296.30kW，直到23:45时的有功出力，共96个数据；

步骤3.3、对电动汽车相关信息进行处理，以编号1的电动汽车为例，它到达充电站1的时间为14:33，属于14:30-14:45时间段，取该时间段结束时刻14:45作为电动汽车到达充电站1的时间；相应的，电动汽车离开充电站1的时间取所属时间段的开始时刻09:00。

步骤4、根据所述步骤1得到的网络信息和所述步骤3得到的离散化处理后的风电站和光伏电站的出力大小、网络节点实时负荷大小以及需充电的电动汽车充电信息，建立以系统损耗最低的优化调度目标，求解模型获取可控资源的运行方案，具体如下：

步骤4.1、根据步骤1得到的网络信息和步骤3得到的离散化处理后的风电站和光伏电站的出力大小、网络节点实时负荷大小以及需充电的电动汽车充电信息，建立系统的约束条件，其中所包含的参数取值如下：在该系统中，多电压等级交直流配电网的线路参数如表1所示，

表1多电压交直流配电网线路参数

表2

表3

步骤4.2、对于所建立模型，通过Gurobi求解器进行求解，最后的结果见图3。

由图3可以看出，本发明一种多电压等级交直流配电网的可控资源协调调度方法，将多个电压等级下的配电网的多种可调度资源合理统一起来，能够在保证系统安全运行的前提条件下，进一步降低系统损耗，可应用于复杂配电网的协调管理，易于得到更优的调度结果。