一种考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模方法

摘要

本发明公开了一种考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模方法，包括步骤：1)获取主动配电网的运行数据；2)计算主动配电网中节点负荷和节点新能源发电的半不变量数据；3)计算主动配电网中节点注入功率的半不变量数据；4)计算主动配电网节点注入功率与边界节点等值注入功率间的近似线性关系；5)基于主动配电网中节点注入功率的半不变量数据以及近似线性关系计算得到边界节点等值注入功率的半不变量数据；6)根据边界节点等值注入功率的半不变量数据得到主动配电网的概率等值模型。本发明以半不变量为纽带，基于电力系统节点电压方程，建立主动配电网的概率等值模型，以提高输电网的分析效率和适应输配电独立运行的场景。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统建模的技术领域，尤其是指一种考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模方法。

背景技术

由于太阳能、风能等新能源具有环境友好的特性，作为新能源利用的主要方式，大规模新能源发电正在被接入到电力系统中。传统的配电网也在逐渐地转变为会在新能源发电较为充足的情况下向输电网传送电能的主动配电网。因此，输电网-配电网的耦合系统分析必须考虑到新能源带来的影响。建立配电网的等值模型可以提高输电网的分析效率，也适用于输电网-配电网由独立运营商运营的场景。因此，如何在构建主动配电网的等值模型时考虑新能源带来的影响成为必须解决的一个课题。

主动配电网的重要特征是有大规模的分布式新能源电源嵌入，因此对分布式新能源电源进行建模是建立主动配电网等值模型的重要步骤。不确定性是新能源电源的固有特性。在经济调度问题中，忽略不确定性会导致不可靠的调度结果，调度员也会因此部署多余的旋转备用容量，从而牺牲调度方案的经济性。考虑不确定还可以为电网的长期规划以及阻塞管理提供很好的方案。传统的等值建模忽略了新能源电源的随机性，因此不适用于对主动配电网进行建模。

除了不确定性以外，可再生能源的相关性也是其重要特性。由于配电网的地理范围较输电网的要小，因此在同一配电网中，气象条件是相似的，从而不同的风电场的风速之间、不同光伏电站的太阳辐射之间存在一定的相关性。忽略相关性会给电力系统的分析带来偏差，导致高昂的运行成本以及更高的失稳风险。主动配电网进行等值建模时必须考虑风速之间、太阳辐射之间的相关性，进而考虑新能源电源发电间的相关性。

本发明提供一种考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模方法，基于主动配电网的运行数据，用半不变量描述新能源的随机性，利用潮流方程中推导出的主动配电网节点注入功率与边界节点等值注入功率间的近似线性关系，得到边界节点等值注入功率的半不变量数据，最终建立主动配电网的概率等值模型。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模方法，突破传统等值建模方法没有考虑新能源的随机性以及相关性的问题，以半不变量为纽带，基于电力系统节点电压方程，建立主动配电网的概率等值模型，以提高输电网的分析效率和适应输配电独立运行的场景。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模方法，包括以下步骤：

1)获取主动配电网的运行数据；

2)计算主动配电网中节点负荷和节点新能源发电的半不变量数据；

3)计算主动配电网中节点注入功率的半不变量数据；

4)计算主动配电网节点注入功率与边界节点等值注入功率间的近似线性关系；

5)基于主动配电网中节点注入功率的半不变量数据以及近似线性关系计算得到边界节点等值注入功率的半不变量数据；

6)根据边界节点等值注入功率的半不变量数据得到主动配电网的概率等值模型。

在步骤1)中，所述主动配电网的运行数据包括线路阻抗、线路对地电容电纳、母线对地电容电纳、配电网拓扑关系和变压器阻抗。

在步骤2)中，获取主动配电网中节点负荷的半不变量数据，包括以下步骤：

2.1.1)建立节点负荷的正态分布模型；

2.1.2)根据节点负荷的正态分布模型计算半不变量：

式中，为节点有功负荷的v阶半不变量向量，μ_Pl为节点有功负荷正态分布的期望值向量，为节点有功负荷正态分布的方差向量，为节点无功负荷的v阶半不变量向量，μ_Ql为节点无功负荷正态分布的期望值向量，为节点无功负荷正态分布的方差向量，0为以0为元素的向量；

获取主动配电网中节点新能源发电的半不变量数据，包括以下步骤：

2.2.1)根据新能源发电的特点，分别建立光照辐射的贝塔分布模型以及风速的威布尔分布模型；

2.2.2)根据风速相关性以及光照辐射相关性分别得到对应于风速的高斯Copula函数的累积分布函数以及对应于光照辐射的高斯Copula函数的累积分布函数；

2.2.3)对步骤2.2.2)中得到的累积分布函数进行采样，获得具有相关性的样本；

2.2.4)基于步骤2.2.3)中具有相关性的样本，光照辐射的贝塔分布模型以及风速的威布尔分布模型，采用累积分布函数的逆变换，分别得到光照辐射和风速的相关性样本；

2.2.5)根据光照辐射与光伏电站出力之前的函数转换关系，得到光伏电站的出力样本，根据风速与风电场出力之前的函数转换关系，得到风电场的出力样本；

2.2.6)计算光伏电站的出力的各阶原点矩和风电场的出力的各阶原点矩：

式中，x_ji为节点i光伏出力或者风电出力样本，N为样本数，j为样本的索引，为节点i光伏出力或者风电出力的v阶原点矩；

2.2.7)根据原点矩与半不变量之间的转换关系得到主动配电网中节点新能源发电的半不变量数据：

γ⁽¹⁾＝a₁

式中，γ^(v)为v阶半不变量，a_v为v阶原点矩，为v个不同元素中取出j个元素的组合数。

在步骤3)中，根据半不变量的可加性，将节点新能源发电的半不变量与节点负荷的半不变量相加得到主动配电网中节点注入功率的半不变量数据。

在步骤4)中，基于电力系统的节点电压方程，获取主动配电网节点注入功率与边界节点等值注入功率间的近似线性关系：

ΔP_B＝E_PP_E+E_QQ_E

ΔQ_B＝-E_QP_E+E_PQ_E

式中，ΔP_B为边界节点等值注入有功功率向量，ΔQ_B为边界节点等值注入无功功率向量，P_E为主动配电网节点注入有功功率向量，Q_E为主动配电网节点注入无功功率向量，E_P和E_P是常系数矩阵，它们能够由下式计算得到：

E_P＝C_B1diag[|V_E|]^-2V_E,Re+C_B2diag[|V_E|]^-2V_E,Im

E_Q＝C_B1diag[|V_E|]^-2V_E,Im-C_B2diag[|V_E|]^-2V_E,Re

C_B1＝diag[V_B,Re](Y_BEY_EE^-1)_Re-diag[V_B,Im](Y_BEY_EE^-1)_Im

C_B2＝diag[V_B,Im](Y_BEY_EE^-1)_Re+diag[V_B,Re](Y_BEY_EE^-1)_Im

式中，(*)_Re和(*)_Im分别是复数的实部和虚部，|*|为复数的幅值，Y_BE为电网节点导纳矩阵中行为边界节点和列为主动配电网节点的部分矩阵，Y_EE为电网节点导纳矩阵中行为主动配电网节点和列为主动配电网节点的部分矩阵，V_B为边界节点电压向量，V_E为主动配电网节点电压向量。

在步骤5)中，基于主动配电网中节点注入功率的半不变量数据以及近似线性关系计算得到边界节点等值注入功率的半不变量数据，其计算公式为：

式中，[*]°^v为矩阵的v阶哈达马积，E_P和E_Q是常系数矩阵，和分别是边界节点等值注入有功功率和无功功率的半不变量向量，和是主动配电网节点注入有功功率和无功功率的半不变量向量。

在步骤6)中，根据边界节点等值注入功率的半不变量数据得到主动配电网的概率等值模型：其中，一阶半不变量为随机变量的期望，二阶半不变量为随机变量的方差，三阶及三阶以上的半不变量也包含了随机变量的概率信息，因此能够基于边界节点等值注入功率的半不变量数据，以内网边界注入的形式构建主动配电网概率等值模型，保持潮流一致性以及概率特性一致性。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明首次实现了考虑新能源随机性的主动配电网建模，突破传统电网等值建模忽略随机性的缺点。

2、本发明首次实现了考虑新能源的相关性的主动配电网建模，突破传统电网等值建模忽略相关性的缺点。

3、本发明提出的等值建模工作可以由主动配电网的运营商独立完成，保证了输配电运行的独立性，保证了数据的隐私性。

4、本发明使用半不变量作为纽带实现考虑新能源随机性的主动配电网建模，不仅保证了输电网潮流等值前后的一致性，而且也保证了主动配电网概率特性等值前后的一致性。

5、本发明方法在输电网的静态安全分析、潮流计算、最优潮流计算等应用具有广泛的使用空间，模型简单、适应性强，在提高输电网分析效率上有广阔前景。

附图说明

图1为本发明逻辑流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模方法，包括以下步骤：

1)获取主动配电网的运行数据，包括线路阻抗、线路对地电容电纳、母线对地电容电纳、配电网拓扑关系和变压器阻抗。

2)获取主动配电网中节点负荷的半不变量数据，包括以下步骤：

2.1.1)建立节点负荷的正态分布模型；

2.1.2)根据节点负荷的正态分布模型计算半不变量：

式中，为节点有功负荷的v阶半不变量向量，μ_Pl为节点有功负荷正态分布的期望值向量，为节点有功负荷正态分布的方差向量，为节点无功负荷的v阶半不变量向量，μ_Ql为节点无功负荷正态分布的期望值向量，为节点无功负荷正态分布的方差向量，0为以0为元素的向量。

获取主动配电网中节点新能源发电的半不变量数据，包括以下步骤：

2.2.1)根据新能源发电的特点，分别建立光照辐射的贝塔分布模型以及风速的威布尔分布模型；

2.2.2)根据风速相关性以及光照辐射相关性分别得到对应于风速的高斯Copula函数的累积分布函数以及对应于光照辐射的高斯Copula函数的累积分布函数；

2.2.3)对步骤2.2.2中得到的累积分布函数进行采样，获得具有相关性的样本；

2.2.4)基于2.2.3中具有相关性的样本，光照辐射的贝塔分布模型以及风速的威布尔分布模型，采用累积分布函数的逆变换，分别得到光照辐射和风速的相关性样本；

2.2.5)根据光照辐射与光伏电站出力之前的函数转换关系，得到光伏电站的出力样本，根据风速与风电场出力之前的函数转换关系，得到风电场的出力样本；

2.2.6)计算光伏电站的出力的各阶原点矩和风电场的出力的各阶原点矩：

式中，x_ji为节点i光伏出力或者风电出力样本，N为样本数，j为样本的索引，为节点i光伏出力或者风电出力的v阶原点矩；

2.2.7)根据原点矩与半不变量之间的转换关系得到主动配电网中节点新能源发电的半不变量数据：

γ⁽¹⁾＝a₁

式中，γ^(v)为v阶半不变量，a_v为v阶原点矩，为v个不同元素中取出j个元素的组合数。

3)计算主动配电网节点注入功率的半不变量数据

根据半不变量的可加性，将节点新能源发电的半不变量与节点负荷的半不变量相加得到主动配电网节点注入功率的半不变量数据。

4)基于电力系统的节点电压方程，获取主动配电网节点注入功率与边界节点等值注入功率间的近似线性关系：

ΔP_B＝E_PP_E+E_QQ_E

ΔQ_B＝-E_QP_E+E_PQ_E

式中，ΔP_B为边界节点等值注入有功功率向量，ΔQ_B为边界节点等值注入无功功率向量，P_E为主动配电网节点注入有功功率向量，Q_E为主动配电网节点注入无功功率向量，E_P和E_Q是常系数矩阵，它们可由下式计算得到：

E_P＝C_B1diag[|V_E|]^-2V_E,Re+C_B2diag[|V_E|]^-2V_E,Im

E_Q＝C_B1diag[|V_E|]^-2V_E,Im-C_B2diag[|V_E|]^-2V_E,Re

C_B1＝diag[V_B,Re](Y_BEY_EE^-1)_Re-diag[V_B,Im](Y_BEY_EE^-1)_Im

C_B2＝diag[V_B,Im](Y_BEY_EE^-1)_Re+diag[V_B,Re](Y_BEY_EE^-1)_Im

式中，(*)_Re和(*)_Im分别是复数的实部和虚部，|*|为复数的幅值，Y_BE为电网节点导纳矩阵中行为边界节点和列为主动配电网节点的部分矩阵，Y_EE为电网节点导纳矩阵中行为主动配电网节点和列为主动配电网节点的部分矩阵，V_B为边界节点电压向量，V_E为主动配电网节点电压向量。

5)基于主动配电网中节点注入功率的半不变量数据以及近似线性关系计算得到边界节点等值注入功率的半不变量数据，其计算公式为：

式中，[*]°^v为矩阵的v阶哈达马积，E_P和E_P是常系数矩阵，和分别是边界节点等值注入有功功率和无功功率的半不变量向量，和是主动配电网节点注入有功功率和无功功率的半不变量向量。

6)根据边界节点等值注入功率的半不变量数据得到主动配电网的概率等值模型：其中，一阶半不变量为随机变量的期望，二阶半不变量为随机变量的方差，三阶及三阶以上的半不变量也包含了随机变量的概率信息，因此可以基于边界节点等值注入功率的半不变量数据，以内网边界注入的形式构建主动配电网概率等值模型，保持潮流一致性以及概率特性一致性。

综上所述，在采用以上方案后，本发明为考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模提供了新的方法，突破传统等值建模方法没有考虑新能源的随机性以及相关性的问题。该方法以半不变量为纽带，基于电力系统节点电压方程，建立主动配电网的概率等值模型，有效提高了输电网的分析效率，也能应用在输配电独立运行的场景，具有实际推广价值，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。