综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法及装置

摘要

本发明公开一种综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法及装置，方法包括以下步骤：步骤一、建立用户自治区域的自律控制模型；步骤二、建立村级区域的自律调控模型；步骤三、对乡镇区域进行全局协调优化控制，具体如下：基于村级区域的可调节容量，以乡镇区域整体能源优化为目标给出各村级区域的关口功率控制优化曲线，并下发到各村级区域。通过镇级、村级、用户级之间的信息迭代交互，形成用户‑村‑乡镇互补协同优化调控，最终，满足乡镇多能源系统分区内多能自律互补，从而实现了乡镇多能源系统的“用户级‑村级‑乡镇级”的分区内自律互补、分层间协同控制运行。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统协同运行技术领域，尤其涉及综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法及装置。

背景技术

随着《“十四五”规划》的实施，乡村振兴成为国家发展的重中之重，鼓励乡镇因地制宜，实施传统能源与风能、太阳能、沼气能、生物质能等能源的协同开发利用，协同规划布局电力、热力、供冷等基础设施，通过乡镇综合能源系统实现多能互补互济，为乡镇提供高效智能的能源开发供应。

但是在碳达峰、碳中和的大时代背景下，乡镇配网可靠性薄弱且投资效益不佳，丰富的分布式水、光、地热、沼气等清洁能源因缺乏合理的调控手段，资源浪费严重等问题亟需解决，使得乡镇能源供用能方式不合理严重制约了乡村振兴发展战略的推进和实施。

因此，亟需一种综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法及装置。

发明内容

本发明提供综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法及装置，用于至少解决上述技术问题之一。

第一方面，本发明提供一种综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法，方法包括以下步骤：步骤一、建立用户自治区域的自律控制模型，并以村级区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以用户自治区域内可再生能源无功电压控制能力为不等式约束，以及以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为优化目标，综合协同控制用户自治区域内的分布式储能及分布式能源，其中，所述以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为优化目标的函数表达式为：

第二方面，本发明提供一种综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制装置，装置包括：用户自治区域控制模块，配置为建立用户自治区域的自律控制模型，并以村级区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以用户自治区域内可再生能源无功电压控制能力为不等式约束，以及以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为优化目标，综合协同控制用户自治区域内的分布式储能及分布式能源，其中，所述以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为优化目标的函数表达式为：

第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法的步骤。

第四方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行本发明任一实施例的综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法的步骤。

本申请的综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法及装置，采用对综合能源系统进行综合权衡，对各级调控方案进行修正，通过镇级、村级、用户级之间的信息迭代交互，形成用户-村-乡镇互补协同优化调控，最终，满足乡镇多能源系统分区内多能自律互补，从而实现了乡镇多能源系统的“用户级-村级-乡镇级”的分区内自律互补、分层间协同控制运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供一个具体实施例的用户-村-乡镇分区自治与互补协同关系的示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制装置的结构框图；

图4是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其示出了本申请的一种综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制方法的流程图。

如图1所示，在步骤一中，建立用户自治区域的自律控制模型，并以村级区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以用户自治区域内可再生能源无功电压控制能力为不等式约束，以及以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为优化目标，综合协同控制用户自治区域内的分布式储能及分布式能源。

本实施例的方法，以用户自治区域分布式能源功率和分布式储能系统充放电功率为约束，并且基于用户自治区域可再生能源无功电压控制能力，综合协调控制电、冷、热负荷资源，实现多种能源相互转化，有效降低供能和用能双侧随机因素的影响，提高能源利用效率。以及建立满足用户自治区域内部能源调节，间歇式能源在用户自治区域内部消纳，实现用户自治区域自发自用、余额外送的自律控制模型。

具体地，综合协同控制用户自治区域内的分布式储能及分布式能源包括以下步骤：

1.1、分布式能源功率和储能系统约束

通过配电网进行并网的分布式能源一般分为两类。一类为光伏电池板、风电机组等间歇式能源，其出力由额定功率及光照、气温、风力、风向、气压等气象条件决定，虽然部分间歇式分布式能源可以通过改变运行点达到调节输出功率的目的，但一般认为光伏与风力等间歇式能源运行于最大功率输出点处；另一类分布式电源，如微型燃气轮机（沼气发电）、小型水电站等，其输出功率处于机组额定功率与机组的最小运行功率之间，在该容量范围内机组可以连续调节控制。对于上述分布式能源，其出力的约束条件为：

式中，

在村级电网全局优化开始时，用户控制中心根据当前其内部分布式储能系统运行状态计算其可输出和吸收功率，不仅需要满足储能系统充放电额定功率的约束，同时应保证控制周期结束时储能系统SOC水平满足要求。

1.2、计算区域内无功电压控制能力

A.用户自治区域内无功电压调节能力

对于用户自治区域内部和各个可调分布式能源i，其无功功率

特殊的，对于风力发电等集群式分布式能源：

式中，

B.基于无功调节能力确定无功电压控制能力

a.建立分布式能源无功电压控制可参与度指标P；

b.建立多个影响分布式能源无功电压控制可参与度的下级指标：电压波动

c.根据各下级指标按照式(4)和式(5)进行无功电压控制能力计算：

式中，

1.3、自律优化控制

用户自治区域无功控制指令在有调节能力的间歇式能源间按无功裕度比例和无功电压控制可参与度分配，用户自治区域内无功电压控制任务最终由场内可控间歇式能源合力来完成，区域内无功的分配可按照分布式能源无功裕度比例和无功电压控制可参与度进行。

由于执行全局优化后各区域出口电压幅值可能发生变化，因此用户自治区优化控制计算应考虑电压幅值的变化范围，本方法中电压范围取值基于无功电压控制能力给定且不超过安全范围。

各用户以村级下发的关口功率控制优化曲线为等式约束条件，以电源功率和无功电压控制能力为不等式约束，取相应的目标为优化目标，进行最优化计算，并对用户内分布式储能及分布式能源实施控制，步骤如下：

1.31、以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为自律控制的目标函数：

式中，

1.32、用户自治区以村级优化后下发的优化曲线为等式约束

式中，

1.33、用户自治区域自律优化控制的不等式约束

式中，

1.34、综合协调控制自治区域内电、冷、热负荷资源，实现自治区域内多种能源形态在合适的时间和空间约束中相互转化，进行用户自治区自律控制计算。

在步骤二中，建立村级区域的自律调控模型，并以乡镇区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以各个用户自治区域的可调度容量为不等式约束，以及以村级区域发电成本和分布式能源在至少一个村级区域的高消纳率为优化目标，给出各用户自治区域的关口功率控制优化曲线，并综合协同控制各村级区域的分布式能源。

本实施例的方法，根据各个用户自治区域的可调度容量，并基于村级区域内可再生能源无功电压控制能力，以村级区域的优化为目标，并以乡镇区域下发的关口功率控制优化曲线为约束条件，综合协同控制各村级区域分布式能源，通过用户自治区域间的功率互动，实现村级区域能源优化调度配置。以及建立满足村级分布式能源在村级区域内或多个用户个体间高效消纳的优化自律控制模型。

具体地，各村级区域根据乡镇配电网下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，各个用户自治区域的可调容量为不等式约束，以村级的优化为目标，给出各用户自治区域的优化目标曲线，并对分布式储能及可控电源实施控制，步骤如下：

2.1、以村级区域发电成本和分布式能源在村级区域或多个村级区域间内部高消纳率为自律优化控制的目标函数：

式中，

2.2、村级区域单元以乡镇优化后下发的优化曲线为等式约束

式中，

2.3、村级区域单元自律优化控制的不等式约束，与用户自治区域自律优化控制的不等式约束基本相同，只是区别在于关口节点变换为村级区域的关口节点。

2.4、综合协同控制各村级区域分布式能源，通过分区间的功率互动，实现能源优化调度配置，进行村级区域单元的自律控制和下属各用户自治区域关口的优化曲线计算。

在步骤三中，对乡镇区域进行全局协调优化控制，具体如下：基于村级区域的可调节容量，以乡镇区域整体能源优化为目标给出各村级区域的关口功率控制优化曲线，并下发到各村级区域。

本实施例的方法，基于村级区域的可调节容量，以乡镇区域整体能源优化为目标给出各村级区域的关口功率控制优化曲线，并下发到各村级区域，能够实现乡镇区域内清洁能源就地消纳，满足区域内100%能源需求。

具体地，镇配网优化根据可调度容量，以整个乡镇配网的优化为目标给出各村级关口的优化曲线，并下发到各村级区域优化模块，步骤如下：

3.1、以全局经济最优为优化的目标函数；

3.2、以满足各用户群体的用能需求为全局优化的等式约束条件；

3.3、以村级区域的可调度容量为全局优化的不等式约束条件；

3.4、采用二阶锥优化方法，将非凸优化模型通过二阶锥松弛技术转化为具有凸可行域的最优化问题，进行各村级区域的关口功率控制优化曲线的计算；

3.5、将各村级区域的关口功率控制优化曲线下发到各村级区域。

综上描述，建立基于用户自治区域、村级区域和乡镇区域的不同层级之间的信息迭代交互机制，综合用户自治区域的自律控制模型、村级区域的自律调控模型以及乡镇全局协调优化控制，基于乡镇电网实时运行状态，镇域气象参数、功率预测和负荷预测数据等信息，进行乡镇范围内的能源优化配置，并采用乡镇综合能源系统短时间尺度的滚动调度修正方法，从系统整体进行综合权衡，对各级调控方案进行修正，通过镇级、村级、用户级之间的信息迭代交互，形成用户-村-乡镇互补协同优化调控，最终，满足乡镇多能源系统分区内多能自律互补，“用户级-村级-乡镇级”全局协同控制运行。

请参阅图2，其示出了本申请的一个具体实施例的用户-村-乡镇分区自治与互补协同关系的示意图。

如图2所示，包括乡镇级与村级的自律协调控制以及村级与用户的自律协调控制，其中，乡镇级与村级的自律协调控制流程具体如下：

对乡镇级以35kv和10kv作为划分单元，将乡镇级电网划分为村级自治区；

获取各村级自治区可调容量和无功电压控制能力并上报给乡镇级控制中心；

乡镇级区域依据各村级自治区上报的村级可调容量依据特定的优化目标进行乡镇级全局优化，并将优化的关口功率控制优化曲线下发至各村级区域；

各村级自治区以乡镇级下发的关口功率控制优化曲线为约束条件，以各自的目标函数进行自律优化，并下发指令调整区域内可调分布式能源、储能系统、负荷以及向其他村级区域输送的功率。

村级与用户的自律协调控制流程具体如下：

在村级区域内将村级电网按照分段开关划分为用户自治区域；

获取各用户自治区域可调容量和无功电压控制能力并上报给村级控制中心；

村级区域依据各用户自治区域上报的用户可调容量依据特定的优化目标进行村级全局优化，并将优化的关口功率控制优化曲线下发至各用户自治区域区域；

各用户自治区域以村级下发的关口功率控制优化曲线为约束条件，以各自的目标函数进行自律优化，并下发指令调整区域内可调分布式能源、储能系统、负荷以及向其他用户自治区域输送的功率。

请参阅图3，其示出了本申请的一种综合能源系统的三级分区自治与互补协同控制装置的结构框图。

如图3所示，三级分区自治与互补协同控制装置200，包括用户自治区域控制模块210、村级区域控制模块220以及乡镇区域控制模块230.

其中，用户自治区域控制模块210，配置为建立用户自治区域的自律控制模型，并以村级区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以用户自治区域内可再生能源无功电压控制能力为不等式约束，以及以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为优化目标，综合协同控制用户自治区域内的分布式储能及分布式能源；村级区域控制模块220，配置为建立村级区域的自律调控模型，并以乡镇区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以各个用户自治区域的可调度容量为不等式约束，以及以村级区域发电成本和分布式能源在至少一个村级区域的高消纳率为优化目标，给出各用户自治区域的关口功率控制优化曲线，并综合协同控制各村级区域的分布式能源；乡镇区域控制模块230，配置为对乡镇区域进行全局协调优化控制，具体如下：基于村级区域的可调节容量，以乡镇区域整体能源优化为目标给出各村级区域的关口功率控制优化曲线，并下发到各村级区域。

应当理解，图3中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图3中的诸模块，在此不再赘述。

在另一些实施例中，本发明实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的三级分区自治与互补协同控制方法；

作为一种实施方式，本发明的非易失性计算机存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：

建立用户自治区域的自律控制模型，并以村级区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以用户自治区域内可再生能源无功电压控制能力为不等式约束，以及以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为优化目标，综合协同控制用户自治区域内的分布式储能及分布式能源；

建立村级区域的自律调控模型，并以乡镇区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以各个用户自治区域的可调度容量为不等式约束，以及以村级区域发电成本和分布式能源在至少一个村级区域的高消纳率为优化目标，给出各用户自治区域的关口功率控制优化曲线，并综合协同控制各村级区域的分布式能源；

对乡镇区域进行全局协调优化控制，具体如下：基于村级区域的可调节容量，以乡镇区域整体能源优化为目标给出各村级区域的关口功率控制优化曲线，并下发到各村级区域。

非易失性计算机可读存储介质可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据三级分区自治与互补协同控制装置的使用所创建的数据等。此外，非易失性计算机可读存储介质可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，非易失性计算机可读存储介质可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至三级分区自治与互补协同控制装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

本发明实施例还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述任一项三级分区自治与互补协同控制方法。

图4是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图4所示，该设备包括：一个或多个处理器310以及存储器320，图4中以一个处理器310为例。电子设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通过总线或者其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。存储器320为上述的非易失性计算机可读存储介质。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例三级分区自治与互补协同控制方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与三级分区自治与互补协同控制装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。

上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。

作为一种实施方式，上述电子设备应用于三级分区自治与互补协同控制装置中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：

建立用户自治区域的自律控制模型，并以村级区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以用户自治区域内可再生能源无功电压控制能力为不等式约束，以及以用户供能成本和间歇式能源区域内部高消纳率为优化目标，综合协同控制用户自治区域内的分布式储能及分布式能源；

建立村级区域的自律调控模型，并以乡镇区域下发的关口功率控制优化曲线为等式约束，以各个用户自治区域的可调度容量为不等式约束，以及以村级区域发电成本和分布式能源在至少一个村级区域的高消纳率为优化目标，给出各用户自治区域的关口功率控制优化曲线，并综合协同控制各村级区域的分布式能源；

对乡镇区域进行全局协调优化控制，具体如下：基于村级区域的可调节容量，以乡镇区域整体能源优化为目标给出各村级区域的关口功率控制优化曲线，并下发到各村级区域。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：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。