一种主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法

摘要

本发明公开一种主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法，所述划分策略研究方法具体包括以下步骤：输入基础数据，构建配电网系统内各元素出力模型；构建减少区域自治电网间的交互作用最小化目标函数；根据区域自治电网成功孤岛运行的条件，构建最大化成功运行能力的目标函数；根据区域自治电网电压约束、线路容量约束、以及储能功率约束，构建配电网中区域自治电网优化划分模型；提出回溯搜索优化算法作为优化区域自治电网划分边界的求解算法。本发明计及风光等出力随机性和不确定性，制定配电网中区域自治电网的优化划分策略，确定各区域自治电网最佳虚拟边界，实现配电网的安全可靠运行和灵活控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种配电网优化划分领域，具体是一种主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法。

背景技术

经济社会的可持续发展离不开充足的能源供应，配电网作为电网传递能量的重要一环，正面临着安全性、可靠性、电能质量等方面的新挑战。近年来，新能源、分布式发电、智能微电网等快速发展，应用区域自治电网这一技术，以经济高效的方式提高配电网的运行可靠性和灵活性，被视为理想解决方案之一。

区域自治电网是包括多种能源和负载的小型电网，是配电网的特殊组成部分，当区域自治电网所连接的大电网发生意外时，区域自治电网能快速隔离并独立运行，这一重要特征有助于增强配电网的可靠运行能力，同时，将集中式网络转变为多个区域自治电网更有助于提升配电网的操作和控制能力，具有重要的现实意义。

目前，区域自治电网的设计、控制和操作仍然具有挑战性，因此，本发明提供了一种主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法，讨论了将主动配电网络划分为区域自治电网的最佳设计方法，提出了一个综合目标，该目标考虑了每个区域自治电网在并网运行时与其他区域自治电网的交互作用最小，且在需要时能成功孤岛运行的必要条件，最大化划分后区域自治电网的自给自足性和灵活性，实现配电网的安全可靠运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法，考虑到划分后每个区域自治电网在并网运行中与其他区域自治电网的交互作用最小且在需要时成功孤岛运行的必要条件，以最大化区域自治电网自给自足运行能力和成功孤岛运行概率为目标函数构建优化划分模型，加入区域自治电网电压约束、线路容量约束、以及储能功率约束，确定区域自治电网最佳分区，提升配电网系统的可靠性与灵活性，该方法具有能够考虑区域自治电网对配电网可靠运行能力的影响、实现配电网分区控制的特点。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法，所述划分策略研究方法具体包括以下步骤：

步骤(1.1)：输入一年中四个季节的基础数据，构建光伏(PV)、风机(WT)出力概率模型；

步骤(1.2)：为确保区域自治电网并网运行模式下自治运行，构建减少区域自治电网间的交互作用最小化目标函数；

步骤(1.3)：根据区域自治电网成功孤岛运行的条件，构建最大化成功运行能力的目标函数；

步骤(1.4)：根据区域自治电网电压约束、线路容量约束、以及储能功率约束，构建配电网中区域自治电网优化划分模型；

步骤(1.5)：提出回溯搜索优化算法作为优化区域自治电网划分边界的求解算法。

进一步地，所述步骤(1.1)中，构建配电网系统内各元素出力模型，具体步骤如下：

步骤一:收集一年中四个季节的基础数据；

步骤二:设定该配电系统中所有发电设备均被视为具有恒定功率的可控电源，构建配电系统内各元素概率模型；

其中分布式光伏(PV)、风机(WT)出力间歇性和随机性强，其出力概率模型具体叙述如下：

分布式光伏出力概率分布模型可结合太阳辐射概率分布模型和光伏电池整体模型推导得到，太阳光照强度看成Beta分布，其概率密度函数如下：

式中，r

可以推导出分布式光伏输出有功出力的概率密度函数如下所示：

式中，P

分布式风电出力概率分布模型可结合风速概率分布模型推导得到，风速看成Rayleigh分布，其概率密度函数如下：

式中，V为风速；σ为分布参数；

根据风电机组出力P和风速V之间的函数：

式中，v

式中，δ是为了解决风电概率密度函数不连续而引入的Dirac Delta函数；

无功源设备被视为提供恒定的无功功率；储能设备在用电高峰时段(即放电时段)被视为发电机，在非高峰时段(即充电时段)被视为负载；

步骤三：将概率密度函数分为不同状态，不同状态对应着不同的概率δ

进一步地，所述步骤(1.2)中，区域自治电网在并网运行模式下自治运行的目标函数，旨在最大程度地减少在并网运行模式期间，划分后的各区域自治电网间的相互影响，以区域自治电网间交互作用即连接区域自治电网的线路中的有功(P)和无功(Q)功率流最小化为目标函数，这是朝着自治运行迈出的关键一步，其具体叙述如下：

MinF

(9)

0≤K

(10)

式中，P

式中，N

进一步地，所述步骤(1.3)中，判断划分后的区域自治电网在孤岛运行模式下能否成功运行，主要取决于是否有足够的有功、无功资源来支撑区域自治电网内重要负载，以及是否能将区域自治电网内各线路的频率和电压维持在可接受的偏差范围内。另一个基本要求是，区域自治电网内60％以上的功率出力需来自可控DG，具体如下：

P

(13)

Q

(14)

P

(15)

式中，P

基于此，提出衡量每个区域自治电网是否能成功运行的指标IND

式中，IND

进一步地，所述步骤(1.4)中，考虑将配电网划分为区域自治电网有助于提升配电网的供电可靠性与灵活性，构建配电网中区域自治电网优化划分模型，实现并网模式下各区域自治电网自治运行，并在发生意外时成功进入孤岛运行模式，具体叙述如下所示：

以最大程度地提高区域自治电网的自治运行能力以及孤岛运行能力为目标，结合目标函数F

MinF

(20)

0≤a,b≤1,a+b＝1

(21)

式中，根据区域自治电网要求设置权重参数a、b；

该模型所述的区域自治电网电压约束、线路容量约束、以及储能功率约束具体叙述如下所示：

1)、电压约束：

区域自治电网中所有线路电压应保持在规定范围内。

|V

(22)

式中，V

2)、线路容量约束：

区域自治电网中每条线路的潮流受最大容量的限制，以确保不发生过载：

|I

(23)

式中，I

3)、储能(ESU)功率约束：

对每个区域自治电网，任意状态下储能单元产生的有功功率之和需小于总有功负荷需求：

式中，

进一步地，所述步骤(1.5)中，回溯搜索优化算法作为优化区域自治电网划分边界的求解算法，控制变量为各节点间虚拟割线，包括如下步骤：

步骤一，初始化种群矩阵P：

P

(25)

式中，i＝1,2,3,…,N；j＝1,2,3,…,D；N为种群数量；D为问题维度；U为均匀分布；min、max分别为虚拟割线变量的最小值和最大值限制；

步骤二，随机生成虚拟割线的历史种群矩阵oldP：

每次迭代开始，oldP矩阵是随机排列的，初始历史种群矩阵oldP定义如下：

oldP

(26)

步骤三，排列矩阵oldP：

确定oldP后，利用如下式子随机改变oldP中个体的顺序：

oldP＝permuting(oldP)

(27)

式中，permutng函数为一个随机变换函数；

步骤四，突变交叉过程：

矩阵oldP用于评估搜索导向矩阵(oldP-P)。根据前几次迭代的经验，每一次迭代都会生成一个新的解集种群T，根据如下式子生成试验群体的初始形式：

T＝P+F×map×(oldP-P)

(28)

式中，变量F控制搜索导向矩阵(oldP-P)的幅度；map是一个随机生成的二进制整数矩阵，矩阵大小为(N×D)，矩阵map决定T中要进行操作的元素，负责了交叉过程；

步骤五，进行边界检查：

在突变交叉过程结束时获得的试验群体中一些个体可能会溢出允许的搜索空间限制；

步骤六，根据最小化的目标选择全局最小值，即得到了各区域自治电网的虚拟边界，完成了优化划分。

本发明的有益效果：

1、本发明划分策略研究方法考虑到划分后每个区域自治电网在并网运行中与其他区域自治电网的交互作用最小且在需要时成功孤岛运行的必要条件，以最大化区域自治电网自给自足运行能力和成功孤岛运行概率为目标函数构建优化划分模型，加入区域自治电网电压约束、线路容量约束、以及储能功率约束，确定区域自治电网最佳分区，提升配电网系统的可靠性与灵活性；

2、本发明划分策略研究方法具有能够考虑区域自治电网对配电网可靠运行能力的影响、实现配电网分区控制的特点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法的流程图；

图2是本发明中回溯搜索优化算法流程图；

图3是本发明实施案例中的PG&E69节点配电系统结构示意图；

图4是本发明实施案例中的分布式电源安装位置及容量示意图；

图5是本发明主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法优化得到的区域自治电网划分设计示意图；

图6是本发明主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法优化得到的区域自治电网划分设计示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤(1.1)：输入一年中四个季节的基础数据，构建光伏(PV)、风机(WT)等出力概率模型：

构建配电网系统内各元素出力模型，具体步骤如下：

步骤一，收集一年中四个季节的基础数据。

步骤二，假设该配电系统中所有发电设备均被视为具有恒定功率的可控电源，构建配电系统内各元素概率模型。

分布式光伏、风电出力间歇性和随机性强，其出力概率模型具体叙述如下：

分布式光伏出力概率分布模型可结合太阳辐射概率分布模型和光伏电池整体模型推导得到。

太阳光照强度可以近似看成Beta分布，其概率密度函数如下：

式中，r

根据光伏阵列出力P和光照强度r之间的函数：

可以推导出分布式光伏输出有功出力的概率密度函数如下所示：

式中，P

分布式风电出力概率分布模型可结合风速概率分布模型推导得到。风速可以近似看成Rayleigh分布，其概率密度函数如下：

式中，V为风速；σ为分布参数。

根据风电机组出力P和风速V之间的函数：

式中，v

可以推导出分布式风电机组输出有功出力的概率密度函数如下所示：

式中，δ是为了解决风电概率密度函数不连续而引入的Dirac Delta函数。

无功源设备被视为提供恒定的无功功率；储能设备在用电高峰时段(即放电时段)被视为发电机，在非高峰时段(即充电时段)被视为负载。

步骤三，将概率密度函数分为不同状态，不同状态对应着不同的概率δ

步骤(1.2)：为确保区域自治电网并网运行模式下自治运行，构建减少区域自治电网间的交互作用最小化目标函数：区域自治电网在并网运行模式下自治运行的目标函数，旨在最大程度地减少在并网运行模式期间，划分后的各区域自治电网间的相互影响，以区域自治电网间交互作用即连接区域自治电网的线路中的有功(P)和无功(Q)功率流最小化为目标函数，这是朝着自治运行迈出的关键一步，其具体叙述如下：

MinF

(9)

0≤K

(10)

式中，P

式中，N

步骤(1.3)：根据区域自治电网成功孤岛运行的条件，构建最大化成功运行能力的目标函数：

判断划分后的区域自治电网在孤岛运行模式下能否成功运行，主要取决于是否有足够的有功、无功资源来支撑区域自治电网内重要负载，以及是否能将区域自治电网内各线路的频率和电压维持在可接受的偏差范围内。另一个基本要求是，区域自治电网内60％以上的功率出力需来自可控DG，具体如下：

P

(13)

Q

(14)

P

(15)

式中，P

基于此，提出衡量每个区域自治电网是否能成功运行的指标IND

式中，IND

步骤(1.4)：根据区域自治电网电压约束、线路容量约束、以及储能功率约束，构建配电网中区域自治电网优化划分模型：

考虑将配电网划分为区域自治电网有助于提升配电网的供电可靠性与灵活性，构建配电网中区域自治电网优化划分模型，实现并网模式下各区域自治电网自治运行，并在发生意外时成功进入孤岛运行模式，具体叙述如下所示：

以最大程度地提高区域自治电网的自治运行能力以及孤岛运行能力为目标，结合目标函数F

MinF

0≤a,b≤1,a+b＝1 (21)

式中，根据区域自治电网要求设置权重参数a、b。

该模型所述的区域自治电网电压约束、线路容量约束、以及储能功率约束具体叙述如下所示：1)、电压约束：

区域自治电网中所有线路电压应保持在规定范围内。

|V

式中，V

2)、线路容量约束：

区域自治电网中每条线路的潮流受最大容量的限制，以确保不发生过载。

|I

式中，I

3)、储能(ESU)功率约束：

对每个区域自治电网，任意状态下储能单元产生的有功功率之和需小于总有功负荷需求。

式中，

步骤(1.5)：提出回溯搜索优化算法作为优化区域自治电网划分边界的求解算法：

回溯搜索优化算法作为优化区域自治电网划分边界的求解算法，控制变量为各节点间虚拟割线，包括如下步骤：

步骤一，初始化种群矩阵P：

P

式中，i＝1,2,3,…,N；j＝1,2,3,…,D；N为种群数量；D为问题维度；U为均匀分布；min、max分别为虚拟割线变量的最小值和最大值限制。

步骤二，随机生成虚拟割线的历史种群矩阵oldP。

每次迭代开始，oldP矩阵是随机排列的。初始历史种群矩阵oldP定义如下：

oldP

步骤三，排列矩阵oldP。

确定oldP后，利用如下式子随机改变oldP中个体的顺序：

oldP＝permuting(oldP) (27)

式中，permutng函数为一个随机变换函数。

步骤四，突变交叉过程。

矩阵oldP用于评估搜索导向矩阵(oldP-P)。根据前几次迭代的经验，每一次迭代都会生成一个新的解集种群T。根据如下式子生成试验群体的初始形式：

T＝P+F×map×(oldP-P) (28)

式中，变量F控制搜索导向矩阵(oldP-P)的幅度；map是一个随机生成的二进制整数矩阵，矩阵大小为(N×D)，矩阵map决定T中要进行操作的元素，负责了交叉过程。

步骤五，进行边界检查。

在突变交叉过程结束时获得的试验群体中一些个体可能会溢出允许的搜索空间限制。

步骤六，根据最小化的目标选择全局最小值，即得到了各区域自治电网的虚拟边界，完成了优化划分。

实施例1

本发明提出的一种主动配电网中区域自治电网的划分策略研究方法是一种混合整数非线性规划模型，提出回溯搜索优化算法作为区域自治电网虚拟边界的求解算法，回溯搜索优化算法的求解流程图如图2所示。

本发明考虑到划分后每个区域自治电网在并网运行中与其他区域自治电网的交互作用最小且在需要时成功孤岛运行的必要条件，以最大化区域自治电网自给自足运行能力和成功孤岛运行概率为目标函数构建优化划分模型，加入区域自治电网电压约束、线路容量约束、以及储能功率约束，确定区域自治电网最佳分区，提升配电网系统的可靠性与灵活性。

在本发明实施例中，采用了图3所示PG&E69节点配电系统。该系统中，能源生产设备包括燃气轮机、光伏、风机等，能源存储和转换设备主要包括蓄电池，各设备容量和接入位置如图4所示。下面对本发明实施例的仿真结果进行说明。

设置目标函数F3中参数的值为a＝b＝0.5，将配电网划分为不同数量的区域自治电网，最佳虚拟边界和各目标函数值如图5所示。随着划分区域数量的增多，总目标函数值增大。图6具体展示了将配电网划分为9个区域自治电网时所设计的分区边界情况。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。