配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法与系统与流程

本发明涉及电力电网技术领域，特别是涉及配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法与系统。

背景技术：

电力需求的持续增长、传统能源的短缺以及电力市场的开放正驱动电网朝高效、灵活、智能和可持续方式发展，以适应未来的技术需求。可持续性是未来电网的基础特征，其本质表现为分布式电源尤其是可再生能源的规模化接入与应用。

分布式发电近年来发展迅速，特别是光伏发电发展迅速，分布式光伏电源对配电网电压的影响将从两方面考虑。首先接入分布式电源后，在稳态情况下，会使得沿馈线的各负荷节点处的电压有所提高，甚至某些节点的电压会超过上限，对用户产生影响，但是分布式电源的退出，使得依靠分布式电源支撑的馈线电压下跌，带来电能质量问题，所以分布式电源接入配电网要进行调压。其次分布式电源接入后能在一定程度上改善配电网的无功不足，但是有些分布式电源不但不能提供无功功率，反而会消耗无功功率，所以分布式电源接入配电网也需要进行一定的无功补偿。

在实际运行中，配网电压还会受到负荷不断变动的影响，为了避免运行电压过高或过低，无功补偿不足或过剩，就必须在不同负荷水平下相应调整电压无功控制策略，以使配电网中的电压和无功功率得到合理控制和优化。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前尚无针对包含光伏电源的配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法的问题，提供一种配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法与系统。

一种配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法，应用于包含光伏电源的主动配电网，包括步骤：

获取所述主动配电网中光伏电源输出功率；

获取所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数；

获取主动配电网运行数据，确定主动配电网安全运行需满足的约束条件；

根据所述光伏电源输出功率、所述目标函数以及所述约束条件，构建主动配电网的电压无功多目标协同优化模型；

引入中间变量，将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，获得混合整数二阶锥规划模型；

求解所述混合整数二阶锥规划模型，获得决策变量的运行策略；

根据所述决策变量的运行策略，对主动配电网电压无功协同进行优化。

一种配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划系统，应用于包含光伏电源的主动配电网，包括：

输出功率获取模块，用于获取所述主动配电网中光伏电源输出功率；

目标函数获取模块，用于获取所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数；

约束条件确定模块，用于获取主动配电网运行数据，确定主动配电网安全运行需满足的约束条件；

模型构建模块，用于根据所述光伏电源输出功率、所述目标函数以及所述约束条件，构建主动配电网的电压无功多目标协同优化模型；

模型转换模块，用于引入中间变量，将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，获得混合整数二阶锥规划模型；

求解模块，用于求解所述混合整数二阶锥规划模型，获得决策变量的运行策略；

优化模块，用于根据所述决策变量的运行策略，对主动配电网电压无功协同进行优化。

本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法与系统，获取所述主动配电网中光伏电源输出功率，获取所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数，确定主动配电网安全运行需满足的约束条件，构建主动配电网的电压无功多目标协同优化模型，将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，求解所述混合整数二阶锥规划模型，获得决策变量的运行策略，并进行协同优化。整个过程中，基于光伏电源输出功率，考虑光伏电源出力的不确定性对配电网电压分布和无功潮流的影响机理，并且基于混合整数二阶锥规划的请求结果对配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划，能够确保优化的最优性和准确度，确保电力电网的安全运行。

附图说明

图1为本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法其中一个实施例的流程示意图；

图2为主动配电网系统结构示意图；

图3为本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法其中一个应用实施例的流程示意图；

图4为本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划系统其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

太阳能是一种巨量的可再生能源，在化石能源日益枯竭的世纪，光伏发电必将从太空能源、应急能源、军用能源、便携式能源、扶贫能源，最终发展成为最重要的、可再生的替代能源之一。随着光伏并网技术的发展，近年来越来越多的光伏电站并网运行，在向电网馈送电能的基础上，也具备了一定的无功调节和辅助服务能力。但是，太阳能光伏电源发电量与太阳照射强度有关，由于到达某一地面的太阳直接福射受气候、季节等因素的影响，所以太阳能光伏发电是不稳定的。光伏电源并网后，电网的稳定，安全，经济运行和供电质量等将会受到一定的影响。配电网中除了通过投切电容器调节电外，一般很少具有其他的动态无功调节设备，如果光伏电站所发电量比例较大，则由于其易变性将会使配电网线路中的潮流变化较大且极易波动，从而使得电网正常运行时的电压调整难度加大了，调节不好可能会使电正质量不合格。如果将大量的光伏电站接入到配电网的终端，配电网中将会产生反向潮流，这样由于反向潮流所产生的压降将可能使得负荷侧的电压越限。

在数学上，电压无功优化是典型的非线性规划问题，具有非线性、小连续、不确定因素较多等特点。对于电压无功优化的研究方法，传统的数学规划方法主要有非线性规划法和线性规划法等。采用常规算法求解电压无功优化问题时遇到的主要困难就是离散变量的归整问题和多峰多极值问题。二阶锥规划是在有限个二阶锥的笛卡尔乘积的仿射子空间的交集上最小化或最大化一个线性函数，即在非空尖凸锥导入偏序下，线性等式、线性不等式约束条件下的线性目标函数的问题。通过将复杂的优化模型转化成锥模型，可以把变量间复杂的关系以特殊结构的锥集表示，大大简化了原模型的求解，加快收敛速度。

基于上述实际应用情况以及科学理论依据，本发明提供一种配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法，应用于包含光伏电源的主动配电网，如图1所示，其具体包括步骤：

s100：获取所述主动配电网中光伏电源输出功率。

主动配电网中光伏电源输出功率可以从历史数据分析获得，或者从光伏发电监控中心直接获取，又或者，基于当前采集的到参数进行处理与计算获得。具体来说，光伏电源输出功率需考虑到各节点位于不同地理区域，由于各区域的环境温度、日照强度、日照时间、日照阴影、日照偏角等因素造成光伏电源出力存在不确定性于随机性。

s200：获取所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数。

具体来说，主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数f为：

f＝min(αf1+βf2)

式中，f1、f2分别为子目标1配电网有功网损和子目标2电压偏移最优值程度，α、β分别为两个子目标的权重系数，且α+β＝1。更进一步来说，目标函数的子目标f1、f2的计算步骤分别为：

1、子目标f1为配电网有功网损，计算公式为：

式中，vi为节点i的电压幅值，vj为节点j的电压幅值，θij为支路ij间的电压相位角度。

2、子目标f2为电压偏移最优值程度，计算公式为：

式中，vn为节点n电压幅值。

s300：获取主动配电网运行数据，确定主动配电网安全运行需满足的约束条件。

主动配电网运行数据具体可以包括节点上的负荷功率最大值和最小值sdi，分布式电源接入功率的最大值和最小值sdgi，无功补偿电容器组投切容量的最大值和最小值qcisdgi，储能设备吸放功率的最大值和最小值sdsi，外用用电设备(电动汽车)充放电功率的最大值和最小值sevi，电压幅值的最大值和最小值vi。更具体来说，电网安全运行需满足的约束条件为：

sdi+sdsi+sevi+lli＝sdgi+qci+sbi

s400：根据所述光伏电源输出功率、所述目标函数以及所述约束条件，构建主动配电网的电压无功多目标协同优化模型。

基于步骤s100获得的光伏电源输出功率，步骤s200获得的目标函数以及步骤s300确定的约束条件，构建主动配电网的电压无功多目标协同优化模型，考虑采用数学模型的方式来对主动配电网的电压无功多目标进行协同优化。

s500：引入中间变量，将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，获得混合整数二阶锥规划模型。

引入中间变量，将主动配电网的电压无功多目标协同优化模型求解的问题转换为混合整数二阶锥规划问题，由于二阶锥规划是在有限个二阶锥的笛卡尔乘积的仿射子空间的交集上最小化或最大化一个线性函数，即在非空尖凸锥导入偏序下，线性等式、线性不等式约束条件下的线性目标函数的问题。通过将复杂的优化模型转化成锥模型，可以把变量间复杂的关系以特殊结构的锥集表示，大大简化了原模型的求解。具体来说，可以引入中间变量，将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，将搜索空间限制在有限的凸锥范围内，获得混合整数二阶锥规划模型。更进一步来说，引入的中间变量为：

uij＝vivjsinθij

vij＝vivjcosθij。

式中，vi为节点i的电压幅值，vj为节点j的电压幅值，θij为支路ij间的电压相位角度。在这里引入中间变量之后，过二阶锥转换后主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数f'为：

f'＝min(αf1'+βf2')

式中，f1'和f2'分别为经过二阶锥转换后的子目标1配电网有功网损和子目标2电压偏移最优值程度。

s600：求解所述混合整数二阶锥规划模型，获得决策变量的运行策略。

对混合整数二阶锥规划模型求解，获得决策变量的运行策略。具体来说，决策变量的运行策略包括随光伏电源出力变化的无功补偿电容器组的投切容量qci、储能设备的吸放功率sdsi以及外部用电设备(电动汽车)的充放电功率sevi等。更具体来说，可以采用mosek7.1求解器利用分支定界-原对偶内点法来求解计算优化后的决策变量。

s700：根据所述决策变量的运行策略，对主动配电网电压无功协同进行优化。

本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法，获取所述主动配电网中光伏电源输出功率，获取所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数，确定主动配电网安全运行需满足的约束条件，构建主动配电网的电压无功多目标协同优化模型，将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，求解所述混合整数二阶锥规划模型，获得决策变量的运行策略，并进行协同优化。整个过程中，基于光伏电源输出功率，考虑光伏电源出力的不确定性对配电网电压分布和无功潮流的影响机理，并且基于混合整数二阶锥规划的请求结果对配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划，能够确保优化的最优性和准确度，确保电力电网的安全运行。

在其中一个实施例中，所述获取所述主动配电网中光伏电源输出功率的步骤包括：

步骤一：获取光伏电源所在地预设周期内各时段的相关环境数据信息，计算光伏电源中光伏发电板的槽温。

从公共气象数据平台获取光伏电源所在地一定周期内各时段的相关环境数据信息，即环境温度tai、平均光照辐射强度sai，计算光伏发电板的槽温tci为：

式中，tot为光伏发电板正常工作温度，单位为℃。

步骤二：获取光伏电源接入点的短路电流值，并根据所述光伏发电板的槽温和所述短路电流值，计算光伏发电板在当前环境条件下的工作电流。

从光伏发电监控中心获取光伏电源接入点的短路电流值isci,计算光伏发电板在该环境条件下的工作电流ipvi为：

ipvi＝sai[isci+ki(tci-25)]

式中，kii为电流温度系数，单位为a/℃。

步骤三：获取光伏电源接入点的开路电压值，并根据所述光伏发电板的槽温和所述开路电压值，计算光伏发电板在当前环境条件下的工作电压。

从光伏发电监控中心获取光伏电源接入点的开路电压值voci,计算光伏发电板在该环境条件下的工作电压vpvi为：

vpvi＝voci-kvi·tci

式中，kvi为电压温度系数，单位为v/℃。

步骤四：获取光伏发电板的最大功率点电流和最大功率点电压，根据光伏电源接入点的短路电流值、光伏电源接入点的开路电压值以及光伏发电板的最大功率点电流和最大功率点电压，计算光伏电源填充因数。

从光伏发电监控中心获取光伏发电板最大功率点电流imppi和光伏发电板最大功率点电压vmppi，计算光伏电源填充因数h为：

步骤五：根据光伏发电板在当前环境条件下的工作电流、光伏发电板在当前环境条件下的工作电压以及光伏电源填充因数，获取光伏电源输出功率。

根据光伏发电系统输出功率与环境因素之间的特征关系，采用光伏发电模型模拟的方法计算确定光伏发电系统输出功率ppv为：

ppv＝n·h·vpvi·ipvi

式中，n为光伏发电板的总光照面积。

为更进一步详细解释本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法的技术方案及其实现的效果，下面将采用一具体应用实例，并集合附图2以及附图3进行详细的说明。

如图2为主动配电网结构示意图，在图2中1为110kv变电站主变压器高压侧母线；2为主变压器高压侧功率；3为主变压器阻抗；4为主变压器低压侧功率；5为主变压器损耗；6为110kv变电站主变压器低压侧母线；7为主变压器低压侧母线的10kv侧有1条配电支线，其注入功率为；8为主变压器低压侧母线上接入的无功补偿电容器组；9为主变压器低压侧母线上接入的储能设备；10为主变压器低压侧母线上的负荷；11为主变压器低压侧母线上接入的分布式电源；12为主变压器低压侧母线上接入的电动汽车；13为10kv配电线路上的第i个节点；14为节点i上有1条配电支线，其注入功率为；15为节点i上接入的无功补偿电容器组；16为节点i上接入的储能设备；17为节点i上接入的负荷；18为节点i上接入的分布式电源；19为节点i上接入的电动汽车；20为配电线路ij的首端功率；21为配电线路ij上的线路损耗；22为配电线路ij的末端功率；23为配电线路末端。其中i＝1,2，…，n。

在具体应用实例中，主动配电网为10kv电压等级的配电系统，且由n个负荷节点组成，通过一条馈线与上一级变压器低压侧连接，假设第i个节点上的负荷功率、分布式电源接入功率、无功补偿电容器组的投切容量、储能设备的吸放功率、外部用电设备(电动汽车)的充放电功率、电压幅值分别为sdi、sdgi、qci、sdsi、sevi、vi。第i个节点上的负荷功率最大值和最小值分别为sdi，分布式电源接入功率的最大值和最小值分别为sdgi，无功补偿电容器组投切容量的最大值和最小值分别为qci，储能设备吸放功率的最大值和最小值分别为sdsi，电动汽车充放电功率的最大值和最小值别为sevi，电压幅值的最大值和最小值分别为vi。

如图3所示，在该具体应用实例中，本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法包括步骤：

s1、从公共气象数据平台获取光伏电源所在地一定周期内各时段的相关环境数据信息，即环境温度tai、平均光照辐射强度sai，计算光伏发电板的槽温tci为：

式中，tot为光伏发电板正常工作温度，单位为℃。

s2、从光伏发电监控中心获取光伏电源接入点的短路电流值isci,计算光伏发电板在该环境条件下的工作电流ipvi为：

ipvi＝sai[isci+ki(tci-25)]

式中，kii为电流温度系数，单位为a/℃。

s3、从光伏发电监控中心获取光伏电源接入点的开路电压值voci,计算光伏发电板在该环境条件下的工作电压vpvi为：

vpvi＝voci-kvi·tci

式中，kvi为电压温度系数，单位为v/℃。

s4、从光伏发电监控中心获取光伏发电板最大功率点电流imppi和光伏发电板最大功率点电压vmppi，计算光伏电源填充因数h为：

s5、根据光伏发电系统输出功率与环境因素之间的特征关系，采用光伏发电模型模拟的方法计算确定光伏发电系统输出功率ppv为：

ppv＝n·h·vpvi·ipvi

式中，n为光伏发电板的总光照面积。

s6、建立主动配电网电压无功多目标协同优化的目标函数。主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数f为：

f＝min(αf1+βf2)

式中，f1、f2分别为子目标1配电网有功网损和子目标2电压偏移最优值程度，α、β分别为两个子目标的权重系数，且α+β＝1。

s7、考虑电网安全运行需要满足的约束条件。电网安全运行需满足的约束条件为：

sdi+sdsi+sevi+lli＝sdgi+qci+sbi

s8、引入中间变量的计算。

引入的中间变量为：

uij＝vivjsinθij

vij＝vivjcosθij。

式中，vi为节点i的电压幅值，vj为节点j的电压幅值，θij为支路ij间的电压相位角度。

s9、引入中间变量之后，过二阶锥转换后主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数f'为：

f'＝min(αf1'+βf2')

式中，f1'和f2'分别为经过二阶锥转换后的子目标1配电网有功网损和子目标2电压偏移最优值程度。

s10、可以采用mosek7.1求解器利用分支定界-原对偶内点法来求解计算优化后的决策变量。包括随光伏电源出力变化的无功补偿电容器组的投切容量qci、储能设备的吸放功率sdsi以及外部用电设备(电动汽车)的充放电功率sevi。

具体来说，在其中一个应用实例中，本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划方法是一种基于混合整数二阶锥规划的配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划的方法，可以计算出在调度周期内，分布式电源环境下配电网中无功补偿电容器组的投切容量、储能设备的吸放功率、电动汽车的充放电功率。反映了环境温度、日照强度、日照时间、日照阴影、日照偏角等因素对光伏发电系统输出功率的影响机理，反映了分布式光伏发电系统出力的不确定性对配电网电压分布和无功潮流的影响机理，反映了混合整数二阶锥规划问题利用严格的数学理论进行建模，将搜索空间限制在有限的凸锥范围内，使其不仅能在有效的时间内对原问题的求解，还能保证所求解的最优性和精度，为电网安全运行和提高电能质量提供了一种可靠的运行策略。

如图4所示，一种配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划系统，应用于包含光伏电源的主动配电网，包括：

输出功率获取模块100，用于获取所述主动配电网中光伏电源输出功率。

目标函数获取模块200，用于获取所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数。

约束条件确定模块300，用于获取主动配电网运行数据，确定主动配电网安全运行需满足的约束条件。

模型构建模块400，用于根据所述光伏电源输出功率、所述目标函数以及所述约束条件，构建主动配电网的电压无功多目标协同优化模型。

模型转换模块500，用于引入中间变量，将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，获得混合整数二阶锥规划模型。

求解模块600，用于求解所述混合整数二阶锥规划模型，获得决策变量的运行策略。

优化模块700，用于根据所述决策变量的运行策略，对主动配电网电压无功协同进行优化。

本发明配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划系统，输出功率获取模块100获取所述主动配电网中光伏电源输出功率，目标函数获取模块200获取所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数，约束条件确定模块300确定主动配电网安全运行需满足的约束条件，模型构建模块400构建主动配电网的电压无功多目标协同优化模型，模型转换模块500将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，求解模块600求解所述混合整数二阶锥规划模型，获得决策变量的运行策略，优化模块700进行协同优化。整个过程中，基于光伏电源输出功率，考虑光伏电源出力的不确定性对配电网电压分布和无功潮流的影响机理，并且基于混合整数二阶锥规划的请求结果对配网电压无功协同优化的混合整数二阶锥规划，能够确保优化的最优性和准确度，确保电力电网的安全运行。

在其中一个实施例中，所述输出功率获取模块100包括：

槽温获取单元，用于获取光伏电源所在地预设周期内各时段的相关环境数据信息，计算光伏电源中光伏发电板的槽温。

工作电流计算单元，用于获取光伏电源接入点的短路电流值，并根据所述光伏发电板的槽温和所述短路电流值，计算光伏发电板在当前环境条件下的工作电流。

工作电压计算单元，用于获取光伏电源接入点的开路电压值，并根据所述光伏发电板的槽温和所述开路电压值，计算光伏发电板在当前环境条件下的工作电压。

填充因素计算单元，用于获取光伏发电板的最大功率点电流和最大功率点电压，根据光伏电源接入点的短路电流值、光伏电源接入点的开路电压值以及光伏发电板的最大功率点电流和最大功率点电压，计算光伏电源填充因数。

输出功率计算单元，用于根据光伏发电板在当前环境条件下的工作电流、光伏发电板在当前环境条件下的工作电压以及光伏电源填充因数，获取光伏电源输出功率。

在其中一个实施例中，所述模型转换模块500还用于引入中间变量，将构建的主动配电网的电压无功多目标协同优化模型进行锥转换，将搜索空间限制在有限的凸锥范围内，获得混合整数二阶锥规划模型。

在其中一个实施例中，所述求解模块600还用于通过分支定界-原对偶内点法，求解所述混合整数二阶锥规划模型，获得决策变量的运行策略。

在其中一个实施例中，所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数具体为：

f＝min(αf1+βf2)

式中，f为所述主动配电网的电压无功多目标协同优化的目标函数，f1为所述主动配电网的有功网损，f2为所述主动配电网中电压偏移最优值程度，α和β分别为预设权重系数，且α+β＝1。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。