三相不平衡主动配电网双时标分布式电压控制方法及系统与流程

1.本公开属于主动配电网电压控制技术领域，尤其涉及三相不平衡主动配电网双时标分布式电压控制方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.近年来，化石燃料的大量使用所造成的环境问题愈发严重，其本身也面临着储量堪忧的问题，因此，可再生清洁能源的开发和利用得到了广泛关注。基于光伏、风力等可再生能源的分布式电源的集成可以很好地缓解人类对化石燃料的依赖，在实现环境友好的同时，满足日益增长的电力需求。但随着越来越多分布式电源的接入，配电网面临着一系列新的技术和经济上的挑战，电压分布便是其中最值得注意的问题之一。因为，可再生能源的随机性和不确定性可能导致电压波动，同时，高比例新能源接入引起的反向潮流也可能导致严重的电压上升问题。
4.尽管国内外已经对电压控制进行了大量的研究，但其中大部分都基于三相平衡系统，依赖于单相等效模型，并不适用于三相不平衡系统。而由于不均匀的单相负载、非等边的导线间隔和不平衡电源等原因，配电网本身具有内在的不平衡性。现有的方法不能对不平衡系统的电压进行高效的控制。
5.同时，随着分布式系统在配电网中的日益普及，传统的集中式控制方法存在的一些重大缺陷暴露出来。首先，分布式电源、可控负载等设备的大规模接入，使中央控制器和通信网络需要收集和处理的信息大大增加，容易导致系统的故障。其次，由于集中式方法需要收集整个系统的数据，分布式电源的隐私信息很难得到保护，可能会给其所有者带来麻烦。
6.配电网中的电压控制装置具有不同的时间特性，应当在不同的时间尺度上协调运行，但现有的控制方法大多是在同一时间尺度下设计的，经济性有待提高，不平衡主动配网缺少经济高效的分布式电压控制策略。


技术实现要素：

7.为克服上述现有技术的不足，本公开提供了三相不平衡主动配电网双时标分布式电压控制方法，能够实现在不同的时间尺度上协调运行。
8.为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
9.第一方面，公开了三相不平衡主动配电网双时标分布式电压控制方法，包括：
10.构建用于实现不平衡树状配电系统多目标电压控制的数学模型；
11.使用基于模型预测控制的双时标优化框架，将电压控制问题划分为快时间尺度与慢时间尺度两个优化问题分别处理；
12.使用交替方向乘子法实现分布式的电压控制。
13.进一步的技术方案，所述用于实现不平衡树状配电系统多目标电压控制的数学模型能正确表达变压器、电容器组接入配网产生的影响。
14.进一步的技术方案，将电压控制问题划分为快时间尺度与慢时间尺度两个优化问题分别处理；
15.在快时间尺度下，对分布式电源的有功功率和无功功率输出进行优化，使系统能够控制快速波动电压，同时捕获更多的可再生能源；
16.在慢时间尺度下，调整变压器、电容器组分接头位置，以纠正长期电压偏差，同时减少动作次数。
17.进一步的技术方案，使用交替方向乘子法实现分布式的电压控制时，可将电压控制问题分布在配电网的各个区域中，每个区域之间通过导线连接，每个区域都有一个信息处理器，用于与相邻区域交换信息。
18.进一步的技术方案，在快时间尺度下，约束条件主要为系统稳态运行约束、分布式电源出力约束和安全运行约束。
19.进一步的技术方案，在慢时间尺度下，约束条件包括：系统稳态运行约束、分布式电源出力约束、安全运行约束、变压器和储能装置的分接头位置约束。
20.进一步的技术方案，在快时间尺度下，目标函数由电压项、有功出力项、无功出力项、网损项四部分构成，以实现在减少电压偏差的同时，优化分布式电源出力，捕获更多的可再生能源。
21.进一步的技术方案，在慢时间尺度下，目标函数由电压项、电容器组分接头项、网损项三部分构成，以实现在减少电压偏差的同时，减少调压装置与储能装置分接头的动作次数，延长使用寿命。
22.第二方面，公开了三相不平衡主动配电网双时标分布式电压控制系统，包括：
23.模型构建模块，用于构建用于实现不平衡树状配电系统多目标电压控制的数学模型；
24.双时标电压控制模块，用于使用基于模型预测控制的双时标优化框架，将电压控制问题划分为快时间尺度与慢时间尺度两个优化问题分别处理；
25.使用交替方向乘子法实现分布式的电压控制。
26.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
27.本公开技术方案构建了一个可用于实现不平衡树状配电系统多目标电压控制的数学模型，此模型准确、高效，为实现不平衡树状配网的电压控制提供了有力的工具。
28.同时，在此模型上实现了基于模型预测控制的双时标电压协调控制方案，该方案将具有不同时间特性的装置分别进行调节，提高了装置的使用寿命，具有更好的经济性。
29.该方案将具有不同时间特性的装置分别进行调节，每个区域的信息处理器只需负责收集本区域的信息和与相邻区域交换信息即可。可以很好地保护用户的隐私权，同时减轻通信系统和信息处理器的负担。
30.在此基础上，利用交替方向乘子法对数学模型进行分解和求解，将电压控制问题分布在配电网的各个区域中，实现了电压的分布式控制。每个区域的信息处理器只需负责收集本区域的信息和与相邻区域交换信息即可。可以很好地保护用户的隐私权，同时减轻通信系统和信息处理器的负担。
31.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
32.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
33.图1本公开实施例子提供的电压协调控制方法总体流程图；
34.图2本公开实施例子提供的电压协调控制方法中慢时间尺度部分流程图；
35.图3本公开实施例子提供的电压协调控制方法中快时间尺度部分流程图；
36.图4本公开实施例子提供的电压协调控制方法中分接头调整部分流程图；
37.图5本公开实施例子提供的123节点配网系统图。
具体实施方式
38.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.正如背景技术所介绍的，现有的研究大部分都基于三相平衡系统，依赖于单相等效模型，并不适用于三相不平衡系统，且随着分布式系统在配电网中的日益普及，传统的集中式控制方法存在的一些重大缺陷暴露出来，为解决以上问题，本发明提出了三相不平衡系统双时标分布式电压协调控制方法。
42.实施例一
43.参见附图1所示，基于附图5所示的123节点配网系统，本实施例公开了三相不平衡主动配电网双时标分布式电压控制方法，包括：
44.构建了一个用于解决不平衡树状配电系统多目标电压控制问题的数学模型。此模型基于branch flow model，在其基础上进行了二阶锥松弛，增加了新的约束条件使之能正确表达变压器、电容器组接入配网产生的影响。从而为实现不平衡系统的电压控制奠定了基础。
45.基于模型预测控制的双时标电压协调控制方案。在快时间尺度下，对分布式电源的有功功率和无功功率输出进行了优化，使系统能够控制快速波动电压，同时捕获更多的可再生能源。在慢时间尺度下，调整变压器、电容器组分接头位置，以纠正长期电压偏差，同时减少动作次数，提高使用寿命。
46.利用交替方向乘子法对优化问题进行分解和求解，以分布式方式解决电压控制问题。通过所提出的分解，可将电压控制问题分布在配电网的各个区域中，每个区域之间通过导线连接。每个区域都有一个信息处理器，用于与相邻区域交换信息。
47.不平衡系统双时标分布式电压协调控制问题模型的构建与求解思路：首先是建立不平衡树状主动配电网稳态运行数学模型，该模型包括系统稳态运行约束、分布式电源出力约束、安全运行约束和变压器与储能装置的分接头位置约束。在此基础上采用模型预测控制方法建立两个不同时间尺度下的电压控制优化问题。在快时间尺度下，主要考虑分布式电源的有功功率和无功功率输出对电压的影响，约束条件主要为系统稳态运行约束、分布式电源出力约束和安全运行约束。在慢时间尺度下，主要考虑变压器、电容器组分接头位置对电压的影响，约束条件除上述约束外，还包括变压器和储能装置的分接头位置约束。然后将原问题进行分解，将电压控制问题分布在配电网的各个区域中，采用交替方向乘子法进行迭代求解。
48.参见附图3所示，快时间尺度下的电压控制问题可以构建为如下形式：
49.构建的目标函数为：
50.min i1ꢀꢀꢀ
(1)
[0051][0052]
其中，为快时标下的预测次数，ω
b
为全部节点的集合，n
c
(i)为i节点子节点的集合，φ为a、b、c三相的集合，v
sqr
和v
ref
分别为节点电压平方项和电压基准值，p
g
和分别为分布式电源有功输出与有功出力上限，q
g
为分布式电源无功出力，i
sqr
为支路电流平方项，r为支路电阻，c
v
、c
p
、c
q
、c
i
分别为对应项的权重系数。目标函数由电压项、有功出力项、无功出力项、网损项四部分构成，旨在减少电压偏差的同时，优化分布式电源出力，使其捕获更多的可再生能源，避免大幅度波动。
[0053]
v
ref
通常设定为1，由每个时刻分布式电源具体状况决定，r为系统参数，p
g
、q
g
、v
sqr
、i
sqr
可通过解优化问题求得。
[0054]
上述目标函数对应的约束条件包括：
[0055]
系统稳态运行约束
[0056][0057][0058]
[0059][0060][0061][0062]
其中，n
c
(i)为i节点子节点的集合，n
p
(i)为i节点父节点的集合，n
b
(z)为z区域内的节点集合，n
cb
(z)为z区域内连接电容器组的节点集合，为i节点通过导线连接的子节点的集合，为i节点通过变压器连接的子节点的集合，q
g
为节点注入的无功功率，p
d
、q
d
分别为节点连接的有功、无功负载，分别为从i节点流向j节点的某一相有功、无功功率，有功、无功功率，分别为节点i、j之间的不平衡阻抗、电阻、电抗，分别为节点i、j之间经处理后的等价电阻电抗，n
tap
为变压器分接头位置，n
cb
为电容器组分接头位置，q
cb
为电容器组分接头动作一档无功功率的变化值，δv
tap
为变压器分接头动作一档电压的变化值。p
d
、q
d
、、q
cb
、δv
tap
为系统参数，可通过解优化问题求得，在快时间尺度下n
tap
、n
cb
由系统状态决定，在慢时间尺度下n
tap
、n
cb
可通过求解优化问题获得。式(3)为节点的有功平衡，式(4)(5)分别为不连接电容器组和连接电容器组的节点的无功平衡。式(6)为通过导线相连的节点之间的电压降公式，由欧姆定律变形而来。式(7)为经二阶锥松弛之后的功率与电压电流的关系式。式(8)为变压器两侧电压的等式关系。
[0063]
分布式电源出力约束
[0064][0065][0066]
其中，p
g
和分别为分布式电源有功输出与有功出力上限，q
g
和分别为分布式电源无功输出与无功出力上限。
[0067]
安全运行约束
[0068][0069][0070][0071]
[0072]
其中，和分别为导线传输有功无功功率的上限，为导线传输电流的上限，v2和分别为节点下、上限。v2、为系统参数。
[0073]
参见附图2所示，慢时间尺度下的电压控制问题可以构建为如下形式：
[0074]
目标函数
[0075]
min i2ꢀꢀꢀ
(15)
[0076][0077]
其中为慢时标下的预测次数，ω
cb
为电容器组的集合，ω
b
为全部节点的集合，n
c
(i)为i节点子节点的集合，φ为a、b、c三相的集合，v和v
ref
分别为节点电压和电压基准值，n
cb
为电容器组分接头位置，i
sqr
为支路电流平方项，r为支路电阻，c
v
、c
cb
、c
i
分别为对应项的权重系数。目标函数由电压项、电容器组分接头项、网损项三部分构成，旨在减少电压偏差的同时，减少调压装置与储能装置分接头的动作次数，延长使用寿命，提高经济性。
[0078]
参见附图4所示，分接头位置约束
[0079][0080]
其中，和n
cb
分别为电容器组分接头的上下限。n
cb
为系统参数。
[0081]
如前文所说，本发明将不平衡系统中的电压控制问题通过基于模型预测控制的双时标优化框架分为了两个不同时间尺度下的优化问题。其中，快时间尺度下的优化问题，目标函数为式(1)(2)，包括电压偏差、有功出力惩罚、无功出力变化、网损；约束条件为式(3)-(14)，包括系统稳态运行约束、分布式电源出力约束和安全运行约束。慢时间尺度下的优化问题，目标函数为式(15)(16)，包括电压偏差、电容器组分接头变化、网损；约束条件为式(3)-(14)，(17)，包括系统稳态运行约束、分布式电源出力约束、安全运行约束、储能装置的分接头位置约束。
[0082]
以上两个优化问题可以实现不平衡树状配电系统的双时标集中式电压协调控制，其中，快时间尺度优化问题可求得分布式电源下一时刻的有功与无功出力，系统可据此对分布式电源的出力进行优化控制；慢时间尺度优化问题可求得下一时刻有载调压变压器与电容器组的分接头位置数据，系统可据此对有载调压变压器与电容器组的分接头进行控制。在此基础上基于交替方向乘子法进行修改，可以实现不平衡树状配电系统的双时标分布式电压协调控制。
[0083]
首先，为实现交替方向乘子法，对上述优化问题进行重构。定义集合所有集合中带有下标i的变量都被视作节点i的附属变量。为了实现分布式算法，每个区域都应当使用自己独有的变量来解决自己的子问题，不应与其它区域产生耦合，但从式(3)-(8)可以看出，节点i的附属变量，如式(3)
中的与节点j的附属变量，如式(3)中的相互耦合。因此，引入了一系列辅助变量来解耦那些耦合约束，定义如下：
[0084][0085][0086]
将辅助变量代入式(3)-(8)，将这些约束转化为每个区域的变量都完全解耦的等价约束(e3)-(e8)。以式(e3)(e4)(e8)为例，等价约束表示为:
[0087][0088][0089][0090]
其中，和分别为节点i通过非区域间连线连接的父节点和子节点的集合，和分别为节点i通过区域间连线连接的父节点和子节点的集合。于是，快时间尺度下的socp问题的约束条件为(e3)-(e8)、(9)-(14)、(18)(19)，慢时间尺度下的misocp问题的约束条件为(e3)-(e8)、(9)-(14)、(17)-(19)。
[0091]
完成解耦后，通过对偶变量将等式约束(18)(19)添加到优化问题的目标函数中，即可得到两个时间尺度下优化问题的增广拉格朗日(20)(22)，增广拉格朗日通过式(21)(23)定义的原始变量(x,y)和对偶变量(λ)优化。
[0092]
快时间尺度下增广拉格朗日为：
[0093][0094]
是z区域内与区域间连线连接的节点集合，增广拉格朗日的约束条件为
(e3)-(e8)、(9)-(14)，所有约束都可以分解到每个区域中。
[0095]
原始变量和对偶变量为：
[0096][0097]
慢时间尺度下，增广拉格朗日为：
[0098][0099]
增广拉格朗日的约束条件为(e3)-(e8)、(9)-(14)、(17)，所有约束都可以分解到每个区域中。
[0100]
原始变量和对偶变量为：
[0101][0102]
在基于交替方向乘子法的算法中，对原始变量的优化被分成两个子问题，原始变量和对偶变量在迭代过程中更新。
[0103]
子问题一
[0104]
在第k次迭代中，子问题一可通过式(24)来表达。其受制于增广拉格朗日约束，优化的变量是原始变量x
k
，原始变量y
*,k-1
和对偶变量λ
*,k-1
是第(k-1)次迭代中获得的参数。
[0105]
g(x
k
,y
*,k-1
,λ
*,k-1
)
ꢀꢀꢀ
(24)
[0106]
快时间尺度的约束条件为(e3)-(e8)、(9)-(14)，慢时间尺度的约束条件为(e3)-(e8)、(9)-(14)、(17)。需要注意的是，子问题一可以被分解到每个区域，并且以分布式方式被求解。
[0107]
子问题二
[0108]
求解子问题一之后，子问题二的第k次迭代过程如式(25)所示，利用对偶变量λ
*,k-1
和子问题一所获得的原始变量x
*,k
来优化原始变量y
k
。
[0109]
g(x
*,k
,y
k
,λ
*,k-1
)
ꢀꢀꢀ
(25)
[0110]
需要注意，两个时间尺度下的子问题二都是没有约束的二次规划问题，增广拉格朗日分别为式(26)(27)：
[0111][0112][0113]
每个区域的子问题二都可以以分布式的方式容易地计算出来。
[0114]
对偶变量更新
[0115]
与对偶变量有关的子问题之间的交换变量是原始变量y和在式(28)中定义的x
ex
。一旦在第k次迭代中使用两个子问题更新了交换变量，就可以使用式(29)更新对偶变量。
[0116][0117]
λ
*,k
＝λ
*,k-1
+(x
ex,*,k-y
*,k
)
ꢀꢀꢀ
(29)
[0118]
终止条件
[0119]
依次更新原始变量和对偶变量，直到交换变量之间的累计残差低于指定的阈值，认为其满足收敛条件，如式(30)所示。
[0120]
||x
ex*-y
*
||≤∈
ꢀꢀꢀ
(30)
[0121]
具体的求解步骤如下所示：
[0122]
(1)初始化交换变量和对偶变量，令p
ij
＝0、v
i
＝0、λ＝0，确定惩罚因子ρ的值；
[0123]
(2)每间隔进行一次慢时间尺度控制，每间隔进行一次快时间尺度控制。进行慢时间尺度控制时，需监测节点电压是否越限，若电压越限则调整变压器分接头，调节步骤参见附图4；
[0124]
(3)求解子问题一：两种时间尺度下的优化目标分别为增广拉格朗日函数(20)(22)，考虑增广拉格朗日约束。交换变量y
*,k-1
的初值为当前时刻值，若当前时刻为初始时刻则为步骤(1)所设的值。按照式(24)进行求解，将所得结果x
ex,k
作为交换变量传递给子问题二；
[0125]
(4)求解子问题二：两种时间尺度下的优化目标分别为式(26)(27)，没有约束条件。按照式(25)进行求解，将所得结果y
k
用于对偶变量更新和下一轮迭代中子问题一的求
解；
[0126]
(5)更新对偶变量：按照式(29)更新对偶变量；
[0127]
(6)计算系统交换变量之间的累计残差，判断是否满足收敛条件。若满足收敛条件则终止计算并执行所得控制序列的第一个序列，对于快时间尺度，控制分布式电源的有功出力p
g
与无功出力q
g
，对于慢时间尺度，控制有载调压变压器分接头位置n
tap
和电容器组分接头位置n
cb
，在此基础上继续进行下一时刻的优化控制。若不满足收敛条件，则使用更新后的数据进行新一轮迭代计算。
[0128]
实施例二
[0129]
本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例子一中方法的具体步骤。
[0130]
实施例三
[0131]
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
[0132]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述实施例子一中方法的具体步骤。
[0133]
实施例四
[0134]
本实施例的目的是提供三相不平衡主动配电网双时标分布式电压控制系统，包括：
[0135]
模型构建模块，用于构建用于实现不平衡树状配电系统多目标电压控制的数学模型；
[0136]
双时标电压控制模块，用于使用基于模型预测控制的双时标优化框架，将电压控制问题划分为快时间尺度与慢时间尺度两个优化问题分别处理；
[0137]
使用交替方向乘子法实现分布式的电压控制。
[0138]
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
[0139]
本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0140]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0141]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。