一种分布式电源对分时电价发电响应的边缘协同计算方法与流程

本发明涉及一种分布式电源对分时电价发电响应的边缘协同计算方法，属于分布式发电领域。

背景技术：

世界范围内持续紧张的能源形势促进了清洁能源的应用与发展。基于可再生能源的分布式发电技术已成为实现能源多样化的研究重点。在能源资源逐渐枯竭和环境急剧恶化的社会大背景下，分布式电源的出现，为我们提供了一种新兴的清洁自然能源利用方式，将分布式电源与大电网有机结合是降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的可行方式，同时也是我国电力行业实现可持续绿色发展的方向。但与此同时，高渗透率的分布式电源给电网的安全稳定运行和经济调度带来了巨大的挑战。

电力系统运行时期，受到分布式电源的随机性和波动性的影响，保持实时的频率和电压的平衡将变得非常困难；分布式电源的运行方式和控制特性的不确定性，将会造成电网潮流的大小和方向变化具有一定的随机性，使得传统的潮流计算方法不再适用；分布式电源采用基于电力电子技术的逆变器接入配电网，与传统电网的方式有很大不同，开关器件的频繁开关易产生开关频率附近的谐波分量，对电网易造成高频和高次谐波污染。电力系统发生故障时期，由于分布式电源系统没有检测到停电状态将自身切离，而是继续供电与周围负荷形成了不可控制的自给供电孤岛的现象，孤岛效应的产生可能会影响电能质量甚至损坏电气设备，严重时可能会危及维护人员的人身安全。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种分布式电源对分时电价发电响应的边缘协同计算方法，有效监控大量分散的分布式电源，并实施运行管理。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种分布式电源对分时电价发电响应的边缘协同计算方法，包括上层的分布式电源集群控制中心，以及下层的分布式电源边缘计算终端设备，具有以下步骤：

1)设立上层分布式电源集群控制中心的总体调度目标函数，以及约束条件；

2)实施分时电价；

3)利用边缘计算对下层分布式电源的发电进行分时配置。

所述步骤1)中总体调度目标函数为：

其中，c为分布式电源集群的总成本，idg为分布式电源的个数，fi为第i个分布式电源的成本函数，其二次项系数、线性项系数和常数项系数分别为ai、bi、ci；为第i个分布式电源与分布式电源集群间的交换功率。

所述步骤1)中所述约束条件为：

交换功率上下限约束，分布式电源集群和分布式电源i之间交换功率的上下限约束：

其中，分别为交换功率的下限和上限值，它们由分布式电源集群于分布式电源间的电力线路的传输限制决定；

总电力需求约束：

其中，pdemand为调度中心发布的总电力需求，需要由分布式电源集群发出相应的电力以满足需求。

所述步骤3)中的分时配置以单个分布式电源运行成本最小为目标函数，所述目标函数为：

其中，是第i个分布式电源总的运行成本；pⁱ是第i个分布式电源的计划发电量；cⁱ(pⁱ)是第i个分布式电源的发电成本函数；是第i个分布式电源的发电量，其等于发电响应函数pdg(t)；是该分布式电源运行和维护成本的因子；是储能设备的运行和维护成本的因子；和分别为该储能设备放电和充电的功率，其数值放电时为正，充电时为负。

所述步骤3)中分时配置以潮流约束、分布式电源出力约束和储能设备充放电约束为约束条件，

潮流约束为：

其中，和分别表示第i个分布式电源中储能设备的充电和放电效率。表示第i个分布式电源处所带有的负载；

第i个分布式电源出力上下限约束：

第i个分布式电源储能设备充放电约束：

其中，和分别为第i个分布式电源储能设备的最大和最小充电功率，和分别为第i个分布式电源储能设备的最大和最小放电功率，bⁱ为第i个分布式电源储能设备的电池储存状态，和分别为电池储存状态的上限和下限。

所述发电响应函数pdg(t)为

式中，pdg(t)表示t时刻分布式电源的发电响应函数，单位：kw·h；δpff(t)表示分时电价前后峰时段电源自身发电的增量,单位：kw·h；δpgf(t)表示分时电价前后电价平时段向峰时段的发电转移量,单位：kw·h；δpgg(t)表示分时电价前后谷时段电源自身发电的削减量,单位：kw·h；δpgf(t)表示分时电价前后电价谷时段向峰时段的发电转移量,单位：kw·h；tf、tp、tg分别表示电价峰时段、平时段和谷时段。

有益效果：本发明运用多决策者的调度算法，实现分布式电源间的协调运行。同时又利用了边缘计算进行分时电价发电响应，使得分布式电源边缘计算终端设备具备了本地调节的能力，从而有效提高分布式电源利用率及用户供电可靠性，优化了电力资源的配置，提高了电网运行经济性。

附图说明

图1为本发明分布式电源对分时电价发电响应的边缘协同计算方法的流程图；

图2为本发明基于边缘协同计算的分布式电源集群优化管理系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

分布式电源集群具有上层调度目标集中化，下层计算分布化的特点。因此本发明分布式发电集群边缘协同优化计算方法针对这一特点,建立了分布式电源集群两层优化调度模型。上层为分布式电源集群控制中心，其根据电网需求设立总体调度目标；下层为分布式电源边缘计算终端设备，采用边缘计算并依据分时电价发电响应策略对分布式电源的并网功率进行相应调整。

分时电价发电响应策略是根据本文提出的针对分布式电源的分时电价概念来定义的，也就是说电网中只有分布式电源实行分时电价，其他类型的电源依旧是固定电价。上下两层决策者通过各自的决策变量相互影响、相互作用，采用上下层迭代求解策略实现多个分布式电源间的协调运行。

上层分布式电源集群控制中心根据电网需求设立总体调度目标函数，以总发电成本最小为目标，以交换功率上下限和总电力需求为约束条件，建立分布式电源集群的目标优化调度模型。

总体调度目标函数：

其中，c为分布式电源集群的总成本，idg为分布式电源的个数，fi为第i个分布式电源的成本函数，通常为一个二次函数，它的二次项系数、线性项系数和常数项系数分别为ai、bi、ci。为第i个分布式电源与分布式电源集群间的交换功率，若则分布式电源集群向该分布式电源供能，若则该分布式电源向分布式电源集群供能。

约束条件包括：

1)交换功率上下限约束，分布式电源集群和分布式电源i之间交换功率的上下限约束为：

其中，分别为交换功率的下限和上限值，它们由分布式电源集群于分布式电源间的电力线路的传输限制决定；

2)总电力需求约束：

其中，pdemand为调度中心发布的总电力需求，需要由分布式电源集群发出相应的电力以满足需求。

下层分布式电源边缘计算终端设备采用分时电价发电响应，利用边缘计算对分布式电源的发电进行分时配置。同时边缘计算还以第i个分布式电源总的运行成本最小为目标，加上潮流约束、分布式电源出力约束和储能设备充放电约束为约束条件进行优化调整。

分时电价的概念是从供电端协调电力的供应，缓解用电压力。根据用电负荷的多少划分时段，将一天的时间分为峰时段、平时段和谷时段，峰时段发电售出的电价高，谷时段发电售出的电价低，平时段发电售出的电价中等。这样既可以在用电高峰鼓励发电帮助缓解用电紧张，又可以取得更高的经济效益，从供电侧考虑使得电力供应情况更加合理。

分时电价发电响应是基于上述分时电价划分时段的激励策略，在电价峰时段增发电量，在电价谷时段减发电量，这样不仅可以缓解高峰时段的电力供应情况使资源配置更加合理，而且可以取得更高的经济效益。

本实施例将t时刻用户的发电响应函数定义为：受分时电价激励机制驱动，在实现分时发电的过程中，单个分布式电源在t时刻的发电响应量。

定义处于电价峰时段的分布式电源在分时发电过程中的响应量为分布式电源在分时发电前后的增量；定义处于电价平时段的分布式电源在分时发电过程中的响应量为谷时段到平时段的发电转移量；定义谷时段的分布式电源在分时发电过程中的响应量由自身发电的削减量与转移到峰时段的转移量两部分组成。根据上述的定义，可将电价峰、平、谷时段的发电响应函数分别表示为：

式中，pdg(t)表示t时刻分布式电源的发电响应函数，单位kw·h；δpff(t)表示分时电价前后峰时段电源自身发电的增量,单位kw·h；δpgf(t)表示分时电价前后电价平时段向峰时段的发电转移量,单位kw·h；δpgg(t)表示分时电价前后谷时段电源自身发电的削减量,单位kw·h；δpgf(t)表示分时电价前后电价谷时段向峰时段的发电转移量,单位kw·h；tf、tp、tg分别表示电价峰时段、平时段和谷时段。

引入弹性系数概念，定义发电的弹性系数为表示在一定时期内电价变化所引起的发电量变化的百分比。用公式表示如下：

其中，e为发电的弹性系数；δρ为电价的变化，单位：元/kw·h；δd表示由于价格变化所导致的发电量的变化；ρ0表示分时电价变化前的电价；d0表示实施分时电价前的发电量。

实施分时电价前后发电量的改变由分布式电源自身的削减量和转移量共同决定，其中，分布式电源自身的削减量与自弹性系数对应，转移量与交叉弹性系数对应。记t1为实施分时电价后发电改变量待求的时刻，t2为发电曲线中的采样时刻，弹性系数在此处的表达式为ep(t1,t2)，若待求时刻t1即为采样时刻t2，则定义此时的弹性系数为自弹性系数，且此时的ep(t1,t2)≥0，反之，若t1≠t2，则定义此时的弹性系数为交叉弹性系数，且此时的ep(t1,t2)≤0。假设发电曲线的数据维数为n，则实施分时电价前后t1时刻的发电改变量为：

式中，p0(t1)为t1时刻的单个分布式电源的发电量；ρ0(t2)为实施分时电价前t2时刻的电价；ρ(t2)为实施分时电价后t2时刻的电价。

令λp(t1)表示实施分时电价后单个分布式电源在t1时刻的发电量变化率，则：

令k(t2)表示t2时刻分时电价前后的电价浮动比，定义为：

则式(7)可以改写为：

因此，当t1、t2分别属于电价峰、平、谷时段时，发电量变化率为：

式中，λpf、λgf、λgp表示发电转移率；λff表示峰时段自发电的增加率；λgg表示谷时段自发电的削减率；由于在电价峰时段，kf>0，平时段，kp<0，在电价谷时段kg<0，且交叉弹性系数ep(t1,t2)≤0，故λpf、λgf、λgp均为正数；由于自弹性系数ep(t1)≥0，故λff>0，λgg<0。

基于上述分时电价下发电量变化的分析与电价峰、平、谷时段的发电响应函数定义，可知发电响应量具体的计算公式为：

接下来以第i个分布式电源总的运行成本最小为目标，加上潮流约束、分布式电源出力约束和储能设备充放电约束为约束条件进行优化调整。

目标函数为运行成本最小，其表达式为：

其中，是第i个分布式电源总的运行成本；pⁱ是第i个分布式电源的计划发电量；cⁱ(pⁱ)是第i个分布式电源的发电成本函数；是第i个分布式电源的发电量，其等于发电响应函数pdg(t)；是该分布式电源运行和维护成本的因子；是储能设备的运行和维护成本的因子；和分别为该储能设备放电和充电的功率，其数值放电时为正，充电时为负。

潮流约束为：

其中，和分别表示第i个分布式电源中储能设备的充电和放电效率。表示第i个分布式电源处所带有的负载。

第i个分布式电源出力上下限约束：

第i个分布式电源储能设备充放电约束：

其中，和分别为第i个分布式电源储能设备的最大和最小充电功率，和分别为第i个分布式电源储能设备的最大和最小放电功率，bⁱ为第i个分布式电源储能设备的电池储存状态，和分别为电池储存状态的上限和下限。

针对上述建立的优化模型，各层决策者根据自身特点，设立相应的决策变量。上层(分布式电源集群层)以分布式电源集群总发电量为决策变量；下层(分布式电源层)以各分布式电源发电功率、蓄电池充(发)电量为决策变量。

采用上下层交互迭代求解两层优化调度模型。分布式电源集群控制中心(上层)依据全局目标及所考虑的约束条件先求出初始解，输入分布式电源边缘计算终端设备(下层)；各分布式电源边缘计算终端设备以上层输入作为初始值，进行边缘计算，依据本地局部目标及所考虑的约束条件，求出修正解，返回给集群控制中心(上层)；集群控制中心再将返回的修正解作为初始值，再次求出符合全局目标的优化解，输入下层各分布式电源边缘计算终端设备；各分布式电源边缘计算终端设备再以此为初始值，依据分时电价发电响应策略进行边缘计算求修正解，返回上层，其中分时电价发电响应策略是根据本文构想的针对分布式电源的分时电价策略来设计的；上下两层如此反复迭代，直到符合各层迭代终止条件，兼顾全局与局部目标，实现多个分布式电源间的协调运行。