一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法

1.本发明涉及一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法


背景技术：

2.随着分布式能源在配电网系统中的应用越来越广泛，其间歇性和随机性的特点将给系统带来电压违规和损耗成本增加等问题，这也将影响电力市场能量交易的安全性和稳定性。传统的配电网能源交易主要是单向的，电力通常通过发电机远距离传输给消费者。而端对端(peer to peer，p2p)能源交易鼓励本地区内的多方向交易。此外，电力市场的其他参与者也可以获得利益，从而降低运营成本，提高电力系统的可靠性。同时，智能软开关(soff open point，sop)作为新型的电力电子设备，已逐步取代传统的联络开关，给配电网的运行灵活性提升带来了巨大的潜力。在互联配电系统中，sop可以根据预期设置在连接区域之间实现精确的潮流控制。随着人工智能的发展，深度确定性策略梯度算法作为一种数据驱动的方法，减少了对电力系统物理模型的依赖，它可以从数据中挖掘系统的物理模型，形成能够处理以高维复杂信息作为输入的优化决策方法。因此，将人工智能技术与配电网系统相结合具有良好的发展前景。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提出一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法。建立了sop模型和系统潮流约束模型，然后将sop动作行为建立为马尔可夫决策过程。此外，每个配电网都设置了一个对应的目标函数来评估其策略，该目标函数包括了系统损耗成本、sop损耗成本和电压违规情况。在此策略的基础上，配电网之间可以更安全地进行能源交易。而在交易过程中，构建了功率平衡约束模型，同时每个配电网也都设置了另一个目标函数来评估其交易策略的好坏，该目标函数包括配电网之间的能量交易成本以及配电网与上级电网之间的交易成本。因此，本发明可以同时保证配电网在能量交易过程中的安全性和经济性。最后，通过在算例上进行模型求解，表明该p2p能量交易模型可以通过调节sop的动作，来减少系统损耗，提高能量交易效率。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
5.1、一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.s1：构建智能软开关(soft open point，sop)模型；
7.s2：构建系统潮流约束模型；
8.s3：构建一个配电网端对端(peerto peer，p2p)能量交易模型，将配电网间的交易量设置为决策变量，以交易成本最低为目标，优化配电网系统p2p能量交易；
9.s4：构建交易时功率平衡约束，保证交易的安全性；
10.s5：初始化系统参数，设置相应的奖励函数，对模型进行求解。
11.2、如权利要求1所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，
其特征在于，所述步骤s1中，sop的建模具体包括：
12.s1-1：sop是基于全控型器件的连续型电力电子设备，通常将sop的稳态模型发展为功率注入模型，该模型涉及到sop终端端口的功率注入，其中可控变量为有功功率的传输和无功功率的补偿，因此可以直接将sop引入到现有的潮流分析中，而无需考虑详细的控制器设计：
[0013][0014][0015][0016]
其中，n
t
是sop的端口数；是时段t节点i处变流器注入的有功、无功功率；是sop在时段t节点i处变流器的有功损耗；是sop节点i处变流器的损耗系数；为sop在节点i处变流器的容量；
[0017]
3、如权利要求2所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，在所述步骤s2中，构建系统潮流约束模型，具体包括：
[0018]
s2-1：配电网潮流模型是一种从支路功率出发建立的潮流方程，与传统的基于节点功率的潮流计算相比，潮流模型更适用于辐射状配电系统的潮流计算：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025]
其中，ωb为所有的导通支路。r
ij
和x
ij
为支路ij的电阻和电抗。p
ij
为支路上节点i流向节点j的有功功率；q
ij
为支路上节点i流向节点j的无功功率；pi为节点i上注入的有功功率之和；qi为节点i上注入的无功功率之和；ui为节点i的电压值；i
ij
为支路上节点i流向节点j的电流值；为节点i上分布式电源注入的有功功率；为节点i上负荷消耗的有功功率；为节点i上分布式电源注入的无功功率；为节点i上负荷消耗的无功功率；为节点i处变流器的有功功率；为节点i处变流器的无功功率；
[0026]
4、如权利要求3所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，在所述步骤s3中，配电网端对端能量交易模型包括以下部分：
[0027]
s3-1：假设当地p2p价格是可变的，为了鼓励配电网之间的交易，p2p交易价格和上
级电网的交易价格设置如下：
[0028][0029]
其中，表示t时段配电网间卖电的价格，表示t时段配电网间买电的价格，表示t时段配电网卖给上级电网的价格，表示t时段配电网从上级电网买电的价格；
[0030]
s3-2：在每一段时间的能量交易之初，配电网需要以可再生能源发电量的历史数据，预测得到负载需求数据和动态变化的电价作为状态。配电网i在t时段的状态记为s2
i，t
＝[g
i，t
，d
i，t
，ρ
t
]，g
i，t
代表配电网i在t时段的可再生能源发电量，d
i，t
代表配电网i在t时段的预测负载功率，ρ
t
代表t时段的配电网间交易电价价格。本发明使用x
i，j，t
(i≠j)表示t时段配电网间的预期交易量，如果i＝j，则表示配电网与上级电网间的交易量。在交易之前，各配电网根据状态确定交易策略x
i，t
，其中x
i，t
＝[x
i，j，t
]
1≤j≤n，i≠j
。如果x
i，j，t
＞0，表示配电网i想从配电网j买电，如果x
i，j，t
＜0，表示配电网i想向配电网j卖电，由于实际的交易量与预期的交易量可能会不同，因此实际的交易量a
i，j，t
应表示成如下：
[0031][0032]
其中，n表示配电网个数；x
i，j，t
(i≠j)表示t时段配电网间的预期交易量，如果i＝j，则表示t时段配电网与上级电网间的交易量，如果x
i，j，t
＞0，表示t时段配电网i想从配电网j买电，如果x
i，j，t
＜0，表示t时段配电网i想向配电网j卖电；
[0033]
5、如权利要求4所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，所述步骤s4所述的交易时功率平衡约束包括以下部分：
[0034]
s4-1：交易时的功率平衡约束如下：
[0035][0036]
其中，p
i，j，t
表示t时段配电网i和配电网j间实际的传输功率；p
i，i，t
表示配电网i与上级电网间实际的传输功率；p
g，i，t
表示t时段配电网i可再生能源发电量；p
l，i，t
表示t时段配电网i负载需求量；
[0037]
6、如权利要求5所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，所述步骤s5所述的奖励函数包括以下部分：
[0038]
s5-1：配电网根据功率损耗成本和电压偏差最小设置相应的奖励函数f
1，i，t
如下：
[0039][0040][0041]
[0042][0043]
其中表示t时段整个电网系统所有线路的功率损失；表示t时段sop的损耗成本；表示t时段该智能体所表示子网内的电压违规情况。λ1代表了电压违规的惩罚因子；n
t
是时间段合集；nn是系统所有节点的合集；u
t，i
代表t时段在节点i上的电压；u
max
和u
min
分别是节点电压安全运行范围的上限和下限；
[0044]
s5-2：配电网根据能量交易成本最小设置相应的奖励函数r
2，i，t
：
[0045][0046][0047]r2，i，t
＝u
1，i，t
+u
2，i，t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0048]
其中，u
1，i，t
表示t时段配电网间交易成本；u
2，i，t
表示t时段配电网与上级电网间交易成本。
[0049]
本发明的有益效果是：
[0050]
1)考虑了系统损耗和电压调控情况，提高了能量交易过程中的安全性和经济性。
[0051]
2)在分布式协同控制中仅依靠本地信息做出决策，降低了对通信能力的要求，减少了通信成本。
[0052]
3)避免了预测误差带来的控制不准确，可以在预测信息存在误差的情况下对电网系统进行电压调控和能量交易。
附图说明
[0053]
图1是本发明的123节点系统算例示意图。
[0054]
图2是本发明的光伏和负载的日运行曲线示意图。
[0055]
图3是本发明的算法训练过程示意图。
[0056]
图4是本发明的sop有功传输量示意图。
[0057]
图5是本发明的sop无功补偿量示意图。
[0058]
图6是本发明的电价示意图。
[0059]
图7是本发明的配电网1和其他配电网的交易情况。
[0060]
图8是本发明的配电网2和其他配电网的交易情况。
[0061]
图9是本发明的配电网4和其他配电网的交易情况。
[0062]
图10是本发明的配电网5和其他配电网的交易情况。
[0063]
图11是本发明方法的流程图。
[0064]
具体实施方法
[0065]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0066]
参照图1～图11，一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，包括以下步骤：
[0067]
s1：构建智能软开关(soft open point，sop)模型；
[0068]
s2：构建系统潮流约束模型；
[0069]
s3：构建一个配电网端对端(peerto peer，p2p)能量交易模型，将配电网间的交易量设置为决策变量，以交易成本最低为目标，优化配电网系统p2p能量交易；
[0070]
s4：构建交易时功率平衡约束，保证交易的安全性；
[0071]
s5：初始化系统参数，设置相应的奖励函数，对模型进行求解。
[0072]
2、如权利要求1所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，所述步骤s1中，sop的建模具体包括：
[0073]
s1-1：sop是基于全控型器件的连续型电力电子设备，通常将sop的稳态模型发展为功率注入模型，该模型涉及到sop终端端口的功率注入，其中可控变量为有功功率的传输和无功功率的补偿，因此可以直接将sop引入到现有的潮流分析中，而无需考虑详细的控制器设计：
[0074][0075][0076][0077]
其中，n
t
是sop的端口数；是时段t节点i处变流器注入的有功、无功功率；是sop在时段t节点i处变流器的有功损耗；是sop节点i处变流器的损耗系数；为sop在节点i处变流器的容量；
[0078]
3、如权利要求2所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，在所述步骤s2中，构建系统潮流约束模型，具体包括：
[0079]
s2-1：配电网潮流模型是一种从支路功率出发建立的潮流方程，与传统的基于节点功率的潮流计算相比，潮流模型更适用于辐射状配电系统的潮流计算：
[0080][0081][0082][0083][0084][0085][0086]
其中，ωb为所有的导通支路。r
ij
和x
ij
为支路ij的电阻和电抗。p
ij
为支路上节点i流向节点j的有功功率；q
ij
为支路上节点i流向节点j的无功功率；pi为节点i上注入的有功功率之和；qi为节点i上注入的无功功率之和；ui为节点i的电压值；i
ij
为支路上节点i流向
节点j的电流值；为节点i上分布式电源注入的有功功率；为节点i上负荷消耗的有功功率；为节点i上分布式电源注入的无功功率；为节点i上负荷消耗的无功功率；为节点i处变流器的有功功率；为节点i处变流器的无功功率；
[0087]
4、如权利要求3所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，在所述步骤s3中，配电网端对端能量交易模型包括以下部分：
[0088]
s3-1：假设当地p2p价格是可变的，为了鼓励配电网之间的交易，p2p交易价格和上级电网的交易价格设置如下：
[0089][0090]
其中，表示t时段配电网间卖电的价格，表示t时段配电网间买电的价格，表示t时段配电网卖给上级电网的价格，表示t时段配电网从上级电网买电的价格；
[0091]
s3-2：在每一段时间的能量交易之初，配电网需要以可再生能源发电量的历史数据，预测得到负载需求数据和动态变化的电价作为状态。配电网i在t时段的状态记为s2
i，t
＝[g
i，t
，d
i，t
，ρ
t
]，g
i，t
代表配电网i在t时段的可再生能源发电量，d
i，t
代表配电网i在t时段的预测负载功率，ρ
t
代表t时段的配电网间交易电价价格。本发明使用x
i，j，t
(i≠j)表示t时段配电网间的预期交易量，如果i＝j，则表示配电网与上级电网间的交易量。在交易之前，各配电网根据状态确定交易策略x
i，t
，其中x
i，t
＝[x
i，j，t
]
1≤j≤n，i≠j
。如果x
i，j，t
＞0，表示配电网i想从配电网j买电，如果x
i，j，t
＜0，表示配电网i想向配电网j卖电，由于实际的交易量与预期的交易量可能会不同，因此实际的交易量a
i，j，t
应表示成如下：
[0092][0093]
其中，n表示配电网个数；x
i，j，t
(i≠j)表示t时段配电网间的预期交易量，如果i＝j，则表示t时段配电网与上级电网间的交易量，如果x
i，j，t
＞0，表示t时段配电网i想从配电网j买电，如果x
i，j，t
＜0，表示t时段配电网i想向配电网j卖电；
[0094]
5、如权利要求4所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，所述步骤s4所述的交易时功率平衡约束包括以下部分：
[0095]
s4-1：交易时的功率平衡约束如下：
[0096][0097]
其中，p
i，j，t
表示t时段配电网i和配电网j间实际的传输功率；p
i，i，t
表示配电网i与上级电网间实际的传输功率；p
g，i，t
表示t时段配电网i可再生能源发电量；p
l，i，t
表示t时段配电网i负载需求量；
[0098]
6、如权利要求5所述的一种考虑系统损耗和电压调控的电力市场能量交易方法，其特征在于，所述步骤s5所述的奖励函数包括以下部分：
[0099]
s5-1：配电网根据功率损耗成本和电压偏差最小设置相应的奖励函数f
1，i，t
如下：
[0100][0101][0102][0103][0104]
其中表示t时段整个电网系统所有线路的功率损失；表示t时段sop的损耗成本；表示t时段该智能体所表示子网内的电压违规情况。λ1代表了电压违规的惩罚因子；n
t
是时间段合集；nn是系统所有节点的合集；u
t，i
代表t时段在节点i上的电压；u
max
和u
min
分别是节点电压安全运行范围的上限和下限；
[0105]
s5-2：配电网根据能量交易成本最小设置相应的奖励函数r
2，i，t
：
[0106][0107][0108]r2，i，t
＝u
1，i，t
+u
2，i，t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0109]
其中，u
1，i，t
表示t时段配电网间交易成本；u
2，i，t
表示t时段配电网与上级电网间交易成本。
[0110]
为使本领域技术人员更好地理解本发明，算例分析包括以下构成：
[0111]
一、算例描述及仿真结果分析
[0112]
本发明为了验证其有效性，使用了如图1所示的系统进行算例分析。通过一个五端sop将五个配电网进行互联，分别在节点17，33，40，86和108处接入五个光伏。图2为光伏和负载的日运行曲线。交易电价价格如图6所示。基准电压设为12.66kv，电压幅度边界是[0.95，1.05]p.u.，sop容量上限为0.5mva，sop损耗系数为0.02。训练迭代次数为50000次，经验池最大容量为10000组，软更新参数τ为0.01，小批量取样的样本数量为32组，动作网络的学习率为0.0001，评价网络的学习率为0.001。其他系统参数见表1。
[0113]
表1系统参数
[0114][0115]
仿真程序在windows10，intel(r)coretm i5 cpu@3.5ghz，8gb内存的计算机中的pycharm环境下实现。图3为算法训练过程，大约在18000组样本后收敛。sop的有功传输量和无功补偿量如图4和图5所示，由图可见，大约400分钟到1000分钟之间有充足的光照，而且
其高渗透性将对系统潮流产生一定影响，此时sop的动作幅度明显增加。各配电网间的交易量如图7，图8，图9，图10所示，由图可见，配电网在电价相对较高的情况下，会采取交易量较大的交易行动，以获取更大的收益。
[0116]
在本说明书中，对本发明的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。此外，本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施案例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。