考虑配电网络安全的聚合商鲁棒运行包络估计方法及系统

1.本发明涉及电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种考虑配电网络安全的聚合商鲁棒运行包络估计方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.随着光伏发电、风力发电、分布式储能系统等分布式能源占比的迅速增加，给电力系统带来了更强的灵活性。目前，通过聚合商整合分布式能源为电力系统提供服务成为一种可靠的方案，如参与批发市场报价等。然而，在批发市场的市场出清过程中，通常只考虑输电网络约束，而不考虑配电网络约束，在此基础上，聚合商中标电量的大量输送可能会危及配电网络的安全，产生电压越限和网络拥塞等问题。当在运行阶段，聚合商中标电量的传输引起越限或拥塞问题时，配电系统运营商为了保证配电网络安全通常会削减聚合商的传输电量，这一现象在现实情况中并不罕见，并且阻碍了聚合商参与批发市场。因此，为了保证聚合商中标电量的安全传输，需要在聚合商参与市场报价前对申报电量范围进行安全检核，实现对聚合商网络安全运行包络的鲁棒估计。
4.现有技术中，attarha a等人在《ieee transactions on smart grid》公开的“network-secure and price-elastic aggregator bidding in energy and reserve markets”以及“network-secure envelopes enabling reliable der bidding in energy and reserve markets”中提出了一种网络安全运行包络评估方法，其中运行包络是一个定义聚合商可以传输至电网或从电网流入的有功/无功功率限制的凸集。虽然这一方法可以确保线路传输功率不超过线路容量，但是仍然存在两个问题需要解决：一是如何处理配电网络的不确定性，如流经配电网络的不确定节点注入/流出功率；二是如何在有限通信条件下处理配电网络约束。目前，为了解决第二个问题，lai s等人在公开的“demand response aggregation with operating envelope based on data-driven state estimation and sensitivity function signals”中提出了一种基于灵敏度分析的网络安全运行包络优化方法，该方法建立了描述配电网络状态变化和聚合商所在节点注入功率关系的灵敏度函数，并将这一灵敏度函数告知聚合商。然而，这一方法忽略了其他节点注入/流出功率对配电网络状态的影响，只采用了单一节点的敏感性分析，仍旧可能会导致配电网络的安全问题。此外，liu m z等人在公开的“using opf based operating envelopes to facilitate residential der services”中提出了一种由配电公司计算并向聚合商公布其功率输出/输入运行包络的方法，这种方法忽略了配电网络的不确定性，并没有校验运行包络中所有可能的中标电量，包络中可能存在不可行区域，同样可能导致配电网络安全问题。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种考虑配电网络安全的聚合商鲁棒
运行包络估计方法及系统，利用两阶段鲁棒优化模型来求解聚合商的最大鲁棒网络安全运行包络，充分考虑配电网络约束和网络状态以保证网络安全，同时通过检查对于不确定集合中的任何一点是否存在一组可行解，以应对配电网网络中的不确定性，能够在不确定的情况下为聚合商争取更大的运行包络，以激励聚合商参与市场。
6.第一方面，本公开提供了一种考虑配电网络安全的聚合商鲁棒运行包络估计方法，包括：
7.获取分布式能源设备的参数信息；
8.整合分布式能源设备的参数信息，生成设备等值聚合模型；
9.基于设备等值聚合模型中的等值设备运行约束，建立两阶段鲁棒优化模型；
10.考虑配电网状态，对配电网不确定性建模，结合两阶段鲁棒优化模型，估计聚合商的最大鲁棒网络安全运行包络。
11.进一步的技术方案，用户级分布式能源设备包括分布式发电设备、负荷以及储能系统；所获取的参数信息包括分布式发电设备出力的上下限、参与需求响应的负荷的最大值、负荷中可调控负荷的调节系数的上下限、储能系统充放电效率系数、储能系统充放电功率的上限以及储能系统荷电状态的上下限。
12.进一步的技术方案，所述设备等值聚合模型包括虚拟同步机聚合模型和虚拟储能聚合模型，其生成过程包括：
13.基于分布式能源设备的参数信息，构建分布式发电设备和负荷的模型，将光伏发电设备模型与负荷模型聚合为虚拟同步机模型；
14.基于分布式能源设备的参数信息，将储能系统聚合为虚拟储能模型。
15.进一步的技术方案，在第一阶段中，基于所有聚合商提供的等值设备运行约束，确定运行包络的初始上下限，获得聚合商鲁棒网络安全运行包络的初始范围；
16.在第二阶段中，校验第一阶段所获得的最大鲁棒网络安全运行包络中是否存在不满足网络安全约束的点，若存在不可行解，则修正运行包络的上下限，以此得到最终的聚合商最大鲁棒网络安全运行包络。
17.进一步的技术方案，在第一阶段中，构建以最大化所有聚合商的运行包络为目标函数的模型，根据设备等值聚合模型功率的上下限之和，确定运行包络的初始范围，该运行包络的初始上下界即为聚合商鲁棒网络安全运行包络的初始范围。
18.进一步的技术方案，在第二阶段中，在第一阶段所构建的鲁棒优化模型的基础上，构建配电网安全运行约束，根据第一阶段获取的聚合商鲁棒网络安全运行包络，不断模拟运行包络中的任意点，检验运行包络内所有可能中标电量是否被安全传输，即是否满足第二阶段所构建的运行约束，若是，则获取最终的聚合商最大鲁棒网络安全运行包络，否则进行运行包络的修正。
19.进一步的技术方案，所述修正是指，在两阶段鲁棒优化模型的基础上，添加约束至第一阶段中，以此修正运行包络的初始范围；在此基础上，再进行第二阶段，不断循环迭代，直至满足第二阶段所构建的运行约束，获取最终的聚合商最大鲁棒网络安全运行包络。
20.第二方面，本公开提供了一种考虑配电网络安全的聚合商鲁棒运行包络估计系统，包括：
21.数据信息获取模块，用于获取分布式能源设备的参数信息；
22.聚合模型生成模块，用于整合分布式能源设备的参数信息，生成设备等值聚合模型；
23.安全运行包络估计模块，用于基于设备等值聚合模型中的等值设备运行约束，建立两阶段鲁棒优化模型；考虑配电网状态，对配电网不确定性建模，结合两阶段鲁棒优化模型，估计聚合商的最大鲁棒网络安全运行包络。
24.第三方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述方法的步骤。
25.第四方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述方法的步骤。
26.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
27.1、本发明提供了一种考虑配电网络安全的聚合商鲁棒运行包络估计方法及系统，利用两阶段鲁棒优化模型来求解聚合商最大鲁棒网络安全运行包络，充分考虑配电网络约束和网络状态以保证网络安全，同时通过检查对于不确定集合中的任何一点是否存在一组可行解，以应对配电网网络中的不确定性，如分布式能源出力和根节点电压，能够在不确定的情况下为聚合商争取更大的运行包络，以激励聚合商参与市场。
28.2、本发明考虑了配电网络信息的权限问题，将配电系统运营商作为计算中心，优化所有用户级设备的运行状态，可以在不确定情景下为聚合商提供更大的运行包络，有效激励聚合商参与市场，充分挖掘分布式能源灵活性。
29.3、本发明所述方法和传统的网络安全运行包络评估方法相比，充分考虑网络安全约束、所有节点的注入功率以及网络中的不确定性，可以在不确定的情况下为聚合商争取更大的运行包络以激励聚合商参与市场。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
31.图1为聚合商参与批发市场时运行包络评估框架的结构示意图；
32.图2为本发明实施例一中鲁棒网络安全运行包络估计方法的流程图。
具体实施方式
33.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.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发明的示例性实施方式。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。
35.实施例一
36.为了解决背景技术中所存在的问题，本实施例提供了一种考虑配电网络安全的聚
合商鲁棒运行包络估计方法，与传统的网络安全运行包络估计方法相比，充分考虑网络安全约束、所有节点的注入功率以及网络中的不确定性，能够在不确定的情况下为聚合商争取更大的安全运行包络，以激励聚合商参与市场。
37.当聚合商参与批发市场时，聚合商需要向市场运营商提交报价，该报价包括运行包络。为了保证报价过程中配电网的安全性，本实施例提出了聚合商参与批发市场报价的鲁棒网络安全运行包络的估计方法，可以在保证网络安全的前提下最大化聚合商的运行包络，即在聚合商参与批发市场之前，估计处聚合商能够满足配电网安全约束的运行包络，进而参与批发市场。如图1所示，首先用户与聚合商签订合同，用户向聚合商提交分布式能源设备的参数信息；然后，聚合商整合分布式能源设备的参数信息，生成“虚拟同步机”或/和“虚拟储能”的设备等值聚合模型，基于该聚合模型，向配电系统运营商上传等值设备运行约束；最后，配电系统运营商综合考虑配电网的网络状态，如节点电压、线路传输功率等，结合聚合商等值运行约束，构建两阶段鲁棒优化模型，最大化所有聚合商的运行包络，同时，将优化结果传递给聚合商。本实施例所述聚合商鲁棒网络安全运行包络估计方法，具体包括以下步骤：
38.步骤s1、获取分布式能源设备的参数信息；
39.步骤s2、整合分布式能源设备的参数信息，生成设备等值聚合模型；
40.步骤s3、基于设备等值聚合模型中的等值设备运行约束，建立两阶段鲁棒优化模型；
41.步骤s4、考虑配电网状态，对配电网不确定性建模，结合两阶段鲁棒优化模型，估计聚合商的最大鲁棒网络安全运行包络。
42.首先，上述步骤s1中，聚合商根据用户提交的信息，获取分布式能源设备的参数信息。其中，用户级分布式能源设备包括分布式发电设备(在本实施例中，以光伏发电为分布式发电设备)、负荷(包括可调控负荷和不可调控负荷)以及储能系统；所获取的参数信息包括分布式发电设备出力的上下限、参与需求响应的负荷的最大值、负荷中可调控负荷的调节系数的上下限、储能系统充放电效率系数、储能系统充放电功率的上限以及储能系统荷电状态的上下限等。
43.其次，上述步骤s2中，聚合商整合分布式能源设备，生成设备等值聚合模型，包括虚拟同步机聚合模型和虚拟储能聚合模型。首先，构建分布式发电设备(光伏发电设备)和负荷的模型，为：
[0044][0045]
p
d,d,n
＝f
flex,b,n
p
d,b,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0046][0047][0048]
式中，p
pv,b,n
为聚合商b的第n台光伏发电设备的出力；p
pv,b,n
分别为第n台光伏发电设备的最大、最小技术出力；p
d,d,n
为负荷n的实际消耗功率；p
d,b,n
、分别为参与需求响应的负荷以及其最大值；f
flex,b,n
为负荷n可调控负荷的灵活性调节系数；f
flex,b,n
分别为调节系数的上限、下限。
[0049]
然后，将光伏发电设备模型与负荷模型聚合为虚拟同步机模型，该模型为：
[0050][0051][0052]
式中，p(b)、d(b)分别为聚合商b的光伏发电设备、负荷集合；p
vsg,b
为聚合商b的虚拟同步机输出功率；p
vsg,b
分别为虚拟同步机出力的上限、下限。在本实施例中，用p
vsg,b
∈ω
vsg,b
表示该虚拟同步机模型的运行约束，其中，ω
vsg,b
为虚拟同步机的可行运行区域。
[0053]
同样，将储能系统聚合为虚拟储能模型，为：
[0054][0055][0056][0057]
式中，p
vb,b
、e
vb,b,t
分别为聚合商b的虚拟储能的有功功率、荷电状态，其中，当储能系统处于放电状态时，p
vb,b
为正，否则为负；p
vb,b
分别为储能系统的放电功率极限、充电功率极限；e
vb,b,t
分别为储能系统的荷电状态的上限、下限；η
+
，η-分别为储能系统充电、放电效率系数；δt为储能系统的离散时间间隔。在本实施例中，用p
vb,b
∈ω
vb,b
表示该虚拟储能模型的约束，其中，ω
vb,b
为虚拟储能的可行运行区域。
[0058]
上述步骤3中，为了同时保证网络安全性与运行包络最优性，本实施例为配电系统运营商建立两阶段鲁棒优化模型，以此计算聚合商的鲁棒网络安全运行包络。首先，在第一阶段中，基于所有聚合商提交的等值设备运行约束，确定运行包络的初始上下限，获得聚合商鲁棒网络安全运行包络的初始范围；其次，在第二阶段中，校验第一阶段所获得的鲁棒网络安全运行包络中是否存在不满足网络安全约束的点，若存在不可行解，则表明之前第一阶段给出的运行包络不够准确，需要修正运行包络的上下限，以此得到最终的聚合商最大鲁棒网络安全运行包络。
[0059]
具体的，第一阶段优化问题以最大化所有聚合商的运行包络为目标，获得聚合商鲁棒网络安全运行包络的初始范围。如前所述，在保证普适性的情况下，假设聚合商由虚拟同步机、虚拟储能两部分组成，则第一阶段优化问题可以表示为：
[0060]
即鲁棒优化模型第一阶段的目标函数为：
[0061][0062]
约束条件为：
[0063][0064]
上式中，优化变量与p
ag,b
共同构成聚合商b输出功率p
ag,b
的鲁棒网络安全运行
包络，即包络，即分别为运行包络的初始上限、下限，由聚合模型的功率上下限之和决定。
[0065]
也就是说，在第一阶段中，构建以最大化所有聚合商的运行包络为目标函数的模型，根据设备等值聚合模型功率的上下限之和，确定运行包络的初始范围，该运行包络的初始上下界即为聚合商鲁棒网络安全运行包络的初始范围。
[0066]
针对上述目标函数(10)，当涉及到多个聚合商时，配电系统运营商很难公平地削减包络，通常的方案是以最小化所有聚合商的整体削减量为目标。然而，该方案有利于一些对网络安全问题不敏感的聚合商，惩罚位于较弱的区域的聚合商(如终端用户)。为了克服这一问题，在本实施例中，在式(10)中采用平方距离描述聚合商削减量，使优化后的包络尽可能接近其初始包络，将削减量平均分摊到每个聚合商。
[0067]
考虑到上述在第一阶段求得的最大运行包络中可能出现任意中标电量、任意不确定的注入/流出功率、根节点电压设定点等影响配电系统网络安全运行的问题，因此，本实施例给出了第二阶段，针对第一阶段所得运行包络中的任意一点，第二阶段优化问题检查该点是否可行，并进行校正。
[0068]
第二阶段优化问题需要保证满足包括配电系统网络安全约束的运行约束。用b和e表示节点和线路的集合，第二阶段的运行约束可以表示为：
[0069]
其中，其中，
[0070]
p
ag,b
＝p
vsg,b
+p
vb,b (14)
[0071]
p
vsg,b
∈ω
vsg,b
,p
vb,b
∈ω
vb,b
(15)
[0072][0073][0074][0075][0076]
v1＝v
set
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0077][0078]
0≤l
ij
≤|i
ij
|2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0079][0080]
上式中，任意j∈b且(i,j)∈e，向量p
inj
、分别为考虑聚合商后的总注入/流出有功功率、网络的初始注入/流出有功功率；p
inj,j
，分别为节点j的总注入/流出有功功
率、初始注入/流出有功功率，当功率注入电网时，为正，反之为负；向量p
ag
为所有聚合商的输出有功功率；p
ag,b
为聚合商b的输出有功功率；h
ag
、h
inj
分别为p
ag
、的系数矩阵，其中，h
ag
(j,b)表示聚合商b是否位于节点j上，h
inj
(i,j)表示节点i与节点j是否为同一节点，如果是，为1，反之为0；向量q
inj
、分别为考虑聚合商后的总注入/流出无功功率、网络的初始注入/流出无功功率；q
inj,j
，分别为节点j的总注入/流出无功功率、初始注入/流出无功功率；向量q
ag
为聚合商的输出无功功率；q
ag,b
为聚合商b的输出无功功率；t(j)、h(j)分别为节点j的父节点、子节点集合；p
ij
、q
ij
、l
ij
分别为流经线路(i,j)的有功功率、无功功率以及电流的平方；r
ij
、x
ij
分别为线路(i,j)的电阻、电抗；vj、v
set
分别为节点、根节点电压的平方；vj分别为节点j电压平方的上限；i
ij
为流经线路(i,j)的电流平方的上限；u
p,b
为不确定变量，其在[0,1]内变化。
[0081]
上述约束(12)和(13)表示各节点总的注入有功功率和注入无功功率；约束(14)表示聚合商的输出有功功率由虚拟同步机、虚拟储能两部分组成；约束(15)为聚合后的虚拟同步机与虚拟储能可行运行区域的限制；约束(16)～(22)表示采用distflow模型描述的网络安全约束；约束(23)描述不确定变量u
p,b
和变量(即p
ag,b
、以及p
ag,b
)之间的关系。
[0082]
在第二阶段中，在第一阶段所构建的鲁棒优化模型的基础上，构建配电网安全约束，根据第一阶段获取的聚合商鲁棒网络安全运行包络，不断模拟运行包络中的任意点，检验运行包络内所有可能中标电量是否被安全传输，若是，则获取最终的聚合商最大鲁棒网络安全运行包络，否则进行运行包络的修正。也就是说，利用所构建的约束去检验包络中的点，检验包络中的任意点是否满足第二阶段所构建的运行约束，即检验该点是否存在可行解，只有存在可行解时，表示该点满足网络运行约束，能够保证网络安全。
[0083]
上述修正是指，在上述两阶段鲁棒优化模型的基础上，增加约束至第一阶段中，以此修正运行包络的初始范围，在此基础上，再进行第二阶段，通过不断循环迭代，直至满足第二阶段所构建的运行约束，获取最终的聚合商最大鲁棒网络安全运行包络。
[0084]
在步骤s4中，考虑配电网状态，对配电网不确定性建模，结合上述两阶段鲁棒优化模型，估计聚合商的最大鲁棒网络安全运行包络。具体的，考虑配电网状态，将分布式能源设备出力、根节点电压等不确定性参数u＝[[p
vsg,b
]；v
set
；u
p,b
]建模为不确定集合，不确定集合为多面体集u，其约束为：
[0085][0086]
上式中，p
vsg,0,b
、δ
g,b
分别为聚合商b下虚拟同步机的出力、可能出现的出力偏差；v
set
分别为根节点电压的上限、下限。
[0087]
结合步骤3中的两阶段优化问题与上述构建的不确定集合，可以得到鲁棒运行包络估计方法的数学模型，即，整合上述模型及相应公式，可得到聚合商参与批发市场报价的鲁棒网络安全运行包络模型的紧密形式，为：
[0088][0089]
上式中，y＝[[p
ij
]；[q
ij
]；[vj]；[l
ij
]；[p
ag,b
]；[p
vsg,b
]；[p
vb,b
]]分别为第一阶段、第二阶段优化变量；u＝{u|ru≤r}为不确定多面体集的紧密形式；a
l
、b
l
、c、d、e、f、j、r为系数矩阵；c、s、f
l
、h
l
、d、g、r为系数向量。
[0090]
第一阶段优化问题是在不考虑其他情况下使所有聚合商的包络最大化，第二阶段优化问题是检查对于u内的任意一个u是否均存在一组可行解y，若存在，则该运行包络x就是鲁棒可行的，即该包络是可行的；反之，则重新修正包络的上下范围，重新选取x，重复这一检查过程。通过对第一阶段、第二阶段的优化问题进行迭代求解，最终收敛到满足精度要求的解，即可求得所需的聚合商最大鲁棒网络安全运行包络。
[0091]
本实施例上述方案可以在有限的通信次数内处理网络安全约束，并将配电系统的不确定性考虑在内。这是因为计算网络安全包络的配电系统运营商掌握网络状态，而聚合商根据配电系统运营商给出的优化结果，直接控制用户级设备。聚合商能够在保证网络安全的前提下，获得更大的运行包络，以更好地参与市场；而配电系统运营商帮助聚合商的原则是尽量减少削减量，以确保网络安全。
[0092]
本实施例所提出的方法利用两阶段鲁棒优化模型来求解聚合商最大鲁棒网络安全运行包络，充分考虑配电网络约束和网络状态以保证网络安全，同时通过检查对于不确定集合中的任何一点是否存在一组可行解，以应对配电网络中的不确定性，如分布式能源出力和根节点电压。此外，还考虑了配电网络信息的权限问题，将配电系统运营商作为计算中心，优化所有用户级设备的运行状态，可以在不确定情景下为聚合商提供更大的运行包络，有效激励聚合商参与市场，充分挖掘分布式能源灵活性。
[0093]
实施例二
[0094]
本实施例提供了一种考虑配电网络安全的聚合商鲁棒运行包络估计系统，包括：
[0095]
数据信息获取模块，用于获取分布式能源设备的参数信息；
[0096]
聚合模型生成模块，用于整合分布式能源设备的参数信息，生成设备等值聚合模型；
[0097]
安全运行包络估计模块，用于基于设备等值聚合模型中的等值设备运行约束，建立两阶段鲁棒优化模型；考虑配电网状态，对配电网不确定性建模，结合两阶段鲁棒优化模型，估计聚合商的最大鲁棒网络安全运行包络。
[0098]
实施例三
[0099]
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成如上所述的考虑配电网络安全的聚合商鲁棒运行包络估计方法中的步骤。
[0100]
实施例四
[0101]
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成如上所述的考虑配电网络安全的聚合商鲁棒运行包络估计方法
中的步骤。
[0102]
以上实施例二至四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发明中的任一方法。
[0103]
本领域技术人员应该明白，上述本发明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。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0104]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0105]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。