本发明属于电力系统运行与控制领域，具体涉及一种用于灾害后快速恢复供电的多微网的分层优化调度方法及系统。
背景技术：
：电力系统作为关系到国家安全和国民经济命脉的重要基础设施,不仅要满足正常环境下的稳定可靠运行,更需要能在极端灾害发生时维持必要的功能。近年来频繁发生的极端灾害，如2008年中国南方冰灾、2011年东日本地震、2012年美国桑迪飓风等给电力系统带来了严重破坏，造成了大规模停电事故，使电力系统恢复力的研究成为了国内外关注的重要课题。恢复力主要体现在系统在灾害前的准备与预防，灾害发生过程中的抵御、吸收、响应、适应以及灾害发生后的快速恢复。分布式能源与微网技术的发展从灾后快速恢复的角度为恢复力提升提供了新思路。如何在电力系统故障状态下通过优化运行策略来最大限度保障重要负荷的电力供应成为了一项值得研究的问题。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种用于灾害后快速恢复供电的多微网的分层优化调度方法及系统，本发明提高电力系统故障状态下维持关键负荷电力供应的能力，增强电网弹性。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于电力系统故障后负荷快速恢复的多微网分层优化调度方法，包括以下步骤：1)极端事件发生造成电网故障后，微网解列运行，区域内多微网组成互联系统；2)第一阶段，各微网根据新能源出力及负荷预测数据，以切负荷损失及运行费用最小为目标，采用滚动优化方式制定多时段的机组调度计划；3)第二阶段，制定互联微网间电力协调互助方案，使有剩余发电能力的微网向负荷供电不足的微网输送功率，各微网据此更新在步骤2)中制定的机组调度计划并在下一时段执行调度；4)判断电网是否仍处于故障状态：若故障已消除，则微网进行同步并网操作，否则将重复步骤2)、3)直到故障消除为止。作为本发明的进一步改进，第一阶段各微网制定调度计划采用滚动时域优化方式，基于对多时段可再生能源和负荷的预测，在满足功率平衡及各机组约束的前提下制定微网内分布式发电机、储能、负荷的调度安排。作为本发明的进一步改进，其特征在于，步骤2)具体为：微网多时段调度计划的制定为求解混合整数线性规划问题，在满足运行约束的条件下，求解使切负荷损失及运行费用最小的最优机组调度计划；其目标函数和约束条件如下：2.1)目标函数：在第一阶段，各微网根据可再生能源机组出力和负荷需求的预测值，以切负荷损失最小和总运行费用最少为优化目标制定机组的调度计划；将互联系统内的微网分别编号1,2,…,n，对于微网n，其目标函数为：式中：k表示当前的时段，t为优化时长，在k+1至k+t-1时间区间内制定最优调度方案；gn，sn，lintn分别表示第n个微网中可控机组、储能、可中断负荷的集合；为可控机组i在t时段发出功率时单位时间的发电费用；sui(t)，sdi(t)为可控机组i在t时段的启、停费用，其表达式为：其中ui(t)为0、1变量，表示可控机组i在t时段的运行状态，取1时表示开机状态，分别为可控机组i的单次启动、停机费用；为储能装置i的单位放电费用，为其在t时段的放电功率；为可中断负荷i的单位切除损失折合费用，为其在t时段的切除功率；式(1)中，第1、2、3项分别为可控机组i在t时段的发电费用和启、停费用，第4项为储能装置i在t时段的放电费用，第5项为可中断负荷i在t时段的负荷切除损失；2.2)约束条件：功率平衡约束：微网在各时段内的发电量应等于用电量，即对于t＝k+1,…,k+t应满足：式中：gn，rn，sn，limpn，lintn分别为第n个微网中可控机组、可再生能源机组、储能、重要负荷、可中断负荷的集合；为可控机组i在t时段发出的功率；为可再生能源机组i在t时段发出功率的预测值；分别为储能装置i在t时段的充电功率和放电功率；li(t)为负荷i在t时段需求功率的预测值；为可中断负荷i在t时段的切除功率；可控机组约束：式中：分别为可控机组i的最小、最大出力限制；ui(t)为可控机组i在t时段的开机状态；uri、dri分别为可控机组i在相邻时段出力上升和下降的爬坡限制；储能约束：式中：为0、1变量，分别表示储能装置i在t时段的放电，充电状态，在一个时段内不能同时存在充电和放电，因此二者不能同时为1；分别表示储能装置i的最小、最大放电功率，为其最小、最大充电功率，分别为其在t时段的充、放电功率；分别为储能装置i可存储能量的最小、最大值，ei(t)为其在t时段存储的能量；分别表示储能装置i的充、放电效率；负荷约束：上式表示可中断负荷i在t时段的切除量应不大于其预测的总负荷需求量。作为本发明的进一步改进，第二阶段制定微网之间的电力传输方案时，配网调度员获取各微网剩余可发出力或负荷切除功率的信息，通过数学规划方法在满足功率平衡约束、微网最大可输出/输入功率约束及联络线容量约束的前提下进行全局优化。作为本发明的进一步改进，步骤3)具体为：在完成阶段一调度计划的制定以后，各微网根据该计划求出在k+1时段可控发电机组还增加的最大出力和储能还增加的放电量或负荷切除量ln,k+1；各微网将该结果上传至配电网调度中心，调度中心以全局切负荷损失及运行费用最小为目标，通过下述混合整数线性规划模型的求解来制定k+1时段的功率传输方案：3.1)目标函数：式中：gn,k+1为k+1时段微网n可控发电机组增加出力的优化变量；lsn,k+1为k+1时段微网n中可中断负荷切除功率的优化变量；tnm,k+1为k+1时段微网n向微网m传输功率的优化变量，当功率传输方向为m向n时取负值；分别表示微网n的单位可控发电机增加出力费用、单位切负荷损失费用和微网n,m的单位联络线输电费用；3.2)约束条件：功率平衡约束：式(15)表示各微网都应满足可控发电机组出力的增加量在计入对外输出或接收功率后等于负荷切除的减少量；可增发功率及负荷切除约束：0＜＜lsn,k＋1＜＜ln,k+1(17)联络线容量约束：式中：vnm为表示联络线状态的0、1变量，当微网n、m之间进行功率传输时取1；为微网n、m之间联络线的容量限制；优化完成后，各微网根据需要增发的功率或需要减小的切负荷量来更新第一阶段的调度计划，在k+1时段到来时执行此计划，完成第二阶段的实施过程。一种用于灾害后快速恢复供电的多微网的分层优化调度系统，包括通信网络和n个微网组成的互联系统，在n个微网组成的互联系统中，各微网的控制中心处于模型下层，用于相应微网内部的运行管理；通信网络和电力联络线处于模型上层，用于数据通信以及微网之间功率的传输交换，实现全系统的优化运行；当极端事件发生导致大电网故障后，微网从外部电网解列，多个微网组成互联系统；在第一阶段各微网的控制中心以负荷切除最少和运行费用最低为目标函数制定内部机组的功率调度计划；在第二阶段，根据第一阶段调度计划所得结果制定功率传输方案，通过有剩余发电能力的微网对负荷供电不足的微网传输电能，优化微网间的能源配置，各微网控制中心随后根据该传输方案对第一阶段的机组调度计划进行更新并执行计划；当一、二两阶段完成后，判断外部电网是否仍处于故障状态，若外部电网已恢复正常运行，则各微网进行并网操作，否则将在下一时间段重复实施上述两阶段的过程。优选地，第一阶段各微网制定调度计划采用滚动时域优化方式，基于对多时段可再生能源和负荷的预测，在满足功率平衡及各机组约束的前提下制定微网内分布式发电机、储能、负荷的调度安排。优选地，第二阶段制定微网之间的电力传输方案时，配网调度员获取各微网剩余可发出力或负荷切除功率的信息，通过数学规划方法在满足功率平衡约束、微网最大可输出/输入功率约束及联络线容量约束的前提下进行全局优化。本发明的有益效果体现在：本发明采用滚动计划方法，各微网根据新能源出力及负荷预测数据，以切负荷损失及运行费用最小为目标，采用滚动优化方式制定多时段的机组调度计划；制定互联微网间电力协调互助方案，使有剩余发电能力的微网向负荷供电不足的微网输送功率，各微网据此更新在步骤2)中制定的机组调度计划并在下一时段执行调度；有效减小了可再生能源和负荷预测误差对决策的影响，同时在多个时段上制定计划可以综合考虑到储能的充放电安排、发电机组爬坡约束、可再生能源波动性等问题。此外，本发明将分层优化模型应用于互联微网调度管理，分层优化模型由于第一阶段是由各微网自主调度，能够更好地保障各微网的自主管理权，实现分层次的高效管理。最后，模型可以转化为混合整数线性规划问题，在保证优化效果的同时具有计算量小、计算速度快的优点，具有很好的实用性，可在电网故障的负荷保障与恢复过程中为调度人员提供合理建议。利用本发明方法可以在电网发生故障后最大限度维持重要负荷供电，减小停电损失。分层调度方法在兼顾经济性和高效性的同时，有效保障了各微网归属单位的所有权。本发明可用于电力系统故障后的快速供电恢复，为提升电网恢复力提供切实可行的决策依据。附图说明图1为互联微网分层优化模型结构图。图2为微网分层优化模型实施流程图。图3为微网互联系统图；图4为可再生能源出力预测图；图5为负荷预测图；图6为可控发电机出力优化情况图；图7为储能存储电能优化情况图；图8为各微网可控机组出力情况图；图9为各微网储能变化情况图；图10为各微网负荷切除情况图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。参见图1、2，本发明所述的一种用于电网故障时负荷保障和恢复的互联微网优化调度方案，通过分层管理以及两阶段优化模型实现负荷切除损失最小化，提高电网应对灾害事件的能力。电力供应中断下的互联微网分层优化模型的实施包括以下步骤：1)极端事件发生造成电网故障后，微网解列运行，区域内多微网组成互联系统；2)第一阶段，各微网根据新能源出力及负荷预测数据，以切负荷损失及运行费用最小为目标，采用滚动优化方式制定多时段的机组调度计划；3)第二阶段，制定互联微网间电力协调互助方案，使有剩余发电能力的微网向负荷供电不足的微网输送功率，各微网据此更新在步骤2)中制定的机组调度计划并在下一时段执行调度。4)判断电网是否仍处于故障状态。若故障已消除，则微网进行同步并网等操作，否则将重复步骤2)、3)直到故障消除为止。所述互联微网分层优化模型结构如图1所示。在n个微网组成的互联系统中，各微网的控制中心(microgridcentralcontroller,mgcc)处于模型下层，负责相应微网内部的运行管理；通信网络和电力联络线处于模型上层，负责数据通信以及微网之间功率的传输交换，实现全系统的优化运行。双层优化模型的下层和上层分别对应模型具体实施的第一、二阶段。当极端事件发生导致大电网故障后，微网从外部电网解列，多个微网组成互联系统。在第一阶段各微网的mgcc以负荷切除最少和运行费用最低为目标函数制定内部机组的功率调度计划；在第二阶段，根据第一阶段调度计划所得结果制定功率传输方案，通过有剩余发电能力的微网对负荷供电不足的微网传输电能，优化微网间的能源配置，各微网mgcc随后根据该传输方案对第一阶段的机组调度计划进行更新并执行计划。当一、二两阶段完成后，判断外部电网是否仍处于故障状态，若外部电网已恢复正常运行，则各微网可以进行并网操作，否则将在下一时间段重复实施上述两阶段的过程。相关流程如图2所示。所述分层优化方法的第一层用于各微网的自主调度，实现微网内负荷切除和运行费用最小化；第二层用于多微网之间的全局优化，通过微网间联络线的电力传输实现全系统的负荷切除最小化。所述阶段一制定多时段机组调度计划的说明如下：微网多时段调度计划的制定为求解混合整数线性规划问题，在满足一定运行约束的条件下，求解使切负荷损失及运行费用最小的最优机组调度计划。其目标函数和约束条件如下：2.1)目标函数：在第一阶段，各微网根据可再生能源机组出力和负荷需求的预测值，以切负荷损失最小和总运行费用最少为优化目标制定机组的调度计划。对于可控分布式发电机组，如微型燃气轮机、柴油发电机等，其运行费用主要包括燃料费用、维护费用和启停费用，其中燃料费和维护费合并作发电费用，近似为发出有功功率的二次函数，可将其分段线性化处理。对于可再生能源发电机，由于其发电来源为风、光等自然资源，费用相对较小，在优化函数中予以忽略。将互联系统内的微网分别编号1,2,…,n，对于微网n，其目标函数为：式中：k表示当前的时段，t为优化时长，在k+1至k+t-1时间区间内制定最优调度方案；gn，sn，lintn分别表示第n个微网中可控机组、储能、可中断负荷的集合；为可控机组i在t时段发出功率时单位时间的发电费用；sui(t)，sdi(t)为可控机组i在t时段的启、停费用，其表达式为：其中ui(t)为0、1变量，表示可控机组i在t时段的运行状态，取1时表示开机状态，分别为可控机组i的单次启动、停机费用。为储能装置i的单位放电费用，为其在t时段的放电功率；为可中断负荷i的单位切除损失折合费用，为其在t时段的切除功率；式(1)中，第1、2、3项分别为可控机组i在t时段的发电费用和启、停费用，第4项为储能装置i在t时段的放电费用，第5项为可中断负荷i在t时段的负荷切除损失。2.2)约束条件：功率平衡约束：微网在各时段内的发电量应等于用电量，即对于t＝k+1,…,k+t应满足：式中：gn，rn，sn，limpn，lintn分别为第n个微网中可控机组、可再生能源机组、储能、重要负荷、可中断负荷的集合；为可控机组i在t时段发出的功率；为可再生能源机组i在t时段发出功率的预测值；分别为储能装置i在t时段的充电功率和放电功率；li(t)为负荷i在t时段需求功率的预测值；为可中断负荷i在t时段的切除功率。可控机组约束：式中：分别为可控机组i的最小、最大出力限制；ui(t)为可控机组i在t时段的开机状态；uri、dri分别为可控机组i在相邻时段出力上升和下降的爬坡限制。储能约束：式中：为0、1变量，分别表示储能装置i在t时段的放电，充电状态，在一个时段内不能同时存在充电和放电，因此二者不能同时为1；分别表示储能装置i的最小、最大放电功率，为其最小、最大充电功率，分别为其在t时段的充、放电功率；分别为储能装置i可存储能量的最小、最大值，ei(t)为其在t时段存储的能量；分别表示储能装置i的充、放电效率。负荷约束：上式表示可中断负荷i在t时段的切除量应不大于其预测的总负荷需求量。所述阶段二制定互联微网间电力传输方案说明如下：在完成阶段一调度计划的制定以后，各微网根据该计划求出在k+1时段可控发电机组还可以增加的最大出力和储能还可以增加的放电量(二者之和为可以输出到其他微网的功率)或负荷切除量ln,k+1(即需要从其他微网输入的功率)。各微网将该结果上传至配电网调度中心，调度中心以全局切负荷损失及运行费用最小为目标，通过下述混合整数线性规划模型的求解来制定k+1时段的功率传输方案：3.1)目标函数：式中：gn,k+1为k+1时段微网n可控发电机组增加出力的优化变量；lsn,k+1为k+1时段微网n中可中断负荷切除功率的优化变量；tnm,k+1为k+1时段微网n向微网m传输功率的优化变量，当功率传输方向为m向n时取负值；分别表示微网n的单位可控发电机增加出力费用、单位切负荷损失费用和微网n,m的单位联络线输电费用。3.2)约束条件：功率平衡约束：式(15)表示各微网都应满足可控发电机组出力的增加量在计入对外输出或接收功率后等于负荷切除的减少量。可增发功率及负荷切除约束：0＜＜lsn,k+1＜＜ln,k+1(17)联络线容量约束：式中：νnm为表示联络线状态的0、1变量，当微网n、m之间可以进行功率传输时取1；为微网n、m之间联络线的容量限制。优化完成后，各微网根据需要增发的功率或需要减小的切负荷量来更新第一阶段的调度计划，在k+1时段到来时执行此计划，完成第二阶段的实施过程。某微网互联系统图如图3所示。五个微网按照径向分布方式通过公共耦合点与配电网连接，当配电网故障后，微网与外部电网解列，微网两两间联络线闭合组成互联系统。mg、mt、ess、pv、wt分别表示微网、微型燃气轮机(可控发电机)、储能、光伏、风机。可控发电机的发电费用二次函数系数，最大、最小出力，爬坡约束如表1所示。储能的单位放电费用，容量，最大放电、充电功率如表2所示。可再生能源出力和负荷预测分别如图4、5所示，其中，光伏和风电出力峰值分别为0.5mw、0.6mw，重要负荷编号为11,24,31,42,51，峰值0.3mw，其余负荷均为可中断负荷，峰值0.4mw，单位切除损失惩罚因子120￥/mwh(可以根据负荷重要度设置)。假设外部电网故障发生在12：00—21：00，微网在12：00解列形成互联系统，并开始实施前述分层停电管理模型。表1.可控发电机组数据a(￥/mwh2)b(￥/mwh)c(￥)pmax(mw)pmin(mw)dr/ur(mw)0.026830.1224.020.50.020.25表2.储能装置数据单位放电费用(＄/mwh)最大容量(mwh)pdch,max(mw)pch,max(mw)200.60.250.25分层停电管理模型实施步骤如下：步骤一：各微网制定第一阶段调度计划，每个时段取为1小时，计划时长t设为9小时。以微网1为例，根据式(1)-(13)，在12：00时对区间12：00-21：00制定的机组运行计划如图6、图7所示：微网2、3、4、5以同样方式制定机组调度计划，在12：00时各微网在时间区间12:00-21：00的9个时段上对可控发电机组、储能和负荷的调度计划汇总如图8、图9、图10所示。步骤二：制定微网间功率传输方案。各微网首先求出步骤一的调度计划在12：00-13：00产生的结果并上传至配电网调度中心，求解过程如下所示：在时段12：00—13：00中，微网2和微网3出现了切负荷情况，切负荷量分别为93.65kw和263.79kw。微网1中可控发电机mt11和mt12在该时段输出功率分别为111.26kw和100kw，均未达到最大出力，由于爬坡约束为250mw，因此两发电机组最大可增发出力共500kw；同理求得微网4、5的计划结果，如表3所示。表3.各微网在12：00—13：00的计划结果由表3可以看出，在12：00-13：00需要从微网1，4，5向微网2，3输送功率来减小切负荷损失。配电网调度中心制定方案时，取各微网可控机组发电费用函数的一次项系数，取微网储能装置单位放电费用，取微网内单位负荷切除损失费用的平均值，各微网间联络线传输费用统一取10￥/mw，联络线最大容量取250kw，根据式(14)-(18)，制定微网间功率传输方案如下：表4.功率传输方案各微网根据此方案更新在12：00-13：00时的调度计划并执行计划。通过微网间功率传输，在12：00-13：00时微网2、3的负荷切除量降为0，实现了全局优化。在下一时段到来，即13：00时重新实施上述步骤一、二，直到配电网故障被清除为止。综上所述，本发明的方法可以有效应用于电网故障时的多微网系统联合调度，最大限度保障重要负荷的电力供应，提高电力系统恢复力。本发明的保护范围并不限于上述的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，倘若对本发明进行的各种改动和变形属于本发明权利要求求及等同技术范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。当前第1页12