分布式电源和电动汽车大规模接入的配电网无功电压优化方法与流程
本发明涉及配电网无功优化技术领域，尤其涉及分布式电源和电动汽车大规模接入的配电网无功电压优化方法。
背景技术：
配电网中分布式电源渗透率的提高将不可避免的对电压造成影响，配网中的潮流方向将由单向改为双向，电网结构和运行方式将因为dg并网发生本质的变化，传统的一些无功电压优化策略将受到限制或根本无法满足当前需要，而且dg主要以可再生能源，即风电、光伏为主，风电、光伏出力的间歇性和不确定性会使电压波动较大，给电压控制带来新的挑战，需求侧响应在功率平衡中发挥着很重要的作用，将其纳入电压无功优化的问题中，可以有效改善由dg不确定性引起的潮流分布的不合理情况。不少最新研究开始关注负荷跟踪发电模式，通过负荷侧资源主动响应参与电网互动，为dg并网提供更大的容量空间。电动汽车是需求侧响应范畴内的重要负荷，其作为分布式储能单元，若能结合车联网技术(vehicle-to-grid,v2g)合理安排充放电计划，便可实现与电网双向互动达到“削峰填谷”的作用。
电动汽车是有电力来代替传统的石油对汽车进行驱动，能够缓解能源紧张的趋势，并减少温室气体的排放，正得到迅速发展。而大规模电动汽车充放电势必会对配电网的结构、运行产生巨大的影响。因此，了解并准备预测电动汽车充放电对电网的影响对智能配电网的建设具有重要的意义。目前有些学者已经开展了一些电动汽车对电网影响方面的研究，主要包括以下内容：(1)评估现有发电容量是否能满足日益增长的电动汽车负荷需求；(2)电动汽车接入网络研究，研究电动汽车向电网提供辅助服务的价值，包括调频、旋转备用等；(3)研究日益增加的电动汽车对中、低压电网的影响。
分布式电源的广泛接入和负荷管理在配电网中的实施对配电网的运行必将产生巨大的影响。传统的配电网是一种单向的，被动接受上层电网指令的受端网络，自身不包含电源，但是当分布式电源接入后则变成了有源网络，在进一步考虑负荷管理后，配电网将会变得更加复杂，此时的配电网无论是在运行模式、管理方式还是控制方式上都与传统配电网截然不同。目前国家正在建设坚强电网，加快城乡配电网智能化建设和改造，大为推广配电自动化技术，配电水平得到了较大程度的改善，但由于负荷需求的急剧增长、分布式电源的广泛接入、负荷管理的薄弱，导致配电网的电压时刻处于非正常范围内，如何解决分布式电源和电动汽车大规模接入配电网的无功优化是当前的研究方向。
经过研究发现大规模的分布式电源跟电动汽车接入配电网会对配电网的电压造成一定的影响，通过电动汽车对配电网双向进行智能充放电，在大规模分布式电源接入配电网的基础上配合柔性设备达到配电网的电压运行在规定的范围之内。
技术实现要素：
根据现有技术存在的问题，本发明公开了分布式电源和电动汽车大规模接入的配电网无功电压优化方法，具体实施方案是：包括以下步骤：
s1：建立线损之和最小、节点电压总偏移量最小、v2g与无功电压优化利用率最大的多目标数学模型。
s2：采用智能充放电方法合理安排充放电计划，在车主和电网安排充放电计划之间引入奖惩机制，实现无功电压优化的同时达到绿化环境的效果。
s3：建立基于电气距离法的配电网分区模型，为了保证分区之后的区域之间能够相互联系，通过相邻区域之间存在耦合支路变量的关系来解决分区之后存在的问题。
s4：对上述步骤进行抽象处理之后考虑到分布式电源出力的间歇性，在分区的基础上采用分两步的方式进行无功电压进行优化。
s5：从集中控制和分散控制两方面相互配合实现分布式电源和电动汽车大规模接入配电网的无功电压进行优化控制。
所述的多目标函数数学模型如下：
s11建立线损之和最小的目标函数
式中：gij为支路的ij的电导，vi、vj为节点i、j的电压，δij为节点i、j之间的电压相角差。
s12建立以节点电压总偏移量最小的目标函数：
式中:vn为节点额定电压，vi为节点的实际电压，n为总得节点数。
s13建立v2g与无功电压优化的最大利用率目标函数：
l3＝min(1-ε)
式中：ε为v2g对无功电压优化的利用率，
将上式三个单一的目标函数转化为单一的目标函数：
f＝λ1l1+λ2l2+λ3l3
式中：λ1、λ2、λ3为各自目标函数对应的权重系数，且λ1+λ2+λ3＝1。
约束条件如下：
|vn-vi|≤0.05
qdgmin,t≤qdg,t≤qdgmax,t
0≤qc≤qc,max
qi,svg.min≤qi,svg≤qi,svg.max
0≤nc≤nc,max
pi＝pdg,i-plode,i±pcharge,i
qi＝qdg,i-qlode,i+qsvg,i+qc,i±qcharge,i
式中：qc表示电容器投切的电容量，qdg表示dg的无功出力，pi、qi、分别为节点i总的有功功率、无功功率，gij、bij分别为节点i和j之间的电导和电纳，δij为节点i、j之间的电压相角差，qdgmin,t、qdgmax,t分别为dg无功出力的最小值和最大值。qc,max为电容器最大的投切容量，nc,max为电容器最大的投切次数，qi,svg.min、qi,svg.max为静止无功补偿器的最小补偿容量和最大无功补偿容量，pdg,i、qdg,i为分布式电源的有功出力和无功出力，plode,i、qlode,i为负荷消耗的有功和无功，pcharge,i、qcharge,i为电动汽车的有功与无功，作为放电时前边的符号为“+”，作为充电时前边的符号为“—”。
s2考虑到大规模的电动汽车接入电网，如果没有合理的安排方式，随机的接入电网会对负荷、电网损耗、电压产生很大的影响。为了避免这些影响，采用智能充放电方法对电动汽车的充放电行为进行有效的控制。
智能充放电方法的实现步骤如下：
步骤一：车主将次日的行车安排以及是否参与充放电情况发送到服务商，服务商汇总信息之后提交到调度中心。
步骤二：调度中心接收到服务商提交的信息之后，对未来一天内的负荷进行预测，将预测的低谷时段和高峰时段负荷给予展现，并对不同时间段对放电补偿电价、充电支付电价的具体情况下达给服务商。
步骤三：服务商在接收到调度中心的负荷预测、充放电价等信息之后，将情况发送到车主，车主根据服务商下发的信息对次日的充放电调度有序安排自己的充放电计划，实现最优的充放电。
步骤四：为了使车主和电网之间的计划达到可实施性，电网应制定奖惩机制，对于能够履行自己计划的车主给予电量的奖励，包括给自己电动车充电和家用两个选择，相反的对于不能够履行自己计划的车主在超过规定的次数之后，给予一段时间能不能参与充放电行为。以此来规范化人们的行为，也能促使更多的人购买电动车来参与充放电计划，在达到优化电网电压的同时还能绿化环境。
通过车主、服务商、调度中心三者之间的相互联系最终实现电动汽车与电网的双向互动，达到“削峰填谷”的作用，同时也达到了降低电能损耗和提高电压质量的作用。
s3建立最优分割的配电网分区方法，首先确定目标函数。
以各分区电气距离值差值之和最小为目标函数：
其中ri是电气距离值，n为分区个数。
对于配电网系统，用m＝(n,n)表示将有n个节点的配电网系统分成了n个区域，要分为n个区需要进行n-1次分割，对于有n个节点的系统有
为了使n个区域之间相互联系保证结果的真实性，可以通过支路耦合实现，
区域1的节点为{1,2,3,4,5,6}，区域2的节点为{5,6,7,8,9,10,11},可以看出两区域之间通过支路l56耦合，耦合支路lij的状态变量有传输功率pij、qij，节点电压ui、uj。某一区域a中的耦合支路的状态变量可以表示为f(a,ij)＝{pij,qijui,uj}，分区后相邻区域间的状态变量应该相等。
s4由于分布式电源出力的间歇性，考虑在极限情况下的求解方式。
上述步骤可以抽象为下式
其中：x为新能源的出力，y为不可连续的出力参数(电容器投切，电动汽车)，z为可连续出力的参数(静止无功补偿器等)。a,b为相邻的两个区域，ij为耦合支路。
为了满足分布式电源出力的随机性以及在出力极限的情况下。使得目标函数最优分两步对目标函数求解，在新能源出力变化时，电容器，电动汽车属于调节的第一步，也是粗调节，在第一步调节完成后，通过调节静止无功补偿器满足新能源出力的变化，属于第二步调节，也是细调节。
s5大规模分布式电源和电动汽车的接入使得电网节点电压和运行结构面临严重的挑战，为了适应高渗透率dg和电动车的接入，保证电网运行在安全可靠的状态，提出由分散控制和集中控制两方面达到对无功电压协调控制。
在划分区域的基础上，在分区内部通过两阶段对电压无功进行优化，第一阶段在能源处理变化时，基于设备的响应速度和经济性考虑，配电网中的投切电容器不随新能源出力而发生变化，属于分区两阶段控制中的第一阶段。在确定了电容器的投切量之后，在此基础上灵活调节静止无功补偿器的量，在对于dg和静止无功补偿器处于同一公共节点的情况下，二者协调配合达到优化电压的效果，这属于分区两阶段的第二阶段，这两个阶段旨在较好的完成分区的调压效果，不考虑全局的调压效果。
集中控制是通过数据采集与监控系统等设备采集电网的网络参数和潮流分布等数据，在此基础上调节有载调压变压器的大小同时配合需求侧响应(电动汽车)两者相互协调达到优化全局的调压结果。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的分布式电源和电动汽车大规模接入的配电网无功电压优化方法,该方法可以对大规模的分布式电源和电动汽车的接入保持电压在正常范围内运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明分区示意图
图2为本发明无功电压协调控制结构图
图3为本发明pg&e69节点配电系统图
图4(a)为本发明光伏日功率曲线图
图4(b)为本发明风电日功率曲线图
图5为本发明负荷曲线变化图
图6为本发明优化前后系统电压分布图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
一种分布式电源和电动汽车大规模接入的配电网无功电压优化方法，包括如下步骤：
s1：建立线损之和最小、节点电压总偏移量最小、v2g与无功电压优化利用率最大的多目标数学模型。
s11建立线损之和最小的目标函数
式中：gij为支路的ij的电导，vi、vj为节点i、j的电压，δij为节点i、j之间的电压相角差。
s12建立以节点电压总偏移量最小的目标函数：
式中:vn为节点额定电压，vi为节点的实际电压，n为总得节点数。
s13建立v2g与无功电压优化的最大利用率目标函数：
l3＝min(1-ε)
式中：ε为v2g对无功电压优化的利用率，
将上式三个单一的目标函数转化为单一的目标函数：
f＝λ1l1+λ2l2+λ3l3
式中：λ1、λ2、λ3为各自目标函数对应的权重系数，且λ1+λ2+λ3＝1。
约束条件如下：
|vn-vi|≤0.05
qdgmin,t≤qdg,t≤qdgmax,t
0≤qc≤qc,max
qi,svg.min≤qi,svg≤qi,svg.max
0≤nc≤nc,max
pi＝pdg,i-plode,i±pcharge,i
qi＝qdg,i-qlode,i+qsvg,i+qc,i±qcharge,i
式中：qc表示电容器投切的电容量，qdg表示dg的无功出力，pi、qi、分别为节点i总的有功功率、无功功率，gij、bij分别为节点i和j之间的电导和电纳，δij为节点i、j之间的电压相角差，qdgmin,t、qdgmax,t分别为dg无功出力的最小值和最大值。qc,max为电容器最大的投切容量，nc,max为电容器最大的投切次数，qi,svg.min、qi,svg.max为静止无功补偿器的最小补偿容量和最大无功补偿容量，pdg,i、qdg,i为分布式电源的有功出力和无功出力，plode,i、qlode,i为负荷消耗的有功和无功，pcharge,i、qcharge,i为电动汽车的有功与无功，作为放电时前边的符号为“+”，作为充电时前边的符号为“—”。
s2:采用智能充放电方法合理安排充放电计划，在车主和电网安排充放电计划之间引入奖惩机制，实现无功电压优化的同时达到绿化环境的效果。
考虑到大规模的电动汽车接入电网，如果没有合理的安排方式，随机的接入电网会对负荷、电网损耗、电压产生很大的影响。为了避免这些影响，采用智能充放电方法对电动汽车的充放电行为进行有效的控制。智能充放电方法的实现步骤如下：
步骤一：车主将次日的行车安排以及是否参与充放电情况发送到服务商，服务商汇总信息之后提交到调度中心。
步骤二：调度中心接收到服务商提交的信息之后，对未来一天内的负荷进行预测，将预测的低谷时段和高峰时段负荷给予展现，并对不同时间段对放电补偿电价、充电支付电价的具体情况下达给服务商。
步骤三：服务商在接收到调度中心的负荷预测、充放电价等信息之后，将情况发送到车主，车主根据服务商下发的信息对次日的充放电调度有序安排自己的充放电计划，实现最优的充放电。
步骤四：为了使车主和电网之间的计划达到可实施性，电网应制定奖惩机制，对于能够履行自己计划的车主给予电量的奖励，包括给自己电动车充电和家用两个选择，相反的对于不能够履行自己计划的车主在超过规定的次数之后，给予一段时间能不能参与充放电行为。以此来规范化人们的行为，也能促使更多的人购买电动车来参与充放电计划，在达到优化电网电压的同时还能绿化环境。
通过车主、服务商、调度中心三者之间的相互联系最终实现电动汽车与电网的双向互动，达到“削峰填谷”的作用，同时也达到了降低电能损耗和提高电压质量的作用。
s3：建立基于电气距离法的配电网分区模型，为了保证分区之后的区域之间能够相互联系，通过相邻区域之间存在耦合支路变量的关系来解决分区之后存在的问题
建立最优分割的配电网分区方法，首先确定目标函数。
以各分区电气距离值差值之和最小为目标函数：
其中ri是电气距离值，n为分区个数。
对于配电网系统，用m＝(n,n)表示将有n个节点的配电网系统分成了n个区域，要分为n个区需要进行n-1次分割，对于有n个节点的系统有
如图1所示的分区示意图，为了使n个区域之间相互联系保证结果的真实性，可以通过支路耦合实现，
在图中区域1的节点为{1,2,3,4,5,6}，区域2的节点为{5,6,7,8,9,10,11},可以看出两区域之间通过支路l56耦合，耦合支路lij的状态变量有传输功率pij、qij，节点电压ui、uj。某一区域a中的耦合支路的状态变量可以表示为f(a,ij)＝{pij,qijui,uj}，分区后相邻区域间的状态变量应该相等。
s4：对上述步骤进行抽象处理之后考虑到分布式电源出力的间歇性，在分区的基础上采用分两步的方式进行无功电压进行优化。
由于分布式电源出力的间歇性，考虑在极限情况下的求解方式。
上述步骤可以抽象为下式
其中：x为新能源的出力，y为不可连续的出力参数(电容器投切，电动汽车)，z为可连续出力的参数(静止无功补偿器等)。a,b为相邻的两个区域，ij为耦合支路。
为了满足分布式电源出力的随机性以及在出力极限的情况下。使得目标函数最优分两步对目标函数求解，在新能源出力变化时，电容器，电动汽车属于调节的第一步，也是粗调节，在第一步调节完成后，通过调节静止无功补偿器满足新能源出力的变化，属于第二步调节，也是细调节。
s5:从集中控制和分散控制两方面相互配合实现分布式电源和电动汽车大规模接入配电网的无功电压进行优化控制。
大规模分布式电源和电动汽车的接入使得电网节点电压和运行结构面临严重的挑战，为了适应高渗透率dg和电动车的接入，保证电网运行在安全可靠的状态，提出由分散控制和集中控制两方面达到对无功电压协调控制，
如图2：在划分区域的基础上，在分区内部通过两阶段对电压无功进行优化，第一阶段在能源处理变化时，基于设备的响应速度和经济性考虑，配电网中的投切电容器不随新能源出力而发生变化，属于分区两阶段控制中的第一阶段。在确定了电容器的投切量之后，在此基础上灵活调节静止无功补偿器的量，在对于dg和静止无功补偿器处于同一公共节点的情况下，二者协调配合达到优化电压的效果，这属于分区两阶段的第二阶段，这两个阶段旨在较好的完成分区的调压效果，不考虑全局的调压效果。
集中控制是通过数据采集与监控系统等设备采集电网的网络参数和潮流分布等数据，在此基础上调节有载调压变压器的大小同时配合需求侧响应(电动汽车)两者相互协调达到优化全局的调压结果。
算例分析
如图3所示：本文采用美国pg&e的69节点配电系统作为计算实例。
如图4所示：算例中接入的dg类型为光伏供电系统(pv)和风力发电系统(wtg)，以一天作为优化时间，考虑大规模配电系统涵盖区域面积较广，各地区在相识时间段内光照强度和风速都存在不同的差异，因此在算例中采用了不同的光照强度和风速。利用光伏发电和风力发电模型进行模拟仿真，产生光伏发电系统和风力发电系统的日出力曲线，。
如图5所示：该系统的标准负荷为3.802+2.695mva，考虑一天中系统的负荷量随时间的变化而变化，假设系统的负荷变化情况中，则单个时间段内系统的最大负荷3.764+j2.668mva,最小负荷为2.7+j1.913mva。
在算例中分别接入3组pv系统和2组wtg系统，且wtg以功率因数为0.97输出功率，dg的具体接入情况如表1表示。为了体现本文协调配合的策略，设定系统中安装有电容器、静止无功补偿器，安装电容器的节点中安装组数均为50组。每组20kvar,静止无功补偿器的可调范围为-1mvar到1mvar，如表2所示。
需求侧电动汽车的安装情况如表3所示。
表1不同类型dg的安装信息
表2无功补偿装置的安装信息
表3电动汽车的安装信息
图6所示：给出了优化前后全网电压分布，可以看出通过协调电网中的dg出力、电动汽车和无功补偿设备后，电网电压都在额定限值范围内，电网电压得到了明显改善。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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