一种基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制方法与流程

本发明涉及一种智能软开关的运行控制方法。特别是涉及一种基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制方法。
背景技术：
：近年来，随着包括光伏(photovoltaic，pv)、风机等在内的分布式电源(distributedgeneration，dg)的高比例广泛接入，配电系统的运行和调度方式发生了深刻而持久的变化，有源配电网面临一系列包括双向潮流、电压越限、网络阻塞等在内的新问题，其中电压越限情况尤为突出。在传统配电系统中，其调节手段有限，尤其是针对一次系统的控制手段严重匮乏，现有装备多是针对无功功率的调节，如电容器组、静止无功补偿器等。然而在配电网中，有功和无功功率之间的关系是相互耦合的，有功功率对电压分布的影响同样显著。因此，尤其对于含高渗透率分布式电源的配电网，单纯依靠传统无功调节很难消除电压越限。智能软开关(softopenpoint，sop)是在上述背景下衍生出的取代传统联络开关的一种基于电力电子技术的新型配电装置。它能够实现有功功率和无功功率的联合调整，而且功率控制简单、可靠，从而有效应对电压越限等一系列问题。目前，智能软开关主要采用集中式控制策略来实现其运行控制，由中央控制器收集全局信息，对智能软开关有功功率和无功功率出力策略进行全局优化。然而，随着分布式电源高渗透率接入有源配电系统，其内部设备种类和数量不断增大，集中控制所需的数据量急剧上升，带来了沉重的通信和数据处理负担，增大控制时间延迟；另外，出于隐私安全考虑，有时难以获取全局的详细信息，此时将不适合采用集中式控制。在此背景下，分散控制模式因其所需数据量小、通信量低，可以有效降低计算规模，提高控制效率等优点，成为未来智能软开关运行控制的主流方向。由于智能软开关的功率调节是连续变化的，其运行优化问题为连续的时间序列，因此必须建立时序的有源配电网智能软开关的分散控制模型。首先，将含有智能软开关的有源配电网以智能软开关为中心进行合理分区，各智能软开关利用区内信息初步制定出力策略。若区内自治后，系统电压仍出现越限，则进行区间协调，进一步优化智能软开关出力策略，从而确保在降低通信数据量的同时对系统节点电压水平进行有效优化控制，尽可能实现全局最优。同时，基于功率-电压灵敏度建立节点注入功率与节点电压的线性关系，可以合理有效地简化控制模型，进一步提高模型求解效率。因此，急需一种基于灵敏度的智能软开关区间协调控制方法。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现电压分散控制的基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制方法。本发明所采用的技术方案是：一种基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制方法，包括如下步骤：1)根据选定的有源配电系统，输入如下的系统参数：线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压约束，分布式电源的类型、接入位置、容量及参数，运行优化周期内负荷及分布式电源运行特性曲线，智能软开关的接入位置、容量及参数，系统基准电压初值；2)依据步骤1)提供的有源配电系统的系统参数，以智能软开关为中心对有源配电系统进行区域划分；3)获取系统当前时段的运行状态，按照步骤2)得到的有源配电系统区域划分结果，计算各区域区内节点电压与区内节点注入功率间的电压-功率灵敏度；4)以步骤2)得到的有源配电系统区域划分结果，建立基于灵敏度的有源配电网智能软开关区内电压控制策略整定模型，包括：设定各智能软开关控制区域内电压偏差之和最小为目标函数，分别考虑基于电压-功率灵敏度的区内节点电压约束、区内安全运行约束和智能软开关运行约束，并将模型转化为二阶锥模型，包括对目标函数进行线性化处理，对非线性约束进行二阶锥转换；5)根据基于灵敏度的有源配电网智能软开关区内电压控制策略整定模型计算得到的智能软开关区内电压控制时有功功率传输值和无功功率补偿值，对智能软开关区内电压进行控制，若系统节点电压仍出现越限情况，则依据步骤2)得到的有源配电系统区域划分结果，及步骤3)得到的基于灵敏度的有源配电网智能软开关区内电压控制策略整定模型，更新当前运行状态的电压-功率灵敏度，并基于更新后的电压-功率灵敏度，采用交替方向乘子算法建立基于灵敏度的智能软开关区间协调控制模型，在该时段进行进一步的区间协调优化控制；6)输出结果，包括当前时段智能软开关控制策略即智能软开关的有功功率传输和无功功率补偿情况，以及有源配电系统全局的电压分布。本发明的一种基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制方法，设计合理，其立足于解决连续时间序列下含智能软开关的大规模有源配电网区间协调电压控制问题，充分考虑高渗透率分布式电源接入的影响，利用灵敏度可以反映节点注入功率与节点电压间线性关系的物理意义，建立一种基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制策略整定模型。采用二阶锥规划方法和交替方向乘子法进行求解，从而快速得到智能软开关的区间协调电压控制策略，实现电压分散控制。同时，有效降低通信量及计算量，提高控制效率。附图说明图1是本发明一种基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制方法的流程图；图2是改进的ieee33节点算例网络结构及分区结果图；图3是分布式电源与负荷预测曲线；图4a是实施例中方案ii和方案iii下节点12和22间智能软开关的有功传输情况；图4b是实施例中方案ii和方案iii下节点25和29间智能软开关的有功传输情况；图4c是实施例中方案ii和方案iii下节点18和33间智能软开关的有功传输情况；图4d是实施例中方案ii和方案iii下节点8和21间智能软开关的有功传输情况；图5a是实施例中方案ii和方案iii下节点12和22间智能软开关的无功补偿情况；图5b是实施例中方案ii和方案iii下节点25和29间智能软开关的无功补偿情况；图5c是实施例中方案ii和方案iii下节点18和33间智能软开关的无功补偿情况；图5d是实施例中方案ii和方案iii下节点8和21间智能软开关的无功补偿情况；图6是节点18优化前后各节点处的电压分布情况；图7是节点33优化前后各节点处的电压分布情况。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明的一种基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制方法做出详细说明。如图1所示，本发明的一种基于灵敏度的智能软开关区间协调电压控制方法，包括如下步骤：1)根据选定的有源配电系统，输入如下的系统参数：线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压约束，分布式电源的类型、接入位置、容量及参数，运行优化周期内负荷及分布式电源运行特性曲线，智能软开关的接入位置、容量及参数，系统基准电压初值；2)依据步骤1)提供的有源配电系统的系统参数，以智能软开关为中心对有源配电系统进行区域划分；包括：(2.1)依据步骤1)提供的有源配电系统参数，计算系统各节点到各智能软开关的电气距离是采用系统中任一节点i到第n个智能软开关的电气距离的计算公式：其中，eij和eik分别表示系统节点i到第n个智能软开关两端接入节点j和节点k的电气距离，为接入节点j和节点k的智能软开关的容量，ssop,max为系统中接入的智能软开关容量的最大值；其中，α＝xji/(rji+xji)(5)β＝rji/(rji+xji)(6)其中，rij和xij分别为节点i到平衡节点唯一路径的线路电阻总和以及线路电抗总和，分别表征节点i的节点有功功率和无功功率对节点j电压幅值的影响；α和β为权重系数，用于表征有功功率和无功功率对节点电压幅值的不同影响；和分别为从节点注入有功功率和无功功率对节点电压的影响的角度定义的电气距离；eij表示系统节点i与节点j间的电气距离；(2.2)将各节点i分别划入所对应的电气距离最小的那一智能软开关区域；(2.3)若第(2.2)步中，节点到多个智能软开关的电气距离相等，则依据连通性将该节点划入相连通的区域中。3)获取系统当前时段的运行状态，按照步骤2)得到的有源配电系统区域划分结果，计算各区域区内节点电压与区内节点注入功率间的电压-功率灵敏度；4)以步骤2)得到的有源配电系统区域划分结果，建立基于灵敏度的有源配电网智能软开关区内电压控制策略整定模型，包括：设定各智能软开关控制区域内电压偏差之和最小为目标函数，分别考虑基于电压-功率灵敏度的区内节点电压约束、区内安全运行约束和智能软开关运行约束，并将模型转化为二阶锥模型，包括对目标函数进行线性化处理，对非线性约束进行二阶锥转换；其中，所述的设定各智能软开关控制区域内电压偏差之和最小为目标函数，表示为：式中，为区域a包含的节点集合，vt,i为t时段节点i电压，为vt,i的期望电压区间最小值和最大值；引入辅助变量at,i，对目标函数进行线性化处理后，表示为：at,i≥0。(11)所述的基于电压-功率灵敏度的区内节点电压约束为：(4.1)基于电压-功率灵敏度的节点电压约束表示为：式中，为t时段节点i电压初始值；为区域a中智能软开关的接入节点集合；和分别为t时段节点i电压vt，i对智能软开关接入节点j的有功功率的灵敏度，以及节点i电压vt,i对sop接入节点j的无功功率的灵敏度；和分别是t时段智能软开关在节点j一端的有功功率变化量和无功功率变化量；为区域a边界节点集合；和分别为t时段节点i电压vt,i对边界节点k的有功功率的灵敏度，以及节点i电压vt,i对sop接入节点j的无功功率的灵敏度；和分别表示与区域a相邻的区域状态变化导致的两区边界节点k有功功率和无功功率的变化量；-δpsop,max,δpsop,max为智能软开关单端有功功率变化的允许范围；-δqsop,max,δqsop,max为智能软开关单端无功功率变化的允许范围。(4.2)所述的区内安全运行约束表示为：vmin≤vt,i≤vmax(15)式中，vmax和vmin为系统最大允许电压值和最小允许电压值；(4.3)所述的智能软开关集中控制约束表示为：式中，和分别为t时段节点i、j上智能软开关注入的有功功率；和分别为t时段未经区内自治整定时智能软开关在节点j一端输出的有功功率和无功功率；和分别为t时段节点i、j上智能软开关的有功损耗值；和分别为t时段节点i、j上智能软开关的有功损耗系数；和分别为t时段节点i、j上智能软开关注入的无功功率；为接在节点ij之间智能软开关的容量；pisop,max和分别为节点i上智能软开关注入的有功和无功功率最大值和最小值；其中，智能软开关损耗及容量非线性约束已经过二阶锥转化为二阶锥形式表示。5)根据基于灵敏度的有源配电网智能软开关区内电压控制策略整定模型计算得到的智能软开关区内电压控制时有功功率传输值和无功功率补偿值，对智能软开关区内电压进行控制，若系统节点电压仍出现越限情况，则依据步骤2)得到的有源配电系统区域划分结果，及步骤3)得到的基于灵敏度的有源配电网智能软开关区内电压控制策略整定模型，更新当前运行状态的电压-功率灵敏度，并基于更新后的电压-功率灵敏度，采用交替方向乘子算法建立基于灵敏度的智能软开关区间协调控制模型，在该时段进行进一步的区间协调优化控制；其中，(5.1)所述的系统节点电压仍出现越限情况的判定条件表示为：或式中，vt,i为t时段节点i的电压幅值；为vt,i的期望电压最小值和最大值。(5.2)所述的基于灵敏度的智能软开关区间协调控制模型为：式中，a为区域编号，na为划分的区域总数，k为迭代次数，是第k次迭代计算中各区域的决策变量的总集合，具体来说包括第k次迭代中区内节点电压和区内智能软开关有功出力和无功出力变化和fa(xk)，ga(xk)和ha(xk)分别为关于区域a的目标函数、不等式约束和等式约束，即，基于电压-功率灵敏度的区内节点电压约束、区内安全运行约束、智能软开关运行约束和区间边界交互约束，其中所述的区间边界交互约束表示为：其中，为区域a中智能软开关的接入节点集合；和分别为t时段节点i电压vt,i对sop接入节点j的有功功率的灵敏度以及节点i电压vt,i对sop接入节点j的无功功率的灵敏度；和分别是t时段智能软开关在节点j一端的有功功率变化量和无功功率变化量；为区域a边界节点集合；通过以下迭代计算，收敛得到基于灵敏度的智能软开关区间协调控制模型的最优解：式中，b为与a相邻的区域编号，为第k次迭代计算中区域a边界节点的决策变量集合；为引入的辅助变量；nbd为各区域边界部分的节点集合，n′a为区域a与相邻区域的边界节点的总集合；ai为包含节点i的区域集合；ρk为惩罚因子；得到基于灵敏度的智能软开关区间协调控制模型最优解的收敛条件为：式中，rk为反应原始问题可行性的原始残差，dk为反应对偶问题可行性的对偶残差，ε为给定的计算误差。6)输出结果，包括当前时段智能软开关控制策略即智能软开关的有功功率传输和无功功率补偿情况，以及有源配电系统全局的电压分布。下面给出具体实例：首先输入ieee33节点系统中线路元件的阻抗值、负荷元件的有功功率基准值和功率因数、网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，详细参数见表1和表2；接入五台风机和四组光伏系统，功率因数均为1.0，接入位置及容量见表3，出力曲线如图3所示；设定四组智能软开关接入配电网的节点12与节点22、节点25与节点29、节点18与节点33以及节点8与节点21之间，前三组容量为0.3mva，最后一组容量为0.5mva，损耗系数均为0.01；设置系统的基准电压为12.66kv、基准功率为1mva，将系统中各值进行标幺化处理；最后设置各节点电压幅值(标幺值)的安全运行上下限分别为1.10和0.90。节点电压期望运行区间为0.98p.u.-1.02p.u.，区间协调计算误差ε取0.001，负荷及分布式电源运行特性预测曲线如图3所示。由于在区内控制不考虑相邻区域的边界节点信息交互，因此区内控制时和均取为零。分别采用四种方案进行对比分析，方案i不使用控制手段，为有源配电系统的初始运行状态，方案ii采用本发明的智能软开关的区内电压控制策略，方案iii采用本发明的智能软开关的区间协调电压控制策略，方案iv采用智能软开关的全时段全局集中控制策略，三种方案的优化结果见表4。执行优化计算的计算机硬件环境为intel(r)xeon(r)cpue5-1620，主频为3.70ghz，内存为8gb；软件环境为windows10操作系统。通过所述的分区方法将ieee33节点系统划分为三个子区域，具体划分结果见图2中虚线，其中取节点10和22为区域1与区域4的边界节点，节点16为区域1与区域3的边界节点，节点31为区域2与区域3的边界节点，节点24和节点28为区域2与区域4的边界节点。表4为不同方案的优化结果比较，可以看出，采用智能软开关进行控制调节后，有源配电网各节点电压水平和系统损耗均得到明显的改善。同时，对比方案ii和方案iii可以看出，与只进行区内控制相比，对智能软开关采用本发明提出的区间协调电压控制策略更接近采用全局集中控制后的效果。图4a～图4d和图5a～图5d分别对比了方案ii与方案iii控制策略下智能软开关的有功传输量和无功补偿量，可以看出，方案iii只在部分时段进行了区间协调控制，较传统的分散控制模式进一步有效减少了区间数据交互传输量。图6为不同方案下的节点18和节点33的电压波动曲线，初始状态下，分布式电源的接入会导致剧烈的电压波动；采用智能软开关进行区内自治与区间协调优化控制后，有源配电网各节点电压水平得到了明显的改善，且接近智能软开关采用集中控制策略的效果。表1ieee33节点算例负荷接入位置及功率表2ieee33节点算例线路参数表3分布式电源参数表4不同控制策略下的仿真结果比较控制策略电压最小值(p.u.)电压最大值(p.u.)i.不使用控制策略0.93761.0312ii.区内控制策略0.97471.0197iii.区间协调控制策略0.97521.0197iv.集中控制策略0.97631.0200当前第1页1 2 3