一种柔性台区二维安全经济运行域的构建方法及装置与流程

1.本发明属于电力系统运行领域，具体涉及一种基于凸包络的柔性台区二维安全经济运行域的构建方法及装置。


背景技术：

2.目前，在城市交通系统的节能减排方面具有优势的电动汽车(electric vehicle,ev)受到了人们的广泛关注。随着相关技术的不断成熟，电动汽车的规模化应用必将成为未来城市交通系统的重要特征，是解决城市环境问题和缓解能源问题的有效途径。
3.应对电动汽车的充电问题，配电台区作为配电网中充电桩的直接接入点，受到电动汽车充电负荷的冲击最为明显。现有技术大多基于传统交流台区来研究减小电动汽车充电带来的负面影响的方法，而传统的交流台区均是独立运行的，对电动汽车充电负荷的接纳能力受到各自变压器容量的限制，无法实现对变压器容量的充分利用。此外，相比于交流配电系统，直流配电系统具有电能损耗低、电能质量高、供电容量大、供电可靠性强以及易接纳分布式电源等优势。因此提出柔性台区的概念，基于电力电子技术，将若干交流台区通过电压源型换流器(voltage source converter,vsc)互联，实现多台区协同运行与控制，充分利用各台区的变压器容量，减小规模化电动汽车接入为电网带来的负面影响。
4.为了确保柔性台区的安全经济运行，可以从两方面入手：一方面是根据实时接入的电动汽车充电负荷以及居民用电负荷，按照某一目标对台区负荷进行转供，在确保台区安全运行的前提下实现经济效益最大化；另一方面，可以利用价格机制实现对电动汽车充电负荷的“去刚性化”，具体而言，调度人员可以按照既定的经济标准(如运行成本上限)控制电动汽车的接入量，保证台区运行的安全性和经济性。如何从这两方面入手具体实现柔性台区的安全经济运行，还有待进一步研究。


技术实现要素：

5.本发明要解决的问题是：针对柔性台区的安全运行问题，提出一种基于凸包络的柔性台区二维安全经济运行域的构建方法及装置，用于兼顾柔性台区运行的安全性和经济性。
6.本发明的技术方案为：一种柔性台区二维安全经济运行域的构建方法，基于凸包络构建柔性台区二维安全经济运行域，通过计算机程序实现所述构建方法，包括以下步骤：
7.1)确定安全经济运行边界的研究对象，即柔性台区当前运行对象；
8.2)获取研究对象以外的非研究对象的功率曲线，并作为步骤3)的输入；
9.3)获取安全经济运行边界点：设定当前柔性台区的经济指标约束，求解优化问题，获取研究对象在各时段的最大可接入功率值，得到安全经济运行边界点；
10.4)采用凸包络根据得到的安全经济运行边界点拟合得到二维安全经济运行边界，确定安全经济运行域。
11.本发明还提供一种柔性台区二维安全经济运行域的构建装置，所述装置中配置有
计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的柔性台区二维安全经济运行域的构建方法。
12.本发明在现有技术柔性台区的安全经济运行需求下，提出一种基于凸包络的柔性台区二维安全经济运行域的构建方法，旨在为调度人员提供多个充电桩在满足一定经济安全约束下的最大可接入负荷，调度人员可以参考安全经济边界对电动汽车充电负荷实行弹性调度，调整各台区的电动汽车接入量，从源头上预防台区的高风险、高成本运行，当前运行点到安全经济运行边界的距离可以为调度人员提供实时运行状态和安全提示。
13.本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种基于凸包络的柔性台区安全经济运行边界的构建方法。相对于现有技术而言，本发明方法构建了兼顾安全性和经济性的安全经济边界，能够为台区调度人员提供各时段所能接入的最大负荷以及当前运行点的安全裕度，确保柔性台区的安全经济运行。
附图说明
14.图1为本发明构建方法的流程图。
15.图2为本发明实施例柔性台区的拓扑结构。
16.图3为本发明实施例的电动汽车充电负荷曲线。
17.图4为本发明实施例的居民负荷曲线。
18.图5为本发明实施例中的12:00柔性台区二维安全经济运行域。
19.图6为本发明实施例中的15:00柔性台区二维安全经济运行域。
20.图7为本发明实施例中的20:00柔性台区二维安全经济运行域。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
22.本发明提供一种基于凸包络的柔性台区二维安全经济运行域的构建方法，基于凸包络构建柔性台区二维安全经济运行域，在计算机中按以下步骤实现：
23.1)确定安全经济运行边界的研究对象；
24.2)获取研究对象以外对象的功率曲线，并作为步骤3)的输入；
25.3)获取安全经济运行边界点：设定经济指标约束，求解优化问题，获取研究对象在各时段的最大可接入功率值，得到安全经济运行边界点；
26.4)采用凸包络根据得到的安全经济运行边界点拟合得到二维安全经济运行边界，确定安全经济运行域。
27.作为优选，所述步骤1)中，研究对象包括台区内部的各个充电站。具体进行柔性台区安全经济运行调度时，将所要调度的台区充电站作为研究对象实施本发明方法即可。
28.本发明步骤3)的求解优化问题具体为：建立以下优化目标模型：
[0029][0030]
c
tr
＝c
fe
+c
cu
ꢀꢀꢀ
(2)
[0031][0032][0033][0034][0035][0036][0037]
β
i,t
≤β
max
ꢀꢀꢀ
(9)
[0038][0039][0040]
式中：式(1)为柔性台区安全经济边界模型的目标函数，式(2)
‑
(11)为对应的约束条件。
[0041]
式(1)中和分别表示第t时刻的电动汽车交流负荷和直流负荷。
[0042]
式(2)表示变压器的运行损耗，其中c
tr
为变压器运行损耗，c
fe
表示铁耗，c
cu
表示铜耗。
[0043]
式(3)
‑
(5)为上述损耗的具体计算方法，其中t表示时段总数；n表示配电台区的数量；量；分别表示变压器的运行铁耗和额定铜耗；β
i,t
和分别表示变压器第t时刻的负载率和功率；为第i个变压器的容量。
[0044]
式(6)表示vsc的运行成本，其中η
vsc
为变流器的转换效率，为t时刻流经第i个vsc的功率，表示vsc处于整流状态，功率从变压器流向直流母线；表示vsc处于逆变状态，功率从直流母线流向变压器。
[0045]
式(7)对台区运行成本施加上限约束，其中表示柔性台区的经济运行指标，可以由调度人员预先指定。
[0046]
式(8)表示交流侧的功率平衡方程，其中表示居民负荷功率。
[0047]
式(9)对变压器负载率施加上限约束，其中β
max
为变压器负载率的最大值，可以由调度人员预先指定。
[0048]
式(10)表示vsc的运行约束，其中为第i个台区变流器的功率最大值。
[0049]
式(11)表示直流侧的功率平衡方程，其中为第t时刻的储能功率。
[0050]
记决策空间根据式(1)
‑
(11)得到优化目标模型的求解结果，可以获取相应充电站在各时刻的最大/最小可接入负荷，即进一步地，取y
l
＝y
l,c
，其中求解以下优化问题，获取决策变量y
v
的最大/最小值：
[0051][0052][0053]
其中，l、v表示决策空间y的索引，c表示指定值的索引。由以上优化问题可以得到每一个给定y
l,c
下的变量y
v
的上下限。通过改变索引c以及决策变量l和v，便可以得到一系列安全经济边界点。值得注意的是，决策变量同样可以取多个对象，从而得到多维安全经济边界点。
[0054]
设安全经济运行域边界运行点为集合y，则凸包络安全域的数学模型为
[0055][0056]
式(16)中，k
z
个安全域边界点为凸包络顶点。显然，式(16)描述的安全域由多个线性不等式构成。基于quickhull快速凸包算法，以及matlab提供的convhulln函数可以快速构造任一维度的凸包络，进而由所需维度的凸包络得到安全经济运行域。
[0057]
下面通过一个算例来说明本发明所述协同调度方法的优越性。柔性台区的拓扑结构如图2所示。四个交流台区t1
‑
t4各自通过四台vsc实现直流侧的互联。直流、交流充电站分别接入直流母线和交流t1台区，其中直流充电站内包括三台120kw的直流充电桩；交流充电站内包括三台60kw的交流充电桩。vsc的功率上限为120kva，工作效率为98.5％。各台区变压器的相关参数见表1。储能装置的容量设为80kwh，充放电功率上限为120kw。电动汽车充电负荷曲线和居民负荷曲线如图3和图4。
[0058]
表1变压器参数设置
[0059][0060]
选取交流充电站和直流充电站的接入负荷作为决策变量，获取二者的安全经济运行边界点，并采用凸包络技术构造柔性台区的二维安全经济运行域。
[0061]
图5
‑
7分别展示了午间用电高峰时刻(12:00)、用电低谷时刻(15:00)以及晚间用电高峰时刻(20:00)的柔性台区安全经济运行域。其中，交流充电桩的最大可接入功率受居民负荷曲线的影响(对比图4)较直流充电桩更为显著，安全经济运行域的面积也呈现出与居民负荷曲线相反的变化趋势，即安全经济运行域的面积随居民负荷的增加而减小。此外，在交流充电桩的接入功率较小时，各时刻的直流充电桩的最大可接入功率均为680kw，这是由于直流充电站的最大可接入量受限于储能和四台vsc的容量，当交流充电桩的接入负荷
较小时，四台vsc的容量未被利用于转供，因此直流充电站的安全经济边界始终保持在680kw。随着交流充电负荷的增加，vsc的部分容量将被利用于负荷转供，进而确保变压器负载率维持在允许范围内。因此，直流充电站的最大可接入负荷会相应减小，最终形成如图所示的安全经济运行域形态。进一步地，通过对比各时段的运行域形态，可以发现运行域上边界的拐点的出现时刻各不相同，具体而言，各时刻内，运行域上边界的向下拐点分别出现在交流充电站接入负荷达到200kw，300kw和50kw时。这是因为各时刻的居民负荷大小不同，而变压器容量和vsc容量是固定的，因此对于用电高峰期(20:00)，交流充电站接入少量充电负荷时便会触发负荷转供，进而占用vsc的容量，影响直流充电站的最大可接入量；相反地，对于用电低谷期(15:00)，交流充电站可以在接入更多充电负荷后才触发负荷转供，因此直流充电站的最大可接入量可以维持更久。
[0062]
图5
‑
7中的
“×”
标记及其坐标表示相应时刻的柔性台区实际运行点。由此可以看出，柔性台区在12:00和15:00的运行点距离安全经济运行边界较远，因此柔性台区拥有较强的应对负荷不确定性接入的能力。相反，对于20:00的柔性台区运行点，其几乎位于安全经济运行域的边界上，虽然仍能确保满足安全约束和经济约束，但是台区应对负荷不确定性接入的能力十分有限，若管理不当，则容易造成运行点位于安全经济运行域之外，导致台区运行成本超标或过载运行。通过本发明方法构建安全经济运行域，可以有效直观为调度人员提供安全经济边界的运行参考。
[0063]
以上仅表达了本发明创造的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明创造专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明创造的保护范围。因此，本发明创造专利的保护范围应以所附权利要求为准。