考虑灵活性的含高渗透率分布式电源配电网络分区方法

1.本发明涉及高渗透率分布式电源接入配电网络规划领域，具体涉及一种考虑灵活性的含高渗透率分布式电源配电网络分区方法。


背景技术：

2.风电、光伏等间歇式分布式电源的大量渗透，以及电动汽车等时空高度不确定的新型负荷的增多，对配电网的运行提出了巨大挑战，导致了诸如电压波动越限、潮流倒送、系统损耗增加、dg消纳水平降低、馈线间功率不平衡等问题。同时分布式电源大量接入，其单机容量小，数目多，地理位置分散的特点极大增加了电网复杂性，使得配电网的传统集中式管理结构难以满足运行阶段控制时间尺度的要求，配电网在运行上面临着灵活性严重不足的问题；另一方面，配电网的电源规划问题与运行控制问题相互影响，因此有必要采取分区方式进行大规模分布式电源接入后的配电网运行管理。
3.对配电网网络分区是以集群为基本单元进行的，在电力系统中，集群具有群内节点耦合而协作，群间疏松而分工的优势。集群在电力系统中的应用主要包括调度控制和电网规划两个领域，目前大部分工作集中于调度控制，包括无功电压控制、电网分区、有功功率控制等领域。具体涉及到以下分区方法：以空间电气距离为指标，采用免疫—中心点聚类算法对配电网系统进行无功电压控制分区；基于电气距离和区域电压调节能力的集群模块度性能指标来指导配电网的划分；基于电气距离的模块度指标进行集群划分以便于储能调节资源的合理调用，来实现配电网电压的分区控制；构建基于电气距离、无功平衡度、有功平衡度的综合性能指标，并以配电网规划为应用场景进行网络分区。
4.传统面向集群规划类网络分区综合指标通常以结构和功能为原则，即在结构上满足集群内联系紧密，集群间联系稀疏，以利于群内的功率交换；在功能上，群内应具备源菏互补性，以减少集群间的功率交换，促进dg的群内消纳；使用以结构和功能性原则确定的指标进行网络分区有助于解决静态条件下的功率平衡，但随着高渗透率dg并网与多类型负荷叠加，集群的运行环境将更具不确性和波动性，因此对集群的动态功率平衡能力提出了更高的要求，即集群需要具备更强的灵活性。目前已有相关研究在进行网络分区时从爬坡灵活性缺额角度出发，提出了相应的灵活性供需平衡指标，一定程度上提升了集群内功率实时平衡的能力，但未从网侧灵活性角度进行考虑，即忽略了集群内灵活性资源响应净负荷需求在空间上的灵活性，具有一定的局限性。
5.综上所述，如何通过考虑协调系统内各灵活性资源节点和净负荷节点之间的组合以及不同线路之间的组合，解决各集群内供需不匹配以及馈线间功率不平衡问题，从不同角度出发进行灵活性指标的设定，充分发挥灵活性资源的调节能力以提高集群的自治特性，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明能够克服现有网络分区方法的不足之处，提供一种考虑灵活性的含高渗透
率分布式电源配电网络分区方法，以期能够对配电网络进行合理地分区，最大程度地发挥各集群内灵活性资源的调节能力，从而有利于解决在高渗透率dg并网与多类型负荷出现的背景下，配电网规划后期运行灵活性不足的问题。
7.为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明一种考虑灵活性的含高渗透率分布式电源的配电网络分区方法的特点是按以下步骤进行：
9.a：建立相应的集群灵活性供给模型和集群灵活性需求模型；
10.a1：假设位于第i个节点的可调节机组gi与储能元件esi在t时刻出力、充放电功率分别为则利用式(1-1)和式(1-2)分别得到第c个集群内所有灵活性资源在时刻t总的灵活性上调能力和下调能力
[0011][0012][0013]
式(1-1)和式(1-2)中，分别表示位于第i个节点的可调机组gi的有功最大、最小出力以及上、下爬坡速率限值；表示第c个集群内接入可调节机组g的节点集合；τ表示响应时间尺度；分别表示位于第i个节点处的储能最大充、放电功率；表示第c个集群内接入储能元件es的节点集合；为正时，表示第i个节点的储能元件esi放电，为负时，表示第i个节点的储能元件esi充电；其中，为第i个节点的储能元件esi安装的最大容量；
[0014]
a2：利用式(1-3)和式(1-4)分别得到t时刻第c个集群内净负荷的量化指标以及灵活性需求的量化指标
[0015][0016][0017]
式(1-3)和式(1-4)中，和分别表示第i个节点在t时刻的光伏、风电原始出力和负荷有功数据；分别为t时刻、t+1时刻第c个集群的净负荷大小；为第c个集群内的负荷节点数；
[0018]
b：构建净负荷适应率指标、支路负荷裕度指标以及模块度值指标，并赋予一定的权重系数，以形成网络分区的综合性指标；
[0019]
b1：利用式(1-5)构建第c个集群在t时段的净负荷适应率指标
[0020][0021]
式(1-5)中；σ表示集群内灵活性资源总调节能力相对于净负荷需求量比值的上限；
[0022]
表示第c个集群在t时段的对应于灵活性需求实际变化方向的综合调节能力，并由式(1-6)：
[0023][0024]
式(1-6)中，nc为划分集群数；
[0025]
在规划周期t内，利用式(1-7)对净负荷适应率指标进行标幺值化，得到整个配电网络的综合净负荷适应率指标l
ar
：
[0026][0027]
b2：利用式(1-8)构建第c个集群在t时刻的支路负荷裕度指标
[0028][0029]
式(1-8)中，i
max
为支路传输电流最大值，i
ij,t
为第i个节点与第j个节点间的线路在t时刻的传输电流；为第c个集群内的支路数；
[0030]
在规划周期t内，利用式(1-7)对支路负荷裕度指标进行标幺值化，得到整个配电网络的综合支路负荷裕度指标h
bm
：
[0031][0032]
b3：利用式(1-10)构建模块度指标ρ：
[0033][0034]
式(1-10)中，a
i,j
为第i个节点与第j个节点间边的权重，并由式(1-11)得到；n为配电网络中的节点集合；ki＝∑
j∈nai,j
为所有与第i个节点相连的边的权重之和；kj＝∑
i∈nai,j
为所有与第j个节点相连的边的权重之和；m＝(∑
i∈n
∑
j∈nai,j
)/2表示配电网络中所有与节点相连的边的权重之和；σ(i,j)为划分问题的优化变量，若σ(i,j)＝1，则表示第i个节点与第j个节点位于同一区域，否则，则表示第i个节点与第j个节点不在同一区域；
[0035]ai,j
＝1-l
ij
/max(l)
ꢀꢀꢀ
(1-11)
[0036]
式(1-11)中，d
ij
表示第j个节点注入单位无功后，其自身电压变化值与第i个节点的电压变化值之间的比值；l
ij
为考虑所有节点影响的第i个节点与第j个节点之间的空间电气距离，并由式(1-12)得到；max(l)表示电气距离矩阵l中元素的最大值；
[0037][0038]
b4：利用式(1-13)构建网络分区的综合性指标γ：
[0039]
max γ＝λ1ρ+λ2l
ar
+λ3h
bm
ꢀꢀꢀ
(1-13)
[0040]
式(1-13)中，λ1、λ2、λ3分别对应网络分区的模块度值指标ρ、净负荷适应率指标l
ar
和支路负荷裕度指标h
bm
的权重；
[0041]
c：以综合性划分指标γ作为改进的fn算法的寻优目标并计算得到最优分区结果；
[0042]
c1：初始化网络分区，将待划分的配电网络中各节点看作一个独立集群，计算模块度指标的初值ρ0，令配电网络模块度的实时值为ρ
new
，并初始化ρ
new
＝ρ0；令配电网络分区的综合指标实时值为γ
new
，并初始化γ
new
＝0；
[0043]
c2：根据当前配电网络中的集群划分情况，计算出每次合并前各种集群组合情况下的模块度增量矩阵δρ'，得到对应的模块度值矩阵ρ'＝ρ
new
+δρ'；
[0044]
c3：对配电网络中任意第i个独立集群与第j个独立集群组合前，先判断第i个独立集群与第j个独立集群之间是否存在节点构成支路，若存在，则将第i个独立集群与第j个独立集群进行组合，并计算组合后的净负荷适应率指标和支路负荷裕度指标否则，将第i个独立集群与第j个独立集群组合后的净负荷适应率指标和支路负荷裕度指标记为零，从而完成对所有集群进行组合判断与计算，得到考虑所有组合情况后的综合性指标值判断矩阵γ'＝λ1ρ'+λ2l
ar
'+λ3h
bm'
；其中，l
ar’、h
bm'
分别表示配电网络中所有节点进行组合情况下，各个净负荷适应率指标形成的矩阵以及各个支路负荷裕度指标形成的矩阵；
[0045]
c4：选择步骤c3中综合性指标值判断矩阵γ'中最大值所对应的两集群进行合并，并计算合并后的集群的净负荷适应率指标支路负荷裕度指标和模块度指标值ρ'
max
，从而得到合并后的集群的综合性指标γ'
max
；
[0046]
c5：将ρ'
max
赋值给ρ
new
，将γ'
max
赋值给γ
new
后，返回步骤c2顺序执行，直至γ
new
不再增大为止，从而得到最优分区结果。
[0047]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0048]
1、本发明建立了考虑灵活性和结构特性的网络分区综合性指标，一方面提高集群内灵活性资源调节裕度相对于灵活性需求的匹配度，另一方面为灵活性资源响应净负荷波动出力提供空间上的灵活性，最大程度地发挥集群内灵活性资源的调节能力，提高了集群的自治特性，有利于解决在高渗透率dg并网与多类型负荷出现的复杂背景下，配电网规划后期运行灵活性不足导致消纳困难的问题。
[0049]
2、本发明灵活性的空间维度提出支路负荷裕度指标，为灵活性资源响应净负荷出力提供灵活的传输通道，保证了集群内灵活性资源功率的分配在各馈线间的均衡性，进一步解决了集群规划后期运行灵活性不足的问题。
[0050]
3、本发明针对传统fn算法存在的不足，提出改进的fn算法，在算法中加入对待合并集群间节点的连接性情况的判断模块，减少了不必要的组合计算过程，提高了算法寻优时的搜索效率，保证了在以本方法的综合性划分指标作为改进fn算法的寻优目标时，分区过程准确、高效的进行。
附图说明
[0051]
图1为本发明考虑灵活性的含高渗透率分布式电源配电网络分区方法的步骤流程图。
[0052]
图2为本发明采用改进的fn算法进行配电网络分区的流程图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0054]
实施例：考虑灵活性的含高渗透率分布式电源配电网络分区方法是基于源侧和网侧角度出发，进行相关灵活性指标的设定，并结合集群内部的耦合特性来实现对配电网络的合理分区，具体的说，如图1所示，并按下述步骤进行：
[0055]
a：依据网络内已有的灵活性资源的调节特性以及原有dg和负荷的波动性，分别建立相应的集群灵活性供给模型和集群灵活性需求模型。
[0056]
集群灵活性供给和需求模型如下：
[0057]
a1：根据已有对各灵活性资源供给特性的研究，并考虑规划前网络内的主要灵活性资源为可调节常规机组和储能元件。假设位于第i个节点的可调节机组gi与储能元件esi在t时刻出力、充放电功率分别为则利用式(1-1)和式(1-2)分别得到第c个集群内所有灵活性资源在时刻t总的灵活性上调能力和下调能力
[0058][0059][0060]
式(1-1)和式(1-2)中，分别表示位于第i个节点的可调机组gi的有功最大、最小出力以及上、下爬坡速率限值；表示第c个集群内接入可调节机组g的节点集合；τ表示响应时间尺度；分别表示位于第i个节点处的储能最大充、放电功率；表示第c个集群内接入储能元件es的节点集合；为正时，表示第i个节点的储能元件esi放电，为负时，表示第i个节点的储能元件esi充电；其中，为第i个节点的储能元件esi安装的最大容量；
[0061]
a2：集群内灵活性需求。集群灵活性需求来自于原始dg与负荷的波动性和随机性，利用式(1-3)和式(1-4)分别得到t时刻第c个集群内净负荷的量化指标以及灵活性需求的量化指标
[0062][0063][0064]
式(1-3)和式(1-4)中，和分别表示第i个节点在t时刻的光伏、风电原始出力和负荷有功数据；分别为t时刻、t+1时刻第c个集群的净负荷大小；为第c个集群内的负荷节点数；
[0065]
b：基于源侧灵活性和网侧灵活性两个方面出发，给出描述集群内灵活性供给相对于灵活性需求匹配度的净负荷适应率指标、描述集群内灵活性资源出力在空间上传输特性的支路负荷裕度指标，以及描述集群结构特性的模块度值指标，并赋予一定的权重系数形成网络分区的综合性指标。
[0066]
b1：利用式(1-5)构建第c个集群在t时段的净负荷适应率指标
[0067][0068]
式(1-5)中，σ表示集群内灵活性资源总调节能力相对于净负荷需求量比值的上限；
[0069]
表示第c个集群在t时段的对应于灵活性需求实际变化方向的综合调节能力，并由式(1-6)：
[0070][0071]
式(1-6)中，nc为划分集群数；
[0072]
在规划周期t内，利用式(1-7)对净负荷适应率指标进行标幺值化，得到整个配电网络的综合净负荷适应率指标l
ar
：
[0073][0074]
式(1-7)中，l
ar
为整个系统净负荷适应率指标；t为规划周期；表示在整个周期内所有集群中净负荷适应率最大值。
[0075]
b2：利用式(1-8)构建第c个集群在t时刻的支路负荷裕度指标
[0076][0077]
式(1-8)中，i
max
为支路传输电流最大值，i
ij,t
为第i个节点与第j个节点间的线路在t时刻的传输电流；为第c个集群内的支路数；
[0078]
在规划周期t内，利用式(1-9)对支路负荷裕度指标进行标幺值化，得到整个配电网络的综合支路负荷裕度指标h
bm
：
[0079][0080]
b3：利用式(1-10)构建模块度指标ρ：
[0081][0082]
式(1-10)中，a
i,j
为第i个节点与第j个节点间边的权重，并由式(1-11)得到；n为配电网络中的节点集合；ki＝∑
j∈nai,j
为所有与第i个节点相连的边的权重之和；kj＝∑
i∈nai,j
为所有与第j个节点相连的边的权重之和；m＝(∑
i∈n
∑
j∈nai,j
)/2表示配电网络中所有与节点相连的边的权重之和；σ(i,j)为划分问题的优化变量，若σ(i,j)＝1，则表示第i个节点与第j个节点位于同一区域，否则，则表示第i个节点与第j个节点不在同一区域；
[0083]ai,j
＝1-l
ij
/max(l)
ꢀꢀꢀ
(1-11)
[0084]
网络边权值a
i,j
基于空间电气距离表示，空间电气距离用以衡量在n维空间中，考虑其余各节点影响的两节点之间电气联系的紧密程度，一般由无功灵敏度关系获得，表达式如下：
[0085]
δv＝s
qv
*δq
ꢀꢀꢀ
(1-12)
[0086]
式(1-12)中：s
qv
为考虑了线路有功影响的无功灵敏度矩阵，δv、δq分别表示电压和无功的变化值。
[0087]
式(1-11)中，d
ij
表示第j个节点注入单位无功后，其自身电压变化值与第i个节点的电压变化值之间的比值，并由式(1-14)得到；l
ij
为考虑所有节点影响的第i个节点与第j个节点之间的空间电气距离，并由式(1-13)得到；max(l)表示电气距离矩阵l中元素的最大值；
[0088][0089][0090]
b4：利用式(1-15)构建网络分区的综合性指标γ：
[0091]
max γ＝λ1ρ+λ2l
ar
+λ3h
bm
ꢀꢀꢀ
(1-15)
[0092]
式(1-15)中，λ1、λ2、λ3分别对应网络分区的模块度值指标ρ、净负荷适应率指标l
ar
和支路负荷裕度指标h
bm
的权重；
[0093]
c：提出改进的fn算法，加入对待合并集群间节点的连接性情况的判断模块，将上述的综合性划分指标作为该算法的寻优目标，进行计算得到最优分区结果，具体的说，如图2所示，并按以下步骤进行：
[0094]
c1：初始化网络分区，将待划分的配电网络中各节点看作一个独立集群，计算模块度指标的初值ρ0，令配电网络模块度的实时值为ρ
new
，并初始化ρ
new
＝ρ0；令配电网络分区的综合指标实时值为γ
new
，并初始化γ
new
＝0；
[0095]
c2：根据当前配电网络中的集群划分情况，计算出每次合并前各种集群组合情况下的模块度增量矩阵δρ'，得到对应的模块度值矩阵ρ'＝ρ
new
+δρ'；
[0096]
c3：对配电网络中任意第i个独立集群与第j个独立集群组合前，先判断第i个独立集群与第j个独立集群之间是否存在节点构成支路，若存在，则将第i个独立集群与第j个独立集群进行组合，并计算组合后的净负荷适应率指标和支路负荷裕度指标否则，将第i个独立集群与第j个独立集群组合后的净负荷适应率指标和支路负荷裕度指标记为零，从而完成对所有集群进行组合判断与计算，得到考虑所有组合情况后的综合性指标值判断矩阵γ'＝λ1ρ'+λ2l
ar
'+λ3h
bm'
；其中，l
ar’、h
bm'
分别表示配电网络中所有节点进行组合情况下，各个净负荷适应率指标值以及各个支路负荷裕度指标值形成的矩阵；
[0097]
c4：选择步骤c3中综合性指标值判断矩阵γ'中最大值所对应的两集群进行合并，并计算合并后的集群的净负荷适应率指标支路负荷裕度指标和模块度指标值ρ'
max
，从而得到合并后的集群的综合性指标γ'
max
；
[0098]
c5：将ρ'
max
赋值给ρ
new
，将γ'
max
赋值给γ
new
后，返回步骤c2顺序执行，直至γ
new
不再增大为止，从而得到最优分区结果。