一种区域能源互联网与配电网分布式能量互动方法

1.本发明涉及一种区域能源互联网与配电网分布式能量互动方法，属于配电网能量管理技术领域。


背景技术：

2.随着区域能源互联网的大力建设发展，区域能源互联网与配电网呈现不断深度融合互动的趋势。区域能源互联网融合风光电热天然气等多种资源，可以看作是多能源产消者，所以区域能源互联网与配电网的互动是双向的，既可以向配电网购电以满足本地需求，又可以将多余的电力出售给配电网以增加收益；此外，区域能源互联网可以实现多能互补和替代用能，具有更大的互动潜力，同时分布式电源也具有一定的无功补偿能力，所以区域能源互联网与配电网的互动是多方位的，深入融合的双向互动。如何构建区域能源互联网与配电网能量互动优化模型，实现区域能源互联网与配电网的灵活和深入互动，是配电网能量管理调度运行领域亟待解决的问题之一。
3.目前已有针对区域能源互联网与配电网互动运行的相关研究，如中国发明专利cn112598224a“一种园区综合能源系统群与配电网的互动博弈调度方法”，公布了一种园区综合能源系统群与电网的主从博弈互动调度方法，实现了园区综合能源系统群与电网的有功互动；中国发明专利cn113393126a“高耗能园区与电网交替并行协同优化调度方法”，公布了一种高耗能园区与电网交替协同优化调度方法，并利用交替方向乘子法进行分布式求解；然而现有方法大多未考虑配电网的运行约束以及无功功率的协调互动，难以实现区域能源互联网与配电网的多方位深入互动，同时许多方法采用集中式优化进行求解，不利于保护参与主体的隐私安全；因此，如何同时实现区域能源互联网与配电网的有功和无功互动，如何实现区域能源互联网与配电网的分布式协调互动是配电网能量管理技术领域亟待解决的重要问题。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的不足，本发明提供一种区域能源互联网与配电网分布式能量互动方法，分别建立了区域能源互联网、配电网能量互动优化模型；在此基础上，提出了基于交替方向乘子法的多个区域能源互联网与配电网的分布式能量互动方法；本发明的能量互动方法克服了集中优化算法难以保护各互动主体隐私，以及难以同时兼顾有功功率和无功功率的协调互动的缺陷，实现了区域能源互联网与配电网的灵活互动以及分布式运行优化。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种区域能源互联网与配电网分布式能量互动方法，包括以下步骤：
7.步骤1：以最小化运行成本为目标，综合考虑配电网运行约束，建立配电网与区域能源互联网互动的能量互动优化模型；
8.步骤2：以最小化运行成本为目标，综合考虑区域能源互联网设备运行约束，建立
区域能源互联网m与配电网互动的能量互动优化模型；所述区域能源互联网设备包括能量转换设备和储能设备；
9.步骤3：在步骤1和步骤2所建立的配电网和区域能源互联网能量互动优化模型的基础上，建立区域能源互联网与配电网的分布式能量互动求解方法；
10.进一步地，上述步骤1中，建立配电网与区域能源互联网的能量互动优化模型：配电网的运行目标是最小化综合运行成本，目标函数可用式(1)表示，由7项组成，第1项是配电网的网损成本，第2项为配电网向各区域能源互联网的售电收入，第3项是配电网支付给各区域能源互联网的无功调节成本，第4-7项为能量互动成本；运行约束用式(2)表示，第1-2个方程分别表示节点有功和无功平衡约束，第3个方程表示支路电压约束，第4个方程表示支路潮流约束，第5-6个方程分别表示节点电压约束和支路电流约束；建立配电网的能量互动优化模型具体包括以下步骤：
11.步骤(1-1)：根据式(1)确定配电网的能量互动优化模型的目标函数：
[0012][0013]
式中，λ
loss
为网损成本系数，元/kw
·
h；t∈{1,2,
…
,t}为时间段集合；b为支路集合，r
ij
为支路ij的电阻，表示t时刻支路ij的电流的平方值；ω为区域能源互联网集合，m为区域能源互联网索引；为t时刻配电网售电或回购电价，元/kw
·
h；为t时刻区域能源互联网参与配电网无功调节的补偿电价，元/kvar；表示t时刻配电网期望与第m个区域能源互联网互动功率，表示t时刻区域能源互联网m期望与配电网互动的有功功率；表示配电网期望与区域能源互联网m互动的无功功率，表示区域能源互联网m期望与配电网互动的无功功率；和为拉格朗日乘子，ρ为惩罚系数；
[0014]
步骤(1-2)：根据以下式(2)确定配电网的能量互动优化模型的运行约束条件：
[0015][0016]
式中，n为配电网节点集合，b为支路集合，表示t时刻支路ij的电流的平方值，表示t时刻节点i的电压的平方值，和分别表示最大和最小电压平方值，和分别表示最大和最小电流平方值；ω为区域能源互联网集合，m为区
域能源互联网索引，ωj为接入节点j的区域能源互联网集合；表示第m个区域能源互联网在t时刻与节点j交互的有功功率，表示t时刻配电网期望与第m个区域能源互联网互动功率，正值表示期望向区域能源互联网售电，负值表示期望从区域能源互联网购电；表示节点j的基础有功负荷；表示区域能源互联网m注入节点j的无功功率，正值表示期望区域能源互联网m提供无功功率，负值表示期望区域能源互联网m吸收无功功率；表示无功补偿器注入节点j的无功功率；表示节点j的基础无功负荷；δ(j)表示以j为首端节点的支路末端节点集合；φ(j)表示以j为末端节点的支路首端节点集合；r
ij
和x
ij
分别为支路ij的电阻和电抗值；k是以为j为首端节点的支路索引，和分别为t时段由节点j流入支路k的有功和无功功率；和分别为t时段支路ij上有功和无功功率；
[0017]
进一步地，上述步骤2具体包括以下步骤：
[0018]
步骤(2-1)：根据式(3)确定区域能源互联网m的能量互动目标函数：
[0019][0020]
其中，为区域能源互联网m的运行成本；表示t时刻区域能源互联网m购买的天然气，和分别表示t时刻配电网期望与第m个区域能源互联网互动的有功和无功功率；表示t时刻区域能源互联网m期望与配电网互动的有功功率，正值表示区域能源互联网期望从配电网购电，负值表示期望向配电网售电；表示区域能源互联网m期望与配电网互动的无功功率，正值表示期望向配电网提供无功功率，负值表示期望从配电网吸收无功功率；和为拉格朗日乘子；ρ为惩罚系数；
[0021]
步骤(2-2)：根据式(4)确定区域能源互联网m的能量平衡约束：
[0022][0023]
其中式(4)中第一个等式表示电功率平衡，第二个等式表示热功率平衡，第三个等式表示天然气功率平衡；为t时刻区域能源互联网m的光伏发电功率，为t时刻的电负荷；和分别为t时刻电储能的充电和放电功率；和分别为t时刻燃气轮机和燃气锅炉输入的天然气功率；和分别为燃气轮机的电效率和热效率，为燃气锅炉效率；和分别为t时刻储热装置的储热和放热功率；
[0024]
步骤(2-3)：根据式(5)(6)和(7)分别确定区域能源互联网m中燃气轮机，燃气锅
炉，电储能和热储能设备运行约束：
[0025][0026]
其中和分别为区域能源互联网m最小和最大互动功率约束值；和分别为燃气轮机最小和最大输出功率约束值；和分别为燃气锅炉最小和最大输出功率约束值；
[0027][0028]
其中表示t时刻电储能的储能量，为电储能的能量损失率，和分别为电储能的充电和放电效率，和分别为电储能的最大充电和放电功率，为二进制变量，和则为电储能的最小和最大储能量，最后一项用于表示电储能在运行周期始末状态的储能量相等；
[0029][0030]
其中表示t时刻热储能的储热量，为热储能的热量损失率，和分别为热储能的充热和放热效率，和分别为热储能的最大充热和放热功率，为二进制变量，和则为热储能的最小和最大储热量，最后一项用于表示热储能在运行周期始末状态的储热量相等；
[0031]
进一步地，所述步骤3的具体步骤如下：
[0032]
步骤(3-1)：初始化分布式能量互动交替迭代算法最大迭代次数k
max
，迭代收敛精度初始化拉格朗日乘子和初始化惩罚系数ρ以及迭代次数k；初始化各区域能源互联网期望与配电网互动的有功功率和无功功率
[0033]
步骤(3-2)：配电网从各区域能源互联网接收期望互动的有功功率和无功功
率求解式(1)-(2)，得出配电网期望与区域能源互联网m互动的有功功率和无功功率
[0034]
步骤(3-3)：对于区域能源互联网m，从配电网接收配电网期望互动的有功功率和无功功率求解式(3)-(7)得出其自身期望与配电网互动的有功功率和无功功率
[0035]
步骤(3-4)：根据式(8)进行更新拉格朗日乘子：
[0036][0037]
步骤(3-5)：更新迭代次数：k＝k+1；
[0038]
步骤(3-6)：判断算法收敛情况，如果满足(9)迭代终止条件：
[0039][0040]
则迭代终止，否则返回流程步骤(3-2)重复计算，直至满足收敛条件或最大迭代次数。
[0041]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0042]
(1)本发明同时实现配电网与区域能源互联网有功功率和无功功率互动；
[0043]
(2)本发明运用交替方向乘子法实现了配电网与多个区域能源互联网的分布式能量互动求解，实现区域能源互联网的分布式协调运行控制；
[0044]
(3)本发明提出的分布式能量互动方法可实现配电网和区域能源互联网运行策略的分布式求解优化，并保护各参与主体的隐私信息安全。
[0045]
综上所述，本发明的互动方法可以同时实现区域能源互联网与配电网的有功功率和无功功率互动，克服了现有技术大多仅用于有功功率互动的缺陷；提出的基于交替方向乘子法的配电网与多个区域能源互联网的分布式能量互动方法，克服了集中优化算法难以保护各互动主体隐私的缺陷，实现了区域能源互联网与配电网的灵活互动以及分布式运行优化。
附图说明
[0046]
图1为本发明的区域能源互联网与配电网分布式能量互动方法的框架图；
[0047]
图2为本发明的区域能源互联网系统示意图；
[0048]
图3为本发明的区域能源互联网与配电网分布式能量互动方法的整体流程图；
[0049]
图4为本发明的区域能源互联网与配电网的分布式能量互动求解方法流程图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图及实施流程对本发明进行详细说明。
[0051]
如图1的本发明的区域能源互联网与配电网分布式能量互动方法的框架图所示，配电网和各区域能源互联网为不同的运行主体，区域能源互联网通过不同的节点并网运行
并与配电网进行有功和无功能量互动，最终实现整个系统的分布式优化运行。
[0052]
如图2的区域能源互联网系统示意图所示，所示区域能源互联网系统包括光伏，燃气轮机，燃气锅炉，电储能和热储能；区域能源互联网与配电网和天然气网相连，通过参与配电网的有功和无功能量互动，不断优化自身运行策略，在满足终端电负荷和热负荷需求的同时最大化自身收益。
[0053]
本发明的一种区域能源互联网与配电网分布式能量互动方法，首先，分别建立了区域能源互联网、配电网的能量互动优化模型；在此基础上，提出了基于交替方向乘子法的多个区域能源互联网与配电网的分布式能量互动方法；本发明的分布式能量互动方法不仅克服了集中优化算法难以保护各互动主体隐私的缺陷，而且同时兼顾有功功率和无功功率的协调互动，实现了区域能源互联网与配电网的灵活互动以及分布式运行优化。具体地，所述分布式能量互动方法包括如下步骤：
[0054]
步骤1：以最小化运行成本为目标，综合考虑配电网运行约束，建立配电网与区域能源互联网互动的能量互动优化模型。
[0055]
配电网的运行目标是最小化运行成本，目标函数可用式(1)表示，其由7项组成，第1项是配电网的网损成本，第2项为配电网向各区域能源互联网的售电收入，第3项是配电网支付给各区域能源互联网的无功调节成本，第4-7项为能量互动成本。运行约束用式(2)表示，所述式(2)中的第1-2个方程分别表示节点有功平衡约束和无功平衡约束，第3个方程表示支路电压约束，第4个方程表示支路潮流约束，第5-6个方程分别表示节点电压约束和支路电流约束。建立配电网的能量互动优化模型具体包括以下步骤：
[0056]
步骤(1-1)：根据式(1)确定配电网的能量互动优化模型的目标函数：
[0057][0058]
式中，λ
loss
为网损成本系数，元/kw
·
h；t∈{1,2,
…
,t}为时间段集合；b为支路集合，合，r
ij
为支路ij的电阻，表示t时刻支路ij的电流的平方值；ω为区域能源互联网集合，m为区域能源互联网索引；为t时刻配电网售电或回购电价，元/kw
·
h；为t时刻区域能源互联网参与配电网无功调节的补偿电价，元/kvar；表示t时刻配电网期望与第m个区域能源互联网互动功率，表示t时刻区域能源互联网m期望与配电网互动的有功功率；表示配电网期望与区域能源互联网m互动的无功功率，表示区域能源互联网m期望与配电网互动的无功功率；和为拉格朗日乘子，ρ为惩罚系数。
[0059]
步骤(1-2)：根据式(2)确定配电网的能量互动优化模型的运行约束条件：
[0060][0061]
式中，n为配电网节点集合，b为支路集合，表示t时刻支路ij的电流的平方值，表示t时刻节点i的电压的平方值，和分别表示最大和最小电压平方值，和分别表示最大和最小电流平方值；ω为区域能源互联网集合，m为区域能源互联网索引，ωj为接入节点j的区域能源互联网集合；表示第m个区域能源互联网在t时刻与节点j交互的有功功率，表示t时刻配电网期望与第m个区域能源互联网互动功率，正值表示期望向区域能源互联网售电，负值表示期望从区域能源互联网购电；表示节点j的基础有功负荷；表示区域能源互联网m注入节点j的无功功率，正值表示期望区域能源互联网m提供无功功率，负值表示期望区域能源互联网m吸收无功功率；表示无功补偿器注入节点j的无功功率；表示节点j的基础无功负荷；δ(j)表示以j为首端节点的支路末端节点集合；φ(j)表示以j为末端节点的支路首端节点集合；r
ij
和x
ij
分别为支路ij的电阻和电抗值；k是以为j为首端节点的支路索引，和分别为t时段由节点j流入支路k的有功和无功功率；和分别为t时段支路ij上有功和无功功率；
[0062]
步骤2：以最小化运行成本为目标，综合考虑区域能源互联网能量转换设备和储能设备的运行约束，建立区域能源互联网m与配电网互动的能量互动优化模型，具体包括以下步骤：
[0063]
步骤(2-1)：根据式(3)确定区域能源互联网m的能量互动目标函数：
[0064][0065]
其中，为区域能源互联网m的运行成本；表示t时刻区域能源互联网m购买的天然气，和分别表示t时刻配电网期望与第m个区域能源互联网互动的有功和无功功率；表示t时刻区域能源互联网m期望与配电网互动的有功功率，正值表示区域能源互联网期望从配电网购电，负值表示期望向配电网售电；表示区域能源互联网m期望与配电网互动的无功功率，正值表示期望向配电网提供无功功率，负值表示期望从配电网吸
收无功功率；和为拉格朗日乘子；ρ为惩罚系数；
[0066]
步骤(2-2)：根据式(4)确定区域能源互联网m的能量平衡约束：
[0067][0068]
其中式(4)中第一个等式表示电功率平衡，第二个等式表示热功率平衡，第三个等式表示天然气功率平衡；为t时刻区域能源互联网m的光伏发电功率，为t时刻的电负荷；和分别为t时刻电储能的充电和放电功率；和分别为t时刻燃气轮机和燃气锅炉输入的天然气功率；和分别为燃气轮机的电效率和热效率，为燃气锅炉效率；和分别为t时刻储热装置的储热和放热功率；
[0069]
步骤(2-3)：根据式(5)(6)和(7)分别确定区域能源互联网m中燃气轮机，燃气锅炉，电储能设备和热储能设备运行约束：
[0070][0071]
其中和分别为区域能源互联网m最小和最大互动功率约束值；和分别为燃气轮机最小和最大输出功率约束值；和分别为燃气锅炉最小和最大输出功率约束值；
[0072][0073]
其中表示t时刻电储能的储能量，为电储能的能量损失率，和分别为电储能的充电和放电效率，和分别为电储能的最大充电和放电功率，为二进制变量，和则为电储能的最小和最大储能量，最后一项用于表示电储能在运行周期始末状态的储能量相等；
[0074][0075]
其中表示t时刻热储能的储热量，为热储能的热量损失率，和分别为热储能的充热和放热效率，和分别为热储能的最大充热和放热功率，为二进制变量，和则为热储能的最小和最大储热量，最后一项用于表示热储能在运行周期始末状态的储热量相等；
[0076]
步骤3：在步骤1和步骤2所建立的配电网和区域能源互联网的能量互动优化模型的基础上，建立区域能源互联网与配电网的分布式能量互动求解方法，如图4所示，具体步骤如下：
[0077]
步骤(3-1)：初始化分布式能量互动交替迭代算法最大迭代次数k
max
，迭代收敛精度初始化拉格朗日乘子和初始化惩罚系数ρ以及迭代次数k；初始化各区域能源互联网期望与配电网互动的有功功率和无功功率
[0078]
步骤(3-2)：配电网从各区域能源互联网接收期望互动的有功功率和无功功率求解式(1)-(2)，得出配电网期望与区域能源互联网m互动的有功功率和无功功率
[0079]
步骤(3-3)：对于区域能源互联网m，从配电网接收配电网期望互动的有功功率和无功功率求解式(3)-(7)得出其自身期望与配电网互动的有功功率和无功功率
[0080]
步骤(3-4)：根据式(8)更新拉格朗日乘子：
[0081][0082]
步骤(3-5)：更新迭代次数：k＝k+1；
[0083]
步骤(3-6)：判断算法收敛情况，如果满足式(9)迭代终止条件：
[0084][0085]
则迭代终止，否则返回流程步骤(3-2)重复计算，直至满足收敛条件或最大迭代次数。
[0086]
提供以上实施步骤仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和
修改，均应涵盖在本发明的范围之内。