计及网架结构的提升可调节负荷能效比的方法及系统与流程

本发明属于电力市场营销领域，具体地，涉及计及网架结构的提升可调节负荷能效比的方法及系统。

背景技术：

1、目前，负荷侧用电设备类型多、数量多，但能效相对较低，能源利用效率不高，造成了负荷侧的能源浪费。在“双碳”背景下，如何减少碳排放是目前保证“双碳”目标的达成是目前首要任务，现有技术多数研究是从发电侧，鲜有从用电侧提升负荷能效的有效方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种计及网架结构的提升可调节负荷能效比的方法及系统，按照负荷的可调节特性将负荷分为可转移可中断负荷、可转移不可中断负荷；通过考虑负荷可调节特性、动态电价、电网网损、网架结构，提升负荷侧的能效比，提高用电负荷的用电经济性。电网通过对用户端资源充分利用，利用部分负荷的时域可中断可转移特性，基于电网结构从用户侧提升负荷能效，提高能源利用率，减少能源浪费。用户侧既提高了能源利用率，又充分利用了电网负荷调节特性调动市场双向互动积极性。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明一方面提出了一种计及网架结构的提升可调节负荷能效比的方法，包括：

4、步骤1，建立适用于负荷不可转移不可中断的用电设备的第一类生产安全约束条件，建立适用于负荷可转移不可中断的用电设备的第二类生产安全约束条件，建立适用于负荷可转移可中断的用电设备的第三类生产安全约束条件；

5、步骤2，利用静态功率负荷模型、冲击功率负荷模型和离散功率负荷模型，基于动态电价和静态网损，根据能效的定义建立负荷能效最优模型；以第一类生产安全约束条件、第二类生产安全约束条件和第三类生产安全约束条件为基础，建立负荷能效最优模型的运行条件；

6、步骤3，基于电网动态拓扑结构，根据开关动作次数对负荷能效最优模型及运行条件进行正常状态下的动态重构，以获得计及网架结构的负荷能效最优模型及运行条件；

7、步骤，在全部电网范围内，利用计及网架结构的负荷能效最优模型及运行条件获得各个负荷的最优运行功率；分别对各个负荷设置单位功率利润转化率，同时根据动态上网电价确定电网网损，最终得到全网最优能效产出。

8、优选地，第一类生产安全约束条件满足如下关系式：

9、

10、式中，tu,n为第u个可转移负荷的总运行时长，其中n为完成任务所需要的全部运行时段，k为运行时段，k为可转移负荷的运行时段总数，为第u个可转移负荷在第k个运行时段的状态变量，分别为第u个可转移负荷在第t和t+1个运行时段的状态变量。

11、优选地，第二类生产安全约束条件包括：

12、(1)后置用电任务o启动时间约束满足如下关系式：

13、tio,min≤tio≤tio,max

14、式中，为第i个用电设备的后置用电任务o的启动时间，分别为第i个用电设备的后置用电任务o启动时间的最小值和最大值；

15、(2)后置用电任务o需要在前置用电任务o′完成后等待时长to′再开始运行，用电设备的负荷时序耦合约束满足如下关系式：

16、

17、式中，to′为前置用电任务o′的停止时刻，to′为等待时长，to为后置用电任务o的启动时刻；

18、(3)后置用电任务o启停时间约束满足如下关系式：

19、

20、

21、式中，τ为时段长度，to′为后置用电任务o的停止时刻，k为运行时段，为第i个用电设备的后置用电任务o在第k个运行时段的开机状态，开机时

22、(4)后置用电任务o在第k个运行时段的开机状态和停机状态约束满足如下关系式：

23、

24、

25、式中，为第i个用电设备的后置用电任务o在第k个运行时段的停机状态；若当前运行时段为开机状态则下一个运行时段保持开机状态，若当前运行时段为停机状态则下一个运行时段保持停机状态；

26、(5)后置用电任务o在第k个运行时段内的持续时间约束满足如下关系式：

27、

28、

29、

30、式中，γo,k为后置用电任务o在第k个运行时段内的持续时间，tq为可转移负荷转移后启动时间；为用电任务o在第k个运行时段的停机状态；

31、(6)任务c结束后，后置用电任务o开始，后置用电任务o必须在任务c结束时刻立刻开始，后置用电任务o的运行时间约束满足如下关系式：

32、

33、式中，π为后置用电任务o的运行时段总数，tc,n为任务c的总运行时长，其中n为完成任务所需要的全部运行时段数；

34、(7)连续性负荷不可中断性约束满足如下关系式：

35、

36、式中，tu,n为第u个可转移负荷的总运行时长，其中n为完成任务所需要的全部运行时段，k为运行时段，δ为连续性负荷的运行时段总数，为第u个可转移负荷在第k个运行时段的状态变量，分别为第u个可转移负荷在第t和t+1个运行时段的状态变量。

37、优选地，第三类生产安全约束条件包括：

38、(1)第u个可转移负荷的工作时长约束满足如下关系式：

39、

40、式中，d为可转移负荷总数，为第u个可转移负荷在第k个运行时段的状态变量，tu,n为第u个可转移负荷的总运行时长，其中n为完成任务所需要的全部运行时段，k为运行时段，tu,min、tu,max分别为第u个可转移负荷运行时段的最小限值和最大限值；

41、(2)第u个可转移负荷运行结束后后置负荷b才能运行，后置负荷约束满足如下关系式：

42、

43、式中，为后置负荷b在第t个运行时段的状态变量，γ为后置负荷b的运行时段总数；

44、(3)转移功率平衡约束满足如下关系式：

45、

46、式中，pu,k为第u个可转移负荷在第k个运行时段的功率，为第k个运行时段的固定负荷，为第k个运行时段的最大运行功率。

47、优选地，采用多项式模型表征静态功率负荷模型，基于自恢复负荷模型原理建立冲击功率负荷模型，采用随机森林算法建立离散功率负荷模型。

48、优选地，第静态功率负荷模型满足如下关系式：

49、

50、ap+bp+cp＝1

51、式中，pi为静态功率负荷，p0为静态功率负荷标准值，u为负荷实际电压，

52、u0为负荷两端电压标准值，ap，bp，cp分别为稳定型负荷第一系数，稳定型负荷第二系数，稳定型负荷第三系数；不同的静态功率负荷之间，ap、bp、cp各不相同。

53、优选地，冲击功率负荷模型满足如下关系式：

54、

55、p＝pii+(u2r)/(r2+x2)

56、

57、式中，tp为有功时间常数，pii，u分别为有功需求和负荷实际电压，p0，u0分别为稳态有功功率，负荷两端电压标准值，r为动态电阻，x为动态电抗，

58、ρ为稳态时有功指数，p为实际功率，kp、kq分别为电阻和电抗随电压差u-u0变化的系数，rs为稳态电阻，xs为稳态电抗。

59、优选地，采用随机森林算法对时域下离散功率负荷进行建模，建立各离散功率负荷pⅲ之间的映射关系，包括：

60、步骤s1，利用c均值模糊聚类方法对原始数据行相似日分组以得到相似日数据；将相似日数据分为训练集与测试集，记训练集的样本容量为h，记训练集中样本的属性容量为m；其中，原始数据是指用电数据经过坏数据删除、符合用电负荷变化总体趋势的未经归一化的有功功率有名值；同一组相似日数据具有相似的负荷变化趋势并且各负荷的有功功率数值相差不超过负荷的5％；

61、步骤s2，从训练集中利用bootstrap重抽样的方法抽取样本容量为n的抽样训练集，重复抽样w次以得到w个抽样训练集θ1,θ2,λ,θw；生成每个抽样训练集对应的决策树{t1(θ1),t2(θ2),λ,tw(θw)}；其中，w为随机森林算法的决策树数；

62、步骤s3，在生成cart决策树过程中，对于每个分裂节点，从m维属性特征中不放回地抽出m维属性特征，遍历m维属性特征以及m维属性特征对应的值，计算得到的输出值实际功率p的最小均方值作为最优分割判据；其中，m<＝m且m∈m；

63、步骤s4，每棵决策树都一直分裂至叶子节点，决策树的分裂过程不需要剪枝；将生成的w棵决策树组成第1层随机森林，由w棵决策树预测值取平均值即为随机森林模型的预测结果。

64、优选地，步骤2中建立负荷能效最优模型包括：

65、步骤2.1，建立第k个运行时段内负荷的总功率模型：

66、

67、式中，pk为在第k个运行时段内负荷的总功率，pu,k、pr,k、pc,k分别为第k个运行时段内可转移可中断负荷的功率、可转移连续负荷的功率、固定负荷的功率，

68、ω，ξ，z分别为可转移可中断负荷的数量、可转移连续负荷的数量、固定负荷的数量；

69、步骤2.2，建立第k个运行时段内负荷产值模型：

70、

71、式中，eu,k为第k个运行时段内第u个可转移负荷产值，k为运行时段，k为可转移负荷的运行时段总数，u为可转移负荷编号，u为负荷实际电压，μ为用电量合格产品转化率，cu,k为第k个运行时段内第u个可转移可中断负荷的产品单价，ηu,k为第k个运行时段内第u个可转移可中断负荷的流水线生产成功率；

72、步骤2.3，建立电费成本模型：

73、

74、式中，c1为电费成本；

75、为第u个可转移可中断负荷在第k个运行时段内的转移成本，满足如下关系式：

76、

77、为第u个可转移可中断负荷在第k个运行时段内的用电成本，满足如下关系式：

78、

79、式中，λ1，λ2分别为可转移负荷向后、向前转移的成本系数，su、su分别为第u个可转移可中断负荷原计划启动时间与转移后启动时间，a(t)为动态上网电价，t为运行时段编号；

80、步骤2.4中，建立负荷能效优化模型：

81、

82、式中，χ为负荷能效；

83、负荷能效最小表示的负荷能效优化模型。

84、优选地，在优化负荷能效时将动态电价考虑在内，其次考虑静态网损、运行成本和网架结构动态重构；

85、静态网损包括运行成本c3和网损c4；

86、运行成本c3满足如下关系式：

87、c3＝epl

88、式中，e是线路的运行维护成本系数，取值为1％～2％，pl为线路集合中第l条线路的容量；

89、网损c4满足如下关系式：

90、

91、式中，z为支路编号，z为支路总数，rz、pz、qz、uz分别为第z个支路的阻抗、有功功率、无功功率、末端电压；qz表示第z个支路的开关状态，是一个0-1变量，其中，0表示第z个支路的开关断开，1表示第z个支路的开关闭合。

92、优选地，负荷能效最优运行条件包括：

93、(1)配电线路传输容量上下限约束，满足如下关系式：

94、pg,dmin≤pg,d≤pg,dmax

95、式中，pg,d是线路g在d时刻的实际传输容量，pg,dmin、pg,dmax分别为线路g在d时刻传输容量的最小值、最大值；

96、(2)节点功率平衡约束，满足如下关系式：

97、

98、式中，ph,z，ph,f分别是节点h注入的有功功率和负荷需求，bhm是节点h和m之间线路的电纳值，θh，θm分别是节点h的相角和节点m的相角，h是输电线路的节点集，其中h,m∈h；

99、(3)线路潮流约束要求两节点之间线路上的传输功率不大于线路的最大允许传输功率，满足如下关系式：

100、uhum(ghmcosθhm+bhmsinθhm)≤phmmax

101、式中，uh为节点h的电压，um为节点m的电压，ghm为节点h和m之间的电导，θhm为节点h和m之间的相角，bhm为节点h和m之间的电纳，phmmax为节点h和m之间的线路功率上限；

102、(4)配电网中节点h的相角约束，满足如下关系式：

103、θh,min≤θh≤θh,max

104、式中，θh,min、θh，max分别为节点h相角的上、下限值。

105、优选地，正常状态下的电网拓扑结构动态重构时，不仅要考虑网损，还需考虑开关动作次数成本，满足如下关系式：

106、

107、式中，f为开关动作次数成本，分别为第支路重构前开关状态、重构后开关状态，其中为完成任务所需要的全部运行时段，ρ为单次开关动作成本；

108、动态重构后的负荷能效最优运行条件包括：

109、(1)电网网架运行约束，满足如下关系式：

110、pjmin≤pj≤pjmax

111、式中，pj为节点j的有功功率，pjmin、pjmax分别为节点j允许的有功功率最小值、有功功率最大值；

112、(2)用户调节能力约束，满足如下关系式：

113、pdmin≤pd≤pdmax

114、式中，pn为第d个用户的有功调节能力，pdmin、pdmax分别为第d个用户的有功调节能力最小值和最大值。

115、优选地，步骤4中，全部电网最优能效产出满足如下关系式：

116、max e＝a1p1+a2p2+...avpv+aυpυ-psa(t)

117、式中，

118、max e为全部电网最优能效产出，

119、a1,a2,λ,av,λ,aυ分别为第v个负荷的最优单位功率利润转化率，

120、p1,p2,λ,pv,λ,pυ分别为第v个负荷的的运行功率，

121、v＝1,2,λ,υ，υ为负荷的总数，

122、a(t)为动态上网电价，t为运行时段编号；

123、ps为全部电网的网损功率。

124、本发明另一方面还提出了计及网架结构的提升可调节负荷能效比系统，包括：负荷分类及负荷模型建立模块，用电设备分类及约束条件建立模块，负荷能效最优模型模块，负荷能效最优模型重构模块，全网最优能效产出模块；

125、负荷分类及负荷模型建立模块包括：负荷分类单元，负荷模型建立单元；其中，负荷分类单元，用于对负荷按照功率特性分类为：静态功率负荷，冲击功率负荷，离散功率负荷；以及对各类型负荷进行用电数据采集；负荷模型建立单元，用于采用零膨胀泊松回归模型表征静态功率负荷模型，基于自恢复负荷模型原理建立冲击功率负荷模型，采用随机森林算法建立离散功率负荷模型；

126、用电设备分类及约束条件建立模块包括：用电设备分类单元，约束条件建立单元；其中，用电设备分类单元，用于根据负荷用电性质对用电设备分类为：不可转移不可中断负荷，可转移不可中断负荷，可转移可中断负荷；约束条件建立单元，用于建立负荷不可转移不可中断的用电设备的第一类生产安全约束条件，建立负荷可转移不可中断的用电设备的第二类生产安全约束条件，建立负荷可转移可中断的用电设备的第三类生产安全约束条件；

127、负荷能效最优模型模块包括：最优模型建立单元，最优运行条件建立单元；其中，最优模型建立单元，用于利用静态功率负荷模型、冲击功率负荷模型和离散功率负荷模型，基于动态电价和静态网损，根据能效的定义建立负荷能效最优模型；最优运行条件建立单元，用于在局域电网下，对负荷能效最优模型建立负荷能效最优运行条件；

128、负荷能效最优模型重构模块，用于基于电网动态拓扑结构，根据开关动作次数对负荷能效最优模型及其运行条件进行正常状态下的动态重构，以获得计及网架结构的负荷能效最优模型及运行条件；

129、全网最优能效产出模块，用于在全部电网范围内，使用利用计及网架结构的负荷能效最优模型及运行条件获得各个负荷的最优运行功率；分别对各个负荷设置单位功率利润转化率，同时根据动态上网电价确定电网网损，最终得到全网最优能效产出。

130、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出的方法中电网通过对用户端资源充分利用，利用部分负荷的时域可终端可转移特性，基于电网结构从用户侧提升负荷能效，提高能源利用率，减少能源浪费。用户侧既提高了能源利用率，又充分利用了电网负荷调节特性调动市场双向互动积极性。

131、现有的技术，有些只针对于单一行业的能效并未考虑多类型负荷能效，有的值侧重于负荷侧能效，并未考虑电网传输过程中因负荷侧用能不同而产生的网损不同、网络拓扑结构不同造成的网络潮流不同而产生的电能损耗和电费成本。

132、在电力市场环境中，由于电价为变量，用户在考虑能效的同时，通常也关心用电的经济性。因此，本文在考虑负荷能效的同时也考虑了波动变化的电价。

133、基于泊松分布模型对静态功率负荷进行统计时，计数数据常常会呈现出高概率分布的零观测值，从而导致有偏的统计结果。