基于目标级联法的输配协同安全约束机组组合优化方法

本发明涉及电力系统优化领域，具体涉及一种基于目标级联法的输配协同安全约束机组组合优化方法。

背景技术：

1、配电网中分布式可再生能源渗透率的提高，将导致输配割裂的机组组合传统运行方式出现电网堵塞问题，若不进行有效管理，则难以充分利用输配电网中的可调度资源，造成输配电网成本的增加。

2、对于现有输配协同研究来说，大部分研究没有将其与机组组合问题中的启停计划联系起来，这不仅使得大量的0-1变量难以求解，而且在一定程度上限制了输配协同运行经济性的提高。为此，国内外学者针对输配协同机组组合的黑启动策略、经济调度、潮流分析等方面展开了一系列研究。然而，上述研究仅通过于输配电网边界的联络线交换功率来实现输配协同优化调度，没有发掘储能系统消纳可再生能源的能力。

3、输配协同机组组合有两种求解方法，理论上可以采用集中式优化方法对其进行求解，然而输配电网的参数、结构以及分析方法存在显著差异，集中求解不仅会导致模型过于复杂，而且不能很好的保护输配电网的隐私。因此，采用分布式优化算法对输配协同机组组合进行优化。

4、综上所述，有必要采用分布式优化算法对考虑接入储能后的输配协同机组组合问题进行研究，以便制定兼顾经济性与环保性的调度决策方案，在提高经济性的同时，实现可再生能源的优先消纳。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于目标级联法的输配协同安全约束机组组合优化方法，该方法从分布式可再生能源和集中式可再生能源消纳、经济性方面对输配协同系统进行调度，能够为电力系统优化领域方面提供有效的技术支持和参考。

2、本发明采取的技术方案为：

3、考虑动态频率约束和多重不确定性的风电装机容量优化方法，包括以下步骤：

4、步骤1：构建输配协同系统，其中：输电网层包括大规模集中式风电机组、传统火电机组和负荷；配电网层包括可控分布式能源发电、分布式可再生能源发电、储能以及负荷。

5、步骤2：以输配电网总体成本最小为目标，分别构建上层输电网机组组合模型、下层配电网经济调度模型；

6、步骤3：采用增量分段方法和二阶锥技术将步骤2模型中的非线性项转化为混合整数线性规划问题。

7、步骤4：将输配电网间的联络线交换功率作为耦合变量，采用目标级联法对上层输电网机组组合模型、下层配电网经济调度模型进行解耦、以及并行优化求解。

8、所述步骤2中，以输配电网总体成本最小为目标，构建以输电网经济性为主要目标的上层输电网机组组合模型；考虑储能调节特性，构建以配电网运行成本最小为目标的下层配电网经济调度模型。

9、输配电网总体目标函数为：

10、

11、式中：ctotal为输配电网总的运行成本；cta为输电网运行成本；k为第k个配电网；nn为配电网数量；cda,k为k第个配电网的运行成本；

12、上层输电网机组组合模型的目标函数为：

13、

14、式中：t为时段；t为研究周期内划分的时段集合；ai、bi、ci分别为第i台火电机组的二次、一次以及常数项耗量系数；为第i台火电机组的有功出力；si,t、hi,t分别为火电机组开、停机状态变量；分别为火电机组开、停机成本；分别为第i台火电机组提供正、负备用的成本系数；分别为第i台火电机组提供的正、负备用；w为第w台风电机组；ng、nw、nn分别为火电机组、风电机组、配电网数量；αw为弃风惩罚成本；pw,t分别为风电输出功率的预测值、实际值；λk,t为输配边界的分时电价；为输电网向配电网传输的有功功率。

15、下层配电网经济调度模型的目标函数为：

16、

17、式中：ak,g、bk,g、ck,g分别为第k个配电网中cdg的二次、一次以及常数项成本系数；为第k个配电网中t时刻cdg的出力；分别为t时刻rdg的实际值和预测值；λk,t为输配边界的分时电价；为第k个配电网向输电网购买的输电功率；分别为第e台储能在充电时提供正、负备用的成本系数；分别为第e台储能在放电时提供正、负备用的成本系数；分别为第e台储能在充电时提供的正、负备用；分别为第e台储能在放电时提供的正、负备用；分别为第k个配电网中储能的充、放电损耗成本系数；ness为储能数量；分别为t时刻储能的充、放电功率；ncdg为配电网中cdg机组数量；g为第k个配电网第g台cdg机组。

18、上层输电网机组组合模型的约束条件包括：

19、火电机组爬坡约束：

20、

21、式中：分别为第i台火电机组在t-1时刻、t时刻的功率；ui,t-1、ui,t分别为t-1时刻、t时刻火电机组运行状态变量；分别为火电机组的向上、向下爬坡速率；为第i台火电机组的出力上限。

22、火电机组出力约束:

23、

24、式中：分别表示第i台火电机组的出力上、下限。

25、火电机组开停机约束：

26、

27、式中：si,t、hi,t分别为t时刻火电机组开、停机状态变量；

28、功率平衡约束：

29、

30、式中：ng、nw分别为输电网中火电机组、风电机组的数量；nn为配电网的数量；i为第i台火电机组；w为第w台风电机组；k为第k个配电网；d为第d节点；分别为d节点上的火电机组、风电机组、配电网集合；ωd为输电网负荷总数；为输电网向配电网传输的有功功率；pd,t为负荷功率。

31、线路潮流约束：

32、

33、式中：δd,l为节点b对线路l的功率转移分布因子；kl为输电网线路l流过功率的上限。

34、输配电网联络线交换功率传输约束：

35、

36、式中：分别为输配电网边界功率传输功率的上、下限。

37、下层配电网经济调度模型的约束条件包括：

38、可控分布式能源功率约束：

39、

40、式中：分别为cdg有功、无功出力；分别为cdg无功出力的上、下限；分别为cdg有功出力的上、下限。

41、分布式可再生能源功率约束：

42、

43、式中：分别为rdg功率的预测值和实际值。

44、有功功率平衡约束：

45、

46、式中：g为第g台cdg机组；h为第h台rdg机组；e为第e台储能；l为第l条线路；分别为f节点上的cdg机组、rdg机组、储能以及配电网集合；分别为以f节点为起点、终点的线路集合；ωf为配电网负荷总数；分别为为t时刻的cdg、rdg的有功出力；为第k个配电网向输电网购买的输电功率；pl,t为线路l上的有功功率；pf,t为负荷有功功率。

47、配电网潮流约束：

48、

49、式中：v(f)为以f节点为初始节点的支路末端节点的集合；pef,t、qef,t分别为t时刻从e节点流向f节点的有功、无功功率；xef、ref分别为支路e、f间的电抗、电阻；pf,t、qf,t分别为t时刻f节点的有功、无功功率；pfg,t、qfg,t分别为t时刻从f节点流向g节点的有功、无功功率；ve,t、vf,t分别为t时刻从e节点、f节点的电压。

50、储能充放电功率约束：

51、

52、式中：分别为第k个配电网中储能的充、放电功率的上限。

53、储能存储能量约束：

54、

55、式中：分别为储能装置的充、放电效率；分别为第e台储能在t-1时刻、t时刻的容量；△t取1小时；分别为储能容量上、下限。

56、输配电网联络线交换功率传输约束：

57、

58、式中：分别为输配电网边界功率传输功率的上、下限；为第k个配电网向输电网购买的输电功率。

59、所述步骤3中，线性化处理如下：

60、首先，对上层输电网机组组合模型和下层配电网经济调度模型中具有f(x)＝x2形式的非线性项进行线性化处理，处理过程如下：

61、

62、式中：f(x)为分段点x对应的函数值；f(x1)、f(xs+1)、f(xs)分别为分段离散点x1、xs+1、xs对应的函数值；δs为第s个分段区间上的位置；npl为分段数。

63、

64、式中：x为分段点；x1、xs+1、xs分别为计算分段线性化需要的分段离散点；s为第s个分段区间；δs为第s个分段区间上的位置。

65、s＝1,2,…,npl-2；

66、0≤δs≤1,s＝1,2,…,npl-1；

67、式中：ηs为二进制变量；δs+1为第s+1个分段区间上的位置。

68、同时，本发明采用二阶锥技术对配电网中的潮流约束进行线性化处理：

69、首先，定义变量：

70、

71、式中：pef,t、qef,t分别为t时刻从e节点流向f节点的有功、无功功率；ief,t为t时刻从e节点流向f节点的电流；pf,t、qf,t分别为t时刻f节点的有功、无功功率；ue,t、ve,t均为t时刻e节点的电压；

72、然后，将上式代入到原来的配电网潮流约束中，并进一步松弛，可得到：

73、

74、最后，再进行等价变形，可将其转化为潮流约束的二阶锥形式：

75、

76、所述步骤4中，采用目标级联法后的目标函数为：

77、

78、

79、式中：cta为输电网运行成本；cda,k为第k个配电网的运行成本；μk,t、为罚函数一、二次项的算法乘子；为输电网向配电网传输的有功功率；为第k个配电网向输电网购买的输电功率；均表示已知量。

80、所述步骤4包括以下步骤：

81、s1：设置外循坏次数w＝0、内循环次数v＝0；并初始化罚函数一、二次项的算法乘子及输配电网功率交互值；

82、s2：置w＝w+1，各主动配电网运并行求解其经济调度模型，并将优化后得到的传递给上层输电网。

83、s3：输电网接收到配电网传递来的数据后，结合风电预测值，求解输电网层优化问题，并将优化后得到的传递给下层配电网。

84、s4：利用下式检验内循环是否收敛；若满足，则继续s5；否则返回s2。

85、

86、式中：分别为第w-1次、w次迭代时输电网向第k个配电网传输的有功功率；分别为第w-1次、w次迭代时第k个配电网向输电网购买的输电功率；ε1为收敛精度。

87、s5：利用下式检验外循环是否收敛；若满足，则输出结果，否则继续s6。

88、

89、式中：ε2、ε3为收敛精度；分别为第v-1次、v次迭代时输电网运行成本；分别为第v-1次、v次迭代时第k个配电网的运行成本。

90、s6：更新罚函数乘子：置v＝v+1、w＝0，根据下式更新罚函数一、二次项的算法乘子，然后返回s2重新迭代。

91、

92、式中：分别为第v次、v+1次迭代时罚函数一项的算法乘子；分别为第v次、v+1次迭代时罚函数二次项的算法乘子。

93、所述步骤4中，上层输电网机组组合模型的优化结果包括：

94、火电机组启停状态：ui,t；

95、火电机组启停成本：

96、火电机组出力：

97、火电机组提供的备用：

98、输配电网联络线交换功率：

99、输电网弃风成本：

100、输电网售电收益：

101、所述步骤4中，下层配电网经济调度模型的优化结果包括：

102、可控分布式能源出力：

103、可控分布式能源发电成本：

104、配电网弃风成本：

105、向输电网购电的成本：

106、储能充放电损失成本：

107、储能提供备用成本：

108、

109、本发明一种基于目标级联法的输配协同安全约束机组组合优化方法，技术效果如下：

110、1)本发明采用增量分段方法和二阶锥技术对模型中的非线性项进行线性化处理，大大提高了求解效率。

111、2)本发明考虑储能提供备用，不仅减轻了火电机组的备用压力，而且更加充分利用了输配电网中的可调度资源。

112、3)相比于输、配电网独立优化，本发明提出的输、配电网分布式协同优化不仅可以实现输电网与配电网层的独立优化，还可以实现两者发电资源的协调，并且保证了输配电网运行的经济性。