一种考虑静态电压安全的配网闭环低碳调度方法与流程

本发明提供一种考虑静态电压安全的配网闭环低碳调度方法，属于配网闭环低碳调度。

背景技术：

1、在双碳目标驱动下，电力系统正由传统集中式结构向以新能源为主体的新型电力系统转变，随着分布式光伏、风电、储能及可调负荷在配电网侧的大规模接入，使得配电网运行形态发生明显变化，潮流由单向流动逐渐向双向流动转变，电力系统由被动受电网络逐渐向源、网、荷、储协同运行的主动配电网转变。

2、在高比例新能源接入后，配电网节点电压受到有功潮流、无功分布及调压设备动作共同影响，由于配电网线路电阻与电抗同量级，分布式光伏、风电等新能源出力波动容易引起明显的电压波动和反向潮流现象，传统直流潮流模型将难以准确反映系统运行状态，因此在配网电碳因子计算前，有必要采用交流潮流模型，使节点电压、无功功率、线路损耗及反向潮流等关键因素能够被显式刻画，从而保证后续碳排放流计算基于电压安全可行的潮流结果。

3、为解决高比例新能源接入引起的电压越限问题，需要考虑oltc、cb、新能源逆变器及ess等调节资源参与电压控制，其中：oltc通过改变变压器分接头调节馈线整体电压水平，cb通过投切电容组提供局部无功支撑，新能源逆变器通过动态无功调节参与节点电压控制，ess通过充放电改变有功潮流分布，从而抑制新能源反送潮流引起的电压抬升；上述调压动作会改变潮流分布、线路损耗和反向潮流状态，进而影响碳排放流路径和节点电碳因子计算结果；因此，电压安全控制与电碳因子计算不应相互割裂，而应在统一的配网低碳调度框架中进行协调。

4、现有技术中，部分调度方法侧重于在给定潮流或运行状态下计算节点碳势、支路碳流密度和用户碳排放量，主要解决碳排放核算问题；部分调度方法将碳排放指标直接并入统一优化模型，但在同时考虑交流潮流、静态电压安全、调压资源动作和碳约束时，容易导致模型强耦合、非线性增强和求解复杂度升高，尤其是在交流潮流方程具有电压变量乘积项和三角函数项的情况下，若直接求解全量电碳耦合模型，将面临较大的计算压力，不利于工程应用。

技术实现思路

1、本发明为了解决背景技术中存在的技术问题，采用的技术方案为：提供一种考虑静态电压安全的配网闭环低碳调度方法，包括如下的调度步骤：

2、步骤s1：输入电网拓扑、线路参数、负荷、新能源、机组参数；

3、步骤s2：基于输入参数构建考虑静态电压安全的交流潮流模型；

4、步骤s3：基于非线性约束对构建的交流潮流模型进行处理，包括：

5、通过变量替换，将包含三角函数和乘积项的非线性潮流方程转化为线性形式；

6、引入电压平方变量，将变量之间的物理关系统一表示为二次约束；

7、通过二阶锥松弛，将非凸等式约束转化为凸不等式约束，使问题通过凸优化方法求解；

8、步骤s4：判断配电网的节点电压是否满足静态电压安全约束，不满足则调用oltc、cb、新能源逆变器、ess的调节模型进行调压，进一步调整交流潮流模型，其中：

9、oltc通过改变变压器分接头调节馈线整体电压水平；

10、cb通过投切电容组提供局部无功补偿；

11、新能源逆变器通过动态无功调节参与节点电压控制；

12、ess通过充放电重构有功潮流分布，抑制新能源反送潮流引起的电压抬升；

13、步骤s5：基于调整后的交流潮流模型得到系统有功功率分布，构建碳排放流模型，基于碳排放流模型计算节点电碳因子、节点碳排放、系统总碳排放；

14、步骤s6：判断计算结果是否满足碳约束：

15、满足，则输出调度方案及节点电碳因子计算结果；

16、不满足，则输出外层修正高碳机组成本和新能源弃电惩罚系数，返回步骤s2继续调整交流潮流模型，直到满足碳约束为止。

17、所述步骤s2的具体方法为：

18、采用节点注入法对交流潮流模型进行建模，包括：

19、在节点注入模型中，系统网络拓扑结构及线路参数通过节点导纳矩阵ybus统一描述，定义线路(i,j)的串联阻抗为：

20、；

21、对应线路导纳为：

22、；

23、由线路参数构造节点导纳矩阵ybus，元素表达式为：

24、；

25、进一步得到：

26、；

27、其中，g和b分别表示节点导纳矩阵的实部和虚部，后续交流潮流方程中的gij与bij均由节点导纳矩阵获得；

28、设电力系统节点集合为n，时段集合为t，节点电压表示为复数形式，表达式为：

29、；

30、为便于后续凸优化处理，引入电压平方变量，表达式为：

31、；

32、为消除交流潮流方程中的电压乘积项及三角函数项，引入辅助变量，表达式为：

33、；

34、定义cij,t和sij,t分别表示节点电压向量之间的实部耦合量和虚部耦合量；

35、根据三角函数奇偶性可得：

36、；

37、对于网络中不存在直接连接线路的节点对，其辅助变量满足cij,t=0、sij,t=0，从而可利用变量cij,t和sij,t对交流潮流方程进行重构；

38、为保证优化模型始终具有可行解，引入有功切负荷变量plsi,t和无功切负荷变量qlsi,t，此时节点有功功率平衡方程表示为：

39、；

40、根据节点电压变量及辅助变量进一步恢复线路双端潮流模型；

41、线路(i,j)发送端有功潮流的表达式为：

42、；

43、发送端无功潮流的表达式为：

44、；

45、接收端有功潮流的表达式为：

46、；

47、接收端无功潮流的表达式为：

48、；

49、其中，gij和bij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；gij、bij、bchij分别表示线路电导、电纳以及线路对地充电电纳；

50、对切负荷变量施加上下限约束，以避免系统出现不可行状态，同时保证切负荷行为处于合理范围内，表达式为：

51、；

52、在电压约束方面，节点电压满足运行安全范围：

53、；

54、为限制线路过载，引入支路视在功率约束：

55、；

56、切负荷变量取值范围受到负荷需求限制，以保证切负荷变量满足实际运行要求，表达式为：

57、；

58、上述约束保证切负荷量不超过节点实际负荷需求；

59、分布式电源的逆变器容量限制表示为：

60、；

61、常规机组满足出力上下限、启停逻辑、爬坡约束、最小开停机时间约束，其中：

62、出力约束为：

63、；

64、启停约束为：

65、；

66、爬坡约束为：

67、；

68、对启停过程中的出力变化进行约束，避免机组出力出现不合理的大幅跳变，对于机组在时段t的出力pg,t，其相邻时段变化应满足：

69、；

70、最小开停机时间约束为：

71、；

72、其中，tupg为机组最小开机时间，tdowng为机组最小停机时间；

73、基于上述约束完整描述电力系统在交流条件下的运行可行域；

74、然后在运行成本最小的情况下求解交流潮流模型目标函数的最优解，进行外层碳约束协调迭代更新，构建基础运行成本模型，包括：

75、在满足电网安全运行约束的前提下，系统调度目标为最小化综合运行成本，构建目标函数：

76、；

77、发电成本反映常规机组的运行费用，表达式为：

78、；

79、机组启停成本用于描述机组启停带来的额外消耗，表达式为：

80、；

81、在新能源接入背景下，为鼓励新能源消纳，引入弃风弃光惩罚成本，表达式为：

82、；

83、为避免节点电压偏离额定值，构建电压偏差惩罚项，表达式为：

84、；

85、由于切负荷会直接影响用户供电可靠性，因此通常仅在系统无法满足安全运行约束时才允许发生；

86、为避免优化模型过度依赖切负荷变量，本发明对切负荷设置较高惩罚系数，表达式为：

87、；

88、该目标函数综合考虑了经济性、电压安全性、新能源消纳能力及碳排放水平，实现多目标的统一优化。

89、所述步骤s3的具体方法为：

90、基于节点注入法，节点i的有功功率表达式为：

91、；

92、其中θij=θi-θj；

93、为降低模型复杂度，通过变量替换对非线性结构进行重构，定义新的中间变量：

94、；

95、并引入电压幅值平方变量：

96、；

97、通过上述变量替换，将原有功注入方程转化为线性形式，表达式为：

98、；

99、无功功率同理可写为：

100、；

101、通过变量替换，消除原有的三角函数项和乘积项，将功率平衡方程转化为线性形式，变量之间仍需满足由电压定义所决定的物理关系，根据变量定义：

102、；

103、结合vi,t=v2i,t，进一步得到：

104、；

105、该约束反映了电压变量之间的本质耦合关系，是交流潮流模型中的非线性约束；

106、为实现凸优化求解，需对该非凸约束进行松弛处理，采用二阶锥松弛方法，将原等式约束放宽为不等式形式，表达式为：

107、；

108、将上述约束转化为标准二阶锥约束形式，表达式为：

109、；

110、该转化将原有非凸约束转化为凸的二阶锥约束，将交流潮流优化问题转化为二阶锥规划问题。

111、所述步骤s4中采用的oltc模型通过档位变化调节变压器低压侧电压，oltc模型运行约束的表达式为：

112、；

113、式中，vi,t、vj,t分别为变压器低压侧和高压侧节点电压幅值平方；αi,t为oltc在时段t的电压平方变比；rmin为oltc最小变比；为第s档对应的电压平方变比增量；tmaxoltc为oltc最大档位；σoltci,s,t为0-1变量，表示时段t第s档是否投入；δoltc,ini,t、δoltc,dei,t分别表示oltc在时段t是否发生升档和降档动作；nmaxoltc为调度周期内oltc允许的最大动作次数。

114、所述步骤s4中采用的cb模型通过离散投切方式向配电网提供容性无功补偿，cb模型运行约束的表达式为：

115、；

116、式中，qcbi,t为节点i在时段t的cb无功输出；qtapi为单档cb无功补偿容量；tmaxcb为cb最大档位；σcbi,s,t为0-1变量，表示第s档cb是否投入；δcb,ini,t、δcb,dei,t分别表示cb在时段t是否发生投入和退出动作；nmaxcb为调度周期内cb允许的最大动作次数。

117、所述步骤s4中采用的新能源逆变器的有功出力及容量约束表示为：

118、；

119、式中，ppvi,t、pwti,t分别为节点i在时段t的光伏与风电有功出力；ppv,prei,t、pwt,prei,t分别为光伏与风电预测出力；qpvi,t、qwti,t分别为光伏与风电逆变器无功输出；spvi、swti分别为光伏与风电逆变器容量。

120、所述步骤s4中采用的ess模型通过充放电改变配电网有功潮流分布，ess模型运行约束的表达式为：

121、；

122、式中，pchai,t、pdisi,t分别为节点i在时段t的ess充电和放电功率；pcha,maxi、pdis,mini分别为ess最大充电和放电功率；dchai,t、ddisi,t为0-1状态变量，分别表示ess充电和放电状态；eessi,t为ess储能电量；ηchai、ηdisi分别为充放电效率；eess,maxi、eess,mini别为ess电量上下限。

123、所述步骤s5的具体方法为：

124、为统一描述潮流方向，引入支路有功功率分解变量：

125、设支路i→j的有功潮流为pij，则定义：

126、；

127、其中，p+ij表示从节点i流向节点j的正向潮流分量，p+ji表示从节点j流向节点i的正向潮流分量；

128、定义节点n流入支路集合为ωinn，流出支路集合为ωoutn；

129、根据比例共享原则，节点内部任一流出支路中的潮流，均按比例包含所有流入支路的贡献，表达式为：

130、；

131、其中，pnj,i表示流出支路j中来自流入支路i的功率分量；

132、定义流入支路i的碳流密度为ρi，则流出支路j的碳流率为：

133、；

134、代入比例关系并整理，得到：

135、；

136、因此，支路j的碳流密度的表达式为：

137、；

138、考虑节点发电注入，得到节点碳守恒方程为：

139、；

140、整理得到节点电碳因子为：

141、；

142、节点负荷碳排放的表达式为：

143、；

144、在碳排放流分析中还需要对网损进行合理分配，定义支路i→j在时段t的有功损耗为：

145、；

146、其中，pij为正向潮流，pji为反向潮流分量，其差值体现潮流方向，其和反映线路损耗；

147、针对网损碳排放分配，采用发送端归责原则，表达式为：

148、；

149、完成配网内部节点电碳因子计算后，提取配微边界节点的节点电碳因子，并形成面向微网侧的边界电碳因子，将配微边界电碳因子作为微网购电碳属性或微网低碳调度的输入。

150、所述步骤s6的具体方法为：

151、构建基于经济信号调节的隐式低碳协调机制，包括：

152、定义系统总碳排放rtotal为：

153、；

154、与定碳排放目标比较判断：

155、当rtotal≤rtarget时，则认为当前调度方案满足低碳要求，输出最终结果；

156、当rtotal＞rtarget时，则表示系统总碳排放没有满足目标碳排放约束调节，需要对主问题进行修正，包括：

157、为抑制高碳机组出力，通过增加其发电成本来降低其在优化中的出力，定义机组g的原始发电成本系数为cg，δc(k)为附加成本，则在第k次迭代中，修正后的发电成本系数表示为：

158、；

159、并按迭代逐步增加：

160、；

161、为降低碳排放，提高风电和光伏的利用率，减少弃风弃光现象，定义弃风功率为curtw,t，弃光功率为curtp,t，则原弃电惩罚成本为：

162、；

163、在第k次迭代中，通过引入调节系数β(k)，将其修正为：

164、；

165、；

166、上述构建的隐式低碳协调机制在于通过提高弃电成本来降低弃风弃光倾向，促进新能源优先消纳，从源头降低系统碳排放；

167、基于上述机制，外层协调过程为先初始化调度参数，求解交流潮流主问题；

168、其次计算碳排放流，得到rtotal，若满足碳约束，则停止迭代，否则更新cg、ccurt，返回主问题重新求解，直至收敛。

169、本发明相对于现有技术具备以下的有益效果：

170、一、本发明在电碳因子计算前先求解考虑静态电压安全的交流潮流主问题，使节点电碳因子、支路碳流密度和配微边界电碳因子均基于电压安全可行的潮流结果计算得到，克服了基于不可行潮流状态进行碳排放分摊的问题；

171、二、本发明针对高比例新能源接入配电网导致的电压越限问题，考虑oltc、cb、新能源逆变器及ess等调节资源参与电压控制，使调压动作对潮流分布、线路损耗、反向潮流和碳流路径的影响能够进入电碳因子计算过程；

172、三、本发明构建了交流潮流主问题-碳排放流子问题-外层协调的闭环机制，采用先算电、再算碳、再调电的技术路线，避免将复杂碳变量全部强耦合到主问题中，降低了求解复杂度；在碳约束不满足时，通过动态调整高碳机组运行成本和新能源弃电惩罚系数，间接改变系统调度结果，使系统逐步向低碳运行状态演化，实现电压安全与低碳运行的协同优化。