多层级柔性互联输配电网的分布式协同优化方法及系统

本技术涉及多层级输配电网的协同优化，尤其是涉及一种多层级柔性互联输配电网的分布式协同优化方法及系统。

背景技术：

1、随着风电、分布式光伏等新能源在输电网和配电网中的渗透率不断提高，电力系统逐步形成多区域、多层级和柔性互联的网络形态。不同网络层级及供电区域之间的运行状态相互影响，传统面向单一网络或单一层级的独立优化方式已难以满足新能源高比例接入条件下的协同运行需求。现有输配电网协同优化技术主要包括集中式优化和分布式协调优化两类：集中式优化将输电网、配电网及可调节资源统一建模，能够直接考虑不同网络之间的耦合关系，但需要完整共享两侧内部模型和运行数据，随着网络规模、参与主体和优化时段增加，模型规模及数据交互量也相应增大；分布式优化通过将输电侧和配电侧分解为独立子问题，以输配接口边界量为耦合变量进行交替迭代求解，能够在一定程度上减少输配两侧内部网络信息的直接交换，是当前输配协同优化的一种典型实现方式。

2、在输电层，不同交流输电区域之间可通过柔性直流等可控电力电子设备实现功率互济；在配电层，智能软开关（soft open point，sop）等柔性互联设备被广泛用于连接不同馈线、供电区域或有源配电网。现有技术已经分别形成了输配边界分布式协调、输电网间柔性直流功率调节以及配电网间sop柔性互联优化等技术路线，但当上述多种互联关系同时存在于同一多层级输配电网络中时，仍存在以下不足：缺少针对不同柔性互联关系合理确定分布式优化边界的机制；同层级柔性互联网络的分布式协调优化复杂度较高，不利于分布式优化模型的简化和扩展；输电侧与配电侧独立优化难以保证输配接口运行状态一致；而集中式联合优化又难以兼顾输配运营主体的数据自治和大规模计算需求。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种多层级柔性互联输配电网的分布式协同优化方法及系统，解决现有技术存在的上述问题。

2、为实现上述目的，本技术提供了一种多层级柔性互联输配电网的分布式协同优化方法，包括以下步骤：

3、s1：获取网络数据，根据柔性互联设备的物理连接关系确定输电侧和配电侧的联合求解范围；

4、s2：建立柔性互联输电网联合优化模型，以输电侧集合内常规机组发电成本与弃风惩罚成本之和最小为目标，将柔性直流互联运行约束作为输电侧内部约束纳入输电侧联合优化模型，联合确定常规机组出力、风电出力、交流网络潮流、柔性直流传输功率以及各输配接口在输电侧的本地有功、无功边界耦合变量；

5、s3：建立柔性互联配电网联合优化模型，以配电侧集合内线路损耗和节点电压偏差之和最小为目标，sop柔性互联约束作为配电侧内部约束纳入联合优化模型；联合确定分布式光伏出力、配电网潮流、节点电压、线路电流、sop端口有功和无功以及输配接口配电侧本地有功、无功边界耦合变量；

6、s4：针对输电侧和配电侧对同一输配接口建立的本地边界耦合变量构造一致性约束，并基于交替方向乘子法进行分布式协调，构造增广拉格朗日函数并分解为输电侧子问题和配电侧子问题进行交替迭代求解，迭代过程中更新拉格朗日乘子和交替方向乘子法惩罚因子，直至原始残差和对偶残差满足收敛条件；

7、s5：在满足收敛条件后，输出各输电网常规机组和风电运行结果、柔性直流传输功率、各输配接口一致的有功和无功交换功率，以及各配电网光伏出力、节点电压、线路潮流和sop端口调节量，并根据应用需求形成相应的调度指令或运行评价指标。

8、优选的，所述根据柔性互联设备的物理连接关系确定输电侧和配电侧的联合求解范围具体包括：

9、将通过柔性直流直接连接且传输功率需要在优化中联合确定的交流输电网纳入同一输电侧联合优化范围；

10、将通过sop直接连接且端口功率需要在优化中联合确定的配电网纳入同一配电侧联合优化范围；

11、输电侧与配电侧之间仅通过各输配接口对应的边界耦合变量建立分布式协调关系。

12、优选的，s1中，针对输配接口m在时段t的同一组物理交换功率，在输电侧和配电侧分别设置本地有功功率边界耦合变量和本地无功功率边界耦合变量，两侧采用相同的功率正方向和功率基准；第m个输配接口在第t时段的边界耦合变量表示为：

13、；

14、；

15、其中，z为按[p,q]排列的二维边界耦合变量；为输电网侧边界耦合变量，为配电网侧边界耦合变量，p、q分别表示接口有功、无功功率；m为输配接口索引；t=1,2,…,t为时段索引；上标tn、dn分别表示输电网侧和配电网侧；、分别为参与本次联合优化的输电网集合和配电网集合，n、d分别为输电网和配电网索引；、分别为隶属于输电网n和配电网d的输配接口集。

16、优选的，以输电侧集合内常规机组发电成本与弃风惩罚成本之和最小为目标，表示为：

17、；

18、其中，为输电侧原始目标函数，、分别为常规机组发电成本和弃风惩罚成本；

19、常规机组发电成本表示为：

20、；

21、其中，为机组g的单位有功发电成本，为机组g的有功出力，为单个时段的持续时间；

22、弃风惩罚成本表示为：

23、；

24、其中，为风电机组w的单位弃风电量惩罚系数，、分别为可用风电功率和实际出力。

25、优选的，柔性直流互联运行约束包括：

26、柔性直流在所连接输电网端点形成有功注入，表示为：

27、；

28、柔性直流传输功率满足运行边界，表示为：

29、；

30、其中，为柔性直流集合，为柔性直流集合索引，为柔性直流传输有功；为端点位置与注入方向系数，受端取1、送端取-1、非接入节点取0；为柔性直流在时段t的传输有功功率，为相应功率下限，为相应功率上限。

31、优选的，以配电侧集合内线路损耗和节点电压偏差之和最小为目标，表示为：

32、；

33、其中，为配电侧原始目标函数，、分别为线路损耗目标和节点电压偏差目标；

34、线路损耗目标为：

35、；

36、其中，为损耗权重，为线路电阻，为线路电流幅值平方，为配电网d的线路集合；

37、节点电压偏差目标为：

38、；

39、其中，为电压偏差权重，为节点电压幅值平方，为参考电压幅值平方，为配电网的节点集合。

40、优选的，步骤s3中，sop柔性互联约束包括sop有功功率约束以及sop容量约束；

41、对于连接配电网端口a和端口b的两端口sop，sop有功功率约束表示为：

42、；

43、其中，、分别为sop在时段t向配电网端口a、配电网端口b注入的有功功率，正值表示向所在配电网注入，负值表示从所在配电网吸收；、分别为两个端口的非负有功损耗；和分别为端口a和端口b损耗系数；和分别为端口a和端口b的无功注入；

44、每个sop端口的有功和无功共同受端口额定容量限制：

45、；

46、其中，为sop的额定视在容量；

47、对于包含多个端口的一般形式，sop有功平衡及端口损耗表示为：

48、；

49、其中，为sop设备索引；为设备s的端口集合；a为端口索引；、分别为端口a在时段t向所在配电网注入的有功、无功功率；为端口a的有功损耗；为端口损耗系数；

50、每个sop端口的有功和无功共同受端口额定容量限制：

51、。

52、优选的，针对输电侧和配电侧对同一输配接口建立的本地边界耦合变量构造一致性约束，表示为：

53、；

54、其中，、为输电侧、配电侧决策变量向量，、分别为输电侧、配电侧运行约束构成的可行域；为接入输电网n和配电网d的全部输配接口集合；为输配协同总目标函数；对于同一输配接口 m 及同一时段 t，为输电侧本地边界耦合变量，为配电侧本地边界耦合变量，二者均由接口有功、无功交换量组成，并规定相同的功率正方向和功率基准，由于两侧变量对应同一物理接口的交换功率，满足输配接口一致性约束：，从而保证输电侧与配电侧对输配接口运行状态的描述一致。

55、构造增广拉格朗日函数表示为：

56、；

57、其中，为第k轮拉格朗日乘子向量，>0为惩罚因子，‖·‖2为二阶范数；在第k轮迭代中，固定配电侧上一轮接口变量后，输电侧子问题表示为：

58、；

59、其中，为第k轮迭代的配电侧本地边界耦合变量；

60、固定输电侧本轮接口变量后，配电侧子问题表示为：

61、；

62、其中，为第k+1轮迭代的输电侧本地边界耦合变量。

63、优选的，迭代过程中更新拉格朗日乘子和交替方向乘子法惩罚因子，直至原始残差和对偶残差满足收敛条件，具体包括：

64、初始化输配接口边界耦合变量、拉格朗日乘子、惩罚因子及其上下限、残差平衡参数、收敛阈值和最大迭代次数；第k轮先求解输电侧子问题并发送，再求解配电侧子问题并返回；原始残差表示为：

65、；

66、其中，为全部输配接口的最大原始残差，‖·‖∞为无穷范数；

67、接口变量相邻两轮变化对应的对偶残差为：

68、；

69、其中，为全部输配接口的最大对偶残差；

70、拉格朗日乘子向量按下式更新：

71、；

72、其中，、分别为更新前、后的拉格朗日乘子向量；

73、当原始残差和对偶残差同时满足阈值时结束迭代：

74、；

75、其中，、分别为原始残差和对偶残差阈值；未收敛且未达到最大迭代次数时返回输电侧子问题；

76、根据原始残差和对偶残差的相对大小对下一轮惩罚因子进行自适应调整：

77、；

78、其中，μ为残差平衡阈值；、为放大、缩小系数；、为惩罚因子上下限；原始残差偏大时增大惩罚因子，对偶残差偏大时减小惩罚因子，其余情形保持不变，更新后的用于下一轮迭代。

79、一种多层级柔性互联输配电网的分布式协同优化系统，采用一种多层级柔性互联输配电网的分布式协同优化方法，包括：数据获取与联合求解范围确定模块、输电侧联合优化模块、配电侧联合优化模块、输配边界分布式协调模块以及优化结果输出模块；

80、数据获取与联合求解范围确定模块，用于获取各输电网和配电网的网络拓扑、负荷及新能源预测数据，以及柔性直流、输配接口和sop的接入位置与运行参数；根据柔性互联设备的物理连接关系确定输电侧和配电侧的联合求解范围，并建立输配接口与所属输电网、配电网之间的对应关系。

81、输电侧联合优化模块，用于建立参与协同优化的柔性互联输电网联合优化模型，联合确定常规机组出力、风电出力、交流网络潮流、柔性直流传输功率以及输配接口输电侧本地有功、无功边界耦合变量；其中，柔性直流互联约束作为输电侧内部约束直接纳入联合优化模型。

82、配电侧联合优化模块，用于建立参与协同优化的柔性互联配电网联合优化模型，联合确定分布式光伏出力、配电网潮流、节点电压、线路电流、sop端口有功和无功以及输配接口配电侧本地有功、无功边界耦合变量；其中，sop柔性互联约束作为配电侧内部约束直接纳入联合优化模型。

83、输配边界分布式协调模块，用于针对输电侧和配电侧对同一输配接口建立的本地边界耦合变量构造一致性约束，并基于交替方向乘子法进行分布式协调；在每轮迭代中，向输电侧联合优化模块和配电侧联合优化模块传递相应的边界变量、拉格朗日乘子和惩罚因子，获取两侧求解得到的接口有功、无功功率，计算原始残差和对偶残差，更新拉格朗日乘子，并根据预设规则调整惩罚因子，直至满足收敛条件。

84、优化结果输出模块，用于在满足收敛条件后，输出各输电网常规机组和风电运行结果、柔性直流传输功率、各输配接口一致的有功和无功交换功率，以及各配电网光伏出力、节点电压、线路潮流和sop端口调节量，并根据应用需求形成相应的调度指令或运行评价指标。

85、因此，本技术采用上述一种多层级柔性互联输配电网的分布式协同优化方法及系统，具有以下有益效果：

86、（1）本技术根据柔性互联设备的物理连接关系及所属网络层级确定联合求解范围，将柔性直流和sop互联约束分别内嵌于输电侧和配电侧联合优化模型，仅将输配接口作为分布式协调边界，减少不必要的边界变量和协调过程。

87、（2）本技术使柔性直流与所连接输电网、sop与所连接配电网在同一层级内联合优化，实现柔性互联设备运行状态与网络潮流状态的协调确定。

88、（3）本技术以输配接口有功、无功交换功率作为边界耦合变量，并基于admm实现输电侧与配电侧的一致性协调，保证两侧获得一致的接口运行状态。

89、（4）本技术在保持输电系统运营主体（transmission system operator，tso）与配电系统运营主体（distribution system operator，dso）内部网络模型和运行数据相对独立的条件下，仅通过输配边界变量及协调量进行信息交互，减少跨主体内部数据共享需求。

90、（5）本技术在统一多时段优化框架下协同调节常规机组、风电、柔性直流、分布式光伏和sop，并通过残差平衡方式自适应调整交替方向乘子法（alternating directionmethod of multipliers，admm）惩罚因子，提高多类柔性资源协同运行和分布式求解的适应性。

91、下面通过附图和实施例，对本技术的技术方案做进一步的详细描述。