基于四维联合安全运行域的双向潮流配网电压与配变热寿命协同优化方法

本发明属于配电网优化控制，涉及一种基于四维联合安全运行域的双向潮流配网电压与配变热寿命协同优化方法。

背景技术：

1、在“双碳”目标引领下，构建以新能源为核心的新型电力系统，是我国能源结构向绿色低碳转型的核心路径。截至2025年底，我国可再生能源总装机规模达到23.4亿千瓦，已建成全球规模最大、增速最快的可再生能源体系。随着分布式接入配电网的渗透率不断提高，新能源出力波动和电动汽车充放电负荷变化导致的“源-荷”不平衡，使得输-配网间潮流方向发生频繁切换，从而引起配电网节点电压越限、谐波畸变加剧以及配变热寿命损失增加等问题。

2、配电变压器作为连接高压电网与配电网的关键设备，其热寿命主要受绕组热点温度和绝缘纸热老化过程影响。高比例新能源并网带来的电力电子变流器谐波会增加绕组电阻损耗、涡流损耗和杂散损耗；反向潮流工况又会改变变压器低压侧电压及内部损耗分布，导致热点温度上升并加速绝缘老化。因此，单纯以电压偏差、网损或新能源消纳为目标的优化方法，难以兼顾配电网运行安全和变压器寿命健康。

3、现有配电网电压优化方法通常围绕有载调压变压器、无功补偿、储能或分布式电源无功调节展开，部分方法能够改善节点电压或降低网损，但往往针对单一新能源类型或单一调控资源，缺乏对风-光-储-充四类综合能源协同调控场景的系统性研究、且鲜有将变压器热寿命损失纳入配电网多目标优化框架。

4、因此，需要一种能够同时考虑双向潮流频繁切换、配电网节点电压、变压器低压侧电压谐波、电流谐波、配变热寿命损失和运行成本的协同优化方法，并通过四维联合安全运行域对优化过程进行约束引导，以提高高比例新能源接入下配电网运行安全性、经济性和变压器寿命管理水平。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于四维联合安全运行域的双向潮流配网电压与配变热寿命协同优化方法，以解决由于高比例风-光-储-充接入配电网导致的潮流方向频繁切换、节点电压越限、谐波畸变加剧以及配变热寿命损失增加等问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于四维联合安全运行域的双向潮流配网电压与配变热寿命协同优化方法，该方法包括：

4、s1、采集目标配电网的风速、太阳辐照度、基础负荷、电动汽车充放电负荷、变压器低压侧电流谐波、电压谐波及变压器运行数据，对形成的多源时序数据进行聚类，选取聚类中心对应的运行日或距离聚类中心最近的运行日，生成表征日内正向潮流和反向潮流切换特性的典型日运行场景；

5、s2、基于典型日运行场景，构建含风电、光伏、储能、车网互动（vehicle to grid，v2g）、有载调压变压器（on-load tap changer，oltc）、无功补偿装置（reactive powercompensator，rpc）及有源电力滤波器（active power filter，apf）的配电网潮流-谐波联合计算模型，计算节点潮流、电压及变压器低压侧电流谐波和电压谐波，并根据变压器低压侧有功功率的符号变化识别潮流方向切换，获得潮流切换次数、切换幅度和切换持续时间；

6、s3、根据正向潮流或反向潮流状态确定变压器负载率，根据基波电流和各次谐波电流确定变压器负载损耗，根据基波电压和各次谐波电压确定变压器空载损耗，进而计算绕组热点温度和相对老化速率，并以变压器负载率、变压器低压侧电流谐波畸变率、电压谐波畸变率和相对老化速率作为四个安全维度，构建变压器四维联合安全运行域；

7、s4、以调度周期内的变压器热寿命损失和配电网运行成本为并列优化目标，以oltc、rpc、apf、储能、v2g及新能源出力为控制变量，建立嵌入四维联合安全运行域、电压限值、谐波限值、设备容量约束、储能约束以及v2g充放电约束的多目标优化模型；

8、s5、采用安全域约束引导的自适应多目标进化求解方法，对候选控制方案在四维联合安全运行域内进行迭代获得帕累托解集，再基于变压器热寿命损失、配电网运行成本、电压偏差、谐波畸变及调控设备动作次数中的至少两项指标进行多指标风险偏好评价，确定目标配电网的协同控制方案。

9、进一步，在步骤s1中，按照预设时间间隔分别形成风速、太阳辐照度、基础负荷和电动汽车充放电负荷的日内时序样本，根据目标配电网的容量水平对基础负荷和电动汽车充放电负荷进行等比例缩放或归一化处理，采用k-means聚类方法分别对风速、太阳辐照度、基础负荷和电动汽车充放电负荷的日内时序样本进行聚类，并将从各类日内时序样本中选取的聚类中心对应运行日或距离聚类中心最近的运行日进行组合，得到典型日运行场景。

10、进一步，在步骤s2中，采用distflow支路潮流模型描述目标配电网的节点功率平衡关系、线路压降关系和支路电流关系，采用opendss谐波潮流模型计算目标配电网各节点的基波电压、各次谐波电压、基波电流和各次谐波电流，并将distflow支路潮流模型与opendss谐波潮流模型进行联合计算，获得各候选控制方案对应的节点电压、支路潮流、变压器低压侧电流谐波畸变率和电压谐波畸变率；

11、将风储一体化系统和光储一体化系统分别等效为对应接入节点处的可控有功注入单元，可控有功注入单元的并网有功功率由风电或光伏实际出力、新能源有功削减量、储能充电功率和储能放电功率共同确定；将v2g在充电状态下等效为目标配电网的有功负荷，在放电状态下等效为向目标配电网馈送电能的分布式电源；

12、按照变压器低压侧有功功率的符号确定潮流方向，当变压器低压侧有功功率由正值变为负值或由负值变为正值时，确定发生潮流方向切换；统计调度周期内潮流方向切换的发生次数，根据潮流方向切换前后变压器低压侧有功功率之差确定切换幅度，并根据相邻潮流方向切换事件之间的时间间隔确定切换持续时间，以形成潮流切换指标。

13、进一步，在步骤s3中，变压器四维安全运行域表示为：

14、

15、式中，表示变压器相对老化速率约束阈值；表示变压器低压侧电压谐波畸变率约束阈值，表示变压器低压侧电流谐波畸变率约束阈值，和分别表示负载率边界；各约束阈值和负载率边界根据实际场景配电网运行工况、电网等级、变压器参数及运行规程确定。

16、进一步，在步骤s3中，根据变压器低压侧基波电流和各次谐波电流分别计算绕组电阻谐波损耗因子、绕组涡流谐波损耗因子和杂散谐波损耗因子，并将各谐波损耗因子引入变压器负载损耗计算；根据变压器基波电压和各次谐波电压计算铁芯磁滞损耗因子和铁芯涡流损耗因子，并根据铁芯磁滞损耗因子和铁芯涡流损耗因子确定变压器空载损耗；

17、根据变压器负载损耗和变压器空载损耗计算变压器顶层油温升、绕组热点相对于顶层油的温升以及绕组热点温度，并根据绕组热点温度计算变压器相对老化速率；根据变压器低压侧有功功率的方向确定变压器负载率的正负属性，根据变压器低压侧容量与变压器额定容量的比值确定变压器负载率的绝对值；

18、根据变压器额定容量、允许过载能力、反向潮流承载能力和运行规程确定变压器负载率的正向潮流边界和反向潮流边界，根据目标配电网的电压等级、电能质量要求、背景谐波水平和低压侧设备耐受能力确定电压谐波畸变率边界，根据谐波电流限值、变压器谐波发热承受能力和apf补偿容量确定电流谐波畸变率边界，并根据变压器绝缘热寿命约束、允许寿命损失水平和运行维护策略确定相对老化速率边界。

19、进一步，在步骤s4中，多目标优化模型包括变压器热寿命损失目标函数f1和配电网运行成本目标函数f2，其中，

20、将调度周期内各时间区间的相对老化速率与对应时间长度的乘积累加值作为变压器热寿命损失；将配网购售电净成本、有功网损成本、oltc动作及运行维护成本、rpc无功调节成本、apf补偿成本、新能源有功削减成本、储能充放电折旧成本和v2g充放电净支出成本之和作为配电网运行成本；

21、多目标优化模型的约束还包括配电网潮流平衡约束、节点电压上下限约束、支路功率约束、储能荷电状态约束、储能充放电互斥约束、oltc档位及动作次数约束、rpc无功出力约束和apf补偿容量约束。

22、进一步，在步骤s5中，安全域约束引导的自适应多目标进化求解方法包括安全域引导初始化、可行域优先选择、潮流切换敏感的控制变量分组交叉变异和自适应变异概率调整；

23、分别计算候选控制方案在变压器负载率、电流谐波畸变率、电压谐波畸变率和相对老化速率四个安全维度上的归一化越界量，根据潮流切换次数、切换幅度和切换持续时间确定潮流切换敏感系数，并基于潮流切换敏感系数和各归一化越界量确定四维综合越界度；

24、根据四维综合越界度将候选控制方案划分为安全域内、轻微越界、中度越界和严重越界四类，对不同越界类别施加逐级增强的分级惩罚，并按照安全域内候选控制方案优先、越界候选控制方案中分级惩罚值较小者优先以及安全域内候选控制方案之间进行非支配排序的规则获得帕累托解集。

25、进一步，在步骤s5中，对候选方案，其四维综合越界度表示为：

26、

27、式中，为四个安全维度的权重，且满足；分别表示对应维度的安全域指标归一化越界量，其分别表示为：

28、

29、

30、

31、

32、其中，表示取最大值函数。

33、进一步，根据所处区间，将候选控制方案划分为安全域内、轻微越界、中度越界和严重越界四类，并构造如下分级惩罚函数：

34、

35、式中，第一越界阈值为，第二越界阈值为，且满足：，分别为轻微越界、中度越界和严重越界对应的惩罚系数,且满足,为严重越界附加惩罚项；

36、对于任意两个候选控制方案和，先判断二者是否位于四维安全域内；若一者可行、一者不可行，则可行者优先；若二者均不可行，则惩罚因子较小者优先；若二者均可行，则基于变压器热寿命损失f1和配电网运行成本f2进行非支配排序。

37、本发明的有益效果在于：

38、本发明通过采集风速、太阳辐照度、基础负荷、电动汽车充放电负荷以及变压器低压侧电流谐波、电压谐波和运行数据，并经聚类生成典型日运行场景，能够在降低时序计算规模的同时保留高比例新能源接入条件下源荷波动及潮流正、反向切换特征，提高优化结果对实际运行工况的代表性。通过构建包含风电、光伏、储能、v2g、oltc、rpc及apf的潮流—谐波联合计算模型，可统一分析有功潮流、节点电压、谐波传播及多类调控设备之间的耦合关系。

39、进一步地，将变压器负载率、低压侧电流谐波畸变率、电压谐波畸变率和相对老化速率纳入四维联合安全运行域，使潮流承载能力、电能质量和绝缘热寿命处于统一约束框架内，从而识别仅满足电压要求但存在谐波发热或寿命损失风险的控制方案。通过以变压器热寿命损失和配电网运行成本为并列目标，协同优化oltc、rpc、apf、储能、v2g及新能源出力，可在抑制节点电压越限、降低谐波畸变和减缓变压器绝缘老化的同时，兼顾购售电、网损、设备动作和电池折旧成本。

40、本发明采用安全域约束引导的自适应多目标进化求解方法，并结合分级惩罚、可行性优先排序和非支配排序，可提高算法向安全可行区域收敛的效率，获得具有不同寿命保护水平和经济性的帕累托方案；再通过多指标风险偏好评价选取折中控制方案，使调度结果在电压安全、谐波安全、变压器寿命和运行经济性之间取得综合平衡，提升双向潮流配电网的安全运行水平及配变全寿命周期管理能力。

41、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。