一种计及节点边际碳势需求响应的主动配电网低碳优化调度方法

本发明涉及电力系统自动化及低碳运行，尤其是涉及一种计及节点边际碳势需求响应的主动配电网低碳优化调度方法。

背景技术：

1、电力系统运行模式正加速向“安全-经济-低碳”演化。配电网作为电力供应的“最后一公里”，其用户侧存在大量电动汽车、智能家电等可调度的柔性负荷资源。有效挖掘这部分资源的降碳潜力，是实现电网绿色低碳运行的重要手段。

2、现有低碳需求响应研究多基于碳排放流理论计算得到的动态/平均碳排放因子作为引导信号。然而，现有技术存在以下严重缺陷，首先平均碳排放因子本质上是基于负荷侧的碳排放责任分摊，无法捕捉和反映用户微观用电行为调整对系统总碳排放量带来的边际变化即无法识别增减负荷是否引发了高排放备用机组的启停或可再生能源的弃电。

3、经过检索中国专利公开号cn118380993a公开了一种基于碳势负荷数据双向反馈机制的配电网调度方法，用以在配电网层相协调实现低碳经济运行。该方法基于碳排放流理论，在配电网层面构建了负荷和储能碳排放流模型，建立了需求响应优先级函数以评估各类负荷的需求响应能力，并基于该优先级设计了相应的需求响应策略。结合配电网的经济性和低碳性，设计了上层碳势数据与下层负荷数据双向反馈机制，基于该机制建立了配电网双层低碳调度模型并求解。但是该现有专利采用动态或平均碳排放因子作为引导信号无法捕捉用户微观用电行为对系统总碳排放量的边际变化，导致碳激励信号与真实减碳效益脱节；同时该现有专利双层模型迭代求解极易引发振荡现象，导致收敛速率慢、运行效率低，甚至难以求得全局最优解。

4、因此，如何捕捉用户微观用电行为对系统总碳排放量的边际变化；消减双层模型迭代求解引发的振荡现象，成为需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计及节点边际碳势需求响应的主动配电网低碳优化调度方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种计及节点边际碳势需求响应的主动配电网低碳优化调度方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，建立配电网与用户的双层协同低碳调度框架，包括上层配电网优化调度模型和下层考虑dlmci的低碳需求响应模型；并建立节点边际碳势快速计算模型；

5、步骤s2，通过所述上层配电网优化调度模型计算最低的上层系统综合运行成本；

6、步骤s3，利用所述节点边际碳势快速计算模型精准量化所述dlmci；所述dlmci为节点负荷单位增量与系统整体碳排放增量之间的边际关系；

7、步骤s4，通过所述下层考虑dlmci的低碳需求响应模型计算最大的用户侧综合效益；

8、步骤s5，建立双层优化模型通过二分法机制得到一个包含目标最优运行状态的可操作区间；

9、步骤s6，重复所述步骤s2至步骤s5，直至所述可操作区间长度小于预设收敛精度，判定模型收敛，输出最终调度结果。

10、作为优选的技术方案，所述最低的上层系统综合运行成本包括弃电成本、上级电网购电成本、储能成本、燃气轮机成本和碳排放成本。

11、作为优选的技术方案，所述弃风弃光成本具体计算如下：

12、

13、其中：和分别为t时刻风机和光伏的输出功率；、分别为t时刻风机和光伏的最大输出功率；、分别为弃风、光惩罚成本系数；、分别为风机、光伏机组集合；

14、所述上级电网购电成本具体计算如下：

15、

16、其中：为t时刻的分时电价；为t时刻配电网向上级电网的购电功率；

17、所述储能成本具体计算如下：

18、

19、其中：为储能系统运行成本系数；为t时刻储能系统的充电功率；为t时刻储能系统的放电功率；

20、所述燃气轮机成本具体计算如下：

21、

22、其中：为接入燃气轮机的配电网节点集合；、、分别为接入节点i的燃气轮机的发电成本二次项系数、一次项系数和常数项系数；为t时刻接入节点i的燃气轮机的有功出力；

23、所述碳排放成本具体计算如下：

24、

25、其中：为碳排放系数；、分别为t时刻上级电网购电和储能系统的碳排放强度；为接入节点i的燃气轮机的碳排放强度；

26、最低的上层系统综合运行成本具体计算如下：

27、。

28、作为优选的技术方案，所述上层配电网优化调度模型还包括主网购电约束、分布式机组运行约束、储能充放电约束、配电网潮流约束以及节点功率平衡约束。

29、作为优选的技术方案，所述节点边际碳势快速计算模型基于含分布式电源的配电网经济调度模型，利用拉格朗日乘子法、对偶向量和互补松弛条件建立等效模型，运用参数微分扰动法推导并建立解析表达式，精准量化节点负荷单位增量与系统整体碳排放增量之间的边际关系；

30、所述节点边际碳势快速计算模型的紧凑形式表示为;

31、

32、

33、其中，a和b分别为电源的发电成本二次项系数矩阵和一次项系数向量，其中新能源场站对应的系数为0；是由成的电源出力向量，；e、d和h分别为相应的系数矩阵或向量，并且、；为约束条件的对偶向量，为配电网全部机组有功出力向量。

34、作为优选的技术方案，基于拉格朗日乘子法和karush-kuhn-tucker条件，所述最低的上层系统综合运行成本的紧凑形式的拉格朗日函数为：

35、

36、拉格朗日方程为：

37、

38、互补松弛条件为：

39、

40、其中，“”表示哈达玛积；

41、当某节点负荷发生微小变动时，系统整体碳排放随之产生的变化率即被定义为节点边际碳势，公式表示为：

42、

43、

44、

45、其中，为配电网总碳排放量，为配电网全部机组有功出力向量；是由、和组成的电源出力向量，；为上级系统有功出力向量，为全部新能源场站在所有时间段的有功出力向量；为第i个机组的碳排放因子，为配电网第i个机组有功出力向量，为上级电网边际碳排放因子；

46、对于所述推导为：

47、

48、其中；

49、针对所述微增量和利用参数微分扰动法对进行求解，具体推导如下所示：

50、对所述拉格朗日方程进行微分可得：

51、

52、

53、其中

54、

55、因此可得

56、

57、由所述的推导式可得：

58、

59、可得：

60、

61、最后可求所述为：

62、

63、综上可得：

64、。

65、作为优选的技术方案，所述最大的用户侧综合效益包括：用户用能效用、购能成本和低碳响应激励。

66、作为优选的技术方案，所述用户用能效用可表示为：

67、

68、其中：为

t时刻需求响应后负荷；和为用户的用电效用系数；

69、所述购能成本可表示为：

70、

71、其中：为上层系统制定的

t时刻的交易价格；

72、所述低碳响应激励可表示为

73、

74、其中：为

t时刻节点

i参与需求响应后的负荷

75、所述最大的用户侧综合效益目标函数表示为：

76、。

77、作为优选的技术方案，所述最大的用户侧综合效益具有约束条件，其中所述约束条件包括可中断负荷约束、可转移负荷约束、需求响应功率平衡约束；

78、所述可中断负荷约束包括可中断容量、中断次数、最大允许中断时长和两次中断最小时间间隔；

79、

80、

81、

82、

83、其中：为

t时刻节点

i削减的有功负荷量；为可中断负荷的最大中断量；为表示

t时刻节点

i负荷是否削减的0-1变量；为节点

i可中断负荷的最大中断次数；为可中断负荷的最大中断持续时间；为可中断负荷的最小中断时间间隔；

84、所述可转移负荷舒服包括，

85、

86、

87、

88、其中：和分别为

t时刻节点

i转入和转出的有功负荷；和分别为可转移负荷的最大转入量和转出量；为

t时刻节点

i处可转移负荷的0-1变量；

89、所述需求响应功率平衡约束由可中断负荷约束和可转移负荷约束组成所述需求响应功率平衡约束为：

90、。

91、作为优选的技术方案，所述步骤s5与步骤s6具体包括：

92、初始化目标最优运行状态的可操作区间；

93、每次双层迭代后，依据上层目标函数值与区间中点目标值的比较结果，若当前值优于中点值，则保留对应子区间，否则舍弃；

94、通过不断缩窄搜索区间，强制平抑dlmci信号与负荷响应的振荡，直至区间长度小于预设收敛精度，判定模型收敛；

95、收敛后，输出最终调度结果：上层的主网购电计划、储能充放电策略、燃气轮机出力曲线；下层的可中断、转移负荷响应曲线；以及全系统碳排放量与综合运行成本指标。

96、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

97、1.减碳引导更精准，避免了无效减碳

98、能够真实反映用户用电行为对系统碳排放的边际影响，实现哪里增负荷会增碳就引导削减、哪里增负荷能消纳绿电就引导增加，减碳效率显著高于传统方法。

99、现有方法多采用平均碳排放因子无法识别负荷变化是否引发高排放机组启停或可再生能源弃电。本发明构建了适配配电网辐射形拓扑的节点边际碳势快速计算模型，通过参数微分扰动法推导得到节点负荷单位增量与系统总碳排放增量的解析关系，从机理上量化了微观用电行为的真实边际减排效益，从平均分摊升级为边际溯源。

100、2. 充分挖掘配电网用户侧降碳潜力，促进可再生能源消纳

101、有效调动了电动汽车、智能家电等柔性负荷的调节能力，大幅降低了弃风弃光率，提升了分布式可再生能源的就地消纳水平。

102、传统需求响应多仅依赖分时电价信号，用户调整负荷仅出于经济动机，缺乏低碳导向。本发明在下层用户模型中引入基于dlmci的低碳响应激励机制，将碳价信号与电价信号叠加，用户在低dlmci时段多用电可获得额外低碳激励，主动将负荷转移至可再生能源高发时段，实现了源随荷动与荷随源动的双向协同。

103、3. 求解效率高，收敛稳定性强，适配大规模配电网调度

104、解决了双层模型因源荷强耦合导致的迭代振荡、收敛慢甚至不收敛的问题，显著提升了求解速度，满足主动配电网日前/日内调度的时效性要求。

105、传统双层迭代采用直接反馈方式，碳势信号与负荷响应量相互拉扯易引发振荡。本发明创新性地引入二分法收敛加速机制，为配电网运营商维护一个包含最优解的可操作区间，每次迭代通过对比目标函数值动态缩窄区间范围，强行平抑了dlmci信号与负荷响应量的波动，保障了算法在大规模节点、多柔性负荷场景下的鲁棒性和求解效率。

106、4. 兼顾经济性与低碳性，降低系统综合运行成本

107、在实现深度降碳的同时，有效控制了配电网的综合运行成本，实现了安全、经济、低碳的多目标优化。

108、上层模型以综合运行成本最低为目标，统筹考虑了弃风弃光成本、购电成本、储能成本、燃气轮机成本和碳排放成本；下层模型以用户综合效益最大为目标，通过合理的碳激励价格设计，使得用户减碳收益与系统降碳成本相匹配，避免了过度激励带来的额外经济负担，实现了社会效益与用户利益的双赢。

109、5. 适配性强，可直接应用于实际配电网工程

110、模型贴合配电网实际物理特性，无需对现有电网硬件进行大规模改造即可部署应用。

111、本发明专门针对配电网辐射形拓扑、高比例分布式电源接入及distflow支路潮流特性进行建模，并采用二阶锥松弛技术对非线性潮流约束进行凸化处理，既保证了模型的物理真实性，又满足了数学求解的便利性，可直接应用于ieee标准配电网或实际城市配电网的低碳调度场景。