一种含储能装置和可中断负荷的配电台区控制方法及系统与流程

1.本发明涉及一种含储能装置和可中断负荷的配电台区控制方法及系统，属于配电网技术领域。


背景技术：

2.需求响应能够缓解大量新能源接入电网后的压力，能够降低电网旋转备用和热备用的容量，能够提供调峰能力降低电网峰谷差和最高负荷，从而降低电力系统的投资，更好地消纳新能源。需求响应的资源包括可中断负荷、柔性负荷、热电联产、暖通空调、电蓄冷、电化学储能装置等，目前主要以可中断负荷为主。
3.目前的需求响应方式一般是直接调用可中断负荷。可中断负荷主要在低压配电台区接入电网，突然中断或并网后，会对所在配电台区的电压产生冲击和影响，降低了用电满意度，同时无法获得最优的配电台区线损控制，加大了输电的损耗。目前的普通分布式储能装置，主要以调节峰谷差、有功功率支撑为主要功能，没有电压优化和降低网损的功能。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明目的在于提供一种基于混合逻辑动态模型的优化控制方法，对于含储能装置和可中断负荷的配电台区中的储能装置的电压进行控制，以提高配电台区在可中断负荷调用过程中的电压满意度并降低网损。
5.技术方案：本发明的含储能装置可中断负荷的配电台区控制方法，包括以下步骤：
6.s1：首先对配电台区进行分析，输入配电台区中电网和普通负荷、可中断负荷、储能等装置的拓扑和参数。在台区中，存在可中断负荷、分布式储能装置和其他普通负荷。
7.u0为电网电压，设为定值。由于配电网中传输线路的电阻r相对于电抗x大很多，因此为便于分析省略x。u1为开关柜母线电压。用r1 jx1来模拟普通负荷，用r2 jx2来模拟可中断负荷，s2为可中断负荷的开关。将储能装置等效为恒电容c的电压u
s
可控的电压源，与r3并联后接入台区母线。
8.s2：在得到的配电台区各元件参数和电路拓扑的基础上，建立配电台区的各状态下的连续运行数学模型，列写出状态方程。
9.首先建立如下结构的状态方程：
[0010][0011]
其中x为状态变量，y为输出变量，u为输入量。由于本电路拓扑中共有三个储能元件，因此为了完全实现对系统的可观可控，须设置三个状态变量。
[0012]
典型电路图和变量含义如图2所示。当可中断负荷的开关s2闭合时，设三个状态变量，分别为i1，i2，u1；输入量为储能装置电压u
s
；输出量为开关柜母线电压u1；而
得出状态方程：
[0013][0014]
a1、b1、c1为形如的矩阵，矩阵中各元素为经过电路变换计算得出的各r、l、c参数的解析式，x＝jωl。
[0015][0016][0017]
c1＝[0 0 1]
[0018]
当可中断负荷的开关s2断开时，设三个状态变量，分别为i1，i2，u1，其中i2＝0；输入量为储能装置电压u
s
；输出量为开关柜母线电压u1；而得出状态方程：
[0019][0020]
a2、b2、c2为形如的矩阵，矩阵中各元素为经过电路变换计算得出的各r、l、c参数的解析式，x＝jωl。
[0021][0022][0023]
c2＝[0 0 1]
[0024]
s3：将式(1)进行离散化处理，在时间域中的k时刻，离散状态方程为：
[0025][0026]
其中a
*
、b
*
、c
*
都为推导出的常系数矩阵。
[0027]
根据配电台区是否收到可中断负荷的断开命令，将台区的状态设计为两个输入，分别是：输入1：可中断负荷运行，开关闭合，s2＝1；
[0028]
输入2：可中断负荷关闭，开关断开，s2＝0。
[0029]
本系统为一个分段线性系统，由式(2)、式(3)建立分段离散线性系统方程组：
[0030][0031]
是状态1的离散常系数矩阵，是状态2下的离散常系数矩阵。
[0032]
s4：引入辅助逻辑变量满足以下关系：则对于可中断负荷的开关，δ1(t)、δ2(t)，令其存在以下逻辑关系：
[0033][0034][0035]
则式(5)转化为：
[0036][0037]
从式(5)推导出：
[0038][0039]
将逻辑关系转换为数学描述，引入辅助逻辑变量δ
i
，得到等价逻辑关系。对于同时含有逻辑变量和可中断负荷状态的逻辑关系式，通过混合整数线性不等式处理逻辑变量与连续函数之间的关系，将逻辑变量和连续变量纳入一体进行分析。然后再将可中断负荷mld模型中的逻辑命题均转换为辅助变量的数学描述形式，将分段的含有逻辑的切换系统描述为含有不等式约束的线性系统，建立配电台区的mld模型。经过推导，可由式(6)得到如下通式形式(7)，即为mld模型：
[0040][0041]
式中：x(k)为系统状态；为常系数矩阵；y(k)为系统输出变量，u(k)为系统输入变量；δ(k)为辅助逻辑变量；z(k)为辅助连续变量。
[0042]
s5：本发明建立了对于分段线性系统的混合逻辑动态(mld)模型。考虑含有可中断负荷和储能的配电台区mld模型中含有变压器容量限制、储能装置容量限制等限制条件，实现开环最优控制。在有限的时间内，使得配电台区内各状态量稳定至平衡点，同时使目标函数最小。此最优问题的解，就是储能装置电压的控制输入序列。
[0043]
配电台区mld模型的最优控制目标，一方面考虑台区的电压波动的影响，设为f1，另一方面考虑配电台区的线损大小，设为f2。状态方程的输出量为u1，为开关柜母线电压。电
压波动设置为电压降|u0‑
u1|，u0即电网电压，可视为恒定值。线损功率设置为即电网电压，可视为恒定值。线损功率设置为两者设置权重值，电压波动的权重值为α，线损的权重值为1
‑
α，则：
[0044]
f1＝|u0‑
u1|
[0045][0046]
最优目标函数，可转化为状态方程输出量的函数。优化目标为：
[0047]
minj＝min[αf1 (1
‑
α)f2]
[0048]
s6：对于配电台区的mld控制模型，转化为混合整数二次规划(miqp)求解问题。
[0049]
遗传算法具有良好的全局搜索能力，不会陷入局部最优而导致快速下降，同时遗传算法可将miqp的0
‑
1编码解码到每一条染色体上，多个染色体构成了miqp的解空间，并利用并行计算加快mld模型的求解速度，适用于本场景下的优化求解。本方法将配电台区mld模型中的约束条件映射为染色体选择和变异，将最优目标函数写入遗传算法的适应度函数中，最后求解储能装置的最优控制曲线。
[0050]
s7：在配电台区智能终端中进行计算，将最优计算得出的结果变成具体的运行指令，由智能终端下发给储能装置，实现对配电台区的优化运行。
[0051]
本方法中采用的分布式储能装置，以全控四象限电力电子变流器方式接入配电台区，其输出的有功功率p和无功功率q都可以平滑控制，在容量范围内，可正可负，既可以提供无功功率的调节，又可以进行有功的支撑，此种储能装置的出口交流电压可被平滑控制，作为本控制方法的输入量。
[0052]
本系统采用基于边缘计算能力的的台区智能融合终端来进行计算并下发指令、上传信息；基于边缘计算能力的的台区智能融合终端是配电台区以及用电侧的边缘物联节点，采用模组化结构设计，将基站功能与终端设备集成于一体，具备海量数据存储及强大的边缘计算能力，可以分担上级配电自动化主站功能，实现对配电台区内各设备的管控，实现信息实时的互联互通；传统模式是所有现场终端的数据传输到配电自动化主站进行统一的计算和处理，然后再下发给各终端和现场控制器；随着各种分布式能源、新型负荷等的接入，数据量和数据种类都不断增多，主站不堪重负，且响应速度慢，各个终端之间相互隔离形成信息孤岛，本方法抛弃了这种方式，由具有边缘计算能力的的台区智能融合终端来计算和下发指令、上传信息。
[0053]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：通过建立混合逻辑动态模型，将台区中连续变量与逻辑变量相融合，通过模型使得两种变量进入一个方程组中进行讨论和计算，使得表达形式和运算控制过程更简洁；使得配电台区的控制方式从原来的单目标最优提升为多目标最优；于系统层面优化了整个系统的控制，且系统的实时性高，实时互通信息且时刻调节；由具有边缘计算能力的台区智能融合终端计算、下发和上传信息，降低了系统主站的负载。
附图说明
[0054]
图1为本发明的步骤流程图；
[0055]
图2为本发明的配电台区电路拓扑图；
[0056]
图3为本发明的系统结构图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0058]
如图1所示，本发明的含储能装置可中断负荷的配电台区控制方法包括以下步骤：
[0059]
s1：首先对配电台区进行分析，输入配电台区中电网和普通负荷、可中断负荷、储能等装置的拓扑和参数。在台区中，存在可中断负荷、分布式储能装置和其他普通负荷。
[0060]
u0为电网电压，设为定值。由于配电网中传输线路的电阻r相对于电抗x大很多，因此为便于分析省略x。u1为开关柜母线电压。用r1 j x1来模拟普通负荷，用r2 j x2来模拟可中断负荷，s2为可中断负荷的开关。将储能装置等效为恒电容c的电压u
s
可控的电压源，与r3并联后接入台区母线。
[0061]
s2：在得到的配电台区各元件参数和电路拓扑的基础上，建立配电台区的各状态下的连续运行数学模型，列写出状态方程。
[0062]
首先建立如下结构的状态方程：
[0063][0064]
其中x为状态变量，y为输出变量，u为输入量。由于本电路拓扑中共有三个储能元件，因此为了完全实现对系统的可观可控，须设置三个状态变量。
[0065]
典型电路图和变量含义如图2所示。当可中断负荷的开关s2闭合时，设三个状态变量，分别为i1，i2，u1；输入量为储能装置电压u
s
；输出量为开关柜母线电压u1；而得出状态方程：
[0066][0067]
a1、b1、c1为形如的矩阵，矩阵中各元素为经过电路变换计算得出的各r、l、c参数的解析式，x＝jωl。
[0068]
[0069][0070]
c1＝[0 0 1]
[0071]
当可中断负荷的开关s2断开时，设三个状态变量，分别为i1，i2，u1，其中i2＝0；输入量为储能装置电压u
s
；输出量为开关柜母线电压u1；而得出状态方程：
[0072][0073]
a2、b2、c2为形如的矩阵，矩阵中各元素为经过电路变换计算得出的各r、l、c参数的解析式，x＝jωl。
[0074][0075][0076]
c2＝[0 0 1]
[0077]
s3：将式(1)进行离散化处理，在时间域中的k时刻，离散状态方程为：
[0078][0079]
其中a
*
、b
*
、c
*
都为推导出的常系数矩阵。
[0080]
根据配电台区是否收到可中断负荷的断开命令，将台区的状态设计为两个输入，分别是：输入1：可中断负荷运行，开关闭合，s2＝1；
[0081]
输入2：可中断负荷关闭，开关断开，s2＝0。
[0082]
本系统为一个分段线性系统，由式(2)、式(3)建立分段离散线性系统方程组：
[0083][0084]
是状态1的离散常系数矩阵，是状态2下的离散常系数矩阵。
[0085]
s4：引入辅助逻辑变量满足以下关系：
[0086]
则对于可中断负荷的开关，δ1(t)、δ2(t)，令其存在以下逻辑关系：
[0087]
[0088][0089]
则式(5)转化为：
[0090][0091]
从式(5)推导出：
[0092][0093]
将逻辑关系转换为数学描述，引入辅助逻辑变量δ
i
，得到等价逻辑关系。对于同时含有逻辑变量和可中断负荷状态的逻辑关系式，通过混合整数线性不等式处理逻辑变量与连续函数之间的关系，将逻辑变量和连续变量纳入一体进行分析。然后再将可中断负荷mld模型中的逻辑命题均转换为辅助变量的数学描述形式，将分段的含有逻辑的切换系统描述为含有不等式约束的线性系统，建立配电台区的mld模型。经过推导，可由式(6)得到如下通式形式(7)，即为mld模型：
[0094][0095]
式中：x(k)为系统状态；为常系数矩阵；y(k)为系统输出变量，u(k)为系统输入变量；δ(k)为辅助逻辑变量；z(k)为辅助连续变量。
[0096]
s5：本发明建立了对于分段线性系统的混合逻辑动态(mld)模型。考虑含有可中断负荷和储能的配电台区mld模型中含有变压器容量限制、储能装置容量限制等限制条件，实现开环最优控制。在有限的时间内，使得配电台区内各状态量稳定至平衡点，同时使目标函数最小。此最优问题的解，就是储能装置电压的控制输入序列。
[0097]
配电台区mld模型的最优控制目标，一方面考虑台区的电压波动的影响，设为f1，另一方面考虑配电台区的线损大小，设为f2。状态方程的输出量为u1，为开关柜母线电压。电压波动设置为电压降|u0‑
u1|，u0即电网电压，可视为恒定值。线损功率设置为即电网电压，可视为恒定值。线损功率设置为两者设置权重值，电压波动的权重值为α，线损的权重值为1
‑
α，则：
[0098]
f1＝|u0‑
u1|
[0099][0100]
最优目标函数，可转化为状态方程输出量的函数。优化目标为：
[0101]
minj＝min[αf1 (1
‑
α)f2]
[0102]
s6：对于配电台区的mld控制模型，转化为混合整数二次规划(miqp)求解问题。
[0103]
遗传算法具有良好的全局搜索能力，不会陷入局部最优而导致快速下降，同时遗传算法可将miqp的0
‑
1编码解码到每一条染色体上，多个染色体构成了miqp的解空间，并利用并行计算加快mld模型的求解速度，适用于本场景下的优化求解。本方法将配电台区mld模型中的约束条件映射为染色体选择和变异，将最优目标函数写入遗传算法的适应度函数中，最后求解储能装置的最优控制曲线。
[0104]
s7：在配电台区智能终端中进行计算，将最优计算得出的结果变成具体的运行指令，由智能终端下发给储能装置，实现对配电台区的优化运行。
[0105]
如图3所示，一种含储能装置和可中断负荷的配电台区控制系统，包括配电系统和用户负荷侧，所述用户负荷侧包括储能装置、可中断负荷、普通负荷、用户负荷；所述配电系统包括配电变压器和综合配电箱。所述综合配电箱中有低压开关柜、智能终端、三相不平衡治理装置、集中器。所述智能终端基于混合逻辑动态模型，能与上级配电自动化主站进行信息交互，收集配电系统、集中器、用户负荷侧的信息，对分布式储能装置进行智能优化控制，以实现配电台区对于电压满意度和网损的最优控制。