基于调温启停混合控制方式的空调负荷双层优化调度方法与流程

1.本发明涉及配电网控制调度领域，尤其是涉及一种基于调温启停混合控制方式的空调负荷双层优化调度方法。


背景技术：

2.低压配电网中分布式光伏剩余功率易造成节点电压越限、线路过载等问题。现有的调控手段多针对光伏逆变器进行有功无功的调控，有时要采取弃光措施，降低了光伏的利用率，需求响应(demand response，dr)技术具有响应灵活、可控性高等优点。
3.在配电网的优化运行中，考虑电力公司、负荷聚合商和用户的交互建模，建立空调负荷双层优化调度模型，可有效帮助消纳分布式光伏剩余功率，减小其对配电网的影响，目前在空调负荷控制过程中，没有考虑到不同的控制方式，因此，需要一种同时考虑电力公司、负荷聚合商和用户的双层调度方法来实现调温启停混合优化控制。


技术实现要素：

4.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基于调温启停混合控制方式的空调负荷双层优化调度方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于调温启停混合控制方式的空调负荷双层优化调度方法，包括以下步骤：
7.1)建立基于激励的电力公司、负荷聚合商和用户交互模型；
8.2)根据配电网的网架结构获取配电网相关参数信息，并据此确定配电网的相关约束，构建电力公司上层调度模型；
9.3)根据信息链路获取负荷聚合商用户相关信息，并据此确定空调负荷调温控制相关约束和启停控制相关约束，构建负荷聚合商下层调度模型；
10.4)构建基于调温启停混合控制方式的空调负荷双层优化调度模型，并对双层优化模型求得最优解作为调度方案进行优化调度控制。
11.所述的步骤1)中，电力公司对负荷聚合商的激励表达式为：
[0012][0013]
其中，c
earn
为节点负荷聚合商收益，t1和t2分别为调度开始时间和调度结束时间，pa为结算功率，为第i个节点负荷聚合商出清价格，δh为响应时间间隔，为节点t时刻负荷聚合商的实际响应值，pb为节点签订合同的出清功率。
[0014]
所述的步骤1)中，电力公司对负荷聚合商的约束表达式为：
[0015][0016]
其中，cs为电力公司对负荷聚合商响应偏差惩罚金额，c
t
为响应延迟惩罚金额，αs为容量偏差惩罚系数，为节点t时刻调度目标值，ν为偏差系数，m1和m2为惩罚价格，β为延迟惩罚系数，t
ε
为响应功率达到所用时间，ε为延迟系数。
[0017]
所述的步骤1)中，用户的空调模型采用状态队列模型描述，具体表达式为：
[0018][0019]
其中，和分别为t和t 1时刻的室内温度，t
max
和t
min
分别为用户空调的温度上限和下限，τ
on
与τ
off
分别为空调在一个运行周期τ内的空调压缩机的启停时间，δt为仿真步长，u为空调启停状态变量，为0时表示空调关断，为1时表示空调开启。
[0020]
所述的步骤2)中，配电网相关参数信息包括配电网的分布式光伏出力大小、负荷功率大小、配电网线路节点相关参数、成本系数和负荷聚合商申报价格和容量信息。
[0021]
所述的步骤2)中，电力公司上层调度模型的目标函数表达式为：
[0022][0023]
其中，α为网损损失单位功率成本，i
l
为第l条配电线路支路电流，r
l
为第l条配电线路支路电阻，l为配电线路总数，p
iair
为第i个节点空调负荷响应功率，n
la
为有空调负荷聚合商的响应节点总数。
[0024]
电力公司上层调度模型的相关约束包括配电网潮流等式约束和不等式约束，
[0025]
所述的配电网潮流等式约束具体为：
[0026][0027]
其中，p
iair
和分别为节点i的有功和无功功率，ui和uj分别为节点i和节点j的电压，g
ij
、b
ij
和θ
ij
分别为支路的电导、电纳和节点i与节点j电压的相角差；
[0028]
所述的不等式约束具体为：
[0029][0030]
其中，和分别为配电网电压允许的最小值和最大值，p
iairmax
为第i个节点负荷聚合商响应功率最大值，p
ij
为节点i和节点j之间传输的有功功率，δ为线路传输容量安全系数，为配电线路传输有功功率的最大值，p
exchange
和分别为配电网向上级电网交换的有功功率及其最大允许值。
[0031]
所述的步骤3)中，负荷聚合商用户相关信息包括负荷聚合商下属节点空调参数和负荷聚合商调节成本信息。
[0032]
所述的步骤3)中，负荷聚合商下层调度模型的目标函数表达式为：
[0033]
max c
earn-c
s-c
t-c
tem-c
sw
[0034][0035]
其中，c
tem
和c
sw
分别为负荷聚合商向调温负荷发放的补偿和向启停用户发放的补偿，n
tem
为参与调温的用户小组数目，n
sw
为参与启停的用户小组数目，m和n分别为调温和启停控制的m和n种方案，为第k1个小组选择了第g1个调温方案后在t时刻的响应功率，为第k2个小组选择了第g2个启停方案后在t时刻的响应功率，为第k1个小组在t时刻是否选择了第g1个调温方案，是则为1，否则为0；为第k2个小组在t时刻是否选择了第g2个启停方案，是则为1，否则为0，和分别为执行第g1个调温方案和第g2个启停方案的补偿价格，和分别为所有调温小组和所有启停小组在t时刻的聚合响应功率。
[0036]
所述的步骤3)中，负荷聚合商下层调度模型的空调负荷调温控制相关约束包括调温控制相关约束和启停控制相关约束，
[0037]
所述的调温控制相关约束具体为：
[0038][0039]
其中，表示第q台空调用户在t1时刻是否处于工作状态，是则为1，否则为0，表示实施第g1个调温方案的暂态过程持续时间；
[0040]
所述的启停控制相关约束具体为：
[0041][0042]
其中，h
uq
与h
dq
分别为调度开始时空调机组必须开启和关停的时间段，和分别为空调机组最小开停机时间，和分别为第q台空调机组连续开停机时间，分别表示第q台空调在t时刻和w时刻空调机组开停机变量，为1时表示开机，为0时表示停机，和分别为采用第g2个启停方案空调室内温度允许的最小值和最大值，h为
总调度周期时长，为第q台空调在0时刻开停机变量。
[0043]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0044]
本发明结合了调温控制方式与启停控制方式的优点，改善了聚合空调功率在响应跃迁处的响应效果，更快的达到了调度指令的要求，同时聚合功率保持稳定，促进了分布式光伏的消纳。
附图说明
[0045]
图1为系统结构图。
[0046]
图2为方法实施前后支路的有功功率。
[0047]
图3为方法实施前后的节点电压。
[0048]
图4为不同方法的响应曲线。
[0049]
图5为不同方法对配电网支路有功功率的影响。
[0050]
图6为不同方法对配电网节点电压的影响。
[0051]
图7为不同惩罚标准对响应曲线的影响。
[0052]
图8为本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0054]
如图8所示，本发明提出一种基于调温启停混合控制方式的空调负荷双层优化调度方法，该方法包括以下步骤：
[0055]
1)建立基于激励的电力公司、负荷聚合商和用户交互模型；
[0056]
2)获取配电网的分布式光伏出力大小、负荷功率大小、配电网线路节点相关参数、成本系数和负荷聚合商申报价格和容量信息；
[0057]
3)根据已获得的配电网相关参数信息，建立配电网相关约束，建立电力公司上层优化调度模型；
[0058]
4)获取负荷聚合商下属节点空调参数、负荷聚合商调节成本，建立空调负荷调温控制相关约束和启停控制相关约束，建立负荷聚合商下层优化调度模型；
[0059]
5)建立基于调温启停混合控制方式的空调负荷双层优化调度模型；
[0060]
6)采用cplex软件编程对空调负荷双层优化调度模型进行求解获得最优解，进行配电网双层优化调度。
[0061]
本发明在优化调度中电力公司根据负荷聚合商对响应任务的完成度给予激励，帮助配电网消纳分布式光伏剩余功率，在步骤1)中，电力公司对负荷聚合商的激励如式(1)所示：
[0062][0063]
其中：c
earn
为节点负荷聚合商收益；t1和t2分别为调度开始时间和调度结束时间；pa为结算功率；为第i个节点负荷聚合商出清价格；δh为响应时间间隔；为节点t时刻负荷聚合商的实际响应值；pb为节点签订合同的出清功率。
[0064]
电力公司对负荷聚合商的约束如(2)所示：
[0065][0066]
其中：cs为电力公司对负荷聚合商响应偏差惩罚金额，c
t
为响应延迟惩罚金额，αs为容量偏差惩罚系数；为节点t时刻调度目标值；ν为偏差系数；m1和m2为惩罚价格；β为延迟惩罚系数；t
ε
为响应功率达到所用时间，ε为延迟系数，由电力公司对响应效果要求决定。
[0067]
假设在控制周期内室外环境温度保持不变，对空调模型进行线性化，用户的空调模型采用状态队列模型来描述，如式(3)所示：
[0068][0069]
其中，和分别为t和t 1时刻的室内温度；t
max
和t
min
分别为用户空调的温度上限和下限；τ
on
与τ
off
分别为空调在一个运行周期τ内的空调压缩机的启停时间；δt为仿真步长；u为空调启停状态变量，为0时表示空调关断，为1时表示空调开启。
[0070]
在步骤3)中，列写上层调度模型目标函数表达式为：
[0071]
[0072]
其中，α为网损损失单位功率成本；i
l
为第l条配电线路支路电流；r
l
为第l条配电线路支路电阻；l为配电线路总数；p
iair
为第i个节点空调负荷响应功率；n
la
为有空调负荷聚合商的响应节点总数。
[0073]
相关约束包括配电网潮流等式约束和不等式约束；
[0074]
配电网潮流等式约束如式(5)所示：
[0075][0076]
其中，p
iair
和分别为节点i的有功和无功功率；ui和uj分别为节点i和节点j的电压；g
ij
、b
ij
和θ
ij
分别为支路的电导、电纳和节点i与节点j电压的相角差。
[0077]
不等式约束如式(6)所示：
[0078][0079]
其中，和分别为配电网电压允许的最小值和最大值；p
iairmax
为第i个节点负荷聚合商响应功率最大值；p
ij
为节点i和节点j之间传输的有功功率；δ为线路传输容量安全系数；为配电线路传输有功功率的最大值；p
exchange
和分别为配电网向上级电网交换的有功功率及其最大允许值。
[0080]
步骤(4)中下层调度模型目标函数表达式为：
[0081]
max c
earn-c
s-c
t-c
tem-c
sw
[0082][0083]
其中，c
tem
和c
sw
分别为负荷聚合商向调温负荷发放的补偿和向启停用户发放的补偿；n
tem
为参与调温的用户小组数目，n
sw
为参与启停的用户小组数目；m和n分别为调温和启
停控制的m和n种方案；为第k1个小组选择了第g1个调温方案后在t时刻的响应功率，为第k2个小组选择了第g2个启停方案后在t时刻的响应功率；为第k1个小组在t时刻是否选择了第g1个调温方案，是则为1，否则为0；为第k2个小组在t时刻是否选择了第g2个启停方案，是则为1，否则为0；和分别为执行第g1个调温方案和第g2个启停方案的补偿价格；和分别为所有调温小组和所有启停小组在t时刻的聚合响应功率。
[0084]
步骤(4)中空调负荷相关约束包括调温控制相关约束和启停控制相关约束。
[0085]
调温控制相关约束如式(8)所示：
[0086][0087]
其中，表示第q台空调用户在t1时刻是否处于工作状态，是则为1，否则为0；表示实施第g1个调温方案的暂态过程持续时间。
[0088]
启停控制相关约束如式(9)所示：
[0089]
[0090]
其中，h
uq
与h
dq
分别为调度开始时空调机组必须开启和关停的时间段，和分别为空调机组最小开停机时间，和分别为第q台空调机组连续开停机时间，分别表示第q台空调在t时刻和w时刻空调机组开停机变量，为1时表示开机，为0时表示停机，和分别为采用第g2个启停方案空调室内温度允许的最小值和最大值，h为总调度周期时长，为第q台空调在0时刻开停机变量。
[0091]
应用实例
[0092]
以图1所示结构为例，调度总时间为25min，调度间隔为1min，该系统基准电压为12.66kv，基准功率为10mva，系统中总有功负荷为3.715mw，无功负荷为2.3mvar，配电网线路传输有功功率上限为2.9mw，向上级配电网传输的有功功率上限为2mw，设定从上级电网输入配电网功率方向为正。在8、12、16、23和33号节点处接有分布式光伏，在9、14、18、24和32号节点处有负荷聚合商。配电网相关参数与电力公司惩罚参数相关信息见表1至表2；用户空调初始温度均匀分布在[25℃,27℃]中，负荷聚合商对用户有四种调温控制方案，m＝4，采用温度上下限分离控制分别降低用户空调0.5℃、1℃、1.5℃、2℃；负荷聚合商对用户有四种启停控制方案，n＝4，分别改变用户设置温度至[24℃,28℃]、[23℃,28℃]、[22℃,28℃]、[21℃,28℃]，假设用户均接受两种调控方式；各节点负荷聚合商相关参数、给予用户补偿信息和负荷聚合商报价信息见表3至表5。
[0093]
表1配电网相关参数
[0094]
节点编号光伏安装容量/mw节点编号可控空调台数81.591000122141000163181000232241000332321000
[0095]
表2电力公司相关参数
[0096]
含义单位数值偏差系数ν无0.9惩罚价格m1元/kwh0.05惩罚价格m2元/kwh0.2延迟惩罚系数β元/s50延迟系数ε无0.5线路传输容量安全系数δ无0.9
[0097]
表3空调负荷的运行参数
[0098]
[0099][0100]
表4负荷聚合商给予用户补偿价格
[0101]
调温方案g1＝1g1＝2g1＝3g1＝4调温方案补偿报价元/kwh0.871.021.21.5启停方案g2＝1g2＝2g2＝3g2＝4启停方案补偿报价元/kwh1.171.321.51.8
[0102]
表5负荷聚合商投标容量及其价格
[0103]
投标功率/kw≤100100≤&≤200200≤&≤300300≤&≤400投标价格元/kw1.742.12.523.2
[0104]
本实例中采用cplex求解相关模型，获得调度结果，电力公司出清结果为9、14、18、24和32号节点分别增加负荷237.2kw、269.5kw、287.5kw、49.3kw和135.4kw，电力公司与各节点负荷聚合商签订光伏消纳响应合同，在调度时间向负荷聚合商下达调度指令。dr参与前后预期结果如图2和图3所示，调度前由于光伏导致的逆向潮流2到7号支路出现了严重的功率越限情况，向上级电网传输容量也超出了限值，9至18号节点均出现了不同程度的电压越限。调度后各支路功率和节点电压从越限值降低到安全范围内，网损由417kw降低至350kw，保证了配电网安全稳定运行。
[0105]
本发明和现有方法响应曲线对比如图4所示，可以看出方法一仅使用调温控制在调度开始后需要经历三个时刻的过渡后响应功率才能达到目标值附近，前几个时刻的偏差值均较大，其在响应跃迁处的响应效果较差，之后的时刻支撑功率保持平稳；本发明方法在方法一的基础上加以改进，采用调温启停混合控制方式，经过对收益和成本的计算，计算出采用改进调温控制方式和启停控制方式空调的数量，本发明方法在响应跃迁处的效果得到了有效的改善，相比于方法一在前四个时刻的偏差得到了有效的降低。
[0106]
本发明方法和现有方法对上层配电网的影响如图5所示，当采用方法一时，上层有功潮流与电压的变化速度较慢，不能很快的达到安全约束内，7号支路传输的有功功率数值在调度开始后第一个时刻为2.95mw，其仍超出了线路输送容量限制，造成线路过载，电压也未能达到要求值；使用本发明方法时功率越限支路与电压越限节点更快的变化到了配电网安全约束内，减小了过载与越限损失。
[0107]
对本发明方法和现有方法综合分析，方法一由于其偏差较大带来了更多的电力公司惩罚，负荷聚合商收益最低，为319元，方法二由于成本最高，所以收益降低，为412元，本发明方法净利润为471元，为所有对比方法中最高；方法二调控效果最好，但其总调控次数最多，动作次数为12570次，对用户空调带来了更多设备损耗的同时具有更大的不确定性，本发明方法为7225次，动作次数上相较方法二较低；本发明方法是一种基于利润最大的方
法，在保证一定的响应效果的同时增加了负荷聚合商的净利润，同时保证了负荷聚合商的收益和电力公司的响应要求。
[0108]
电力公司惩罚标准对响应效果的影响如图7所示，随着电力公司将惩罚标准提高，负荷聚合商为了避免偏差造成的惩罚，对更多的空调用户采用了启停控制方式，在整个调度周期内的偏差明显变小，响应跃迁处的偏差得到了有效的减少，但随着惩罚标准的提高，负荷聚合商可能会选择更高的报价，电力公司可能付出更多的成本，电力公司应该根据实际情况选择合适的惩罚标准。