一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法及系统与流程

1.本发明属于供用电技术领域，尤其涉及一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法及系统。


背景技术：

2.乡村在能源需求侧，对冷、热、电等能源需求增长迅速，导致乡村电网季节性峰谷差不断拉大。在能源供给侧，乡村电网是最重要的供能基础设施，由于用户分散，乡村电网供电半径长且有大量供电可靠性较低的单辐射线路，由于量大面广，农网在短期内完全改造升级难度较大。
3.蓄能、需求响应及用户侧用能系统优化等需求侧调控措施均可以显著的改变用户的电力负荷曲线，使其更为平准化。但是，各类需求侧调控措施或技术的具体实施均需要一定的成本，不管是蓄能设备、电价激励乃至用户能源系统优化升级，都需要支付相应的成本。且农村配电网线路及其附属设备建设投入也受到用户供电分区的影响，如何精准的确定各个配电网支路的服务范围，以及各用户的最佳需求侧用能调控措施，使乡村供电总成本最低是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法及系统，用于解决如何精准的确定各个配电网支路的服务范围，以及各用户的最佳需求侧用能调控措施的技术问题。
5.第一方面，本发明提供一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法，包括：构建线路供能范围与配电网建设成本的第一函数关系，其中，所述第一函数关系包括配电网主线供能范围与配电网建设成本的第一子函数关系以及配电网支线供能范围与配电网建设成本的第二子函数关系；构建用户负荷调控措施与用户负荷调控成本的第二函数关系；基于所述第一函数关系以及所述第二函数关系建立线路供能范围和用户需求侧调控措施的非线性混合整数最优化模型；基于遗传算法对所述非线性混合整数最优化模型进行求解，使得到综合成本最低时选用的用户负荷调控措施和线路供能范围。
6.第二方面，本发明提供一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化系统，包括：第一关联模块，配置为构建线路供能范围与配电网建设成本的第一函数关系，其中，所述第一函数关系包括配电网主线供能范围与配电网建设成本的第一子函数关系以及配电网支线供能范围与配电网建设成本的第二子函数关系；第二关联模块，配置为构建用户负荷调控措施与用户负荷调控成本的第二函数关系；建立模块，配置为基于所述第一函数关系以及所述第二函数关系建立线路供能范围和用户需求侧调控措施的非线性混合整数最优化模型；求解模块，配置为基于遗传算法对所述非线性混合整数最优化模型进行求解，使得到综合成本最低时选用的用户负荷调控措施和线路供能范围。
7.第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处
理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法的步骤。
8.第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例的农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法的步骤。
9.本技术的农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法及系统，通过对配电网建设成本与供能范围之间的数学关系进行描述，综合考虑不同需求侧用能调控措施的调控效果和成本，建立线路供能范围和用户需求侧调控措施的非线性混合整数最优化模型，通过全局最优化计算获得乡村地区供用能总成本最低的系统方案，解决了无法精准的确定各个配电网支路的服务范围，以及各用户的最佳需求侧用能调控措施，使乡村供电总成本最低的问题。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为本发明一实施例提供的一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法的流程图；图2为本发明一具体实施例提供的基于用户聚合优化的乡村电网供电用户划分示意图；图3为本发明一具体实施例提供的不同情景下供能总成本比较的柱状图；图4为本发明一实施例提供的一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化系统的结构框图；图5是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
12.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
13.请参阅图1，其示出了本技术的一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法的流程图。
14.如图1所示，农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法具体，包括以下步骤：在步骤s101中，构建线路供能范围与配电网建设成本的第一函数关系。
15.在本实施例中，供能设备设施服务范围内用户的年等效满负荷供能时数最高时，表示设备被充分利用，设备闲置和浪费减少，供能设施设备投资的经济性好。提出用户年等效满负荷供能时数h的概念，其计算如下式（1）所示：
，（1）式中，为年等效满负荷供能时数，为i时刻的用户逐时电负荷，为全年负荷中的最大负荷。
16.考虑到不同用户进行组合时，确保不同用户组合后总负荷的年等效满负荷供能时数最大时有助于提升线路投资的经济性。假设第j个用户在i时刻的负荷为，以小时为单位时，则j个用户的年冷/热/电负荷集可以表征为一个有j列、8760行的矩阵。即所有用户的负荷集合如下式（2）所示：，（2）优化的目标是通过对不同类型用户组合的优化，获得j个用户一起总的电力需求的年等效满负荷供能时数最大化。优化目标可表达为如下式(3)所示：，（3）式中，为第j个用户在t时刻的负荷；其中，第j个用户在t时刻的负荷的约束条件为：，（4）式中，为项目计划的最大供能容量。
17.需要说明的是，线路供能范围与配电网建设成本的第一函数关系包括配电网主线供能范围与配电网建设成本的第一子函数关系以及配电网支线供能范围与配电网建设成本的第二子函数关系。
18.具体地，当用户j由配电网主线k负责供能时，当该用户有m种可能的需求侧调控措施得到m种可能的负荷曲线时，第k条配电网主线下的第j条配电网支线线路的配电网建设成本如式（5）所示：，（5）式中，为第z条配电网支线的平均成本系数，为第j个用户是否采用了第m个负荷调控措施，若第j个用户采用了第m个负荷调控措施，则取值为1，若第j个用户未采用第m个负荷调控措施，则取值为0，为第j个用户第m个负荷调控措施的电力负荷向量，、、分别为用户数量、负荷调控措施数量、配电网支线数量；按照单辐射状配电网线路拓扑结构，通过叠加每一个用户供电支路线路和主干线每一段得到总的成本，而每一段用户支路和主干线线路成本均与该段线路承载的最大负荷有一定的关系，一般情况下，线路成本随着该线路承载的最大供电负荷的增加而以阶梯性
增加。本技术中配电网线路成本可参考当地往年建设成本确定各个支线各段的建设成本，通过累加得到第k条配电网主线的配电网建设成本如式（6）所示。
19.，（6）式中，为第k条配电网主线的平均成本系数，为用户是否为第k条配电网主线上的第j个用户，若用户为第k条配电网主线上的第j个用户，则取值为1，若用户不为第k条配电网主线上的第j个用户，则取值为0，为第j个用户是否采用了第m个负荷调控措施，若第j个用户采用了第m个负荷调控措施，则取值为1，若第j个用户未采用第m个负荷调控措施，则取值为0，为第j个用户第m个负荷调控措施的电力负荷向量，、、分别为用户数量、配电网主线数量、负荷调控措施数量。
20.在步骤s102中，构建用户负荷调控措施与用户负荷调控成本的第二函数关系。
21.在本实施例中，用户端电力负荷的调控一般需要支付额外的成本，比如用户参与需求侧响应时的电费补贴，鼓励用户采用清洁电力时的电能替代补贴以及额外购买储能设施的费用支出等。因此，用户的柔性可调负荷是一个关于负荷调节程度的函数，该函数可以是同负荷调节量相关的线性关系以负荷调节量为变量的函数，也可以简化为离散的常数：如采用了哪种负荷调节技术或者措施导致成本变化了多少、负荷曲线如何变化等。
22.具体地，本技术中通过对用户可选方案的调研，通过用户端用能设备方案选择的情景设置得到不同情景下的负荷曲线，除了基准情景外，其他用户端负荷曲线被调控时将产生额外的用户负荷调控成本。因此，用户j除了基准负荷向量外，当采用非基准情形时，使用其他情景下的负荷向量均需要额外的成本，额外的用户负荷调控成本和需求侧调控措施有关，而每一个需求侧调控措施将产生一个新的电力负荷向量。因此，用户负荷调控成本可以表征为调整后的负荷向量的函数，如下式（7）所示：，（7）式中，为第j个用户第m个负荷调控措施的用户负荷调控成本。
23.在步骤s103中，基于所述第一函数关系以及所述第二函数关系建立线路供能范围和用户需求侧调控措施的非线性混合整数最优化模型。
24.在本实施例中，考虑乡村用户用能系统升级对村庄负荷的影响及相应的成本，需求侧用能模式调控与线路供能分区协同优化建模，最优化模型的优化目标如下式（8）所示，在该优化目标下，结合各个变量的约束，可以在matlab中建立非线性混合整数最优化模型，确保各个用户的负荷调控成本以及线路构建成本最低。
25.，（8）式中，为第k条配电网主线下的第z条配电网支线线路的配电网建设成本，为第k条配电网主线的配电网建设成本，为第j个用户第m个负荷调控措施的用户负荷调控成本，、、、分别为用户数量、配电网主线数量、负荷调控措施数量、配电网支线数量。
26.在步骤s104中，基于遗传算法对所述非线性混合整数最优化模型进行求解，使得
到综合成本最低时选用的用户负荷调控措施和线路供能范围。
27.在本实施例中，通过遗传算法进行最优化求解得到最优化变量、的值，对应的就得到了综合成本最低时各个用户适宜选用的需求侧用能调控措施和农网线路的供能对象。
28.综上，本实施例的方法，通过对配电网建设成本与供能范围之间的数学关系进行描述，综合考虑不同需求侧用能调控措施的调控效果和成本，建立线路供能范围和用户需求侧调控措施的非线性混合整数最优化模型，通过全局最优化计算获得乡村地区供用能总成本最低的系统方案，解决了无法精准的确定各个配电网支路的服务范围，以及各用户的最佳需求侧用能调控措施，使乡村供电总成本最低的问题。
29.在一个具体实施例中，以某县供电区域在地理上相邻近的两条农网线路覆盖范围划分为例，说明配电网线路上挂载用户和用户需求侧调控措施综合优化对两条电网线路利用小时数和配电网经济性的影响。假如两条单辐射配电网线路相对位置关系及其潜在的供能对象如图2所示，两条10kv配电线路覆盖范围内主要用户如表1所示。
30.，对于单辐射线路，线路结构简单，但是供电安全可靠性相对较低，一般处于电网的尽端，各个线路覆盖的具体用户具有一定的弹性。如表1所示，其中大用户1、大用户2和村落3既可以由线路1覆盖供电又可以由线路2供电覆盖，那么不同线路对大用户1、大用户2和村落3供电时对线路自身的年等效满负荷供能时数（年平均负载率）具有一定的影响。
31.此外，在多能互补综合供用能协同优化的背景下，乡村用户的电力负荷受到其终端用能系统类型（特别是供热供冷系统设备类型的选择）、终端需求侧响应参与程度、及储能系统配置的影响。在不同的终端用能模式下电力负荷曲线会有明显的变化。因此，在本次优化时，考虑乡村用户用能系统升级对村庄负荷的影响及相应的成本，综合终端电力负荷曲线调控与线路供能分区协同优化建模。
32.考虑乡村用户用能系统升级对村庄负荷的影响及相应的成本，终端用能负荷曲线调整与线路供能分区协同优化建模，最优化模型的优化目标如式(9)所示，以两条线路覆盖的所有用户的负荷调控成本、线路构建成本及负数设备总成本最低为优化目标函数。
33.，（9）本实施例中通过对用户可选方案的调研，通过用户端用能设备方案选择和需求侧
储能设备的配置，可以将各个用户电力需求的峰值进行削减，不同削减程度下需要支付的需求侧调控成本不同。如表2所示，11个用户除了基准负荷向量外，当对用户需求进行削峰时需要支付不同数额的需求侧调控成本。
34.，两条农村配电网线路及其附属设施的建设成本。按照枝状线路拓扑结构，通过叠加每一个用户供电支路线路和主干线每一段得到总的成本，而每一段用户支路和主干线线路成本均与该段线路承载的最大负荷有一定的关系。一般情况下，线路成本随着该线路承载的最大供电负荷的增加而以阶梯性增加。本算例中线路成本参考当地往年建设成本确定各个支线各段的建设成本，通过累加得到用户侧支路总成本和分别如式（10）、式（11）所示。
35.，（10），（11）其中，在本例、中的根据当地往年成本核算其取值分别为1.26万元/kva、1.33万元/kva。
36.各个线路的最大负荷是用户负荷逐时叠加的结果，实际中往往会在最大负荷的基础上乘以安全系数，以确保供电安全性。如式（12）、式（13）所示，本算例中直接采用最大负荷乘以1.25作为线路供电的安全系数，在其他项目中应用该模型时可以根据实际需要确定适宜的安全系数。
37.，（12）
，（13）除了各个变量满足非负约束外，需满足任意一个用户必须被保证供电。
38.在上述优化目标下，结合各个变量的约束，基于如各个用户的全年逐时负荷和各个用户在不同电气化方案时调整后的负荷向量及当地成本数据。其中不同用户的需求侧管控措施主要以储能和需求侧响应邀约奖励为主要手段，表2中的需求侧调控方案1、需求侧调控方案2的实施成本表示各个用户分别实施不同程度的需求侧负荷调控措施所付出的成本。
39.在上述信息基础上，可以建立一个混合整数最优化模型，在最优化结算过程中，优化变量对应于两条线路的供能对象优化，变量，（j=1,2,3,
…
,11）对各个用户需求侧负荷用能调控方案选择进行优化。最优化目标是两条线路的建设成本和各个用户需求侧用能调控方案实施成本综合最低。通过上述优化模型的建立，对农村配网供电用户的选择、各个用户需求侧管措施实施进行综合最优化。
40.对于上述混合整数非线性最优化问题，在matlab中建立最优化数学模型，利用matlab自带的最优化求解算法得到最优化结果如表3所示。
41.，可以看出线路1承担了用户1-5、用户7全部的供电负荷，同时承担了用户6部分供电负荷（占比19.65%）。线路2承担了用户8-11全部的供电负荷，并承担用户6部分负荷（占比80.35%）。这一结果在常规的配电网规划中凭借经验分区时一般不会形成该结果。同时，对用户1、3、4、6、7实施需求侧用能调控方案2，即通过配置少量的蓄能设备，将用户1、3、4、6、7的最大负荷削减至原峰值负荷的88%左右。可以看到，在最优化的方案中，筛选出部分用户实施精准的需求侧负荷调控措施，而非大面积全面开展负荷调控，可以最大化的降低乡村配电网供电总成本。
42.考虑当前乡村配电网规划建设模式，设定如表4所示7种配网规划和需求侧负荷调控方案实施的情景，对不同规划情景下的结果进行比较分析。情景1和情景2采用简单化的模式，对供能分区不刻意进行精细化的考虑，也不考虑用户需求侧负荷调控方案的实施。情景3-情景6不对线路的供电范围进行专门优化，仅实施不同程度的需求侧负荷调控措施。情景7对配电网线路的供能范围和各个用户的需求侧负荷调控措施进行整体优化。最终对11个村路(用户)的供能总成本和线路等效满负荷供能时数结果如表4所示。
43.。
44.供能分区和需求侧用能调控方案选择协同综合优化的情况下，乡村供能总成本比较如图3所示。在不考虑采用需求侧负荷调控措施时（情景1、情景2），在同样满足用户100%全覆盖供电的情况下，线路1、线路2供能范围不同其建设成本也有所差异。情景4、情景6对所有用户均实施深度需求侧负荷调控措施（需求侧用能调控方案2），通过需求侧购置储能和需求响应调度，可以大幅削减配电网的峰值负荷，将配电网建设成本降低到最低。但是情景4、情景6实施需求侧负荷调控需要支付较多的负荷调控成本，总的供能成本反而最高。情景7与其他情景相比较可以看出，通过供能分区优化和精准的对部分用户实施需求侧负荷调控措施，可以明显减少供能总成本，相对于任意划分供能分区和不实施需求侧用能调控措施的情景1，对11个村落(用户)的供能总成本削减了6.84%，减少供电花费182.18万元。
45.从表4可以看出，对农村配电网线路的供能范围和各个用户的需求侧负荷调控方案进行综合优化可以明显提升线路年等效满负荷供能时数。由于供电线路年等效满负荷供能时数的提升，配电网线路的有效利用率上升，减少了线路及其附属设备的闲置和浪费，供电总成本明显降低。相对于任意划分供能分区和不实施需求侧用能调控措施，线路1和线路2的年等效满负荷供能时数分别提升了448.65h、482.34h，有效提升乡村配电网建设项目的经济性。
46.请参阅图4，其示出了本技术的一种农网供能范围与用户负荷的调控协同优化系统的结构框图。
47.如图4所示，协同优化系统200，包括第一关联模块210、第二关联模块220、建立模块230以及求解模块240。
48.其中，第一关联模块210，配置为构建线路供能范围与配电网建设成本的第一函数关系，其中，所述第一函数关系包括配电网主线供能范围与配电网建设成本的第一子函数关系以及配电网支线供能范围与配电网建设成本的第二子函数关系；第二关联模块220，配置为构建用户负荷调控措施与用户负荷调控成本的第二函数关系；建立模块230，配置为基
于所述第一函数关系以及所述第二函数关系建立线路供能范围和用户需求侧调控措施的非线性混合整数最优化模型，其中，所述非线性混合整数最优化模型的目标函数为：，式中， 为第k条配电网主线下的第z条配电网支线线路的配电网建设成本，为第k条配电网主线的配电网建设成本，为第j个用户第m个负荷调控措施的用户负荷调控成本，、、、分别为用户数量、配电网主线数量、负荷调控措施数量、配电网支线数量；求解模块240，配置为基于遗传算法对所述非线性混合整数最优化模型进行求解，使得到综合成本最低时选用的用户负荷调控措施和线路供能范围。
49.在本实施例中，第一关联模块210包括第一子关联单元以及第二子关联单元。其中，第一子关联单元，配置为构建配电网主线供能范围与配电网建设成本的第一子函数关系；第二子关联单元，配置为配电网支线供能范围与配电网建设成本的第二子函数关系。
50.应当理解，图4中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图4中的诸模块，在此不再赘述。
51.在另一些实施例中，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行上述任意方法实施例中的农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法；作为一种实施方式，本发明的计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：构建线路供能范围与配电网建设成本的第一函数关系；构建用户负荷调控措施与用户负荷调控成本的第二函数关系；基于所述第一函数关系以及所述第二函数关系建立线路供能范围和用户需求侧调控措施的非线性混合整数最优化模型；基于遗传算法对所述非线性混合整数最优化模型进行求解，使得到综合成本最低时选用的用户负荷调控措施和线路供能范围。
52.计算机可读存储介质可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据农网供能范围与用户负荷的调控协同优化系统的使用所创建的数据等。此外，计算机可读存储介质可以包括高速随机存取存储器，还可以包括存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，计算机可读存储介质可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至农网供能范围与用户负荷的调控协同优化系统。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
53.图5是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，该设备包括：一个处理器310以及存储器320。电子设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。存储器320为上述的计算机可读存储介质。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处
理，即实现上述方法实施例农网供能范围与用户负荷的调控协同优化方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与农网供能范围与用户负荷的调控协同优化系统的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。
54.上述电子设备可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
55.作为一种实施方式，上述电子设备应用于农网供能范围与用户负荷的调控协同优化系统中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：构建线路供能范围与配电网建设成本的第一函数关系；构建用户负荷调控措施与用户负荷调控成本的第二函数关系；基于所述第一函数关系以及所述第二函数关系建立线路供能范围和用户需求侧调控措施的非线性混合整数最优化模型；基于遗传算法对所述非线性混合整数最优化模型进行求解，使得到综合成本最低时选用的用户负荷调控措施和线路供能范围。
56.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。