计及可平移负荷平移时间弹性的电网运行优化控制方法与流程

1.本发明涉及电力自动化技术领域，特别涉及一种计及可平移负荷平移时间弹性的电网运行优化控制方法。


背景技术：

2.在当前电力高峰负荷持续增长以及间歇式能源的迅猛发展的环境下，柔性负荷作为发电调度的补充，能够削峰填谷、平衡间歇式能源波动和提供辅助服务，有利于电网的稳定运行。而可平移负荷又是柔性负荷之一且最具可控性，通过对可平移负荷的弹性优化调度，可在一定是程度上实现削峰填谷并提高电网运行的稳定性。
3.目前针对可平移负荷优化调度的研究(如张亚迪,孙欣,谢敬东,孙波,何志涛.考虑电转气和可平移负荷的区域综合能源系统优化运行[j].电力建设,2020,41(12):100-109；如刘金芝,张会林,马立新,王昊,唐政.考虑可平移负荷的综合能源系统动态优化调度策略[j/ol].电子科技:1-7[2022-08-08]；0封钰,刘存,黄弦超.基于动态分时电价的含可平移负荷的微网优化调度[j].华北电力大学学报(自然科学版),2021,48(02):30-39.)，按调度需要改变其供电用电时间，并保持用电供电总量不变、用电供电时段可变，对电网起到一定的功率调节的作用。但这些文献中针对可平移负荷的模型都是刚性的，即将可平移负荷的平移时间严格约束在指定时间范围内，这使得优化模型在极端的情况下优化不够灵活，因此本专利通过分段函数建立了可平移负荷弹性平移时间的优化模型，采用松弛变量法使弹性优化模型线性化，从而求解弹性线性化模型，得到可平移负荷的调度指令结果，获得更优的削峰填谷效果。


技术实现要素：

[0004]
本发明提供了一种计及可平移负荷平移时间弹性的电网运行优化控制方法，其优点是应用在可平移负荷调度时，获得更好更明显的削峰填谷效果，并提高电力系统运行的经济性。
[0005]
本发明的技术方案如下：
[0006]
一种计及可平移负荷平移时间弹性的电网运行优化控制方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤1：建立可平移负荷弹性约束模型；
[0008]
步骤2：对可平移负荷弹性约束模型进行线性化处理；
[0009]
步骤3：建立电力系统运行优化模型；
[0010]
步骤4：对电力系统运行优化模型优化求解。
[0011]
进一步的，所述步骤1中，建立可平移负荷弹性约束模型包括：
[0012]
假设第d个可平移负荷在平移前的负荷曲线用向量可以表示为p
shift0
,d＝[0,
…
,p
shift,d,ts1*
,p
shift,d,ts2*
,
…
,p
shift,d,tsd*
,
…
,0]，其中ts1*,
…
,tsd*为可平移负荷平移前所处时间段；
[0013]
则可建立第d个可平移负荷的可行求解空间p
shift_sel,d
表示如下：
[0014][0015]
其中，p
shift_sel,d
中的每一行表示一种可能出现的可平移负荷曲线；
[0016]
为了表示平移后可平移负荷在可行求解空间中选择的调度结果负荷曲线，引入0-1变量y
shift,d,t
，表示平移后的可平移负荷在求解空间p
shift_sel,d
中的位置，y
shift,d,t
＝1表示可平移负荷从t时刻开始，根据开始时刻的唯一性，该变量满足如下约束：
[0017][0018]
平移后的可平移负荷曲线可以利用0-1变量和可平移负荷可求解空间矩阵表示：
[0019]
p
shift,d
＝[y
shift,d,1 y
shift,d,2
ꢀ…ꢀyshift,d,t
]
·
p
shift_sel,d
[0020]
其中，p
shift,d
中的第t个元素p
shift,d,t
表示第d个可平移负荷在第t个时刻的负荷的大小；
[0021]
为了描述可平移负荷开始运行的时间点，引入辅助时间变量y
auxiliary
，该变量与0-1变量y
shift,d,t
之间满足如下关系：
[0022]yauxiliary,d,t-y
auxiliary,d,t 1
＝y
shift,d,t
[0023]
其中，辅助时间变量在可平移负荷开始运行那个时刻点及小于该时刻点的所有值均为1，在开始运行时间点以后的值均为0；因此，可平移负荷开始运行的时刻可以表达如下：
[0024][0025]
其中t
start,d
为第d个可平移负荷的起始时间；
[0026]
可平移负荷的调用成本可通过下式计算：
[0027][0028]
t
end,d
为可平移负荷的结束时间，n
ds
为可平移负荷数量，δt
last,d
为可平移负荷持续时间，则可平移负荷的时间范围记作：[t
start,d
,t
end,d
]，t
end,d
＝t
start,d
δt
last,d
；
[0029]
假设可平移负荷的弹性平移范围为[t
start_min,d
,t
start_max,d
]，起始时间t
start,d
可在[t
start_min,d
,t
start_max,d
]范围内移动，该约束条件可以在极大削负荷需求下越出界限，但同时会对目标函数额外造成一个可平移负荷的平移时间越限惩罚，表示如下：
[0030]
[0031][0032]
其中，δ为可平移负荷弹性成本系数。
[0033]
进一步的，步骤2中，对可平移负荷弹性约束模型进行线性化处理包括：
[0034]
引入两组辅助变量s
d,1-,s
d,1
和s
d,2-,s
d,2
，表示如下：
[0035][0036][0037]
其中，s
d,1-/s
d,1
分别表示负荷开始时间t
start,d
低于/高于时间范围下限t
start_min,d
的值，s
d,2-/s
d,2
分别表示负荷开始时间t
start,d
低于/高于时间范围上限t
start_max,d
的值；当t
start,d
小于t
start_min,d
时，s
d,1
为0，此时s
d,1-为t
start,d
越出下界限的量；当t
start,d
大于t
start_max,d
时，s
d,2-为0，此时s
d,2
为t
start,d
越出上界限的量，f
3,d
可以用辅助变量表示，转换成如下线性等式：
[0038]f3,d
＝δ
·
(s
d,1
s
d,2-)。
[0039]
进一步的，步骤3中，建立电力系统运行优化模型包括：
[0040]
经济调度目标函数为火电机组运行成本、可平移负荷调用成本以及可平移负荷的弹性惩罚费用之和最小，具体如下：
[0041]
min(f)＝f1 f2 f3[0042]
式中，f1表示火电机组报价成本，f2表示可平移负荷调用成本，f3表示可平移负荷的弹性惩罚费用；
[0043]
火电机组发电运行中考虑基于燃料成本而给出的报价成本，因此火电成本报价成本计算表示如下：
[0044][0045]
式中，p
fuel
为单位燃料价格，ai、bi、ci分别表示第i台火电机组的成本系数，p
i,t
为第i台火电机组在t时刻的出力，n表示区域电网中涉及的火电机组数量，t为调度时间；
[0046]
弹性约束模型经过线性化处理后最终的目标函数表示如下：
[0047][0048]
为保证电网安全稳定运行，单位时间内所有火电出力和风电出力应等于该时刻的负荷预测值：
[0049][0050]
其中，p
shift,d,t
为第d个可平移负荷t时刻平移负荷量；和为t时刻该系统风电和负荷的预测值；
[0051]
开关状态约束：
[0052][0053]
其中，x
i,t
为第i台火电机组在t时刻启动状态，启动为1，不启动为0；y
i,t
第i台火电机组在t时刻停机状态，退出为1，不退出为0；u
i,t
为第i台火电机组在t时刻的状态变量，开机为1，停机为0；
[0054]
火电机组出力约束：
[0055]
p
i,minui,t
≤p
i,t
≤p
i,maxui,t
[0056]
式中，p
i,min
和p
i,max
分别为第i台火电机组的最小、最大技术出力；
[0057]
火电机组爬坡速率约束：
[0058]-sdi≤p
i,t-p
i,t-1
≤sui[0059]
式中，sui为第i台机组爬坡速率的上界，-sdi为第i台机组爬坡速率的下界；支路潮流约束：
[0060][0061]
式中，pl
l,t
为第l条支路在t时刻的传输功率，plm
l
为第l条支路的功率限值，qg
l,i
、qw
l,w
、qd
l,d
分别为支路-火力发电机、支路-风力发电机、支路-负荷节点关联矩阵。
[0062]
进一步的，所述步骤4中，对电力系统运行优化模型优化求解包括：
[0063]
电力系统运行优化模型为混合整数线性规划问题，利用优化工具对电力系统运行优化模型优化求解，得到p
shift,d,t
的大小，所述优化工具为cplex或yalmip工具箱。
[0064]
综上所述，本发明的有益效果是：
[0065]
1)可平移负荷平移时间弹性建模，对于必要的负荷平移调度要求，在优化策略下可平移负荷的平移时间可越出平移时间约束范围，对越出部分转换成惩罚成本的形式加入目标函数中，提高系统优化的灵活性；
[0066]
2)采用松弛变量法，使得弹性优化模型线性化，引入相关辅助变量，将平移时间转换为0-1变量之和，并用等式约束将原分段函数转换为仅用两组辅助变量表示的惩罚量，最终实现线性化模型的求解，得到优化调度结果，并起到了比传统刚性可平移负荷约束优化模型更显著的削峰填谷的作用。
附图说明
[0067]
图1是本发明的整体架构图；
[0068]
图2是本发明可平移负荷弹性平移时间的示意图。
具体实施方式
[0069]
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0070]
实施例：一种计及可平移负荷平移时间弹性的电网运行优化控制方法，充分考虑可平移负荷参与系统调节情况下，针对需求响应的“源-荷”互动场景设计，其整体架构为如图1所示，通过“可平移负荷弹性约束模型的建立”，得到“可平移负荷弹性约束模型”，执行“可平移负荷弹性约束模型线性化”操作，得到“线性化的可平移负荷弹性约束模型”，在此基础上，通过“电力系统运行优化模型的建立”，得到计及“计及可平移负荷弹性约束的电力系统优化调度模型”，最后通过“优化求解”，得到优化调度结果。
[0071]
具体的，一种计及可平移负荷平移时间弹性的电网运行优化控制方法包括以下步骤：
[0072]
1、可平移负荷弹性约束模型的建立
[0073]
可平移负荷在用电时序上具有一定的前后关联性，故在对可平移负荷调用过程中需要保证时序的关联性，对负荷曲线进行整体平移。现将对可平移负荷进行建模来保证其时序性，假设第d个可平移负荷在平移前的负荷曲线用向量可以表示为p
shift0,d
＝[0,
…
,p
shift,d,ts1*
,p
shif
t
,d,ts2*
,
…
,p
shift,d,tsd*
,
…
,0](其中ts1*,
…
,tsd*为可平移负荷平移前所处时间段)，则可建立第d个可平移负荷的可行求解空间p
shift_sel,d
表示如下：
[0074][0075]
其中，p
shift_sel,d
中的每一行表示一种可能出现的可平移负荷曲线。为了表示平移后可平移负荷在可行空间中选择的调度结果负荷曲线，引入0-1变量y
shift,d,t
，表示平移后的可平移负荷在求解空间p
shift_sel,d
中的位置，y
shift,d,t
＝1表示可平移负荷从t时刻开始，根据开始时刻的唯一性，该变量满足如下约束：
[0076][0077]
平移后的可平移负荷曲线可以利用0-1变量和可平移负荷可求解空间矩阵表示：
[0078]
p
shift,d
＝[y
shift,d,1 y
shift,d,2
ꢀ…ꢀyshift,d,t
]
·
p
shift_sel,d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0079]
其中，p
shift,d
中的第t个元素p
shift,d,t
表示第d个可平移负荷在第t个时刻的负荷的大小。
[0080]
为了描述可平移负荷开始运行的时间点，引入辅助时间变量y
auxiliary
，该变量与0-1变量y
shift,d,t
之间满足如下关系：
[0081]yauxiliary,d,t-y
auxiliary,d,t 1
＝y
shift,d,t
ꢀꢀ
(4)
[0082]
其中，辅助时间变量在可平移负荷开始运行那个时刻点及小于该时刻点的所有值
均为1，在开始运行时间点以后的值均为0。因此，可平移负荷开始运行的时刻可以表达如下：
[0083][0084]
其中t
start,d
为第d个可平移负荷的起始时间。
[0085]
可平移负荷的调用成本可通过下式计算：
[0086][0087]
t
end,d
为可平移负荷的结束时间，n
ds
为可平移负荷数量，δt
last,d
为可平移负荷持续时间，则可平移负荷的时间范围记作：[t
start,d
,t
end,d
]，t
end,d
＝t
start,d
δt
last,d
。
[0088]
假设可平移负荷的弹性平移范围为[t
start_min,d
,t
start_max,d
]，起始时间t
start,d
可在[t
start_min,d
,t
start_max,d
]范围内移动，本专利为了增加可平移负荷的调用资源，提高削峰填谷能力，需对刚性条件松弛，使得绝对约束条件可以在极大削负荷需求下越出界限，但同时会对目标函数额外造成一个可平移负荷的平移时间的越限惩罚，表示如下：
[0089][0090][0091]
其中，δ为可平移负荷弹性成本系数。
[0092]
2.可平移负荷弹性约束模型
[0093]
可平移负荷弹性约束模型包括约束条件(1)-(5)和成本函数(6)，(8)。
[0094]
3.可平移负荷弹性约束模型线性化
[0095]
对可平移负荷弹性约束模型线性化处理
[0096]
首先引入两组辅助变量s
d,1-,s
d,1
和s
d,2-,s
d,2
，表示如下：
[0097][0098]
其中，s
d,1-/s
d,1
分别表示负荷开始时间t
start,d
低于/高于时间范围下限t
start_min,d
的值，s
d,2-/s
d,2
分别表示负荷开始时间t
start,d
低于/高于时间范围上限t
start_max,d
的值。当t
start,d
小于t
start_min,d
时，s
d,1
为0，此时s
d,1-为t
start,d
越出下界限的量；当t
start,d
大于t
start_max,d
时，s
d,2-为0，此时s
d,2
为t
start,d
越出上界限的量，分段函数(8)可以用辅助变量表示，转换成如下线性等式：
[0099]f3,d
＝δ
·
(s
d,1
s
d,2-)
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0100]
4.线性化的可平移负荷弹性约束模型
[0101]
线性化的可平移负荷弹性约束模型包括约束条件(1)-(5)，(9)，和成本函数(6)，(10)。
[0102]
5.电力系统运行优化模型的建立
[0103]
针对区域电网的优化调度模型，经济调度目标函数为火电机组运行成本、可平移负荷调用成本以及可平移负荷的弹性惩罚费用之和最小，具体如下：
[0104]
min(f)＝f1 f2 f3ꢀꢀ
(11)
[0105]
式中，f1表示火电机组报价成本，f2表示可平移负荷调用成本，f3表示可平移负荷的弹性惩罚费用。
[0106]
火电机组发电运行中考虑基于燃料成本而给出的报价成本，因此火电成本报价成本计算表示如下：
[0107][0108]
式中，p
fuel
为单位燃料价格(元/吨)，ai、bi、ci分别表示第i台火电机组的成本系数，p
i,t
为第i台火电机组在t时刻的出力，n表示区域电网中涉及的火电机组数量，t为调度时间。
[0109]
将(6)、(10)、(12)代入(11)，弹性约束模型经过线性化处理后最终的目标函数表示如下：
[0110][0111]
为保证电网安全稳定运行，单位时间内所有火电出力和风电出力应等于该时刻的负荷预测值：
[0112][0113]
其中，p
shift,d,t
为第d个可平移负荷t时刻平移负荷量；和为t时刻该系统风电和负荷的预测值。
[0114]
开关状态约束：
[0115][0116]
其中，x
i,t
为第i台火电机组在t时刻启动状态，启动为1，不启动为0；y
i,t
第i台火电机组在t时刻停机状态，退出为1，不退出为0；u
i,t
为第i台火电机组在t时刻的状态变量，开机为1，停机为0。
[0117]
火电机组出力约束：
[0118]
p
i,minui,t
≤p
i,t
≤p
i,maxui,t
ꢀꢀ
(16)
[0119]
式中，p
i,min
和p
i,max
分别为第i台火电机组的最小、最大技术出力。
[0120]
火电机组爬坡速率约束：
[0121]-sdi≤p
i,t-p
i,t-1
≤suiꢀꢀ
(17)
[0122]
式中，sui为第i台机组爬坡速率的上界，-sdi为第i台机组爬坡速率的下界。
[0123]
支路潮流约束：
[0124][0125]-plm
l
≤pl
l,t
≤plm
l
ꢀꢀ
(19)
[0126]
式中，pl
l,t
为第l条支路在t时刻的传输功率，plm
l
为第l条支路的功率限值，qg
l,i
、qw
l,w
、qd
l,d
分别为支路-火力发电机、支路-风力发电机、支路-负荷节点关联矩阵。
[0127]
6.计及可平移负荷弹性约束的电力系统优化调度模型
[0128]
计及可平移负荷弹性约束的电力系统优化调度模型包括(1)-(5)，(9)，(14)-(19)，和成本函数(13)。
[0129]
7.优化求解
[0130]
可以看出“计及可平移负荷弹性约束的电力系统优化调度模型”是混合整数二次规划问题，利用优化工具(例如cplex，yalmip工具箱)可实现对“计及可平移负荷弹性约束的电力系统优化调度模型”的优化求解，最终得到p
shift,d,t
的大小。
[0131]
综上，通过上述步骤后，得到如图2所示的可平移负荷弹性优化结果，刚性优化的结果会将可平移负荷严格约束在可平移范围内，而弹性优化可以根据实际调度需要越出约束范围，牺牲平移时间的约束范围来达到其他优化目标。
[0132]
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。