考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法与流程

1.本发明涉及一种柔性配电网运行优化方法。特别是涉及一种考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法。


背景技术：

2.近年来，包括光伏、风机等在内的分布式电源(distributed generation，dg)大量接入配电网，使配电网运行波动性剧增，同时带来了功率倒送等问题，对配电网安全经济运行造成了严重冲击。同时，考虑到分布式电源空间分布不均，且受气候影响较大的特点，在运行中往往导致馈线功率大幅波动，造成严重的电压越限问题。随着电力电子器件的发展，智能软开关(soft open point，sop)、移动储能(mobile energy storage，mes)等新型电力电子装置接入配电网中，形成了高度灵活可控的柔性配电网(flexible distribution network，fdn)。如何有效协同柔性配电网柔性设备的运行策略，实现电能在时空尺度的合理分配，是当前亟待解决的重要问题。
3.目前，智能软开关作为柔性配电网的重要网络侧调节装置，实现了在两节点间自身容量范围内传输功率的无差调节。但智能软开关只能实现电能在空间尺度的转移，不能实现在时间尺度的电能存储。移动储能将储能设备和移动设备结合在一起，既可以在空间尺度上实现柔性配电网各节点之间的功率交互，也可以在时间尺度上实现电能的存储，但考虑到交通堵塞等因素，空间尺度上电能转移效率较低、不确定性较大。而将移动储能通过直流环节接入智能软开关中，可实现智能软开关和移动储能的协同优化，将有助于实现时空尺度上功率的合理分配，确保柔性配电网的安全经济运行，为解决柔性配电网中由于分布式电源高渗透率接入引起的电压越限、线路过载等问题提供了新思路。
4.考虑分布式电源、移动储能的强时序特征，考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化问题需要从单一的时间断面扩展为连续的时间序列，并建立考虑时序的含移动储能接入的柔性配电网优化模型作为优化问题的求解基础。该模型中的目标函数及约束条件中存在二次项、乘积项等非线性项，从数学角度看，属于混合整数非凸非线性规划问题，为计算求解带来较大挑战。为准确求解该模型，需要一种能够快速求解上述混合整数非凸非线性规划问题的模型与算法，从而得出柔性配电网中智能软开关与移动储能的出力策略，保证柔性配电网的安全经济性运行。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，为了克服现的技术的不足，提供一种能够保证柔性配电网的安全经济性运行的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法。
6.本发明所采用的技术方案是：一种考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法，包括如下步骤：
7.1)根据选定的柔性配电网，输入柔性配电网参数和交通网参数，所述的柔性配电网参数包括：配电网线路参数、负荷水平、电网网络拓扑连接关系，柔性配电网运行电压约
束和支路电流限制，分布式电源的类型、接入位置、容量及参数，智能软开关容量、参数及接入位置，移动储能容量、充放电功率及移动速度，运行周期内负荷及分布式电源运行特性曲线，柔性配电网基准电压和基准功率的初值；所述的交通网参数包括：交通线路参数，交通网络拓扑连接关系，交通节点和电网节点的对应关系；
8.2)依据步骤1)提供的柔性配电网参数和交通网参数，建立考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化模型，包括：设定柔性配电网损耗成本和电压越限惩罚成本之和最小为目标函数，考虑柔性配电网运行约束、分布式电源运行约束、移动储能运行约束、含移动储能接入的智能软开关运行约束；
9.3)对步骤2)提出的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化模型中目标函数进行线性化，并将柔性配电网运行约束、移动储能运行约束、含移动储能接入的智能软开关运行约束进行线性化和锥松弛，转化后的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化模型构成考虑移动储能接入的柔性配电网锥优化模型；
10.4)将步骤3)得出的考虑移动储能接入的柔性配电网锥优化模型采用数学解算器进行求解，并输出求解结果，包括移动储能的运行策略、智能软开关的运行策略、柔性配电网各节点电压、柔性配电网日运行成本。
11.本发明的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法，立足于解决高渗透率分布式电源引起的柔性配电网运行控制问题，充分考虑智能软开关和移动储能的物理结构和工作特点，将移动储能通过智能软开关的直流环节接入柔性配电网中，建立含移动储能接入的柔性配电网优化模型，实现时空尺度上柔性配电网中电能的合理分配，并采用二阶锥规划方法进行求解，得出智能软开关与移动储能的出力策略。
12.本发明将移动储能通过直流环节接入智能软开关中，可实现智能软开关和移动储能的协同优化，既可以实现时间尺度上电能的存储，又可以实现空间尺度上电网节点之间功率的传输，以确保柔性配电网的安全经济运行，为解决柔性配电网中由于分布式电源高渗透率接入引起的电压越限、线路过载等问题提供了新思路。
附图说明
13.图1是本发明考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法的流程图；
14.图2是含移动储能接入的智能软开关模型示意图；
15.图3是改进的ieee 33节点结构示意图；
16.图4是分布式电源及负荷运行特性预测曲线；
17.图5是系统分时电价曲线；
18.图6是不同方案下系统电压最值分布情况；
19.图7a是方案ii中智能软开关有功出力曲线；
20.图7b是方案iii中智能软开关有功出力曲线；
21.图7c是方案ii中智能软开关无功出力曲线；
22.图7d是方案iii中智能软开关无功出力曲线；
23.图8a是方案iii中移动储能移动情况示意图；
24.图8b是方案iii中移动储能有功出力及荷电状态曲线。
具体实施方式
25.下面结合实施例和附图对本发明的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法做出详细说明。
26.如图1所示，本发明的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法，包括如下步骤：
27.1)根据选定的柔性配电网，输入柔性配电网参数和交通网参数，所述的柔性配电网参数包括：配电网线路参数、负荷水平、电网网络拓扑连接关系，柔性配电网运行电压约束和支路电流限制，分布式电源的类型、接入位置、容量及参数，智能软开关容量、参数及接入位置，移动储能容量、充放电功率及移动速度，运行周期内负荷及分布式电源运行特性曲线，柔性配电网基准电压和基准功率的初值；所述的交通网参数包括：交通线路参数，交通网络拓扑连接关系，交通节点和电网节点的对应关系；
28.2)依据步骤1)提供的柔性配电网参数和交通网参数，建立如图2所示的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化模型，包括：设定柔性配电网损耗成本和电压越限惩罚成本之和最小为目标函数，考虑柔性配电网运行约束、分布式电源运行约束、移动储能运行约束、含移动储能接入的智能软开关运行约束；其中，
29.(1)所述的电压越限惩罚成本和柔性配电网损耗成本之和最小为目标函数，表示为：
30.minf＝fv f
l
fe f
m (1)
[0031][0032][0033][0034][0035][0036]
式中，f为总成本，fv为系统电压越限惩罚成本，f
l
为系统线路损耗成本，fe为柔性配电设备功率损耗成本，fm为移动储能的移动耗电成本；cv表示由于电压越限造成的电能损失的成本；g(u
i,t
)表示在t时刻，电网节点i由于电压越限造成的电能损失；p
i,t
表示在t时刻，电网节点i的负荷功率；u
i,t
为t时刻电网节点i的电压幅值；和分别是电压调节死区上下限，当处于区间时，不会产生电压惩罚成本；u表示系统电压允许最
小值；表示系统电压允许最大值；c
l
为线路损耗的单位成本；ω
t
表示一个运行周期内的时刻集合；ω
l
表示电网支路集合；ωb表示电网节点集合；ωm表示可接入移动储能的交通节点的集合；r
ij
为电网节点i和电网节点j之间的支路电阻；i
ij，t
为t时刻电网节点i和电网节点j间的电流；δt为时间步长；ce表示柔性配电设备功率损耗的单位成本；表示智能软开关在t时刻，在电网节点i的损耗功率；表示移动储能在t时刻，通过交通节点m处换流器放电的损耗功率；cm表示移动储能的电能成本；γ
t
为t时刻移动储能移动的标志位；ε表示移动储能移动单位距离所消耗的电能；v表示移动储能的移动速度。
[0037]
(2)所述的柔性配电网运行约束表示为：
[0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046]
式中，ω
l
表示柔性配电网支路集合；r
ji
为电网节点j和电网节点i间的支路电阻，x
ji
为电网节点j和电网节点i间的支路电抗；i
ji，t
为t时刻电网节点j流向电网节点i的电流幅值；u
i，t
为t时刻电网节点i的电压幅值，u
j，t
为t时刻电网节点j的电压幅值；p
ji，t
为t时刻电网节点j流向电网节点i的有功功率，q
ji，t
为t时刻电网节点j流向电网节点i的无功功率；p
ik，t
为t时刻电网节点i流向电网节点k的有功功率，q
ik，t
为t时刻电网节点i流向电网节点k的无功功率；i
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的电流幅值；r
ij
为电网节点i和电网节点j间的支路电阻，x
ij
为电网节点i和电网节点j间的支路电抗；p
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的有功功率，q
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的无功功率；p
i，t
为t时刻电网节点i上注入的有功功率之和，为t时刻电网节点i上分布式电源注入的有功功率，为t时刻电网节点i上负荷消耗的有功功率，为t时刻电网节点i上智能软开关注入的有功功率；q
i，t
为t时刻电网节点i上注入的无功功率之和，为t时刻电网节点i上分布式电源注入的无功功率，为t时刻电网节点i上负荷消耗的无功功率，为t时刻电网节点i上智能软开关注入的无功功率；为系统电压允许最大值，u为系统电压允许最
小值；为支路电流允许最大值。
[0047]
(3)所述的分布式电源运行约束表示为：
[0048][0049][0050]
式中，分别为t时刻电网节点i上分布式电源注入的有功功率和无功功率；为t时刻分布式电源有功出力的预测值；cosθ
dg
为分布式电源的功率因数。
[0051]
(4)所述的移动储能运行约束表示为：
[0052][0053][0054][0055][0056][0057]
α
1，1
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0058]
α
i，t
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0059]
α
m，t-α
m，t 1
≤1-α
n，t h
，h∈{1，2，...，min(γ
mn
，t-t)}，m，n∈ωmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0060]
式中，α
m，t
表示移动储能接入处于交通节点m的换流器的标志位，在t时刻，若移动储能通过交通节点m处的换流器并网，则α
m，t
等于1，反之为0；pn为移动储能的额定功率；为移动储能在t时刻通过交通节点m处的换流器对电网的注入功率；分别表示移动储能在t和t 1时刻的核电荷量γ
t
为t时刻移动储能移动的标志位；ε为移动储能移动单位距离消耗的电能；v为移动储能的移动速度；δt为时间步长；e
mes，min
与e
mes，max
分别表示移动储能核电荷量的最大允许值和最小允许值；和分别表示移动储能核电荷量的起始量和运行周期末的剩余量，t表示运行周期总时长；ωm表示可接入移动储能的交通节点的集合；h表示移动储能移动时长；γ
mn
表示移动储能从交通节点m移动到交通节点n所需最短移动时间。
[0061]
(5)所述的含移动储能接入的智能软开关运行约束表示为：
[0062][0063][0064]
[0065][0066][0067][0068][0069][0070][0071][0072]
式中，ωb表示电网节点集合；分别表示t时刻智能软开关在电网节点i和电网节点j处的有功功率输出；表示t时刻移动储能对交通节点m处的换流器的放电功率，其中，交通节点m处的智能软开关的两端分别连接的电网节点是电网节点i和电网节点j；点j；分别表示t时刻智能软开关在电网节点i和电网节点j处的无功功率输出；分别表示t时刻智能软开关在电网节点i和电网节点j处的传输功率损耗；表示移动储能在t时刻，通过交通节点m处换流器放电的功率损失；ai，aj，a
mes
分别表示智能软开关在电网节点i、电网节点j和移动储能充放电的损耗系数；s
i，max
，s
j，max
分别表示智能软开关在电网节点i和电网节点j处的最大传输容量；p
i，max
，p
j，max
分别表示智能软开关在电网节点i和电网节点j传输有功功率的最大值；p
i，min
，p
j，min
分别表示智能软开关在电网节点i和电网节点j传输有功功率的最小值；q
i，max
，q
j，max
分别表示智能软开关在电网节点i和电网节点j传输无功功率的最大值；q
i，min
，q
j，min
分别表示智能软开关在电网节点i和电网节点j传输无功功率的最小值。
[0073]
3)对步骤2)提出的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化模型中目标函数进行线性化，并将柔性配电网运行约束、移动储能运行约束、含移动储能接入的智能软开关运行约束进行线性化和锥松弛，转化后的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化模型构成考虑移动储能接入的柔性配电网锥优化模型；其中，
[0074]
(1)重新定义节点电压幅值的平方u
i，t
和支路电流幅值的平方l
ij，t
，替换目标函数和约束条件中的和
[0075][0076][0077]
[0078][0079][0080][0081][0082]
式中，f
l
为系统线路损耗成本；c
l
为线路损耗的单位成本；ω
t
表示一个运行周期内的时间段集合；ω
l
表示柔性配电网支路集合；ωb表示柔性配电网节点集合；r
ij
为电网节点i和电网节点j之间的支路电阻；i
ij
为电网节点i和电网节点j间的电流；δt为时间步长；ω
l
为柔性配电网支路的集合；r
ji
为电网节点j和电网节点i间的支路电阻，x
ji
为电网节点j和电网节点i间的支路电抗；l
ji，t
为t时刻电网节点j流向电网节点i的电流幅值的平方；p
ji，t
为t时刻电网节点j流向电网节点i的有功功率，q
ji，t
为t时刻电网节点j流向电网节点i的无功功率；p
ik，t
为t时刻电网节点i流向电网节点k的有功功率，q
ik，t
为t时刻电网节点i流向电网节点k的无功功率；i
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的电流幅值；p
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的有功功率，q
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的无功功率；p
i，t
为t时刻电网节点i上注入的有功功率之和；q
i，t
为t时刻电网节点i上注入的无功功率之和；u
i，t
为t时刻电网节点i的电压幅值的平方，u
j，t
为t时刻电网节点j的电压幅值的平方；为系统电压允许最大值，u为系统电压允许最小值；为支路电流允许最大值。
[0083]
(2)将公式(3)线性化：
[0084]
在区间内，g(u
i，t
)表达式中分子部分的线性化过程如下：
[0085][0086][0087]
δu
i，t
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(44)
[0088]
式(6)转化为：
[0089][0090]
式中，δu
i，t
表示t时刻电压的平方越限情况；和分别是电压调节死区上下限；g(u
i，t
)表示在t时刻，节点i由于电压越限造成的电能损失；p
i，t
为t时刻电网节点i上注入有功功率之和；δt为时间步长。
[0091]
(3)将系统潮流约束中的进行线性化和凸松弛，得到二阶锥约束式：
[0092]
[0093]
式中，p
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的有功功率，q
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的无功功率；l
ij，t
为t时刻电网节点i流向电网节点j的电流幅值的平方；u
i，t
为t时刻电网节点i的电压幅值的平方。
[0094]
(4)引入中间变量将含有绝对值的式(26)线性化：
[0095][0096][0097][0098]
式中，表示移动储能在t时刻的放电功率；表示移动储能在t时刻放电功率的绝对值；表示t时刻移动储能对交通节点m处的换流器的放电功率损失；a
mes
表示移动储能充放电的损耗系数。
[0099]
(5)将式(27)-(28)进行二阶锥转化：
[0100][0101][0102]
式中，表示t时刻智能软开关在电网节点i处的有功功率输出；表示t时刻智能软开关在电网节点i处的无功功率输出；分别表示t时刻智能软开关在电网节点i和电网节点j处的传输功率损耗；ai，aj分别表示智能软开关在电网节点i、电网节点j充放电的损耗系数。
[0103]
4)将步骤3)得出的考虑移动储能接入的柔性配电网锥优化模型采用数学解算器进行求解，并输出求解结果，包括移动储能的运行策略、智能软开关的运行策略、柔性配电网各节点电压、柔性配电网日运行成本。
[0104]
本发明的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法，实现了分布式电源高渗透率接入背景下移动储能与智能软开关出力策略的求解。
[0105]
对于本发明的实例，首先输入改进的ieee 33节点系统中线路元件的阻抗值、负荷元件的有功功率基准值和功率因数、网络拓扑连接关系，算例结构如图3所示，详细参数见表1和表2；在节点24、25、27、28接入容量光伏发电系统，其中，节点24、27处的光伏发电系统容量为600kwp，节点25、28处的光伏发电系统容量为800kwp，功率因数均为0.9。此外，接入三组智能软开关，接入位置如图3所示。智能软开关的容量为300kva，其两端的变流器损耗系数均为0.01。接入参数为800kw/800kwh的移动储能，移动速度为50km/h，每移动一公里消耗的电量为0.2kwh，单次并网时间不少于2小时，与移动储能相连接的变流器的损耗系数为0.01，交通网的详细参数见表3；设置系统的基准电压为12.66kv、基准功率为1mva，将系统中各值进行标幺化处理；最后设置各节点电压幅值(标幺值)的安全运行上下限分别为1.10和0.90。节点电压期望运行区间为0.98-1.02p.u.，分布式电源及负荷运行特性预测曲线如
图4所示。同时，将柔性配电网节点分为一类负荷、二类负荷、三类负荷三种类型，并优先保证一类负荷与二类负荷电能质量，其中一类负荷的电压惩罚成本为正常电价的2倍，二类负荷的电压惩罚成本为正常电价的1.5倍，三类负荷的电压惩罚成本为正常电价的1倍，并同时考虑居民负荷和商业负荷用电需求对柔性配电网的影响，价格参数如表4所示，分时电价曲线如图5所示。各负荷的详细信息见表5和表6。
[0106]
分别采用三种方案进行对比分析：
[0107]
方案i：不接入智能软开关与移动储能，获得配电网初始运行状态；
[0108]
方案ii：在原配电网中接入智能软开关，分析智能软开关对配电网的优化效果；
[0109]
方案iii：在方案ii的基础上接入移动储能，分析移动储能接入后的优化效果。
[0110]
执行优化计算的计算机硬件环境为intel(r)core(tm)cpu i7-11700，主频为3.70ghz，内存为16gb；软件环境为windows 11操作系统。
[0111]
采用本发明的考虑移动储能接入的柔性配电网运行优化方法中不同方案中的电压水平见图6，智能软开关的出力策略见图7a～图7d，移动储能的出力策略见图8a～图8b，结果比较见表7。
[0112]
从图中可以看出，在原配电网中，电网线路损耗成本较大，当用电负荷达到高峰或光伏出力达到高峰时，电压越限严重，配电网运行的经济性较差。接入智能软开关以后，各个节点的电压水平得到明显改善，尤其缓解了用电负荷过高或分布式电源出力过多引起的电压越限情况，线路损耗也在一定程度上有所下降，总成本大幅降低。接入移动储能后，线路损耗进一步降低，同时也进一步改善了各区域之间的电压分布。对比方案ii和方案iii，安装移动储能后，配电网运行成本下降25％，有效提升了配电网运行的经济性。
[0113]
方案ii中，当用电负荷或分布式电源出力达到高峰期时，智能软开关通过在空间尺度上实现潮流的合理调度，以降低系统网络损耗和电压越限。方案iii中，接入移动储能后，智能软开关注入配电网的有功功率总和不再为0，原因在于移动储能可通过智能软开关的直流环节实现对配电网的充放电操作，同时，当用电负荷过高时，由于移动储能的作用，智能软开关两端换流器可实现同时向系统提供有功功率；当分布式电源出力高峰时，移动储能通过智能软开关两端换流器吸收系统多余的电能，从而降低了系统整体的电压越限水平。此外，从图8a～图8b中可以看出，在白天用电负荷较高的时间段内，移动储能移动到连接节点18和节点33的智能软开关处进行放电操作，以支撑当地电压。在中午，分布式电源出力达到高峰，移动储能移动到连接节点25和节点29的智能软开关处进行充电操作，以吸收多余的电能，实现了对配电网在空间尺度上的调节作用，有效提升了配电网运行的经济性和安全性。
[0114]
表1改进的ieee 33节点算例负荷接入位置及功率
[0115][0116]
表2改进的ieee 33节点算例线路参数
[0117][0118]
[0119]
表3交通网线路数据
[0120]
道路距离(km)道路距离(km)道路距离(km){1,2}10.2{9,11}10.1{18,23}10.3{2,3}10.3{10,11}9.0{18,27}9.7{2,5}10.5{10,21}10.1{19,20}10.0{2,6}10.6{11,22}10.2{19,24}10.4{3,4}10.4{12,13}10.3{19,28}8.8{3,7}10.7{12,16}10.6{20,21}9.1{4,8}10.8{12,17}10.7{20,25}10.5{4,9}9.9{13,14}10.4{20,29}8.9{5,6}10.6{13,15}10.5{21,22}10.2{5,23}10.3{14,15}9.5{21,25}10.5{6,7}9.7{14,28}9.7{22,30}11.0{6,24}9.4{15,16}8.6{23,24}10.4{7,8}10.8{15,28}8.8{24,25}9.5{7,25}9.5{16,17}10.7{25,26}9.6{8,10}10.0{16,29}8.9{27,28}9.8{8,26}9.6{17,30}11.0{28,29}8.9{9,10}9.9{18,19}8.9{29,30}11.0
[0121]
表4价格参数
[0122]
类型价格(cny/kwh)系统分时电价见图5柔性配电设备损耗成本0.49移动储能移动成本0.49
[0123]
表5关键负荷节点
[0124][0125]
表6居民/商业负荷节点
[0126][0127]
表7各方案下的优化运行结果
[0128] 方案i方案ii方案iii线损成本(cny)1232.7627.6556.0电压惩罚成本(cny)7041.1860.4477.4设备损耗成本(cny)0221.4235.4移动成本(cny)0019.6总成本(cny)8273.81709.41288.4