考虑多目标优化的交直流混合配电网分散式协调优化方法

1.本发明属于交直流混合配电网的协调优化技术领域，涉及一种交直流混合配电网分散式协调优化方法，尤其是一种考虑多目标优化的交直流混合配电网分散式协调优化方法。


背景技术：

2.近年来，分布式能源(distributed generation,dg)，特别是光伏系统和分布式储能系统，以及电动汽车等柔性电力负荷不断接入配电网，为配电网的运行带来了诸多变化。配电网的物理形式正在经历快速转变。交直流混合配电网具有新能源高效消耗和高比例接入的特点，已经成为未来智能配电网的一种重要形式。此外，电力电子技术的不断发展为配电网带来了灵活的可控电子设备，如基于逆变器的分布式发电机、静态无功发电机(svg)、柔性互联设备等。与传统控制设备相比，可控的电力电子设备具有响应速度快、运行成本低、控制方式灵活等优点，为配电网的控制和运行带来了有效的技术支撑。因此，为了利用所有可控设备提供优化运行的辅助服务，需要研究一种新的考虑多种控制手段的交直流混合配电系统协调运行方法。
3.目前，国内外大量学者解决交直流混合配电网的协调优化问题所采用的控制手段主要分为三类：集中式控制、分散式控制和分布式控制。随着未来电力市场中独立系统运营商(independent system operators,iso)数量的增加，分散式控制可以在点对点的框架内有效地处理iso之间的博弈。因此，分散式控制是解决未来交直流混合配电网运行优化问题的最有前景的方法之一。
4.柔性多状态开关(flexible distribution switch，fds)作为具备灵活潮流调控能力的电力电子装置，可以准确调节所连接馈线的有功和无功功率，使配电网逐渐从无源网络向柔性配电网转变。fds作为柔性可控媒介，对配电网电压及功率协调优化有巨大影响。
5.然而，大多数的研究通常只考虑单一的控制手段解决交直流混合配电网的协调优化问题，并且很少有优化方法将fds与其他控制手段一起考虑。
6.经检索，未发现与本发明相同或相似的已公开的专利文献。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种考虑多目标优化的交直流混合配电网分散式协调优化方法，基于交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers，admm)，考虑了fds、vsc、oltc和光伏等多种控制手段，实现了网络损耗、电压偏差和运行成本的多目标函数优化，降低了配电网的运行成本，提高了配电网的灵活性和安全性。
8.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
9.一种考虑多目标优化的交直流混合配电网分散式协调优化方法，包括以下步骤：
10.步骤1：考虑fds、vsc、oltc和光伏的多种控制手段，构建交直流混合配电网协调优化模型的目标函数和约束条件；
11.步骤2：根据vsc的连接位置将交直流混合电网进行合理分区，得到相应的边界解耦方程及约束条件，使用增广拉格朗日法建立子区域的数学模型；区域内部采用步骤1中所建立的交直流混合配电网协调优化模型进行求解，采用二阶锥松弛等技术将非凸问题进行线性化处理，从而得到基于admm的凸优化数学模型，求解并得到新的网络潮流及fds和vsc的运行功率，通过fds和vsc等多种控制手段，实现多目标的交直流混合配电网分散式协调优化运行。
12.本发明的优点和有益效果：
13.1、本发明将fds和电压源型变流器(voltage source converter,vsc)综合考虑，可以实现交流与交流网络和交流与直流网络之间灵活的能量传输，实现实时、快速、灵敏、平稳的功率控制，将有效实现交直流配电网的经济运行，大大提高配电网的灵活性和可靠性。
14.2、本发明考虑了多种具有控制方式的电力电子设备，实现了网络损耗、电压偏差和运行成本的多目标优化，对于dg比例高的低压配电网，所提出的分散电压优化策略可以将系统电压维持在电压安全范围内，有利于提高电网电能质量。
15.3、本发明采用基于admm的分散式控制方法，实现了各个子区域间的并行运算，仅需交换关键节点的电压和功率值，从而实现系统的全局优化控制，增加了电网的可扩展性，具有传输数据少、隐蔽性好的优点。
16.4、本发明充分利用交直流配电网的结构特性，所建立的交直流混合配电网电压优化模型可以准确有效的解决因大量dg并网引起的电网潮流和电压越限问题。fds和vsc通过实时调节并降低馈线的功率补偿需求，在实现平衡电网电压降低网损的同时还可以减少光伏弃光现象的发生，提高光伏的利用率，增加电网的经济型和安全性。
附图说明
17.图1为本发明的分区方法示意图；
18.图2为本发明的admm算法流程图；
19.图3为本发明的改进的双33节点系统拓扑图；
20.图4为本发明的光伏、生物质能有功出力和负荷功率曲线图；
21.图5为本发明的部分节点的全天电压曲线；
22.图6为本发明的12:00时系统各节点电压图；
23.图7为本发明的20:00时系统各节点电压图；
24.图8为本发明的oltc抽头的位置示意图；
25.图9为本发明的场景二和场景三下的节点31和节点66的电压图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
27.一种考虑多目标优化的交直流混合配电网分散式协调优化方法，包括以下步骤：
28.步骤1：考虑fds、vsc、oltc和光伏的多种控制手段，构建交直流混合配电网协调优
(7)所示，直流电网不存在无功功率和电抗，潮流约束如式(8)-(10)所示。
[0046][0047][0048][0049][0050][0051][0052]
式中：ξ(j)、ζ(j)分别表示以节点j为末端、首端节点的支路首端和末端节点的集合；p
ij
、q
ij
分别表示连接节点i、j支路的有功和无功功率；r
ij
、x
ij
和i
ij
为支路的电阻、电抗和电流；ui、uj代表节点i、j的电压幅值；pj、qj为节点j注入的有功和无功功率。
[0053]
2)vsc相关约束
[0054]
当vsc正常稳定运行时，交流配电系统向vsc输入的有功功率必须等于直流配电系统输入的有功功率和vsc换流器的功率损耗的总和，vsc支路约束及容量约束表达式为：
[0055][0056][0057][0058]
式中：代表交流侧向第k个vsc传输的有功功率；代表vsc向直流侧传输的有功功率；为vsc传输过程中的有功损耗；η代表vsc有功损耗系数，一般取值为0.03～0.10。和分别为vsc传输端口有功功率和无功功率的上下限；为vsc的容量上限。
[0059]
3)fds相关约束
[0060]
背靠背型vsc是fds的主要实现形式，其可以控制fds多端口的有功和无功功率，fds的行约束如下：
[0061][0062]
[0063][0064]
上式中，p
ifds
和分别为与节点i所连端口输出的有功和无功功率；为输出端口的有功损耗；a
fds
和b
fds
分别为端口i的内部损耗系数和空载损耗常数；和为fds端口传输的无功功率上下限；是fds的额定容量。
[0065]
4)oltc约束
[0066]
oltc变压器变比可以表示为
[0067][0068]
式中，t
ij
∈tap
ij
，tap
ij
是oltc抽头位置的整数集合；r
ij,min
和r
ij,max
分别为oltc变压器变比的最小值和最大值；δr
ij
为变压器变比的变化量。
[0069]
5)pv约束
[0070]
接入配电系统的光伏在运行时应当满足功率约束和容量约束。本发明交流区域pv模型的功率因数恒定，约束条件如(18)所示。直流区域pv只有有功约束，与交流区域一致。
[0071][0072]
式中，其中，和分别为第k个光伏的有功和无功功率；为光伏有功出力的最大值；是光伏的功率因数角。
[0073]
6)无功补偿装置约束
[0074]
本文的无功补偿装置主要为静止无功发生器(static var generator，svg)，可以随时吸收或发出满足要求的无功功率，实现动态调节的目的，约束条件如式(19)所示。
[0075][0076]
式中，为svg向系统输出的无功功率；和分别为svg无功出力的最大值和最小值。
[0077]
7)系统安全运行约束
[0078][0079]
式中，u
t,i
为节点i的电压幅值；u
i,max
和u
i,min
为系统节点电压允许的上下限；i
ij
为i、j支路流经的电流；i
ij,max
为支路流经电流允许的最大值。
[0080]
步骤2：根据vsc的连接位置将交直流混合电网进行合理分区，得到相应的边界解耦方程及约束条件，使用增广拉格朗日法建立子区域的数学模型；区域内部采用步骤1中所建立的交直流混合配电网协调优化模型进行求解，但是该模型是一个非凸问题，无法直接用admm求解，需要采用二阶锥松弛等技术将非凸问题进行线性化处理，从而得到基于admm的凸优化数学模型，求解并得到新的网络潮流及fds和vsc的运行功率，通过fds和vsc等多
种控制手段，实现多目标的交直流混合配电网分散式协调优化运行。
[0081]
所述步骤2中的具体步骤包括：
[0082]
(1)根据vsc所连位置将交直流混合配电网分成若干个子区域，选取网络中的某一联络线l作为边界进行分区，使用增广拉格朗日法建立子区域的优化模型，得出相应的解耦方程及约束条件；
[0083]
(2)将网络进行分区后，系统原始问题转化为多个子区域内部优化问题。区域内部采用由步骤1中所建立的交直流混合配电网协调优化模型，并使用二阶锥规划对模型进行最优潮流计算，区域之间采用admm算法完成信息交互；
[0084]
(3)对步骤1中的优化模型进行锥优化处理后，进一步得到admm的凸数学模型，求解数学模型，即可得到系统实时的运行功率和电压分布，并通过fds和vsc等多种控制手段，实现多目标的交直流混合配电网分散式协调优化运行。
[0085]
所述步骤2中第(1)步的具体方法为：
[0086]
根据vsc所连位置将交直流混合配电网分成若干子区域，子区域内还可根据实际运行需求进行进一步划分，选取网络中的某一联络线l作为边界，将该联络线和两端节点一同复制到两个区域内，各子区域的约束条件还需满足边界耦合条件，如式(21)-(22)所示：
[0087][0088][0089]
式中，p
l
为线路l流经的有功功率；和为分区后区域a、b之间耦合支路的实际功率；ui是节点i的电压幅值；和分别是区域a、b的耦合支路实际节点电压；分区前后应保持耦合支路的功率和节点电压始终一致。
[0090]
所述步骤2中第(2)步的具体步骤包括：
[0091]
(1)将网络进行分区后，admm算法可以实现多个区域间的并行计算，区域间仅传递耦合支路和节点的关键数据，更新全局变量和对偶变量，根据计算的原始残差和对偶残差自适应调节惩罚因子，使用增广拉格朗日法建立子区域的优化模型，区域间耦合等式约束相当于admm算法中的线性耦合等式约束，具体如式(23)所示，含fds耦合支路的同理。
[0092][0093]
其中，f
admm
表示系统目标函数的增广拉格朗日形式；fa和fb分别为a、b子区域的目标函数；p
l,e
、u
i,e
是全局变量，随着每一次迭代进行更新；σ、μ为增广拉格朗日乘子，是对偶变量；ρ为惩罚因子；e代表迭代次数。g、h分别为各子区域的等式约束和不等式约束；
[0094]
其中，全局变量更新公式如下所示：
[0095][0096]
其中，对偶变量更新公式如下式所示：
[0097][0098]
原始残差r和对偶残差s的计算公式为：
[0099][0100]
式中，n代表不同的子区域；
[0101]
其中，自适应步长更新惩罚因子ρ如下式所示：
[0102][0103]
式中，τ＞0且δ∈(0,1)，通常取τ＝1，δ＝0.1。
[0104]
admm算法的收敛的判定条件如式(28)所示：
[0105][0106]
其中，εd是给定的收敛精度；
[0107]
(2)每个子区域采用由步骤1中所建立的协调优化模型，然而原始的协调优化模型为一个非凸问题，无法直接用admm求解，二阶锥松弛可将该问题转化为极值凸问题，以便于潮流的快速求解，进而通过fds和vsc等多种控制手段，实现多目标的交直流混合配电网分散式协调优化运行。
[0108]
利用二阶锥松弛法对步骤1所建立模型的目标函数及约束条件线性化处理的方法如下。
[0109]
引入辅助变量替换原方程中的平方项，如式(29)所示：
[0110][0111]
将目标函数中的二次项进行替换，使其线性化。由于式(3)中含有绝对值项，引入辅助变量δv＝|v
i-1|，并增加以下约束：
[0112][0113]
将式(5)-(7)的潮流约束条件进行锥转化，如式(31)-(33)所示：
[0114][0115][0116][0117]
对式(33)做二阶锥松弛处理，得
[0118][0119]
直流区域相应松弛处理同上；
[0120]
对于vsc和fds的数学模型松弛处理方法如下。
[0121]
针对式(13)和式(16)存在得圆约束，可以采用多边形约束代替，本发明中采用正八边形，如式(35)所示，fds约束同理。
[0122][0123]
所述步骤2中第(3)步的具体方法为：
[0124]
对步骤1中的优化模型进行锥优化处理后，进一步得到admm的凸数学模型，求解数学模型，即可得到系统的运行功率和电压分布。vsc作为连接交流配电网和直流配电网的重要枢纽，不同的控制方式及容量设置都会改变区域间的功率传输，影响区域内部的电压分布。fds可以减少电压越限现象，缓解各条馈线的功率补偿需求，改变系统内部的有功功率分布。考虑vsc和fds等多种控制手段，使配电网的潮流分配和自我调控能力得到有效的提升和优化，进一步更好的实现多目标的交直流混合配电网分散式协调优化运行。
[0125]
交直流混合配电网的分区方法示意图如图1所示，选取网络中的某一联络线l作为边界进行分区，将该联络线和两端节点一同复制到两个区域内，各子区域的约束条件还需满足边界耦合条件，如式(21)-(22)所示。
[0126]
以a和b区域间的更新迭代为例，优化问题求解流程如图2所示。将系统分为多个子区域后，admm算法可以实现多个区域间的并行计算，区域间仅传递耦合支路和节点的关键数据，更新全局变量和对偶变量，根据计算的原始残差和对偶残差自适应调节惩罚因子ρ，
以a和b区域间的更新迭代为例，算法流程图如图2所示。首先给定系统参数初始值，随后进入区域迭代，根据式(23)求解a、b子区域，得到和的值，并根据所得到的值更新全局变量和对偶变量，如式(24)-(25)所示。自适应惩罚因子参数更新如式(25)所示，将结果与判定条件进行比对，若满足收敛条件，系统完成优化计算，输出结果；若不满足收敛条件，则进入下一轮迭代计算，直至满足收敛条件。
[0127]
下面通过具体算例对本发明的准确性和有效性进行验证：
[0128]
1、算例设置
[0129]
本发明算例为改进的双ieee 33节点系统组合成的交直流混合配电网，如图3所示。该算例共66个节点，vsc1采用定电压控制，安装在节点9、10之间，vsc2采用pq控制，安装在节点42、43之间。fds连接在节点31、56和66上。在admm算法中，将该交直流混合配电网分成3个区域，分别为交流配电网a、直流配电网b和交流配电网c。a区节点集合为{1,2,3,
……
,9,19,20,21,
……
33}，b区节点集合为{10,11,
……
,18,34,35
……
42}，c区节点集合为{43,44,
……
,66}。交直流混合配电网中，交流网络的基准电压为12.66kv，直流网络的基准电压为
±
10kv。节点1和节点51分别为区域a和区域c的平衡节点。oltc安装在节点1和节点2之间，电压可调范围为1
±2×
1.5％。节点电压安全范围为[0.95,1.05]p.u.，节点电压优化区间为[0.985,1.015]p.u.。当系统中的节点电压超过安全范围时，系统将进行优化控制以避免发生电压越限。为了提高电网的电能质量，各节点的电压应尽量靠近并维持在电压优化区间内，当电压处于优化区间内时，电压偏差为0。pv和生物质能(biomass energy,be)有功出力曲线，以及节点25和节点66处的负荷功率如图4所示。vsc、fds以及svg的参数如表1所示。svg1安装在节点21和节点54上，svg2安装在节点25和节点58上。admm算法中，σ0和μ0的初始值设置为0，惩罚因子ρ0和收敛精度ε0分别取0.2和10-3
。目标函数的权重系数λ1、λ2和λ3分别为0.63、0.25和0.12。
[0130]
表1 vsc、fds和svg参数
[0131][0132]
2、仿真分析
[0133]
对本文算例进行全天24h的仿真，部分电压越界节点的电压曲线如图5所示，可以看出，在10:00-14:00时段系统出现电压越上限现象，19:00至次日5:00部分节点出现越下限现象，其中12点和20点时电压越限问题最为严重。为了验证本文优化算法的可行性，以12点和20点为例，分别针对以下五种场景进行仿真验证。
[0134]
场景1：对算例未采取控制手段；
[0135]
场景2：控制手段为vsc控制和光伏削减；
[0136]
场景3：控制手段为vsc控制、光伏削减和fds控制；
[0137]
场景4：控制手段为vsc控制、光伏削减、fds控制和oltc；
[0138]
场景5：在场景3基础上，改变vsc1的参数，有功功率上下限为
±
2.5mw，无功上下限为
±
1.5mvar，容量为2.5mw。
[0139]
针对上述五种场景对12:00时刻进行仿真，系统各节点电压优化情况如图6所示。如图可知，场景2-5均可将各节点电压控制在安全运行范围，电压水平得到明显改善，其中场景4的优化结果最佳。对比场景3和场景5的结果可以发现，场景5的部分直流节点(34-42)的电压比场景4的节点电压整体偏高，这是因为场景5增加了vsc1的容量，交流区域a与直流区域b之间传输的有功功率也随之增加，减少了区域b的光伏削减量，影响了区域b的电压分布。场景2-5的光伏削减总量分别为1.85mw、2.01mw、0.02mw和0.97mw，对比场景2和场景3，未加入fds之前区域a的光伏削减量为1.47mw，加入后，a区的有功削减量减少了0.44mw，这说明fds能够在交直流混合柔性配电网中实现子区域间的能量灵活转移，提高电网的利用效率和经济效益。
[0140]
针对上述五种场景对电压越下限最严重的20:00时刻进行仿真，系统各节点电压优化情况如图7所示。可以看出，在优化后，虽然场景2中系统大部分节点电压控制在安全范围内，但部分节点仍存在越限问题。这是因为这些节点距离平衡节点较远，vsc的调节作用有限。
[0141]
对case 4进行24小时仿真，可以得到oltc抽头位置，如图8所示。可以看出，oltc在10:00-14:00将档位向上调整，在20:00-24:00将档位向下调整。oltc可以调节整个a区域的电压分布。对比12:00时刻的case 3和case4的数据，可以看出，case 3为了保证系统节点的电压运行在合理范围内不得不将pv进行一定量的削减。然而，case 4中的oltc通过将分接头调至低档位降低了起始电压，进而减少了pv的有功缩减，避免了资源的浪费。同理，对比20:00时刻下的case 3和case 4，可以看出，oltc将分接头调至低档位，提高了起始电压，降低了有功功率损耗，进一步降低了运行成本。
[0142]
为了进一步证明fds对优化性能的影响，图9为case 2和case 3中节点31和节点66的电压优化情况。可以看出，节点31在优化前虽然没有发生电压越限，但fds使其节点稳定在电压优化区间[0.985,1.015]内。另外，fds明显改善了66节点的电压水平，特别是在20:00时刻节点66的电压从0.9336p.u提高到0.9964p.u。
[0143]
综上，该协调优化控制策略可以将传统和现代的多种电压控制手段结合起来，对交直流混合配电网有良好的电压控制效果，在提高电网电能质量的同时，降低电网的运行成本，提高系统的经济性和灵活性。
[0144]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0145]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或
多个方框中指定的功能。
[0146]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。