光-沼协同支撑的乡村配电网弹性运行方法与流程

本发明属于能源综合利用，具体的为一种光-沼协同支撑的乡村配电网弹性运行方法。

背景技术：

1、极端自然灾害为配电网的安全运行带来了巨大挑战。“弹性”指配电网在应对极端灾害侵扰时所具备的韧性或者恢复力。弹性运行要求配电网不仅能够对外界巨大扰动具有一定抵御能力，也要能够在灾害无法避免时做出有效应对，并能迅速恢复系统的性能。伴随着电动汽车、光伏发电等技术发展，分布式资源的合理利用对乡村配电网运行稳定性的影响日益显著。因此，深挖乡村分布式资源的特点，整合各类资源并制定有效的弹性运行方法，可以进一步提高乡村配电网针对台风等极端灾害的应对能力，强化系统运行控制和抗风险能力。

2、电力系统在故障受灾时主要会经历如附图1所示的过程，主要包括以下阶段：预防阶段(t0～t1)、受灾响应阶段(t1～t3)、恢复阶段(t3～t4)。在预防阶段可以通过加强杆塔与线路物理强度，增大设储能设备来提高对灾害的应对能力。在受灾响应阶段，充分利用一切弹性资源，最大限度减小灾害对重要负荷的冲击。在恢复阶段，采取外部抢修与内部恢复协同的方法，尽快使配电网恢复到正常运行状态。

3、对可能发生的极端灾害具备一定响应能力是配电网弹性运行的必要特征，具体可以体现在以下方面：

4、1)受灾前，系统应具备能量储备和应对方案，对灾害有感知方法，并有针对性地加强薄弱环节；

5、2)受灾时，系统应具备快速响应、调整以及抵御外部冲击的能力；

6、3)受灾后，经过内部的自我调节作用，系统能短时间孤岛运行，优先保证重要负荷正常运行，并能够尽快恢复到的预期状态。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明目的在于充分考虑乡村配电网弹性运行需求和已有分布式资源的电力供应能力，对弹性乡村配电网进行建模，计及安全运行各项约束，提出一种光-沼协同支撑的乡村配电网弹性运行方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种光-沼协同支撑的乡村配电网弹性运行方法，包括如下步骤：

4、步骤一：建立融合包括沼气发电设备、光伏发电设备和储气柜的多元分布式能源设备的乡村配电网弹性运行模型；

5、11)目标函数

6、乡村配电网具有两个优化阶段：第一阶段优化为日前调度阶段，以运行的经济成本最小为目标，借助厌氧消化所产沼气用于发电，联合光伏发电，共同供给乡村电网正常运行；第二阶段考虑故障守在后，部分支路发生故障，对可能产生的各种灾害及其破坏程度进行加权计算，划分孤岛运行，尽可能快速恢复重要负荷；由此建立乡村配电网弹性运行的目标函数：

7、

8、

9、

10、式中：f为弹性运行总成本；f1、f2分别为受灾前运行成本、灾后孤岛运行成本；f2,s为在场景s下的灾后孤岛运行成本；t1、t2分别为受灾前正常运行、灾后孤岛运行时间；s为某一受灾场景；s为受灾场景的集合；ρs为场景s发生的概率；ωn为乡村配电网节点集合；ωk为分布式电源集合；为分时电价；为设备k单位功率运维成本；为单位失负荷惩罚成本；为第k种电源单位功率应急发电成本；wi为负荷权重；为t时刻购电量；为i节点t时刻设备k功率；为t时刻i节点的有功负荷；为i节点t时刻负荷恢复比率；为t时刻第k种电源提供的支撑功率；

11、12)约束条件：

12、(1)distflow支路潮流约束：

13、

14、

15、

16、

17、式中：pij,t、qij,t分别为t时刻经过ij支路首端的有功、无功功率；pj,t、qj,t分别为注入节点j的有功和无功功率；pjn,t、qjn,t分别为t时刻经过jn支路首端的有功、无功功率；ωb为乡村配电网支路集合；iij,t为t时刻经过ij支路的电流；rij、xij分别为ij支路的电阻和电抗；ui,t、uj,t分别为t时刻i、j节点电压；pi,t和qi,t分别表示注入节点i的有功和无功功率，且：

18、

19、式中：和分别为t时刻节点i的有功和无功负荷；分别为t时刻节点i沼气发电机注入有功和无功功率；为t时刻节点i的储电装置注入有功、无功功率；分别为t时刻不可控分布式电源注入i节点的有功功率和无功功率；

20、(2)辐射状拓扑运行约束

21、χij＝μij+vij,ij∈ωb                              (9)

22、

23、

24、χij∈{0,1},μij∈{0,1},vij∈{0,1}                       (12)

25、式中：xij为表示支路开断状态的布尔变量；μij和vij为支路虚拟潮流的功率方向，μij＝1表示实际潮流方向与默认方向相同，vij＝1表示实际潮流方向与默认方向相反；ωs为可供选择的孤岛源节点集合；ωi,a为将节点i作为父节点的支路集合；ωi,c为将节点i作为子节点的支路集合；

26、(3)配电网安全约束

27、umin≤ui,t≤umax                              (13)

28、|iij,t|≤iij,max                                (14)

29、式中：umin、umax分别为节点电压幅值的下限、上限；ui,t为t时刻节点i的电压；iij,max为允许流经支路ij的电流最大幅值；

30、(4)分布式电源发电约束

31、

32、

33、

34、式中：和分别为t时刻不可控分布式电源注入i节点的有功功率和无功功率；γn为不可控分布式电源运行时的功率因数角；为i节点接入不可控分布式电源的容量；为不可控分布式电源的出力上、下限；

35、(5)生物质沼气发电约束

36、

37、

38、

39、式中：γb为沼气发电机运行时的功率因数角；为沼气发电机额定容量；为节点i沼气发电机的出力上、下限；

40、(6)沼气储气柜约束：

41、

42、式中：为t时刻节点i沼气储气柜的储气量；为储气量上下限；为储气柜最大传输量；储气柜输入、输出传输量；

43、第二阶段优化时储气柜的储气量为故障前正常运行的实时储量，故需满足以下延续性约束：

44、

45、式中：为灾前i节点最后时刻储气量；为灾后初始储气量；

46、(7)储电装置约束

47、

48、

49、

50、

51、式中：为i节点接入储能设备的容量；为充放电速率限制系数；和分别为t时刻储能设备注入i节点的有功功率和无功功率，数值为正代表充电，反之则放电；为t时刻i节点的储电装置功率损耗；为储能设备的功率损耗系数；为t时刻储能设备内部储电量；和分别为储电装置的储能上下限；δt为时间间隔；

52、步骤二：求解乡村配电网弹性运行模型。

53、进一步，初生沼气的净化处理模型为：

54、

55、式中：为t时刻成熟沼气总产量；ηp为净化提纯转换率；为储气柜t时刻的进气量；

56、储气柜模型为：

57、

58、

59、式中：为储气柜t时刻的输出量；为储气柜t时刻的输入量；为t时刻燃沼量；为t时刻沼气发电机用气量；为t时刻储气柜内沼气量；表示储气柜进气、出气时转换效率；

60、沼气热电联产模型为：

61、

62、

63、

64、式中：为发电所利用沼气量，为沼气发电功率；为沼气发电用沼气量上下限；lhv为沼气低热值；ηbg为发电机电热转换比；为余热回收功率，ηr为余热回收热效率。

65、进一步，所述步骤二中，对乡村配电网弹性运行模型进行求解的方法为：

66、21)将乡村配电网弹性运行模型转化为混合整数二阶锥规划模型；

67、211)利用二阶锥松弛对乡村配电网弹性运行模型进行凸转化；

68、212)利用big-m法将凸转化后的乡村配电网弹性运行模型转化为混合整数线性约束；

69、213)将乡村配电网弹性运行模型重构为混合整数二阶锥规划模型；

70、22)采用逐步对冲算法对混合整数二阶锥规划模型进行求解。

71、进一步，所述步骤211)中，利用二阶锥松弛对乡村配电网弹性运行模型进行凸转化的方法为：

72、定义辅助变量：

73、

74、

75、将distflow支路潮流约束中的式(4)-(7)转化为：

76、

77、

78、

79、

80、式中：pjh,t、qjh,t分别为t时刻经过jh支路首端的有功、无功功率；αj,t、αi,t分别为辅助变量；ui,t为t时刻i节点电压；

81、利用二阶锥松弛，将式(38)转化得到：

82、

83、将式(39)转化为标准二阶锥形式：

84、

85、经过凸转化后放宽约束范围，二阶锥松弛误差为：

86、

87、式中：errij,t为二阶锥松弛误差。

88、进一步，所述步骤212)中，将凸转化后的乡村配电网弹性运行模型转化为混合整数线性约束的方法为：

89、乡村配电网弹性运行模型主要有两个优化阶段，对应两种情况：

90、情况一：对于0-1布尔变量σ，将约束等价转换为：

91、-(1-σ)m≤f(x)≤(1-σ)m          (42)

92、情况二：对于0-1布尔变量σ，将约束等价转换为：

93、-(1-σ)m+boundmin≤f(x)≤(1-σ)m+boundmax        (43)

94、主动配电网运行模式的调整需要通过分段开关和联络开关状态χij的改变来实现，将式(6)转化得到：

95、

96、

97、0≤βij,t≤mχij            (46)

98、

99、

100、式中：m为一足够大的正数；

101、若χij＝0时，即支路ij断开时，推导出：

102、若xij＝1时，即支路ij未断开时，式(44)～(48)等价于式(6)。

103、进一步，所述步骤213)中，混合整数二阶锥规划模型为：

104、min f＝f1+f2

105、

106、式中：f为弹性运行总成本；f1、f2分别为受灾前运行成本、灾后孤岛运行成本。

107、进一步，所述步骤22)中，将式的目标函数及约束式(49)改写为以下形式：

108、

109、s.t.msys,1+nsys,2≤ds,s∈s                        (51)

110、

111、式中：ys,1、ys,2分别为正常运行、受灾后孤岛运行阶段的相关变量；ms、ns、ds为系数向量；ms、ns为系数矩阵；

112、采用逐步对冲算法将式(50)-(52)重构为：

113、

114、s.t.msys,1+nsys,2≤ds,s∈s                        (54)

115、

116、式中：为逐步对冲时第δ次迭代中关于式(49)的拉格朗日乘子向量；η为的惩罚系数；||·||2为二范数；为第δ次迭代中关于各场景s下的加权平均值。

117、进一步，采用逐步对冲算法对混合整数二阶锥规划模型进行求解的方法步骤为：

118、221)为惩罚系数和收敛判据系数赋值，初始化迭代次数和拉格朗日向量，即且

119、222)对所有的受灾场景进行求解，待求解问题表达如下：

120、

121、s.t.msys,1+nsys,2≤ds                          (57)

122、求解模型式(56)-(57)，获得当前ys,1最优解，并记为

123、223)基于式(55)求解

124、224)基于下式(58)求解

125、

126、225)判断是否成立：若是，则结束迭代；若否，则循环执行步骤222)，δ＝δ+1。

127、本发明的有益效果在于：

128、本发明充分考虑乡村配电网弹性运行需求和已有分布式资源的电力供应能力，对弹性乡村配电网进行建模，计及安全运行各项约束，提出光-沼协同支撑的乡村配电网弹性运行方法。其中，第一阶段进行日前调度，以乡村配电网经济运行为主要目标，对乡村配电网进行决策；第二阶段在对可能的灾害故障场景进行生成基础上，对各场景造成的损失进行加权计算，完成乡村配电网灾后重构，使其具备短时孤岛运行能力。本发明光-沼协同支撑的乡村配电网弹性运行方法能够充分提升乡村配电网弹性运行能力。