CN109301940A - 一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化*** - Google Patents

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江和和
季晨宇
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Abstract

本发明提供了一种可再生能源接入的源‑网‑荷协同优化***，包括设备层、分布控制层和集中决策层，可再生能源分布式电源、电网设备、分布式储能、柔性负荷设备状态数据和运行数据通过分布控制层从下而上送到主站层，经过主站的集中决策，将控制命令经过分布控制层的监控***从上而下到达设备层，完成可再生能源分布式电源功率预测、柔性负荷预测、可调度容量分析以及协调控制策略优化。

Description

一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***
技术领域
本发明属于电力***电源调度领域，特别涉及一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***。
背景技术
随着全球能源危机问题的日渐突出，以及电力行业科学发展的需求，建立安全、高效、绿色、坚强的智能电网已成为新时期全球电力行业发展的主旋律。作为智能电网的关键之一，大力开发利用分布式电源(DERs，Distributed Energy Resources)，包括光伏发电***、风力发电***、储能***、微型燃气轮机等，已成为我国能源可持续发展战略关注的焦点。分布式电源的高密度接入主要有两种形式，一是各种形式分布式电源集群接入配电网，可以作为“虚拟电源群”为现有供电电源提供有益而重要的补充。此外，也可以通过微电网这种由分布式电源、储能装置、负荷、监控和保护装置共同组成的自治型发用电***接入配电网，提高能源综合利用效率，协调电网和分布式电源间的矛盾；当多个微电网在中压或低压配网中地理位置接近，可互联形成微网群，既具有完备的微电网特征和功能又具有接受和执行群级调度和协调控制命令共同完成群体共同运行目标的功能。
在高密度、高渗透率微网群/虚拟电源群接入背景下，储能装置、电动汽车、柔性负荷的互动协调控制等众多新的需求将给传统被动无源的配电***带来巨大变化，使之向主动有源的配电***过渡。主动配电网(ADNs，Active distribution networks)是智能电网领域的研究重点，与传统配电网相比，具有较为完善的可观可控水平以及主动自愈调控的物理条件，实现接入的大量分布式能源全频段消纳和优化，以保证电网安全、经济、高效运行。从“被动无源”到“主动有源”这一过渡过程对配电网在规划设计、运行调度、控制保护、仿真分析等诸多方面提出新的要求。发展快速有效的仿真技术和仿真平台对主动配电网的各种稳态、暂态行为特征进行分析，进而为配电网规划设计、优化调度、控制策略验证、自动故障定位与隔离、网络自愈、保护设备整定、实际物理设备试验等提供基本的技术手段与技术平台，成为迫切而意义重大的研究课题。
发明内容
本发明具体为一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***，所述可再生能源接入的源-网-荷协同优化***包括设备层、分布控制层和集中决策层；
所述设备层包括柱上开关、环网柜、配电变压器、连接到柱上开关的馈线终端设备FTU、连接到环网柜的开闭所终端设备DTU以及连接到配电变压器的配变终端设备TTU，所述设备层还包括多个微网子***、换流阀、电源设备、储能设备以及电动汽车，每个微网子***、换流阀、电源设备、储能设备以及电动汽车均连接到一个终端设备；
所述分布控制层包括多个微网监控***、换流站/合环装置监控***、可控资源监控***以及多个安全隔离装置，每个微网监控***通过终端设备与相应的微网子***连接并对相应的微网子***进行监测和控制，所述换流站/合环装置监控***通过终端设备与所述换流阀连接并对所述换流阀进行监测和控制，所述可控资源监控***通过终端设备与电源设备、储能设备以及电动汽车相连接并对相应的电源设备、储能设备以及电动汽车进行监测和控制，每个微网监控***、换流站/合环装置监控***、可控资源监控***均连接到一个安全隔离装置；
所述集中决策层包括信息交互总线及主动配电网开放互动协调控制***，所述信息交互总线连接到多个安全隔离装置，所述主动配电网开放互动协调控制***包括配电自动化***及功能扩展模块，所述配电自动化***连接到馈线终端设备FTU、开闭所终端设备DTU以及配变终端设备TTU并通过馈线终端设备FTU、开闭所终端设备DTU以及配变终端设备TTU对相应的柱上开关、环网柜以及配电变压器进行监测和控制，所述功能扩展模块与所述信息交互总线相连接；
分布式电源、电网设备、分布式储能、柔性负荷设备状态数据和运行数据通过分布控制层从下而上送到主站层，经过主站的集中决策，将控制命令经过分布控制层的监控***从上而下到达设备层，完成分布式电源功率预测、柔性负荷预测、可调度容量分析以及协调控制策略优化；
所述微网子***包括利用可再生能源进行发电的微网子***。
进一步的，所述配电自动化***包括分层分区并网关键影响因素分析模块、多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块、基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块以及可再生能源消纳能力衡量模块，所述分层分区并网关键影响因素分析模块、所述多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块、所述基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块以及所述可再生能源消纳能力衡量模块依次顺序连接；
所述分层分区并网关键影响因素分析模块对分层分区并网的电源特性影响因素、电网特性影响因素以及负荷特性影响因素进行分析，所述电源特性影响因素包括传统机组爬坡速率、可再生能源的同步性与互补性，所述电网特性影响因素包括***备用水平、***响应速度、***调峰能力、电网网架约束以及***外送容量规模，所述负荷特性影响因素包括当地电力需求水平、负荷水平，所述分层分区并网关键影响因素分析模块还通过数据挖掘技术对各个影响因素之间的相关性进行分析；
所述多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块根据历史数据得到随机分布模型的参数，从而建立单个可再生能源机组的出力特性方程；将接入电力***内的多个可再生能源按照不同电压等级及不同地理分布进行分层分区，分析不同电压等级、不同地理区域之间的可再生能源机组的出力的相关性，分析同一电压等级、同一地理区域内的可再生能源机组由于集群效应对其出力的影响，分析不同的时间尺度上各个可再生能源机组出力的相关特性，最终建立多时空分布的可再生能源机组出力特性表征方程；
所述基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块在源网荷互动体系控制策略下，通过分析可再生能源出力与负荷的相关性和区域常规电源在不同时域的调峰能力，优化考虑电网安全约束的不同电源开机组合，建立基于可再生能源就地消纳和外送电网建设综合考虑后的经济性为约束的模型函数，确定各个间歇性可再生能源的出力、消纳电量和外送电量，从而使得电网***能够获得在就地消纳和外送相协调运行模式下的最优综合效益；电网安全约束包括节点功率平衡方程约束、***潮流方程约束、线路传输功率约束、传统机组出力约束、传统机组爬坡率约束、间歇性可再生能源出力约束、***备用水平约束；
所述可再生能源消纳能力衡量模块根据可再生能源的实时出力、实际负荷、同区域及与其互联的区域内的***备用水平和调峰容量，确定可再生能源的弃电量、投资运行费用和***风险度多个指标来衡量可再生能源的消纳能力，从而建立可再生能源消纳能力衡量指标体系。
进一步的，所述微网子***的优化模型为：
f1＝CMT(t)+CFC(t)+CDG(t)，
f4＝CPMT(t)+CPFC(t)+CPDG(t)，
式中，f1为机组燃料成本，f2为微电网与大电网交互成本，f3为机组维护成本，f4为各分布式电源排放惩罚成本，f5为中断补偿成本，f6为热量收益，CMT(t)、CDG(t)分别为t时段MT、柴油机燃料成本，Cmi为i机组的单位维护成本，Pi(t)为t时段i机组功率，CPMT(t)、CPFC(t)、CPDG(t)分别为t时段MT、FC、柴油机污染物排放成本，CP(t)为单位可中断负荷价格，Che、Qhe(t)分别为单位热量价格、t时段产生的热量。
进一步的，电网中有功功率平衡约束为其中，PG，k、PW，r、PB，m、PD，1分别为传统发电机k、可再生能源r、储能m、负荷1的有功功率，假设向电网注入功率为正，向电网吸收功率为负；NG、NW、NB、ND分别为传统机组、可再生能源、储能、负荷的索引。
进一步的，考虑损耗时，电网有功功率平衡约束为
进一步的，储能***放电功率的上下限约束为：储能***充电功率的上下限约束为：储能***荷电状态约束为：储能***相邻时刻容量约束为：储能***功率爬坡率约束为：其中，分别为t时刻，节点m处储能设备的放电功率、充电功率；分别为储能***放电功率的下限、上限；et为二进制变量，用以表示t时刻储能设备的充放电状态，et＝1表示t时刻储能设备处于放电状态，et＝0表示t时刻储能设备处于充电状态；分别为储能***充电功率的下限、上限；为t时刻，节点m处储能设备的荷电状态；分别为储能***荷电状态下限、上限；为t时刻，节点m处储能设备的储存电量；分别为储能***放电效率和充电效率；βk为储能***的自放电率；为零时刻储能***储存的电量；为开始充放电前设置的储能***初始储存电量；为爬坡率下限；为爬坡率上限；分别为储能***运行初始时刻的放电功率和充电功率。
本发明可再生能源接入的源-网-荷协同优化***可对可再生能源分布式电源、电网设备、分布式储能、柔性负荷设备等装置进行分布式电源功率预测、柔性负荷预测、可调度容量分析以及协调控制策略优化，防止设备故障和在线调试影响***安全性，降低运行风险，提高分布式电源的综合效益。
附图说明
图1为本发明一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***的结构示意图；
图2为本发明主动配电网四端口柔性直流接口装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明可再生能源接入的源-网-荷协同优化***的具体实施方式做详细阐述。
如图1所示，本发明的可再生能源接入的源-网-荷协同优化***包括设备层、分布控制层和集中决策层；
所述设备层包括柱上开关、环网柜、配电变压器、连接到柱上开关的馈线终端设备FTU、连接到环网柜的开闭所终端设备DTU以及连接到配电变压器的配变终端设备TTU，所述设备层还包括多个微网子***、换流阀、电源设备、储能设备以及电动汽车，每个微网子***、换流阀、电源设备、储能设备以及电动汽车均连接到一个终端设备；
所述分布控制层包括多个微网监控***、换流站/合环装置监控***、可控资源监控***以及多个安全隔离装置，每个微网监控***通过终端设备与相应的微网子***连接并对相应的微网子***进行监测和控制，所述换流站/合环装置监控***通过终端设备与所述换流阀连接并对所述换流阀进行监测和控制，所述可控资源监控***通过终端设备与电源设备、储能设备以及电动汽车相连接并对相应的电源设备、储能设备以及电动汽车进行监测和控制，每个微网监控***、换流站/合环装置监控***、可控资源监控***均连接到一个安全隔离装置；
所述集中决策层包括信息交互总线及主动配电网开放互动协调控制***，所述信息交互总线连接到多个安全隔离装置，所述主动配电网开放互动协调控制***包括配电自动化***及功能扩展模块，所述配电自动化***连接到馈线终端设备FTU、开闭所终端设备DTU以及配变终端设备TTU并通过馈线终端设备FTU、开闭所终端设备DTU以及配变终端设备TTU对相应的柱上开关、环网柜以及配电变压器进行监测和控制，所述功能扩展模块与所述信息交互总线相连接；
分布式电源、电网设备、分布式储能、柔性负荷设备状态数据和运行数据通过分布控制层从下而上送到主站层，经过主站的集中决策，将控制命令经过分布控制层的监控***从上而下到达设备层，完成分布式电源功率预测、柔性负荷预测、可调度容量分析以及协调控制策略优化；
所述微网子***包括利用可再生能源进行发电的微网子***。
进一步的，所述配电自动化***包括分层分区并网关键影响因素分析模块、多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块、基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块以及可再生能源消纳能力衡量模块，所述分层分区并网关键影响因素分析模块、所述多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块、所述基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块以及所述可再生能源消纳能力衡量模块依次顺序连接；
所述分层分区并网关键影响因素分析模块对分层分区并网的电源特性影响因素、电网特性影响因素以及负荷特性影响因素进行分析，所述电源特性影响因素包括传统机组爬坡速率、可再生能源的同步性与互补性，所述电网特性影响因素包括***备用水平、***响应速度、***调峰能力、电网网架约束以及***外送容量规模，所述负荷特性影响因素包括当地电力需求水平、负荷水平，所述分层分区并网关键影响因素分析模块还通过数据挖掘技术对各个影响因素之间的相关性进行分析；
所述多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块根据历史数据得到随机分布模型的参数，从而建立单个可再生能源机组的出力特性方程；将接入电力***内的多个可再生能源按照不同电压等级及不同地理分布进行分层分区，分析不同电压等级、不同地理区域之间的可再生能源机组的出力的相关性，分析同一电压等级、同一地理区域内的可再生能源机组由于集群效应对其出力的影响，分析不同的时间尺度上各个可再生能源机组出力的相关特性，最终建立多时空分布的可再生能源机组出力特性表征方程；
所述基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块在源网荷互动体系控制策略下，通过分析可再生能源出力与负荷的相关性和区域常规电源在不同时域的调峰能力，优化考虑电网安全约束的不同电源开机组合，建立基于可再生能源就地消纳和外送电网建设综合考虑后的经济性为约束的模型函数，确定各个间歇性可再生能源的出力、消纳电量和外送电量，从而使得电网***能够获得在就地消纳和外送相协调运行模式下的最优综合效益；电网安全约束包括节点功率平衡方程约束、***潮流方程约束、线路传输功率约束、传统机组出力约束、传统机组爬坡率约束、间歇性可再生能源出力约束、***备用水平约束；
所述可再生能源消纳能力衡量模块根据可再生能源的实时出力、实际负荷、同区域及与其互联的区域内的***备用水平和调峰容量，确定可再生能源的弃电量、投资运行费用和***风险度多个指标来衡量可再生能源的消纳能力，从而建立可再生能源消纳能力衡量指标体系。
如图2所示，所述主动配电网包括多个四端口柔性直流接口装置，通过所述四端口柔性直流接口装置对四条20kV线路进行合环，每回20kV线路通过交流断路器连接到柔性直流换流器，柔性直流换流器的直流侧通过直流负荷开关连接到直流母线。
所述微网子***的优化模型为：
f1＝CMT(t)+CFC(t)+CDG(t)，
f4＝CPMT(t)+CPFC(t)+CPDG(t)，
式中，f1为机组燃料成本，f2为微电网与大电网交互成本，f3为机组维护成本，f4为各分布式电源排放惩罚成本，f5为中断补偿成本，f6为热量收益，CMT(t)、CDG(t)分别为t时段MT、柴油机燃料成本，Cmi为i机组的单位维护成本，Pi(t)为t时段i机组功率，CPMT(t)、CPFC(t)、CPDG(t)分别为t时段MT、FC、柴油机污染物排放成本，CP(t)为单位可中断负荷价格，Che、Qhe(t)分别为单位热量价格、t时段产生的热量。
进一步的，电网中有功功率平衡约束为其中，PG，k、PW，r、PB，m、PD，1分别为传统发电机k、可再生能源r、储能m、负荷1的有功功率，假设向电网注入功率为正，向电网吸收功率为负；NG、NW、NB、ND分别为传统机组、可再生能源、储能、负荷的索引。
进一步的，考虑损耗时，电网有功功率平衡约束为
进一步的，储能***放电功率的上下限约束为：储能***充电功率的上下限约束为：储能***荷电状态约束为：储能***相邻时刻容量约束为：储能***功率爬坡率约束为：其中，分别为t时刻，节点m处储能设备的放电功率、充电功率；分别为储能***放电功率的下限、上限；et为二进制变量，用以表示t时刻储能设备的充放电状态，et＝1表示t时刻储能设备处于放电状态，et＝0表示t时刻储能设备处于充电状态；分别为储能***充电功率的下限、上限；为t时刻，节点m处储能设备的荷电状态；分别为储能***荷电状态下限、上限；为t时刻，节点m处储能设备的储存电量；分别为储能***放电效率和充电效率；βk为储能***的自放电率；为零时刻储能***储存的电量；为开始充放电前设置的储能***初始储存电量；为爬坡率下限；为爬坡率上限；分别为储能***运行初始时刻的放电功率和充电功率。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (6)

1.一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***，其特征在于，所述可再生能源接入的源-网-荷协同优化***包括设备层、分布控制层和集中决策层；
所述设备层包括柱上开关、环网柜、配电变压器、连接到柱上开关的馈线终端设备FTU、连接到环网柜的开闭所终端设备DTU以及连接到配电变压器的配变终端设备TTU，所述设备层还包括多个微网子***、换流阀、电源设备、储能设备以及电动汽车，每个微网子***、换流阀、电源设备、储能设备以及电动汽车均连接到一个终端设备；
所述分布控制层包括多个微网监控***、换流站/合环装置监控***、可控资源监控***以及多个安全隔离装置，每个微网监控***通过终端设备与相应的微网子***连接并对相应的微网子***进行监测和控制，所述换流站/合环装置监控***通过终端设备与所述换流阀连接并对所述换流阀进行监测和控制，所述可控资源监控***通过终端设备与电源设备、储能设备以及电动汽车相连接并对相应的电源设备、储能设备以及电动汽车进行监测和控制，每个微网监控***、换流站/合环装置监控***、可控资源监控***均连接到一个安全隔离装置；
所述集中决策层包括信息交互总线及主动配电网开放互动协调控制***，所述信息交互总线连接到多个安全隔离装置，所述主动配电网开放互动协调控制***包括配电自动化***及功能扩展模块，所述配电自动化***连接到馈线终端设备FTU、开闭所终端设备DTU以及配变终端设备TTU并通过馈线终端设备FTU、开闭所终端设备DTU以及配变终端设备TTU对相应的柱上开关、环网柜以及配电变压器进行监测和控制，所述功能扩展模块与所述信息交互总线相连接；
分布式电源、电网设备、分布式储能、柔性负荷设备状态数据和运行数据通过分布控制层从下而上送到主站层，经过主站的集中决策，将控制命令经过分布控制层的监控***从上而下到达设备层，完成分布式电源功率预测、柔性负荷预测、可调度容量分析以及协调控制策略优化；
所述微网子***包括利用可再生能源进行发电的微网子***。
2.根据权利要求1所述的一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***，其特征在于，所述配电自动化***包括分层分区并网关键影响因素分析模块、多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块、基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块以及可再生能源消纳能力衡量模块，所述分层分区并网关键影响因素分析模块、所述多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块、所述基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块以及所述可再生能源消纳能力衡量模块依次顺序连接；
所述分层分区并网关键影响因素分析模块对分层分区并网的电源特性影响因素、电网特性影响因素以及负荷特性影响因素进行分析，所述电源特性影响因素包括传统机组爬坡速率、可再生能源的同步性与互补性，所述电网特性影响因素包括***备用水平、***响应速度、***调峰能力、电网网架约束以及***外送容量规模，所述负荷特性影响因素包括当地电力需求水平、负荷水平，所述分层分区并网关键影响因素分析模块还通过数据挖掘技术对各个影响因素之间的相关性进行分析；
所述多时空分布的可再生能源机组出力特性表征模块根据历史数据得到随机分布模型的参数，从而建立单个可再生能源机组的出力特性方程；将接入电力***内的多个可再生能源按照不同电压等级及不同地理分布进行分层分区，分析不同电压等级、不同地理区域之间的可再生能源机组的出力的相关性，分析同一电压等级、同一地理区域内的可再生能源机组由于集群效应对其出力的影响，分析不同的时间尺度上各个可再生能源机组出力的相关特性，最终建立多时空分布的可再生能源机组出力特性表征方程；
所述基于多时空尺度的地区电力生产模拟计算模块在源网荷互动体系控制策略下，通过分析可再生能源出力与负荷的相关性和区域常规电源在不同时域的调峰能力，优化考虑电网安全约束的不同电源开机组合，建立基于可再生能源就地消纳和外送电网建设综合考虑后的经济性为约束的模型函数，确定各个间歇性可再生能源的出力、消纳电量和外送电量，从而使得电网***能够获得在就地消纳和外送相协调运行模式下的最优综合效益；电网安全约束包括节点功率平衡方程约束、***潮流方程约束、线路传输功率约束、传统机组出力约束、传统机组爬坡率约束、间歇性可再生能源出力约束、***备用水平约束；
所述可再生能源消纳能力衡量模块根据可再生能源的实时出力、实际负荷、同区域及与其互联的区域内的***备用水平和调峰容量，确定可再生能源的弃电量、投资运行费用和***风险度多个指标来衡量可再生能源的消纳能力，从而建立可再生能源消纳能力衡量指标体系。
3.根据权利要求2所述的一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***，其特征在于，所述微网子***的优化模型为：
f1＝CMT(t)+CFC(t)+CDG(t)，
f4＝CPMT(t)+CPFC(t)+CPDG(t)，
式中，f1为机组燃料成本，f2为微电网与大电网交互成本，f3为机组维护成本，f4为各分布式电源排放惩罚成本，f5为中断补偿成本，f6为热量收益，CMT(t)、CDG(t)分别为t时段MT、柴油机燃料成本，Cmi为i机组的单位维护成本，Pi(t)为t时段i机组功率，CPMT(t)、CPFC(t)、CPDG(t)分别为t时段MT、FC、柴油机污染物排放成本，CP(t)为单位可中断负荷价格，Che、Qhe(t)分别为单位热量价格、t时段产生的热量。
4.根据权利要求3所述的一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***，其特征在于，电网中有功功率平衡约束为其中，PG,k、PW,r、PB,m、PD,l分别为传统发电机k、可再生能源r、储能m、负荷l的有功功率，假设向电网注入功率为正，向电网吸收功率为负；NG、NW、NB、ND分别为传统机组、可再生能源、储能、负荷的索引。
5.根据权利要求4所述的一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***，其特征在于，考虑损耗时，电网有功功率平衡约束为
6.根据权利要求5所述的一种可再生能源接入的源-网-荷协同优化***，其特征在于，储能***放电功率的上下限约束为：储能***充电功率的上下限约束为：储能***荷电状态约束为：储能***相邻时刻容量约束为：储能***功率爬坡率约束为：其中，分别为t时刻，节点m处储能设备的放电功率、充电功率；分别为储能***放电功率的下限、上限；et为二进制变量，用以表示t时刻储能设备的充放电状态，et＝1表示t时刻储能设备处于放电状态，et＝0表示t时刻储能设备处于充电状态；分别为储能***充电功率的下限、上限；为t时刻，节点m处储能设备的荷电状态；分别为储能***荷电状态下限、上限；为t时刻，节点m处储能设备的储存电量；分别为储能***放电效率和充电效率；βk为储能***的自放电率；为零时刻储能***储存的电量；为开始充放电前设置的储能***初始储存电量；为爬坡率下限；为爬坡率上限；分别为储能***运行初始时刻的放电功率和充电功率。
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