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专利名称：考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411132571.0

专利申请（专利权）人：国网山西省电力公司临汾供电公司
权利人地址：山西省临汾市向阳西路北侧

专利发明（设计）人：闫福录,魏丽峰,杨俊,乔科华

专利摘要：本发明涉及多产消者响应下的主动配电网电压协调优化控制方法，具体为考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法。本发明主动配电网电压协调优化方法首先考虑主从博弈的含多产消者的主动配电网电量交易模型，通过主动配电网运营商优化电价及与各产消者购、售电计划的耦合决策实现了不同利益主体的双赢，其次基于二阶锥松弛的主动配电网电压控制模型可以在较低成本下改善配电网电压质量，降低系统网损，以保证主动配电网运营商与产消者电量交易的正常进行，最后采用Cplex和Gurobi商业求解器分别求解电量交易模型和电压控制模型，以保证主动配电网和产消者运行的经济性与安全性。

主权利要求：
1.考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，其特征在于，先提供了一种考虑主从博弈的含多产消者主动配电网电量交易模型，ADSO目标函数为：式中F表示ADSO总运行成本，
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ft 表示t时刻ADSO从上级电网购电成本，ft 表示t时刻ADSO从产消者购电成本，IDR sell LOSSft 表示t时刻产消者响应补贴成本，ft 表示t时刻ADSO售电收入，ft 为网损成本，Vsatift 为用户电压质量成本，模型以运行成本最小为目标进行优化调度，得到t时刻ADSO向产消者i的购售电价 及购售电量 t时刻产消者i的响应后电负荷 和光伏实际出力 本模型遵循电价约束、购售电量约束、功率平衡约束、产消者响应约束、电功率平衡约束、系统潮流约束、电压约束、支路电流约束、OLTC设备约束、无功补偿装置约束、分布式电源约束、外电网约束、主从博弈求解时产消者KKT等效模型的约束集合；
式中：
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Pt 分别为t时刻ADSO与上级电网的购电电价、购电量； 分别为t时刻ADSO向产消者i的购电量、售电量； 分别为t时刻ADSO向产消者i的购电价格、售电价格； 为t时刻产消者i响应补贴，N为产消者接入主动配电网的数量；Rk为主动配电网中第k条线路的电阻，T为时间节点数，Nl为主动配电网总支路条数；Ik,t为第k条线路t时刻的电流，Pt,Loss为t时刻主动配网总网损； 为主动配电网中节点i上并网的负荷大。珺为配电网总节点数；Vi,t为t时刻节点i电压大。苯诘鉯为产消者并网节点时，和 为购电量系数和售电量系数； 为用户电压质量评估值，a为电压质量成本系数；
主从博弈求解时各产消者以自身收益最大化为目标，产消者目标函数为：式中，Ci为产消者i的收益， 为t时刻产消者i售电成本， 为t时刻产消者i购电成本；
产消者目标函数中 式中： 分别为产消者i可削减电负荷补贴系数、可转移电负荷补贴系数； 为舒适度损失效用函数， 分别为t时刻产消者i可削减电负荷、可转移电负荷；
产消者响应补贴中 式中：ωe、 分别为舒适度损失系数； 为t时刻产消者i的响应后电负荷； 式中： 为t时刻产消者i的预测电负荷；
遵循的电价约束为：
式中： 为t时刻ADSO向产消者i的购电价格下限和上限； 为t时刻购电价格平均值； 为t时刻ADSO向产消者i售电价格的下限和上限；
为t时刻售电价格平均值；
遵循的购售电量约束为： 式中： 分别为t时刻ADSO向产消者i购电量的上限、售电量的上限；为避免同时购售电，设置购电量系数 和售电量系数为0?1变量；
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遵循的功率平衡约束为： 式中：Pt 为配电网非产消者并网节点的总负荷；
遵循的产消者响应约束为： 式中： 为t时刻产消者i的可削减电负荷的上限； 分别为t时刻产消者i的可转移电负荷的上限、下限；
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遵循的产消者电功率平衡约束为： 式中，Φ (αe)为标准正态分布反函数，αe表示置信概率水平， 为方差， 为t时刻产消者i的光伏实际出力值。 说明书 : 考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法技术领域[0001] 本发明涉及配电网电压优化控制方法，具体为考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法。背景技术[0002] 以光伏为主的分布式新能源(distributedgeneration，DG)大量接入主动配电网(activedistributionnetwork，ADN)，传统的负荷侧消费者逐渐成为集能源生产消费于一体的产消者(productionandconsumptionusers,PCU)，这些PCU有能力基于上网电价与主动配电网运营商（activedistributionsystemoperator,ADSO）进行电量交易，以维持电量供需的动态平衡。然而，高渗透率DG接入的PCU改变了配电网的结构和潮流分布，其出力较高时会使配电网电压升高，且DG出力的波动性与随机性会导致配电网沿线电压波动增加。因此为保证ADN与多个PCU电量交易时的电压稳定性，有必要研究多产消者响应下的ADN电压协调优化控制策略。[0003] 含多个PCU的ADN电量交易问题，是复杂多利益主体调度策略问题，ADSO对PCU售购电价制定具有主动权，各PCU根据价格进行响应，两者存在先后性和领导性，为典型的主从博弈问题。ADSO在博弈过程中可考虑通过定价策略实现对分布式电源有功功率的出力调控。ADSO与各PCU进行电能交易后，多个产消者并网后可能会导致电压质量出现问题。而ADSO有责任对配电网的电压质量问题进行优化控制，以保证系统的安全稳定运行。目前主动配电网电压控制的主要手段有调压设备、无功调节设备、有功调节设备等。其中调压设备包括带分接头的有载调压变压器(on?loadtapchanger，OLTC)、配网静止无功补偿设备等。无功调节设备包括用户侧静止无功发生器（staticvargenerator，SVG）以及并联电容器组（capacitorbank，CB）等。然而目前低压配电网中无功可调资源较少，设备的可调容量和动作性能通常也受限，同时由于配网线路阻抗比较高，有功?相角和无功?电压的解耦关系不再存在，即有功和无功均能对电压造成一定的影响。因此ADSO需在满足负荷需求的条件下，主动地对并网DG、OLTC、无功调节设备等进行优化与控制，从而达到对系统供电电压的灵活控制。发明内容[0004] 本发明为了解决市场出清过程中多产消者并网产生的电压质量问题，提出了考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，基于产消者与主动配电网运营商的主从博弈，以ADSO运行成本最低、PCU收益最大为目标进行电量交易，确保电量交易时的系统的电压质量满足要求。[0005] 本发明是采用如下的技术方案实现的：考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，提供了一种考虑主从博弈的含多产消者主动配电网电量交易模型，ADSO目标函数为： ，式中F表示ADSO总运行成本， 表示t时刻ADSO从上级电网购电成本， 表示t时刻ADSO从产消者购电成本， 表示t时刻产消者响应补贴成本， 表示t时刻ADSO售电收入， 为网损成本， 为用户电压质量成本，模型以运行成本最小为目标进行优化调度，得到t时刻ADSO向产消者i的购电价格、售电价格 及购电量 、售电量 ，时刻产消者 的响应后电负荷 和光伏实际出力值 ，本模型遵循电价约束、购售电量约束、功率平衡约束、产消者响应约束、电功率平衡约束、系统潮流约束、电压约束、支路电流约束、OLTC设备约束、无功补偿装置约束、分布式电源约束、外电网约束、主从博弈求解时产消者KKT等效模型的约束集合。[0006] 上述的考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法， ，， ， ， ，，式中： 、 分别为t时刻ADSO与上级电网的购电电价、购电量； 、 分别为t时刻ADSO向产消者i的购电量、售电量； 、分别为t时刻ADSO向产消者i的购电价格、售电价格； 为t时刻产消者i响应补贴，为产消者接入主动配电网的数量；Rk为主动配电网中第k条线路的电阻，T为时间节点数，Nl为主动配电网总支路条数； 为第k条线路t时刻的电流， 为t时刻配网总网损；为主动配电网中节点i上并网的负荷大。珺为配电网总节点数； 为t时刻节点i电压大。苯诘鉯为产消者并网节点时， ， 和 为购电量系数和售电量系数； 为用户电压质量评估值，为电压质量成本系数。[0007] 上述的考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，主从博弈求解时各产消者以自身收益最大化为目标，产消者目标函数为： ，式中， 为产消者i的收益， 为t时刻产消者i售电成本， 为t时刻产消者i购电成本。[0008] 上述的考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，产消者目标函数中，式中： 、 分别为产消者i可削减电负荷补贴系数、可转移电负荷补贴系数； 为舒适度损失效用函数， 、 分别为 时刻产消者i可削减电负荷、可转移电负荷； ， 。[0009] 上述的考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，产消者响应补贴中，式中： 、 分别为舒适度损失系数； 为 时刻产消者 的响应后电负荷。[0010] 上述的考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，，式中： 为 时刻产消者i的预测电负荷。[0011] 上述的考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，遵循的电价约束为： ， ， ， ，式中： 、分别为t时刻ADSO向产消者i的购电价格下限和上限； 为t时刻购电价格平均值;、 分别为t时刻ADSO向产消者i售电价格的下限和上限； 为t时刻ADSO向产消者i售电价格平均值；[0012] 遵循的购售电量约束为： ，式中： 、 分别为t时刻ADSO向产消者i购电量的上限、售电量的上限；为避免同时购售电，设置购电量系数 和售电量系数 为0?1变量；[0013] 遵循的功率平衡约束为： ，式中： 为配电网非产消者并网节点的总负荷；[0014] 遵循的产消者响应约束为： ，式中： 为 时刻产消者的可削减电负荷的上限； 、 分别为 时刻产消者 的可转移电负荷的上限、下限；[0015] 遵循的产消者电功率平衡约束为： ，式中，为标准正态分布反函数， 表示置信概率水平， 为方差， 为 时刻产消者的光伏实际出力值。[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0017] 本发明提供了提出一种考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法模型，首先考虑主从博弈的含多产消者的主动配电网电量交易模型，通过主动配电网运营商优化电价及与各产消者购、售电计划的耦合决策实现了不同利益主体的双赢，其次基于二阶锥松弛的主动配电网电压控制模型可以在较低成本下改善配电网电压质量，降低系统网损，以保证主动配电网运营商与产消者电量交易的正常进行，最后采用Cplex和Gurobi商业求解器分别求解电量交易模型和电压控制模型，以保证主动配电网和产消者运行的经济性与安全性。附图说明[0018] 图1为本发明实施例中所述的系统基本框架图。[0019] 图2为本发明实施例中所述的电压偏移的电压质量评估函数示意图。[0020] 图3为本发明实施例中所述的模型求解框架图。[0021] 图4为ADN功率优化结果示意图（负值表示负荷）。[0022] 图5为各PCU买卖电价示意图（负值表示PCU售电电价）。具体实施方式[0023] 考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，包括以下两方面：[0024] 第一方面，本发明提供了一种考虑主从博弈的含多产消者配电网电量交易模型：[0025] 1.1产消者响应模型[0026] 1）产消者需求响应功率[0027][0028][0029][0030] 式中： 为 时刻产消者 的响应后电负荷，为正表示以负荷形式购电，为负表示以电源形式售电； 为 时刻产消者i预测电负荷； 、 分别为 时刻产消者i可削减电负荷、可转移电负荷； 、 分别为 时刻产消者i可削减电负荷比例系数、可转移电负荷比例系数。[0031] 2）舒适度损失效用函数：通常采用二次函数的形式描述舒适度损失效用函数[0032][0033] 式中： 为 时刻产消者i的舒适度损失效用函数； 、 分别为舒适度损失系数；且 、 数值越大，产消者用能舒适度更好。[0034] 3）产消者响应补贴：由舒适度损失效用函数和响应补贴两部分构成：[0035][0036] 式中： 、 分别为产消者i可削减电负荷补贴系数、可转移电负荷补贴系数。[0037] 1.2主从博弈领导者ADSO[0038] 1）目标函数[0039] ADSO以主动配电网运行成本最小为目标进行优化调度，即t时刻ADSO从上级电网购电成本 、t时刻ADSO从产消者购电成本 、t时刻产消者响应补贴成本 、网损成本 、用户电压质量成本 和t时刻ADSO售电收入 之差最小。[0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047] 式中： 、 分别表示ADSO与上级电网的购电电价、购电量； 、 分别为t时刻ADSO向产消者i的购电量、售电量； 、 分别为t时刻ADSO向产消者i的购电价格、售电价格； 为产消者接入主动配电网的数量，T为时间节点数；Rk为第k条线路的电阻，Nl为主动配电网总支路条数， 为第k条线路t时刻的电流， 为t时刻主动配网总网损；用户电压质量成本 为电压偏差导致的用户损失成本，B为配电网总节点数； 为t时刻节点i电压大。坏苯诘鉯为普通负荷并网节点时， 为节点i上并网的负荷大。苯诘鉯为产消者并网节点时， ， 和 为0?1变量； 为用户电压质量评估值，电压偏移越。拦乐翟礁，当电压偏移小于可接受电压偏移范围(2%)的时候评估值为1，当电压偏移超过10%时评估值小于0，为电压质量成本系数，各节点电压、各支路电流基于二阶锥潮流约束计算。[0048] 2)电价约束[0049] 为保护博弈从而体现公平性，避免主从博弈领导者ADSO为获得最大化效益而恶意哄抬产消者购电价格，对ADSO向产消者的购电价格、售电价格进行约束。[0050][0051][0052][0053][0054] 式中： 、 为t时刻ADSO向产消者i的购电价格下限、上限； 为t时刻购电价格平均值； 、 为t时刻ADSO向产消者i售电价格的下限和上限； 为t时刻ADSO向产消者i售电价格平均值。[0055] 3)购售电量约束[0056][0057] 式中： 、 分别为t时刻ADSO向产消者i购电量的上限、售电量的上限；为避免同时购售电，设置购电量系数 和售电量系数 为0?1变量。[0058] 4)功率平衡约束[0059][0060] 式中： 为配电网非产消者并网节点的总负荷。[0061] 5）采用基于二阶锥松弛的多时段动态优化最优潮流，考虑系统潮流约束、电压约束、支路电流约束、OLTC设备约束、无功补偿装置约束、分布式电源约束、外电网约束。[0062] 1.3主从博弈跟随者PCU[0063] 1)目标函数[0064] 各产消者以自身收益最大化为目标，包括产消者响应补贴 、产消者售电成本、产消者购电成本 。[0065][0066][0067][0068] 式中： 为产消者 的收益。[0069] 2)产消者响应约束[0070][0071] 式中： 为 时刻产消者 的响应后电负荷； 为 时刻产消者 的预测电负荷；为 时刻产消者 的可削减电负荷， 为 时刻产消者 的可削减电负荷的上限；为 时刻产消者 的可转移电负荷， 、 分别为 时刻产消者 的可转移电负荷的上限、下限。[0072] 3)考虑不确定性的电功率平衡约束[0073] 将光伏的实际出力值看成预测值与随机误差之和，且随机误差在短时间尺度中服从正态分布，假设光伏发电的预测误差平均值为0，方差为 ，则有如下表示：[0074][0075] 式中： 为 时刻产消者 的光伏实际出力值； 为 时刻产消者 的光伏预测发电功率。[0076][0077][0078] 式中 表示置信概率水平，根据概率论，上述机会约束可转化为一种确定的形式以便计算。[0079][0080] 式中， 为标准正态分布反函数。通过上式采用机会约束方法处理产消者光伏发电不确定性的影响。[0081] 4）基于KKT条件求解主从博弈[0082] 主从博弈中，上层ADSO和下层PCU之间交易策略复杂，迭代过程耦合，构成的上层ADSO目标函数呈现较强非线性和非凸性进而无法直接求得全局最优解。为使得商业求解器能够直接对其进行求解，借助KKT条件在优化问题中的优势，将上下双层问题等价化为上层混合整数线性规划问题，通过商业求解器直接求解得到：ADSO与上级电网的购电量 、t时刻ADSO向产消者i的购电价格 、t时刻ADSO向产消者i的购电量 、t时刻ADSO向产消者i的售电价格 、t时刻ADSO向产消者i的售电量 、时刻产消者 的响应后电负荷、光伏实际出力值 、t时刻各节点的电压Vi,t、第k条线路t时刻的电流 。实施例[0083] 本发明提供了一种考虑电压质量和多产消者响应的配电网电压控制方法，该方法中涉及到的模型求解框架如图3所示。首先含多产消者的电量交易模型基于KKT(KarushKuhn?Tucker)转换，将双层优化问题转化为单层混合整数线性规划，并采用Cplex求解器求解。电压控制模型考虑运行成本及电压偏差最小对配电网电压进行协调优化控制，采用Gurobi求解器进行求解。为验证本发明所提主从博弈下配电网多产消者响应的主动配电网电压协调优化模型的有效性，基于MATLAB2023b的运行环境进行编程仿真，采用IEEE33节点系统进行分析。[0084] （1）主从博弈结果分析[0085] 对比ADN在原始固定电价和主从博弈模型下系统运行成本，ADSO在不同置信概率水平下的博弈结果如表1所示。85%置信概率下配电网功率平衡优化结果如图4所示。由表1可知，随着置信概率水平的提升，ADSO的总成本逐渐上升，在不同置信概率水平下原始模型相比主从博弈模型ADSO成本分别下降了4.52%、3.95%、3.83%、2.84%，这是由于主从博弈模型下ADSO与各PCU交互总成本下降。如图4所示，在8:00—17:00时段，3个PCU光伏出力大于自身负荷需求，因此向ADSO售电，而在其他时刻向ADSO购电，ADSO在降低成本的同时，各PCU也可以获取一定的收益。[0086] 表1 ADSO成本分析[0087][0088] 不同置信概率水平的PCU收益结果如表2所示。从表2中可以看出由于PCU3负荷较大因此在博弈中的总收益为负，但其用电效用也相对较高。随着置信概率水平的上升，PCU1和PCU2的总收益逐渐下降。这是由于为满足置信度水平的上升，可调整光伏出力下降，其卖电收益逐渐下降而买电成本不断上升导致的，而PCU3的负荷侧需求响应调整量较大，可以在一定程度上调整买卖功率的大小进而提升收益。85%置信概率下各PCU买卖电价如图5所示。在10:00—15:00时段，3个PCU光伏出力处于高峰时刻，而由于PCU3的光伏出力较大，因此其成交价格小于PCU1与PCU2且贴近于价格下限。在18:00—22:00时段，三个产消者处于负荷高峰时刻，此时产消者光伏没有出力，完全依赖ADN提供的电能，因此PCU只能接受ADSO设定的电价且价格贴近于价格上限。[0089] 表2 PCU收益分析[0090][0091] 综上，本发明所提的主从博弈模型可以让ADSO成本降低的同时保证PCU收益最大，模型的优势得以验证。[0092] （2）电压优化结果分析[0093] 采用不同方案对ADN电压进行控制，各方案采用的控制策略如表3所示。[0094] 表3 不同方案策略对比[0095][0096] 为分析不同方案对系统电压偏差的影响，采用下式计算ADN电压偏移度 ，各方案最终优化结果如表4所示。[0097][0098] 式中， 为各节点的标称电压。[0099] 表4 各方案优化结果[0100][0101] 从表4中可以看出方案1即本发明所提电压控制策略相比方案8总成本降低了57.03%，虽然其造成了一定弃光率，但其电压偏移度及网损最小。对比方案2、3、4及方案6、7可知，有功调节相比无功调节电压偏移度更低，网损更。馐且蛭痉⒚魉捎玫呐渫低持卸嗍呗纷杩贡，此时电压?有功灵敏度数值大于电压?无功灵敏度，即有功对电压的影响更为显著。同时方案1?4相比方案5?8，成本显著降低，电压质量有明显改善，说明考虑OLTC的电压调整设备对配网电压进行调整效率更高，效果更好。对比方案1?8可知，同时考虑主动管理措施与光伏削减策略可以大幅降低成本，改善ADN电压质量及降低系统网损，从而保证系统的安全稳定运行。

专利地区：山西

专利申请日期：2024-08-19

专利公开日期：2024-10-29

专利公告号：CN118646017B