[發(fā)明專利]一種基于日內(nèi)-實(shí)時(shí)滾動(dòng)控制的配電網(wǎng)源荷快速跟蹤方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910091276.8
• 申請(qǐng)日: 2019-01-30
• 公開（公告）號(hào): CN109765787B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李鵬;徐箭;袁智勇;付昊博;李巖;廖思陽(yáng);徐全;白浩;史訓(xùn)濤;于力;劉有志;周仕杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司;武漢大學(xué);廣州供電局有限公司
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;H02J3/24
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 彭艷君

1.一種基于日內(nèi)-實(shí)時(shí)滾動(dòng)控制的配電網(wǎng)源荷快速跟蹤方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟1、建立含時(shí)變參數(shù)的靜態(tài)負(fù)荷模型，并運(yùn)用含約束的最小二乘法對(duì)時(shí)變參數(shù)進(jìn)行擬合；具體步驟如下：

1.1負(fù)荷模型時(shí)變參數(shù)識(shí)別；

采用基于多項(xiàng)式靜態(tài)負(fù)荷模型運(yùn)用配電網(wǎng)的量測(cè)信息對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，忽略頻率對(duì)負(fù)荷的影響，只考慮電壓對(duì)負(fù)荷的影響；建立時(shí)變系數(shù)的靜態(tài)負(fù)荷模型，表達(dá)式如下所示：

上式中A_i(t)、B_i(t)、C_i(t)分別為各饋線恒阻抗、恒電流和恒功率負(fù)荷的占比，p_iN為各饋線負(fù)荷的額定有功功率，u_iN為第i條饋線負(fù)荷的額定電壓，u_i(t)為第i條饋線t時(shí)刻電壓，p_i(t)為第i條饋線t時(shí)刻有功功率；

運(yùn)用最小二乘法對(duì)式(1)中參數(shù)進(jìn)行擬合，假設(shè)輸出量y與一個(gè)n維度的變量X＝(x₁,x₂,…x_n)為線性關(guān)系，即：y＝θ₁x₁+θ₂x₂+…θ_nx_n；其中θ＝(θ₁,θ₂,…θ_n)為待識(shí)別的參數(shù)，需要通過不同時(shí)刻的y和x的量測(cè)值確定，因此靜態(tài)負(fù)荷模型中的變量和待辨識(shí)參數(shù)如下式所示；

最小二乘法采用殘差的平方和最小為優(yōu)化目標(biāo)，由于A、B和C為各類負(fù)荷占總負(fù)荷的比重，對(duì)辨識(shí)的參數(shù)進(jìn)行約束，轉(zhuǎn)化為求解含約束的二次型優(yōu)化問題，優(yōu)化模型如下所示；

上式中為真值θ(t)的估計(jì)值，e(t)為估計(jì)值和實(shí)際值的差值；日內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間尺度優(yōu)化的時(shí)間間隔15min，在保證擬合精度的前提下，啟動(dòng)最小二乘法的時(shí)間也為15min一次，從而使得全局優(yōu)化的結(jié)果更加準(zhǔn)確；

1.2柔性負(fù)荷控制系數(shù)推導(dǎo)：

運(yùn)用控制負(fù)荷端電壓對(duì)負(fù)荷的大小進(jìn)行控制，電壓變化量與有ZIP負(fù)荷有功功率變化量之間的關(guān)系如下；

當(dāng)負(fù)荷端電壓變化Δu(t)后，負(fù)荷的有功功率如下式：

求導(dǎo)出電壓變化量與有功功率變化量ΔP(t)之間的關(guān)系，推導(dǎo)過程如下：

定義上式中的λ_i(t)為柔性負(fù)荷的控制系數(shù)；

步驟2、根據(jù)負(fù)荷模型推導(dǎo)電壓變化量和功率變化量之間的關(guān)系，確定負(fù)荷的控制系數(shù)；

2.1基于GPC的日內(nèi)-實(shí)時(shí)滾動(dòng)模型；

日內(nèi)全局優(yōu)化模型：

目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

(1)目標(biāo)函數(shù)：

式中：T為日內(nèi)優(yōu)化周期，P_grid(t)為配電網(wǎng)與大網(wǎng)連接處主變的下網(wǎng)點(diǎn)功率；為配電網(wǎng)向大網(wǎng)購(gòu)電的價(jià)錢；為配網(wǎng)向大網(wǎng)輸電時(shí)的售電價(jià)；C_loadi(t)為調(diào)度柔性負(fù)荷的成本，也是需求側(cè)響應(yīng)時(shí)電網(wǎng)向用戶群提供的補(bǔ)助；C_pvi(t)為光伏調(diào)度成本；C_bati(t)為儲(chǔ)能裝置的調(diào)度成本；σ(t)為主變下網(wǎng)點(diǎn)的電壓以及各饋線電壓標(biāo)幺值的平均值，作為目標(biāo)函數(shù)的懲罰因子，即在調(diào)整有功功率的同時(shí)，保證系統(tǒng)無(wú)功功率和電壓的穩(wěn)定性；考慮分時(shí)電價(jià)對(duì)成本的影響，需要求解整個(gè)周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)調(diào)度值；

(2)約束條件：

①下網(wǎng)點(diǎn)有功功率平衡約束：

式中當(dāng)儲(chǔ)能發(fā)出電能，即作為電源側(cè)時(shí)，P_bati(t)＞0，儲(chǔ)存能量時(shí)作為負(fù)荷，P_bati(t)≤0，P_loadi(t)為第i條饋線t時(shí)刻有功功率，P_pvi(t)為第i個(gè)光伏電站有功功率；

②基本潮流方程的等式約束：

上式中等式左邊為注入節(jié)點(diǎn)的有功和無(wú)功功率，N_B為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，U_i為線路首段電壓幅值，U_j為線路末端的電壓幅值，G_ij為線路電導(dǎo)，B_ij為線路電納，θ_ij為線路首末段的相角差，P_Gi(t)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的注入有功功率，P_Di(t)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出有功功率，Q_Gi(t)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的注入無(wú)功功率，Q_Di(t)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出無(wú)功功率；

③下網(wǎng)點(diǎn)傳輸有功功率限制：

配電網(wǎng)中存在分布式電源，存在功率外送的現(xiàn)象，需要對(duì)有功功率的絕對(duì)值進(jìn)行限制；和分別為下網(wǎng)點(diǎn)有功功率傳輸?shù)淖钚『妥畲髽O限功率；

④分布式電源有功出力約束：

式中為分布式電源有功出力預(yù)測(cè)數(shù)值，分布式電源修正量的上限，和為分布式電源出力的最大和最小值；

⑤儲(chǔ)能單元約束：

充放電功率約束：

儲(chǔ)能單元剩余容量約束：

SOC_min(t)≤SOC(t)≤SOC_max(t) (12)

電荷量周期性約束：

SOC_t＝0＝SOC_t＝T (13)

式中，和為儲(chǔ)能單元出力預(yù)測(cè)值，和為儲(chǔ)能充放電調(diào)整量上限，SOC_max(t)和SOC_min(t)為儲(chǔ)能單位電荷量上下限，調(diào)度呈現(xiàn)周期性，每個(gè)周期的起始時(shí)刻的電荷量應(yīng)相等，從而保證調(diào)度的連續(xù)性；

⑥柔性負(fù)荷有功出力約束：

柔性負(fù)荷控制系數(shù)揭示了電壓變化量和功率變化量之間的關(guān)系，運(yùn)用柔性負(fù)荷可對(duì)柔性負(fù)荷某時(shí)刻最大調(diào)節(jié)量進(jìn)行表示，進(jìn)而對(duì)柔性負(fù)荷功率進(jìn)行限制：

式中，為負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，和分別為柔性負(fù)荷功率最大和最小值；

⑦節(jié)點(diǎn)電壓幅值上下限約束：

U_min≤U_i(t)≤U_max (15)

式中，U_max和U_min為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的最大和最小值；

運(yùn)用YALMIP和CPLEX對(duì)模型求解，進(jìn)而得到下網(wǎng)點(diǎn)功率P_grid(t)入內(nèi)15min優(yōu)化調(diào)度結(jié)果；在實(shí)時(shí)控制過程中將用戶側(cè)負(fù)荷跟蹤分布式能源出力，并以P_grid(t)作為輸出目標(biāo)的參考序列，從而實(shí)現(xiàn)了源-荷跟蹤得到的下網(wǎng)點(diǎn)功率對(duì)日內(nèi)優(yōu)化結(jié)果的跟隨，保證了在配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行基礎(chǔ)上，對(duì)下網(wǎng)點(diǎn)功率波動(dòng)的抑制；

2.2基于GPC的分鐘級(jí)實(shí)時(shí)控制；

基于多變量的GPC算法從狀態(tài)方程建立、預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化以及校正反饋四個(gè)方面對(duì)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制過程如下：

(1)配電網(wǎng)多輸入單輸出狀態(tài)方程建立；

對(duì)配網(wǎng)中各設(shè)備列寫狀態(tài)方程，將柔性負(fù)荷模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程，如下式：

上式中對(duì)式(5)進(jìn)行了部分的化簡(jiǎn)，其中Δλ_i(t)為控制系數(shù)變化量，ΔU_i(t)為饋線端電壓的變化量；

儲(chǔ)能單元出力與自身的電荷量有關(guān)，對(duì)電荷量進(jìn)行狀態(tài)方程列寫；

上式中，P_bat(t)為儲(chǔ)能單元充放電功率，η_ch和η_dis分別為充放電效率，σ為儲(chǔ)能單元自放電率，E_bat為儲(chǔ)能單元容量，SOC(t)為電荷量；

建立以柔性負(fù)荷、儲(chǔ)能電荷量、儲(chǔ)能功率以及分布式出力為狀態(tài)量，以電壓變化量、儲(chǔ)能出力變化量以及分布式出力調(diào)節(jié)量為控制量，以配電網(wǎng)下網(wǎng)點(diǎn)有功功率為輸出量的多輸入單輸出狀態(tài)空間方程：

輸入方程：

輸出狀態(tài)方程如下：

在上述狀態(tài)方程中，默認(rèn)充放電效率均為100％；

(2)預(yù)測(cè)模型建立；

廣義預(yù)測(cè)控制算法采用受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型CARIMA作為預(yù)測(cè)模型來描述對(duì)象，如下式：

上式中，A、B和C分別為輸出、輸入和擾動(dòng)量的系數(shù)矩陣，d為輸入時(shí)延，y(t)為輸出序列，u(t)為輸入序列，ξ(t)為擾動(dòng)序列，Δ為滯后環(huán)節(jié)；

通過Diophantine方程對(duì)各時(shí)間斷面進(jìn)行解耦，確定多輸入單輸出預(yù)測(cè)模型：

P_grid(t+j|t)＝G(Z^-1)Δu(t+j-1|t)+H(Z^-1)Δu(t-1)+F(Z^-1)P_grid(t) (21)

其中

Δu^T(t+j-1|t)＝[Δu(t) Δu(t+1)…Δu(t+N_u-1)]；N₁為滾動(dòng)優(yōu)化過程中的預(yù)測(cè)時(shí)域，N_u為控制時(shí)域，G、H、F矩陣為由Diophantine方程計(jì)算得到；

(3)滾動(dòng)優(yōu)化；

將15min時(shí)間尺度的優(yōu)化結(jié)果經(jīng)過一階時(shí)滯環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)?min實(shí)時(shí)控制的參考量，參考序列如下式：

其中，為1min實(shí)時(shí)控制參考序列，p_grid(t)為本時(shí)刻下網(wǎng)點(diǎn)有功功率，為15min時(shí)間尺度優(yōu)化得到的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)下網(wǎng)點(diǎn)有功功率，j為預(yù)測(cè)步數(shù)，α∈[0,1]為輸出柔化系數(shù)；

滾動(dòng)優(yōu)化的是一個(gè)在線優(yōu)化的過程，求解從當(dāng)前狀態(tài)到一個(gè)有限時(shí)域的指標(biāo)的最優(yōu)解，并執(zhí)行最優(yōu)解矩陣中的第一個(gè)值，在下一時(shí)刻再重復(fù)以上過程，這一滾動(dòng)過程能夠使得模型的失配、時(shí)變或外界因素產(chǎn)生的不確定性及時(shí)得到彌補(bǔ)；GPC的優(yōu)化性能指標(biāo)為對(duì)輸出誤差和控制增量加權(quán)的二次型性能指標(biāo)，優(yōu)化模型下式：

上式中Ψ為聯(lián)絡(luò)線有功功率的跟蹤誤差，ΔU為控制量列矩陣，ξ＝diag[ξ₁…ξ_i]為控制量加權(quán)矩陣，加權(quán)矩陣與控制矩陣中的控制量一一對(duì)應(yīng)；

(4)反饋校正；

通過GPC中預(yù)測(cè)模型參數(shù)的在線辨識(shí)，提高預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，在線辨識(shí)與校正環(huán)節(jié)運(yùn)用漸消記憶的遞推最小二乘法對(duì)CARIMA的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如下式：

其中0μ1為遺忘因子，選擇0.95μ1；P為正定的協(xié)方差陣，初值選擇為較大的單位陣，θ為估計(jì)狀態(tài)變量，φ為輸出狀態(tài)量，K為中間過程量；通過上式即可對(duì)各時(shí)刻CARIMA模型中的時(shí)變參數(shù)進(jìn)行估計(jì)；

實(shí)時(shí)控制的目標(biāo)為運(yùn)用負(fù)荷跟蹤分布式能源出力從而抑制下網(wǎng)點(diǎn)有功功率p_grid(t)，引入功率波動(dòng)率作為源荷跟蹤的指標(biāo)，其表達(dá)式如下：

將含有分布式能源以及負(fù)荷的配電網(wǎng)作為整體的波動(dòng)源，配網(wǎng)與外界的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)即為配網(wǎng)主變的下網(wǎng)點(diǎn)，對(duì)下網(wǎng)點(diǎn)有功功率p_grid(t)的波動(dòng)進(jìn)行抑制，選擇1min配電網(wǎng)下網(wǎng)點(diǎn)有功功率波動(dòng)R(t)小于10％為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)多時(shí)間尺度滾動(dòng)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)；

步驟3、以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為指標(biāo)，對(duì)配網(wǎng)進(jìn)行15min時(shí)間尺度的優(yōu)化，對(duì)潮流以及各用戶的負(fù)荷上下限以及分布式能源的爬坡進(jìn)行約束，進(jìn)而求出15min下網(wǎng)點(diǎn)功率；

步驟4、建立配電網(wǎng)的狀態(tài)空間方程，以15min下網(wǎng)點(diǎn)功率為參考序列，運(yùn)用多變量廣義預(yù)測(cè)控制算法對(duì)下網(wǎng)點(diǎn)功率進(jìn)行控制，進(jìn)而抑制下網(wǎng)點(diǎn)功率的波動(dòng)量；

步驟5、每隔15min重復(fù)一次步驟3，每分鐘執(zhí)行一次步驟4，形成滾動(dòng)優(yōu)化過程，以控制預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差。