本發(fā)明一種主動配電網(wǎng)能量分層優(yōu)化調(diào)度方法屬于智能配電網(wǎng)領(lǐng)域，特別涉及一種考慮環(huán)境因數(shù)的主動配電網(wǎng)能量分層優(yōu)化調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

當前世界能源消費以化石能源為主，化石能源日趨枯竭、氣候環(huán)境變化成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的兩大關(guān)鍵問題。為了轉(zhuǎn)變舊的能源生產(chǎn)與消費模式，轉(zhuǎn)變以化石能源為主的能源格局，世界各國都在努力探索新的能源生產(chǎn)和消費模式，尋求多元化的能源供應(yīng)策略。近年來，以利用清潔能源或可再生能源為主的分布式能源系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展。這里的清潔能源是指天然氣、氫氣等污染物排放少的能源，而可再生能源一般指太陽能、風能、潮汐能等能源。這些分布式能源系統(tǒng)大部分以分布式電源的形式接入配電網(wǎng)，就地消納，與大電網(wǎng)互為補充，進而實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整同時提高系統(tǒng)環(huán)境效益。

隨著分布式電源在配電網(wǎng)中滲透率的不斷升高，對配電網(wǎng)的運行帶來了較大的影響，如電能質(zhì)量的惡化、短路容量的提高、故障處理過程以及保護的難度加大等。同時，分布式電源、可控負荷和大量儲能裝置的接入，使配電網(wǎng)中各單元的互動進一步增強，配電網(wǎng)逐漸從傳統(tǒng)的“被動”模式向“主動”模式轉(zhuǎn)變。應(yīng)對這一變化，國際大電網(wǎng)會議配電及分布式發(fā)電委員會成立專門工作組展開研究，于2008年提出了主動配電網(wǎng)這一概念。

主動配電網(wǎng)的基本定義為：通過靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來管理潮流，實現(xiàn)對局部的分布式電源進行主動控制和主動管理的配電系統(tǒng)。主動配電網(wǎng)提出的核心目的是為了應(yīng)對分布式電源的高滲透率，在充分協(xié)調(diào)配電網(wǎng)中分布式電源、可控負荷和儲能裝置的前提下，提高電能質(zhì)量與供電可靠性，通過對配電網(wǎng)進行優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)能量綜合管理。

分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)會使供電公司的利益受到影響，而在現(xiàn)在電力市場環(huán)境下，分布式電源的環(huán)境效益也未得到充分重視。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述不足之處提供一種主動配電網(wǎng)能量分層優(yōu)化調(diào)度方法，是一種考慮環(huán)境因數(shù)的主動配電網(wǎng)能量分層優(yōu)化調(diào)度方法，綜合考慮供電公司的收益和用電過程中的環(huán)境效應(yīng)，在保證主動配電網(wǎng)安全可靠運行的前提下，充分協(xié)調(diào)主動配電網(wǎng)中分布式電源、可控負荷、儲能裝置和微電網(wǎng)等分布式單元，綜合考慮配電網(wǎng)供電公司和發(fā)電環(huán)境效益，分別以供電公司收益最大和發(fā)電環(huán)境效益最大為目標建立模型，利用多目標優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)充分考慮兩方面的主動配電網(wǎng)的能量優(yōu)化調(diào)度。

本發(fā)明是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種考慮環(huán)境因數(shù)的主動配電網(wǎng)能量分層優(yōu)化調(diào)度方法，包括以下步驟：

步驟一、將接入主動配電網(wǎng)的分布式單元分為分布式發(fā)電單元、分布式儲能系統(tǒng)、負荷以及由多個微電網(wǎng)組成的微網(wǎng)群，將整個主動配電網(wǎng)的能量優(yōu)化分為上層、中層和底層三層；

具體的是上層主動配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度、中間層微網(wǎng)群調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度和底層微電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度；

步驟二、上層主動配電網(wǎng)調(diào)度中心收集匯總各分布式電源、儲能裝置以及微網(wǎng)群調(diào)度中心上報的相關(guān)信息以及配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)的交互電價，結(jié)合接入配電網(wǎng)中的負荷，進行第一層優(yōu)化調(diào)度；

步驟三、中間層微網(wǎng)群調(diào)度中心根據(jù)上層調(diào)度結(jié)果，結(jié)合微網(wǎng)群內(nèi)各微電網(wǎng)上報的出力信息，進行微網(wǎng)群內(nèi)部優(yōu)化調(diào)度，分配微網(wǎng)群內(nèi)各微電網(wǎng)的出力，完成第二層優(yōu)化調(diào)度；

步驟四、底層微電網(wǎng)控制中心根據(jù)步驟三中第二層優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合微電網(wǎng)內(nèi)部各微源、負荷等信息，進行優(yōu)化調(diào)度，得到各微源的出力情況，完成底層優(yōu)化調(diào)度。

步驟二中，主動配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度分別以配電網(wǎng)供電公司綜合收益最大和環(huán)境效益最大化建立優(yōu)化模型，利用多目標優(yōu)化技術(shù)，得到綜合考慮供電公司收益以及發(fā)電環(huán)境效益的優(yōu)化調(diào)度最優(yōu)解，其中供電公司綜合收益由供電公司收入減去供電公司支出得到；供電公司收入包括對配電網(wǎng)負荷的售電收益加上對微網(wǎng)群輸入電量所獲收益以及購買分布式電源電量得到的政府補貼；供電公司支出包括購買上級電網(wǎng)以及分布式電源電量的支出、配電網(wǎng)線路損耗支出以及從微網(wǎng)群購買電量支出；環(huán)境效益等效為配電網(wǎng)用電造成的環(huán)境成本進行計算；環(huán)境成本包括發(fā)電產(chǎn)生的污染物的環(huán)境價值和排放污染物所受的罰款，配電網(wǎng)向上級電網(wǎng)購買電量在計算環(huán)境成本時，以傳統(tǒng)火力發(fā)電環(huán)境成本處理。

步驟二中，主動配電網(wǎng)采集的相關(guān)信息包括分布式光伏電源和分布式風力電源在調(diào)度周期內(nèi)的出力預(yù)測曲線，負荷預(yù)測曲線，分布式儲能裝置的荷電狀態(tài)、額定容量、最大充放電功率，微型燃起輪機、燃料電池和微網(wǎng)群的出力-成本曲線和出力-污染物排放量曲線，配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)交互電價，配電網(wǎng)與微電網(wǎng)交互電價，其中，微網(wǎng)群的出力-成本曲線和出力-污染物排放量曲線視微網(wǎng)群內(nèi)部各微電網(wǎng)的情況而定，由微網(wǎng)群內(nèi)部各微電網(wǎng)調(diào)度中心上傳的出力-成本曲線和出力-污染物排放量曲線綜合得到。

步驟二中，分布式光伏電源和分布式風力電源出力受環(huán)境因素影響較大，采用最大功率跟蹤方式運行，不可控，主動配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度時，優(yōu)先考慮分布式光伏電源和分布式風力電源出力，并且將分布式光伏電源和分布式風力電源以清潔能源處理，不產(chǎn)生污染物，微型燃氣輪機和燃料電池作為可控分布式電源參與優(yōu)化調(diào)度同時也會排放一定污染物。

步驟三中，微網(wǎng)群依據(jù)群內(nèi)各微電網(wǎng)上報的出力上下限、出力-成本曲線以及出力-污染物排放曲線等信息，結(jié)合上層優(yōu)化結(jié)果，以微網(wǎng)群出力成本最低為目標，綜合考慮微網(wǎng)群的出力成本以及環(huán)境成本建立優(yōu)化模型，優(yōu)化過程中采用分布式控制方式，微電網(wǎng)之間允許進行功率交換，但微電網(wǎng)之間的交換電量只用來滿足微電網(wǎng)內(nèi)部負荷。

步驟四中，微電網(wǎng)調(diào)度中心依據(jù)第二層優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，結(jié)合內(nèi)部各微源的出力情況、負荷曲線、儲能系統(tǒng)狀態(tài)等信息，以微電網(wǎng)運行成本最低為目標建立優(yōu)化模型，完成底層優(yōu)化調(diào)度，其中，微電網(wǎng)運行成本同樣考慮發(fā)電成本和環(huán)境成本。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：（1）以供電公司收益最大和發(fā)電環(huán)境效益最大為目標進行多目標函數(shù)優(yōu)化調(diào)度，充分考慮了供電公式在高分布式電源滲透率下的利益以及分布式電源良好的環(huán)境效益；（2）整個優(yōu)化調(diào)度過程分為主動配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度、微網(wǎng)群調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度和微電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度三層，使主動配電網(wǎng)的能量優(yōu)化調(diào)度變得簡單、高效。

附圖說明

圖1是考慮環(huán)境效益的主動配電網(wǎng)分層優(yōu)化調(diào)度流程圖。

圖2是本發(fā)明的多目標粒子群優(yōu)化算法流程圖。

圖3是本發(fā)明的模擬退火遺傳算法流程圖。

圖1中：1、主動配電網(wǎng)可控電源分類，2、上層配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化，3、中間層微網(wǎng)群優(yōu)化調(diào)度，4、微電網(wǎng)控制中心優(yōu)化調(diào)度。

具體實施方式

本發(fā)明所述的一種考慮環(huán)境因數(shù)的主動配電網(wǎng)能量分層優(yōu)化調(diào)度方法，具體包括一下步驟：

步驟一、結(jié)合實際情況，將接入主動配電網(wǎng)的分布式單元分為分布式發(fā)電單元、分布式儲能系統(tǒng)、負荷以及由多個微電網(wǎng)組成的微網(wǎng)群，將整個主動配電網(wǎng)的能量優(yōu)化分為三層：上層主動配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度，中間層微網(wǎng)群調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度，底層微電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度；

步驟二、主動配電網(wǎng)調(diào)度中心收集匯總各分布式電源、儲能裝置以及微網(wǎng)群調(diào)度中心上報的相關(guān)信息以及配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)的交互電價，結(jié)合接入配電網(wǎng)中的負荷，進行第一層優(yōu)化調(diào)度；

步驟三、中間層微網(wǎng)群調(diào)度中心根據(jù)上層調(diào)度結(jié)果，結(jié)合微網(wǎng)群內(nèi)各微電網(wǎng)上報的出力信息，進行微網(wǎng)群內(nèi)部優(yōu)化調(diào)度，分配微網(wǎng)群內(nèi)各微電網(wǎng)的出力，完成第二層優(yōu)化調(diào)度；

步驟四、底層微電網(wǎng)控制中心根據(jù)第二層優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合微電網(wǎng)內(nèi)部各微源、負荷等信息，進行優(yōu)化調(diào)度，得到各微源的出力情況，完成底層優(yōu)化調(diào)度。

進一步，步驟二中，配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度分別以配電網(wǎng)供電公司綜合收益最大和環(huán)境效益最大化建立優(yōu)化模型，利用多目標優(yōu)化技術(shù)，得到綜合考慮供電公司收益以及發(fā)電環(huán)境效益的優(yōu)化調(diào)度最優(yōu)解，其中供電公司綜合收益由收入減去支出得到，供電公司收入包括對配電網(wǎng)負荷的售電收益加上對微網(wǎng)群輸入電量所獲收益以及購買分布式電源電量得到的政府補貼，供電公司支出包括購買上級電網(wǎng)以及分布式電源電量的支出、配電網(wǎng)線路損耗支出以及從微網(wǎng)群購買電量支出。

以電網(wǎng)公司收益最高的目標函數(shù)可以表示為：

(1)

公式(1)中，t 表示調(diào)度周期時間段，i 表示配電網(wǎng)節(jié)點編號；LD、MG、DG、BSG分別為配電網(wǎng)中負荷、微網(wǎng)群、分布式電源和分布式儲能裝置的節(jié)點編號集合；表示電網(wǎng)公司一個調(diào)度周期內(nèi)的收益。包括兩個部分，其一部分為電網(wǎng)公司的售電收益以及從微電網(wǎng)或分布式電源處售電所得的政府補貼；第二部分是電網(wǎng)公司購電支出以及配電網(wǎng)中網(wǎng)損支出。第一部分，和代表t 時間段電網(wǎng)公司對負荷、微網(wǎng)群輸送電量的售價。和代表t 時間段電網(wǎng)公司向分布式電源和微電網(wǎng)購電得到的政府補貼單價；、、、分別對應(yīng)負荷節(jié)點、微網(wǎng)群節(jié)點、分布式電源以及分布式儲能裝置節(jié)點在t 時間段的功率；、為描述微網(wǎng)群節(jié)點源/載特性的狀態(tài)量，當時，=1，當<0時，，且滿足；、與、類似，滿足，描述儲能裝置的充放電狀態(tài)，當時，，儲能裝置處于充電狀態(tài)，相當于負荷，時，，儲能裝置處于放電狀態(tài)，相當于電源。第二部分，、、分別為t 時間段電網(wǎng)公司向微網(wǎng)群、分布式電源以及上級電網(wǎng)購電單價；和分別為t 時間段配電網(wǎng)同上級電網(wǎng)的交換功率以及該時間段內(nèi)的網(wǎng)損。

環(huán)境效益等效為配電網(wǎng)用電造成的環(huán)境成本進行計算，而環(huán)境成本包括發(fā)電產(chǎn)生的污染物的環(huán)境價值和排放污染物所受的罰款，配電網(wǎng)向上級電網(wǎng)購買電量在計算環(huán)境成本時，以傳統(tǒng)火力發(fā)電環(huán)境成本處理。以環(huán)境成本最小為優(yōu)化目標的表達式為：

(2)

公式(2)中，為整個調(diào)度時間段內(nèi)配電網(wǎng)調(diào)度產(chǎn)生的總環(huán)境成本；、分別為微網(wǎng)群中污染物排放種類和分布式電源排放污染物種類；和分別為微網(wǎng)群和分布式電源在t 時間段產(chǎn)生的污染物排放量；和分別為污染物的環(huán)境價值和排放所受的罰款；表達式中第三項是將配電網(wǎng)從上級電網(wǎng)購買的電量的環(huán)境成本等效為傳統(tǒng)火電廠產(chǎn)生的環(huán)境成本得到的，為傳統(tǒng)火電廠的污染物排放種類，為t時間段傳統(tǒng)電廠的污染物排放量。

為與求最大值相一致，取負號：

(3)

則上層多目標優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)為：

(4)

優(yōu)化調(diào)度需考慮的約束條件包括等式約束和不等式約束，其中等式約束條件主要指調(diào)度周期每個時間內(nèi)的各節(jié)點的功率平衡：

(5)

公式(5)中，N 為配電網(wǎng)節(jié)點總數(shù)；、分別為節(jié)點在時段電壓的實部和虛部；、分別為節(jié)點與之間的電納和互電導；為無功功率，與有功功率對應(yīng)下標的意義相同。

不等式約束節(jié)點電壓約束、線路潮流約束、分布式電源出力約束、微網(wǎng)群出力約束等：

(6)

公式(6)中，、和分別為節(jié)點在時間段的運行電壓及其上下限；為配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)交換功率的上限；和為分布式電源在時間段的出力上下限；、為微網(wǎng)群在時間段的出力上下限，、為分布式儲能裝置出力上下限。

進一步，步驟二中，主動配電網(wǎng)采集信息包括分布式光伏電源和分布式風力電源在調(diào)度周期內(nèi)的出力預(yù)測曲線，負荷預(yù)測曲線，分布式儲能裝置的荷電狀態(tài)、額定容量、最大充放電功率，微型燃起輪機、燃料電池和微網(wǎng)群的出力-成本曲線和出力-污染物排放量曲線，配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)交互電價，配電網(wǎng)與微電網(wǎng)交互電價，其中，微網(wǎng)群的出力-成本曲線和出力-污染物排放量曲線視微網(wǎng)群內(nèi)部各微電網(wǎng)的情況而定，由微網(wǎng)群內(nèi)部各微電網(wǎng)調(diào)度中心上傳的出力-成本曲線和出力-污染物排放量曲線綜合得到。

進一步，步驟二中，分布式光伏電源和分布式風力電源出力受環(huán)境因素影響較大，采用最大功率跟蹤方式運行，不可控，主動配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化調(diào)度時，優(yōu)先考慮分布式光伏電源和分布式風力電源出力，并且將分布式光伏電源和分布式風力電源以清潔能源處理，不產(chǎn)生污染物，微型燃氣輪機和燃料電池作為可控分布式電源參與優(yōu)化調(diào)度同時也會排放一定污染物。

進一步，步驟三中，微網(wǎng)群依據(jù)群內(nèi)各微電網(wǎng)上報的出力上下限、出力-成本曲線以及出力-污染物排放曲線等信息，結(jié)合上層優(yōu)化結(jié)果，以微網(wǎng)群出力成本最低為目標，綜合考慮微網(wǎng)群的出力成本以及環(huán)境成本建立優(yōu)化模型，優(yōu)化過程中采用分布式控制方式，微電網(wǎng)之間允許進行功率交換，但微電網(wǎng)之間的交換電量只用來滿足微電網(wǎng)內(nèi)部負荷。

微電網(wǎng)的出力范圍與其內(nèi)部各單元在個時間段的運行狀態(tài)有關(guān)，微電網(wǎng)由風力電源、光伏電源、微型燃氣輪機、燃料電池、蓄電池以及負荷組成。由于風力電源和光伏電源以最大功率跟蹤方式運行，考慮到微電網(wǎng)內(nèi)部負荷的情況，微電網(wǎng)在調(diào)度周期內(nèi)各時間段最終的功率范圍可能是一個從正到負的動態(tài)區(qū)間。在不考慮每個時間段內(nèi)的功率波動的前提下，的范圍可以表示為：

(7)

(8)

(9)

公式(7)、(8)、(9)中，和分別為微電網(wǎng)允許功率上下限；C G_i為微電網(wǎng)i中可控電源（微型燃起輪機、燃料電池等）的集合，和分別為微電網(wǎng)i 內(nèi)t 時間段可控電源的出力上下限；、、分別為微電網(wǎng)i 內(nèi)t 時間段光伏電源、風力電源的出力預(yù)測值以及負荷預(yù)測值；和為蓄電池的輸出功率上下限。

可控電源的出力上下限和需要滿足爬坡約束：

(10)

(11)

公式(10)、(11)中，、微電源i 的出力上、下爬坡率；為微電網(wǎng)在時間段的輸出功率。和同樣需要根據(jù)蓄電池時間段的運行情況來確定：

(12)

(13)

公式(12)、(13)中為蓄電池的自放電速率；為時間段的蓄電池剩余儲存電量；、分別蓄電池充、放電效率；為蓄電池額定容量；、分別為蓄電池最大、最小剩余電量百分比。

進一步，步驟四中，微電網(wǎng)調(diào)度中心依據(jù)第二層優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，結(jié)合內(nèi)部各微源的出力情況、負荷曲線、儲能系統(tǒng)狀態(tài)等信息，以微電網(wǎng)運行成本最低為目標建立優(yōu)化模型，完成底層優(yōu)化調(diào)度，其中，微電網(wǎng)運行成本同樣考慮發(fā)電成本和環(huán)境成本。

以微電網(wǎng)發(fā)電成本最小目標函數(shù)表達式：

(14)

公式(14)中，表示微電網(wǎng)i 在整個調(diào)度周期內(nèi)的發(fā)電成本，在各微源的運行成本中考慮環(huán)境成本；為微電網(wǎng)i 中可控微源的數(shù)量；為微電源中第j 個可控微源的出力，為對應(yīng)的出力成本和環(huán)境成本；、和、分別為光伏發(fā)電、風力發(fā)電在t 時間段的發(fā)電功率和發(fā)電成本；和分別為蓄電池在t 時間段的功率和充放電成本，時，蓄電池放電，時，蓄電池充電。

約束條件同樣包含等式約束和不等式約束，其中等式約束有微電網(wǎng)i 的最終優(yōu)化結(jié)果應(yīng)該使微電網(wǎng)公共連接點的功率滿足配電網(wǎng)調(diào)度中心分配的出力任務(wù)。

(15)

不等式約束包括：

(16)

公式(16)中，為節(jié)點i 允許流過的最大功率。、和、分別為微型燃氣輪機和燃料電池的出力上、下限。

在微電網(wǎng)優(yōu)化過程中，對蓄電池的處理較為復(fù)雜，蓄電池在t 時間段的充放電功率可以表示為：

(17)

公式(17)中，和分別對應(yīng)t 時間段和時間段結(jié)束時的蓄電池剩余電量，應(yīng)滿足，和分別為蓄電池能量的最低、最高限值；時，蓄電池在t 時間段放電狀態(tài)，應(yīng)滿足，時，蓄電池處于充電狀態(tài)，滿足，其中和為蓄電池充、放點效率，和分別是蓄電池最大充、放點功率。每個時間段的充放電功率應(yīng)該滿足如下約束：

(18)

要使蓄電池在微網(wǎng)的各個調(diào)度周期內(nèi)能夠持續(xù)的發(fā)揮作用，蓄電池在每個調(diào)度周期的首末時間段的蓄電池容量應(yīng)該相等，即，表示為：

(19)

整個優(yōu)化過程中，上層優(yōu)化為多目標函數(shù)優(yōu)化，這里采用多目標粒子群優(yōu)化算法進行求解，其流程圖2所示，多目標優(yōu)化問題相對與單目標優(yōu)化問題而言，算法在每次迭代后所得到的最優(yōu)解可能不止一個而為一組，所以在這里引入一種互不支配關(guān)系。由于最優(yōu)解不止一個，所以在更新全局引導者時，會有不止一個候選點，且這些候選點互不支配，將這些候選點存入外部儲備集，當粒子需要更新位置時，從外部儲備集中選取全局引導者。而且，外部儲備集中的元素還可以作為算法的最終結(jié)果輸出。

中間層和底層優(yōu)化調(diào)度為單目標優(yōu)化問題，這里采用一種結(jié)合遺傳算法和模擬退火算法的混合優(yōu)化算法進行求解，具體流程圖如圖3所示。