一种考虑气-电耦合主动配网系统中分布式可再生能源和柔性软开关协同规划方法与流程

1.本发明属于配电网系统领域，具体涉及一种考虑气-电耦合主动配网系统的规划方法。


背景技术：

2.分布式可再生能源发电的快速发展在减少化石能源消耗和碳排放方面发挥着重要作用。然而，传统的配电网通常是开环运行的，很难适应reg的不稳定输出。随着电力电子设备的发展，它们可以被视为传统配电网扩展措施的替代品，以解决由regs的高渗透性引起的过载和电压违规问题。作为一种电力电子设备，柔性软开关(sop)可以准确、快速地控制sop连接的两条馈线的有功和无功功率。sop的部署改变了传统配电网闭环设计和开环运行的模式，这将提高有源配电网的可控性和灵活性。目前，在概念、瞬态特性、配电网运营优化和配电网规划等方面，对具有sop的配电网进行了一些研究。
3.近年来，由于能源基础设施之间的脱碳和蓬勃发展的耦合技术，对多种能源载体的整合需求越来越大。综合能源系统(ies)通过协调每个子系统(如电力、天然气、热力和冷却系统)之间的能源供应、转换、储存和消耗，发挥着至关重要的作用。ies的优化运行是保证ies经济性和可靠性的一个重要研究课题。现有文献中的许多研究都探讨了可再生不确定性下的最优操作。为了促进能源转换和加强系统耦合，新兴的电力转天然气(p2g)已被公认为将过剩的可再生能源转化为氢气的有效技术，在天然气系统中输送。考虑到燃气发电机的广泛部署，可以实现电力和天然气系统之间的双向能量流动。一般来说，ies中固有的可再生能源不确定性会影响p2g转换效率、电压-无功条件能力，以及整个系统的经济安全运行。因此，需要一种气-电互联背景下的配电网内rdg和sop联合规划方法，研究sop在其中的应用价值。


技术实现要素：

4.本发明目的在于克服现有技术的不足，提出一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，最小化了年度投资和运行(i&o)成本、功率损耗和电压偏差。
5.一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，包括以下步骤：
6.步骤1：输入待规划的rdg以及待规划的sop的参数，采用k-shape算法对历史数据集构建的可再生能源及负荷场景进行聚类；
7.步骤2：构建考虑气-电互联的主动配网系统运行模型，包括配电网模型、配气网模型、p2g设施运行模型、sop运行模型；
8.步骤3：构建rdg和sop投资建设规划的双层规划的非线性规划模型，将步骤2中的模型作为下层约束条件；
9.步骤4：采用内接正多边形逼近和增量分段线性化技术，将步骤4中的双层非线性规划模型转化为双层混合整数二阶锥规划模型；
10.步骤5：通过一种基于对偶转换和主-子问题迭代的算法进行求解。
11.其中所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，其特征在于：所述步骤1的网络及设施参数为：配电网网络参数、配气网网络参数、p2g设施参数、sop参数以及rdg参数。
12.所述k-shape算法具体为：
13.(1)时间序列分配：在本步骤中，k-shape算法用根据定义的用互相关方法计算两个时间序列的距离为：
[0014][0015]
其中是与的互相关系数，和是有效区域的点积的和。
[0016]
依次将每一个时间序列与所有计算出的质心进行比较，进而把每一个时间序列分配给最接近质心的聚类，以此来更新聚类中的成员关系，
[0017]
(2)更新聚类中心：在本步骤中，k-shape算法根据下面的公式计算并更新聚类中心，来反映前一步中聚类成员的变化，得到更合理的质心，
[0018][0019]
其中，是更新后的质心，归一化之后的互相关系数。
[0020]
(3)迭代：迭代的重复前两步，直到标签不再变化为止。
[0021]
其中所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
[0022]
(1)对p2g设施建模，电力在p2g设施处被转换为人工天然气，并按甲烷的高热值计算转换后的能量，其约束条件如下所示。
[0023][0024][0025]
其中为情景s中电力到天然气j中氢气的气体输出，为p2g设备中质子交换膜的效率，为场景s中总线j处质子交换膜的功耗，为功耗最大值。
[0026]
(2)主动配电网的运行约束采用二阶锥松弛的distflow模型建模，天然气配网运行采用稳态weymouth天然气网络模型。
[0027]
(3)高可再生能源渗透率下的rdg运行
[0028][0029]
[0030]
其中ns为场景s中的运行小时数，为场景s中总线i处rdg的有功功率输出，为场景s中变电站的有功功率注入，母线i处rdg的装机容量，为rdg穿透水平阈值。
[0031]
(4)sop运行建模：sop运行的稳态运行模型描述如下：
[0032]
功率平衡：
[0033][0034]
vsc损耗：
[0035][0036]
sop容量限制：
[0037][0038]
vsc无功功率限制：
[0039][0040]
其中为场景s中属于sopφ的vsc i的有功功率注入、无功功率注入和视在功率，场景s中属于sopφ的vsc i的功率损耗，ω
φ
与sop相连的母线组φ，母线i处sopφ的功率损耗系数，ω
φ
为sop最小无功功率系数φ。
[0041]
其中所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统中分布式可再生能源和柔性软开关协同规划方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：rdg和sop投资建设的双层规划模型是由一个上层问题和一组下层问题组成，上层问题旨在将年度投资和运营(i&o)成本降至最低，根据上层问题的投资决策，下层问题反映了综合能源系统在各典型场景下的运行性能，
[0042]
(1)上层问题规划rdg和sop的选址定容，最小化系统的年化投资和运行费用，其目标函数如下所示：
[0043]
minc
ul
＝c
inv,sop
+c
inv,rdg
+c
op,adn
+c
op,gdn
ꢀꢀꢀ
(11)
[0044]
其中rdg和sop的年度投资成本定义如下式所示：
[0045][0046][0047]
其中r为贴现率，sm为sop和rdg的使用寿命，为rdg和sop的年度投资成本，为sop所属vsc装机容量φ。
[0048]
年度电力购买成本定义如下式所示：
[0049][0050]
其中ce为电力价格。
[0051]
年度天然气购买成本定义如下式所示：
[0052][0053]
其中cg为天然气价格，场景s中天然气节点m处天然气阀站的注入天然气量。
[0054]
sop中的电压源型变换器(vsc)和wt的容量限制的二进制展开形式如下所示：
[0055][0056][0057][0058][0059]
其中为二进制变量，如果安装了sop，则为1，否则为0。二进制变量，如果在总线i上安装了wt，则为1，否则为0。为属于sopφ的vsc和wt的最小容量单位。为属于sopφ的vsc容量的二进制展开的第k个二进制变量。为总线i处wt容量二进制扩展的第k个二进制变量。k
vsc
、k
wt
为vsc、wt容量的二进制变量数量。s
wt
为相应变量的最大最小值。
[0060]
(2)下层问题采用客观赋权critic法，同时最小化网损、sop运行损耗和电压偏差。下层问题目标函数如下式所示：
[0061]
min c
ll
＝α1·floss,adn
+α2·floss,sop
+α3·fvd
ꢀꢀꢀ
(20)其中网损、sop损耗和电压偏差定义分别如下式所示：
[0062][0063][0064][0065]
其中α1、α2、α3为低阶问题中成本函数的加权系数，l
ij,s
为场景s中ij线上电流的平方，r
ij
为线路ij的电阻，u
ref
为参考电压，u
i,s
为场景s中总线i处电压的平方。
[0066]
(3)其他下层约束为3中建立的运行模型，包括配电网运行模型、配气网运行模型、p2g设施运行模型、sop运行模型。
[0067]
其中所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：
[0068]
(1)采用正多边形逼近方法，将sop容量约束中的平方和非线性约束转换为线性规划模型，其数学模型为：
[0069][0070]
其中n为一个需要输入的参数，表示圆形区域被割为一个内接2n多边形，q
ij,st
，p
ij,st
为场景s时间t中线路ij的无功/有功功率。为线路ij中视在功率最大值。
[0071]
(2)采用增量线性化的方法，将配气网中的非线性约束转换为混合整数线性规划模型，从数学上来说，这是在将函数f(x)＝x
·
|x|线性化表示，有如下4个具体步骤：
[0072]
第1步：确定合适的分段数n；
[0073]
第2步：在x的取值范围内确定n个离散的点；
[0074]
第3步：求这n个离散点对应的f(x)的值；
[0075]
第4步：引入两个辅助变量δ和η，其中η为一个布尔量。f(x)可按下面4个式子确定
[0076][0077][0078]
δ
k+1
≤ηk,ηk≤δk,k＝1,2,...,npl-2
ꢀꢀ
(27)
[0079]
0≤δk≤1,k＝1,2,...,n-1
ꢀꢀꢀ
(28)
[0080]
其中k为下标时代表向量的第k个分量。
[0081]
其中所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：利用一种基于对偶转换和主-子问题迭代的算法来求解该双层规划问题，待求解的双层规划混合整数二阶锥模型的紧凑形式如下：
[0082][0083]
其中n表示二阶锥约束的数量，a，b为向量，a,b,c为系数矩阵
[0084]
当给定下层整数变量z＝z
*
时，下层问题满足slater条件，因此由可用将下层目标函数通过强对偶转换，采用二阶锥对偶技术，下层问题的最优解满足以下条件：
[0085][0086]
其中μi和νi是第i个二阶锥约束的两个对偶变量，模型中的双线性项可以通过big-m方法处理.
[0087]
通过枚举下层整数变量，上述约束可以不断添加至上层问题，形成主-子问题迭代的架构，从而使问题可以通过不断迭代直至收敛。
[0088]
本发明的优点和有益效果：
[0089]
本发明提出一种考虑气-电互联的主动配网系统中分布式可再生能源和柔性软开
关协同规划方法，本发明发明在传统包含rdg的主动配电网规划模型中额外考虑了与天然气配网的耦合以及sop设施规划，更契合新型电力系统背景下的配电网技术发展，并通过基于对偶转换和主-子问题迭代算法，将一个双层非线性规划问题转换为迭代求解一系列易于求解的混合整数二阶锥问题。采用本发明的模型进行考虑气-电互联的主动配网系统的规划，能够在确保高水平可再生能源渗透率的技术前提下，最小化可再生能源和柔性软开关年度投资和运行成本、功率损耗和电压偏差，提高系统运行的技术经济水平。
附图说明
[0090]
图1是本发明的考虑气-电互联的主动配网系统中分布式可再生能源和柔性软开关协同规划方法流程图；
[0091]
图2是k-shape算法流程图；
[0092]
图3是内接多边形逼近法处理sop中非线性约束的效果图；
[0093]
图4是增量线性化逼近法处理稳态天然气潮流约束中非线性项的效果图。
具体实施方式
[0094]
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
[0095]
实施例1：一种考虑气-电互联的主动配网系统中分布式可再生能源和柔性软开关协同规划方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0096]
步骤1、构建电-天然气综合能源配网测试系统，配置相关网络参数；
[0097]
所需配电网信息：拓扑、节点、线路参数、最低可再生能源穿透率阈值；所需配气网信息：拓扑、节点、p2g安装位置、管道参数；所需rdg信息：最大安装容量、安装位置；所需sop信息：最大安装容量、安装位置。
[0098]
步骤2、使用nerl数据集构建场景，采用k-shape算法进行聚类分析，算法流程如图2所示；
[0099]
步骤3、依据步骤1提供的系统结构及参数以及步骤2得到的场景聚类结果，构建考虑气-电互联的主动配网系统运行模型，包括配电网模型、配气网模型、p2g设施运行模型、sop运行模型。
[0100]
步骤3的构建考虑气-电互联的主动配网系统运行模型的具体方法为：
[0101]
(1)对p2g设施建模，电力在p2g设施处被转换为人工天然气，并按甲烷的高热值计算转换后的能量，其约束条件如下所示。
[0102][0103][0104]
其中为情景s中电力到天然气j中氢气的气体输出，为p2g设备中质子交换膜的效率，为场景s中总线j处质子交换膜的功耗，为功耗最大值。
[0105]
(2)主动配电网的运行约束采用二阶锥松弛的distflow模型建模，天然气配网运行采用稳态weymouth天然气网络模型。
[0106]
(3)高可再生能源渗透率下的rdg运行
[0107][0108][0109]
其中ns为场景s中的运行小时数，为场景s中总线i处rdg的有功功率输出，为场景s中变电站的有功功率注入，母线i处rdg的装机容量，为rdg穿透水平阈值。
[0110]
(4)sop运行建模：sop运行的稳态运行模型描述如下：
[0111]
功率平衡：
[0112][0113]
vsc损耗：
[0114][0115]
sop容量限制：
[0116][0117]
vsc无功功率限制：
[0118][0119]
其中为场景s中属于sopφ的vsc i的有功功率注入、无功功率注入和视在功率，场景s中属于sopφ的vsc i的功率损耗，ω
φ
与sop相连的母线组φ，母线i处sopφ的功率损耗系数，ω
φ
为sop最小无功功率系数φ。
[0120]
步骤4、构建双层规划模型。具体为：rdg和sop投资建设的双层规划模型是由一个上层问题和一组下层问题组成，上层问题旨在将年度投资和运营(i&o)成本降至最低，根据上层问题的投资决策，下层问题反映了综合能源系统在各典型场景下的运行性能，
[0121]
(1)上层问题规划rdg和sop的选址定容，最小化系统的年化投资和运行费用，其目标函数如下所示：
[0122]
minc
ul
＝c
inv,sop
+c
inv,rdg
+c
op,adn
+c
op,gdn
ꢀꢀꢀ
(11)
[0123]
其中rdg和sop的年度投资成本定义如下式所示：
[0124][0125][0126]
其中r为贴现率，sm为sop和rdg的使用寿命，为rdg和sop的年度投资成本，为sop所属vsc装机容量φ。
[0127]
年度电力购买成本定义如下式所示：
[0128][0129]
其中ce为电力价格。
[0130]
年度天然气购买成本定义如下式所示：
[0131][0132]
其中cg为天然气价格，场景s中天然气节点m处天然气阀站的注入天然气量。
[0133]
sop中的电压源型变换器(vsc)和wt的容量限制的二进制展开形式如下所示：
[0134][0135][0136][0137][0138]
其中为二进制变量，如果安装了sop，则为1，否则为0。二进制变量，如果在总线i上安装了wt，则为1，否则为0。为属于sopφ的vsc和wt的最小容量单位。为属于sopφ的vsc容量的二进制展开的第k个二进制变量。为总线i处wt容量二进制扩展的第k个二进制变量。k
vsc
、k
wt
为vsc、wt容量的二进制变量数量。s
wt
为相应变量的最大最小值。
[0139]
(2)下层问题采用客观赋权critic法，同时最小化网损、sop运行损耗和电压偏差。下层问题目标函数如下式所示：
[0140][0141]
其中网损、sop损耗和电压偏差定义分别如下式所示：
[0142][0143][0144][0145]
其中α1、α2、α3为低阶问题中成本函数的加权系数，l
ij,s
为场景s中ij线上电流的平方，r
ij
为线路ij的电阻，u
ref
为参考电压，u
i,s
为场景s中总线i处电压的平方。
[0146]
(3)其他下层约束为3中建立的运行模型，包括配电网运行模型、配气网运行模型、p2g设施运行模型、sop运行模型。
m方法处理.
[0169]
通过枚举下层整数变量，上述约束可以不断添加至上层问题，形成主-子问题迭代的架构，从而使问题可以通过不断迭代直至收敛。
[0170]
步骤七、输出规划和步骤2中聚类得到的典型场景下的运行结果。

技术特征：
1.一种考虑气-电互联的主动配网系统中的rdg和sop协同规划方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：输入待规划的rdg以及待规划的sop的参数，采用k-shape算法对历史数据集构建的可再生能源及负荷场景进行聚类；步骤2：构建考虑气-电互联的主动配网系统运行模型，包括配电网模型、配气网模型、p2g设施运行模型、sop运行模型；步骤3：构建rdg和sop投资建设规划的双层规划的非线性规划模型，将步骤2中的模型作为下层约束条件；步骤4：采用内接正多边形逼近和增量分段线性化技术，将步骤4中的双层非线性规划模型转化为双层混合整数二阶锥规划模型；步骤5：通过一种基于对偶转换和主-子问题迭代的算法进行求解。2.根据权利要求1所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，其特征在于：步骤1中网络及设施参数包括：配电网网络参数、配气网网络参数、p2g设施参数、sop参数以及rdg参数，所述k-shape算法具体为：(1)时间序列分配：在本步骤中，k-shape算法用根据定义的用互相关方法计算两个时间序列的距离为：其中是与的互相关系数，和是有效区域的点积的和，依次将每一个时间序列与所有计算出的质心进行比较，进而把每一个时间序列分配给最接近质心的聚类，以此来更新聚类中的成员关系，(2)更新聚类中心：在该步骤中，k-shape算法根据下面的公式计算并更新聚类中心，来反映前一步中聚类成员的变化，得到更合理的质心，其中，是更新后的质心，归一化之后的互相关系数，(3)迭代：迭代的重复前两步，直到标签不再变化为止。3.根据权利要求1所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：(1)对p2g设施建模，电力在p2g设施处被转换为人工天然气，并按甲烷的高热值计算转换后的能量，其约束条件如下所示，换后的能量，其约束条件如下所示，其中为情景s中电力到天然气j中氢气的气体输出，为p2g设备中质子交换膜
的效率，为场景s中总线j处质子交换膜的功耗，为功耗最大值，(2)主动配电网的运行约束采用二阶锥松弛的distflow模型建模，天然气配网运行采用稳态weymouth天然气网络模型，(3)高可再生能源渗透率下的rdg运行其中n
s
为场景s中的运行小时数，为场景s中总线i处rdg的有功功率输出，为场景s中变电站的有功功率注入，母线i处rdg的装机容量，为rdg穿透水平阈值，(4)sop运行建模：sop运行的稳态运行模型描述如下：功率平衡：vsc损耗：sop容量限制：vsc无功功率限制：其中为场景s中属于sopφ的vsc i的有功功率注入、无功功率注入和视在功率，场景s中属于sopφ的vsc i的功率损耗，ω
φ
与sop相连的母线组φ，母线i处sopφ的功率损耗系数，ω
φ
为sop最小无功功率系数φ。4.根据权利要求1所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统中分布式可再生能源和柔性软开关协同规划方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：rdg和sop投资建设的双层规划模型是由一个上层问题和一组下层问题组成，上层问题旨在将年度投资和运营(i&o)成本降至最低，根据上层问题的投资决策，下层问题反映了综合能源系统在各典型场景下的运行性能，(1)上层问题规划rdg和sop的选址定容，最小化系统的年化投资和运行费用，其目标函数如下所示：其中rdg和sop的年度投资成本定义如下式所示：
其中r为贴现率，sm为sop和rdg的使用寿命，为rdg和sop的年度投资成本，为sop所属vsc装机容量φ，年度电力购买成本定义如下式所示：其中c
e
为电力价格，年度天然气购买成本定义如下式所示：其中c
g
为天然气价格，场景s中天然气节点m处天然气阀站的注入天然气量，sop中的电压源型变换器(vsc)和wt的容量限制的二进制展开形式如下所示：sop中的电压源型变换器(vsc)和wt的容量限制的二进制展开形式如下所示：sop中的电压源型变换器(vsc)和wt的容量限制的二进制展开形式如下所示：sop中的电压源型变换器(vsc)和wt的容量限制的二进制展开形式如下所示：其中为二进制变量，如果安装了sop，则为1，否则为0，二进制变量，如果在总线i上安装了wt，则为1，否则为0，为属于sopφ的vsc和wt的最小容量单位，为属于sopφ的vsc容量的二进制展开的第k个二进制变量，为总线i处wt容量二进制扩展的第k个二进制变量，k
vsc
、k
wt
为vsc、wt容量的二进制变量数量s
vsc
、s
wt
为相应变量的最大最小值，(2)下层问题采用客观赋权critic法，同时最小化网损、sop运行损耗和电压偏差，下层问题目标函数如下式所示：min c
ll
＝α1·
f
loss,adn
+α2·
f
loss,sop
+α3·
f
vd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)其中网损、sop损耗和电压偏差定义分别如下式所示：其中网损、sop损耗和电压偏差定义分别如下式所示：
其中α1、α2、α3为低阶问题中成本函数的加权系数，l
ij,s
为场景s中ij线上电流的平方，r
ij
为线路i j的电阻，u
ref
为参考电压，u
i,s
为场景s中总线i处电压的平方，(3)其他下层约束为3中建立的运行模型，包括配电网运行模型、配气网运行模型、p2g设施运行模型、sop运行模型。5.根据权利要求1所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：(1)采用正多边形逼近方法，将sop容量约束中的平方和非线性约束转换为线性规划模型，其数学模型为：其中n为一个需要输入的参数，表示圆形区域被割为一个内接2n多边形，q
ij,st
，p
ij,st
为场景s时间t中线路i j的无功/有功功率，为线路ij中视在功率最大值，(2)采用增量线性化的方法，将配气网中的非线性约束转换为混合整数线性规划模型，从数学上来说，这是在将函数f(x)＝x
·
|x|线性化表示，有如下4个具体步骤：第1步：确定合适的分段数n；第2步：在x的取值范围内确定n个离散的点；第3步：求这n个离散点对应的f(x)的值；第4步：引入两个辅助变量δ和η，其中η为一个布尔量，f(x)可按下面4个式子确定第4步：引入两个辅助变量δ和η，其中η为一个布尔量，f(x)可按下面4个式子确定δ
k+1
≤η
k
,η
k
≤δ
k
,k＝1,2,...,npl-2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)0≤δ
k
≤1,k＝1,2,...,n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)其中k为下标时代表向量的第k个分量。6.根据权利要求1所述的一种考虑气-电互联的主动配网系统规划方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：利用一种基于对偶转换和主-子问题迭代的算法来求解该双层规划问题，待求解的双层规划混合整数二阶锥模型的紧凑形式如下：其中n表示二阶锥约束的数量，a，b为向量，a,b,c为系数矩阵当给定下层整数变量z＝z
*
时，下层问题满足slater条件，因此由可用将下层目标函数通过强对偶转换，采用二阶锥对偶技术，下层问题的最优解满足以下条件：
其中μ
i
和ν
i
是第i个二阶锥约束的两个对偶变量，模型中的双线性项可以通过big-m方法处理，通过枚举下层整数变量，上述约束可以不断添加至上层问题，形成主-子问题迭代的架构，从而使问题可以通过不断迭代直至收敛。

技术总结
本发明涉及一种考虑气-电互联的主动配网系统中的可再生能源分布式发电系统(RDG)及柔性软开关(SOP)的规划方法，本发明在传统包含RDG的主动配电网规划模型中额外考虑了与天然气配网的耦合以及SOP设施规划，更契合新型电力系统背景下的配电网技术发展，并可将一个双层非线性规划问题转换为迭代求解一系列易于求解的混合整数二阶锥问题。采用该模型进行考虑气-电互联的主动配网系统的规划，能够在确保高水平可再生能源渗透率的技术前提下，提高考虑气-电互联的主动配网系统运行的技术经济水平。水平。水平。


技术研发人员：俞楚天 徐谦 张利军 袁翔 孙轶恺 王蕾 戴攀 谷纪亭 徐威涛 耿磊 杨凯 范明霞 李圆
受保护的技术使用者：国网浙江省电力公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/9/20