一种电网功率分配优化方法和系统与流程

1.本发明属于电力领域，尤其涉及一种电网功率分配优化方法和系统。


背景技术：

2.在偏远山区或独立海岛等供电不便的地方，扩建电网需要高昂的经济成本和地理环境的要求，而电网的孤岛模式可以解决大型电网故障或偏远地区无法接入大型电网的问题。但是，在孤岛模式下，电网必须保持电压和频率的稳定性。此外，当大量基于用户发电的分布式发电机(dg)机组接入电网时，需要平衡用户发电与发电公司在电网中的竞争，因此离岛机组优化发电是一项复杂而具有挑战性的任务。
3.现有理论采用分布式平均比例积分二次控制，将电网频率和电压调节到参考值。另有学者提出了一种可以将电网频率稳定并将电压保持在标称电压下工作的模型，但需要分布式发电机之间的单向通信网络。近年来，也提出过在有限时间内使用电压控制和二次频率控制来恢复电压和频率的方法。研究中也出现过一种在有限时间内将频率和电压调节到参考值的鲁棒分布式有限时间二次控制器的概化方法。然而，这些研究都没有考虑电网中分布式发电机的主从问题，即如何在基于博弈论的条件下保证经济层面上的最优分配。
4.在电网中，如何在博弈论的框架下解决分布式发电机的主从问题以实现经济层面上的最优分配仍然是一个具有挑战性的问题。同时，随着管理模式的不断变化和发展，管理模式中各个环节的优化变得更加复杂。但是，通过博弈论的优化方法，可以在电网计划、市场、系统调度和控制方面获得更好的优化效果。


技术实现要素：

5.为了解决或者改善上述问题，本发明提供了一种电网功率分配优化方法和系统，具体技术方案如下：
6.本发明提供一种电网功率分配优化方法，包括：
7.建立目标电网在孤岛运行时的数学模型；
8.建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式；
9.构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点；
10.补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比。
11.优选的，所述建立目标电网在孤岛运行时的数学模型，包括：
12.基于藏本模型建立目标电网在孤岛运行时的数学模型。
13.优选的，所述建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式，包括：
14.构建电网中发电公司的成本函数：
15.其中，ag、bg为单轴燃气轮机发电成本系数，
pg为单轴燃气轮机日发电量，sd为配电网对用户与p
mjk
之间的电力交易收取的维护单价，p
mjk
为普通用户j向生产商的采购价格，q为生产消费者总数，n为发电公司总数，p
mjk
》0；
16.构建电网中生产消费者的成本函数：
17.其中，ck为新能源单位发电投资成本，fk是生产者在一天内产生的总电量；
18.分布式电网与生产消费者之间的平衡关系表达式：
19.其中，ui为用户i一天的用电量，为用户j向发电公司购买的电能。
20.优选的，所述构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点，包括：
21.其中，a
p
，b
p
为对应交流微电网中的电价系数。
22.优选的，所述补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比，包括：
23.最佳发电配比：其中p
*
为总发电功率，pd，，为发电机i的最优发电有功功率。
24.本发明提供一种电网功率分配优化系统，包括：
25.第一模块，用于建立目标电网在孤岛运行时的数学模型；
26.第二模块，用于建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式；
27.第三模块，用于构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点；
28.第四模块，用于补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比。
29.优选的，所述建立目标电网在孤岛运行时的数学模型，包括：
30.基于藏本模型建立目标电网在孤岛运行时的数学模型。
31.优选的，所述建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式，包括：
32.构建电网中发电公司的成本函数：
33.其中，ag、bg为单轴燃气轮机发电成本系数，pg为单轴燃气轮机日发电量，sd为配电网对用户与p
mjk
之间的电力交易收取的维护单价，p
mjk
为普通用户j向生产商的采购价格，q为生产消费者总数，n为生产公司总数，p
mjk
》0；
34.构建电网中生产消费者的成本函数：
35.其中，ck为新能源单位发电投资成本，fk是生产者在一天内产生的总电量；
36.分布式电网与生产消费者之间的平衡关系表达式：
37.其中，ui为用户i一天的用电量，为用户j向发电公司购买的电能。
38.优选的，所述构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点，包括：
39.纳什均衡值：其中，a
p
，b
p
为对应交流微电网中的电价系数。
40.优选的，所述补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比，包括：
41.最佳发电配比：其中，p
*
为总发电功率，pd，，，为发电机i的最优发电有功功率。
42.本发明的有益效果为：通过建立目标电网在孤岛运行时的数学模型；建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式；构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点；补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比，能够满足交流发电机稳定运行的同时，使发电公司和用户的利益最大化。
附图说明
43.图1是根据本发明的一种电网功率分配优化方法的示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
46.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下
文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
47.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
48.为了解决或者改善对背景所提出的问题，本发明提供如图1所示的电网功率分配优化方法，包括：
49.步骤s1、建立起微电网在孤岛运行时的数学模型；
50.步骤s2、建立孤岛运行中电力公司以及生产消费者的发电成本函数，并推算分布式电源与生产消费者之间的平衡关系表达式；
51.步骤s3、构建微电网整体的博弈模型及纳什平衡点；
52.步骤s4、补充各电力生产者在频率控制部分的支出得到最优发电配比。
53.实施例
54.将近似于稳态系统的准平稳网格看作连通图，建立分布式电源物理接线图。
55.步骤1：搭建藏本模型
56.为了精确测量，假设每个逆变器都有功率p
e,i
输入,逆变器i∈{1,...,n}上的等效公式为：
57.式(1)为对下垂控制方程的重写，式(1)为对下垂控制方程的重写，式(1)为对下垂控制方程的重写，di为下垂系数，θi为分布式电源相位角；为分布式电源的逆变器频率；为额定功率值；p
e,i
为有功功率。潮流方程由kundur给出：考虑n节点处无损同步交流电网的纯电感导纳矩阵节点电压幅值ei＞0，节点电压相位角节点i注入电网的有功功率为：
[0058][0059]
将式(1)与式(2)拟合可得到：
[0060][0061]
对于恒定的功率负载(无损)功率平衡方程也必须满足：
[0062][0063]
定义1：如果分布式逆变器下垂系数的选择满足分布式电源机组输出的有功功率满足则可以说配电网有功功率按比例分配。
[0064]
1.1分布式频率功率控制策略
[0065]
交流微电网中的所有分布式电源都可以看作是多智能体系统中的智能体。假设这些代理通过一个与简单的图形相关的无向且连接的通信网络相互通信。算法的迭代可以描述为：将λi(0)设为λi(t)在发电机i处的初始值，通过以下分布式共识算法：
[0066][0067]
其中，是生成器i的通信邻域；也就是说，这些生成器可以直接交换信息；为模型中发电机的总数。
[0068]
步骤2：搭建孤岛产电者的cournot博弈模型
[0069]
2.1构建微电网中发电公司的成本函数
[0070]
建立了一个包含生产者的孤岛微电网模型，包括微电网发电公司、生产消费者和一般用户。发电公司的总成本为：cd＝(ag+bgpg)pgꢀꢀꢀ
(6)；
[0071]
式中ag、bg为单轴燃气轮机发电成本系数，pg为单轴燃气轮机日发电量。
[0072]
由于用户之间进行电力交易时，消费者不具备与普通用户直接交换能量的设备，因此普通用户从生产消费者处购买的电能必须通过配电网进行交换，这种行为对微电网的稳定性有一定的影响。为了恢复微电网的稳定，额外的费用则由发电公司收取：
[0073]
其中sd为配电网对用户与p
mjk
之间的电力交易收取的维护单价，为普通用户j向生产商的采购价格，其中p
mjk
》0。
[0074]
将普通用户从[1，p]进行编号，同时兼具生产与消费的用户也以[1，p]进行编号。通过上述分析，可以将微电网中的发电公司的发电成本函数cd拟定为：
[0075][0076]
其中，ag、bg为单轴燃气轮机发电成本系数，pg为单轴燃气轮机日发电量，sd为配电网对用户与p
mjk
之间的电力交易收取的维护单价，p
mjk
为普通用户j向生产商的采购价格，n、q分别为发电公司总数与生产消费者总数；
[0077]
2.2构建微电网中生产消费者的成本函数
[0078]
生产消费者的购电支出很昂贵，所以无法被忽视，此处由bu表示：
[0079][0080]
式中，为第k个生产者一天内购买的总电量；uk为生产商一天消耗的总电量；fk为第k个生产者一天内的总发电量。
[0081]
注意当时，生产消费者自身需求负荷小于自发电量，即生产消费者自身发电满足自身负荷需求，则此时无购电支出，相应的购电支出为零，这是博弈理论中的一个条件。当生产消费群体的发电量大于自身负荷，即时，生产消费群体有多余的电力接入微电网，此时生产消费者与发电公司自然存在博弈竞争关系。对于生产消费者而言，虽然新能源发电受环境影响较大，但生产消费者的发电可以通过逆变器转换为自己的可用能源，也可以随时由其他用户购买。因此，环境对生产者生产的影响可以忽略不计。生产消费者投资新能源发电的成本c
inv
为：c
inv
＝(ca+cc)
×
pn(10)；
[0082]
其中，ca为新能源单位购置费；cc是新能源运行维护费用；pn为新能源单位容量。
[0083]
新能源装置的年发电量为发电厂额定容量与每年有效使用小时数的乘积，公式如下：qw＝8760cfpr(11)；其中，cf为新能源容量系数，pr为新能源发电机组功率。
[0084]
假设新能源站的使用寿命为n年，则整个生命周期的总发电量为：
[0085]
q＝nqwꢀꢀ
(12)；
[0086]
新能源单位发电投资成本ck为：
[0087][0088]
生产消费者发电量与新能源成本的关系式为：
[0089][0090]
综上所述，生产消费者cu的成本函数为：
[0091][0092]
分布式微电网与生产消费者之间的平衡关系表达式为：
[0093][0094]
其中，ui为用户i一天的用电量，为用户j向发电公司购买的电能。
[0095]
由式(7)可知，所有用户的用电量等于发电公司的发电能力加上所有生产用户的发电量，其中发电量等于所有普通用户向所有生产用户购买的电量和普通用户向发电公司购买的电量。
[0096]
步骤3：计算微电网的博弈模型及纳什平衡点
[0097]
现在将求解发电公司和所有用户的古诺模型的纳什平衡点，计算出最优发电比，这同时也是控制策略。将微电网模型中的电价函数pp设为：
[0098]
其中，a
p
、b
p
为交流微电网中对应的电价系数。
[0099]
根据博弈竞争模型可知，发电公司利润π1和用户利润π2分别为：
[0100][0101]
将式(8)与式(16)引入收入函数可得：
[0102][0103]
在确定了生产用户数量后，就确定了相应的发电量和发电成本。根据微电网平衡关系，得到上述收益函数的一阶条件优化：
[0104][0105]
发电企业与生产消费者之间的反应函数为：
[0106][0107]
可得到包含生产消费者的分布式微电网博弈模型的纳什均衡值为：
[0108][0109]
即当发电公司和生产消费者生产的电量满足上述公式时，发电公司和生产消费者可以获得最大的效益。此外，从博弈竞争模型可知，这种“约束”的双方都会“自觉”服从，因为当发电企业或生产消费者中的任何一方偏离纳什平衡点时，都无法获得最大利润。
[0110]
步骤4：拟定生产消费者的微电网频率控制策略
[0111]
将上节计算的发电公司最优发电功率与用户的比值作为频率功率控制算法的控制目标之一。
[0112]
对于太阳能光伏发电和单轴燃气轮机发电机组，建立振子模型：
[0113]
式中，di为下垂系数；θi为分布式电源单元相位角；为逆变分布式电源单元的频率；θj为耦合节点的相位角。ei为内电压；y
ij
是节点i和节点j之间的导纳；为光伏发电机组的额定输出功率。
[0114]
因为是发电机组，所以额定功率的值为正。单轴结构燃气轮机的仓本振子模型为：
[0115]
给出频率型测压元件的仓本振子模型：
[0116]
恒功率负载传感器的仓本振子模型为：
[0117]
根据上述分析，本方案所采用的带生产用户的分布式交流电机的动态方程包括逆变型分布式电源机组、频率型负载和恒功率负载。具体公式如下：
[0118][0119]
其中假设{1,...,p}是发电公司的分布式电源单元，{p+1,...,q}是电力生产用户的分布式电源单元，{q+1,...,h}是用户频率类型负载，{h+1,...,n}是用户恒功率型负载。
[0120]
4.1分布式电源机组的微电网的二次频率功率控制
[0121]
二次频率-功率的控制目标如下：
[0122]
(1)微电网中所有节点的频率保持稳定，为额定频率：
[0123][0124]
(2)发电机组输出有功功率按比例分配：
[0125][0126]
由于太阳能光伏发电机组的输出取决于自然环境，其大小可调，其输出功率值包括一个调整量pi；即实际输出有功功率值为
[0127]
定理1在负荷消耗小于等于总发电量的假设下，根据功率平衡，分布式电源机组输出的有功功率应等于微电网机组中所有负荷消耗的功率；即如果有功功率按比例分配，可以证明条件(a)和(b)是等价的。
[0128]
(a)分布式电源机组实际输出有功功率小于或等于其最大发电功率，
[0129]
(b)负载所消耗的总功率小于等于发电机组的最大功率之和，
[0130]
设各发电机组有功功率比ai为：
[0131]
最优有功功率由式(34)联立后得到：
[0132][0133]
并且满足：满足：式中，p
*
为总发电量；为发电机i的最优发电有功功率；p
li
是负载i消耗的功率；为发电机i的容量。每个分布式电源单元通过迭代得到对a的准确估计，迭代由分布式电源通过通信网络上的本地消息交换实现(可能与物理总线连接有显著差异)。
[0134]
每个生成器i必须只满足式(30)更新为：
[0135]
每台发电机的有功功率为：
[0136]
对于通信网络的连通性和算法加权顺序，假设如下：
[0137]
(a)它们之间的通信网络是连通的；
[0138]
(b)算法权值序列属于持续激励类型，满足以下条件：
[0139]
(1){γ
t
}与{η
t
}逐渐减小，即t
→
∞,γ
t
→
0,η
t
→0[0140]
(2)拥有持续的激励信号，即当时，若(a)和(b)保持成立，则在t
→
∞时对于所有的都存在λi(t)
→
λ
*
和
[0141]
将式(30)和(35)联立可以得到最佳发电配比λ
*
：
[0142][0143]
其中p
*
为总发电功率，pd，，为发电机i的最优发电有功功率；
[0144]
本发明的有益效果包括：
[0145]
(1)建立了包含生产者、消费者和发电企业的筒仓式交流微电网模型，其中发电用户既被定义为生产者也被定义为消费者；也就是说，用户既可以消耗电力，也可以将多余的电力连接到微电网。(2)基于古诺博弈论，计算出了交流微电网模型中用户和发电公司的产量纳什均衡点，即最优发电比。(3)采用基于共识理论的分布式控制策略，以最优发电比为频率功率控制策略的控制目标，交流微电网在一定的总消耗负荷下为各分布式电源机组发电。功率按照最优发电的比例进行分配，消除了微电网中各个分布式电源单元的频率偏差，从而保证了用户的电能质量。
[0146]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0147]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0148]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种电网功率分配优化方法，其特征在于，包括：建立目标电网在孤岛运行时的数学模型；建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式；构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点；补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比。2.根据权利要求1所述电网功率分配优化方法，其特征在于，所述建立目标电网在孤岛运行时的数学模型，包括：基于藏本模型建立目标电网在孤岛运行时的数学模型。3.根据权利要求2所述电网功率分配优化方法，其特征在于，所述建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式，包括：构建电网中发电公司的成本函数：其中，a
g
、b
g
为单轴燃气轮机发电成本系数，p
g
为单轴燃气轮机日发电量，s
d
为配电网对用户与p
mjk
之间的电力交易收取的维护单价，p
mjk
为普通用户j向生产商的采购价格，q为生产消费者总数，n为发电公司总数，p
mjk
>0；构建电网中生产消费者的成本函数：其中，c
k
为新能源单位发电投资成本，f
k
是生产者在一天内产生的总电量；分布式电网与生产消费者之间的平衡关系表达式：其中，u
i
为用户i一天的用电量，为用户j向发电公司购买的电能。4.根据权利要求3所述电网功率分配优化方法，其特征在于，所述构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点，包括：其中，a
p
，b
p
为对应交流微电网中的电价系数。5.根据权利要求4所述电网功率分配优化方法，其特征在于，所述补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比，包括：最佳发电配比：其中p
*
为总发电功率，p
d
，，为发电机i的最优发电有功功率。
6.一种电网功率分配优化系统，其特征在于，包括：第一模块，用于建立目标电网在孤岛运行时的数学模型；第二模块，用于建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式；第三模块，用于构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点；第四模块，用于补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比。7.根据权利要求6所述电网功率分配优化系统，其特征在于，所述建立目标电网在孤岛运行时的数学模型，包括：基于藏本模型建立目标电网在孤岛运行时的数学模型。8.根据权利要求7所述电网功率分配优化系统，其特征在于，所述建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式，包括：构建电网中发电公司的成本函数：其中，a
g
、b
g
为单轴燃气轮机发电成本系数，p
g
为单轴燃气轮机日发电量，s
d
为配电网对用户与p
mjk
之间的电力交易收取的维护单价，p
mjk
为普通用户j向生产商的采购价格，q为生产消费者总数，n为生产公司总数，p
mjk
>0；构建电网中生产消费者的成本函数：其中，c
k
为新能源单位发电投资成本，f
k
是生产者在一天内产生的总电量；分布式电网与生产消费者之间的平衡关系表达式：其中，u
i
为用户i一天的用电量，为用户j向发电公司购买的电能。9.根据权利要求8所述电网功率分配优化系统，其特征在于，所述构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点，包括：纳什均衡值：其中，a
p
，b
p
为对应交流微电网中的电价系数。10.根据权利要求9所述电网功率分配优化系统，其特征在于，所述补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比，包括：最佳发电配比：其中，p
*
为总发电功率，p
d
，，，为发电机i的最优发电有功功率。

技术总结
本发明属于电力领域，尤其涉及电网功率分配优化方法和系统，方法包括建立目标电网在孤岛运行时的数学模型；建立在孤岛运行中电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式；构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点；补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比。通过建立目标电网在孤岛运行时的数学模型；建立电力公司和生产消费者的发电成本函数，以推算分布式电源与所述生产消费者之间的平衡关系表达式；构建电网整体的博弈模型及纳什平衡点；补充各电力生产者在频率控制部分的支出以得到最优发电配比，能够满足交流发电机稳定运行的同时，使发电公司和用户的利益最大化。大化。大化。


技术研发人员：孙乐平 陈卫东 郭小璇 韩帅 卢健斌 吴宁 肖静 姚知洋 阮诗雅 龚文兰 吴晓锐 赵立夏
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/31