一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统和方法

摘要

本发明公开了一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统和方法。所述一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统和方法包括配电网自动化系统接口模块、配电网络结构数据库模块、消纳清洁能源优化控制模块、控制对象选择模块、人机交互模块、操作命令下发通信接口模块，同时，本发明提出了基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型及消纳清洁能源优化调控计算模型下的电力系统电网对多种清洁能源接入的负荷优化调控计算模型，并利用所述计算模型进行清洁能源优化调控计算，形成了大规模清洁能源接入背景下电力系统电网负荷优化控制策略的调控方法，以此调控方法可使本发明快速计算并形成电力系统电网负荷优化调控策略，从而提高了所述清洁能源消纳的负荷控制系统的求解效率，提高运算速度，最终达到降低网络损耗，提高配电系统安全经济运行的目的。

权利要求

1.一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统，包括：

配电网自动化系统，用于获取典型运行日下配电网历史运行数据值及当前时刻下配电网的实时运行数据；

配电网络结构数据库，用于获取配电网支路参数；

消纳清洁能源优化控制模块，接收该配电网自动化系统获取的典型运行日下配电网各节点电压历史数据值、各节点注入的有功功率值及无功功率值作为城市电网对多种清洁能源优化调控模块的电压初始计算值，利用基于支路电流方程和节点电压方程组成的电力系统网络计算模型及支路电压初始值计算配电网各条支路的电流初始值，利用电压初始值、各支路电流初始值、清洁能源优化模型求解的最优清洁能源控制结果及牛顿拉夫逊迭代算法计算出各支路电流的新值，并依据各支路电流新值与各支路电流初始值之间的差值利用基于阻抗方程和对地方程的电力系统计算模型形成电力系统对多种清洁能源优化调控策略；

控制对象选择模块，用于提供调度人员对操作对象进行选择，发出控制命令；

人机交互模块，输出计算出的电力系统对多种清洁能源优化调控策略及各仿真信息；

操作命令下发通信接口模块，提供与配电网自动化系统之间的通信接口，将控制命令传递给该配电网自动化系统。

2.如权利要求1所述的一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统，其特征在于，所述基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型包括支路电流方程和节点电压方程，所述支路电流方程为：所述节点电压方程为：

其中， 表示支路集合；i，j=1,2，…，N为节点集合；分 分别为支路电流的实部和虚部； 为节点电压的实部和虚部； 分别为支路 的电阻和电抗； 为支路 对地的1/2电纳； 为节点注入的有功和无功功率，令分别表示节点注入电流的实部和虚部(不含对地支路

电流)； ，进一步地，该清洁能源优化控制模型为：

约束条件为：

其中：P为配电网支路功率； 为网络中的 节点之间的支路功率的上下限； 为各节点电压的上下限。

说明书

一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及清洁能源消纳技术领域，特别是涉及一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统和方法。

背景技术

[0002] 近年来随着我国经济蓬勃发展，对煤、石油、天然气等能源需求日益增长的同时也造成了雾霾、温室效应等严重的环境污染问题。为解决能源、环境危机问题，走可持续发展的道路，我国积极推动节能减排以及绿色能源发展为主的战略政策。清洁、环保的清洁能源在这种趋势下呈现出蒸蒸日上的繁荣景象。

[0003] 我国清洁能源利用进入大规模并网阶段，然而，由于电网建设相对滞后等问题导致了清洁能源无法全部消纳，成为制约风电、光伏为代表的清洁能源持续、健康发展的瓶颈。电力系统是个实时动态平衡系统，发电、输电、用电必须时刻保持平衡，上述弃风、弃光现象出现的原因在于清洁能源具有随机性、波动性、间歇性与反调峰特性。电网对于清洁能源的消纳能力取决于系统中灵活可调资源的多少，常规来说主要由系统中非风电的常规机组担当调峰角色，但随着国家整体节能减排政策的推广，清洁能源发电的装机容量大幅度增多，相比较而言常规机组的相对装机容量势必会减少。

[0004] 传统电力行业一般通过增加装机容量来应对电力负荷的快速增长，但一味的增加装机容量不仅将对煤炭、石油等不可再生的一次能源造成极大的浪费，对自然环境造成极大的破坏，还将对电力网络自身的安全稳定运行带来一系列问题，由于负荷随时间、季节等波动，使得电力供应曲线峰谷差较大，负荷峰值较大但持续时间又通常较短，为保持系统稳定运行又必须为这部分负荷提供相应较大的备用容量，这个矛盾使得系统备用容量一直维持在较低水平，不利于电网安全稳定运行，负荷预测的难度越来越大，调度也越来越困难，电力的大规模、远距离传输也将使得网络损耗变得难以接受等。这些现象表明随着电力负荷需求的高速增长及负荷自身季节性、时段性的特征，原有的单纯依靠增加发电机组容量来应对负荷高峰的方法已经变得不再合理与实际，同时电网基础成本的增加也将分摊到用户侧，使用户的电力费用变得日益难以接受，对电力用户造成较大冲击，不利于电网合理经济运行。在此情况下，需求侧管理措施提上了电力公司及用户的日程。

[0005] 在目前的清洁能源接纳研究中，主要以电网负荷水平与特性、电源调峰能力、清洁能源出力特性为边界条件开展研究。考虑到风电的反调峰特性与光伏午间出力最大的特点，具体是富裕的电源调峰能力优先考虑接纳风电，然后从剩余调峰能力、负荷特性波动、风电光伏“互补”等方面分析光伏的接纳能力。风电消纳能力主要依靠电网调峰能力，光伏消纳能力主要依靠负荷特性。这种方法更适合以风电为主的清洁能源发展模式，而不适应以光伏为主的清洁能源发展模式。更重要的是，电网负荷特性基于用户用电行为，可采取需求侧管理、用户主动参与电网互动等手段进行优化，对于不同穿透率、不同风光配比的清洁能源而言，可通过优化电网负荷特性，提升电网清洁能源总体接纳能力，进而促使电网整体主动适应能源低碳发展的新形势。

发明内容

[0006] 为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统和方法，其可有效地提高在大规模可再生能源接入背景下提高电力系统对清洁能源消纳的优化调控系统计算的求解效率及解的准确度，从而提高了所述适用于清洁能源消纳的负荷控制系统的整体工作效果。

[0007] 为达到上述目的，本发明提供一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统，包括：配电网自动化系统，用于获取典型运行日下配电网历史运行数据值及当前时刻下配电网的实时运行数据；
配电网络结构数据库，用于获取配电网支路参数；
消纳清洁能源优化控制模块，接收该配电网自动化系统获取的典型运行日下配电网各节点电压历史数据值、各节点注入的有功功率值及无功功率值作为城市电网对多种清洁能源优化调控模块的电压初始计算值，利用基于支路电流方程和节点电压方程组成的电力系统网络计算模型及支路电压初始值计算配电网各条支路的电流初始值，利用电压初始值、各支路电流初始值、清洁能源优化模型求解的最优清洁能源控制结果及牛顿拉夫逊迭代算法计算出各支路电流的新值，并依据各支路电流新值与各支路电流初始值之间的差值利用基于阻抗方程和对地方程的电力系统计算模型形成电力系统对多种清洁能源优化调控策略；
控制对象选择模块，用于提供调度人员对操作对象进行选择，发出控制命令；
人机交互模块，输出计算出的电力系统对多种清洁能源优化调控策略及各仿真信息；
操作命令下发通信接口模块，提供与配电网自动化系统之间的通信接口，将控制命令传递给该配电网自动化系统。

[0008] 进一步地，所述典型运行日下配电网历史运行数据包括典型运行日典型时刻对应的配电网各节点电压历史运行值、配电网各节点注入有功功率值、无功功率值，所述配电网当前时刻下电网的实时运行数据包括当前时刻下配电网各节点电压运行值、各节点注入有功功率数值。

[0009] 进一步地，所述配电网支路参数包括配电网各节点类型、配电网各节点有功电源出力最大、最小值，各节点无功电源出力最大、最小值，节点编号，支路编号。

[0010] 进一步地，所述支路电流方程为：所述节点电压方程为：
其中， 表示支路集合； 为节点集合； 分别为支路 电流的
实部和虚部； 为节点电压的实部和虚部； 分别为支路 的电阻和电抗；为支路对地的1/2电纳； 为节点注入的有功和无功功率。令 , 分别表示节点
注入电流的实部和虚部(不含对地支路电流)； 。

[0011] 进一步地，该清洁能源优化控制模型为：约束条件为：
其中：为配电网支路功率； 为网络中的i,j节点之间的支路功率的上下限；
为各节点电压的上下限。

[0012] 为达到上述目的，本发明还提供一种适用于清洁能源消纳的负荷控制研究方法，包括如下步骤：步骤一，利用配电网自动化系统获取典型运行日下配电网历史运行数据值及当前时刻下配电网的实时运行数据，利用配电网络结构数据库获得配电网支路参数，并设定优化迭代计算的终止判断参数值ε；
步骤二，将获取的典型运行日下配电网各节点电压历史数据值、各节点注入的有功功率值及无功功率值，传递给消纳清洁能源优化控制模块，作为消纳清洁能源优化控制模块电压初始计算值；
步骤三，利用基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型及步骤二中获得的电压初始值，计算电网各条支路的电流初始值；
步骤四，利用电压初始值、电网各支路电流初始值求解消纳清洁能源优化控制计算模型及牛顿拉夫逊迭代算法计算出各支路电流的新值；
步骤五，计算各支路电流新值与各支路电流初始值之间的差值，判断该差值是否小于给定的ε值，如果差值小于给定的ε值，则转到步骤七，若差值大于给定的ε值，则转到步骤六；
步骤六，将步骤四中各支路电流的新值作为消纳清洁能源优化控制模型中计算各支路电流的初始值，并利用基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型计算出对应于各支路电流初始值的节点电压的初始值，转到步骤四；
步骤七，依据基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型计算出对应于各支路电流的各节点电压及各节点的优化潮流，并形成配电网清洁能源消纳的负荷优化调控策略。

[0013] 进一步地，在步骤七之后，还包括如下步骤：依据获取的配电网实时运行电网各节点电压数据、各节点注入的有功功率、无功功率数值对所述消纳清洁能源的负荷优化控制策略进行配电网潮流计算、网损计算，从而对所述调制策略进行安全性及配电网经济性校验，并将调控策略及校验结果输出；通过控制命令下发通信接口模块将调控命令传递给配电网自动化系统，由配电网自动化系统传递控制信息到控制对象，从而完成消纳清洁能源优化控制的执行工作。

[0014] 进一步地，所述典型运行日下电网历史运行数据包括典型运行日典型时刻对应的配电网各节点电压历史运行值、配电网各节点注入有功功率值、无功功率值；所述配电网当前时刻下电网的实时运行数据包括当前时刻下配电网各节点电压运行值、各节点注入有功功率数值；所述配电网支路参数包括：配电网各节点类型、配电网各节点有功电源出力最大、最小值，各节点无功电源出力最大、最小值，节点编号，支路编号。

[0015] 进一步地，所述基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型包括支路电流方程和节点电压方程，所述支路电流方程为：所述节点电压方程为：
其中， 表示支路集合； 为节点集合； 分别为支路 电流的
实部和虚部； 为节点i电压的实部和虚部； 分别为支路 的电阻和电抗；为支路对地的1/2电纳； 为节点注入的有功和无功功率。令 , 分别表示节点
注入电流的实部和虚部(不含对地支路电流)； 。

[0016] 进一步地，该清洁能源优化控制模型为：约束条件为：
其中：P为配电网支路功率； 为网络中的i，j节点之间的支路功率的上下限；
为各节点电压的上下限。

[0017] 与现有技术相比，本发明一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统和方法采用了基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型，以及电网优化调控计算模型的消纳清洁能源优化控制模块。利用这种模型同时对配电网中的节点电压和支路电流进行计算，同时利用消纳清洁能源优化控制模块，解决了在大规模清洁能源接入电网背景下电力系统电网优化调控系统计算过程中的线性化问题，提高了电网对清洁能源消纳的负荷优化计算过程中解的收敛速度，并将配电网清洁能源消纳的负荷优化调控策略对配电网实时运行状态下在线安全性校验计算及调控前后网络损耗对比等实时仿真计算，并将消纳清洁能源优化控制模块计算得到的配电网清洁能源消纳的负荷优化调控策略结果、在线安全性校验结果、调控前后网络损耗对比等实时仿真计算结果输出到人机交互界面，由电力系统调度员进一步进行修改确认，形成的控制策略，需再次进行安全性校验及网络损耗对比计算，直到调整后的策略满足电网安全经济运行的目标为止，才最终将控制策略经清洁能源消纳的负荷控制系统的控制命令下发通信接口模块下发给配电网自动化系统，由配电网自动化系统完成对配电网实际运行设备投切控制，可以安全地提高配电网运行的经济性，进而提高配电网运行的经济效益及社会效益。

附图说明

[0018] 图1为本发明一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统架构图；图2为本发明一种适用于清洁能源消纳的负荷控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

[0019] 以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

[0020] 图1为本发明一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统架构图。如图1所示，本发明一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统，至少包括：配电网自动化系统接口模块101、配电网络结构数据库模块102、消纳清洁能源优化控制模块103、控制对象选择模块104、人机交互模块105、操作命令下发通信接口模块106。

[0021] 其中，配电网自动化系统接口模块101用于获取典型运行日下配电网历史运行数据值及当前时刻下配电网的实时运行数据，所述典型运行日下配电网历史运行数据包括：典型运行日典型时刻对应的配电网各节点电压历史运行值、配电网各节点注入有功功率值、无功功率值，所述配电网当前时刻下电网的实时运行数据包括：当前时刻下配电网各节点电压运行值、各节点注入有功功率数值。

[0022] 配电网络结构数据库模块102用于获取配电网支路参数，所述配电网支路参数包括：配电网各节点类型、配电网各节点有功电源出力最大、最小值，各节点无功电源出力最大、最小值，节点编号，支路编号。

[0023] 消纳清洁能源优化控制模块103，接收该配电网自动化系统获取的典型运行日下配电网各节点电压历史数据值、各节点注入的有功功率值及无功功率值作为城市电网对多种清洁能源优化调控模块的电压初始计算值，利用基于支路电流方程和节点电压方程组成的电力系统网络计算模型及支路电压初始值计算配电网各条支路的电流初始值，利用电压初始值、各支路电流初始值、清洁能源优化模型求解的最优清洁能源控制结果及牛顿拉夫逊迭代算法计算出各支路电流的新值，并依据各支路电流新值与各支路电流初始值之间的差值利用基于阻抗方程和对地方程的电力系统计算模型形成电力系统对多种清洁能源优化调控策略。

[0024] 其中，基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型包括支路电流方程和节点电压方程，所述支路电流方程为：所述节点电压方程为：
其中， 表示支路集合； 为节点集合； 分别为支路 电流的
实部和虚部； 为节点i电压的实部和虚部； 分别为支路 的电阻和电抗；为支路对地的1/2电纳； 为节点注入的有功和无功功率。令 , 分别表示节点
注入电流的实部和虚部(不含对地支路电流)； 。

[0025] 清洁能源优化控制模型为：约束条件为：
其中：为配电网支路功率； 为网络中的i，j节点之间的支路功率的上下限；
为各节点电压的上下限。

[0026] 具体地说，消纳清洁能源优化控制模块103，接收配电网自动化系统接口模块101获取的典型运行日下配电网各节点电压历史数据值，各节点注入的有功功率值及无功功率值作为电压初始计算值，然后利用基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型及电压初始值计算配电网各条支路的电流初始值，并利用电压初始值、电网各支路电流初始值、清洁能源接入电网的最优调控模型求解的电力系统电网对消纳清洁能源优化调控计算模型及牛顿拉夫逊迭代算法计算出各支路电流的新值，接着计算各支路电流新值与各支路电流初始值之间的差值，判断这个差值是否小于一给定的ε值，如果差值小于给定的ε值，则依据基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型计算出对应于各支路电流的各节点电压及各支路的潮流，并形成电力系统对多种清洁能源接入的负荷优化调控策略，如果差值大于给定的ε值，则将各支路电流的新值作为消纳清洁能源优化调控模块计算各支路电流的初始值，利用基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型计算出对应于各支路电流初始值的节点电压的初始值，重新利用电压初始值、电网各支路电流初始值、求解消纳清洁能源的负荷优化控制计算模型及牛顿拉夫逊迭代算法计算出各支路电流的新值。

[0027] 控制对象选择模块104，用于提供调度人员对操作对象进行选择，发出控制命令。具体地说，通过清洁能源消纳的负荷控制系统运行人员的控制策略后，配电网调度人员将在系统操作界面对操作对象进行选择，发出控制命令。

[0028] 人机交互模块105，输出计算出的电力系统对多种清洁能源优化调控策略、当前配电网运行状态下电力系统对多种清洁能源优化调控策略执行后电网电压越上限或者越下限的仿真信息、当前配电网运行状态下电力系统对多种清洁能源优化调控策略执行后电网网损变化等仿真信息。在本发明较佳实施例中，通过计算机显示器提供人机交互界面，通过这个界面，系统运行人员可以获得所述的清洁能源消纳的负荷控制系统计算出的电力系统对多种清洁能源优化调控策略，当前配电网运行状态下电力系统对多种清洁能源优化调控策略执行后电网电压越上限或者越下限的仿真信息，当前配电网运行状态下电力系统对多种清洁能源优化调控策略执行后电网网损变化等仿真信息，根据上述信息清洁能源消纳的负荷控制系统的运行人员可以确定是否需要对输出的优化控制策略进行诸如删除部分控制策略、调整电源点电压、调整变压器档位、增加控制对象等信息调整，经确认后，可再次执行仿真计算。

[0029] 操作命令下发通信接口模块106，提供系统与配电网自动化系统之间的通信接口模块，将控制命令传递给配电网自动化系统，由配电网自动化系统完成对电网实际运行设备操作控制。

[0030] 图2为本发明一种适用于清洁能源消纳的负荷控制方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种适用于清洁能源消纳的负荷控制方法，包括如下步骤：步骤S1，获取典型运行日下配电网历史运行数据值及当前时刻下电网的实时运行数据，获得电网支路参数，设定优化迭代计算的终止判断参数值ε。具体地说，由配电网自动化系统接口模块获取典型运行日下配电网历史运行数据值及当前时刻下配电网的实时运行数据，所述典型运行日下配电网历史运行数据包括：典型运行日典型时刻对应的配电网各节点电压历史运行值、电网各节点注入有功功率值、无功功率值，所述配电网当前时刻下电网的实时运行数据包括：当前时刻下配电网各节点电压运行值、各节点注入有功功率数值；
由配电网网络结构数据库接口模块获得配电网网络结构参数，所述配电网支路参数包括：
电网各节点类型、电网各节点有功电源出力最大、最小值，各节点无功电源出力最大、最小值，节点编号，支路编号；最后通过人机界面设定无功优化迭代计算的终止判断参数值ε，所述的ε值是一个很小的数值，可以是0.1,0.01,0.001等。

[0031] 步骤S2，将获取的典型运行日下配电网各节点电压历史数据值、各节点注入的有功功率值及无功功率值，传递给消纳清洁能源优化控制模块，作为确定消纳清洁能源优化控制模块电压初始计算值。

[0032] 步骤S3，利用基于支路电流方程和节点电压方程的电网计算模型及步骤S2中获得的电压初始值，计算电网各条支路的电流初始值。

[0033] 具体地说，基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型包括支路电流方程和节点电压方程，所述支路电流方程为：所述节点电压方程为：
其中， 表示支路集合； 为节点集合； 分别为支路 电流的
实部和虚部； 为节点电压的实部和虚部； 分别为支路的电阻和电抗；为支路对地的1/2电纳； 为节点注入的有功和无功功率。令 , 分别表示节点
注入电流的实部和虚部(不含对地支路电流)； 。

[0034] 该清洁能源优化控制模型为：约束条件为：
其中：为配电网支路功率； 为网络中的i，j节点之间的支路功率的上下限；
为各节点电压的上下限。

[0035] 步骤S5，计算各支路电流新值与各支路电流初始值之间的差值，判断这个差值是否小于给定的ε值，如果差值小于给定的ε值，则转到步骤S7，如果差值大于给定的ε值，则转到步骤S6；步骤S6，将步骤S4中各支路电流的新值作为消纳清洁能源优化控制模块计算各支路电流的初始值，利用基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型计算出对应于各支路电流初始值的节点电压的初始值，转到步骤S4；
步骤S7，依据基于支路电流方程和节点电压方程的电网计算模型计算出对应于各支路电流的各节点电压及各支路潮流，并形成消纳清洁能源优化控制策略。

[0036] 较佳的，在步骤S7之后，依据步骤S1中获取的配电网实时运行电网各节点电压数据、各节点注入的有功功率、无功功率数值对所述的消纳清洁能源优化控制策略进行电网潮流计算、网损计算，从而对所述的控制策略进行安全性及配电网经济性校验，并将控制策略及校验结果输出到人机界面，经人工对控制策略进行确认或者调整之后，通过控制命令下发通信接口模块将调控命令传递给配电网自动化系统，由配电网自动化系统传递控制信息到控制对象，从而完成消纳清洁能源的负荷优化控制的执行工作。

[0037] 综上所述，本发明一种适用于清洁能源消纳的负荷控制系统和方法采用了基于支路电流方程和节点电压方程的电力系统电网计算模型，以及消纳清洁能源的负荷优化调控计算模型。利用这种模型同时对配电网中的节点电压和支路电流进行计算，同时利用消纳清洁能源优化控制模块，解决了在大规模清洁能源接入电网背景下电力系统电网优化调控系统计算过程中的线性化问题，提高了电网对清洁能源消纳的负荷优化计算过程中解的收敛速度，并将配电网清洁能源消纳的负荷优化调控策略对配电网实时运行状态下在线安全性校验计算及调控前后网络损耗对比等实时仿真计算，并将消纳清洁能源优化控制模块计算得到的配电网清洁能源消纳的负荷优化调控策略结果、在线安全性校验结果、调控前后网络损耗对比等实时仿真计算结果输出到人机交互界面，由电力系统调度员进一步进行修改确认，形成的控制策略，需再次进行安全性校验及网络损耗对比计算，直到调整后的策略满足电网安全经济运行的目标为止，才最终将控制策略经清洁能源消纳的负荷控制系统的控制命令下发通信接口模块下发给配电网自动化系统，由配电网自动化系统完成对配电网实际运行设备投切控制，可以安全地提高配电网运行的经济性，进而提高配电网运行的经济效益及社会效益。

[0038] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。