本发明提供一种多时段解耦的友好互动配电网电压无功滚动优化方法，包括以下步骤：S1、建立关于离散的有载调压开关(OLTC)分接头的长时段主问题优化模型；S2、基于模型预测理论建立关于连续的分布式光伏(PV)功率输出一系列短时段子问题滚动优化模型；S3、采用benders分解主子问题迭代过程，求解友好互动配电网电压无功优化模型的全局最优解。本发明充分考虑PV发电的不确定性，进一步降低OLTC档位变化成本，保证了友好互动配电网电压优化策略的经济性和安全性。
1.一种多时段解耦的友好互动配电网电压无功滚动优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立关于离散的有载调压开关OLTC分接头的长时段主问题优化模型，所述长时段主问题优化模型包括主问题目标函数和主问题约束条件；
S2、细化步骤S1建立的主问题目标函数中包含的子问题模型，具体的，使用模型预测理论建立关于连续的分布式光伏PV功率输出的一系列短时段子问题滚动优化模型；
S3、采用benders分解法通过分解主子问题迭代求解过程，求解S1、S2共同组成的友好互动配电网电压无功滚动优化模型的全局最优解；
引入辅助变量α，以OLTC分接头调节成本最小化，建立主问题目标函数：式(1)中：tl表示长时段窗口，k表示迭代次数， 表示第k+1次迭代的主问题目标函数， 表示第k次迭代的子问题目标函数，α是一个为方便求解引入的辅助变量，λ为一个对偶变量，ΔNtap表示OLTC分接头档位的变化量，cb表示OLTC调节的单位成本系数；
α≥αdown (3)式(2)‑(7)中：αdown取一个足够小的正数作为辅助变量的初始边界，ts表示短时段窗口，V表示节点电压矩阵，则 表示在tl长时间优化时段内的ts时刻的电压矩阵， 和分别为在tl长时间优化时段内的ts时刻的OLTC档位变化和光伏、负荷功率变化引max min起的节点电压变化值，V 和V 分别表示节点电压上下限； 和 分别表示OLTC分接头档位的上下限；
式(8)‑(14)中， 表示一个长时段内对应的短时段个数，Hs和hs表示MPC预测控制时域及时间窗口，cQ,PV和cP,PV分别表示光伏无功和有功的单位调节成本， 和 表示光伏有功和无功功率的变化量， 和 分别表示光伏有功功率实际的输出量和预测量，和 表示节点负荷有功和无功功率的变化量， 和 表示有光伏、负ref
荷功率变化和OLTC档位分接头变化而引起的节点电压变化量，V 表示节点电压参考值，表示有功损耗，N表示总数，Gij和θij分别表示节点i与节点j之间的电导以及相角，ΔVd表示OLTC分接头变化一个单位低压侧母线电压的变化量；
SP和SQ表示节点电压和有功/无功功率之间的灵敏度矩阵，Stap表示节点电压与OLTC低压侧档位之间的灵敏度，具体见式(15)‑(17)：‑1 ‑1
SP＝((B+Q)(G‑P) (B‑Q)+(G+P)) (15)‑1 ‑1
SQ＝‑((G‑P)(B+Q) (G+P)+(B+Q)) (16)其中B、G分别表示配电网的电导矩阵与电纳矩阵，P、Q分别表示配电网各节点的有功功率矩阵与无功功率矩阵；
子问题接收主问题传递的OLTC分接头档位值作为约束条件，如式(18)、(19)，式(20)‑(22)表示为各分布式光伏电源功率调节量约束：式(20)‑(22)中， 表示光伏电源m的无功功率的最大调节量， 表示光伏电源m的最大功率因数角，Sm,PV表示光伏电源m的容量，Pmax为最大有功发电量， 和 分别表示各光伏电源的有功功率调节的上下限， 和 分别表示各光伏电源的无功功率调节的上下限。
2.如权利要求1所述的多时段解耦的友好互动配电网电压无功滚动优化方法，其特征在于，步骤S3具体包括：首先，收集配电网系统参数和光伏负荷预测信息，求解关于OLTC分接头档位的长时段min主问题模型，根据式(23)更新原电压无功优化模型的下限V ；
然后，将主问题的解代入子问题以进行可行性验证，如果OLTC抽头结果满足约束条件，则继续求解一系列短时段滚动优化的子问题模型，并根据方程式(24)更新原电压无功优化max模型的上限V ；如果来自主问题中的档位结果不满足子问题约束，则修改Benders约束来重新求解主问题；当上限和下限之间的差满足如式(25)所示收敛判据，则得到友好互动配电网电压无功滚动优化模型的全局最优解，否则，需要进入循环返回S1再次求解主问题(1)‑(7)；
一种多时段解耦的友好互动配电网电压无功滚动优化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及配电网优化调控领域，具体是一种多时段解耦的友好互动配电网电压无功滚动优化方法。
背景技术
[0002] 目前，友好互动配电网中高渗透率分布式光伏(PV)发电已经极大地挑战了传统电网的运行模式。由于光伏发电具有较强的随机性和波动性，极易导致配电网馈线潮流反向，出现电压越限等安全问题。配电网中的OLTC被认为是防止电压越限的常见控制设备，通过调节分接头档位可使变电站二次母线电压保持恒定。但是，由于其工作原理和运行成本，不能实现灵活连续实时的调节。而分布式电源具有的连续、快速调节特性，可以用于优化电压，同时避免在友好互动配电网中安设额外的无功补偿器等设备。因此，针对配电网电压无功优化问题中不同设备不同的运行特性及互动能力，尚需要研究一种考虑多种设备动作时间耦合性的有效策略。
发明内容
[0003] 本发明提出一种多时段解耦的友好互动配电网电压无功滚动优化方法，其基于无功电压优化模型中不同设备响应特征，将模型分解成针对OLTC的长时段优化主问题和优化光伏的多个短时段滚动优化问题，采用benders分解法进行主子迭代求解，实现不同设备动作的时间解耦，保证系统安全运行的同时降低友好互动配电网整体电压优化成本。
[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
[0005] 一种多时段解耦的友好互动配电电压无功滚动优化方法，包括以下步骤：
[0006] S1、建立关于离散的有载调压开关(OLTC)分接头的长时段主问题优化模型，所述长时段主问题优化模型包括主问题目标函数和主问题约束条件；
[0007] S2、细化步骤S1建立的主问题目标函数中包含的子问题模型，具体的，使用模型预测理论建立关于连续的分布式光伏(PV)功率输出的一系列短时段子问题滚动优化模型；
[0008] S3、采用benders分解法通过分解主子问题迭代求解过程，求解S1、S2共同组成的友好互动配电网电压无功滚动优化模型的全局最优解。
[0009] 进一步的，步骤S1具体包括：
[0010] 引入辅助变量α，以OLTC分接头调节成本最小化，建立主问题目标函数：
[0011]
[0012] 式(1)中：tl表示长时段窗口，k表示迭代次数， 表示第k+1次迭代的主问题目标函数， 表示第k次迭代的子问题目标函数，α是一个为方便求解引入的辅助变量，λ为一个对偶变量，ΔNtap表示OLTC分接头档位的变化量，cb表示OLTC调节的单位成本系数；
[0013] 主问题约束条件如下：
[0014]
[0015] α≥αdown (3)
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 式(2)‑(7)中：αdown取一个足够小的正数作为辅助变量的初始边界，ts表示短时段窗口，V表示节点电压矩阵，则 表示在tl长时间优化时段内的ts时刻的电压矩阵，ΔVtapmax min和ΔVPV,load分别为OLTC档位变化和光伏、负荷功率变化引起的节点电压变化值，V 和V分别表示节点电压上下限； 和 分别表示OLTC分接头档位的上下限。
[0021] 进一步的，步骤S2中子问题滚动优化模型的目标函数如下：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 式(8)‑(14)中， 表示一个长时段内对应的短时段个数，Hs和hs表示MPC预测控制时域及时间窗口，cQ,PV和cP,PV分别表示光伏无功和有功的单位调节成本， 和 表示光伏有功和无功功率的变化量， 和 分别表示光伏有功功率实际的输出量和预测量， 和 表示节点负荷有功和无功功率的变化量， 和 表示有光ref
伏、负荷功率变化和OLTC档位分接头变化而引起的节点电压变化量，V 表示节点电压参考值， 表示有功损耗，N表示总数，Gij和θij分别表示节点i与节点j之间的电导以及相角，ΔVd表示OLTC分接头变化一个单位低压侧母线电压的变化量；
[0030] SP和SQ表示节点电压和有功/无功功率之间的灵敏度矩阵，Stap表示节点电压与OLTC低压侧档位之间的灵敏度，具体见式(15)‑(17)：
[0031] SP＝((B+Q)(G‑P)‑1(B‑Q)+(G+P))‑1 (15)[0032] SQ＝‑((G‑P)(B+Q)‑1(G+P)+(B+Q))‑1 (16)[0033]
[0034] 其中B、G分别表示配电网的电导矩阵与电纳矩阵，P、Q分别表示配电网各节点的有功功率矩阵与无功功率矩阵。
[0035] 子问题接收主问题传递的OLTC分接头档位值作为约束条件，如式(18)、(19)，式(20)‑(22)表示为各分布式光伏电源功率调节量约束：
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041] 式(20)‑(22)中，
[0042] 表示光伏电源m的无功功率的最大调节量， 表示光伏电源m的最大功率因数角，Sm,PV表示光伏电源m的容量，Pmax为最大有功发电量， 和 分别表示各光伏电源的有功功率调节的上下限， 和 分别表示各光伏电源的有功功率调节的上下限。
[0043] 进一步的，步骤S3具体包括：
[0044] 首先，收集配电网系统参数和光伏负荷预测信息，求解关于OLTC分接头档位的长时段主问题模型，根据式(23)更新原电压无功优化模型的下限；
[0045] 然后，将主问题的解代入子问题以进行可行性验证，如果OLTC抽头结果满足约束条件，则继续求解一系列短时段滚动优化的子问题模型，并根据方程式(24)更新上限；如果来自主问题中的档位结果不满足子问题约束，则修改Benders约束来重新解决主问题；当上限和下限之间的差满足如式(25)所示收敛判据，则得到友好互动配电网电网电压无功滚动优化模型的全局最优解，否则，需要进入循环返回S1再次求解主问题(1)‑(7)。
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 本发明考虑了配电网种不同调压设备的不同工作原理，设计针对设备的不同的优化时段，充分利用了设备与配电网的友好互动性，减少了由光伏随机间歇性发电引起的电压偏差，降低了OLTC分接头档位频繁投切产生的调压成本；本发明基于MPC算法，考虑光伏发电和负荷的不确定性，将独立的光伏优化子问题进一步改进为长时段内的一系列滚动优化模型，实现电压理想状态的逐渐逼近，而不会引起光伏功率输出的剧烈波动，大大降低整体调压成本，提高配电网的运行安全性和经济性。
附图说明
[0050] 图1是本发明多时段解耦的友好互动配电网电压无功滚动优化方法中步骤S3的流程图；
[0051] 图2是本发明实施例中改进69节点配电网系统拓扑结构；
[0052] 图3是本发明实施例中光伏和负荷的一天预测结果；
[0053] 图4是本发明实施例中11点和24点时电压优化结果对比；
[0054] 图5是本发明实施例中节点16和节点54的一天电压优化结果对比；
[0055] 图6是本发明实施例中OLTC的动作情况；
[0056] 图7是本发明实施例中分布式光伏电源的无功功率情况；
[0057] 图8是本发明实施例中分布式光伏电源的有功功率情况。
具体实施方式
[0058] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的一部分实施例，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的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。
[0059] 请参阅图1，本发明实施例提供一种多时段解耦的友好互动配电网电压无功滚动优化方法，包括以下步骤：
[0060] S1、建立关于离散的有载调压开关(OLTC)分接头的长时段主问题优化模型，所述长时段主问题优化模型包括主问题目标函数和主问题约束条件。步骤S1具体包括：
[0061] 引入辅助变量α，以OLTC分接头调节成本最小化，建立主问题目标函数：
[0062]
[0063] 式(1)中：tl表示长时段窗口，k表示迭代次数， 表示第k+1次迭代的主问题目标函数， 表示第k次迭代的子问题目标函数，α是一个为方便求解引入的辅助变量，λ为一个对偶变量，ΔNtap表示OLTC分接头档位的变化量，cb表示OLTC调节的单位成本系数；
[0064] 主问题约束条件如下：
[0065]
[0066] α≥αdown (3)
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]
[0071] 式(2)‑(7)中：αdown取一个足够小的正数作为辅助变量的初始边界，ts表示短时段窗口，V表示节点电压矩阵，则 表示在tl长时间优化时段内的ts时刻的电压矩阵，ΔVtapmax min和ΔVPV,load分别为OLTC档位变化和光伏、负荷功率变化引起的节点电压变化值，V 和V分别表示节点电压上下限； 和 分别表示OLTC分接头档位的上下限。
[0072] S2、细化步骤S1建立的主问题目标函数中包含的子问题模型，具体的，使用模型预测理论建立关于连续的分布式光伏(PV)功率输出的一系列短时段子问题滚动优化模型。
[0073] 步骤S2中子问题滚动优化模型的目标函数如下：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081] 式(8)‑(14)中， 表示一个长时段内对应的短时段个数，Hs和hs表示MPC预测控制时域及时间窗口，cQ,PV和cP,PV分别表示光伏无功和有功的单位调节成本， 和 表示光伏有功和无功功率的变化量， 和 分别表示光伏有功功率实际的输出量和预测量， 和 表示节点负荷有功和无功功率的变化量， 和 表示有光ref
伏、负荷功率变化和OLTC档位分接头变化而引起的节点电压变化量，V 表示节点电压参考值， 表示有功损耗，N表示总数，Gij和θij分别表示节点i与节点j之间的电导以及相角，ΔVd表示OLTC分接头变化一个单位低压侧母线电压的变化量；
[0082] SP和SQ表示节点电压和有功/无功功率之间的灵敏度矩阵，Stap表示节点电压与OLTC低压侧档位之间的灵敏度，具体见式(15)‑(17)：
[0083] SP＝((B+Q)(G‑P)‑1(B‑Q)+(G+P))‑1 (15)[0084] SQ＝‑((G‑P)(B+Q)‑1(G+P)+(B+Q))‑1 (16)[0085]
[0086] 其中B、G分别表示配电网的电导矩阵与电纳矩阵，P、Q分别表示配电网各节点的有功功率矩阵与无功功率矩阵。
[0087] 子问题接收主问题传递的OLTC分接头档位值作为约束条件，如式(18)、(19)，式(20)‑(22)表示为各分布式光伏电源功率调节量约束：
[0088]
[0089]
[0090]
[0091]
[0092]
[0093] 式(20)‑(22)中， 表示光伏电源m的无功功率的最大调节量， 表示光伏电源m的最大功率因数角，Sm,PV表示光伏电源m的容量，Pmax为最大有功发电量， 和 分别表示各光伏电源的有功功率调节的上下限， 和 分别表示各光伏电源的有功功率调节的上下限。
[0094] S3、采用benders分解法通过分解主子问题迭代求解过程，求解S1、S2共同组成的友好互动配电网电压无功滚动优化模型的全局最优解。步骤S3具体包括：
[0095] 首先，收集配电网系统参数和光伏负荷预测信息，求解关于OLTC分接头档位的长时段主问题模型，根据式(23)更新原电压无功优化模型的下限；
[0096] 然后，将主问题的解代入子问题以进行可行性验证，如果OLTC抽头结果满足约束条件，则继续求解一系列短时段滚动优化的子问题模型，并根据方程式(24)更新上限；如果来自主问题中的档位结果不满足子问题约束，则修改Benders约束来重新解决主问题；当上限和下限之间的差满足如式(25)所示收敛判据，则得到友好互动配电网电网电压无功滚动优化模型的全局最优解，否则，需要进入循环返回S1再次求解主问题(1)‑(7)。
[0097]
[0098]
[0099]
[0100] 本发明实施例在改进的IEEE69节点系统基础上进行仿真计算，具体拓扑结构如图2所示。节点1处连接OLTC，其可调电压范围为0.95p.u.到1.15p.u.，调节步长为0.025p.u.。
节点3、6、16、27、34、39、41、44、50、58、62、69节点处为分布式光伏逆变器并网点，光伏接入总容量分别为2.5、2.5、1.5、1.5、5、2.5、2.5、1.5、5、2.5、1.5和2.5MW。默认配电网节点电压标幺值上下限为Umin＝0.93p.u.，Umax＝1.07p.u.。
[0101] 为验证本发明所提方法的有效性，结合友好互动配电网实际运行过程中可能出现的情况，本发明设定配电网一天的运行情况为优化场景，预测光伏和负荷情况如图3。主问题长优化时段以1h为步长，求解时长为全天24小时；子问题短时段内以15min为步长进行滚动优化。求解具体可参阅图1所示。
[0102] 以中午11点和夜里24结果为例来表示所提出的电压无功优化方法的电压结构，如图4所示。由于光伏电源大功率发电，馈线末端附近的某些节点在11点时出现过电压(超过1.05pu)，但是优化后，节点电压回到安全状态。对于夜里24点，光伏不发电情况下，每条馈线由于线路阻抗而具有压降，优化后的总电压水平更接近参考值。一天中节点16和节点54的电压偏差如图5所示。所提出的多时段滚动优化策略策略可以通过调节OLTC分接头变化和PV无功功率输出来大大降低电压幅度。值得注意的是，11点时，PV3的并网点16节点严重超过了上限，并且优化后的压降比节点54的压降更为明显。
[0103] 图6‑8展示了OLTC分接头和PV功率输出的最佳运行结果。当光伏发电过多时，OLTC升高分接头以降低低压侧侧电压，而光伏吸收无功功率调节周围节点的电压。值得注意的是，由于OLTC的调压成本较高，11点时，即使电压已超过限制，OLTC分接头也没有进一步动作，而采用PV4削减有功的方式来降低电压水平。但是，凌晨1点到6点间太阳辐射有限，光伏几乎不发电，仅采用OLTC分接头来稳定节点电压。
[0104] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
