考虑分时电价和分布式储能的主动配电网经济优化调度.pdf
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1、考虑分时电价和分布式储能的主动配电网经济优化调度朱能能1,刘闯1,夏克勤1,张青云1,盛刘宇2,刘云飞1(1.国网湖北省电力有限公司荆门供电公司,湖北荆门448000;2.三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443000)0引言随着能源危机的出现和人们环保意识的提高,调整能源结构和推进分布式电源(Distributed Generation,DG)发展成为我国实现“碳中和”目标的重要举措1-3。在此背景下,集成了大量可调度单元的摘要:为提高主动配电网(Active Distribution Network,ADN)运行的经济性,综合考虑ADN运行过程中的各项成本,建立考虑分时电价和分布式储能的A
2、DN经济优化调度模型。采用莱维飞行、非线性收敛因子和柯西变异等策略对樽海鞘群算法(SalpSwarm Algorithm,SSA)进行改进,以提高算法的优化性能。采用改进樽海鞘群算法(Improved Salp Swarm Algorithm,ISSA)对上述模型进行求解,使用改进的IEEE33节点配电系统进行仿真分析,并与其他优化算法进行对比。结果表明,ISSA算法经过54次迭代后收敛至最优解33 772.82元,迭代次数和收敛精度高于其他算法。通过对比分析发现,储能设备实施低储高发的调度策略能够降低ADN运行成本,改善电能质量,实现削峰填谷,验证了上述模型的正确性和求解方法的优越性。关键词
3、:主动配电网;调度;改进樽海鞘群算法;分时电价;分布式储能文献标志码:A文章编号:1008-6218(2023)05-0054-08中图分类号:TM73;TK02doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0070引用格式:朱能能,刘闯,夏克勤,等.考虑分时电价和分布式储能的主动配电网经济优化调度J.内蒙古电力技术,2023,41(5):5461.ZHU Nengneng,LIU Chuang,XIA Keqin,et al.Economic Optimization Dispatching of Active Distribution Network ConsideringTi
4、meofUse Electricity Price and Distributed Energy StorageJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41(5):5461.基金项目 国家自然科学基金项目“基于多稳定性理论的神经网络预定性能控制研究”(61876097)内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWEREc o n o mi cO p t i mi z a t i o nD i s p a t c h i n go fA c t i v eD i s t r i b u t i o nNe t w o r kC
5、o n s i d e r i n gT i me o f U s eEl e c t r i c i t yPr i c ea n dD i s t r i b u t e dEn e r g ySt o r a g eZHU Nengneng1,LIU Chuang1,XIA Keqin1,ZHANG Qingyun1,SHENG Liuyu2,LIU Yunfei1(1.Jingmen Power Supply Company,State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.,Jingmen448000,China;2.College of Electri
6、cal and New Energy,Three Gorges University,Yichang443000,China)A b s t r a c t:In order to improve the economic efficiency of active distribution network(ADN)operation,and comprehensivelyconsider the various costs during the operation of ADN,an ADN economic optimization scheduling model considering
7、timeof use electricity price and distributed energy storage establish.The salp swarm algorithm(SSA)is improved using strategiessuch as Levy flight,nonlinear convergence factor,and Cauchy mutation to improve the optimization performance of thealgorithm.The above model is solved using the improved sal
8、p swarm algorithm(ISSA),and the improved IEEE33 nodedistribution system is simulated and analyzed,and compared with other optimization algorithms.The results show that theISSA algorithm converges to the optimal solution of 33 772.82 yuan after 54 iterations,with higher iteration times andconvergence
9、 accuracy than other algorithms.Through comparative analysis,it is found that implementing a schedulingstrategy of low storage and high generation for energy storage equipment can reduce ADN operating costs,improve powerquality,and achieve peak load shifting,verifying the correctness of the above mo
10、del and the superiority of the solutionmethod.K e yw o r d s:active distribution network;dispatching;improved salp swarm algorithm;timeofuse electricity price;distributedenergy storage2023年第41卷第5期54主动配电网(Active Distribution Network,ADN)应运而生。ADN管理和控制方式灵活,有助于DG消纳4-6。因此,对ADN系统的经济优化调度问题进行研究,对于降低ADN系统运行成
11、本和提高清洁能源利用率具有重要意义7-9。近年来,国内外专家学者对ADN经济优化调度方法进行了大量研究。文献10以配电网运行成本最小为上层目标函数,以购电成本和储能运行成本最小为下层目标函数,建立了ADN分层经济优化调度模型,采用交替方向乘子法将模型分解为上下两层进行求解,获得了最优调度方案。文献11考虑了光伏出力和旋转负荷的不确定性,采用概率模型对其进行估算,在此基础上建立了以运行成本最小的ADN经济优化调度模型,利用CPLEX求解器对模型进行了求解,得到了ADN最小运行成本。上述模型均未考虑售电收益,其经济性有待进一步提高。文献12考虑到目标函数内状态变量的越界情况,利用多区域全分布算法建
12、立了基于多区域全分布算法的ADN动态经济调度模型,利用改进粒子群算法进行求解,实现了ADN的动态性经济调度,该模型忽略了储能设备损耗成本。综上所述,现有ADN优化调度模型存在优化目标不明确、约束条件不够完善等问题,经济性更好的ADN优化调度模型有待进一步研究。针对上述问题,本文综合考虑ADN运行过程中的各项成本,以调度周期内ADN运行成本最小为目标函数,考虑各类约束条件,建立基于改进樽海鞘群算法(Improved Salp Swarm Algorithm,ISSA)的ADN经济优化调度模型,采用改进的IEEE33节点配电系统对模型的正确性和求解方法的优越性进行验证。1ADN经济优化调度模型1.
13、1目标函数为了提高配电网运行的经济性和提高再生能源的消纳能力,将综合考虑分时电价和分布式储能对ADN运行的影响,本文将功率交互成本、损耗成本和分布式储能设备投资成本之和作为优化目标,以调度周期内ADN运行成本最小为目标函数,建立ADN经济优化调度模型,具体如下:minC=Cpure+Closs+Cin,(1)式中:C 为 ADN 运行成本;Cpure为功率交互成本;Closs为损耗成本;Cin为分布式储能设备投资成本。1.1.1功率交互成本功率交互成本Cpure主要包括向上级电网购电产生的购电成本、向上级电网售电产生的售电收益和向系统内DG购电产生的购电成本,其表达式为:Cpure=Cpure
14、,grid-Csell,grid+Ppure,DG=t=1L()pure,tcgrid,tPgrid,t+sell,tcgrid,tPgrid,t+i=1NDG()cDG,iPDG,t,iT,(2)式中:Cpure,grid为向上级电网购电产生的购电成本,Csell,grid为向上级电网售电产生的售电收益,Cpure,grid和Csell,grid在同一时段必有一个为0;Ppure,DG为向系统内DG购电产生的购电成本;L为调度周期内的总时段,本文取24;T为各时段时长,本文取1 h;pure,t、sell,t均为购、售电参量,购电时满足pure,t=1,sell,t=0,售电时pure,t=
15、0,sell,t=1。cgrid,t为向上级电网购、售电电价;Pgrid,t为交互功率,购电为正,售电为负;NDG为 DG 总量;PDG,t,i为第 i 台 DG 的输出功率;cDG,i第i台为DG的购电电价。1.1.2损耗成本损耗成本Closs主要包括系统网络损耗成本和储能设备损耗成本,其表达式为:Closs=Closs,line+Closs,ESS=t=1Lcloss,tPloss,line,t+j=1NESSc,t,j|PESS,t,j()1-c,j+d,t,jPESS,t,j()1-d,jT,(3)式中:Closs,line为系统网络损耗成本;Closs,ESS为储能设备损耗成本;cl
16、oss,t为损耗电价,其值与cgrid,t相同;Ploss,line,t为t时段的网损;NESS为储能设备总量;c,t,j、d,t,j均为储能设备充放电参量;PESS,t,j为第j台储能设备在t时段的充、放电功率,充电时满足c,t,j=1、d,t,j=0、PESS,t,j0;c,j和d,j分别为第j台储能设备的充、放电效率。1.1.3分布式储能设备投资成本分布式储能设备投资成本Cin的表达式为:Cin=j=1NESSke,jEESS,j+kp,jPN,j-()ke,jEESS,j+kp,jPN,jNy,j365,(4)式中,ke,j为第j台储能设备单位容量管理成本;EESS,j为第j台储能设备
17、的容量;kp,j为第j台储能设备单位功率转换成本;PN,j为第j台储能设备的额定功率;Ny,j为第j台储能设备的使用年限;为折旧率。1.2约束条件1.2.1网络运行约束Pgrid,t+j=1NDGPDG,t,j+j=1NESSPESS,t,j=Pload,t+Ploss,line,j,(5)Vj,minVjVj,max,(6)2023年第41卷第5期朱能能,等:考虑分时电价和分布式储能的主动配电网经济优化调度55SzSz,max,(7)式中:Pload,t为ADN系统在t时段的负荷;Vj为节点j的电压标幺值;Vj,max为节点 i 电压上限,本文取1.05;Vj,min为节点j电压下限,本文取
18、0.95;Sz为第z条支路的视在功率;Sz,max为Sz的上限。1.2.2DG运行约束PDG,i,minPDG,t,iPDG,i,max,(8)-PDG,i,maxPDG,t+1,i-PDG,t,iPDG,i,max,(9)式中:PDG,i,min和PDG,i,max分别为第i个DG输出功率的上限和下限;PDG,i,max为第i个DG在相邻两个时段允许调整的最大输出功率。1.2.3分布式储能约束St+1,j=St,j-c,t,jPESS,t,jc,jEESS,j+d,t,jPESS,t,jEESS,jd,jT,(10)PESS,j,minPESS,t,jPESS,j,max,(11)Sj,mi
19、nSt,jSj,max,(12)St0,j=Stn,j,(13)式中:PESS,j,max和PESS,j,min分别为第j台储能设备充、放电功率上限和下限;St,j为第j台储能设备在t时段的荷电状态;Sj,max和Sj,min分别为St,j的上限和下限;St0,j和Stn,j分别为第j台储能设备在调度开始时段和结束时段的荷电状态。2ISSA原理2.1樽海鞘群算法2017年,Mirjalili等人提出了一种新型启发式优化算法樽海鞘群算法(Salp Swarm Algorithm,SSA)13,它是根据樽海鞘种群的觅食行为提出来的。SSA算法的原理如下:将种群划分为领导者和追随者,领导者的作用是带
20、领追随者寻找食物,令食物为G,樽海鞘群在d维空间中的位置矩阵设为Snd,其中元素si,j表示第i个樽海鞘在第j维搜索空间的位置,n表示樽海鞘种群容量。SSA算法中的领导者依据食物位置更新自身位置,领导者的位置更新公式为:s1,j=Gj+r1()uj-ljr2+lj,r30.5Gj-r1()uj-ljr2+lj,r30.5,(14)式中:Gj为领导者的位置;uj为第j维空间的上限值;lj为第j维空间的下限值;r1、r2、r3均为调整系数,r1、r20,1,r1的计算公式如下:r1=2e-4kkmax2,(15)式中:k为当前迭代次数;kmax为最大迭代次数。追随者跟随领导者的位置移动,追随者的位
21、置更新公式为:si,j=12()si,j+si-1,j。(16)SSA算法的优点是原理简单、操作方便,其缺点是易陷入局部极值14。2.2ISSA针对SSA算法的不足,采用下列三种策略对其进行改进,具体如下。2.2.1莱维飞行莱维飞行可以提高种群多样性,本文在樽海鞘群领导者位置更新时引入莱维飞行策略,以便增强算法的全局搜索性能。具体改进如下:s1,j=Gj+Levy()d()uj-ljr2+lj,r30.5Gj-Levy()d()uj-ljr2+lj,r30.5,(17)Levy()d=0.01r4|r51,(18)=()1+sin()/2()1+/2 2()-1/21,(19)式中:r4、r5
22、均为随机数,取值范围为0,1;Levy表示莱维飞行;表示Gamma函数,其概率分布的均值和方差都是无界的。2.2.2非线性收敛因子在SSA算法中,追随者的位置取决于当前个体和上一个体的位置,这样位置更新策略不利用算法收敛,为此,将收敛因子非线性调整策略引入该过程,以加快算法收敛。具体如下:si,j=12()si,j+Dsbest,(20)式中:sbest为当前最优个体位置;D为收敛因子,其作用是对最优值的比重进行调整,使算法快速收敛,其计算公式为:D=12tanTt+cmin+cmax,(21)式中:cmin、cmax为学习因子。2.2.3柯西变异针对SSA算法在迭代后期已陷入局部最优的不足,
23、本文对当前最优解执行柯西变异,以增强算法的局部寻优能力。柯西概率密度函数的表达式为:f()x=1tt2+x2,x()-,+。(22)2023年第41卷第5期内 蒙 古 电 力 技 术56将当前最优解执行式(23)中的柯西变异,其表达式为:sbest=sbest-C()0,1,(23)式中:sbest为变异后的最优个体位置;C()0,1是指服从柯西变异的樽海鞘个体;为常数。2.3算法性能测试采用Sphere和Ackely两个常用的测试函数对ISSA算法优化性能进行验证,两个函数分别用f1和f2表示,其数学表达式分别如式(24)和式(25)所示,f1的搜索范围为-100,100,f2的搜索范围为-
24、20,20,两个函数的维度均为30维,全局最优解均为0。f1=i=1nx2i,(24)f2=-20exp-0.21ni=1nx2i-exp1ni=1ncos2xi+20+e,(25)式中:xi为函数自变量。ISSA算法参数设置如下17:樽海鞘种群n=30、最大迭代次数kmax=500,学习因子cmin=0.004、cmax=1。为了对比分析,采用粒子群优化算法(ParticleSwarm Optimization,PSO)与SSA算法对两个测试函数进行优化,三种算法对函数和的优化结果分别如图1和图2所示。图1中,PSO算法、SSA算法和ISSA算法找到的最优解分别为4.4610-3、2.781
25、0-32和1.2710-112;图2中,PSO算法、SSA算法和ISSA算法找到的最优解分别为 1.744、3.6910-13和 2.8610-15。由此可见,ISSA算法的收敛精度提升明显,寻优能力大大提升。3ISSA算法求解ADN经济优化调度模型3.1约束条件处理为了满足ADN系统功率平衡约束并实现ADN与上级电网的等效隔离,将它们之间的连接点作为平衡节点。对于不等式约束,当调度方案无法满足时,利用罚函数进行处理,罚函数的表达式为:fN=Mi=1Ki,(26)式中:K为调度方案中不满足不等式约束的个数和;M为罚因子,本文取值为105;i为惩罚系数,如果约束不满足,则惩罚成立,此时i=1;在
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