欢迎来到本博客❤️❤️博主优势博客内容尽量做到思维缜密逻辑清晰为了方便读者。完整资源、论文复现、期刊合作、论文辅导及科研仿真定制事宜点击本文完整资源下载⛳️座右铭行百里者半于九十。⛳️赠与读者做科研涉及到一个深在的思想系统需要科研者逻辑缜密踏实认真但是不能只是努力很多时候借力比努力更重要然后还要有仰望星空的创新点和启发点。建议读者按目录次序逐一浏览免得骤然跌入幽暗的迷宫找不到来时的路它不足为你揭示全部问题的答案但若能解答你胸中升起的一朵朵疑云也未尝不会酿成晚霞斑斓的别一番景致万一它给你带来了一场精神世界的苦雨那就借机洗刷一下原来存放在那儿的“躺平”上的尘埃吧。或许雨过云收神驰的天地更清朗.......第一部分——内容介绍基于两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化研究摘要高渗透率分布式光伏、风电接入主动配电网后源荷双侧存在显著的随机波动特性传统确定性动态无功优化策略高度依赖源荷预测精度在实际出力偏离预测值时容易出现节点电压越限、网络损耗增大等运行风险。为有效处理分布式电源出力与负荷需求的不确定性本文开展基于两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化研究。区分慢调节离散无功设备与快调节连续无功资源的时间尺度特性构建两阶段鲁棒动态无功优化框架第一阶段为日前决策确定电容器投切、有载调压分接头等不可频繁调整设备的全天动作方案第二阶段为实时校正在第一阶段既定离散决策基础上针对源荷最恶劣扰动场景调用分布式电源无功出力、静止无功补偿装置等连续可调资源完成无功电压校正保证系统在不确定扰动集合内所有工况均满足安全运行约束。以 IEEE33 节点主动配电网作为测试系统对比确定性优化、单阶段鲁棒优化与本文两阶段鲁棒优化策略的运行表现。结果表明所提两阶段鲁棒优化方法可以兼顾运行经济性与抗扰动能力有效抑制不确定性带来的电压越限问题降低配电网网络损耗实现多种无功资源的多时间尺度协同调控可为高新能源渗透率下主动配电网无功电压运行提供理论参考。关键词主动配电网动态无功优化两阶段鲁棒优化源荷不确定性多时间尺度IEEE33 节点0 引言0.1 研究背景在双碳目标推动下光伏、风机等分布式电源大量接入配电网传统无源配电网逐步转型为源‑荷双向互动的主动配电网现代电力。分布式新能源出力受光照、气象条件影响具备强间歇性与随机性叠加用户侧负荷的动态波动配电网潮流方向不再固定节点电压波动加剧局部过电压、低电压现象频发给配电网无功电压管控带来巨大挑战。动态无功优化是主动配电网运行调控的核心手段通过在全天多个时段统筹协调各类无功调节资源实现降低网络损耗、维持节点电压在允许区间、改善系统运行状态的目标。主动配电网内部无功调节资源特性差异明显电容器组、有载调压变压器属于慢动作离散设备存在每日动作次数限制无法跟随源荷快速波动频繁调节分布式电源逆变器、静止无功补偿装置属于快速连续调节设备可以实现分钟级甚至秒级的无功功率调整二者需要相互配合实现多时间尺度协同调控。传统动态无功优化大多属于确定性优化直接采用源荷预测数值开展优化计算仅适配预测完全准确的理想工况。当实际风光出力、负荷功率偏离预测结果时预先得到的无功调控方案可行性大幅下降极易引发电压越限、支路功率越限等安全问题。随机优化是处理不确定性的常用思路需要源荷出力明确的概率分布信息依靠大量随机场景抽样开展优化实际工程中很难获取精准概率参数场景数量也会直接影响计算负担应用场景受到限制。鲁棒优化依靠不确定集合描述源荷波动范围不需要掌握随机变量概率分布信息保证在集合内任意扰动下系统约束均可以满足适合配电网不确定性调度问题。传统单阶段鲁棒优化将全部变量统一处理没有区分无功设备快慢调节属性容易造成离散设备动作次数超限优化结果保守性较强牺牲较多运行经济性换取安全裕度arXiv。两阶段鲁棒优化将决策划分为事前 “第一阶段” 与扰动发生之后的 “第二阶段”第一阶段决策不受不确定性影响对应慢调节设备的日前计划第二阶段在观测到不确定扰动之后再做响应调整对应快速无功资源的实时校正天然契合主动配电网快慢无功设备的多时间尺度运行逻辑能够平衡方案鲁棒安全性与运行经济性因此在配电网调度领域得到广泛关注。在此背景下本文开展两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化研究对高新能源渗透率配电网安全经济运行具备现实意义。0.2 国内外研究现状国外较早开展配电网无功电压优化相关研究随着分布式电源不断普及研究重心逐步转向不确定性条件下的无功优化运行。早期研究多采用确定性多时段最优潮流完成动态无功优化依靠启发式算法求解混合整数优化问题但忽略源荷预测误差带来的运行风险。之后随机优化方法被引入无功电压调控通过蒙特卡洛采样生成海量源荷随机场景在场景集合内完成无功优化调度但该方法高度依赖历史统计数据获取概率分布场景规模提升会显著增大求解压力。鲁棒优化理论成熟之后部分学者构建配电网单阶段鲁棒无功优化模型依靠不确定集合刻画风光、负荷波动保证最坏工况下系统安全但是单阶段框架没有区分设备调节速度离散设备动作约束难以精细刻画优化结果保守程度高。为改善保守性问题两阶段可调鲁棒优化得到发展将设备划分为预先决策变量和待调整变量适配调度实际时序逻辑部分文献将其用于配电网经济调度但针对动态无功优化场景对快慢无功补偿资源协同、多时段耦合约束的研究仍有待进一步完善。国内学者围绕主动配电网动态无功优化开展大量研究工作。在确定性动态无功优化层面重点研究电容器、有载调压变压器与分布式电源的协同调控采用智能算法、二阶锥松弛等方法处理非凸潮流问题实现降低网损、抑制电压偏移的目标。针对不确定性问题一部分研究采用场景缩减的随机优化方法处理源荷波动另一部分研究引入鲁棒优化规避概率分布难以获取的难题。现有鲁棒无功优化部分工作采用单层鲁棒框架未区分无功设备动作特性将电容器分接头等离散变量和逆变器连续无功输出放在同一层处理容易出现设备动作次数超限鲁棒解过于保守。越来越多研究意识到两阶段鲁棒优化的优势第一阶段确定慢设备日前调度计划第二阶段在扰动出现后利用快速无功资源进行校正兼顾时序逻辑与抗扰动能力。但是现有部分文献对动态多时段耦合效应考虑不足同时缺少在标准 IEEE33 节点系统下针对确定性、单阶段鲁棒、两阶段鲁棒不同策略的系统性对比分析对于鲁棒预算参数对优化方案保守性‑经济性的影响规律仍需要深入讨论。综合现有研究存在的不足本文构建适配主动配电网多类型无功资源的两阶段鲁棒动态无功优化框架依托 IEEE33 节点测试系统开展仿真对比分析鲁棒预算参数对优化结果的影响验证所提策略的有效性。0.3 本文主要工作1梳理主动配电网源荷不确定性特征分析各类无功调节设备调节速度、动作限制等运行特性阐明两阶段鲁棒优化应用于动态无功优化的适配机理。 2建立主动配电网两阶段鲁棒动态无功优化整体框架。第一阶段为日前慢设备决策以配电网综合运行成本最优为导向确定各时段电容器投切组数、有载调压变压器分接头档位严格约束离散设备全天最大动作次数第二阶段为实时校正在第一阶段决策固定不变前提下在源荷不确定集合中搜寻最恶劣扰动工况调用分布式电源无功能力、静止无功补偿装置完成无功再调度保证所有扰动场景下潮流、电压、功率约束全部满足。 3选取 IEEE33 节点主动配电网作为算例系统设置确定性优化、单阶段鲁棒优化、本文两阶段鲁棒优化多种对比场景从网络损耗、电压水平、设备动作情况、保守性与经济性权衡多个维度开展结果分析探究鲁棒预算参数变化对系统运行方案的影响规律。 4总结研究结论指出当前研究存在局限以及后续可以进一步探索的研究方向。1 主动配电网动态无功优化问题分析1.1 主动配电网源荷不确定性主动配电网不确定性主要来源于分布式新能源出力以及用户侧负荷波动。光伏出力受光照强度、云层遮挡影响白天时段出力波动剧烈风电出力受风速变化影响出力变化没有固定时序规律负荷受到居民用电、工商业生产行为影响存在峰谷变化同时叠加随机扰动。源荷预测只能给出各时段出力的期望值实际运行出力会在预测值附近区间内上下浮动预测偏差构成配电网运行的扰动来源。鲁棒优化通过不确定集合来描述源荷全部可能出现的扰动范围不需要各类扰动的概率分布信息。鲁棒预算参数可以调节不确定集合的边界控制考虑扰动的激进程度鲁棒预算取值越大代表考虑的扰动幅度越大模型覆盖的极端工况越多优化方案安全性越高但对应的运行成本、网络损耗也会上升方案保守性增强鲁棒预算取值越小则更偏向经济性抵御极端扰动的能力下降。动态无功优化需要权衡安全裕度和运行经济性鲁棒预算参数是两阶段鲁棒模型关键的调节要素。1.2 无功调节资源特性主动配电网内部具备多种无功调节资源按照调节响应速度与动作约束可以分为慢调节离散设备与快调节连续设备两类。慢调节离散设备主要包含并联电容器组与有载调压变压器 OLTC。电容器依靠分组投切实现无功补偿输出为离散档位有载调压依靠分接头档位调节电压。二者机械结构存在寿命限制全天的动作切换次数不能超过上限不适合跟随源荷秒级、分钟级的快速波动反复调整一般在日前调度层面确定全天各时段的工作档位属于长时间尺度调控资源。快调节连续设备主要包括分布式电源逆变器、静止无功补偿装置 SVC 等电力电子类设备。分布式电源逆变器在有功出力确定的前提下可以在允许范围内连续调节无功功率输出SVC 能够平滑输出感性或者容性无功响应速度快不存在机械动作次数约束。当风光、负荷发生随机扰动之后可以依靠这类快速资源完成实时无功校正属于短时间尺度调控资源。动态无功优化的核心难点就是实现快慢两类无功资源的协同配合。如果只依靠慢设备面对源荷扰动无法及时响应极易发生电压越限如果过度依赖快设备会增大电力电子装置压力。两阶段鲁棒优化的分层决策思想刚好匹配该运行逻辑第一阶段处理慢设备的日前离散决策第二阶段依托快设备完成扰动后的实时校正。1.3 动态无功优化约束条件主动配电网动态无功优化需要满足配电网运行各类物理约束。潮流约束表征各节点有功、无功功率平衡关系节点电压约束要求所有节点电压幅值始终维持在国家标准允许上下限之间支路传输功率约束限制每条线路输送的视在功率避免线路过载离散无功设备约束限制电容器、有载调压分接头单天总的动作切换次数各类无功补偿设备自身具备输出上下限约束不能超出设备额定调节容量。动态优化属于多时段优化问题不同时段之间存在耦合关系最为典型就是离散设备动作次数约束需要统计全天 24 小时各个时刻设备档位切换总次数不能超过设备允许上限该时间耦合特性是动态无功优化区别于单时段静态无功优化的关键所在。确定性动态无功优化直接采用源荷预测数值只保证预测工况下全部约束成立没有考虑预测偏差。当实际源荷偏离预测值原本满足条件的运行方案就可能打破电压、功率约束。鲁棒优化则要求在源荷不确定集合内部任意一种扰动工况下全部运行约束均成立以此保证调控方案的抗扰动能力。1.4 两阶段鲁棒优化求解思路两阶段鲁棒动态无功优化属于极大‑极小双层优化问题。外层极大优化负责在源荷不确定集合中搜寻对系统运行最为不利的最恶劣扰动场景内层极小优化则是在第一阶段慢设备决策已经固定的前提下依靠快速无功资源做最优校正求取恶劣场景下系统最优运行状态。该双层问题无法直接求解一般采用列与约束生成CCG算法进行迭代求解。算法分为主问题与子问题交替迭代。主问题求解第一阶段的慢设备决策得到电容器、分接头的全天动作计划子问题接收主问题输出的第一阶段决策搜寻源荷最恶劣扰动场景判断在该恶劣场景下是否存在可行的无功校正方案。如果子问题发现存在导致约束越限的恶劣工况则生成对应的约束条件反馈添加到主问题之中开展下一轮迭代不断重复主‑子问题迭代流程直到上下界收敛输出最终的两阶段鲁棒优化调度方案。2 两阶段鲁棒动态无功优化框架2.1 整体框架本文构建的主动配电网两阶段鲁棒动态无功优化分为第一阶段日前决策层、第二阶段实时校正层对应多时间尺度无功协同调控模式。第一阶段日前决策阶段时间尺度为全天多时段以源荷预测数据作为基础输入优化对象为慢动作离散无功设备输出各时段电容器投切组数、有载调压分接头档位。该部分决策变量一旦确定在后续源荷发生扰动时不再发生改变同时严格遵守设备每日动作次数上限。第一阶段优化过程中需要预判后续第二阶段实时校正的调节能力保证得到的慢设备计划在任意源荷扰动下都可以依靠快速无功资源找到可行的校正方案。第二阶段实时校正阶段时间尺度跟随源荷扰动第一阶段离散设备决策保持不变。源荷出力发生波动落在预先定义的不确定集合之内。在所有可能的扰动工况中寻找最恶劣场景利用分布式电源逆变器、静止无功补偿装置等连续可调无功资源开展无功再优化调整各节点无功注入功率重新平衡配电网潮流保障节点电压、支路功率等全部运行约束得到满足。第二阶段变量是扰动发生之后才确定的可调变量仅调用快速电力电子类设备不存在机械动作次数限制。两阶段分工清晰慢设备 “事前布阵”确定基础无功补偿格局快设备 “事后应变”抵消源荷随机扰动带来的不利影响契合主动配电网实际调度运行逻辑。2.2 优化目标动态无功优化综合考虑配电网运行经济性主要优化目标包含配电网全天网络有功损耗同时兼顾无功设备调节相关代价。网络损耗为各时段全部配电支路有功损耗之和是无功优化最核心指标降低网损可以减少系统电能浪费。同时考虑设备调节代价离散电容器、分接头每一次切换动作都会产生设备磨损成本因此优化目标中纳入设备动作代价避免设备频繁无谓切换。鲁棒优化的目标含义为在第一阶段确定慢设备决策使得面对最恶劣源荷扰动时系统校正之后的综合运行代价尽可能最优。2.3 各类约束说明1第一阶段相关约束包含电容器投切档位约束、有载调压分接头档位约束重点设置全天总的动作切换次数约束限制机械设备频繁动作各时段潮流等式约束节点电压、支路功率不等式约束针对预测基准场景。第一阶段输出的离散决策传递给第二阶段在第二阶段求解过程中保持固定不变。2源荷不确定性集合约束限定分布式光伏、风电出力与负荷功率的波动上下边界鲁棒预算参数用来控制整体扰动的剧烈程度模拟不同等级的预测误差。3第二阶段校正约束源荷取不确定集合内任意扰动数值第一阶段离散设备决策固定快速无功资源的无功输出上下限约束各时段潮流功率平衡约束所有节点电压幅值必须落在安全区间所有支路传输功率不能超过热稳定极限。第二阶段不需要考虑离散设备动作次数因为不会再调整电容器、分接头档位。3 算例分析3.1 算例系统概况本文采用改进 IEEE33 节点配电网系统开展仿真验证系统基准电压 12.66 kV基准容量 10 MVA原始总有功负荷 3715 kW总无功负荷 2300 kvar。对标准算例进行改造构建主动配电网在多个节点接入分布式光伏电源配置并联电容器组、有载调压变压器作为慢调节无功设备在部分节点装设静止无功补偿装置分布式光伏逆变器具备无功调节能力充当快调节无功资源。设置全天 24 个优化时段每个时段代表 1 小时。获取典型日负荷时序曲线、光伏出力时序曲线作为预测基准值源荷出力允许在预测值附近一定范围内波动设置鲁棒预算参数用来控制不确定扰动的强度。节点电压安全运行区间设置为 0.95‑1.05 倍标幺值。电容器、有载调压分接头设置每日最大允许动作次数上限。设置三组对比方案 方案 1确定性动态无功优化直接采用源荷预测数值开展优化不考虑源荷预测扰动。 方案 2单阶段鲁棒动态无功优化所有变量统一处理不区分快慢设备时序特性。 方案 3本文两阶段鲁棒动态无功优化第一阶段优化慢设备第二阶段依靠快速无功资源校正恶劣扰动场景。3.2 优化结果对比分析3.2.1 基准预测场景运行结果在源荷出力完全和预测一致的基准工况下对比三种方案的全天网络损耗、电压偏移水平、设备动作情况。确定性优化面向基准场景寻优网络损耗指标表现最优电压偏移程度最小。但确定性方案没有预留应对扰动的安全裕度。单阶段鲁棒优化与本文两阶段鲁棒优化为抵御潜在源荷扰动需要预留一定无功调节裕量基准场景下的网络损耗相比确定性方案会出现小幅上升。两阶段鲁棒优化因为区分快慢设备特性尊重离散设备动作次数约束相比单阶段鲁棒优化设备动作更加合理不会出现机械设备超限切换的现象综合运行代价优于单阶段鲁棒方案。3.2.2 恶劣扰动场景运行结果人为构造源荷最恶劣扰动工况检验不同方案抵御不确定性的能力。 确定性优化得到的调度方案在恶劣扰动场景下出现明显缺陷部分节点电压发生越限超出 0.95‑1.05 标幺值安全区间部分支路功率逼近传输上限系统运行不再满足安全约束。这说明确定性优化只适配预测完全准确的理想工况一旦出现较大预测偏差方案就会失效无法保障主动配电网安全运行。单阶段鲁棒优化和本文两阶段鲁棒优化均属于鲁棒类模型在该恶劣扰动场景下全部节点电压维持在允许范围之内支路功率不越限可以保证系统安全可行。单阶段鲁棒优化虽然可以保证安全但是模型没有区分设备调节时序逻辑部分时段会出现离散设备动作次数超出物理上限的问题在工程实际中无法落地执行。本文两阶段鲁棒优化方案在恶劣扰动工况下第一阶段电容器、分接头维持原有日前档位不变依靠光伏逆变器、静止无功补偿装置的连续无功调节能力完成实时校正节点电压波动得到有效抑制网络损耗维持在合理水平同时离散设备全天动作次数严格在额定限值以内兼顾安全性、可行性与经济性证明该两阶段框架的实用价值。3.2.3 鲁棒预算参数灵敏度分析鲁棒预算参数决定不确定集合的扰动范围直接影响优化方案保守程度。改变鲁棒预算取值观察系统运行指标变化规律。随着鲁棒预算参数增大模型考虑更加剧烈的源荷扰动需要预留更多无功调节裕度。系统全天网络损耗逐步上升电压安全裕度进一步提高抵御极端扰动的能力变强方案保守性增强。与此同时快调节无功设备的无功出力调节幅度明显增大更多依靠电力电子装置承担扰动校正任务。当鲁棒预算参数减小不确定集合覆盖的扰动范围收缩优化结果向经济性倾斜网络损耗降低但系统应对强扰动的能力下降如果遇到大的源荷预测偏差就有可能出现电压越限。鲁棒预算参数不存在绝对最优取值需要结合配电网实际源荷预测精度综合选取。如果当地风光预测误差较大可以选取偏大鲁棒预算优先保障供电安全如果预测精度较高则可以适当降低鲁棒预算减少为鲁棒性付出的经济代价实现保守性与经济性之间的权衡。3.3 算例小结通过 IEEE33 节点算例对比可以得到如下结论确定性动态无功优化在预测工况下经济性能最好但不具备抵御源荷预测偏差的能力扰动发生后容易出现电压越限可靠性不足单阶段鲁棒优化可以保证恶劣场景下系统安全但忽略无功设备快慢调节的物理特性容易造成离散设备动作超限工程落地性差本文两阶段鲁棒动态无功优化将慢设备日前决策与快设备实时校正分层处理在源荷各类扰动场景下均能够保证电压、潮流约束满足同时严格遵守机械设备动作次数限制在安全性与运行经济性之间取得平衡。鲁棒预算参数对方案保守性起到关键调节作用实际工程需要根据预测精度合理设置。4 结论与展望4.1 结论针对高渗透率分布式电源接入主动配电网带来的源荷不确定性问题本文开展两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化研究。分析不同类型无功调节资源的调节速度、动作约束差异建立两阶段鲁棒动态无功优化整体框架。第一阶段完成电容器组、有载调压分接头等慢动作离散设备的日前优化决策第二阶段在第一阶段决策固定前提下针对源荷最恶劣扰动场景调用分布式电源逆变器、静止无功补偿装置等快速无功资源实现无功电压校正。基于 IEEE33 节点主动配电网算例系统开展仿真对比。主要结论如下1确定性动态无功优化依赖源荷预测精度在预测值与实际出力偏差较大时容易发生节点电压越限等安全问题难以适配新能源高占比主动配电网复杂运行工况。2两阶段鲁棒优化天然适配主动配电网无功资源多时间尺度调控特性区分慢设备事前决策和快设备事后校正既保证源荷不确定集合内所有扰动工况下系统安全运行又严格约束离散设备动作次数克服单阶段鲁棒优化模型保守性强、不符合设备物理运行约束的缺陷。3鲁棒预算参数可以调节优化方案保守‑经济特性。鲁棒预算取值提升系统抗扰动安全裕度提高但网络损耗与运行代价随之增加鲁棒预算降低经济性改善但抵御极端扰动能力下降实际应用需要结合源荷预测精度合理选定参数。4.2 展望本文研究仍存在可以进一步拓展的方向 1本文采用盒式不确定集合描述源荷扰动后续可以结合源荷历史运行数据构建数据驱动型不确定集合进一步降低鲁棒方案的保守程度更好兼顾安全性与经济性。 2研究只考虑无功电压优化未来可以拓展为有功‑无功协同两阶段鲁棒优化计及储能充放电、柔性负荷需求响应资源挖掘主动配电网更多调节潜力。 3本文基于标准 IEEE33 节点开展仿真后续可以扩展到更大规模实际配电网算例进一步验证模型在大规模网络场景下的计算效率与工程适用性。第二部分——运行结果第三部分——参考文献文章中一些内容引自网络会注明出处或引用为参考文献难免有未尽之处如有不妥请随时联系删除。(文章内容仅供参考具体效果以运行结果为准)[1]熊壮壮. 两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化[D].郑州大学,2019.第四部分——本文完整资源下载资料获取更多粉丝福利MATLAB|Simulink|Python|数据|文档等完整资源获取本文完整资源下载
【鲁棒优化、无功优化】两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化【IEEE33节点】（Matlab代码实现）
欢迎来到本博客❤️❤️博主优势博客内容尽量做到思维缜密逻辑清晰为了方便读者。完整资源、论文复现、期刊合作、论文辅导及科研仿真定制事宜点击本文完整资源下载⛳️座右铭行百里者半于九十。⛳️赠与读者做科研涉及到一个深在的思想系统需要科研者逻辑缜密踏实认真但是不能只是努力很多时候借力比努力更重要然后还要有仰望星空的创新点和启发点。建议读者按目录次序逐一浏览免得骤然跌入幽暗的迷宫找不到来时的路它不足为你揭示全部问题的答案但若能解答你胸中升起的一朵朵疑云也未尝不会酿成晚霞斑斓的别一番景致万一它给你带来了一场精神世界的苦雨那就借机洗刷一下原来存放在那儿的“躺平”上的尘埃吧。或许雨过云收神驰的天地更清朗.......第一部分——内容介绍基于两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化研究摘要高渗透率分布式光伏、风电接入主动配电网后源荷双侧存在显著的随机波动特性传统确定性动态无功优化策略高度依赖源荷预测精度在实际出力偏离预测值时容易出现节点电压越限、网络损耗增大等运行风险。为有效处理分布式电源出力与负荷需求的不确定性本文开展基于两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化研究。区分慢调节离散无功设备与快调节连续无功资源的时间尺度特性构建两阶段鲁棒动态无功优化框架第一阶段为日前决策确定电容器投切、有载调压分接头等不可频繁调整设备的全天动作方案第二阶段为实时校正在第一阶段既定离散决策基础上针对源荷最恶劣扰动场景调用分布式电源无功出力、静止无功补偿装置等连续可调资源完成无功电压校正保证系统在不确定扰动集合内所有工况均满足安全运行约束。以 IEEE33 节点主动配电网作为测试系统对比确定性优化、单阶段鲁棒优化与本文两阶段鲁棒优化策略的运行表现。结果表明所提两阶段鲁棒优化方法可以兼顾运行经济性与抗扰动能力有效抑制不确定性带来的电压越限问题降低配电网网络损耗实现多种无功资源的多时间尺度协同调控可为高新能源渗透率下主动配电网无功电压运行提供理论参考。关键词主动配电网动态无功优化两阶段鲁棒优化源荷不确定性多时间尺度IEEE33 节点0 引言0.1 研究背景在双碳目标推动下光伏、风机等分布式电源大量接入配电网传统无源配电网逐步转型为源‑荷双向互动的主动配电网现代电力。分布式新能源出力受光照、气象条件影响具备强间歇性与随机性叠加用户侧负荷的动态波动配电网潮流方向不再固定节点电压波动加剧局部过电压、低电压现象频发给配电网无功电压管控带来巨大挑战。动态无功优化是主动配电网运行调控的核心手段通过在全天多个时段统筹协调各类无功调节资源实现降低网络损耗、维持节点电压在允许区间、改善系统运行状态的目标。主动配电网内部无功调节资源特性差异明显电容器组、有载调压变压器属于慢动作离散设备存在每日动作次数限制无法跟随源荷快速波动频繁调节分布式电源逆变器、静止无功补偿装置属于快速连续调节设备可以实现分钟级甚至秒级的无功功率调整二者需要相互配合实现多时间尺度协同调控。传统动态无功优化大多属于确定性优化直接采用源荷预测数值开展优化计算仅适配预测完全准确的理想工况。当实际风光出力、负荷功率偏离预测结果时预先得到的无功调控方案可行性大幅下降极易引发电压越限、支路功率越限等安全问题。随机优化是处理不确定性的常用思路需要源荷出力明确的概率分布信息依靠大量随机场景抽样开展优化实际工程中很难获取精准概率参数场景数量也会直接影响计算负担应用场景受到限制。鲁棒优化依靠不确定集合描述源荷波动范围不需要掌握随机变量概率分布信息保证在集合内任意扰动下系统约束均可以满足适合配电网不确定性调度问题。传统单阶段鲁棒优化将全部变量统一处理没有区分无功设备快慢调节属性容易造成离散设备动作次数超限优化结果保守性较强牺牲较多运行经济性换取安全裕度arXiv。两阶段鲁棒优化将决策划分为事前 “第一阶段” 与扰动发生之后的 “第二阶段”第一阶段决策不受不确定性影响对应慢调节设备的日前计划第二阶段在观测到不确定扰动之后再做响应调整对应快速无功资源的实时校正天然契合主动配电网快慢无功设备的多时间尺度运行逻辑能够平衡方案鲁棒安全性与运行经济性因此在配电网调度领域得到广泛关注。在此背景下本文开展两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化研究对高新能源渗透率配电网安全经济运行具备现实意义。0.2 国内外研究现状国外较早开展配电网无功电压优化相关研究随着分布式电源不断普及研究重心逐步转向不确定性条件下的无功优化运行。早期研究多采用确定性多时段最优潮流完成动态无功优化依靠启发式算法求解混合整数优化问题但忽略源荷预测误差带来的运行风险。之后随机优化方法被引入无功电压调控通过蒙特卡洛采样生成海量源荷随机场景在场景集合内完成无功优化调度但该方法高度依赖历史统计数据获取概率分布场景规模提升会显著增大求解压力。鲁棒优化理论成熟之后部分学者构建配电网单阶段鲁棒无功优化模型依靠不确定集合刻画风光、负荷波动保证最坏工况下系统安全但是单阶段框架没有区分设备调节速度离散设备动作约束难以精细刻画优化结果保守程度高。为改善保守性问题两阶段可调鲁棒优化得到发展将设备划分为预先决策变量和待调整变量适配调度实际时序逻辑部分文献将其用于配电网经济调度但针对动态无功优化场景对快慢无功补偿资源协同、多时段耦合约束的研究仍有待进一步完善。国内学者围绕主动配电网动态无功优化开展大量研究工作。在确定性动态无功优化层面重点研究电容器、有载调压变压器与分布式电源的协同调控采用智能算法、二阶锥松弛等方法处理非凸潮流问题实现降低网损、抑制电压偏移的目标。针对不确定性问题一部分研究采用场景缩减的随机优化方法处理源荷波动另一部分研究引入鲁棒优化规避概率分布难以获取的难题。现有鲁棒无功优化部分工作采用单层鲁棒框架未区分无功设备动作特性将电容器分接头等离散变量和逆变器连续无功输出放在同一层处理容易出现设备动作次数超限鲁棒解过于保守。越来越多研究意识到两阶段鲁棒优化的优势第一阶段确定慢设备日前调度计划第二阶段在扰动出现后利用快速无功资源进行校正兼顾时序逻辑与抗扰动能力。但是现有部分文献对动态多时段耦合效应考虑不足同时缺少在标准 IEEE33 节点系统下针对确定性、单阶段鲁棒、两阶段鲁棒不同策略的系统性对比分析对于鲁棒预算参数对优化方案保守性‑经济性的影响规律仍需要深入讨论。综合现有研究存在的不足本文构建适配主动配电网多类型无功资源的两阶段鲁棒动态无功优化框架依托 IEEE33 节点测试系统开展仿真对比分析鲁棒预算参数对优化结果的影响验证所提策略的有效性。0.3 本文主要工作1梳理主动配电网源荷不确定性特征分析各类无功调节设备调节速度、动作限制等运行特性阐明两阶段鲁棒优化应用于动态无功优化的适配机理。 2建立主动配电网两阶段鲁棒动态无功优化整体框架。第一阶段为日前慢设备决策以配电网综合运行成本最优为导向确定各时段电容器投切组数、有载调压变压器分接头档位严格约束离散设备全天最大动作次数第二阶段为实时校正在第一阶段决策固定不变前提下在源荷不确定集合中搜寻最恶劣扰动工况调用分布式电源无功能力、静止无功补偿装置完成无功再调度保证所有扰动场景下潮流、电压、功率约束全部满足。 3选取 IEEE33 节点主动配电网作为算例系统设置确定性优化、单阶段鲁棒优化、本文两阶段鲁棒优化多种对比场景从网络损耗、电压水平、设备动作情况、保守性与经济性权衡多个维度开展结果分析探究鲁棒预算参数变化对系统运行方案的影响规律。 4总结研究结论指出当前研究存在局限以及后续可以进一步探索的研究方向。1 主动配电网动态无功优化问题分析1.1 主动配电网源荷不确定性主动配电网不确定性主要来源于分布式新能源出力以及用户侧负荷波动。光伏出力受光照强度、云层遮挡影响白天时段出力波动剧烈风电出力受风速变化影响出力变化没有固定时序规律负荷受到居民用电、工商业生产行为影响存在峰谷变化同时叠加随机扰动。源荷预测只能给出各时段出力的期望值实际运行出力会在预测值附近区间内上下浮动预测偏差构成配电网运行的扰动来源。鲁棒优化通过不确定集合来描述源荷全部可能出现的扰动范围不需要各类扰动的概率分布信息。鲁棒预算参数可以调节不确定集合的边界控制考虑扰动的激进程度鲁棒预算取值越大代表考虑的扰动幅度越大模型覆盖的极端工况越多优化方案安全性越高但对应的运行成本、网络损耗也会上升方案保守性增强鲁棒预算取值越小则更偏向经济性抵御极端扰动的能力下降。动态无功优化需要权衡安全裕度和运行经济性鲁棒预算参数是两阶段鲁棒模型关键的调节要素。1.2 无功调节资源特性主动配电网内部具备多种无功调节资源按照调节响应速度与动作约束可以分为慢调节离散设备与快调节连续设备两类。慢调节离散设备主要包含并联电容器组与有载调压变压器 OLTC。电容器依靠分组投切实现无功补偿输出为离散档位有载调压依靠分接头档位调节电压。二者机械结构存在寿命限制全天的动作切换次数不能超过上限不适合跟随源荷秒级、分钟级的快速波动反复调整一般在日前调度层面确定全天各时段的工作档位属于长时间尺度调控资源。快调节连续设备主要包括分布式电源逆变器、静止无功补偿装置 SVC 等电力电子类设备。分布式电源逆变器在有功出力确定的前提下可以在允许范围内连续调节无功功率输出SVC 能够平滑输出感性或者容性无功响应速度快不存在机械动作次数约束。当风光、负荷发生随机扰动之后可以依靠这类快速资源完成实时无功校正属于短时间尺度调控资源。动态无功优化的核心难点就是实现快慢两类无功资源的协同配合。如果只依靠慢设备面对源荷扰动无法及时响应极易发生电压越限如果过度依赖快设备会增大电力电子装置压力。两阶段鲁棒优化的分层决策思想刚好匹配该运行逻辑第一阶段处理慢设备的日前离散决策第二阶段依托快设备完成扰动后的实时校正。1.3 动态无功优化约束条件主动配电网动态无功优化需要满足配电网运行各类物理约束。潮流约束表征各节点有功、无功功率平衡关系节点电压约束要求所有节点电压幅值始终维持在国家标准允许上下限之间支路传输功率约束限制每条线路输送的视在功率避免线路过载离散无功设备约束限制电容器、有载调压分接头单天总的动作切换次数各类无功补偿设备自身具备输出上下限约束不能超出设备额定调节容量。动态优化属于多时段优化问题不同时段之间存在耦合关系最为典型就是离散设备动作次数约束需要统计全天 24 小时各个时刻设备档位切换总次数不能超过设备允许上限该时间耦合特性是动态无功优化区别于单时段静态无功优化的关键所在。确定性动态无功优化直接采用源荷预测数值只保证预测工况下全部约束成立没有考虑预测偏差。当实际源荷偏离预测值原本满足条件的运行方案就可能打破电压、功率约束。鲁棒优化则要求在源荷不确定集合内部任意一种扰动工况下全部运行约束均成立以此保证调控方案的抗扰动能力。1.4 两阶段鲁棒优化求解思路两阶段鲁棒动态无功优化属于极大‑极小双层优化问题。外层极大优化负责在源荷不确定集合中搜寻对系统运行最为不利的最恶劣扰动场景内层极小优化则是在第一阶段慢设备决策已经固定的前提下依靠快速无功资源做最优校正求取恶劣场景下系统最优运行状态。该双层问题无法直接求解一般采用列与约束生成CCG算法进行迭代求解。算法分为主问题与子问题交替迭代。主问题求解第一阶段的慢设备决策得到电容器、分接头的全天动作计划子问题接收主问题输出的第一阶段决策搜寻源荷最恶劣扰动场景判断在该恶劣场景下是否存在可行的无功校正方案。如果子问题发现存在导致约束越限的恶劣工况则生成对应的约束条件反馈添加到主问题之中开展下一轮迭代不断重复主‑子问题迭代流程直到上下界收敛输出最终的两阶段鲁棒优化调度方案。2 两阶段鲁棒动态无功优化框架2.1 整体框架本文构建的主动配电网两阶段鲁棒动态无功优化分为第一阶段日前决策层、第二阶段实时校正层对应多时间尺度无功协同调控模式。第一阶段日前决策阶段时间尺度为全天多时段以源荷预测数据作为基础输入优化对象为慢动作离散无功设备输出各时段电容器投切组数、有载调压分接头档位。该部分决策变量一旦确定在后续源荷发生扰动时不再发生改变同时严格遵守设备每日动作次数上限。第一阶段优化过程中需要预判后续第二阶段实时校正的调节能力保证得到的慢设备计划在任意源荷扰动下都可以依靠快速无功资源找到可行的校正方案。第二阶段实时校正阶段时间尺度跟随源荷扰动第一阶段离散设备决策保持不变。源荷出力发生波动落在预先定义的不确定集合之内。在所有可能的扰动工况中寻找最恶劣场景利用分布式电源逆变器、静止无功补偿装置等连续可调无功资源开展无功再优化调整各节点无功注入功率重新平衡配电网潮流保障节点电压、支路功率等全部运行约束得到满足。第二阶段变量是扰动发生之后才确定的可调变量仅调用快速电力电子类设备不存在机械动作次数限制。两阶段分工清晰慢设备 “事前布阵”确定基础无功补偿格局快设备 “事后应变”抵消源荷随机扰动带来的不利影响契合主动配电网实际调度运行逻辑。2.2 优化目标动态无功优化综合考虑配电网运行经济性主要优化目标包含配电网全天网络有功损耗同时兼顾无功设备调节相关代价。网络损耗为各时段全部配电支路有功损耗之和是无功优化最核心指标降低网损可以减少系统电能浪费。同时考虑设备调节代价离散电容器、分接头每一次切换动作都会产生设备磨损成本因此优化目标中纳入设备动作代价避免设备频繁无谓切换。鲁棒优化的目标含义为在第一阶段确定慢设备决策使得面对最恶劣源荷扰动时系统校正之后的综合运行代价尽可能最优。2.3 各类约束说明1第一阶段相关约束包含电容器投切档位约束、有载调压分接头档位约束重点设置全天总的动作切换次数约束限制机械设备频繁动作各时段潮流等式约束节点电压、支路功率不等式约束针对预测基准场景。第一阶段输出的离散决策传递给第二阶段在第二阶段求解过程中保持固定不变。2源荷不确定性集合约束限定分布式光伏、风电出力与负荷功率的波动上下边界鲁棒预算参数用来控制整体扰动的剧烈程度模拟不同等级的预测误差。3第二阶段校正约束源荷取不确定集合内任意扰动数值第一阶段离散设备决策固定快速无功资源的无功输出上下限约束各时段潮流功率平衡约束所有节点电压幅值必须落在安全区间所有支路传输功率不能超过热稳定极限。第二阶段不需要考虑离散设备动作次数因为不会再调整电容器、分接头档位。3 算例分析3.1 算例系统概况本文采用改进 IEEE33 节点配电网系统开展仿真验证系统基准电压 12.66 kV基准容量 10 MVA原始总有功负荷 3715 kW总无功负荷 2300 kvar。对标准算例进行改造构建主动配电网在多个节点接入分布式光伏电源配置并联电容器组、有载调压变压器作为慢调节无功设备在部分节点装设静止无功补偿装置分布式光伏逆变器具备无功调节能力充当快调节无功资源。设置全天 24 个优化时段每个时段代表 1 小时。获取典型日负荷时序曲线、光伏出力时序曲线作为预测基准值源荷出力允许在预测值附近一定范围内波动设置鲁棒预算参数用来控制不确定扰动的强度。节点电压安全运行区间设置为 0.95‑1.05 倍标幺值。电容器、有载调压分接头设置每日最大允许动作次数上限。设置三组对比方案 方案 1确定性动态无功优化直接采用源荷预测数值开展优化不考虑源荷预测扰动。 方案 2单阶段鲁棒动态无功优化所有变量统一处理不区分快慢设备时序特性。 方案 3本文两阶段鲁棒动态无功优化第一阶段优化慢设备第二阶段依靠快速无功资源校正恶劣扰动场景。3.2 优化结果对比分析3.2.1 基准预测场景运行结果在源荷出力完全和预测一致的基准工况下对比三种方案的全天网络损耗、电压偏移水平、设备动作情况。确定性优化面向基准场景寻优网络损耗指标表现最优电压偏移程度最小。但确定性方案没有预留应对扰动的安全裕度。单阶段鲁棒优化与本文两阶段鲁棒优化为抵御潜在源荷扰动需要预留一定无功调节裕量基准场景下的网络损耗相比确定性方案会出现小幅上升。两阶段鲁棒优化因为区分快慢设备特性尊重离散设备动作次数约束相比单阶段鲁棒优化设备动作更加合理不会出现机械设备超限切换的现象综合运行代价优于单阶段鲁棒方案。3.2.2 恶劣扰动场景运行结果人为构造源荷最恶劣扰动工况检验不同方案抵御不确定性的能力。 确定性优化得到的调度方案在恶劣扰动场景下出现明显缺陷部分节点电压发生越限超出 0.95‑1.05 标幺值安全区间部分支路功率逼近传输上限系统运行不再满足安全约束。这说明确定性优化只适配预测完全准确的理想工况一旦出现较大预测偏差方案就会失效无法保障主动配电网安全运行。单阶段鲁棒优化和本文两阶段鲁棒优化均属于鲁棒类模型在该恶劣扰动场景下全部节点电压维持在允许范围之内支路功率不越限可以保证系统安全可行。单阶段鲁棒优化虽然可以保证安全但是模型没有区分设备调节时序逻辑部分时段会出现离散设备动作次数超出物理上限的问题在工程实际中无法落地执行。本文两阶段鲁棒优化方案在恶劣扰动工况下第一阶段电容器、分接头维持原有日前档位不变依靠光伏逆变器、静止无功补偿装置的连续无功调节能力完成实时校正节点电压波动得到有效抑制网络损耗维持在合理水平同时离散设备全天动作次数严格在额定限值以内兼顾安全性、可行性与经济性证明该两阶段框架的实用价值。3.2.3 鲁棒预算参数灵敏度分析鲁棒预算参数决定不确定集合的扰动范围直接影响优化方案保守程度。改变鲁棒预算取值观察系统运行指标变化规律。随着鲁棒预算参数增大模型考虑更加剧烈的源荷扰动需要预留更多无功调节裕度。系统全天网络损耗逐步上升电压安全裕度进一步提高抵御极端扰动的能力变强方案保守性增强。与此同时快调节无功设备的无功出力调节幅度明显增大更多依靠电力电子装置承担扰动校正任务。当鲁棒预算参数减小不确定集合覆盖的扰动范围收缩优化结果向经济性倾斜网络损耗降低但系统应对强扰动的能力下降如果遇到大的源荷预测偏差就有可能出现电压越限。鲁棒预算参数不存在绝对最优取值需要结合配电网实际源荷预测精度综合选取。如果当地风光预测误差较大可以选取偏大鲁棒预算优先保障供电安全如果预测精度较高则可以适当降低鲁棒预算减少为鲁棒性付出的经济代价实现保守性与经济性之间的权衡。3.3 算例小结通过 IEEE33 节点算例对比可以得到如下结论确定性动态无功优化在预测工况下经济性能最好但不具备抵御源荷预测偏差的能力扰动发生后容易出现电压越限可靠性不足单阶段鲁棒优化可以保证恶劣场景下系统安全但忽略无功设备快慢调节的物理特性容易造成离散设备动作超限工程落地性差本文两阶段鲁棒动态无功优化将慢设备日前决策与快设备实时校正分层处理在源荷各类扰动场景下均能够保证电压、潮流约束满足同时严格遵守机械设备动作次数限制在安全性与运行经济性之间取得平衡。鲁棒预算参数对方案保守性起到关键调节作用实际工程需要根据预测精度合理设置。4 结论与展望4.1 结论针对高渗透率分布式电源接入主动配电网带来的源荷不确定性问题本文开展两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化研究。分析不同类型无功调节资源的调节速度、动作约束差异建立两阶段鲁棒动态无功优化整体框架。第一阶段完成电容器组、有载调压分接头等慢动作离散设备的日前优化决策第二阶段在第一阶段决策固定前提下针对源荷最恶劣扰动场景调用分布式电源逆变器、静止无功补偿装置等快速无功资源实现无功电压校正。基于 IEEE33 节点主动配电网算例系统开展仿真对比。主要结论如下1确定性动态无功优化依赖源荷预测精度在预测值与实际出力偏差较大时容易发生节点电压越限等安全问题难以适配新能源高占比主动配电网复杂运行工况。2两阶段鲁棒优化天然适配主动配电网无功资源多时间尺度调控特性区分慢设备事前决策和快设备事后校正既保证源荷不确定集合内所有扰动工况下系统安全运行又严格约束离散设备动作次数克服单阶段鲁棒优化模型保守性强、不符合设备物理运行约束的缺陷。3鲁棒预算参数可以调节优化方案保守‑经济特性。鲁棒预算取值提升系统抗扰动安全裕度提高但网络损耗与运行代价随之增加鲁棒预算降低经济性改善但抵御极端扰动能力下降实际应用需要结合源荷预测精度合理选定参数。4.2 展望本文研究仍存在可以进一步拓展的方向 1本文采用盒式不确定集合描述源荷扰动后续可以结合源荷历史运行数据构建数据驱动型不确定集合进一步降低鲁棒方案的保守程度更好兼顾安全性与经济性。 2研究只考虑无功电压优化未来可以拓展为有功‑无功协同两阶段鲁棒优化计及储能充放电、柔性负荷需求响应资源挖掘主动配电网更多调节潜力。 3本文基于标准 IEEE33 节点开展仿真后续可以扩展到更大规模实际配电网算例进一步验证模型在大规模网络场景下的计算效率与工程适用性。第二部分——运行结果第三部分——参考文献文章中一些内容引自网络会注明出处或引用为参考文献难免有未尽之处如有不妥请随时联系删除。(文章内容仅供参考具体效果以运行结果为准)[1]熊壮壮. 两阶段鲁棒优化的主动配电网动态无功优化[D].郑州大学,2019.第四部分——本文完整资源下载资料获取更多粉丝福利MATLAB|Simulink|Python|数据|文档等完整资源获取本文完整资源下载
