本發(fā)明屬于電能調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種適用于智能電網(wǎng)環(huán)境的最優(yōu)實時電能分配方法。

背景技術(shù)：

智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化(智電電力)，也被稱為“電網(wǎng)2.0”，它是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設(shè)備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。智能電網(wǎng)由很多部分組成，可分為：智能變電站，智能配電網(wǎng)，智能電能表，智能交互終端，智能調(diào)度，智能家電，智能用電樓宇，智能城市用電網(wǎng)，智能發(fā)電系統(tǒng)，新型儲能系統(tǒng)。其主要特征包括自愈、激勵和包括用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行。

堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展在全世界還處于起步階段，沒有一個共同的精確定義，其技術(shù)大致可分為四個領(lǐng)域：高級量測體系、高級配電運行、高級輸電運行和高級資產(chǎn)管理。智能電網(wǎng)的建立是一個巨大的歷史性工程。目前很多復(fù)雜的智能電網(wǎng)項目正在進行中，但缺口仍是巨大的。對于智能電網(wǎng)技術(shù)的提供者來說，所面臨的推動發(fā)展的挑戰(zhàn)是配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)升級、配電站自動化和電力運輸、智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和智能儀表。根據(jù)最新報告，智能電網(wǎng)技術(shù)市場從2012年的330億美元增長到2020年的730億美元，8年間，市場累積達到4940億美元。總體來看，目前我國智能電網(wǎng)仍處于實驗和示范階段。未來隨著行業(yè)技術(shù)日益成熟，我國智能電網(wǎng)將迎來爆發(fā)期。

雖然在智能電網(wǎng)一些方面所獲得的進步已經(jīng)非常顯著，但是在智能電網(wǎng)如何實現(xiàn)高效可靠的電能分配的問題中，現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的電能分配效率還不夠高，限制了多微電網(wǎng)系統(tǒng)和主電網(wǎng)的配合協(xié)同方式的應(yīng)用及推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種適用于智能電網(wǎng)環(huán)境的最優(yōu)實時電能分配方法，能夠明顯提到電能的分配效率。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種適用于智能電網(wǎng)環(huán)境的最優(yōu)實時電能分配方法，智能電網(wǎng)由電能調(diào)度中心控制，能源分配器分配電能給裝有智能電表的用戶，電能分配方法按照電能調(diào)度中心和各個用戶在只依靠自身數(shù)據(jù)的情況下能否進行前期的數(shù)學(xué)處理來劃分，若能夠進行前期的數(shù)學(xué)處理則采用分布式電能分配方法，否則采用總控式電能分配方法；

所述總控式電能分配方法包括以下步驟：

(1)初始化電網(wǎng)中各個用戶的預(yù)計用電量

(2)在時間周期內(nèi)重復(fù)以下步驟：

(21)電網(wǎng)調(diào)度中心獲得某個時刻主電網(wǎng)中各個用戶的最小用電量pi,min(t)，能量分配器能夠產(chǎn)生的電能g(t)和用戶電能使用靈活度ωi(t)；

(22)求解優(yōu)化方程，獲得各個用戶對電能需求值

上式中，u(pi(t),ωi(t))表示用戶的整體滿意度，它為一個凹函數(shù)且是pi(t)的嚴格單調(diào)增函數(shù)；f(·)為表示電能價格，它是二次可微且單調(diào)遞增的凸函數(shù)；α表示電網(wǎng)波動在整個函數(shù)中占的權(quán)重比值；c(·)表示主電網(wǎng)的發(fā)電成本，這個是一個嚴格遞增的凸函數(shù)；c(t)為在t時刻電能供應(yīng)商的成本預(yù)算；n表示用戶數(shù)；t表示時間長度；表示各用戶在t時刻的預(yù)計用電量；pi(t)為第i個用戶在時間t的電能需求，其在優(yōu)化方程中的最優(yōu)解即為

(23)將電能需求值傳給電網(wǎng)調(diào)度中心；

(24)實時更新

(25)對各個用戶進行大小為的電能輸送。

所述分布式電能分配方法包括以下步驟：

第一步，用戶端智能電表數(shù)據(jù)處理：

(a)初始化電網(wǎng)中各個用戶的預(yù)計用電量

(b)在時間周期內(nèi)重復(fù)以下步驟:

(b1)智能電表從電網(wǎng)調(diào)度中心中得到更新的λt(k)，λt(k)是拉格朗日耦合參數(shù)λ(t)的第k次迭代值；

(b2)求解優(yōu)化方程，獲得各個用戶電能需求值

上式中，pi(t)在優(yōu)化方程中第k次迭代時的最優(yōu)解即為

(b3)將需求值傳給電網(wǎng)調(diào)度中心；

(b4)重復(fù)(b1)到(b3)，直至

|λt(k+1)-λt(k)|＜ε1，ε1＞0

(c)得到的最終值并把它發(fā)給電能分配器，實時更新

第二步，電網(wǎng)調(diào)度中心進行數(shù)據(jù)處理：

(a)初始化每個用戶的λt(0)任取一個大于0的常數(shù)；

(b)在時間周期內(nèi)重復(fù)以下步驟:

(b1)求解優(yōu)化方程，獲得電能分配器提供的電能gt(k)。

r(λ(t))＝max{λ(t)g(t)-c(g(t))}

上式中，g(t)在優(yōu)化方程中第k次迭代時的最優(yōu)解即為gt(k)；

(b2)從各個用戶中得到

(b3)實時更新λt(k)：

上式中，δ表示更新λt(k)的步長，符號[·]⁺為得到的值右偏；

(b4)把更新完的λt(k)傳輸給用戶端；

(b5)重復(fù)(b1)到(b4)，直至

|λt(k+1)-λt(k)|＜ε2，ε2＞0

(c)在時間周期內(nèi)發(fā)送gt(k)給能量分配單元，并使能量分配單元提供對應(yīng)能量，然后給各用戶分配的能量。

進一步地，所述各用戶在t時刻的預(yù)計用電量的計算公式如下：

進一步地，用戶電能使用靈活度ωi(t)∈[0,1]，ωi(t)的值越大表明用戶用電靈活度越大。

進一步地，電網(wǎng)波動在整個函數(shù)中占的權(quán)重比值α∈[0.01,1]。

進一步地，更新λt(k)的步長δ∈[0.01,1]。

采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：

本發(fā)明設(shè)計的電能分配方法分為總控式和分布式。對于總控式，我們將問題闡述為一個凸函數(shù)最優(yōu)問題，并把其考慮因素轉(zhuǎn)換成了一個帶有約束條件的方程，再利用數(shù)學(xué)算法解方程，得到最優(yōu)解。對于分布式，我們把原問題轉(zhuǎn)換成了兩個凹函數(shù)最優(yōu)問題的總和：由用戶端處理第一部分，由電網(wǎng)調(diào)度端處理第二個部分，把其考慮因素轉(zhuǎn)換成了一個帶有約束條件的方程，再利用數(shù)學(xué)算法解方程，得到最優(yōu)解。本發(fā)明在智能電網(wǎng)中，使用無線傳輸系統(tǒng)，利用暫時的、空間的和技術(shù)上的分布能夠有效提高電能的分配效率，有利于智能電網(wǎng)的應(yīng)用及推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中總控式分配流程圖；

圖3是本發(fā)明中分布式分配流程圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

本發(fā)明存在兩種分配方法——總控式分配方法和分布式分配方法。按照電能調(diào)度中心和各個用戶在只依靠自身數(shù)據(jù)的情況下能否進行前期的數(shù)學(xué)處理來劃分，若能夠進行前期的數(shù)學(xué)處理則采用分布式電能分配方法，否則采用總控式電能分配方法。

首先陳述總控式方案：

一、首先將智能電網(wǎng)中的各個因素公式化，然后列寫成一個帶有約束條件的方程：

(1)設(shè)置并選擇需要考慮的變量，有

變量1、設(shè)置時間槽t＝{1,2,...,t}。

變量2、主電網(wǎng)中的用戶i＝{1,2,...,n}。

變量3、第i個用戶在時間t的電能需求為pi(t)。

變量4、第i個用戶的使用方程u(pi(t),ωi(t))，表示用戶的整體的滿意程度，并且這是一個凹函數(shù)且是pi(t)的嚴格的單調(diào)增函數(shù)。

變量5、第i個用戶在t時刻的ωi(t)是一個值域在0到1之間用戶的靈活度，越接近于1說明靈活度更大。

變量6、c(·)表示主電網(wǎng)的發(fā)電成本，這個是一個嚴格遞增的凸函數(shù)。

變量7、在t時刻電能供應(yīng)商的成本預(yù)算為c(t)。

變量8、f(·)為價格函數(shù)表示電能價格，是二次可微，單調(diào)遞增的凸函數(shù)。

變量9、對于第i個用戶在t時刻預(yù)估的電能消耗記為

變量10、對于第i個用戶在t時刻的優(yōu)化電能解記為它可以被簡記為

變量11、對于第i個用戶在t∈{1,2…t}時間集所用的電能集記為

變量12、α表示電網(wǎng)波動在整個函數(shù)中占的權(quán)重比值。

變量13、在t時刻該智能電網(wǎng)產(chǎn)生的的電能為g(t)。

(2)設(shè)定了上述變量后，決定電網(wǎng)中需要考慮的因素，有

因素1、用戶使用的電能

因素2、用戶的用電價格

因素3、主電網(wǎng)負載變化

因素4、發(fā)電成本

(3)列寫電能調(diào)度方程及其約束條件，如下

1)優(yōu)化方程(prob-pgo1)：用戶總用電滿意度-用電價格-負荷方差

方差函數(shù)定義為：

2)約束條件：

約束條件1：

約束條件1表示用戶的實時電能的大小必須滿足第i個用戶最小電能需求。

約束條件2：

這里的表示用戶的電能需求總和。

約束條件2表示所有的用電的成本應(yīng)當(dāng)小于發(fā)電成本限額。

約束條件3：

約束條件3表示所有用戶的用電總額不能超過電網(wǎng)產(chǎn)生的電能。

二、解方程prob-pgo1

(1)該方程可以直接處理

方程1：

這時的約束條件為：

將記為該方程的最優(yōu)解。

(2)設(shè)計主電網(wǎng)的在線算法

因為用戶獨立，所以總的方差等于各個方差之和，價格函數(shù)等于各用戶電價之和，電網(wǎng)方程為：

約束條件為：

其中，p對應(yīng)t時間每個用戶i用電量的一個n×t的矩陣。

根據(jù)特性可知，這個最優(yōu)方程是一個凸函數(shù)(在約束條件下)，并且這個解唯一。

解下面這kkt方程：

這里的

且

那么便獲得了拉格朗日乘子：

聯(lián)立上述三個方程，可以解出主電網(wǎng)中的最優(yōu)解，然而，解kkt條件需要一些時間上的平均值。

因此，設(shè)計一種在線算法。

因為數(shù)據(jù)需要一些時間上的數(shù)據(jù)，所以我們使用實時數(shù)據(jù)更新來模擬這個數(shù)據(jù)(即時間上不斷更新的均值)，

使用來替代那么獲得電網(wǎng)方程，記為prob-on1。

約束條件是：

很顯然，這里的是我們前面提到的隨著時間推移一直更新的數(shù)據(jù)。更新公式為：

這里的是電網(wǎng)方程prob-on1的解。

三、對應(yīng)相應(yīng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)：如圖1所示，所述智能電網(wǎng)包括一個電能調(diào)度中心pgo，一個能源分配器ed和很多個裝有智能電表sm的用戶。電能調(diào)度中心和用戶智能電表分別處理相對應(yīng)的數(shù)據(jù)后發(fā)送給電能分配器控制發(fā)送的電能；

將整個電能調(diào)度方法繪制成流程圖，如圖2所示，包括如下步驟：

(1)初始化電網(wǎng)中各個用戶的預(yù)計用電量

(2)在時間周期內(nèi)重復(fù)以下步驟：

(21)電網(wǎng)調(diào)度中心獲得某個時刻主電網(wǎng)中各個用戶的最小用電量pi,min(t)，能量分配器能夠產(chǎn)生的電能g(t)和用戶電能使用靈活度ωi(t)；

(22)求解優(yōu)化方程，獲得各個用戶對電能需求值

(23)將電能需求值傳給電網(wǎng)調(diào)度中心；

(24)實時更新

(25)對各個用戶進行大小為的電能輸送。

接著陳述分布式所采用的技術(shù)方案：

(1)設(shè)置并選擇需要考慮的變量，有：

變量1、設(shè)置時間槽t＝{1,2,...,t}。

變量2、主電網(wǎng)中的用戶i＝{1,2,...,n}。

變量3、第i個用戶在時間t的電能需求為pi(t)。

變量4、第i個用戶的使用方程u(pi(t),ωi(t))，表示用戶的整體的滿意程度，并且這是一個凹函數(shù)且是pi(t)的嚴格的單調(diào)增函數(shù)。

變量5、第i個用戶在t時刻的ωi(t)是一個值域在0到1之間用戶的靈活度，越接近于1說明靈活度更大。

變量6、c(·)表示主電網(wǎng)的發(fā)電成本，這個是一個嚴格遞增的凸函數(shù)。

變量7、在t時刻電能供應(yīng)商的成本預(yù)算為c(t)。

變量8、f(·)為價格函數(shù)表示電能價格，是二次可微，單調(diào)遞增的凸函數(shù)。

變量9、對于第i個用戶在t時刻預(yù)估的電能消耗記為

變量10、對于第i個用戶在t時刻的優(yōu)化電能解記為它可以被簡記為

變量11、電網(wǎng)中所有用戶在t時刻所使用的電能集記為

變量12、對于第i個用戶在t∈{1,2…t}時間集合所用的電能集合記為

變量13、在t時刻該電網(wǎng)產(chǎn)生的電能為g(t)。

變量14、α表示電網(wǎng)波動在整個函數(shù)中占的權(quán)重比值。

變量15、λ(t)為拉格朗日耦合參數(shù)。

變量16、λ(t)進行第k次更新記為λt(k)。

變量17、δ表示更新λt(k)的步長，δ越大，λt(k)越快收斂。

(2)設(shè)定了上述變量后，決定電網(wǎng)中需要考慮的因數(shù)，有

因素1、用戶使用的電能

因素2、用戶的用電價格

因素3、主電網(wǎng)負載變化

因素4、發(fā)電成本

(3)列寫電能調(diào)度方程及其約束條件，如下1)優(yōu)化方程(prob-off2)：用戶總用電滿意度-負荷方差-用電成本價格

約束條件：

約束條件1：

這個約束條件表示用戶的實時電能的大小必須滿足第i個用戶最小電能需求。

約束條件2、

這里的表示用戶的電能需求總和。

這個約束條件表示所有的用電的成本應(yīng)當(dāng)小于發(fā)電成本限額。

約束條件3：

這個約束條件表示所有用戶的用電總額不能超過電網(wǎng)的發(fā)電限度。

二、解方程prob-off2

由于約束3需要同時用到用戶端信息pi(t)和電網(wǎng)調(diào)控端信息g(t)，我們需要對公式進行特殊的分解，分解方式：導(dǎo)出拉格朗日。

分解之后，對任意一個pi(t)∈p，方程1：

約束條件為：

其中λ^t(t)是拉格朗日乘子。

對任意一個g(t)∈g，方程2：

約束條件為：

根據(jù)上述方程，我們可以將該問題轉(zhuǎn)換為下面的拉格朗日對偶問題：

minimize:d^t(λ^t(t))

約束條件為：

λ^t(t)＞0t∈t

其中

根據(jù)這種方式，該問題被轉(zhuǎn)換成為對各個用戶去解決的優(yōu)化方程和電網(wǎng)調(diào)度端去解決的優(yōu)化方程r^t(λ^t(t))。

三、設(shè)計在線算法的子問題

對于用戶來說解決優(yōu)化方程和r^t(λ^t(t))，需要些時間上的平均值

因此，在正式考慮在線算法前我們還需要對我們現(xiàn)有對算法進行一些修改。

因為數(shù)據(jù)需要未來時間上的數(shù)據(jù)，所以我們使用實時數(shù)據(jù)更新來模擬這個數(shù)據(jù)(即時間上不斷更新的均值)，

使用來替代那么在每個t時刻，對每個用戶i，方程改寫為：

約束條件是：

r(λ(t))＝max{λ(t)g(t)-c(g(t))}

約束條件是：

對于λ(t)的目標函數(shù)為：

minimize:d(λ(t))

約束條件為：

λ(t)＞0t∈{1,2,…,t}

其中

這里的是隨著時間推移一直更新的數(shù)據(jù)。更新公式為：

這里的是電網(wǎng)方程的解。

四、設(shè)計在線算法

根據(jù)方程特性，我們知道求解該兩個方程的優(yōu)化解需要進行對拉格朗日乘子去進行不斷迭代，因此我們用λt(k)來替代原方程中的λ(t)，方程記為prob-on2和prob-on3：

約束條件是

r(λt(k))＝max{λt(k)g(t)-c(g(t))}

約束條件是

gt(k)分別為該兩個方程的解。

λt(k)跟著迭代更新，更新公式為：

其中δ為步長，符號[·]⁺為得到的值右偏。

迭代進行直到|λt(k+1)-λt(k)|＜ε結(jié)束，ε為一個大于0的數(shù)。得到最終解我們記為

五、對應(yīng)相應(yīng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)：如圖1所示，所述智能電網(wǎng)包括一個電能調(diào)度中心pgo，一個能源分配器ed和很多個裝有智能電表sm的用戶。電能調(diào)度中心和用戶智能電表分別處理相對應(yīng)的數(shù)據(jù)后發(fā)送給電能分配器控制發(fā)送的電能；

將整個電能調(diào)度方法繪制成流程圖，如圖3所示，包括如下步驟：

第一步，用戶端智能電表數(shù)據(jù)處理：

(a)初始化電網(wǎng)中各個用戶的預(yù)計用電量

(b)在時間周期內(nèi)重復(fù)以下步驟:

(b1)智能電表從電網(wǎng)調(diào)度中心中得到更新的λt(k)，λt(k)是拉格朗日耦合參數(shù)λ(t)的第k次迭代值；

(b2)求解優(yōu)化方程，獲得各個用戶電能需求值

上式中，pi(t)在優(yōu)化方程中第k次迭代時的最優(yōu)解即為

(b3)將需求值傳給電網(wǎng)調(diào)度中心；

(b4)重復(fù)(b1)到(b3)，直至

|λt(k+1)-λt(k)|＜ε1，ε1＞0

(c)得到的最終值并把它發(fā)給電能分配器，實時更新

第二步，電網(wǎng)調(diào)度中心進行數(shù)據(jù)處理：

(a)初始化每個用戶的λt(0)任取一個大于0的常數(shù)；

(b)在時間周期內(nèi)重復(fù)以下步驟:

(b1)求解優(yōu)化方程，獲得電能分配器提供的電能gt(k)。

r(λ(t))＝max{λ(t)g(t)-c(g(t))}

上式中，g(t)在優(yōu)化方程中第k次迭代時的最優(yōu)解即為gt(k)；

(b2)從各個用戶中得到

(b3)實時更新λt(k)：

上式中，δ表示更新λt(k)的步長；

(b4)把更新完的λt(k)傳輸給用戶端；

(b5)重復(fù)(b1)到(b4)，直至

|λt(k+1)-λt(k)|＜ε2，ε2＞0

(c)在時間周期內(nèi)發(fā)送gt(k)給能量分配單元，并使能量分配單元提供對應(yīng)能量，然后給各用戶分配的能量。

實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。