考虑通信延时和柔性负荷的微电网经济调度

邵雪莲

摘要：针对现有微电网柔性负荷的广泛渗透，同时考虑到通信网络存在传输延时，研究了一种基于一致性算法的微电网分布式经济调度方法。将发电机的增量成本和柔性负荷的增量效益选为一致性算法的变量，把系统的功率平衡作为收敛条件。在延时的情况下，通过分布式优化求解经济调度问题，实现了系统社会效益最大化的目的。仿真结果表明，所提的策略方法能解决含通信延时和柔性负荷的微电网社会效益最大化调度问题。

关键词：微电网;分布式一致性;社会效益最大化;柔性负荷;通信延时

中图分类号：TM732         文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）13-0015-03

Abstract： Aiming at the widespread penetration of flexible loads in the existing microgrid and considering the transmission delay of communication network， one distributed economic dispatching strategy based on consensus algorithm is studied. The incremental cost of generators and the incremental benefit of flexible loads are selected as the variables of the consensus algorithm， while the power balance of the system is taken as the convergence condition. Under the condition of time delay， the economic dispatch problem is solved by distributed optimization， and the social benefit of the system is maximized. Simulation results show that the proposed strategy can effectively solve the social benefit maximization scheduling problem of microgrid with communication delay and flexible load.

Key words： microgrid; distributed consensus; maximizing social benefit; flexible load; communication delay

1 引言

经济调度（Economic Dispatch，ED）即在满足一定的系统约束下，通过调节各机组的有功功率，达到最小化系统经济成本的目的。传统上采用集中式方法来求解ED [1]。为了提高系统的可扩展性，分布式一致性优化得到了广泛的关注和研究[2-4]。Zhang [5]提出了将增量成本选为一致性变量，将系统中出电和用电的功率差作为收敛反馈因子，以实现系统的微增率收敛到最优值的目的，适用于无向通信网络。文献[6]基于一致性算法，设置了节点的权重系数，改善了系统收敛的速度。

值得关注的是，微电网一个重要特征就是分布式柔性负荷的高渗透、高比例的接入，而上述文献在进行经济调度时都没有考虑柔性负荷。同时，随着微电网分布式智能设备的发展，各种设备频繁接入退出微电网，数据传输延时在实际的微电网中是不可避免的[7]。而上述分布式算法都是在理想的通信环境下实现的，并未考虑传输延时的影响。Yang[8]使用了含有领导节点的增量成本一致性算法研究了延时对系统的影响，发现通信网络的改变会影响系统的收敛速度，还发现相同的系统配置在有时延和无时延的情况下表现出不同的特征。

通过以上分析，在仅考虑发电成本的经济调度中加入柔性负荷具有现实意义。在调度通信过程中考虑通信延时的存在更具有实际研究意义。

2 考虑柔性负荷的经济调度模型

本文研究的含柔性负荷的分布式经济调度指的是在满足发电约束和系统功率平衡约束的前提下，通过局部交互实现发电机组发电成本最小化和柔性负荷用电效益最大化，即使整个微电网系统运行的社会效益最大化。

3 考虑通信延时的一致性經济调度算法

3.1 一致性算法

本文用有向强连通图G来表示微电网中发电机和柔性负荷节点间的通信拓扑结构。邻接矩阵[A=apqn×n]用来描述节点p和q之间的通信关系，其中n表示节点数。若第p个节点和第q个节点之间有通信线路，则[apq]=1，否则[apq]=0，其中节点自身的通信[app]=0。用[L=[lpq]]表示图G的拉普拉斯矩阵，如果p=q，[lpq=q=1，q≠pnapq];如果p[≠]q，[lpq]=[-apq]。

假设多智能体节点p在时刻[t]有一个标量状态，一般将其表示为[λp（t）∈?]。系统达到一致性的辨别标准是系统所有节点的状态量均相同。当节点与节点的通信是离散时，节点p的一阶离散状态方程一般可以表示为：

3.2 含通信延时的社会效益最大化调度算法

在微电网的数据通信网络中，若采用ZigBee、4G等无线通信技术，信息传输速率较低，因而不可避免地存在通信延时。并且在实际生产中，不同节点间的延时一般是不同的。若节点 i 和 p之间的传输延时记为τip，节点 j 和q之间的传输延时记为τjq。将发电机组的IC与柔性负荷的IB作为调度过程中的一致性变量，应用一致性算法式（4），则发电机和柔性负荷的一致性算法可写为：

基于一致性的经济调度算法的步骤为：[1]输入各节点的功率初值，得到初值[λi（0）]、[λj（0）]和[ΔP（0）];[2]根据一致性迭代公式计算[λi（t）]和[λj（t）];[3]根据更新后的[λi（t）]和[λj（t）]，计算各节点的[Pi（t）]和[Pj（t）];[4]计算[ΔP（t）]，判断|ΔP|≦0.001是否满足，若满足则迭代结束，否则跳转至[2]。

4 仿真结果与分析

为验证本文所提方法的有效性，采用IEEE14系统进行仿真实验，其系统图和通信拓扑图如图 1 所示，發电机单元接入1、2、3和6号节点;柔性负荷单元接入5、9和10号节点;风力发电机接入8号节点，其余节点均为纯负荷。在通信网络中，节点1-4分别表示发电机G1- G4，节点5-7分别表示柔性负荷D1- D3。

由于系统的收敛性与αi 和aj 无关，设定αi = aj =0。可再生能源结合储能设备可维持其输出功率在一定时间内恒定，设置其功率100MW。系统基础纯负荷为700MW，ε =0.001。各机组的参数如表1所示。采用集中式方法优化调度时，该系统的经济调度最优解为λ=7.244$/MW。在一致性迭代调度中选G2和D2为领导节点。

5 结论

本文从分布式优化的角度来解决微电网中的经济调度问题，使用一致性算法，智能体节点仅与相邻节点进行信息交换，对通信网络的要求较低，避免了传统集中控制信息处理量过大的问题。此外，创新地综合考虑了通信延时和柔性负荷同时存在的情形。仿真结果表明该方法在系统拓扑信道不稳定时，能够对分布式电源有功功率进行合理分配，在实现经济调度的同时也能很好地应对系统通信延时的问题。最后，在以后的研究中，可以将经济成本之外的多种目标函数和除功率外的其他约束条件考虑进来，以便补全和完善微电网调度策略研究。

参考文献：

[1] 乐健，柳永妍，叶曦，等.含高渗透率分布式电能资源的区域电网市场化运营模式[J].中国电机工程学报，2016，36（12）：3343-3354.

[2] 余志文，艾芊，熊文.基于多智能体一致性协议的微电网分层分布实时优化策略[J].电力系统自动化，2017，41（18）：25-31，88.

[3] 张雅琴，魏文军.基于快速一致性的微电网分布式控制策略[J].兰州交通大学学报，2020，39（1）：67-72.

[4] 何红玉，韩蓓，徐晨博，等.交直流混合微电网一致性协调优化管理系统[J].电力自动化设备，2018，38（8）：138-146.

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[6] 蒲天骄，刘威，陈乃仕，等.基于一致性算法的主动配电网分布式优化调度[J].中国电机工程学报，2017，37（6）：1579-1590.

[7] 徐豪，张孝顺，余涛.非理想通信网络条件下的经济调度鲁棒协同一致性算法[J].电力系统自动化，2016，40（14）：15-24，57.

[8] Yang T，Wu D，Sun Y N，et al.Impacts of time delays on distributed algorithms for economic dispatch[C]//2015 IEEE Power & Energy Society General Meeting.July 26-30，2015，Denver，CO，USA.IEEE，2015：1-5.

[9] Kar S，Hug G.Distributed robust economic dispatch in power systems：a consensus + innovations approach[C]//2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting.July 22-26，2012，San Diego，CA，USA.IEEE，2012：1-8.

【通联编辑：梁书】