基于McCormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法、装置与系统与流程

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基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法、装置与系统
技术领域
1.本发明涉及电力系统精准负荷控制技术领域，具体而言涉及一种基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法、装置与系统。

背景技术：

2.目前，电网系统的负荷控制方式主要包括刚性切负荷、精准负荷控制技术、柔性负荷控制等。传统的刚性切负荷，粗放式拉闸限电往往造成区域整体性停电，从而产生严重社会影响，用户对停电的反响强烈，仅用于电网发生严重故障时的低频低压减载。而精准负荷控制技术是将分散性海量电力用户可中断负荷单元集中起来进行精准实时控制，其动作响应时间可以达到毫秒级或者秒级。
3.精准负荷控制是对可以中断的用户或设备暂时停电，可避免区域性整体停电的发生，从而对企业和居民用电的影响降至最低。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法，可快速获得电网系统中节点下底层用户的毫秒级负荷优化切除策略，实现对用户、设备的用电精准快速切除控制，避免区域性整体停电的发生，实现电网的精准负荷控制，减少对区域用电的影响。
5.根据本发明目的的第一方面，提出一种基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法，包括以下步骤：
6.步骤a：读取负荷用户数据、电网切除命令并建立毫秒级负荷切除优化模型，并设定切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束；
7.步骤b：使用mccormick松弛转化，将前述建立的毫秒级负荷切除优化模型的混合整数非线性规划(minlp)问题转化为凸非线性规划(nlp)问题，然后采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出。
8.根据本发明目的的第二方面，提出一种基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化装置，包括：
9.用于读取负荷用户数据、电网切除命令并建立毫秒级负荷切除优化模型的模型构建模块，并设定毫秒级负荷切除优化模型的切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束；以及
10.用于使用mccormick松弛转化，将前述建立的毫秒级负荷切除优化模型的混合整数非线性规划(minlp)问题转化为凸非线性规划(nlp)问题，然后采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出的优化模块。
11.根据本发明目的的第三方面，提出一种实现基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化的计算机系统，包括：
12.至少一个或多个处理器；
13.存储器，存储可被操作的指令，所述指令在通过所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括前述的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的流程。
14.根据本发明目的的第四方面，提出一种存储软件的计算机可读介质，所述软件包括能通过一个或多个计算机执行的指令，所述指令通过这样的执行使得所述一个或多个计算机执行操作，所述操作包括前述的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的流程。
15.由以上本发明的技术方案的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法，根据频率控制i段策略确定的节点负荷控制量，以控制代价最小为目标，以切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度为约束，基于mccormick松弛和内点法，快速求解该节点下底层用户的毫秒级负荷优化切除策略。
16.通过本发明可以快速而准确地获取到不同负荷控制量下的切除策略，从而起到紧急频率控制的作用，所得的毫秒级负荷切除方案可以在经济性最优的前提下保证频率控制效果，精准对策略中断的用户或设备暂时停电，以避免区域性整体停电的发生，通过快速响应的精准负荷控制，减少对区域用电的影响，从而对企业和居民用电的影响降至最低。
17.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
18.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
19.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
20.图1是本发明示例性实施例的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的流程示意图。
21.图2是本发明示例性实施例的mccormick方法几何原理图。
22.图3是仿真得到3种负荷切除方案下的频率响应曲线及负荷切除损失代价示意图。
具体实施方式
23.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
24.在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
25.基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法
26.结合图1所示本发明示例性实施例的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的流程，其包括以下步骤：
27.步骤a：读取负荷用户数据、电网切除命令并建立毫秒级负荷切除优化模型，并设定切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束；
28.步骤b：使用mccormick松弛转化，将前述建立的毫秒级负荷切除优化模型的混合整数非线性规划(minlp)问题转化为凸非线性规划(nlp)问题，然后采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出。
29.作为可选的示例，前述步骤a中，读取负荷用户数据、电网切除命令并建立毫秒级负荷切除优化模型，包括：
30.步骤a1：读取负荷用户数据和电网切除命令；
31.步骤a2：建立毫秒级负荷切除优化模型的目标函数，以及
32.步骤a3：在毫秒级负荷切除优化模型中，加入切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束。
33.其中，步骤a2中，建立毫秒级负荷切除优化模型的目标函数的过程包括：
34.设定负荷用户切除成本与切除量呈二次函数关系，并基于电网与用户可中断协议中的补偿系数，建立毫秒级负荷切除优化模型，表达如下：
[0035][0036][0037][0038]
式中，xi为逻辑值(0，1)，0表示响应切除，1表示负荷在线；
△
pi表示负荷用户下单分路开关可切容量；ci表示单位切除代价；ρi表示参数聚合系数；n表示参与切除的负荷用户分路开关总数；k1,k2,k3,k4为常系数。
[0039]
其中，在步骤a3中，在毫秒级负荷切除优化模型中，加入切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束，其具体实现过程包括：
[0040][0041]
式中，β∈(0,β
max
)，
△
p为电网下达的负荷切除需求量，β为切负荷精确度要求，由于实际系统具有一定的调节能力，能够承受一定程度的欠切或过切，因此，β小于设定的最大阈值β
max
，使频率恢复稳定：
[0042][0043]
当电网发生频率故障，上层所下达的指令应小于下层所有子站或终端可中断负荷总量；对分路开关分级给出负荷优先级的量化描述，可以分为1～s级，级别低的分路开关优
先切除；
[0044]
l(xi＝0)≥l(xj＝1)
[0045]
式中，i＝1,2,3...n，j＝1,2,3...n，n表示总的分路开关数，l(xi)表示分路开关的级别，l(xi)∈(1,2,3,...,s)，1～s级别依次降低，l(xi＝0)表示此分路开关参与切除，l(xj＝1)表示其不参与。
[0046]
作为可选的实施例，在步骤b中，使用mccormick松弛转化，采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出的过程，包括：
[0047]
步骤b1：设定所建立的模型为混合整数非线性规划(minlp)问题，基于模型中考虑实际电网按负荷重要程度的分档分级约束条件，其具有离散性，采用mccormick方法将minlp问题松弛为凸非线性规划(nlp)问题；以及
[0048]
步骤b2：采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案，并输出。
[0049]
作为可选的实施例，结合图2所示，在步骤b1中，基于mccormick方法将minlp问题松弛为凸非线性规划(nlp)问题的过程，具体包括：
[0050]
设di,i＝1,2为布尔值，表示优化过程中是否切除到i级的分路开关，也即di＝1表示切除第i级的分路开关，di＝0表示未切除第i级的分路开关；
[0051]
则当s＝2时，负荷重要程度约束表示为：
[0052]
d1d2+(1-d1)d2+(1-d1)(1-d2)＝1
[0053]
对于某个乘式w，令x,y分别表示乘式中的两个相乘项，采用mccormic方法表示为：
[0054]
w＝xy,x
l
≤x≤xu,y
l
≤y≤yu[0055]
其中，xu,x
l
,yu,y
l
分别为x,y的上下限。
[0056]
令a＝(x-x
l
),b＝(y-y
l
)，则a*b≥0，从而
[0057]
(x-x
l
)(y-y
l
)＝xy-x
l
y-xy
l
+x
lyl
≥0
[0058]
w≥x
l
y+xy
l-x
lyl
[0059]
上式表示w＝xy的一个低估因子，经过相似推导，即得到另一低估因子和2个高估因子；最终乘式转化为：
[0060][0061]
为验证本发明，采用某地区电网的实际用采数据，包含50个负荷用户，每个负荷用户下拥有1—10个分路开关，总可切量为700mw。在频率安全控制i段，确定的毫秒级负荷切除量为100mw。此地区负荷用户主要分为机械、电子、食品医药、建材和纺织类，根据不同的行业类型及专家借鉴经验，设置负荷切除损失代价的常系数如表1所示。
[0062]
表1负荷切除损失代价常系数的设置
[0063][0064]
在目标基础上进一步考虑负荷有功-频率特性系数kl。理论上，切除负荷的kl越小，则在频率跌落时负荷功率下降越少，频率控制效果越好。不同负荷对应kl值如表2所示。
[0065]
表2负荷有功-频率特性系数
[0066][0067]
为此，考虑以下3种目标函数：
[0068]
1)仅考虑经济性最优。
[0069][0070]
2)以k
l
最小为目标，对应的目标函数为：
[0071][0072]
式中：k
li
为单个分路开关的有功-频率特性系数。
[0073]
3)经济代价与有功-频率特性系数的权重各为50％，对应的目标函数为：
[0074][0075]
应用毫秒级负荷切除优化模型分别求解3种目标函数下的负荷切除方案，在bpa中搭建39节点系统详细模型，并进行暂态仿真。
[0076]
仿真得到3种负荷切除方案下的频率响应曲线及负荷切除损失代价，如图3所示。
[0077]
表3不同目标函数下的负荷损失代价
[0078]
[0079]
3种目标函数下的切负荷量占电网下达指令的比例分别为0.9700、0.9703和0.9709，其最大差距不超过1/
‰
，本发明所提出的以经济代价最小为目标得出的切负荷策略更符合电网切负荷要求。
[0080]
基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化装置
[0081]
结合图1所示的示例以及以上实施例的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的实现，根据本发明公开的实施例还提出一种基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化装置，包括：
[0082]
用于读取负荷用户数据、电网切除命令并建立毫秒级负荷切除优化模型的模型构建模块，并设定毫秒级负荷切除优化模型的切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束；以及
[0083]
用于使用mccormick松弛转化，将前述建立的毫秒级负荷切除优化模型的混合整数非线性规划(minlp)问题转化为凸非线性规划(nlp)问题，然后采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出的优化模块。
[0084]
计算机系统
[0085]
结合图1所示的示例以及以上实施例的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的实现，根据本发明公开的实施例还提出一种种实现基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化的计算机系统，包括：
[0086]
至少一个或多个处理器；
[0087]
存储器，存储可被操作的指令，所述指令在通过所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括如前述实施例，尤其是图1所示流程的实施例的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的流程。
[0088]
计算机可读介质
[0089]
结合图1所示的示例以及以上实施例的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的实现，根据本发明公开的实施例还提出一种存储软件的计算机可读介质，所述软件包括能通过一个或多个计算机执行的指令，所述指令通过这样的执行使得所述一个或多个计算机执行操作，所述操作包括如前述实施例，尤其是图1所示流程的实施例的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的流程。
[0090]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

技术特征：

1.一种基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a：读取负荷用户数据、电网切除命令并建立毫秒级负荷切除优化模型，并设定切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束；步骤b：使用mccormick松弛转化，将前述建立的毫秒级负荷切除优化模型的混合整数非线性规划(minlp)问题转化为凸非线性规划(nlp)问题，然后采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出。2.根据权利要求1所述的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法，其特征在于，所述读取负荷用户数据、电网切除命令并建立毫秒级负荷切除优化模型，包括：步骤a1：读取负荷用户数据和电网切除命令；步骤a2：建立毫秒级负荷切除优化模型的目标函数；其中，设定负荷用户切除成本与切除量呈二次函数关系，并基于电网与用户可中断协议中的补偿系数，建立毫秒级负荷切除优化模型，表达如下：议中的补偿系数，建立毫秒级负荷切除优化模型，表达如下：议中的补偿系数，建立毫秒级负荷切除优化模型，表达如下：式中，x
i
为逻辑值(0，1)，0表示响应切除，1表示负荷在线；
△
p
i
表示负荷用户下单分路开关可切容量；c
i
表示单位切除代价；ρ
i
表示参数聚合系数；n表示参与切除的负荷用户分路开关总数；k1,k2,k3,k4为常系数；步骤a3：在毫秒级负荷切除优化模型中，加入切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束：式中，β∈(0,β
max
)
△
p为电网下达的负荷切除需求量，β为切负荷精确度要求，由于，实际系统具有一定的调节能力，能够承受一定程度的欠切或过切，因此，β小于设定的最大阈值β
max
，使频率恢复稳定：当电网发生频率故障，上层所下达的指令应小于下层所有子站或终端可中断负荷总量；对分路开关分级给出负荷优先级的量化描述，可以分为1～s级，级别低的分路开关优先切除；l(x
i
＝0)≥l(x
j
＝1)式中，i＝1,2,3...n，j＝1,2,3...n，n表示总的分路开关数，l(x
i
)表示分路开关的级别，l(x
i
)∈(1,2,3,...,s)，1～s级别依次降低，l(x
i
＝0)表示此分路开关参与切除，l(x
j
＝
1)表示其不参与。3.根据权利要求1所述的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法，其特征在于，所述使用mccormick松弛转化，采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出，包括：步骤b1：设定所建立的模型为混合整数非线性规划(minlp)问题，基于模型中考虑实际电网按负荷重要程度的分档分级约束条件，其具有离散性，采用mccormick方法将minlp问题松弛为凸非线性规划(nlp)问题；设d
i
,i＝1,2为布尔值，表示优化过程中是否切除到i级的分路开关，也即d
i
＝1表示切除第i级的分路开关，d
i
＝0表示未切除第i级的分路开关；则当s＝2时，负荷重要程度约束表示为：d1d2+(1-d1)d2+(1-d1)(1-d2)＝1对于某个乘式w，令x,y分别表示乘式中的两个相乘项，采用mccormic方法表示为：w＝xy,x
l
≤x≤x
u
,y
l
≤y≤y
u
其中，x
u
,x
l
,y
u
,y
l
分别为x,y的上下限。令a＝(x-x
l
),b＝(y-y
l
)，则a*b≥0，从而(x-x
l
)(y-y
l
)＝xy-x
l
y-xy
l
+x
l
y
l
≥0w≥x
l
y+xy
l-x
l
y
l
上式表示w＝xy的一个低估因子，经过相似推导，即得到另一低估因子和2个高估因子；最终乘式转化为：步骤b2：采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案，并输出。4.一种基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化装置，其特征在于，包括：用于读取负荷用户数据、电网切除命令并建立毫秒级负荷切除优化模型的模型构建模块，并设定毫秒级负荷切除优化模型的切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束；以及用于使用mccormick松弛转化，将前述建立的毫秒级负荷切除优化模型的混合整数非线性规划(minlp)问题转化为凸非线性规划(nlp)问题，然后采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出的优化模块。5.根据权利要求4所述的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化装置，其特征在于，所述模型构建模块被设置成按照下述方式建立毫秒级负荷切除优化模型：首先，读取负荷用户数据和电网切除命令；然后，建立毫秒级负荷切除优化模型的目标函数；其中，设定负荷用户切除成本与切除量呈二次函数关系，并基于电网与用户可中断协议中的补偿系数，建立毫秒级负荷切除优化模型，表达如下：议中的补偿系数，建立毫秒级负荷切除优化模型，表达如下：
式中，x
i
为逻辑值(0，1)，0表示响应切除，1表示负荷在线；
△
p
i
表示负荷用户下单分路开关可切容量；c
i
表示单位切除代价；ρ
i
表示参数聚合系数；n表示参与切除的负荷用户分路开关总数；k1,k2,k3,k4为常系数；步骤a3：在毫秒级负荷切除优化模型中，加入切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度约束：式中，β∈(0,β
max
)，
△
p为电网下达的负荷切除需求量，β为切负荷精确度要求，由于实际系统具有一定的调节能力，能够承受一定程度的欠切或过切，因此，β小于设定的最大阈值β
max
，使频率恢复稳定：当电网发生频率故障，上层所下达的指令应小于下层所有子站或终端可中断负荷总量；对分路开关分级给出负荷优先级的量化描述，可以分为1～s级，级别低的分路开关优先切除；l(x
i
＝0)≥l(x
j
＝1)式中，i＝1,2,3...n，j＝1,2,3...n，n表示总的分路开关数，l(x
i
)表示分路开关的级别，l(x
i
)∈(1,2,3,...,s)，1～s级别依次降低，l(x
i
＝0)表示此分路开关参与切除，l(x
j
＝1)表示其不参与。6.根据权利要求5所述的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化装置，其特征在于，所述优化模块被设置成按照下述方式将毫秒级负荷切除优化模型的混合整数非线性规划(minlp)问题转化为凸非线性规划(nlp)问题，然后采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案并输出：首先，设定基于所述模型构建模块所建立的模型为混合整数非线性规划(minlp)问题，基于模型中考虑实际电网按负荷重要程度的分档分级约束条件，其具有离散性，采用mccormick方法将minlp问题松弛为凸非线性规划(nlp)问题；设d
i
,i＝1,2为布尔值，表示优化过程中是否切除到i级的分路开关，也即d
i
＝1表示切除第i级的分路开关，d
i
＝0表示未切除第i级的分路开关；则当s＝2时，负荷重要程度约束表示为：d1d2+(1-d1)d2+(1-d1)(1-d2)＝1对于某个乘式w，令x,y分别表示乘式中的两个相乘项，采用mccormic方法表示为：w＝xy,x
l
≤x≤x
u
,y
l
≤y≤y
u
其中，x
u
,x
l
,y
u
,y
l
分别为x,y的上下限。令a＝(x-x
l
),b＝(y-y
l
)，则a*b≥0，从而(x-x
l
)(y-y
l
)＝xy-x
l
y-xy
l
+x
l
y
l
≥0w≥x
l
y+xy
l-x
l
y
l
上式表示w＝xy的一个低估因子，经过相似推导，即得到另一低估因子和2个高估因子；最终乘式转化为：然后，采用内点法求解，得到毫秒级负荷切除方案，并输出。7.一种实现基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化的计算机系统，其特征在于，包括：至少一个或多个处理器；存储器，存储可被操作的指令，所述指令在通过所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括如权利要求1-3中任意一项所述的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的流程。8.一种存储软件的计算机可读介质，其特征在于，所述软件包括能通过一个或多个计算机执行的指令，所述指令通过这样的执行使得所述一个或多个计算机执行操作，所述操作包括如权利要求1-3中任意一项所述的基于mccormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法的流程。

技术总结

本发明涉及电力系统精准负荷控制技术领域，提供一种基于McCormick松弛和内点法的毫秒级负荷切除优化方法，根据频率安全分段控制理论，由频率安全控制I段给出紧急频率控制下的负荷切除需求量，采集某一控制子站下的负荷用户信息数据，根据I段策略确定的节点负荷控制量，以控制代价最小为目标，以切负荷精确度、切负荷量和负荷重要程度为约束，基于McCormick松弛和内点法，快速求解该节点下底层用户的毫秒级负荷，优化切除策略。通过本发明可以快速而准确地获取到不同负荷控制量下的切除策略，从而起到紧急频率控制的作用，所得的毫秒级负荷切除方案可以在经济性最优的前提下保证频率控制效果。前提下保证频率控制效果。前提下保证频率控制效果。