本发明涉及综合能源系统的随机调度方法，属于综合能源系统领域，具体涉及一种考虑综合需求响应的综合能源系统线性化随机调度方法。
背景技术：
天然气具有清洁、低价、环境友好的特点，而天然气机组具有快速启停、易于存储的特性，这使得融合了天然气系统的电-气-热综合能源系统具有非常广阔的应用前景。在一个区域中联接多个能源枢纽的综合能源系统既可充分利用枢纽内热电联供机组(chp)、电锅炉(eb)、储热元件(hs)等进行枢纽内部能源转换，又可通过能源传输线路进行枢纽之间的能源传递，大大提高各形式能源在综合能源系统中的利用率，提高系统运行效率。
需求响应可引导用户理性用能，合理转移高峰用电以平移负荷峰谷，对提升电力系统运行效率具有重要意义。
风电出力具有较强的不确定性，电力系统调度需充分考虑这种波动性给电力系统可靠性带来的影响，并且精确刻画风电随机出力的过程。
在考虑综合需求响应的综合能源系统线性化随机调度方法中，不仅刻画了不同风电场景下风电出力的情况，还考虑了能源枢纽内部和外部的需求响应对平抑负荷曲线的作用，在日前调度计划确定的基础上，充分利用天然气机组灵活启停的优势，用一种分段线性化方法求解该模型，
技术实现要素：
本发明要解决的问题是，面对风电出力不确定性，在输电网层面上，制定一个机组出力计划，使得包括机组启停费用、燃煤费用、燃气费用、需求响应费用、风电削减及切负荷的惩罚费用在内的系统总运行费用最低。本发明首先确定目标函数，再设置综合能源网络约束，包括机组组合约束、电网络约束、气网络约束、分布式储能约束和耦合约束，然后设置综合需求响应模型，包括设置能源枢纽内部需求响应模型和外部需求响应模型，其中外部需求响应模型包括可时移负荷和可中断负荷；再用反向风电削减法生成n个随机场景，使用连续分段线性化算法简化weymouth方程中的二次项，最后用商用求解器yalmip求解整个模型。
确定目标函数，具体如下：
其中，prs是风电场景s的概率，是场景s中需求响应的费用，是场景s中机组i在t时刻的开启费用，是场景s中机组i在t时刻的关停费用，是场景s中机组i在t时刻的发电量，是对应的发电成本，ρgas是天然气单价，是场景s中气井sp在t时刻下的输气量，ω是单位风电削减的惩罚费用，是场景s中风机w在t时刻下的风电削减量，α是单位切负荷的惩罚费用，{·}能量形式，可代表电、天然气或热，是场景s中能源枢纽r中各类能量形式的切负荷量。
设置综合能源网络约束，具体实现如下：
2-1.设置机组组合约束；
根据机组组合的特点决定机组出力上下限、机组向上爬坡约束、机组向下爬坡约束、机组启动费用、机组关停费用、机组最小连续运行时间约束以及机组最小连续停运时间约束；
2-2.设置电网络约束；
根据网络的特点决定网络潮流约束、节点功率平衡约束、相角上下限以及风电出力上下限；
2-3.设置气网络约束；
1.
是场景s中t时刻下，气井sp的输气量；
2.
是场景s中t时刻下，气节点m的压强；
3.
是场景s中t时刻下，输气管道mn两端气流量的平均值，是场景s中t时刻下；
4.
是场景s中t时刻下气节点的天然气负荷，和分别是场景s中t时刻下管道mn的出口端和入口端的气流量，和分别是场景s中t时刻下天然气存储装置q的释气量和充气量；该约束规定了气节点的气潮流平衡；
5.
是场景s中t时刻下燃气机组i的燃气量，和分别是场景s中机组i在t时刻的开启和关停耗气量，γ是电转换为气的能量转换系数，单位是m3/mw,是场景s中t时刻下能源枢纽r的进气量，该约束规定了气节点负荷的组成；
6.
是场景s中t时刻下管道mn的储气量，是管道mn的储气量系数，是场景s中t时刻下，管道mn两端口压强的平均值，该约束规定了管道mn储气量与两端压强的关系；
7.
该约束规定了管道mn储气量与两端出入气流量的时间耦合关系；
2-4.设置分布式存储约束；
①.
是场景s中t时刻下储能元件q的存储状态，取0表示释能中，取1表示储能中；是储能元件q的最大储能值；该约束限制了储能元件的储能上限；
②.
是储能元件q的最大释能值；该约束限制了储能元件的释能上限；
③.
是场景s中t时刻下储气元件q的储气量，和分别是储气元件q充气和释气的效率；该约束规定了储气元件储气量和储气释气之间的时间耦合关系；
④.
和分别是储气元件q储气量的最小值和最大值；该约束限制了储气元件储气量的上下限；
⑤.
是场景s中最后一个时间段nt下储气元件q的储气量，sgq,0是储气元件q在任一场景下处于第一个时间段0下的储气量；该约束规定了储气元件在一个运行周期前后的储气量应是不变的；
2-5.设置耦合约束；
⑴.
表示在场景s中t时刻下机组i的运行情况，取1表示机组运行中，取0表示机组关停中；该约束限制了不同风电场景下的机组组合安排应是一样的；
⑵.
是燃气机组能量转换效率，单位是m3/mw；该约束规定了燃气机组将化石能转换为电能的能量关系。
设置综合需求响应模型，具体实现如下：
3-1.设置能源枢纽内部需求响应模型
在能源枢纽内部，有热电联供机组、电锅炉和热存储这几种形式的能源转换设备；设和分别是能源枢纽电力和天然气的输入量，和分别是能源枢纽电力、天然气和热力的输出量ηce和ηch分别是热电联供机组将天然气转换为电能和热能的效率，ηhc和ηhd分别是储热元件充热和释热的效率，ηeb是电锅炉将电转换为热能的转换效率；能源枢纽由和能量输入，在枢纽内部形成v1～v11的能量流，其各自之间也存在约束关系；
对能源枢纽能量输入和输出关系进行约束：
①
和分别是s场景中能源枢纽r能量流的输入和输出值，cr是能源枢纽r的能量流输入输出关系矩阵；
②
表示在场景s中t时刻下储热元件储热量的改变值；该矩阵表示能源枢纽r的外部输入能量流和内部能量流共同构成了能源枢纽的能量流输入；
③
该矩阵表示能源枢纽输出量由各种形式的能量流构成；
④
表示在场景s中t时刻下能源枢纽r中储热元件的存储状态，取1表示充热中，取0表示释热中；表示能源枢纽r中储热元件的最大充热量；该约束限制了由v6和v10组成的能量流作为储热元件hs的输入的上限；
⑤
表示能源枢纽r中储热元件的最大释热量；该约束限制了由v11构成的能量流作为储热元件的输出的上限；
⑥
表示在场景s中t时刻下能源枢纽r中储热元件的储热值；该约束规定了能源枢纽r中储热元件储热值和热能改变值的时间耦合关系；
⑦
表示能源枢纽r中储热元件的最大储热值；该约束限制了能源枢纽r中储热元件储热值的上下限；
⑧
是能源枢纽r中热电联供机组的最大输入值；该约束限制了由v5构成的能量流作为热电联供机组的输入的上限；
⑨
是能源枢纽r中电锅炉的最大输入值；该约束限制了由v2和v5构成的能量流作为热电锅炉输入的上限；
3-2.设置能源枢纽外部需求响应模型
能源枢纽外部即在终端用户侧进行外部需求响应，设置外部需求响应模型：
为在t时间段，能源枢纽r未经外部需求响应前的各类能源需求，为在场景s下的t时间段，能源枢纽r经外部需求响应后的各类能源形式需求量。
其中，可时移负荷有如下约束：
其中，可中断负荷有如下约束：
设置连续分段线性化算法，具体实现如下：
5-1.设置算法初始精度af＝1，ap＝1，设置精确度阀值
5-2.设置天然气潮流的分段数kf和节点气压kp；
5-3.在现行求解分段中，将天然气潮流平方项线性化；
把现行天然气潮流段进一步细分为kf段；其中cmn,l和bmn,l分别是第l个求解分段中的斜率和截距，δmn,l是现行求解分段的选择变量，取1表示解落在第l个区间，取0表示解未落在第l个区间；
5-4.用求解器yalmip计算线性化后的模型问题，找到在该线性化分段中的粗略解，并将该粗略解所在的分段设置为新的现行求解分段；
5-5.更新算法精度af＝kf*af，ap＝kp*ap，并检查该精度是否超过精度阀值，即如该不等式成立，则此连续分段线性化算法结束；如不成立，则重复步骤5-2至5-5。
本发明有益效果如下：
本发明建立了电-气-热综合能源系统的模型，在模型中加入综合能源枢纽，在能源枢纽内部设置热电联供机组、电锅炉和储热装置，在能源枢纽外部设置电、气传输线以及天然气存储装置；通过能源枢纽的内部能量转化实现该模型的内部需求响应，通过能源枢纽终端用户设置的可时移负荷和可中断负荷实现该模型的外部需求响应；提供一种连续分段线性化算法求解该模型。综上，本方法能提供一种更全面、经济、可靠的综合能源网络运行调度方法。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种考虑综合需求响应的综合能源系统线性化随机调度方法。首先确定目标函数，然后设置机组组合约束、电网络约束、气网络约束、分布式储能约束和耦合约束，然后设置内部需求响应和包括可时移负荷和可中断负荷的外部需求响应，再用反向风电削减法生成n个随机场景，使用连续分段线性化算法简化weymouth方程中的二次项，最后用商用求解器yalmip求解整个模型。
为解决技术问题，本发明的解决方案包括以下步骤：
步骤(1)设置目标函数；
其中，prs是风电场景s的概率，是场景s中需求响应的费用，是场景s中机组i在t时刻的开启费用，是场景s中机组i在t时刻的关停费用，是场景s中机组i在t时刻的发电量，是对应的发电成本，ρgas是天然气单价，是场景s中气井sp在t时刻下的输气量，ω是单位风电削减的惩罚费用，是场景s中风机w在t时刻下的风电削减量，α是单位切负荷的惩罚费用，{·}能量形式，可代表电、天然气或热，是场景s中能源枢纽r中各类能量形式的切负荷量。
步骤(2)设置综合能源网络约束
2-1.设置机组组合约束；
根据机组组合的特点决定机组出力上下限、机组向上爬坡约束、机组向下爬坡约束、机组启动费用、机组关停费用、机组最小连续运行时间约束以及机组最小连续停运时间约束。
2-2.设置电网络约束；
根据网络的特点决定网络潮流约束、节点功率平衡约束、相角上下限以及风电出力上下限。
2-3.设置气网络约束；
1.
是场景s中t时刻下，气井sp的输气量。该约束限制了气井出气量。
2.
是场景s中t时刻下，气节点m的压强。该约束限制了气节点压强的值。
3.
是场景s中t时刻下，输气管道mn两端气流量的平均值，是场景s中t时刻下，输气管道mn的特性参数，与管道长度相关。该约束为weymouth方程，规定了管道气流与节点气压之间的关系。
4.
是场景s中t时刻下气节点的天然气负荷，和分别是场景s中t时刻下管道mn的出口端和入口端的气流量，和分别是场景s中t时刻下天然气存储装置q的释气量和充气量。该约束表示了气节点的气潮流平衡。
5.
是场景s中t时刻下燃气机组i的燃气量，和分别是场景s中机组i在t时刻的开启和关停耗气量，γ是电转换为气的能量转换系数，单位是m3/mw,是场景s中t时刻下能源枢纽r的进气量。该约束表示了气节点负荷的组成。
6.
是场景s中t时刻下管道mn的储气量，是管道mn的储气量系数，是场景s中t时刻下，管道mn两端口压强的平均值。该约束表示了管道mn储气量与两端压强的关系。
7.
该约束表示了管道mn储气量与两端出入气流量的时间耦合关系。
2-4.设置分布式存储约束；
①.
是场景s中t时刻下储能元件q的存储状态，取0表示释能中，取1表示储能中。是储能元件q的最大储能值。该约束限制了储能元件的储能功率上限。
②.
是储能元件q的最大释能值。该约束限制了储能元件的释能上限。
③.
是场景s中t时刻下储气元件q的储气量，和分别是储气元件q充气和释气的效率。该约束规定了储气元件储气量和储气释气之间的时间耦合关系。
④.
和分别是储气元件q储气量的最小值和最大值。该约束限制了储气元件储气量的上下限。
⑤.
是场景s中最后一个时间段nt下储气元件q的储气量，sgq,0是储气元件q在任一场景下处于第一个时间段0下的储气量。该约束规定了储气元件在一个运行周期前后的储气量应是不变的。
2-5.设置耦合约束；
⑴.
表示在场景s中t时刻下机组i的运行情况，取1表示机组运行中，取0表示机组关停中。该约束限制了不同风电场景下的机组组合安排应是一样的。
⑵.
是燃气机组能量转换效率，单位是m3/mw。该约束表示了燃气机组将化石能转换为电能的能量关系。
步骤(3)设置综合需求响应模型；
3-1.设置能源枢纽内部需求响应模型
如附图1所示，在能源枢纽内部，有热电联供机组、电锅炉和热存储这几种形式的能源转换设备。图中，和分别是能源枢纽电力和天然气的输入量，和分别是能源枢纽电力、天然气和热力的输出量，ηce和ηch分别是热电联供机组将天然气转换为电能和热能的效率，ηhc和ηhd分别是储热元件充热和释热的效率，ηeb是电锅炉将电转换为热能的转换效率。由图所示，能源枢纽由和能量输入，在枢纽内部形成v1～v11的能量流，其各自之间也存在约束关系。
对能源枢纽能量输入和输出关系进行约束：
①
和分别是s场景中能源枢纽r能量流的输入和输出值，cr是能源枢纽r的能量流输入输出关系矩阵。
②
表示在场景s中t时刻下储热元件储热量的改变值。该矩阵表示能源枢纽r的外部输入能量流和内部能量流共同构成了能源枢纽的能量流输入。
③
该矩阵表示能源枢纽输出量由各种形式的能量流构成。
④
表示在场景s中t时刻下能源枢纽r中储热元件的存储状态，取1表示充热中，取0表示释热中。表示能源枢纽r中储热元件的最大充热量。该约束限制了由v6和v10组成的能量流作为储热元件hs的输入的上限。
⑤
表示能源枢纽r中储热元件的最大释热量。该约束限制了由v11构成的能量流作为储热元件的输出的上限。
⑥
表示在场景s中t时刻下能源枢纽r中储热元件的储热值。该约束规定了能源枢纽r中储热元件储热值和热能改变值的时间耦合关系。
⑦
表示能源枢纽r中储热元件的最大储热值。该约束限制了能源枢纽r中储热元件储热值的上下限。
⑧
是能源枢纽r中热电联供机组的最大输入值。该约束限制了由v5构成的能量流作为热电联供机组的输入的上限。
⑨
是能源枢纽r中电锅炉的最大输入值。该约束限制了由v2和v5构成的能量流作为热电锅炉输入的上限。
3-2.设置能源枢纽外部需求响应模型
能源枢纽外部即在终端用户侧进行外部需求响应，设置外部需求响应模型：
为在t时间段，能源枢纽r未经外部需求响应前的各类能源需求，为在场景s下的t时间段，能源枢纽r经外部需求响应后的各类能源形式需求量。
其中，可时移负荷有如下约束：
其中，可中断负荷有如下约束：
步骤(4)设置风电随机场景；
根据风电不确定的特性，用反向场景缩减法生成n个风电随机场景。
步骤(5)设置连续分段线性化算法；
5-1.设置算法初始精度af＝1，ap＝1，设置精确度阀值
5-2.设置天然气潮流的分段数kf和节点气压kp。
5-3.在现行求解分段中，将天然气潮流平方项线性化。
现行天然气潮流段进一步细分为kf段；其中cmn,l和bmn,l分别是第l个求解分段中的斜率和截距，δmn,l是现行求解分段的选择变量，取1表示解落在第l个区间，取0表示解未落在第l个区间。
5-4.用求解器yalmip计算线性化后的模型问题，找到在该线性化分段中的粗略解，并将该粗略解所在的分段设置为新的现行求解分段。
5-5.更新算法精度af＝kf*af，ap＝kp*ap，并检查该精度是否超过精度阀值，即如该不等式成立，则此连续分段线性化算法结束；如不成立，则重复步骤5-2至5-5。
步骤(6)求解整个模型。
由于经过步骤(5)的线性化，整个模型已转换为一个混合整数线性问题，可用商用求解器yalmip求解计算。