一种电?热耦合多能流系统的优化调度方法
【专利摘要】本发明涉及一种电‐热耦合多能流系统的优化调度方法，属于含多种能源形式的电网运行和控制技术领域。本方法考虑电?热系统的相互影响，实现了电?热耦合多能流系统的优化调度。相比独立地对供电、供热系统进行优化调度分析，不仅能得到更优的调度方案(总运行成本或网络损耗更小等)，还提高了调度的灵活性。该方法可以应用于电?热耦合多能流系统的调度计划制定，有利于提高电?热耦合多能流系统的用能效率，减少运行成本。
【专利说明】
一种电-热耦合多能流系统的优化调度方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电-热耦合多能流系统的优化调度方法，属于含多种能源形式的 电网运行和控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 能源综合利用是提高综合能源利用效率、促进可再生能源消纳的重要途径，通过 打破原来电、热、冷、气、交通等能流子系统相对割裂的状态，实现多类型能源开放互联，构 建多能流系统。多能流是指多种类型的能量流，表示电、热、冷、气、交通等能量流的相互耦 合、转换和传输。多能流系统相比传统相互割裂的能源系统，其带来的效益包括：1)通过多 类型能源的梯级开发利用和智能管理，可以降低能源消耗和浪费，提高综合能源利用效率， 并有助于减少总的用能成本;2)利用不同能源的特性差异和互补、转换，有助于提高消纳间 歇式可再生能源的能力；3)通过多能源的转供、互补和协调控制，有助于提高供能的可靠 性，并为电网的运行提供更多可调控资源;4)通过多能流系统的协同规划和建设，可以减少 基础设施的重复建设和浪费，提高资产利用率。
[0003] 多能流系统一方面具有可观的效益，另一方面也使原本复杂的能源系统更加复 杂。多能流系统由多个能流子系统组成，这些能流子系统之间相互作用和影响，使得多能流 系统复杂度显著增加，体现出许多新的特性，传统各个能流单独分析的方法已经难以适应 新的要求，亟需发展出新的多能流分析方法。在我国，越来越多的热电联产机组、热栗、电锅 炉等耦合元件客观上增强了电-热之间的互联，促进了电-热耦合多能流系统的发展，也对 电-热耦合多能流系统的运行和控制技术提出了新的要求。
[0004] 多能源系统优化调度是指当系统的结构参数和负荷情况都已给定时，调节可利用 的控制变量(如电网中发电机的输出功率、热网中栗的扬程等)来找到能满足所有运行约束 条件的，并使系统的某一性能指标(如总运行成本或网络损耗)达到最优值下的潮流分布。 目前这方面的研究主要集中在单个独立的系统，为了使得电-热耦合多能流系统的运行成 本最低，需要研究电-热耦合多能流系统优化调度方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种电-热耦合多能流系统的优化调度方法，以弥补现有领 域研究的空白，建立电-热耦合多能流系统优化调度模型，实现电-热耦合多能流系统的优 化调度。
[0006] 本发明提出的电-热耦合多能流系统的优化调度方法，包括以下步骤：
[0007] (1)建立一个电-热耦合多能流系统优化调度的目标函数：
[0008]
[0009]其中，Pb为电-热耦合多能流系统中第b台电-热联供机组的有功功率，qb为电-热耦 合多能流系统中第b台电-热联供机组的热功率，N为电-热耦合多能流系统中电-热联供机 组的总台数，F(pb，qb)为电-热耦合多能流系统中第b台电-热联供机组的运行成本，p x为电-热耦合多能流系统中第X台火电机组的有功功率，Ntu为电-热耦合多能流系统中火电机组的 总台数，Ftu(Px)为电-热耦合多能流系统中第X台火电机组的运行成本；
[0010] (2)设定电-热耦合多能流系统中电网与热网稳态安全运行的等式约束条件，包 括：
[0011] (2-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程如下：
[0012]
[0013] 其中，Pi为电网中节点i的注入有功功率，Qi为电网中节点i的注入无功功率，Θi、0j 分别为节点i、节点j的电压相角，Ui和Uj分别为节点i和节点j的电压幅值，Gij为电网节点导 纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，B lj为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网 节点导纳矩阵Y从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
[0014] (2-2)电-热耦合多能流系统中热网的管道压力损失方程如下：
[0015] Δ Hi = Simi I mi I，
[0016] 其中，AH1为热网中第1条管道的压力损失，S1为第1条管道的阻力特性系数，51取 值范围为l〇Pa/(kg/s) 2彡Si彡500Pa/(kg/s)2，mi为第1条管道的流量；
[0017] (2-3)电-热耦合多能流系统中热网的循环栗水力特性方程如下：
[0018] Hp = Ho-Spm2，
[0019] 其中，Hp为循环栗扬程，Ho为循环栗静扬程，Sp为循环栗阻力系数，Ho和\由循环栗 的出厂说明书获取，m为流过循环栗的流量；
[0020] (2-4)电-热耦合多能流系统中热网管道热量损失方程如下：
[0021]
lM* .. 以.,.*
[0022] 其中，Te, 1为热网中第1条管道的末端温度，Th, 1为第1条管道的首端温度，Ta, 1为第1 条管道所在的环境温度，nu为第1条管道的流量，L1为第1条管道的长度，CP为水的比热容，比 热容的取值为4182焦耳/(千克·摄氏度），λ为管道单位长度的传热系数，λ从电-热耦合多 能流系统的能量管理系统中获取；
[0023] (2-5)电-热耦合多能流系统的热网中多管道汇合点的温度方程：
[0024]
[0025] 其中，为流出多管道汇合点的流量，<为流入多管道汇合点的流量，Tcjut为流出 多管道汇合点的水的温度，Tin为流入多管道汇合点的水的温度，Qj是多管道汇合点的热功 率；
[0026] (2-6)通过电-热联供机组耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合 方程：
[0027]
[0028] 其中，p为电-热联供机组的有功功率，q为电-热联供机组的热功率，Pk为电-热联 供机组运行可行域近似多边形的第k个顶点的横坐标，Q k为电-热联供机组运行可行域近似 多边形的第k个顶点的纵坐标，Ctk为组合系数
，NK为电-热联供机组的 运行可行域近似多边形的顶点个数，电-热联供机组运行可行域近似多边形从电-热联供机 组的出厂说明书中获取；
[0029] (2-7)通过循环栗耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合方程：
[0030]
[0031] 其中，Pp为循环栗消耗的有功功率，g为重力加速度，％为循环栗效率，％的取值范 围为0~l，mP为流过循环栗的流量，Hp为循环栗的扬程；
[0032 ] (2-8)通过热栗耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合方程：
[0033] Php = ChpQhp
[0034] 其中，Qhp为电-热耦合多能流系统中热栗发出的热功率，Pht^热栗消耗的电功率， Chp为热栗的产热效率，Chp从热栗的出厂说明书中获得；
[0035] (3)设定电-热耦合多能流系统中电网与热网稳态安全运行的不等式约束条件，包 括：
[0036] (3-1)电-热耦合多能流系统的电网中第i个节点的电压幅值Ui在设定的电网安全 运行电压的上、下限值少、G之间运行，少为第i个节点额定电压的0.95倍，尽为第i个节点 额定电压的1.05倍：
[0037]
[0038] (3-2)电-热耦合多能流系统的电网中第1条线路的传输容量小于或等于设定的电 网安全运行传输容量的最大值:
[0039] S1 < S1-
[0040] (3-3)电-热耦合多能流系统的电网中电-热联供机组或有功功率的爬坡约束：
[0041 ] -RAMPtm ^ Pb,, -PbJ-, ^ ' ^ ；
[0042]其中，和iMMP广^分别为第b台电-热联供机组有功功率的向上和向下爬 坡速率，电-热联供机组的出厂说明书中获得，Δ t为相邻两个调度时 段的时间间隔，PM和PM-汾别为第b台电-热联供机组在第t个调度时段和第t-Ι个调度时 段的有功功率；
[0043 ] (3-4)电-热耦合多能流系统的电网中非燃气机组有功功率的爬坡约束：
[0044] ^rampgvn - M < rampf At ：；
[0045] 其中，和rawp.f分别为第X台火电机组有功功率的向上和向下爬坡速率， m卿J和m/叩，从火电机组的出厂说明书中获得，At为相邻两个调度时段的时间间隔， px,t和px,^分别为第X台火电机组在第t个调度时段和第t-Ι个调度时段的有功功率；
[0046] (3-5)电-热耦合多能流系统的电网中第b台电-热联供机组的有功功率Pb在设定 的电网安全运行第b台电-热联供机组有功功率的上、下限值爲， ￡b之间：
[0047] Ih ^ Pu ^ P,,
[0048] (3-6)电-热耦合多能流系统的电网中第X台火电机组的有功功率px在设定的电网 安全运行第X台火电机组有功功率的上、下限值艮，￡x之间：
[0049] p,<px<px
[0050] (3-7)电-热耦合多能流系统的热网中第1条管道的流量m小于或等于热网安全运 行流量的上限值邱：
[0051 ] 0 < in, < tn,；
[0052] (3-8)电-热耦合多能流系统的热网中换热站回水温度T在设定的热网安全运行回 水温度的上、下限值f，1之间：
[0053]
[0054] (4)采用内点法，将步骤（1)中的方程作为目标函数，将上述步骤(2)和步骤(3)的 所有方程作为约束条件，求解得到电-热耦合多能流系统中每台电-热联供机组的有功功率 和热功率，作为电-热耦合多能流系统的优化调度方案。
[0055] 本发明提出的电-热耦合多能流系统优化调度方法，其特点和效果是:本方法考虑 电-热系统的相互影响，实现了电-热耦合多能流系统的优化调度。相比独立地对供电、供热 系统进行优化调度分析，不仅能得到更优的调度方案(总运行成本更低），还提高了调度的 灵活性。该方法可以应用于电-热耦合多能流系统的调度计划制定，有利于提高电-热耦合 多能流系统的用能效率，减少运行成本。
【具体实施方式】
[0056] 本发明提出的电-热耦合多能流系统的优化调度方法，包括以下步骤：
[0057] (1)建立一个电-热耦合多能流系统优化调度的目标函数：
[0058]
[0059] 其中，pb为电-热耦合多能流系统中第b台电-热联供机组的有功功率，qb为电-热耦 合多能流系统中第b台电-热联供机组的热功率，N为电-热耦合多能流系统中电-热联供机 组的总台数，F(p b，qb)为电-热耦合多能流系统中第b台电-热联供机组的运行成本，px为电-热耦合多能流系统中第X台火电机组的有功功率，Ntu为电-热耦合多能流系统中火电机组的 总台数，Ftu(Px)为电-热耦合多能流系统中第X台火电机组的运行成本；
[0060] (2)设定电-热耦合多能流系统中电网与热网稳态安全运行的等式约束条件，包 括：
[0061] (2-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程如下：
[0062]
[0063] 其中，Pi为电网中节点i的注入有功功率，Qi为电网中节点i的注入无功功率，Θi、θ」 分别为节点i、节点j的电压相角，Ui和Uj分别为节点i和节点j的电压幅值，Gij为电网节点导 纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，B lj为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网 节点导纳矩阵Y从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
[0064] (2-2)电-热耦合多能流系统中热网的管道压力损失方程如下：
[0065] Δ Hi = Simi |mi I，
[0066] 其中，Δ H1为热网中第1条管道的压力损失，S1为第1条管道的阻力特性系数，51取 值范围为l〇Pa/(kg/s) 2彡Si彡500Pa/(kg/s)2，mi为第1条管道的流量；
[0067] (2-3)电-热耦合多能流系统中热网的循环栗水力特性方程如下：
[0068] Hp = Ho-Spm2，
[0069] 其中，Hp为循环栗扬程，Ho为循环栗静扬程，Sp为循环栗阻力系数，Ho和&由循环栗 的出厂说明书获取，m为流过循环栗的流量；
[0070] (2-4)电-热耦合多能流系统中热网管道热量损失方程如下：
[0071]
[0072] 其中，Te, 1为热网中第1条管道的末端温度，Th, 1为第1条管道的首端温度，Ta, 1为第1 条管道所在的环境温度，nu为第1条管道的流量，L1为第1条管道的长度，CP为水的比热容，比 热容的取值为4182焦耳/(千克·摄氏度），λ为管道单位长度的传热系数，λ从电-热耦合多 能流系统的能量管理系统中获取；
[0073] (2-5)电-热耦合多能流系统的热网中多管道汇合点的温度方程：
[0074]
[0075] 其中，I为流出多管道汇合点的流量，九为流入多管道汇合点的流量，Tout为流出 多管道汇合点的水的温度，Tin为流入多管道汇合点的水的温度，Qj是多管道汇合点的热功 率；
[0076] (2-6)通过电-热联供机组耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合 方程：
[0077]
[0078] 其中，p为电-热联供机组的有功功率，q为电-热联供机组的热功率，Pk为电-热联 供机组运行可行域近似多边形的第k个顶点的横坐标，Qk为电-热联供机组运行可行域近似 多边形的第k个顶点的纵坐标，a k为组合系数
，NK为电-热联供机组的 运行可行域近似多边形的顶点个数，电-热联供机组运行可行域近似多边形从电-热联供机 组的出厂说明书中获取；
[0079] (2-7)通过循环栗耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合方程：
[0080]
[0081]其中，Pp为循环栗消耗的有功功率，g为重力加速度，％为循环栗效率，％的取值范 围为0~l，mP为流过循环栗的流量，Hp为循环栗的扬程；
[0082 ] (2-8)通过热栗耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合方程：
[0083] Php = ChpQhp
[0084] 其中，Qhp为电-热耦合多能流系统中热栗发出的热功率，Pht^热栗消耗的电功率， Chp为热栗的产热效率，Chp从热栗的出厂说明书中获得；
[0085] (3)设定电-热耦合多能流系统中电网与热网稳态安全运行的不等式约束条件，包 括：
[0086] (3-1)电-热耦合多能流系统的电网中第i个节点的电压幅值Ui在设定的电网安全 运行电压的上、下限值少、G之间运行，P为第i个节点额定电压的0.95倍，泛为第i个节点 额定电压的1.05倍：
[0087] Ui^Ui <0,·,
[0088] (3-2)电-热耦合多能流系统的电网中第1条线路的传输容量小于或等于设定的电 网安全运行传输容量的最大值51,:
[0089] S1 <
[0090] (3-3)电-热耦合多能流系统的电网中电-热联供机组或有功功率的爬坡约束：
[0091] -RAMP；!mrn < pbJ -pbJ_x < MMP；；P -M ；
[0092] 其中，和兄4M/广"分别为第b台电-热联供机组有功功率的向上和向下爬 坡速率，和从电-热联供机组的出厂说明书中获得，Δ t为相邻两个调度时 段的时间间隔，PM和PM-汾别为第b台电-热联供机组在第t个调度时段和第t-Ι个调度时 段的有功功率；
[0093 ] (3-4)电-热耦合多能流系统的电网中非燃气机组有功功率的爬坡约束：
[0094]
[0095] 其中，f和"分别为第X台火电机组有功功率的向上和向下爬坡速率， 和ra-广?从火电机组的出厂说明书中获得，At为相邻两个调度时段的时间间隔， px,t和px,0分别为第X台火电机组在第t个调度时段和第t-Ι个调度时段的有功功率；
[0096] (3-5)电-热耦合多能流系统的电网中第b台电-热联供机组的有功功率Pb在设定 的电网安全运行第b台电-热联供机组有功功率的上、下限值^，￡b之间：
[0097] Ib < Pb <Ph
[0098] (3-6)电-热耦合多能流系统的电网中第X台火电机组的有功功率px在设定的电网 安全运行第X台火电机组有功功率的上、下限值旯，￡x之间：
[0099] I\ < Pr < J\
[0100] (3-7)电-热耦合多能流系统的热网中第1条管道的流量m小于或等于热网安全运 行流量的上限值洱：
[0101 ] 0 < in, < m,；
[0102] (3-8)电-热耦合多能流系统的热网中换热站回水温度T在设定的热网安全运行回 水温度的上、下限值f，1之间：
[0103] T<T<f；
[0104] (4)采用内点法，将步骤（1)中的方程作为目标函数，将上述步骤(2)和步骤(3)的 所有方程作为约束条件，求解得到电-热耦合多能流系统中每台电-热联供机组的有功功率 和热功率，作为电-热耦合多能流系统的优化调度方案。
[0105]本发明方法中使用的内点法（Interior Point Method)求解方程是一种求解线性 规划或非线性凸优化问题的算法，是一种公知技术。
【主权项】
1. 一种电-热耦合多能流系统的优化调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： (1) 建立一个电-热耦合多能流系统优化调度的目标函数：其中，Pb为电-热耦合多能流系统中第b台电-热联供机组的有功功率，qb为电-热耦合多 能流系统中第b台电-热联供机组的热功率，N为电-热耦合多能流系统中电-热联供机组的 总台数，F(pb，q b)为电-热耦合多能流系统中第b台电-热联供机组的运行成本，px为电-热耦 合多能流系统中第X台火电机组的有功功率，Ντυ为电-热耦合多能流系统中火电机组的总台 数，F TU(px)为电-热耦合多能流系统中第X台火电机组的运行成本； (2) 设定电-热耦合多能流系统中电网与热网稳态安全运行的等式约束条件，包括： (2-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程如下：其中，Ρ1为电网中节点i的注入有功功率，Qi为电网中节点i的注入无功功率，分别 为节点i、节点j的电压相角，Ui和Uj分别为节点i和节点j的电压幅值，Gij为电网节点导纳矩 阵Y第i行、第j列元素的实部几伪电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节点 导纳矩阵Y从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取； (2-2)电-热耦合多能流系统中热网的管道压力损失方程如下： A Hi = Simi |mi |， 其中，A Hi为热网中第1条管道的压力损失，Si为第1条管道的阻力特性系数，Si取值范 围为10Pa/(kg/s)2彡Si彡500Pa/(kg/s)2，mi为第1条管道的流量； (2-3)电-热耦合多能流系统中热网的循环栗水力特性方程如下： Hp = H〇-SPm2, 其中，Hp为循环栗扬程，Ho为循环栗静扬程，SP为循环栗阻力系数，HdPSP由循环栗的出 厂说明书获取，m为流过循环栗的流量； (2-4)电-热耦合多能流系统中热网管道热量损失方程如下：其中，Te>1为热网中第1条管道的末端温度，Th>1为第1条管道的首端温度，T a>1为第1条管 道所在的环境温度，irn为第1条管道的流量，U为第1条管道的长度，CP为水的比热容，比热容 的取值为4182焦耳/(千克·摄氏度），λ为管道单位长度的传热系数，λ从电-热耦合多能流 系统的能量管理系统中获取； (2-5)电-热耦合多能流系统的热网中多管道汇合点的温度方程：其中，为流出多管道汇合点的流量，九为流入多管道汇合点的流量，Τ。#为流出多管 道汇合点的水的温度，Tin为流入多管道汇合点的水的温度，Qj是多管道汇合点的热功率； (2-6)通过电-热联供机组耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合方 程：其中，P为电-热联供机组的有功功率，q为电-热联供机组的热功率，pk为电-热联供机组 运行可行域近似多边形的第k个顶点的横坐标，Qk为电-热联供机组运行可行域近似多边形 的第k个顶点的纵坐标，a k为组合系数，ΣΞ V =1，〇彡4彡1，疆为电-热联供机组的运行可 行域近似多边形的顶点个数，电-热联供机组运行可行域近似多边形从电-热联供机组的出 厂说明书中获取； (2-7)通过循环栗耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合方程：其中，Pp为循环栗消耗的有功功率，g为重力加速度，％为循环栗效率，％的取值范围为〇 ~1，mP为流过循环栗的流量，HP为循环栗的扬程； (2-8)通过热栗耦合的电-热耦合多能流系统中电网与热网之间的耦合方程： Php - ChpQhp 其中，QhP为电-热耦合多能流系统中热栗发出的热功率，PhA热栗消耗的电功率，ChA 热栗的产热效率，(^从热栗的出厂说明书中获得； (3)设定电-热耦合多能流系统中电网与热网稳态安全运行的不等式约束条件，包括： (3-1)电-热耦合多能流系统的电网中第i个节点的电压幅值Ui在设定的电网安全运行 电压的上、下限值虫、【7,之间运行，虫为第i个节点额定电压的0.95倍，贫为第i个节点额定 电压的1.05倍： u;<u,<ur, (3-2)电-热耦合多能流系统的电网中第1条线路的传输容量小于或等于设定的电网安 全运行传输容量的最大值豕 S, < S, X (3-3)电-热耦合多能流系统的电网中电-热联供机组或有功功率的爬坡约束：其中，和别为第b台电-热联供机组有功功率的向上和向下爬坡速 率，ΜΜ/Γ和财从电-热联供机组的出厂说明书中获得，Δ t为相邻两个调度时段的 时间间隔，PM和PM-!分别为第b台电-热联供机组在第t个调度时段和第t-Ι个调度时段的 有功功率； (3-4)电-热耦合多能流系统的电网中非燃气机组有功功率的爬坡约束：其中，广》分别为第X台火电机组有功功率的向上和向下爬坡速率，ra-广 和从火电机组的出厂说明书中获得，At为相邻两个调度时段的时间间隔，px,t和 Ρχ,Η*别为第X台火电机组在第t个调度时段和第t-Ι个调度时段的有功功率； (3-5)电-热耦合多能流系统的电网中第b台电-热联供机组的有功功率pb在设定的电网 安全运行第b台电-热联供机组有功功率的上、下限值^，￡b之间： (3-6)电-热耦合多能流系统的电网中第X台火电机组的有功功率ρχ在设定的电网安全 运行第X台火电机组有功功率的上、下限值Α，￡Χ之间： /」' S 5； /7' (3-7)电-热耦合多能流系统的热网中第1条管道的流量m小于或等于热网安全运行流 量的上限值两： 0. m{ "? Wi； ·, (3-8)电-热耦合多能流系统的热网中换热站回水温度T在设定的热网安全运行回水温 度的上、下限值f，I之间： T<T<f X (4)采用内点法，将步骤（1)中的方程作为目标函数，将上述步骤(2)和步骤(3)的所有 方程作为约束条件，求解得到电-热耦合多能流系统中每台电-热联供机组的有功功率和热 功率，作为电-热耦合多能流系统的优化调度方案。
【文档编号】G06Q50/06GK106056251SQ201610408959
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】孙宏斌, 郭庆来, 王彬, 陈瑜玮, 潘昭光
【申请人】清华大学