一种热电联合系统的分解协调调度方法与流程
本发明涉及一种热电联合系统的分解协调调度方法，属于电力系统的运行技术领域。
背景技术：
我国北方风电汇集区域电力系统的弃风现象十分严重，一个主要原因是受到热电联产机组最小出力的限制，风电不得不在夜间大风期间弃掉来保证供热系统的最低热供应。通过热电联合优化调度可改善这种现状，具体来说，通过利用城区供热管网的储热效益，实现供热负荷在时间维度上的调整，达到削峰填谷的效果。因此，在夜间风电高发期，热电联产机组可以减小热供应，进而减小其最小电出力，为风电提供消纳空间。
电力系统和供热系统分别由电力公司与供热公司独立运行，由于调度独立性，难以实现对电力系统和供热系统完整模型进行统一调度。因此，提出热电联合系统的分解协调调度方法十分必要。具体来说，电力系统和供热系统可以分别对各自管辖的区域进行调度优化，通过边界条件的迭代获得热电联合优化调度的全局最优解。
Benders分解是一种数学优化算法，其能够将一个复杂的优化问题分解成若干相对简单的优化子问题，通过不同子问题之间边界条件的迭代可获得原始问题的最优解。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种热电联合系统的分解协调调度方法，首先，针对电力系统与供热系统分别建模建立了电力系统经济调度模型和线性化的供热系统调度模型。其次，考虑电力系统和供热系统的耦合约束，建立热电联合优化调度模型。针对热电联合优化调度模型，基于Benders分解算法，提出热电联合优化调度模型的分解协调求解算法。
本发明提出的热电联合系统的分解协调调度方法，包括以下步骤：
(1)建立热电联合系统的调度模型，调度模型由目标函数和约束条件构成，具体包括：
(1-1)热电联合系统调度模型的目标函数：
热电联合系统调度模型的目标函数为电力系统与供热系统运行成本的最小化，表达式为：
上式中，T为调度时段集合，ICHP、ITU、IWD和IHB分别为热电联合系统中的热电联产机组、常规机组、风电机组和热锅炉的编号集合，和分别为热电联合系统中热电联产机组、常规机组、风电机组和热锅炉的生产成本函数，i为热电联产机组、常规机组、风电机组和热锅炉中机组或锅炉的编号，t为调度时段；
其中的热电联产机组的生产成本函数为：
上式中，和分别为生产成本系数，生产成本系数为热电联产机组固有参数，和分别为第i台热电联产机组在第t个调度时段的有功功率和产热量；
常规机组的生产成本函数为：
上式中，和为常规机组的发电成本系数，该系数为常规机组的固有参数，为第i台常规机组在第t个调度时段的有功功率；
风电机组的生产成本函数为：
上式中，为弃风惩罚因子，弃风惩罚因子的取值根据对风电的消纳需求确定，由电力系统调度中心根据调度结果反馈进行调节，为第i台风电机组在第t个调度时段的可用有功功率，为风电机组在第t个调度时段的实际有功功率；
热锅炉的生产成本函数为：
上式中，为热锅炉的产热成本系数，为热锅炉固有参数，为第i台热锅炉在第t个调度时段的产热量；
(1-2)热电联合系统调度模型的约束条件，包括：
(1-2-1)热电联合系统中电力系统的运行约束条件：
热电联产机组运行约束条件为：
上式中，NEi为第i台热电联产机组的运行极点编号集合，其中运行极点指热电联产机组的热出力和电出力极限所组成的点，分别为第i台热电联产机组第γ个运行极点的有功功率和产热量，为第i台热电联产机组在第t个调度时段的运行点对应第γ个运行极点的凸组合系数；
热电联产机组爬坡约束条件为：
上式中，和分别为第i台热电联产机组的向上爬坡能力和向下爬坡能力，ΔT为调度时段间隔；
常规机组运行约束条件为：
上式中，和分别为第i台常规机组的有功功率上限和有功功率下限；
常规机组爬坡约束条件为：
上式中，和分别为第i台常规机组的向上爬坡能力和向下爬坡能力；
常规机组的旋转备用约束条件为：
上式中，和分别为第i台常规机组在第t个调度时段的向上旋转备用和向下旋转备用；
风电机组运行约束条件为：
上式中，为第i台风电机组在第t个调度时段的可用有功功率，为风电机组在第t个调度时段的实际有功功率；
热电联合系统中电力系统的功率平衡约束条件为
上式中，ILD为电力系统负荷编号集合，Dm,t为第m个负荷在第t个调度时段的有功负荷大小；
热电联合系统中电力系统的线路传输容量约束条件为：
上式中，IEPS代表电力系统中节点编号集合，和分别代表与电力系统的第l个节点相连接的热电联产机组、常规机组、风电机组与负荷的索引编号集合，ILN代表电力系统线路编号集合，Lj代表电力系统第j个线路的有功传输容量；
电力系统的旋转备用约束条件为：
上式中，SRUt和SRDt分别代表电力系统在第t个调度时段的向上旋转备用和向下旋转备用；
(1-2-2)热电联合系统中供热系统运行约束条件，包括：
(1-2-2-1)包括有热电联产机组和热锅炉的热源的供热约束条件，包括：
供热量与节点的供、回水温差的约束条件为：
上式中，集合表示连接在供热系统节点k的热电联产机组和热锅炉编号集合，C为水的比热容，为节点k的水流量，和分别表示节点k的供水温度和回水温度，集合表示供热系统中连接热源的节点集合；
热锅炉的供热量的约束条件：
上式中，表示第i个热锅炉的产热量上限；
热源节点的供水温度的约束条件：
上式中，和为供热系统中节点k的供水温度上限和温度下限；
(1-2-2-2)换热站运行约束条件，包括：
换热量与节点的供回水温差的关系：
上式中，集合表示供热系统中与节点k相连接的换热站集合，表示第n个换热站在第t个调度时段的换热量，集合表示供热系统中连接换热站的节点集合；
换热站节点的回水温度需要确保在安全范围内：
上式中，和分别为供热系统中节点k的回水温度上限和温度下限；
(1-2-2-3)供热网络运行约束条件，包括：
上式中，和分别表示供热系统中由节点k2流向节点k1的供水流量和回水流量，和分别表示供热系统中节点k1的供水管子节点和回水管子节点，为第t个调度时段的环境温度，和分别表示供热系统中由节点k2流向节点k1的供水热传导系数和回水热传导系数，和的取值由下式测算：
其中，和分别代表供热系统中由节点k2流向节点k1的供水管和回水管的单位热传导系数，该系数可以从水管铭牌中获取，和分别代表供热系统中由节点k2流向节点k1的供水管和回水管的长度。
和分别为供热系统的中间温度变量，表示未考虑温度损失情况下由节点k2流向节点k1的供水温度和回水温度，表达式为：
上式中，分别表示供热系统中由节点k2流向节点k1在供水管和回水管所需的调度时段数，符号表示向下取整；
(2)将步骤(1)建立的热电联合优化调度模型转化成矩阵形式，用xE表示电力系统变量，电力系统变量包括和用xH表示供热系统变量，供热系统变量包括和则热电联合优化调度模型可以转化为如下的矩阵形式：
s.t.AExE≤bE
AHxH≤bH
DxE+ExH≤f
上式中，CE和CH分别表示电力系统和供热系统的目标函数，其中，CE代表CH代表约束AExE≤bE表示电力系统的约束条件，即步骤(1-2-1)中的全部约束条件，AE、bE的每一行与电力系统每一个约束条件一一对应，每一列与电力系统中的每一个变量一一对应，其中AE的每一个元素为该元素所在行所对应的约束条件中该元素所在列所对应的变量的系数，bE的每一行的元素为该元素所对应的约束条件中的不等式常数项；约束AHxH≤bH表示供热系统约束条件，即步骤(1-2-2)中除供热量与节点的供回水温差的关系的以外的其他全部约束条件，AH、bH的每一行与供热系统每一个约束条件一一对应，每一列与供热系统中的每一个变量一一对应，其中AH的每一个元素为该元素所在行所对应的约束条件中其列所代表的变量的系数，bH的每一行的元素为该元素所对应的约束条件中的不等式常数项，约束DxE+ExH≤f表示电力系统和供热系统耦合约束条件，即步骤(1-2-2)中的供热量与节点的供回水温差的关系约束条件，D、E、f的每一行与每一个电力系统和供热系统耦合约束条件一一对应，D的每一列与电力系统中的每一个变量一一对应，E的每一列与供热系统中的每一个变量一一对应，其中D、E的每一个元素为该元素所在行所对应的约束条件中该元素所在列所代表的变量的系数，f的每一行的元素为该元素所对应的约束条件中的不等式常数项；
(3)采用分解协调求解算法，对上述步骤(2)得到的矩阵形式的热电联合优化调度模型进行求解，步骤如下：
(3-1)初始化：将迭代次数m初始化为0，最优割数目p初始化为0，可行割数目q初始化为0，求解下面电力系统优化调度问题并得到最优解
s.t.AExE≤bE
(3-2)根据电力系统的解求解下面供热系统问题：
s.t.AHxH≤bH
DxE+ExH≤f
(3-2-1)若步骤(3-2)中的供热系统问题可行，将最优割的数目p增加1，生成最优割如下式所示：
其中，AOC＝λT,λ为步骤(3-2)中项的拉格朗日乘子，为步骤(3-2)中供热系统问题的最优目标函数值；
(3-2-2)若步骤(3-2)中的供热系统问题不可行，将可行割的数目q增加1，生成可行割如下式所示：
其中，参数和的生成步骤如下：
(3-2-2-1)将供热问题的可行性问题表示成如下形式：
s.t.AHxH≤bH
(3-2-2-2)引入松弛项ε，对上述步骤(3-2-2-1)中的可行性问题进行松弛，得到如下问题：
s.t.AHxH≤bH
ε≤0
(3-2-2-3)将与上述步骤(3-2-2-2)中的松弛子问题中约束AHxH≤bH和约束相对应的拉格朗日乘子分别记为和则和分别为：
(3-3)求解电力系统优化调度问题：
s.t.AExE≤bE
CH←E≥0
将迭代次数m增加1，将最优解记为
(3-4)判断迭代的收敛性，若其中Δ是收敛阈值，取值为0.001，则终止迭代，执行步骤(3-5)；若则返回步骤(3-2)继续计算；
(3-5)将得到的最优解作为热电联合优化调度的调度参数。
本发明提出的热电联合系统的分解协调调度方法，其优点是：
本方法综合考虑了电力系统的调度模型和供热系统的调度模型，建立了热电联合优化调度模型。针对所提出的热电联合优化调度模型，基于Benders分解算法，提出了一种热电联合系统的分解协调调度求解算法。在所提出的热电联合优化调度分解协调算法中，电力系统和供热系统的调度机构只需对其所管辖的内部系统进行优化，通过热电之间边界条件的交互迭代可获得热电联合优化调度的全局最优解。所提出的热电联合系统的分解协调调度方法具有良好的收敛速度，并可显著提高供热系统的运行灵活性。
附图说明
图1是典型热电联合系统的结构示意图。
图2是本发明方法中涉及的分解协调调度迭代流程图。
具体实施方式
本发明提出的热电联合系统的分解协调调度方法，其中涉及的热电联合系统的结构如图1所示，该方法包括以下步骤：
(1)建立热电联合系统的调度模型，调度模型由目标函数和约束条件构成，具体包括：
(1-1)热电联合系统调度模型的目标函数：
热电联合系统调度模型的目标函数为电力系统与供热系统运行成本的最小化，表达式为：
上式中，T为调度时段集合，ICHP、ITU、IWD和IHB分别为热电联合系统中的热电联产机组、常规机组、风电机组和热锅炉的编号集合，和分别为热电联合系统中热电联产机组、常规机组、风电机组和热锅炉的生产成本函数，i为热电联产机组、常规机组、风电机组和热锅炉中机组或锅炉的编号，t为调度时段；
其中的热电联产机组的生产成本函数为：
上式中，和分别为生产成本系数，生产成本系数为热电联产机组固有参数(从机组说明书上获取)，和分别为第i台热电联产机组在第t个调度时段的有功功率和产热量；
常规机组的生产成本函数为：
上式中，和为常规机组的发电成本系数，该系数为常规机组的固有参数(从机组说明书上获取)，为第i台常规机组在第t个调度时段的有功功率；
风电机组的生产成本函数为：
上式中，为弃风惩罚因子，弃风惩罚因子的取值根据对风电的消纳需求确定，由电力系统调度中心根据调度结果反馈进行调节，为第i台风电机组在第t个调度时段的可用有功功率，为风电机组在第t个调度时段的实际有功功率；
热锅炉的生产成本函数为：
上式中，为热锅炉的产热成本系数，为热锅炉固有参数(可以从热锅炉说明书上获取)，为第i台热锅炉在第t个调度时段的产热量；
(1-2)热电联合系统调度模型的约束条件，包括：
(1-2-1)热电联合系统中电力系统的运行约束条件：
热电联产机组运行约束条件为：
上式中，NEi为第i台热电联产机组的运行极点编号集合，其中运行极点指热电联产机组的热出力和电出力极限所组成的点，分别为第i台热电联产机组第γ个运行极点的有功功率和产热量，为第i台热电联产机组在第t个调度时段的运行点对应第γ个运行极点的凸组合系数；
热电联产机组爬坡约束条件为：
上式中，和分别为第i台热电联产机组的向上爬坡能力和向下爬坡能力，ΔT为调度时段间隔；
常规机组运行约束条件为：
上式中，和分别为第i台常规机组的有功功率上限和有功功率下限(从机组说明书上获取)；
常规机组爬坡约束条件为：
上式中，和分别为第i台常规机组的向上爬坡能力和向下爬坡能力；
常规机组的旋转备用约束条件为：
上式中，和分别为第i台常规机组在第t个调度时段的向上旋转备用和向下旋转备用，其中，向上旋转备用和向下旋转备用分别指发电机组所能够提供的向上与向下发电功率调节范围；
风电机组运行约束条件为：
上式中，为第i台风电机组在第t个调度时段的可用有功功率，为风电机组在第t个调度时段的实际有功功率；
热电联合系统中电力系统的功率平衡约束条件为
上式中，ILD为电力系统负荷编号集合，Dm,t为第m个负荷在第t个调度时段的有功负荷大小；
热电联合系统中电力系统的线路传输容量约束条件为：
上式中，IEPS代表电力系统中节点编号集合，和分别代表与电力系统的第l个节点相连接的热电联产机组、常规机组、风电机组与负荷的索引编号集合，ILN代表电力系统线路编号集合，Lj代表电力系统第j个线路的有功传输容量；
电力系统的旋转备用约束条件为：
上式中，SRUt和SRDt分别代表电力系统在第t个调度时段的向上旋转备用和向下旋转备用；
(1-2-2)热电联合系统中供热系统运行约束条件，包括：
(1-2-2-1)包括有热电联产机组和热锅炉的热源的供热约束条件，包括：
供热量与节点的供、回水温差的约束条件为：
上式中，集合表示连接在供热系统节点k的热电联产机组和热锅炉编号集合，C为水的比热容，为节点k的水流量，和分别表示节点k的供水温度和回水温度(供热系统的每个节点既有供水管又有回水管)，集合表示供热系统中连接热源的节点集合；
热锅炉的供热量的约束条件，即热锅炉的供热量需在其供热量上限内：
上式中，表示第i个热锅炉的产热量上限；
热源节点的供水温度的约束条件，即热源节点的供水温度需要保证在一定范围内：
上式中，和为供热系统中节点k的供水温度上限和温度下限；
(1-2-2-2)换热站运行约束条件，包括：
换热量与节点的供回水温差的关系：
上式中，集合表示供热系统中与节点k相连接的换热站集合，表示第n个换热站在第t个调度时段的换热量，集合表示供热系统中连接换热站的节点集合；
换热站节点的回水温度需要确保在安全范围内：
上式中，和分别为供热系统中节点k的回水温度上限和温度下限；
(1-2-2-3)供热网络运行约束条件，包括：
上式中，和分别表示供热系统中由节点k2流向节点k1的供水流量和回水流量，和分别表示供热系统中节点k1的供水管子节点和回水管子节点，为第t个调度时段的环境温度，和分别表示供热系统中由节点k2流向节点k1的供水热传导系数和回水热传导系数，和的取值由下式测算：
其中，和分别代表供热系统中由节点k2流向节点k1的供水管和回水管的单位热传导系数，该系数可以从水管铭牌中获取，和分别代表供热系统中由节点k2流向节点k1的供水管和回水管的长度。
和分别为供热系统的中间温度变量，表示未考虑温度损失情况下由节点k2流向节点k1的供水温度和回水温度，表达式为：
上式中，分别表示供热系统中由节点k2流向节点k1在供水管和回水管所需的调度时段数，符号表示向下取整；
(2)将步骤(1)建立的热电联合优化调度模型转化成矩阵形式，用xE表示电力系统变量，电力系统变量包括和用xH表示供热系统变量，供热系统变量包括和则热电联合优化调度模型可以转化为如下的矩阵形式：
s.t.AExE≤bE
AHxH≤bH
DxE+ExH≤f
上式中，CE和CH分别表示电力系统和供热系统的目标函数，其中，CE代表CH代表约束AExE≤bE表示电力系统的约束条件，即步骤(1-2-1)中的全部约束条件，AE、bE的每一行与电力系统每一个约束条件一一对应，每一列与电力系统中的每一个变量一一对应，其中AE的每一个元素为该元素所在行所对应的约束条件中该元素所在列所对应的变量的系数，bE的每一行的元素为该元素所对应的约束条件中的不等式常数项；约束AHxH≤bH表示供热系统约束条件，即步骤(1-2-2)中除供热量与节点的供回水温差的关系的以外的其他全部约束条件，AH、bH的每一行与供热系统每一个约束条件一一对应，每一列与供热系统中的每一个变量一一对应，其中AH的每一个元素为该元素所在行所对应的约束条件中其列所代表的变量的系数，bH的每一行的元素为该元素所对应的约束条件中的不等式常数项，约束DxE+ExH≤f表示电力系统和供热系统耦合约束条件，即步骤(1-2-2)中的供热量与节点的供回水温差的关系约束条件，D、E、f的每一行与每一个电力系统和供热系统耦合约束条件一一对应，D的每一列与电力系统中的每一个变量一一对应，E的每一列与供热系统中的每一个变量一一对应，其中D、E的每一个元素为该元素所在行所对应的约束条件中该元素所在列所代表的变量的系数，f的每一行的元素为该元素所对应的约束条件中的不等式常数项；
(3)采用分解协调求解算法，对上述步骤(2)得到的矩阵形式的热电联合优化调度模型进行求解，求解流程如图2所示，步骤如下：
(3-1)初始化：将迭代次数m初始化为0，最优割数目p初始化为0，可行割数目q初始化为0，求解下面电力系统优化调度问题并得到最优解
s.t.AExE≤bE
(3-2)根据电力系统的解求解下面供热系统问题：
s.t.AHxH≤bH
DxE+ExH≤f
(3-2-1)若步骤(3-2)中的供热系统问题可行，将最优割的数目p增加1，生成最优割如下式所示：
其中，AOC＝λT,λ为步骤(3-2)中项的拉格朗日乘子，为步骤(3-2)中供热系统问题的最优目标函数值；
(3-2-2)若步骤(3-2)中的供热系统问题不可行，将可行割的数目q增加1，生成可行割如下式所示：
其中，参数和的生成步骤如下：
(3-2-2-1)将供热问题的可行性问题表示成如下形式：
s.t.AHxH≤bH
(3-2-2-2)引入松弛项ε，对上述步骤(3-2-2-1)中的可行性问题进行松弛，得到如下问题：
s.t.AHxH≤bH
ε≤0
(3-2-2-3)将与上述步骤(3-2-2-2)中的松弛子问题中约束AHxH≤bH和约束相对应的拉格朗日乘子分别记为和则和分别为：
(3-3)求解电力系统优化调度问题：
s.t.AExE≤bE
CH←E≥0
将迭代次数m增加1，将最优解记为
(3-4)判断迭代的收敛性，若其中Δ是收敛阈值，一般取0.001，则终止迭代，执行步骤(3-5)；若则返回步骤(3-2)继续计算；
(3-5)将得到的最优解作为热电联合优化调度的调度参数。
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