考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法与流程

本发明涉及一种综合能源系统优化调度方法，特别是涉及一种考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法。

背景技术：

能源是人类赖以生存和发展的基础，随着化石燃料的短缺和环境污染问题的日益严重，如何提高社会能源利用效率、减少用能过程中的环境污染成为全世界共同关注的话题。园区综合能源系统(communityintegratedenergysystem,cies)在这种背景下应运而生。园区综合能源系统集成了电、冷、热等多种能源和多能源形式的蓄能设备及耦合装置，通过对能源生产、转换、传输、消费等多个环节进行有机协调和优化控制，可实现多种能源系统整体的高效率利用，具有较高的经济性和供能可靠性。

夏季供冷、冬季供热作为区域综合能源系统供能的重要方面，需要制定合理有效的调度策略。在供能期，多由集中能源站产生用于空调制冷/热的空调冷水/热水，通过供水管道输送至各个楼栋，然后负荷侧风机盘管系统工作达到制冷/热效果；温度变化后的空调冷热水经过回水管道返回集中能源站。园区综合能源系统具有源-荷分散的特点，其优化调度既要考虑供能侧集中能源站的协调优化，又要考虑供能网络传输的影响。此时，需要充分研究管网的供热特性和传输特性，基于热力学和管网基本原理建立能够准确描述管网状态、符合实际运行特点的传输模型。

目前，园区综合能源系统的研究多以单个集中能源站作为研究对象，较少考虑供能管道传输的影响，且未见考虑管网能量损耗和传输延迟的动态传输模型。因此，急需一种兼顾集中能源站和供能网络多个供能环节的优化调度方法，考虑管网能量损耗和传输延迟的动态特性，优化集中能源站和供能网络的协调运行，经济可靠地满足园区综合能源系统用能需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对园区综合能源系统供冷/热期的优化调度问题，能够建立考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度模型，综合考虑集中能源站运行、管网动态传输等多种约束，进行包括集中能源站、供能管道的能源系统的协调优化，最终制定优化调度方案。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法，包括：

s1、根据选定的园区综合能源系统，输入电价信息，读取电负荷、冷/热负荷、光照强度的预测值，输入集中能源站设备组成、设备运行参数、蓄热设备当前存储热量、机组启停费用、管网结构和参数、系统调度间隔、热媒参数和集中能源站出口水温上下限等变量或参数；

s2、依据所述s1提供的所述园区综合能源系统的结构和参数，建立考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度模型，包括：设定所述园区综合能源系统一个调度周期内运行费用和机组启停费用之和最小为目标函数，分别考虑集中能源站运行约束、热管网动态传输约束、集中能源站-管网耦合约束、管网-负荷耦合约束、冷/热负荷供需平衡约束和电负荷供需平衡约束；

s3、将所述s2得到的所述园区综合能源系统优化调度模型中相关非线性约束进行线性化转换，建立混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；

s4、输出所述s3中所述混合整数线性规划模型的求解结果，包括运行费用、供能主机启停指令、运行工况、供能功率、蓄能装置供能指令及供能功率、集中能源站空调冷/热水供水温度等。

优选的，所述s2中的所述热管网动态传输约束中的管道传输延迟模型具体采用下式表示：

上式中，ni,t为t时刻流入管道i的媒介首次流出管道i的所经过的最小调度间隔；si,t、ri,t分别为t时刻至t+ni,t时刻、t时刻至t+ni,t-1时刻流入管道i的冷水质量；ρ、ai、li分别为空调冷水密度、第i条管道的横截面积和第i条管道的长度；qi,t为t时刻第i条管道延时加权系数；mi,t为t时刻第i条管道的冷水流量；δt为系统调度间隔；分别为t时刻第i条管道的首端温度和末端温度；x∈{s,r}，s、r分别代表供水管道和回水管道；λi为管道单位长度的传热系数；cw为热媒的比热容；ta为管道外界环境温度，mi,t+k代表的是t+k时刻第i条管道的冷水流量。

优选的，所述s2中的所述集中能源站-管网耦合约束具体采用下式表示：

上式中，为t时刻集中能源站供能功率；分别为t时刻集中能源站空调冷水回水温度和集中能源站空调供水温度；分别为与集中能源站相连的供水管道首端节点的温度和回水管道末端节点的温度；t^ces,min、t^ces,max分别为集中能源站出口空调冷水温度下限和上限；ω^ces为与集中能源站相连接的管道的集合。

本发明实施例提供的一种考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法，立足于解决园区综合能源系统的供能优化调度问题，充分考虑管网传输损耗和延迟影响、集中能源站多设备的协调配合与集中能源站-供能管网的耦合关系，建立包含集中能源站、供能管网的园区综合能源系统优化调度模型，通过非线性约束的线性化转化，调用相关数学求解器进行求解，得到日前供冷调度计划。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法流程示意图；

图2是管道传输延迟原理图；

图3是集中能源站供能结构图；

图4是系统供能网络结构图；

图5是不考虑管道传输特性时楼宇室温变化图；

图6是只考虑管道能量损耗时楼宇室温变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法，针对园区综合能源系统供冷/热期的优化调度问题，能够建立考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度模型，综合考虑集中能源站运行、管网动态传输等多种约束，进行包括集中能源站、供能管道的能源系统的协调优化，最终制定优化调度方案。

请参见图1，图1为本发明实施例公开了一种考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法流程示意图，该方法包括：

s1、根据选定的园区综合能源系统，输入电价信息，读取电负荷、冷/热负荷、光照强度的预测值，输入集中能源站设备组成、设备运行参数、蓄热设备当前存储热量、机组启停费用、管网结构和参数、系统调度间隔、热媒参数和集中能源站出口水温上下限等变量或参数；

s2、依据s1提供的园区综合能源系统的结构和参数，建立考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度模型，包括：设定园区综合能源系统一个调度周期内运行费用和机组启停费用之和最小为目标函数，分别考虑集中能源站运行约束、热管网动态传输约束、集中能源站-管网耦合约束、管网-负荷耦合约束、冷/热负荷供需平衡约束和电负荷供需平衡约束。

具体的，本实施例中，园区综合能源系统一个调度周期内运行费用和机组启停费用之和最小为目标函数具体采用下式表示：

上式中，nt为一个调度周期的总间隔数，表示t时刻购电电价，为系统与外部电网联络线的功率，ei为不同主机的启停费用，s为设备集合，包括：地源热泵、常规冷水主机、双工况主机，分别为t时刻第j台地源热泵、常规冷水主机、双工况主机的启停状态，ωhp、ωwc、ωdc分别为地源热泵、常规冷水主机、双工况主机的集合，ωi包含ωhp、ωwc、ωdc。模型相关的二进制变量为1代表供能模式/设备处于执行/启动状态，为0代表不执行/停机状态，下同。

集中能源站运行约束具体包括以下几个类型：

第一种类型：地源热泵机组运行约束具体采用下式表示：

上式中，为t时刻第i台地源热泵供冷功率；n^hp为地源热泵主机个数；分别为热泵主机的最小、最大制冷功率；为t时刻热泵机组耗电功率；为第i台热泵性能系数(cop)；p^hp,cwp和p^hp,cp分别为热泵主机联锁冷冻水泵和冷却水泵的额定用电功率。

第二种类型：常规冷水机组运行约束具体采用下式表示：

上式中，为t时刻第i台常规冷水主机供冷功率；n^wc为常规冷水主机个数；分别为其制冷功率下、上限；为t时刻常规冷水机组耗电功率；为第i台常规冷水主机性能系数；p^wc,cwp、p^wc,cp和p^wc,ct分别为常规冷水主机联锁冷冻水泵、冷却水泵和开式冷却塔的额定用电功率。

第三种类型：冰蓄冷系统运行约束具体采用下式表示：

上式中，为t时刻冰蓄冷系统、蓄冰槽制冷功率；分别为t时刻第i台双工况主机制冷、制冰功率；为双工况主机制冷功率下、上限；为其制冰功率下、上限；n^dc为双工况主机个数；为t时刻第i台双工况主机制冷、制冰运行模式；为t时刻双工况机组制冷、制冰运行模式；为t时刻蓄冰槽存储冷量；w^it、为蓄冰槽存储冷量下、上限；ε^it为蓄冰槽的自放冷率；δt为调度间隔；为蓄冰槽放冷功率上限；为单台冷冻水泵制冷功率上限；为t时刻第i台冰蓄冷系统冷冻水泵启停状态；为t时刻冰蓄冷系统耗电功率；分别为双工况主机制冷、制冰性能系数，p^ep、p^dc,cp、p^dc,ct、p^is,cwp分别为乙二醇溶液泵、冷却水泵、开式冷却塔、冷冻水泵的额定用电功率。

管网动态传输约束具体采用下式表示(其中包含热管网动态传输约束中的管道传输延迟模型)：

上式中，mi,t为t时刻第i条管道的冷水流量；分别为t时刻第i条管道的首端温度和末端温度；x∈{s,r}，s、r分别代表供水管道和回水管道；为t时刻第i交叉节点的混合温度；分别为供/回水网络中末端节点、首端节点为节点i，即流入、流出节点的管道集合，ni,t为t时刻流入管道i的媒介首次流出管道i的所经过的最小调度间隔；si,t、ri,t分别为t时刻至t+ni,t时刻、t时刻至t+ni,t-1时刻流入管道i的冷水质量；ρ、ai、li分别为空调冷水密度、第i条管道的横截面积和第i条管道的长度；qi,t为t时刻第i条管道延时加权系数；δt为系统调度间隔；λi为管道单位长度的传热系数；cw为热媒的比热容；ta为管道外界环境温度，mi,t+k代表的是t+k时刻第i条管道的冷水流量。热管网动态传输约束中的管道传输延迟模型请参见图2，图2是管道传输延迟原理图。

集中能源站-管网耦合约束具体采用下式表示：

上式中，为t时刻集中能源站供能功率；分别为t时刻集中能源站空调冷水回水温度和集中能源站空调供水温度；分别为与集中能源站相连的供水管道首端节点的温度和回水管道末端节点的温度；t^ces,min、t^ces,max分别为集中能源站出口空调冷水温度下限和上限；ω^ces为与集中能源站相连接的管道的集合。

管网-负荷耦合约束具体采用下式表示：

上式中，为t时刻管道向楼宇i的注入功率，分别为楼宇i入口、出口处热媒温度；分别为楼宇相连的供水管道末端节点、回水管道首端节点的温度；为与楼宇i相连接的管道的集合。

冷/热负荷供需平衡约束具体采用下式表示：

电负荷供需平衡约束具体采用下式表示：

上式中，分别为t时刻光伏系统输出功率、联络线功率，为联络线最大允许功率值，为t时刻系统电负荷。

s3、将s2得到的园区综合能源系统优化调度模型中相关非线性约束进行线性化转换，建立混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解。

对于式子(2)、(5)、(9)、(10)展开后存在二进制变量与连续变量的乘机项，目标方程(1)中存在二进制变量与二进制变量的乘机项，通过引入辅助变量和约束将这些非线性项线性化。线性化后，此优化问题转化成一个混合整数线性规划问题。

具体分为以下步骤：

(1)对非线性项u、r，其中u为二进制变量，r为连续正变量，r的上限为可引入辅助变量r替换非线性项，且r满足如下约束：

(2)对非线性项u1、u2，其中u1、u2为二进制变量，引入辅助二进制变量u替换非线性项，且u满足如下约束：

s4、输出s3中混合整数线性规划模型的求解结果，包括运行费用、供能主机启停指令、运行工况、供能功率、蓄能装置供能指令及供能功率、集中能源站空调冷/热水供水温度等。

可见，本发明实施例提供的一种考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法，立足于解决园区综合能源系统的供能优化调度问题，充分考虑管网传输损耗和延迟影响、集中能源站多设备的协调配合与集中能源站-供能管网的耦合关系，建立包含集中能源站、供能管网的园区综合能源系统优化调度模型，通过非线性约束的线性化转化，调用相关数学求解器进行求解，得到日前供冷调度计划。

下面结合实际应用场景对本发明实施例提供的技术方案进行详细说明，首先输入电价信息，系统一个调度周期电负荷预测值、冷负荷预测值、光照强度预测值；然后输入集中能源站设备组成、设备运行参数、蓄冷设备当前存储冷量、机组启停费用、管网参数、系统调度间隔、热媒参数和集中能源站出口水温上下限等变量或参数的初值。本系统中，由外部电网和光伏系统满足电力需求；集中能源站产生空调冷水通过供能管道输送至各个楼宇，通过风机盘管满足供冷需求。集中能源站包括：3台地源热泵、2台常规冷水主机和一组冰蓄冷子系统(两台双工况主机，一台蓄冰槽)。集中能源站供冷结构如图3所示，图3是集中能源站供能结构图；详细参数见表1，供能网络结构和参数见图4和表2，图4是系统供能网络结构图，表2供能网络参数信息；蓄冰槽存储冷量初值取为0；地源泵、常规冷水主机、双工况主机启动费用分别为40.0元/次、120.0元/次、120.0元/次；系统调度间隔为30min；空调冷水密度和比热容分别为1000kg/m3、4.2kj/(kg℃)；集中能源站出口空调冷水温度下、上限分别为5℃、8℃；峰时电价1.35元/kwh(8:00-11:00，

18:00-23:00)，谷时电价0.47元/kwh(00:00-7:00,23:00-00:00)，平时电价0.89元/kwh(7:00-8:00,11:00-18:00)。

针对系统通过供能管道供冷的特点，对比采用不同调度策略系统的运行费用，结果见表3，其中策略1采用传统的经济调度策略(即不考虑管道的动态传输特性)，策略2考虑管道的能量损耗，但是没考虑其延迟的影响，策略3同时考虑管道的能量损耗和延迟影响。不同调度策略对系统实际运行的影响主要体现在负荷侧楼宇室内温度的变化上，采用策略1时负荷侧(楼宇)室温变化见图5，图5是不考虑管道传输特性时楼宇室温变化图；采用策略2时楼宇室温变化见图6，图6是只考虑管道能量损耗时楼宇室温变化图。

执行优化计算的计算机硬件环境为intel(r)xeon(r)cpue5-2603，主频为1.60ghz，内存为8gb；软件环境为windows10操作系统。

对比不同调度策略下系统运行费用可以看出，考虑管道后，由于其传输损耗的影响，运行费用会适当增加，但由于考虑了实际运行中管网传输过程，其优化调度结果将更加符合实际应用；考虑管道延迟后，管网注入功率、楼宇消耗功率和损耗功率之间则存在不平衡量，此时管网具有一定的蓄能特性，结合分时电价信息，可在一定程度上降低运行费用。

对比不同调度策略下负荷侧(楼宇)室内温度变化可以看出，未同时考虑管道能量损耗和传输延迟的策略下，实际运行时楼宇供冷功率均会偏离需求值(22℃)，这些会给用户用能满意度造成较大影响；充分考虑管网的动态传输特性后，实际楼宇供冷功率将等于理论需求值，室内温度保持在理想温度22℃。可见，考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法贴近系统实际运行，可较好满足用户用能需求，具有较高的供能可靠性。

表1集中能源站结构及参数

表2供能网络参数信息

表3不同调度策略运行费用对比

以上对本申请所提供的一种考虑热管网传输特性的园区综合能源系统优化调度方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。