一种基于安全域辨识的综合能源系统规划方法与流程

本发明涉及一种基于安全域辨识的综合能源系统规划方法，属于综合能源系统规划技术领域。

背景技术：

综合能源系统是一种将多种能源形式集成为一体的能源系统，它集成了多种化石能源、可再生能源和生物质能等多种能量形式，通过综合考虑能源的生产、转化、传输、储存和应用等能量利用周期的各个环节，同时了满足冷、热、电等多种能源的需求。由于综合能源系统能够考虑到各种能源之间的耦合和互补，相比于各种能源形式的独立运行，能够有效地提高能源利用效率，降低碳排放，减小能源利用成本，是未来能源系统发展的重要方向。

在综合能源系统中，多种能源形式的协调互补提升了能源的利用效率，并有力地促进了可再生能源的消纳。由于综合能源系统中不同能源系统之间并不独立，各个能源系统约束强耦合，使得每个能源系统无法进行单独的安全域分析。然而在规划层面，需要通过安全域分析来评估综合能源系统规划方案的带负荷能力，从而确定最优的综合能源系统规划方案。因此，需要一种能够考虑安全域的综合能源系统规划方法。然而，当前应用技术存在如下的一些问题：

1)对于传统电力系统，成熟的电力系统安全域分析方法无法直接推广到综合能源系统的安全域分析中。

2)现有综合能源系统安全域分析方法均为针对某一特定综合能源系统，不具备普适性和可移植性。由于缺乏对于综合能源系统安全域的统一化建模，导致了现有方法只能针对给定的综合能源系统具体问题具体分析。

3)现有综合能源系统安全域分析方法无法得到显式地、解析化的安全域表达。在综合能源系统的规划层面，均需要显示地、解析化的安全域表达形式，嵌入到相应的应用运行场景中。

4)在综合能源系统规划流程中，由于无法得到统一的、解析化的安全域分析结果，因此在规划阶段难以考虑安全域分析，规划结果的带负荷能力没有保证，导致规划结果在某些运行场景下存在缺陷。

目前尚没有方法能够解决上述问题，建立基于安全域辨识的综合能源系统规划方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于安全域辨识的综合能源系统规划方法，用于对不同综合能源系统的安全域进行统一化、规范化的建模，并显式地、解析化地得到综合能源系统安全的辨识结果，应用于综合能源系统规划，能够获得最优带负荷能力的综合能源系统规划结果。

本发明提出的基于安全域辨识的综合能源系统规划方法，包括以下步骤：

(1)建立描述综合能源系统中能量转换关系的矩阵模型：

设定综合能源系统中共有n个能量转换元件，并将能量转换元件记为节点，每个能量转换元件有ki个端口，下标i为元件编号，设定综合能源系统中共有m个能量传输通道，将能量传输通道记为支路，用下标b表示支路编号；

(1-1)建立第i个能量转换元件的能量转换关系矩阵，过程如下：

建立能量转换元件i的“端口-支路”能量传输关系矩阵ai(k,b)：

其中，ai的维度为ki×m；

设定第i个能量转换元件的不同端口之间的能量转换关系有li条，得到第i个能量转换元件的端口能量转换关系矩阵hi，hi的维度为li×ki，端口能量转换关系矩阵hi中的每一行描述该能量转换元件的一条能量转换关系；

根据上述“端口-支路”能量传输关系矩阵ai(k,b)和端口能量转换关系矩阵hi，得到该能量转换元件的能量转换关系矩阵zi：

zi＝hi×ai

(1-2)遍历综合能源系统中的n个能量转换元件，重复步骤(1-1)，得到综合能源系统中的所有n个能量转换元件的能量转换关系矩阵；

(1-3)建立综合能源系统内部能量转换关系矩阵：

联立每一个元件的能量转换关系矩阵，得到综合能源系统内部能量转换关系矩阵z：

其中，上标t为矩阵转置运算；

(1-4)建立综合能源系统输入输出关系矩阵：

设定综合能源系统有p个能源输入端口和q个负荷输出端口，得到综合能源系统的输入关系矩阵cin(p,b)，cin(p,b)的维度为p×m，综合能源系统的输出关系矩阵cout(q,b)，cout(q,b)的维度为q×m，矩阵中每个元素的值通过如下准则确定：

其中，端口p为p个能源输入端口中的任意一个，端口q为q个负荷输出端口中的任意一个；

(1-5)运用(1-3)和(1-4)计算得到的矩阵，获得综合能源系统的能量转换关系矩阵模型：

zv＝0

cinv＝vin

coutv＝vout

其中，v是由综合能源系统中支路上的能量流，维度为m×1，是综合能源系统的状态变量；vin和vout分别是综合能源系统的输入和输出能量流，维度为p×1和q×1；

(2)构建n-1运行场景下的综合能源系统可行域，包括以下步骤：

(2-1)将第i个能量转换元件退出运行时的综合能源系统运行场景记为第i个n-1运行场景，建立n个与n-1运行场景相对应的支路可行约束集φi(i＝1,2,...,n)，包括以下步骤：

对于第i个n-1运行场景，相应的支路可行约束集φi建立方法如下：

(2-1-1)将支路可行约束集φi置为空集；

(2-1-2)设与第i个能量转换元件的ki个端口相连的支路集合为分别对所有的ki个端口，建立等式并将所有等式添加到支路可行约束集φi中，其中vb为综合能源系统中支路b上的能量流；

(2-1-3)设与第j个能量转换元件的kj个端口相连的支路集合为j≠i，分别对中的所有端口kj，建立不等式并将所有不等式添加到步骤(2-1-2)的支路可行约束集φi中，其中为综合能源系统中端口能量流的最大容量，遍历所有j≠i的能量转换元件，重复本步骤，得到与第i个能量转换元件的n-1运行场景相对应的支路可行约束集φi；

(2-1-4)遍历综合能源系统中的n个能量转换元件，重复步骤(2-1-1)-步骤(2-1-3)，得到n个综合能源系统的n-1运行场景相对应的支路可行约束集φi(i＝1,2,...,n)；

(2-2)建立与每个n-1运行场景相对应的综合能源系统可行域，其中第i个能量转换元件的n-1运行场景下的综合能源系统可行域的表达式为：

ωi＝{vout|coutv＝vout,zv＝0,v∈φi}

其中，ωi为第i个n-1运行场景下的综合能源系统可行域，φi为步骤(2-1)中建立的该运行场景下的支路可行约束集，v是(1)中定义的综合能源系统中支路上的能量流，vout是(1)中定义的综合能源系统的输出能量流，z是步骤(1)中定义的综合能源系统能量转换关系矩阵，cout是步骤(1)中定义的综合能源系统输出关系矩阵；

(2-3)将综合能源系统q个输出端口的输出能量所张成的空间定义为输出能量流空间，输出能量流空间的维度为q，每一个n-1运行场景下的综合能源系统可行域ωi为输出能量流空间中的一个凸多面体，用求解凸多面体顶点的方法，分别对步骤(2-2)的n个n-1运行场景下的综合能源系统可行域ωi进行辨识，包括如下步骤：

(2-3-1)设eq为输出能量流空间中第q坐标的单位方向向量，求解下述线性优化问题，得到最优解即为第q坐标轴上的可行域顶点：

s.t.xq＝coutv

zv＝0

v∈φi

遍历q个坐标轴，得到q个可行域顶点，该q个顶点构成的集合vert'组成已知可行域ωi'；

(2-3-2)记已知可行域ωi'的表面数量为r，设dr为ωi'中第r个表面的单位法向向量，求解如下线性优化问题，得到最优解

s.t.xr＝coutv

zv＝0

v∈φi

其中上标t为矩阵转置运算；

(2-3-3)对步骤(2-3-2)的最优解进行判断，若最优解不属于步骤(2-3-1)的集合vert'，则将添加至vert'中，并更新vert'，若最优解属于vert'，则保持vert'不变；

(2-3-4)遍历已知可行域ωi'的r个表面，重复步骤(2-3-2)和步骤(2-3-3)，完成r次计算；

(2-3-5)对步骤(2-3-4)中的计算进行判断，若在r次计算中，vert'均没有被更新过，则使ωi'＝ωi，进入(2-3-6)，若在r次计算中，vert'被更新过，则用步骤(2-3-3)的最后更新得到的vert'组成已知可行域ωi'，并返回至步骤(2-3-2)；

(2-3-6)遍历综合能源系统中的n个能量转换元件，重复步骤(2-3-1)-步骤(2-3-6)，辨识得到综合能源系统可行域ωi，i＝1,2,...,n；

(2-4)利用下式，对(2-3)获得的n个综合能源系统n-1运行场景下的可行域取交集，得到综合能源系统安全域ω：

ω＝ω1∩ω2∩…∩ωn

(3)选择最优综合能源规划方案，过程如下：

(3-1)设定综合能源系统备选规划方案有g个，遍历g个综合能源系统备选规划方案中的每一个综合能源系统备选规划方案，重复步骤(1)和步骤(2)，分别得到相应备选规划方案的安全域，将第g个综合能源系统备选规划方案的安全域记为ω^g；

(3-2)设定待规划综合能源系统在规划期内的负荷需求状态共有δ种，从综合能源系统规划部门获取每一种负荷需求状态的负荷需求向量的维度为q×1，的每一个分量代表一个输出端口的负荷需求量，同时从综合能源系统规划部门获取每一种负荷需求状态的出现概率proδ(δ＝1,2,…,δ)，利用下式，计算第g个综合能源系统备选规划方案相对每一个负荷需求向量的适应度yδ,g，计算方法如下：

根据yδ,g，计算第g个综合能源系统备选规划方案的负荷满足率fitg：

(3-3)遍历g个综合能源系统备选规划方案，重复步骤(3-2)，得到所有g个负荷满足率，选择与g个负荷满足率中最高负荷满足率相对应的综合能源系统备选规划方案，作为待综合能源系统的规划结果，实现基于安全域辨识的综合能源系统规划。

本发明提出的基于安全域辨识的综合能源系统规划方法，其优点是：

本发明的基于安全域辨识的综合能源系统规划方法，能够对不同的综合能源系统的安全域进行统一化、规范化的建模，建立的优化模型为线性模型，安全域是解析化的，并显式地、解析化地得到综合能源系统安全的辨识结果，应用于综合能源系统规划中，在综合能源系统的规划阶段考虑了安全域，将系统带负荷能力纳入了考虑，因此能够得到最优带负荷能力的规划结果。综上所述，本发明规划方法能够实现综合能源系统安全域的统一化建模，采用标准化的方法辨识综合能源系统安全域，计算效率快、辨识精度高，能够得到解析化的辨识结果，应用辨识得到的安全域，可以获得最优带负荷能力的综合能源系统规划结果。本发明的基于安全域辨识的综合能源系统规划方法，可以有效提高综合能源系统供给负荷时的可靠性，增加综合能源系统充裕度，减少切负荷事件的出现概率。

附图说明

图1为本发明的基于安全域辨识的综合能源系统规划方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的基于安全域辨识的综合能源系统规划方法，其流程框图如图1所示，该方法包括以下步骤：

(1)建立描述综合能源系统中能量转换关系的矩阵模型：

设定综合能源系统中共有n个能量转换元件，并将能量转换元件记为节点，每个能量转换元件有ki个端口，下标i为元件编号，设定综合能源系统中共有m个能量传输通道，将能量传输通道记为支路，用下标b表示支路编号；

(1-1)建立第i个能量转换元件的能量转换关系矩阵，过程如下：

建立能量转换元件i的“端口-支路”能量传输关系矩阵ai(k,b)：

其中，ai的维度为ki×m；

设定第i个能量转换元件的不同端口之间的能量转换关系有li条，得到第i个能量转换元件的端口能量转换关系矩阵hi，hi的维度为li×ki，端口能量转换关系矩阵hi中的每一行描述该能量转换元件的一条能量转换关系；

根据上述“端口-支路”能量传输关系矩阵ai(k,b)和端口能量转换关系矩阵hi，得到该能量转换元件的能量转换关系矩阵zi：

zi＝hi×ai

(1-2)遍历综合能源系统中的n个能量转换元件，重复步骤(1-1)，得到综合能源系统中的所有n个能量转换元件的能量转换关系矩阵；

(1-3)建立综合能源系统内部能量转换关系矩阵：

联立每一个元件的能量转换关系矩阵，得到综合能源系统内部能量转换关系矩阵z：

其中，上标t为矩阵转置运算；

(1-4)建立综合能源系统输入输出关系矩阵：

设定综合能源系统有p个能源输入端口和q个负荷输出端口，得到综合能源系统的输入关系矩阵cin(p,b)，cin(p,b)的维度为p×m，综合能源系统的输出关系矩阵cout(q,b)，cout(q,b)的维度为q×m，矩阵中每个元素的值通过如下准则确定：

其中，端口p为p个能源输入端口中的任意一个，端口q为q个负荷输出端口中的任意一个；

(1-5)运用(1-3)和(1-4)计算得到的矩阵，获得综合能源系统的能量转换关系矩阵模型：

zv＝0

cinv＝vin

coutv＝vout

其中，v是由综合能源系统中支路上的能量流，维度为m×1，是综合能源系统的状态变量；vin和vout分别是综合能源系统的输入和输出能量流，维度为p×1和q×1；

(2)构建n-1运行场景下的综合能源系统可行域，包括以下步骤：

(2-1)将第i个能量转换元件退出运行时的综合能源系统运行场景记为第i个n-1运行场景，建立n个与n-1运行场景相对应的支路可行约束集φi(i＝1,2,...,n)，包括以下步骤：

对于第i个n-1运行场景，相应的支路可行约束集φi建立方法如下：

(2-1-1)将支路可行约束集φi置为空集；

(2-1-2)设与第i个能量转换元件的ki个端口相连的支路集合为分别对所有的ki个端口，建立等式并将所有等式添加到支路可行约束集φi中，其中vb为综合能源系统中支路b上的能量流；

(2-1-3)设与第j个能量转换元件的kj个端口相连的支路集合为j≠i，分别对中的所有端口kj，建立不等式并将所有不等式添加到步骤(2-1-2)的支路可行约束集φi中，其中为综合能源系统中端口能量流的最大容量，遍历所有j≠i的能量转换元件，重复本步骤，得到与第i个能量转换元件的n-1运行场景相对应的支路可行约束集φi；

(2-1-4)遍历综合能源系统中的n个能量转换元件，重复步骤(2-1-1)-步骤(2-1-3)，得到n个综合能源系统的n-1运行场景相对应的支路可行约束集φi(i＝1,2,...,n)；

(2-2)建立与每个n-1运行场景相对应的综合能源系统可行域，其中第i个能量转换元件的n-1运行场景下的综合能源系统可行域的表达式为：

ωi＝{vout|coutv＝vout,zv＝0,v∈φi}

其中，ωi为第i个n-1运行场景下的综合能源系统可行域，φi为步骤(2-1)中建立的该运行场景下的支路可行约束集，v是(1)中定义的综合能源系统中支路上的能量流，vout是(1)中定义的综合能源系统的输出能量流，z是步骤(1)中定义的综合能源系统能量转换关系矩阵，cout是步骤(1)中定义的综合能源系统输出关系矩阵；

(2-3)将综合能源系统q个输出端口的输出能量所张成的空间定义为输出能量流空间，输出能量流空间的维度为q，每一个n-1运行场景下的综合能源系统可行域ωi为输出能量流空间中的一个凸多面体，用求解凸多面体顶点的方法，分别对步骤(2-2)的n个n-1运行场景下的综合能源系统可行域ωi进行辨识，包括如下步骤：

(2-3-1)在输出能量流空间中建立q维直角坐标，原点为0，首先辨识ωi在输出能量流空间中坐标轴上的可行域顶点，并构建已知可行域ωi'，设eq为输出能量流空间中第q坐标的单位方向向量，求解下述线性优化问题，得到最优解即为第q坐标轴上的可行域顶点：

s.t.xq＝coutv

zv＝0

v∈φi

遍历q个坐标轴，得到q个可行域顶点，该q个顶点构成的集合vert'组成已知可行域ωi'；

(2-3-2)记已知可行域ωi'的表面数量为r，设dr为ωi'中第r个表面的单位法向向量，求解如下线性优化问题，得到最优解

s.t.xr＝coutv

zv＝0

v∈φi

其中上标t为矩阵转置运算；

(2-3-3)对步骤(2-3-2)的最优解进行判断，若最优解不属于步骤(2-3-1)的集合vert'，则将添加至vert'中，并更新vert'，若最优解属于vert'，则保持vert'不变；

(2-3-4)遍历已知可行域ωi'的r个表面，重复步骤(2-3-2)和步骤(2-3-3)，完成r次计算；

(2-3-5)对步骤(2-3-4)中的计算进行判断，若在r次计算中，vert'均没有被更新过，则使ωi'＝ωi，进入(2-3-6)，若在r次计算中，vert'被更新过，则用步骤(2-3-3)的最后更新得到的vert'组成已知可行域ωi'，并返回至步骤(2-3-2)；

(2-3-6)遍历综合能源系统中的n个能量转换元件，重复步骤(2-3-1)-步骤(2-3-6)，辨识得到综合能源系统可行域ωi，i＝1,2,...,n；

(2-4)利用下式，对(2-3)获得的n个综合能源系统n-1运行场景下的可行域取交集，得到综合能源系统安全域ω：

ω＝ω1∩ω2∩…∩ωn

(3)选择最优综合能源规划方案，过程如下：

(3-1)设定综合能源系统备选规划方案有g个，遍历g个综合能源系统备选规划方案中的每一个综合能源系统备选规划方案，重复步骤(1)和步骤(2)，分别得到相应备选规划方案的安全域，将第g个综合能源系统备选规划方案的安全域记为ω^g；

(3-2)设定待规划综合能源系统在规划期内的负荷需求状态共有δ种，从综合能源系统规划部门获取每一种负荷需求状态的负荷需求向量的维度为q×1，的每一个分量代表一个输出端口的负荷需求量，同时从综合能源系统规划部门获取每一种负荷需求状态的出现概率proδ(δ＝1,2,…,δ)，利用下式，计算第g个综合能源系统备选规划方案相对每一个负荷需求向量的适应度yδ,g，计算方法如下：

根据yδ,g，计算第g个综合能源系统备选规划方案的负荷满足率fitg：

(3-3)遍历g个综合能源系统备选规划方案，重复步骤(3-2)，得到所有g个负荷满足率，选择与g个负荷满足率中最高负荷满足率相对应的综合能源系统备选规划方案，作为待综合能源系统的规划结果，实现基于安全域辨识的综合能源系统规划。