一种电气互联综合能源系统优化调度方法及终端与流程

1.本发明涉及电力技术领域，特别涉及一种电气互联综合能源系统优化调度方法及终端。


背景技术：

2.当前不同形式的能源系统为相互独立的运行模式，但随着综合能源系统的不断发展，电、气、热等多种能源形式将深度耦合，其中电-气互联型综合能源系统在当前的工程实际重应用较为广泛。因此，研究电-气互联综合能源系统优化调度模型，具有十分重要的现实意义。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种电气互联综合能源系统优化调度方法及终端，能够实现综合能源系统的优化调度。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种电气互联综合能源系统优化调度方法，包括步骤：
6.以综合运行费用最小为目标建立电气互联综合能源系统优化调度模型的目标函数；
7.基于二阶锥和二次约束标准型转换建立电气互联综合能源系统优化调度模型的约束条件，所述约束条件包括能源集线器、配电网和天然气网的约束；
8.根据所述目标函数和约束条件建立电气互联综合能源系统优化调度模型，并采用求解器对所述调度模型进行求解，以得到综合运行费用最小的综合能源系统调度方案。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
10.一种电气互联综合能源系统优化调度终端，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种电气互联综合能源系统优化调度方法。
11.本发明的有益效果在于：以综合运行费用最小为目标建立电气互联综合能源系统优化调度模型的目标函数，基于二阶锥和二次约束标准型转换建立电气互联综合能源系统优化调度模型的约束条件，约束条件包括能源集线器、配电网和天然气网的约束，从而将电气互联综合能源系统优化调度问题转换为混合整数二阶锥-二次优化问题；根据目标函数和约束条件建立电气互联综合能源系统优化调度模型，并采用求解器对所述调度模型进行求解，以得到综合运行费用最小的综合能源系统调度方案，提升了计算效率，适合工程推广；充分考虑配电网、天然气网的深度耦合，更能适应多能深度耦合的综合能源系统。
附图说明
12.图1为本发明实施例的一种电气互联综合能源系统优化调度方法的流程图；
13.图2为本发明实施例的一种电气互联综合能源系统优化调度终端的示意图；
14.图3为本发明实施例的电气互联综合能源系统扑图；
15.图4为本发明实施例的能源集线器内部结构示意图；
16.图5为本发明实施例二的有功出力情况；
17.图6为本发明实施例二的能源集线器的电能消费情况；
18.图7为本发明实施例二的变压器低压侧电压水平；
19.图8为本发明实施例二的最大负荷时刻和最小负荷时刻的系统电压水平；
20.标号说明：
21.1、一种电气互联综合能源系统优化调度终端；2、存储器；3、处理器。
具体实施方式
22.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
23.请参照图1，本发明实施例提供了一种电气互联综合能源系统优化调度方法，包括步骤：
24.以综合运行费用最小为目标建立电气互联综合能源系统优化调度模型的目标函数；
25.基于二阶锥和二次约束标准型转换建立电气互联综合能源系统优化调度模型的约束条件，所述约束条件包括能源集线器、配电网和天然气网的约束；
26.根据所述目标函数和约束条件建立电气互联综合能源系统优化调度模型，并采用求解器对所述调度模型进行求解，以得到综合运行费用最小的综合能源系统调度方案。
27.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：以综合运行费用最小为目标建立电气互联综合能源系统优化调度模型的目标函数，基于二阶锥和二次约束标准型转换建立电气互联综合能源系统优化调度模型的约束条件，约束条件包括能源集线器、配电网和天然气网的约束，从而将电气互联综合能源系统优化调度问题转换为混合整数二阶锥-二次优化问题；根据目标函数和约束条件建立电气互联综合能源系统优化调度模型，并采用求解器对所述调度模型进行求解，以得到综合运行费用最小的综合能源系统调度方案，提升了计算效率，适合工程推广；充分考虑配电网、天然气网的深度耦合，更能适应多能深度耦合的综合能源系统。
28.进一步地，所述以综合运行费用最小为目标建立电气互联综合能源系统优化调度模型的目标函数包括：
29.以综合运行费用最小为目标建立目标函数，所述综合运行费用包括用能成本c
en
、网损成本c
l
、弃风弃光惩罚c
p
和二氧化碳治理成本c
t
：
30.f1＝min(c
en
+c
l
+c
p
+c
t
)。
31.由上述描述可知，使用综合运行费用最小为目标建立目标函数，便于后续基于目标函数建立电气互联综合能源系统优化调度模型。
32.进一步地，计算所述用能成本c
en
的公式为：
[0033][0034]
其中，t表示时刻集合，ω
wtg
和ω
pvg
分别表示风机和光伏发电的安装集合，ce表示用电成本，cg表示用气成本，c
dg
表示分布式电源运维成本，fe表示度电费用，fg表示每立方米天然气费用，f
wtg
表示风机度电运维成本，f
pvg
表示光伏度电运维成本，p
gen
表示上级电网电能输入，v
gas
表示天然气输入，p
wtg
和p
pvg
分别表示风机和光伏发电的电力输入；
[0035]
计算所述网损成本c
l
的公式为：
[0036][0037]
其中f
loss
表示线损费用，p
loss
表示系统总线损；
[0038]
计算所述弃风弃光惩罚c
p
的公式为：
[0039][0040]
其中，f
p.wtg
和f
p.pvg
分别表示单位弃风和弃光的惩罚成本，p
wtg.cut
和p
wtg.cut
分别表示风机和光伏发电的有功削减量；
[0041]
计算所述二氧化碳治理成本c
t
的公式为：
[0042][0043]
其中和分别表示电力和天然气的co2排放因子。
[0044]
由上述描述可知，通过计算用能成本、网损成本、弃风弃光惩罚和二氧化碳治理成本，便于计算综合运行费用的最小值并建立目标函数。
[0045]
进一步地，所述建立电气互联综合能源系统优化调度模型的能源集线器约束包括：
[0046]
建立能源集线器的能量平衡约束：
[0047][0048]
其中，ω
eh
表示能源集线器的节点集合；t表示第t个调度时段分别为能源集线器输入的电能和天然气；分别为能源集线器节点的电负荷和热负荷；分别为热电联产的产电和产热效率，η
gb
为燃气锅炉的产热效率、η
t
为变压器效率；
[0049]
建立热电联产和燃气锅炉的电、热能量流边界约束：
[0050][0051]
其中分别表示热电联产的电热功率，表示燃气锅炉的热功率，分别表示热电联产电功率的下限和上限，分别表示热电联产热功率的下限和上限，表示燃气锅炉热功率的下限和上限。
[0052]
由上述描述可知，通过建立能源集线器的能量平衡约束以及热电联产和燃气锅炉的电、热能量流边界约束，能够得到能源集线器约束，以便于后续建立电气互联综合能源系统优化调度模型。
[0053]
进一步地，基于二阶锥转换建立电气互联综合能源系统优化调度模型的配电网约束包括：
[0054]
建立潮流约束：
[0055][0056][0057][0058]
其中，δ(j)表示以节点j为首节点的支路，π(j)表示以节点j为末节点的支路，p
j,t
、q
j,t
分别表示节点j的注入的有功和无功功率，p
ij,t
、q
ij,t
分别表示支路ij的有功和无功潮流，r
ij
、x
ij
分别表示支路ij的电阻和电抗，i
ij,t
表示支路电流；
[0059]
对进行松弛处理并改写为二阶锥形式：
[0060][0061]
由上述描述可知，通过将潮流约束进行松弛处理并改写为二阶锥形式，便于后续使用商业求解器进行模型求解。
[0062]
进一步地，所述建立电气互联综合能源系统优化调度模型的配电网约束还包括：
[0063]
建立分布式风机约束：
[0064]
[0065]
其中，ω
wtg
表示风机安装节点，分别表示风机投入数量和最大投入数量，分别表示单台风机的有功无功和最大无功出力，s
wtg
表示风机的额定视在功率；
[0066]
建立分布式光伏发电约束：
[0067][0068]
其中，ω
pvg
表示风机安装节点，分别表示风机投入数量和最大投入数量，分别表示单台风机的有功和最大无功出力，s
pvg
表示光伏发电的额定视在功率；
[0069]
建立变压器分接头约束：
[0070][0071][0072]
其中v
seq
表示变压器可调的电压序列，表示0-1辅助变量。
[0073]
由上述描述可知，在潮流约束进行松弛处理并改写为二阶锥形式之后，建立分布式风机、分布式光伏发电和变压器分接头约束，充分利用变压器、分布式电源等主动调节手段，深度挖掘电网潜力，满足负荷和分布式电源接入需求。
[0074]
进一步地，基于二次约束标准型转换建立电气互联综合能源系统优化调度模型的天然气网约束包括：
[0075]
将管道潮流约束转换为二次约束标准型：
[0076][0077]
其中f
ij.t
表示管道ij内的气潮流，∏
i,t
、∏
j,t
分别表示气节点i和j气压的平方，φ
p
表示天然气流传输系数；α1、α2均为二进制辅助变量；
[0078]
建立气源约束：
[0079]smin
≤sh≤s
max
；
[0080]
式中，sh表示气源h的出气量，s
min
、s
max
分别表示气源出气量的下限和上限；
[0081]
建立节点气压约束：
[0082]
[0083]
式中，∏
min
、∏
max
表示节点气压平方的下限和上限；
[0084]
建立加压器约束：
[0085][0086]
式中，fc表示加压器c流过的气流，γc表示加压器c的升压比例，表示加压器c的传输容量上限；
[0087]
建立节点气流平衡约束：
[0088][0089]
其中，σ(j)表示以j为首端节点的管道集合，即天然气支路jk、μ(j)分别表示以j为末端节点的管道集合，即天然气支路ij，f
ij
表示管道ij的气流量，sj分别表示热负荷等效气流量和气源节点出气量，表示能源集线器节点消耗的天然气负荷。
[0090]
由上述描述可知，将管道潮流约束转换为二次约束标准型，以此方式，将电气互联综合能源系统优化调度问题转换为混合整数二阶锥-二次优化问题，便于后续采用现有的商业求解器进行求解，极大提升了计算效率，适合工程推广。
[0091]
请参照图2，本发明另一实施例提供了一种电气互联综合能源系统优化调度终端，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种电气互联综合能源系统优化调度方法。
[0092]
本发明上述的一种电气互联综合能源系统优化调度方法及终端，适用于建立电气互联综合能源系统优化调度模型，实现综合能源系统优化调度，以下通过具体的实施方式进行说明：
[0093]
实施例一
[0094]
请参照图1，一种电气互联综合能源系统优化调度方法，包括步骤：
[0095]
s1、以综合运行费用最小为目标建立电气互联综合能源系统优化调度模型的目标函数。
[0096]
以综合运行费用最小为目标，综合运行费用包括用能成本c
en
，网损成本c
l
，弃风弃光惩罚c
p
、二氧化碳治理成本c
t
：
[0097]
f1＝min(c
en
+c
l
+c
p
+c
t
)；
[0098][0099]
其中，t为时刻集合，ω
wtg
和ω
pvg
分别表示wtg(wind turbine generator，风机)和pvg(photovoltaic generator，光伏发电)的安装集合，ce表示用电成本，cg表示用气成本，c
dg
表示分布式电源运维成本，fe表示度电费用，fg表示每立方米天然气费用，f
wtg
表示wtg度
电运维成本，f
pvg
表示pvg度电运维成本，p
gen
表示上级电网电能输入，v
gas
表示天然气输入，p
wtg
和p
pvg
分别表示wtg和pvg电力输入。
[0100][0101]
其中f
loss
表示线损费用，p
loss
表示系统总线损。
[0102][0103]
其中，f
p.wtg
和f
p.pvg
分别表示单位弃风弃光惩罚成本，p
wtg.cut
和p
wtg.cut
分别表示wtg和pvg的有功削减量。
[0104][0105]
其中和分别表示电力和天然气的co2排放因子。
[0106]
s2、基于二阶锥和二次约束标准型转换建立电气互联综合能源系统优化调度模型的约束条件，所述约束条件包括能源集线器、配电网和天然气网的约束。
[0107]
s21、建立能源集线器约束。
[0108]
能源集线器的能量平衡约束：
[0109][0110]
其中，ω
eh
表示eh(energy hub，能源集线器)节点集合；t表示第t个调度时段分别为eh输入的电能和天然气；分别为eh节点的电负荷和热负荷；分别为chp的产电和产热效率，η
gb
为gb的产热效率、η
t
为变压器效率。
[0111]
热电联产(chp)和燃气锅炉(gb)的电、热能量流边界约束：
[0112][0113]
其中分别表示chp的电热功率，表示gb的热功率。表示chp电功率的下限和上限；表示chp热功率的下限和上限；表示chp热功率的下限和上限；表示gb热功率的下限和上限。
[0114]
s22、建立配电网约束；
[0115]
采用基于distflow支路潮流模型的最优潮流(branch flow model-optimal power flow,bfm-opf)模型，潮流约束具体为：
[0116][0117]
[0118][0119]
其中，δ(j)表示以节点j为首节点的支路，π(j)表示以节点j为末节点的支路，p
j,t
、q
j,t
分别表示节点j的注入的有功和无功功率，p
ij,t
、q
ij,t
分别表示支路ij的有功和无功潮流，r
ij
、x
ij
分别表示支路电阻和电抗，i
ij,t
表示支路电流。
[0120]
配电网支路电流、节点电压约束如下：
[0121][0122]
其中i
ij,min
、i
ij,max
分别表示支路电流的下限和上限；v
j,min
、v
j,max
分别表示节点电压的下限和上限；
[0123]
根据基尔霍夫定律，对于非eh的负荷节点，则有：
[0124][0125]
对于eh节点，由于eh不输出无功功率，其有功负荷改为eh的输入功率，即无功平衡为：
[0126][0127]
其中，ω、ω
eh
分别表示非eh节点集合和eh节点集合，分别表示上级电网输入的有功、无功功率，分别表示风机输出的有功和无功功率，分别表示光伏输出的有功和无功功率。
[0128]
配电网上级电源出力约束如下：
[0129][0130]
其中分别表示电源有功出力的下限和上限；分别表示电源无功出力的下限和上限；ω
gen
表示电源节点集合。
[0131]
oltc(on-load tap charger，有载调压变压器)约束如下：
[0132][0133]
其中表示oltc电压调节下限，δv
oltc
表示电压调节跨度，tr
t
表示分接头位置，tr
min
、tr
max
分别表示分接头位置的上下限。
[0134]
令则将潮流约束转换为：
[0135][0136][0137]
松弛处理得到，
[0138]
将其改写为二阶锥形式：
[0139][0140]
因此，配电网支路电流、节点电压约束改写如下：
[0141][0142]
其中分别表示支路电流平方的下限和上限；分别表示节点电压平方的下限和上限；
[0143]
其中的分布式wtg约束如下；
[0144][0145]
其中，ω
wtg
表示风机安装节点，分别表示风机投入数量和最大投入数量，分别表示单台风机的有功无功和最大无功出力，s
wtg
表示wtg的额定视在功率；
[0146]
同理可得分布式pvg约束如下；
[0147][0148]
其中，ω
pvg
表示风机安装节点，分别表示风机投入数量和最大投入数量，分别表示单台风机的有功和最大无功出力，s
pvg
表示pvg的额定视在功率；
[0149]
由于电压、电流经过变换导致oltc约束变为二次约束，为解决oltc约束的非线性问题，引入0-1辅助变量
[0150][0151]
其中v
seq
表示oltc可调的电压序列，其表达式为：
[0152][0153]
考虑到oltc只可选择一个位置，因此可得：
[0154][0155]
s23、建立天然气网约束。
[0156]
采用weymouth稳态天然气管道潮流模型，其管道潮流约束为：
[0157][0158]
其中f
ij.t
表示管道ij内的气潮流，π
i.t
、π
j.t
分别表示气节点i和j的气压，φ
p
表示天然气流传输系数。
[0159]
气源约束为：
[0160]smin
≤sh≤s
max
；
[0161]
式中，sh为气源h的出气量，s
min
、s
max
分别为气源出气量的下限和上限。
[0162]
节点气压约束为：
[0163][0164]
加压器约束为：
[0165][0166]
式中，fc、π
i,t
和π
j,t
分别为加压器c流过的气流、进气口和出气口端的气压；γc为加压器c的升压比例；为加压器c的传输容量上限。
[0167]
节点气流平衡约束为：
[0168][0169]
式中，σ(j)表示以j为首端节点的管道集合、μ(j)分别表示以j为末端节点的管道集合；f
ij
为管道ij的气流量；sj分别为热负荷等效气流量和气源节点出气量；表示eh节点消耗的天然气负荷；
[0170]
令则天然气潮流约束，并使用big_m法对管道潮流约束进行处理，转换为二次约束标准型；
[0171][0172]
其中f
ij.t
表示管道ij内的气潮流，∏
i,t
、∏
j,t
分别表示气节点i和j气压的平方，φ
p
表示天然气流传输系数；α1、α2均为二进制辅助变量；
[0173]
节点气压约束为：
[0174][0175]
式中，∏
min
、∏
max
表示节点气压平方的下限和上限。
[0176]
加压器约束为：
[0177][0178]
式中，fc为加压器c流过的气流，γc为加压器c的升压比例，为加压器c的传输容量上限。
[0179]
s3、根据所述目标函数和约束条件建立电气互联综合能源系统优化调度模型，并采用商业求解器gurobi对所述调度模型进行求解，以得到综合运行费用最小的综合能源系统调度方案。
[0180]
具体的，求解得到的综合能源系统调度方案，其重点是配电网的优化调度，具体包括分布式电源的出力情况、oltc分接头位置等参数。
[0181]
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
[0182]
1、充分利用oltc、分布式电源等主动调节手段，深度挖掘电网潜力，满足负荷和分布式电源接入需求。
[0183]
2、充分考虑配电网、天然气网的深度耦合，其优化调度计算方法更能适应多能深度耦合的综合能源系统。
[0184]
3、将电-气互联综合能源系统优化调度问题转换为混合整数二阶锥-二次优化问题，并采用现有的商业求解器gurobi进行求解，极大提升了计算效率，适合工程推广。
[0185]
实施例二
[0186]
本实施例采用如图3所示的电-气互联综合能源系统本发明所述计算方法进行仿真验证，能源集线器内部结构如图4所示。
[0187]
在本实施例的仿真算例中，配电网部分是ieee 33节点系统，天然气网是比利时20节点系统，通过4个能源集线器实现能量交换。能源集线器参数如表1所示。
[0188]
表1能源集线器参数
[0189][0190][0191]
本实施例中参数说明如下，配电网中，设节点2-18为居民负荷节点；节点26-33为商业负荷节点；节点19-25为工业负荷节点；wtg安装节点为节点7、17，安装数量为5、10组；pvg安装节点为节点12、26，安装数量分别为5、10组，单台wtg和pvg的额定容量均为0.2mva，分布式电源总安装容量为6mva，wtg额定功率因数为0.85，pvg额定功率因数为1，电网总负荷设置为基准负荷的1.5倍，即7.63mw+3.82mvar，分布式电源渗透率约为70％，oltc共有9个调节挡位，每个挡位的调节电压是0.0125p.u.，节点电压可调节范围是0.95～1.05p.u.；配电网电压允许偏差为
±
7％p.u.。
[0192]
天然气网中，气源节点最大出气量1100m3/h，节点气压上下限分别为460kpa和380kpa，管道最大允许气流量为800m3/h，加压器安装于天然气网支路4-7和支路17-18，加压比分别为1.15和1.1。
[0193]
能源集线器参数如下，chp产热效率为0.57，产电效率为0.48；单位体积天然气热值为9.6kwh/m3。
[0194]
系统网损成本为0.5元/kwh，弃风弃光惩罚费用为2元/kwh，wtg和pvg的运维成本均为0.2元/kwh，购电价格为0.42元/kwh，购气价格为5.5元/m3；
[0195]
单位电能co2排放为0.8647kg/kwh，单位体积天然气co2排放为1.9kg/m3，碳交易价格为267元/t。
[0196]
本实施例的年运行费用情况如表2所示，本实施例仿真所得的电-气互联综合能源系统总运行成本为3361.4万元，用能成本中，向上级电网购电成本为433.8万元，dg运维成本为840.6万元，这是由于虽然上级电网购电成本为0.42元/kwh，低于0.5元/kwh的dg运维成本，但上级电网产生的电能需要额外支付0.0231元/kwh的co2治理成本，而dg则不需要额外支付co2的治理费用，因此考虑co2的治理成本后，dg使用成本更低，不会出现弃风弃光现象，弃风弃光成本为0。
[0197]
表2本文方法的年运行费用
[0198][0199]
[0200]
配电网有功出力情况请参照图5，chp工作在冬季能够承担较多的电负荷供应，这是由于chp工作在“以热定电”模式，冬季热负荷需求大，相应输出更多电能。高比例电-气互联系统采用风、光互补模式能够在较大程度上减少高峰电力需求，四季电负荷高峰均得到一定程度的削弱，但是由于分布式电源“夜晚无光、极热无风”的特点，且夏季无热负荷需求，chp无法输出电能，导致夏季晚高峰问题仍较为突出，应进一步采取需求响应的方式，缓解夏季晚高峰供电压力。
[0201]
图6为能源集线器的电能消耗，其中负值为能源集线器向电网反送电能，从图6可以看出，能源集线器向电网反送电能多发于春、秋、冬季的夜间，夜间电力负荷较低，且wtg出力较大，配电网电能消纳压力增大，若不采取对应调压措施，配电网系统极易发生过电压问题。
[0202]
oltc分接头位置请参照图7，最大、最小负荷时刻配电网电压情况请参照图8，其中最大负荷时刻为夏季12：00，最小负荷时刻为春季5：00。
[0203]
请参照图7，考虑到目标函数中的线损成本，为降低线损成本，oltc分接头会倾向于调高电网系统电压，在夏季，由于负荷较重，且综合能源系统无电力反送，电能消纳问题较小，oltc低压侧电压多保持在较高水平，从图8可知，最大负荷时刻，oltc低压侧电压为1.05p.u.。但在春、秋、冬季节，dg和chp会向电网反送大量电能，电力消纳压力大，系统电压显著提升，过电压风险严重，从图7可以看出，oltc倾向于调低系统电压，以满足电压约束，从图8可知，在最小负荷时刻，oltc将低压侧电压调低至1.0125p.u.，避免系统出现过电压问题。
[0204]
实施例三
[0205]
请参照图2，一种电气互联综合能源系统优化调度终端1，包括存储器2、处理器3以及存储在所述存储器2上并可在处理器3上运行的计算机程序，所述处理器3执行所述计算机程序时实现实施例一或二的一种电气互联综合能源系统优化调度方法的各个步骤。
[0206]
综上所述，本发明提供的一种电气互联综合能源系统优化调度方法及终端，基于电-气互联综合能源系统最优潮流算法，进一步引入配电网各主动管理元素，建立电-气互联综合能源系统优化调度模型，通过能源集线器耦合配电网和天然气气网，以经济性、碳排放为目标，优化综合能源系统各主动控制元素。引入辅助变量线性化oltc电压调节约束，采用二阶锥松弛技术处理distflow配电网支路潮流，采用big_m法处理weymouth天然气管道流量模型。通过数学转换，所提模型被转换为混合整数二阶锥-二次优化问题，采用guribi求解器求解，以得到综合运行费用最小的综合能源系统调度方案。通过建立ieee 33节点配电网系统和比利时20节点天然气网系统相耦合的电-气互联综合能源系统作为本发明实施例并进行仿真，仿真结果表明，本发明所提方法兼顾经济性和碳排放水平，具有较高的计算精度和较快的运算速度，可适用于电-气互联综合能源系统优化调度。
[0207]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。