一种乡村综合能源系统多目标优化调度方法

1.本发明涉及多能源优化调度领域，具体是涉及一种乡村综合能源系统多目标优化调度方法。


背景技术：

2.随着经济和科技的进步，世界范围内对能源的消耗越来越大，传统化石能源的枯竭与环境污染问题对人类的发展产生了挑战。如何提升能源的利用效率，充分发挥能源利用价值是解决能源问题的有效途径之一。随着能源和环境问题的日益凸显，综合能源系统成为社会关注的重点。近年来，国家乡村振新战略持续推进，乡村经济社会发展突飞猛进。乡村经济和社会发展对电、热、气等多种能源供应提出了更高的要求。如何对乡村综合能源系统进行优化调度，减少系统运行成本，提高供能可靠性，减小交互功率波动，让整个乡村综合能源系统以综合效益最优为目的运行，这对助力农村相关产业加速数字化转型，加快新农村建设具有十分重要的意义。
3.国内外专家学者在综合能源系统建模以及优化调度方面展开了调查研究并取得了诸多成果。徐航等人通过对综合能源系统中的能量生产设备、能量转换设备以及能量存储设备进行建模，以日运行费用最低为优化目标，在冷热电功率平衡约束以及设备物理约束下，采用混合整数线性规划法对模型进行求解，从而给出了一种考虑能量梯级利用的工厂综合能源系统多能协同优化方法；陈维荣针对区域综合能源系统的弃风弃光问题和经济成本最优问题，提出一种考虑p2g两阶段模型的区域综合能源系统优化调度方法。shahidehpour m等人在机组组合安全约束(security constrained unit commitment，scuc)问题中考虑了天然气传输约束，探究了天然气、电力耦合网络中的最优机组组合问题。qadrdan m等人考虑了风电预测的不确定性，采用不同的规划方法研究比较了英国电力和天然气综合能源系统的多种运行策略，结果表明采用随机规划法能够降低电-气ies的运行成本。对于电-热ies，li z等人提出了一种计及风电和热网动态特性的电-热ies耦合调度模型，仿真结果表明了该模型能够降低系统的运行成本，提高风电利用率和系统的运行灵活性。上述方法只单一的考虑了一种优化目标，缺乏对综合能源系统优化目标的综合考虑。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种乡村综合能源系统多目标优化调度方法，能有效减少系统运行成本，提高供能可靠性，减小交互功率波动。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种乡村综合能源系统多目标优化调度方法，包括以下步骤：
6.s1、采集乡村综合能源系统中各能源设备的参数及各能源负荷数据；
7.s2、考虑乡村综合能源系统的能量交互，构建电、热、气能量平衡关系、交互约束
集、能源设备能源输出约束集和储能约束集；
8.s3、基于电、热、气能量平衡关系、交互约束集、能源设备能源输出约束集和储能约束集，构建乡村综合能源系统多目标优化调度函数；
9.s4、基于乡村综合能源系统各能源设备的参数及各能源负荷数据，针对所建立的乡村综合能源系统优化调度多目标函数，构建马尔可夫决策模型；
10.s5、针对建立的马尔可夫决策模型，通过迭代策略法进行求解，形成乡村综合能源系统多目标优化调度方案。
11.进一步，步骤s1中，所述各能源设备包括：风机、光伏设备、燃气轮机、燃气锅炉、电锅炉、电转气装置、粪污处理生成装置、碳补集装置和储能装置，储能装置包括储电设备、储热设备和储气设备。
12.进一步，步骤s2中，所述电、热、气的能量平衡关系为：
[0013][0014]
式中：p
gird,t
为t时刻与主网交互的电功率，p
wind,t
为t时刻的风机发电功率，p
pv,t
为t时刻的光伏设备发电功率，p
mt,t
为t时刻的燃气轮机发电功率，p
si,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态，p
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的电功率，p
exc,t
为t时刻粪污处理生成装置耗电功率，p
eb,t
为t时刻电锅炉耗电功率，p
p2g,t
为t时刻电转气装置耗电功率，p
ccs,t
为t时刻碳补集装置耗电功率，p
load,t
为t时刻各子系统消耗的电功率；
[0015]hgird,t
为t时刻与主网交互的热量，h
mt,t
为t时刻燃气轮机产热量，h
fb,t
为t时刻燃气锅炉产热量，h
eb,t
为t时刻电锅炉产热量，h
si,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态，h
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的热量，h
load,t
为t时刻各子系统消耗的热量；
[0016]qgird,t
为t时刻与主网交互的天然气量，q
p2g,t
为t时刻电转气装置的天然气产量，q
exc,t
为t时刻粪污处理生成装置的天然气产量，q
si,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态，q
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的天然气量，q
fb,t
为t时刻燃气锅炉消耗的天然气量，q
mt,t
为t时刻燃气轮机消耗的天然气量，q
load,t
为t时刻各子系统消耗的天然气量。
[0017]
进一步，步骤s2中，所述交互约束集为：
[0018][0019][0020]
式中：x∈{p,h,q}，x∈p时，x
gird,t
为t时刻与主网交互的电功率，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的电功率；x∈h时，x
gird,t
为t时刻与主网交互的热量，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的热量；x∈q时，x
gird,t
为t时刻与主网交互的天然气量，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的天然气量；0≤t≤t，t是调度周期。
[0021]
进一步，步骤s2中，所述能源设备能源输出约束集为：
[0022][0023][0024][0025]
式中：p
x,t
为t时刻的能源设备x发电功率，x∈{wind,pv,mt,si}，x∈wind时，p
x,t
为t时刻的风机发电功率，x∈pv时，p
x,t
为t时刻的光伏设备电功率，x∈mt时，p
x,t
为t时刻的燃气轮机电功率，x∈si时，p
x,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量；h
y,t
为t时刻能源设备y产热量，y∈{mt,fb,eb,si}，y∈mt时，h
y,t
为t时刻燃气轮机产热量，y∈fb时，h
y,t
为t时刻燃气锅炉产热量，y∈eb时，h
y,t
为t时刻电锅炉产热量，y∈si时，h
y,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量；q
z,t
为t时刻能源设备z的天然气产量，z∈{p2g,exc,si}，z∈p2g时，q
z,t
为t时刻电转气装置的天然气产量，z∈exc时，q
z,t
为t时刻粪污处理生成装置的天然气产量，z∈si时，q
z,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量。
[0026]
进一步，步骤s2中，所述储能约束集为：
[0027]
0≤x
si,t
≤socn；
[0028][0029][0030][0031]
式中：x
si,t
为储能装置x在t时刻所储存或释放的能量，socn为储能装置x的额定储能容量，x∈{p,h,q}，x∈p时，x
si,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量；x∈h时，x
si,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量；x∈q时，x
si,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量；为t时刻储能装置x的蓄能功率，为储能装置x的蓄能功率的最大值，是引入的0-1状态变量，为1时表示储能设备x处于蓄能状态，为0时表示储能设备x处于放能状态；为t时刻储能装置x的放能功率，为储能装置x的放能功率的最大值；是引入的0-1状态变量，为1时表示储能设备x处于放能状态，为0时表示储能设备x处于蓄能状态。
[0032]
进一步，步骤s3中，所述多目标函数包括乡村综合能源系统运行成本最低目标函数、乡村综合能源系统供能可靠性最高目标函数和乡村综合能源系统交互功率波动最小目标函数；
[0033]
所述乡村综合能源系统运行成本最低目标函数为：
[0034][0035]
式中：f1为乡村综合能源系统运行成本；me(t)为乡村综合能源系统在t时刻的运行费用；m1(t)为乡村综合能源系统与主网的交互成本；m2(t)为乡村综合能源系统相邻子系统之间的交互成本；
[0036]
其中，运行费用me(t)包括设备的运行维护费用m
om
以及燃料费用m
fuel
，具体表达式为：
[0037]
[0038]
式中：t为设备的总运行小时数；i为设备的数量；ai为设备的单位可变运行维护成本；p
x,t
为t时刻的能源设备x发电功率，h
y,t
为t时刻能源设备y产热量，q
z,t
为t时刻粪污处理生成装置的天然气产量；j为输入能源的类型总数；为第j种能源在t时刻的价格，能源包括电能、热能和气能；为第j种能源在t时刻的使用量；所述设备是指各能源设备；
[0039]
交互成本m1(t)、m2(t)由下式可得：
[0040][0041][0042]
式中：n表示乡村综合能源系统所包含的子系统个数；式中：n表示乡村综合能源系统所包含的子系统个数；分别为t时刻购电、购热、购气价格；p
gird,t
、h
gird,t
、q
gird,t
分别为t时刻与主网交互的电功率、热量、天然气量，γ1、γ2、γ3分别为相邻子系统交互的电、热、气单位成本；p
ij,ex
(t)、h
ij,ex
(t)、q
ij,ex
(t)分别为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的电功率、热量、天然气量；
[0043]
所述乡村综合能源系统供能可靠性最高目标函数为：
[0044][0045]
式中，f2为乡村综合能源系统供能中断率，以供能中断率表示乡村综合能源系统供能可靠性，值越小表示可靠性越高；g
rel
为供电中断率、供热中断率、供气中断率之和，r
lpsp
、r
lhsp
、r
lqsp
分别为供电中断率、供热中断率、供气中断率；
[0046]
其中，
[0047][0048][0049][0050]
式中，t为设备的总运行小时数；p
load,t
为t时刻各子系统消耗的电功率；p
wind,t
为t时刻的风机发电功率；p
pv,t
为t时刻的光伏设备发电功率；p
mt,t
为t时刻的燃气轮机发电功率；p
si,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态；p
exc,t
为t时刻粪污处理生成装置耗电功率；p
eb,t
为t时刻电锅炉耗电功率；p
p2g,t
为t时刻电转气装置耗电功率；p
ccs,t
为t时刻碳补集装置耗电功率；h
load,t
为t时刻各子系统消耗的热量；h
mt,t
为t时刻燃气轮机产热量；h
fb,t
为t时刻燃气锅炉产热量；h
eb,t
为t时刻电锅炉产热量；h
si,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态；q
load,t
为t时刻各子系统消耗的天然气量；q
p2g,t
为t时刻电转气装置的天然气产量；q
exc,t
为t时刻粪污处理生成装置的天然气产量；q
si,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态；q
fb,t
为t时刻燃气锅炉消耗的天然气量；q
mt,t
为t时刻燃气轮机消耗的天然气量；
[0051]
所述乡村综合能源系统交互功率波动最小目标函数为：
[0052]
obj3＝min f3[0053]
f3＝g
std
＝r
p
+rh+rq[0054]
式中，r
p
、rh、rq分别为乡村综合能源系统与主网进行交互时的电、热、气交互功率指数；g
std
为乡村综合能源系统与主网进行交互时的电、热、气交互功率指数之和，f3为乡村综合能源系统交互功率波动；
[0055]
其中，
[0056][0057][0058][0059]
p
grid,t
为t时刻与主网交互的电功率实际值，为t时刻与主网交互的电功率标准值；h
grid,t
为t时刻与主网交互的热量实际值，为t时刻与主网交互的热量标准值；q
grid,t
为t时刻与主网交互的天然气量实际值，为t时刻与主网交互的天然气量标准值，n为样本数量。
[0060]
进一步，步骤s4中，构建的马尔可夫决策模型包含以下5个元素{s,a,p,r,η}构成，其中：
[0061]
(1)s为状态空间，s
t
∈s表示乡村综合能源系统在t时刻所处的状态；
[0062][0063]
式中，α∈[wind,pv,mt,eb,fb,p2g,exc]，wind、pv、mt、eb、fb、p2g、exc分别为风机、光伏设备、燃气轮机、电锅炉、燃气锅炉、电转气装置、粪污处理生成装置；x∈{p,h,q}；x∈p时，为t时刻α所属设备的电功率输出预测值，为t时刻各子系统消耗的电功率预测值，x
si,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量；x∈h时，为t时刻α所属设备的热量输出预测值，为t时刻各子系统消耗的热量预测值，x
si,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量；x∈q时，为t时刻α所属设备的天然气量输出预测值，为t时刻各子系统消耗的天然气量预测值，x
si,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量；
[0064]
(2)a为决策空间，a
t
∈a表示乡村综合能源系统在t时刻可执行的决策行为；
[0065][0066]
式中：α∈[wind,pv,mt,eb,fb,p2g,exc]，wind、pv、mt、eb、fb、p2g、exc分别为风机、光伏设备、燃气轮机、电锅炉、燃气锅炉、电转气装置、粪污处理生成装置；x∈{p,h,q}；x∈p时，x
α,t
为t时刻α所属设备的发电功率，x
gird,t
为t时刻与主网交互的电功率，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的电功率，为t时刻各子
系统电功率的需求响应值，为t时刻储电设备的蓄能功率，为t时刻储电设备的放能功率；x∈h时，x
α,t
为t时刻α所属设备的产热量，x
gird,t
为t时刻与主网交互的热量，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的热量，为t时刻各子系统热量的需求响应值，为t时刻储热设备的蓄能功率，为t时刻储热设备的放能功率；x∈q时，x
α,t
为t时刻α所属设备的天然气产量，x
gird,t
为t时刻与主网交互的天然气量，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的天然气量，为t时刻各子系统天然气量的需求响应值，为t时刻储气设备的蓄能功率，为t时刻储气设备的放能功率；
[0067]
(3)p为状态转移概率，p＝{p(j|i,a
t
),i∈s,j∈s}；p(j|i,a
t
)表示在t时刻乡村综合能源系统处于状态i，采取决策行为a
t
的条件下，乡村综合能源系统在t+1时刻转移到状态j的概率；一种策略是一组决策行为组成的向量，设乡村综合能源系统有m个状态组成，则d＝{d1,d2,l,dm},di∈a；
[0068]
(4)r为报酬函数，r
t
∈r表示乡村综合能源系统处于状态i采取决策行为a
t
时，所获得的报酬；采用基于隶属度函数的无量纲化处理方法对多目标优化问题进行进一步处理，隶属度函数表达式为：
[0069][0070]
式中：fk为第k个目标函数的值；f
k,max
、f
k,min
分别为第k个目标函数的最大值和最小值；ω(fk)为无量纲化结果，表示第k个目标函数的满意度；
[0071]
(5)η为折扣因子，表示未来收益在当前时间点的“现值”。
[0072]
进一步，步骤s5中，选取马尔可夫决策模型的一组决策行为，使得乡村综合能源系统的期望收益最大，乡村综合能源系统的期望收益用迭代方式表示为：
[0073][0074]
式中：v(i,d)为策略d下系统在i状态的期望收益值；v(j,d)为策略d下系统在j状态的期望收益值；r
t
(i,d)为t时刻系统处于状态i采取策略d所获得的报酬；p(j|i,d)为t时刻乡村综合能源系统处于状态i，采取策略d的条件下，乡村综合能源系统在t+1时刻转移到状态j的概率，η为折扣因子，η∈[0,1]。
[0075]
进一步，步骤s5中，通过策略迭代法对乡村综合能源系统的期望收益进行求解，具体求解步骤如下：
[0076]
(1)取初值：任取一种初始策略d；
[0077]
(2)策略评估：根据当前策略确定的马尔可夫过程参数，求解乡村综合能源系统的期望收益，得到当前策略的期望收益值v(i,d),i∈s；
[0078]
(3)策略改进：利用当前策略的期望收益值，以优化乡村综合能源系统中各能源设备在调度周期内的运行状态为目的，找出使估值函数
[0079][0080]
最大的决策行为d，由一组最大的决策行为d组成一种新的策略d’；
[0081]
其中，r
t
(i,d)为t时刻系统处于状态i采取决策行为d所获得的报酬；p(j|i,d)为t时刻乡村综合能源系统处于状态i，采取决策行为d的条件下，乡村综合能源系统在t+1时刻转移到状态j的概率；v(j,d)为决策行为d下系统在j状态的期望收益值；
[0082]
(4)若前后两种策略即策略d与策略d’相同，则停止迭代，此种策略d’就是最优策略，否则转入步骤(2)继续迭代过程。
[0083]
与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0084]
本发明考虑了乡村综合能源系统运行过程中的多方面因素，引入了包含运行成本、供能可靠性、功率波动性的多目标优化调度函数，能够有效协调电、气、热等各类资源，在满足乡村综合能源负荷需求的前提下，有效减少系统运行成本，提高供能可靠性，减小交互功率波动，实现乡村综合能源系统的综合效益最优。
附图说明
[0085]
图1是本发明实施例乡村综合能源系统的结构示意图。
[0086]
图2是本发明实施例乡村综合能源系统多目标优化调度方法流程图。
具体实施方式
[0087]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0088]
参照图2，本实施例方法包括以下步骤：
[0089]
s1、采集乡村综合能源系统中各能源设备的参数及各能源负荷数据。
[0090]
参照图1，乡村综合能源系统包括子系统1、子系统2、子系统3、子系统4
……
子系统i
……
子系统j，相邻子系统之间相互进行电能、热能、天然气能交互，各子系统与主网进行电能、热能、天然气能交互。
[0091]
各能源设备包括：风机、光伏设备、燃气轮机、燃气锅炉、电锅炉、电转气装置、粪污处理生成装置、碳补集装置和储能装置，储能装置包括储电设备、储热设备和储气设备。
[0092]
能源设备的参数包括：发电功率、耗电功率、产热量、消耗的热量、天然气产量、消耗的天然气量，各能源负荷数据包括：热、电、气负荷。
[0093]
s2、考虑乡村综合能源系统的能量交互，构建电、热、气能量平衡关系、交互约束集、能源设备能源输出约束集和储能约束集。
[0094]
根据总的供能和负荷平衡，构建乡村综合能源系统电、热、气的能量平衡关系，对于一个乡村综合能源系统而言，电、热、气的能量平衡关系为：
[0095][0096]
式中：p
gird,t
为t时刻与主网交互的电功率，p
wind,t
为t时刻的风机发电功率，p
pv,t
为t时刻的光伏设备发电功率，p
mt,t
为t时刻的燃气轮机发电功率，p
si,t
为t时刻储电设备对电
的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态，p
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的电功率，p
exc,t
为t时刻粪污处理生成装置耗电功率，p
eb,t
为t时刻电锅炉耗电功率，p
p2g,t
为t时刻电转气装置耗电功率，p
ccs,t
为t时刻碳补集装置耗电功率，p
load,t
为t时刻各子系统消耗的电功率；
[0097]hgird,t
为t时刻与主网交互的热量，h
mt,t
为t时刻燃气轮机产热量，h
fb,t
为t时刻燃气锅炉产热量，h
eb,t
为t时刻电锅炉产热量，h
si,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态，h
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的热量，h
load,t
为t时刻各子系统消耗的热量；
[0098]qgird,t
为t时刻与主网交互的天然气量，q
p2g,t
为t时刻电转气装置的天然气产量，q
exc,t
为t时刻粪污处理生成装置的天然气产量，q
si,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态，q
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的天然气量，q
fb,t
为t时刻燃气锅炉消耗的天然气量，q
mt,t
为t时刻燃气轮机消耗的天然气量，q
load,t
为t时刻各子系统消耗的天然气量。
[0099]
构建乡村综合能源系统交互约束集，对于一个乡村综合能源系统而言，交互约束集为：
[0100][0101][0102]
式中：x∈{p,h,q}，x∈p时，x
gird,t
为t时刻与主网交互的电功率，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的电功率；x∈h时，x
gird,t
为t时刻与主网交互的热量，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的热量；x∈q时，x
gird,t
为t时刻与主网交互的天然气量，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的天然气量；0≤t≤t，t是调度周期。
[0103]
构建乡村综合能源系统能源设备能源输出约束集，对于一个乡村综合能源系统而言，能源设备能源输出约束集为：
[0104][0105][0106][0107]
式中：p
x,t
为t时刻的能源设备x发电功率，x∈{wind,pv,mt,si}，x∈wind时，p
x,t
为t时刻的风机发电功率，x∈pv时，p
x,t
为t时刻的光伏设备电功率，x∈mt时，p
x,t
为t时刻的燃气轮机电功率，x∈si时，p
x,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量；h
y,t
为t时刻能源设备y产热量，y∈{mt,fb,eb,si}，y∈mt时，h
y,t
为t时刻燃气轮机产热量，y∈fb时，h
y,t
为t时刻燃气锅炉产热量，y∈eb时，h
y,t
为t时刻电锅炉产热量，y∈si时，h
y,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量；q
z,t
为t时刻能源设备z的天然气产量，z∈{p2g,exc,si}，z∈p2g时，q
z,t
为t时刻电转气装置的天然气产量，z∈exc时，q
z,t
为t时刻粪污处理生成装置的天然气产量，z∈si时，q
z,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量。
[0108]
构建乡村综合能源系统储能约束集，对于一个乡村综合能源系统而言，储能约束集为：
[0109]
0≤x
si,t
≤socn；
[0110][0111][0112][0113]
式中：x
si,t
为储能装置x在t时刻所储存或释放的能量，socn为储能装置x的额定储能容量，x∈{p,h,q}，x∈p时，x
si,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量；x∈h时，x
si,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量；x∈q时，x
si,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量；为t时刻储能装置x的蓄能功率，为储能装置x的蓄能功率的最大值，是引入的0-1状态变量，为1时表示储能设备x处于蓄能状态，为0时表示储能设备x处于放能状态；为t时刻储能装置x的放能功率，为储能装置x的放能功率的最大值；是引入的0-1状态变量，为1时表示储能设备x处于放能状态，为0时表示储能设备x处于蓄能状态。
[0114]
s3、基于电、热、气能量平衡关系、交互约束集、能源设备能源输出约束集和储能约束集，构建乡村综合能源系统多目标优化调度函数。
[0115]
其中，多目标优化调度函数主要包括乡村综合能源系统运行成本最低、乡村综合能源系统供能可靠性最高、乡村综合能源系统交互功率波动最小三个目标函数。
[0116]
目标1：乡村综合能源系统运行成本最低。
[0117]
乡村综合能源系统运行成本最低目标函数：
[0118][0119]
式中：f1为乡村综合能源系统运行成本；me(t)为乡村综合能源系统在t时刻的运行费用；m1(t)为乡村综合能源系统与主网的交互成本；m2(t)为乡村综合能源系统相邻子系统之间的交互成本。
[0120]
其中，运行费用me(t)包括设备的运行维护费用m
om
以及燃料费用m
fuel
，具体表达式为：
[0121][0122]
式中：t为设备的总运行小时数；i为设备的数量；ai为设备的单位可变运行维护成本；p
x,t
为t时刻的能源设备x发电功率，h
y,t
为t时刻能源设备y产热量，q
z,t
为t时刻粪污处理生成装置的天然气产量；j为输入能源的类型总数；为第j种能源在t时刻的价格，能源包括电能、热能和气能；为第j种能源在t时刻的使用量；所述设备是指各能源设备。
[0123]
交互成本m1(t)、m2(t)由下式可得：
[0124][0125][0126]
式中：n表示乡村综合能源系统所包含的子系统个数；式中：n表示乡村综合能源系统所包含的子系统个数；分别
为t时刻购电、购热、购气价格；p
gird,t
、h
gird,t
、q
gird,t
分别为t时刻与主网交互的电功率、热量、天然气量，γ1、γ2、γ3分别为相邻子系统交互的电、热、气单位成本；p
ij,ex
(t)、h
ij,ex
(t)、q
ij,ex
(t)分别为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的电功率、热量、天然气量。
[0127]
目标2：乡村综合能源系统供能可靠性最高。
[0128]
乡村综合能源系统是一种多能量流耦合的复杂性系统，因此确保其供能可靠性十分有必要，引入供能可靠性指标来衡量系统的可靠性水平。供电中断率可反映故障时系统持续供电的能力。同理，供热、供气中断率反映故障时系统持续供热、供气的能力。值越小表示可靠性越高。
[0129]
乡村综合能源系统供能可靠性最高目标函数：
[0130][0131]
式中，f2为乡村综合能源系统供能中断率，以供能中断率表示乡村综合能源系统供能可靠性，值越小表示可靠性越高；g
rel
为供电中断率、供热中断率、供气中断率之和，r
lpsp
、r
lhsp
、r
lqsp
分别为供电中断率、供热中断率、供气中断率。
[0132]
其中，
[0133][0134][0135][0136]
式中，t为设备的总运行小时数；p
load,t
为t时刻各子系统消耗的电功率；p
wind,t
为t时刻的风机发电功率；p
pv,t
为t时刻的光伏设备发电功率；p
mt,t
为t时刻的燃气轮机发电功率；p
si,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态；p
exc,t
为t时刻粪污处理生成装置耗电功率；p
eb,t
为t时刻电锅炉耗电功率；p
p2g,t
为t时刻电转气装置耗电功率；p
ccs,t
为t时刻碳补集装置耗电功率；h
load,t
为t时刻各子系统消耗的热量；h
mt,t
为t时刻燃气轮机产热量；h
fb,t
为t时刻燃气锅炉产热量；h
eb,t
为t时刻电锅炉产热量；h
si,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态；q
load,t
为t时刻各子系统消耗的天然气量；q
p2g,t
为t时刻电转气装置的天然气产量；q
exc,t
为t时刻粪污处理生成装置的天然气产量；q
si,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量，正数为放能状态，负数为储能状态；q
fb,t
为t时刻燃气锅炉消耗的天然气量；q
mt,t
为t时刻燃气轮机消耗的天然气量。
[0137]
目标3：乡村综合能源系统交互功率波动最小
[0138]
乡村综合能源系统作为能源终端单元在接入电网、热网、气网时均会产生能量波动，进而影响系统安全稳定运行。通过系统交互功率指数这一指标控制联络线的交互功率波动，避免系统与主网交互能量频繁地大幅度变化，从而提高综合能源微网的安全性能和自治运行能力，保证其平稳运行。
[0139]
乡村综合能源系统交互功率波动最小目标函数：
[0140]
obj3＝min f3[0141]
f3＝g
std
＝r
p
+rh+rq[0142]
式中，r
p
、rh、rq分别为乡村综合能源系统与主网进行交互时的电、热、气交互功率指数；g
std
为乡村综合能源系统与主网进行交互时的电、热、气交互功率指数之和，f3为乡村综合能源系统交互功率波动，以乡村综合能源系统与主网进行交互时的电、热、气交互功率指数之和g
std
作为交互功率波动的目标值，当g
std
越小，系统交互功率的波动就越小，越有助于系统安全稳定运行。
[0143]
其中，
[0144][0145][0146][0147]
p
grid,t
为t时刻与主网交互的电功率实际值，为t时刻与主网交互的电功率标准值；h
grid,t
为t时刻与主网交互的热量实际值，为t时刻与主网交互的热量标准值；q
grid,t
为t时刻与主网交互的天然气量实际值，为t时刻与主网交互的天然气量标准值，n为样本数量。
[0148]
s4、基于乡村综合能源系统各能源设备的参数及各能源负荷数据，针对所建立的乡村综合能源系统多目标优化调度函数，构建马尔可夫决策模型。
[0149]
基于乡村综合能源系统的运行数据，将多目标优化问题建模为马尔可夫决策模型。构建的马尔可夫决策模型包含以下5个元素{s,a,p,r,η}构成，其中：
[0150]
(1)s为状态空间，s
t
∈s表示乡村综合能源系统在t时刻所处的状态；
[0151][0152]
式中，α∈[wind,pv,mt,eb,fb,p2g,exc]，wind、pv、mt、eb、fb、p2g、exc分别为风机、光伏设备、燃气轮机、电锅炉、燃气锅炉、电转气装置、粪污处理生成装置；x∈{p,h,q}；x∈p时，为t时刻α所属设备的电功率输出预测值，为t时刻各子系统消耗的电功率预测值，x
si,t
为t时刻储电设备对电的储能充放量；x∈h时，为t时刻α所属设备的热量输出预测值，为t时刻各子系统消耗的热量预测值，x
si,t
为t时刻储热设备对热的储能充放量；x∈q时，为t时刻α所属设备的天然气量输出预测值，为t时刻各子系统消耗的天然气量预测值，x
si,t
为t时刻储气设备对气的储能充放量；
[0153]
(2)a为决策空间，a
t
∈a表示乡村综合能源系统在t时刻可执行的决策行为；
[0154][0155]
式中：α∈[wind,pv,mt,eb,fb,p2g,exc]，wind、pv、mt、eb、fb、p2g、exc分别为风机、光伏设备、燃气轮机、电锅炉、燃气锅炉、电转气装置、粪污处理生成装置；x∈{p,h,q}；x
∈p时，x
α,t
为t时刻α所属设备的发电功率，x
gird,t
为t时刻与主网交互的电功率，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的电功率，为t时刻各子系统电功率的需求响应值，为t时刻储电设备的蓄能功率，为t时刻储电设备的放能功率；x∈h时，x
α,t
为t时刻α所属设备的产热量，x
gird,t
为t时刻与主网交互的热量，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的热量，为t时刻各子系统热量的需求响应值，为t时刻储热设备的蓄能功率，为t时刻储热设备的放能功率；x∈q时，x
α,t
为t时刻α所属设备的天然气产量，x
gird,t
为t时刻与主网交互的天然气量，x
ij,ex
(t)为t时刻子系统i与其他乡村综合能源系统中的子系统j之间交互的天然气量，为t时刻各子系统天然气量的需求响应值，为t时刻储气设备的蓄能功率，为t时刻储气设备的放能功率。
[0156]
(3)p为状态转移概率，p＝{p(j|i,a
t
),i∈s,j∈s}。p(j|i,a
t
)表示在t时刻乡村综合能源系统处于状态i，采取决策行为a
t
的条件下，乡村综合能源系统在t+1时刻转移到状态j的概率。一种策略是一组决策行为组成的向量，设乡村综合能源系统有m个状态组成，则d＝{d1,d2,l,dm},di∈a。d定义了处于状态i时所采取的决策行为，当每一个状态上的决策行为确定以后，乡村综合能源系统的概率转移矩阵也就确定了。
[0157]
(4)r为报酬函数，r
t
∈r表示乡村综合能源系统处于状态i采取决策行为a
t
时，所获得的报酬。由于乡村综合能源系统优化调度共有3个目标，各目标之间的量纲和表征的意义不同，因此采用基于隶属度函数的无量纲化处理方法对多目标优化问题进行进一步处理。隶属度函数表达式为：
[0158][0159]
式中：fk为第k个目标函数的值；f
k,max
、f
k,min
分别为第k个目标函数的最大值和最小值；ω(fk)为无量纲化结果，表示第k个目标函数的满意度。
[0160]
通过上述方法将多目标优化问题转变为求解最大满意度的方式来处理优化过程。首先求出每个子目标作为单目标优化时的最劣解及最优解，再进行优化计算，利用隶属度函数对单个目标进行模糊化处理，对各目标满意度函数线性叠加，将其作为总目标函数求解。该方法不但解决了多目标问题的优化求解，也解决了各目标函数量纲不一致的问题，实现各目标值的归一化。
[0161]
通过上述无量纲化方法处理后，报酬函数的表达式为：
[0162]rt
＝ω(f1)λ1·
obj1+ω(f2)λ2·
obj2+ω(f3)λ3·
obj3；
[0163]
式中：λ1、λ2、λ3分别为乡村综合能源系统以运行成本、供能可靠性、交互功率波动进行调度时的报酬奖励系数，ω(f1)是第1个目标函数即运行成本最低目标函数的满意度；ω(f2)是第2个目标函数即供能可靠性最高目标函数的满意度；ω(f3)是第3个目标函数即交互功率波动最小目标函数的满意度。
[0164]
(5)η为折扣因子，表示未来收益在当前时间点的“现值”。
[0165]
s5、针对建立的马尔可夫决策模型，通过迭代策略法进行求解，形成乡村综合能源系统多目标优化调度方案。
[0166]
马尔可夫决策过程所要解决的就是选取一组决策行为，使得乡村综合能源系统的期望收益最大，乡村综合能源系统的期望收益可以用迭代方式表示为：
[0167][0168]
式中：v(i,d)为策略d下系统在i状态的期望收益值；v(j,d)为策略d下系统在j状态的期望收益值；r
t
(i,d)为t时刻系统处于状态i采取策略d所获得的报酬；p(j|i,d)表示在t时刻乡村综合能源系统处于状态i，采取策略d的条件下，乡村综合能源系统在t+1时刻转移到状态j的概率，η为折扣因子，η∈[0,1]。
[0169]
通过策略迭代法对上式进行求解，具体求解步骤如下：
[0170]
(1)取初值：任取一种初始策略d；
[0171]
(2)策略评估：根据当前策略确定的马尔可夫过程参数，求解乡村综合能源系统的期望收益，得到当前策略的期望收益值v(i,d),i∈s；
[0172]
(3)策略改进：利用当前策略的期望收益值，以优化乡村综合能源系统中各能源设备在调度周期内的运行状态为目的，找出使估值函数
[0173][0174]
最大的决策行为d，由一组最大的决策行为d组成一种新的策略d’；
[0175]
其中，r
t
(i,d)为t时刻系统处于状态i采取决策行为d所获得的报酬；p(j|i,d)为t时刻乡村综合能源系统处于状态i，采取决策行为d的条件下，乡村综合能源系统在t+1时刻转移到状态j的概率；v(j,d)为决策行为d下系统在j状态的期望收益值；
[0176]
(4)若前后两种策略即策略d与策略d’相同，则停止迭代，此种策略d’就是最优策略，否则转入步骤(2)继续迭代过程。
[0177]
通过迭代策略法求解马尔可夫决策模型，得出满足优化目标的乡村综合能源系统调度周期内各能源设备具体用能情况与外购的电能、气能、热能(乡村综合能源系统与主网交互的电能、气能、热能)，从而对乡村综合能源系统的电、热、气负荷进行优化调度，形成乡村综合能源系统多目标优化调度方案。
[0178]
本发明考虑了乡村综合能源系统运行过程中的多方面因素，引入了包含运行成本、供能可靠性、功率波动性的多目标优化调度函数，能够有效协调电、气、热等各类资源，在满足乡村综合能源负荷需求的前提下，有效减少系统运行成本，提高供能可靠性，减小交互功率波动，实现乡村综合能源系统的综合效益最优。
[0179]
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
[0180]
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。