基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法与流程

1.本发明涉及一种园区多能源配电系统规划方法。特别是涉及一种基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法。


背景技术：

2.随着经济社会的发展，在追求经济效益最大化的同时，能源供给的可靠性也越来越受到关注。园区多能源配电系统利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源，实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行，协同管理、交互响应和互补互济。在满足系统内多元化用能需求的同时，要有效地提升能源利用效率，促进能源可持续发展的新型一体化的能源系统。
3.园区多能源配电系统主要由供能网络(如供电、供气、供冷/热等网络)、能源交换环节(如cchp机组、锅炉、热泵等)、能源存储环节(储电、储气、储热、储冷等)和终端综合能源供用单元共同构成。园区多能源配电系统作为能源互联网的“终端”，与电、气、冷、热等多种负荷在物理上直接相连，对用户用能体验的影响最为直接，在提高园区运行经济性的同时，还需要通过协调各类能源设备，提高园区多能源配电系统供能可靠性，从而为园区内的用户提供可靠、经济的能源供应。
4.国内外已经开展了考虑可靠性的园区多能源配电系统规划问题的研究，但其主要研究集中于采用传统的蒙特卡洛模拟法进行可靠性量化，模型中包含较为复杂的逻辑判断，因此难以显式表达并集成到园区多能源配电系统的规划模型中，往往仅能采用启发式算法解此类双层规划模型，规划模型的收敛性与最优性难以保证。因此，亟需一种基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法，通过构建线性化的可靠性指标计算方法，可以将可靠性约束进行显式表达并集成到规划模型中，进而能够采用数学规划方法求解，得到能够满足不同可靠性要求水平的可靠性和经济性协调的设备配置方案。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，为了克服现的技术的不足，提供一种能够保证园区多能源配电系统的经济性与可靠性协同最优的基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法。
6.本发明所采用的技术方案是：一种基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法，包括如下步骤：
7.1)输入待规划园区多能源配电系统的历史运行数据信息和设备参数信息，所述的历史运行数据包括：光照历史数据、风速历史数据、各母线的直供负荷、各母线上所带负荷的优先级、各类负荷的单位缺供损失成本系数、外购电价、外购天然气价格、折现率；所述的设备参数信息包括：待规划设备的型号、额定容量、投资成本、维护成本、运行效率、故障率、故障修复时间、使用寿命、输出功率上限；
8.2)依据步骤1)输入的信息，采用广度优先遍历对系统中的设备、支路、母线分别进
行编号，建立各母线的母线与输入支路关系向量母线与输出支路关系矩阵支路能量转换系数矩阵l；
9.3)对所有设备和所有母线，分别构建各设备i故障时母线k线性化的输出支路最大供能能力向量进而建立各设备i故障时各支路最大供能能力向量的线性化计算约束，i＝1,2,3,
…
,nd，k＝1,2,3,
…
,nb，nd和nb分别为系统中的设备总数和母线总数；
10.4)构建线性化的故障关联矩阵fa和fb，建立母线期望缺供量向量ensb的线性化计算约束，其中ensb中元素为各母线的期望缺供量；
11.5)构建园区多能源配电系统的运行约束，包括：源设备运行约束，储能设备运行约束，能量转换设备运行约束，能量平衡约束；
12.6)以园区多能源配电系统年运行成本与年负荷缺供损失成本的加权和最小为目标，建立园区多能源配电系统规划的综合目标函数，其中年运行成本包括年购能成本、系统内设备年投资维护成本；
13.7)将步骤3)～步骤5)建立的约束条件与步骤6)建立的综合目标函数，共同构成基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划模型；
14.8)对步骤7)所述的基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划模型，采用混合整数线性规划求解器进行求解，输出园区多能源配电系统规划方案求解结果。
15.本发明的基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法，立足解决园区多能源配电系统规划中的经济性和可靠性协调的问题，实现线性化的可靠性显式表达，充分考虑园区多能源配电系统的多能耦合、协调互补特性，建立基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划模型，得到能够按照不同可靠性要求水平的可靠性和经济性协调的园区多能源配电系统规划方案，保证园区多能源配电系统的经济性与可靠性的协同最优。本发明构建线性化的可靠性指标计算方法，将可靠性约束显式表达集成到规划模型中，能够采用数学规划方法求解，保证了规划模型的收敛性以及规划方案的最优性。根据规划过程中对园区多能源配电系统经济性和可靠性的不同要求水平，本发明可以通过设置不同的可靠性和经济性权重系数，进而规划求解得到满足要求的园区多能源配电系统最优规划方案。
附图说明
16.图1是本发明基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法的流程图；
17.图2是园区多能源配电系统基本架构图；
18.图3是典型日风速照度、光照照度变化曲线；
19.图4是典型日电/冷/热负荷变化曲线。
具体实施方式
20.下面结合实施例和附图对本发明的基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法做出详细说明。
21.如图1、图2所示，本发明的基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法，包括如下步骤：
22.1)输入待规划园区多能源配电系统的历史运行数据信息和设备参数信息，所述的历史运行数据包括：光照历史数据、风速历史数据、各母线的直供负荷、各母线上所带负荷
的优先级、各类负荷的单位缺供损失成本系数、外购电价、外购天然气价格、折现率；所述的设备参数信息包括：待规划设备的型号、额定容量、投资成本、维护成本、运行效率、故障率、故障修复时间、使用寿命、输出功率上限；
23.2)依据步骤1)输入的信息，采用广度优先遍历对系统中的设备、支路、母线分别进行编号，建立各母线的母线与输入支路关系向量母线与输出支路关系矩阵支路能量转换系数矩阵l；
24.所述的母线与输入支路关系向量母线与输出支路关系矩阵支路能量转换系数矩阵l，具体形式如下：
[0025][0026][0027][0028]
式中，为母线与输入支路关系向量的第j
+
个元素，个元素，表示1行、n
br
列的实数向量，n
br
、nb、nd分别为系统中支路总数、母线总数、设备总数；为母线与输出支路关系矩阵的第h行第j-列元素；为支路能量转换系数矩阵l的第行第列元素；为设备i向支路输出的运行效率。
[0029]
3)对所有设备和所有母线，分别构建各设备i故障时母线k线性化的输出支路最大供能能力向量进而建立各设备i故障时各支路最大供能能力向量的线性化计算约束，i＝1,2,3,
…
,nd，k＝1,2,3,
…
,nb，nd和nb分别为系统中的设备总数和母线总数；具体包括：
[0030]
(3.1)构建正常运行时支路容量向量vc、设备i故障后的支路容量向量v
ic
、设备i故障后的储能设备和电源设备输出支路的容量向量具体形式如下：
[0031]
(3.1.1)正常运行时支路容量向量vc：
[0032][0033][0034]
式中，vc(j)为正常运行时支路容量向量vc的第j个元素，表示n
br
行、1列的实数向量；si为设备i的额定容量；ηi为设备i的运行效率；为设备i输入支路编号；为设备i输出支路编号；为母线k的直供负荷输出支路编号；为母线k的直供负荷大小；为表征σ类能源转换设备i是否选择配置ρ型号的0/1决策变量，是则
否则ω
σ
为σ类能源转换设备的型号集合；s
σ,ρ
为σ类能源转换设备ρ型号的额定容量；是与母线k相连的v类储能设备的配置台数；sv是v类储能设备的额定容量，v包括电储能、热储能和气储能；表示t时段与母线k相连的s类源设备的输出功率上限，s为源设备，源设备包括外部电网、气网、风机、光伏；
[0035]
(3.1.2)设备i故障后的支路容量向量
[0036]
首先将初始化为vc，若设备i为储能设备，则令
[0037][0038]
式中，为设备i故障后的支路容量向量的第ji个元素，ji为与设备i相连支路的编号；
[0039]
若设备i为能源转换设备或源设备，则令
[0040][0041][0042][0043][0044]
式中，vc(j
l
)为正常运行时支路容量向量vc的第j
l
个元素，为设备i故障后的支路容量向量的第j
l
个元素，ji为与设备i相连支路编号；j
l
为储能设备l输出支路编号，为储能设备l输出支路编号，为储能设备总数；m为大于104的正整数；为元素全为1的n
br
维列向量，n
br
为系统总支路数；e
sc
(l)为储能设备l的额定容量；为设备i的故障修复时间；δ1和δ2为0/1辅助变量向量；
[0045]
(3.1.3)设备i故障后储能设备与电源设备输出支路的容量向量
[0046][0047]
式中，为设备i故障后储能设备与电源设备的输出支路容量向量的第j
sl
个元素,为设备i故障后的支路容量向量的第j
sl
个元素，js为源设备输出支路编号；
[0048]
(3.2)构建线性化的支路最大供能能力向量的线性化计算约束，具体步骤如下：
[0049]
(3.2.1)设ωs为源设备和热电联产机组编号集合，cg为气母线编号集合，对设备i∈ωs，母线k∈cg，建立相应的支路最大供能能力向量和部分支路剩余供能能力向量的线性化约束表达式如下：
[0050][0051]
[0052][0053][0054][0055][0056][0057]
式中，为设备i故障时母线k功率分配向量，属于辅助变量；qk为母线k的输出支路总数；α
i,k
、和为0/1辅助变量向量；为母线与输入支路关系向量，为母线与输出支路关系矩阵；n
br
为支路总数；mk为母线k对应的形式如下所示的矩阵：
[0058][0059]
(3.2.2)设ce为电母线编号集合，对设备i∈ωs，母线k∈ce，建立相应的支路最大供能能力向量的线性化约束，并对部分支路剩余供能能力向量进行修正得到修正后的部分支路剩余供能能力向量具体表达式如下：
[0060][0061][0062][0063][0064][0065][0066][0067]
(3.2.3)得到支路最大供能能力向量的线性化计算约束，表达式如下：
[0068]
对i∈ωs，的线性化计算约束如下：
[0069][0070]
对i∈ωc，ωc为除热电联产机组外转换设备的编号集合，的线性化计算约束如下：
[0071][0072]
联立式(27)与式(28)得到支路最大供能能力向量的线性化计算约束。
[0073]
4)构建线性化的故障关联矩阵fa和fb，建立母线期望缺供量向量ensb的线性化计算约束，其中ensb中元素为各母线的期望缺供量；具体包括：
[0074]
(4.1)构建线性化约束表示的故障关联矩阵fa和fb：
[0075][0076][0077][0078][0079]
式中，p为各母线直供负荷列向量；γ为nd行、nb列的0/1辅助变量矩阵；nb、nd分别为系统中母线总数、设备总数；m为大于104的正整数；
[0080]
(4.2)建立母线期望缺供量向量ensb的线性化计算约束，具体形式如下：
[0081][0082]
式中，λd为设备故障率向量；ud为设备故障修复时间向量；为hadamard算子，表示两个矩阵对应位置元素相乘。
[0083]
5)构建园区多能源配电系统的运行约束，包括：源设备运行约束，储能设备运行约束，能量转换设备运行约束，能量平衡约束；具体如下：
[0084]
(5.1)源设备运行约束：
[0085][0086][0087][0088][0089]
式中，表示t时段与母线k相连的s类源设备的输出功率；s为源设备，源设备包括外部电网、气网、风机、光伏；表示t时段与母线k相连的s类源设备的输出功率上限；表示与母线k相连的s类外部电网、气网的输出功率上限；表示与母线k相连的s类可再生能源发电设备的配置台数；ss表示s类可再生能源发电设备的额定容量；和分别表示单位容量的光伏、风机在t时段的出力大小；i
t
表示t时段的光照照度；ir表示标准光照照度；f
t
表示t时段的风速照度；f
in
、f
out
、fr分别表示风机的切入风速、切出风速和额定风速；
[0090]
(5.2)储能设备运行约束：
[0091]
[0092][0093][0094][0095][0096][0097]
式中，分别是t时段、t+1时段与母线k相连的v类储能设备储存的能量，k＝1,2,
…
,nb，nb为系统中母线总数；μv是v类储能设备的损耗率；和分别是t时段与母线k相连的v类储能设备的蓄能功率和放能功率；和分别是与母线k相连的v类储能设备的蓄能效率和放能效率；和是规划周期始末与母线k相连的v类储能设备存储的能量；t表示规划周期总时长，δt表示时段长度；表示与母线k相连的v类储能设备的配置台数；sv是v类储能设备的额定容量；和分别表示与母线k相连的v类储能设备充放能标志位，取值为0/1；和分别是v类储能设备的充放能功率上限；
[0098]
(5.3)能量转换设备运行约束：
[0099][0100][0101]
式中，p
′
k,t
表示t时段由转换设备输入到母线k的总功率大小，k＝1,2,
…
,nb；p
ti,in
表示t时段转换设备i的输入功率，i＝1,2,
…
,n
dc
，n
dc
表示转换设备总数；表示转换设备i向母线k的输出效率或能效比；s
σ,ρ
表示型号为ρ的σ类设备的额定容量；
[0102]
(5.4)功率平衡约束：
[0103]
[0104][0105][0106]
式中，表示t时段母线k的直供负荷，k＝1,2,
…
,nb；是负荷分配因子，表示母线k输出总功率中的负荷直供功率占比；表示对角线元素为的对角矩阵；表示t时段与母线k相连的源设备输出功率之和；θ
i,k
是转换设备分配因子，表示母线k输出总功率中分配给转换设备i的功率占比。
[0107]
6)以园区多能源配电系统年运行成本与年负荷缺供损失成本的加权和最小为目标，建立园区多能源配电系统规划的综合目标函数，其中年运行成本包括年购能成本、系统内设备年投资维护成本；所述的园区多能源配电系统规划的综合目标函数min c
cos
，具体表达式为：
[0108]
min c
cos
＝αc(ci+cm+co)+α
rcr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(49)
[0109]
αc+αr＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(50)
[0110][0111][0112]co
＝ce+cfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(53)
[0113][0114][0115]cr
＝eense×ce
+eensc×cc
+eensh×ch
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(56)
[0116][0117][0118][0119]
式中，c
cos
表示综合目标函数；ci表示系统内设备年投资成本；cm表示系统内设备年维护成本；co表示系统年购能成本；ce表示系统年购电成本；cf表示系统年购气成本；cr表示系统年负荷缺供损失成本；αc表示经济性权重系数，αr表示可靠性权重系数，权重系数是根据规划过程中对园区多能源配电系统经济性和可靠性的不同要求水平设置；r表示折现率；y表示设备的使用寿命；是σ类能源转换设备ρ型号的单台投资价格；是表示σ类能源转换设备i是否选择配置ρ型号的0/1变量；是v类储能设备的单台投资成本；是s类可再生能源发电设备的单台投资成本；是与母线k相连的v类储能设备的配置台数；是与母线k相连的s类可再生能源发电设备的配置台数；是设备i的单位维护费用；为t时
段设备i的出力；为t时段的系统电价；cf为天然气价格；为t时段母线k的购电功率；为t时段母线k的系统天然气购入量；cc和ch表示冷母线编号的集合和热母线编号的集合；ce为电母线编号集合；eense，eensc，eensh分别为电、冷、热子系统的期望缺供量，ensb表示母线期望缺供量向量；ensb(k)为母线期望缺供量向量ensb的第k个元素；cc、ce、ch分别表示电、冷、热子系统的单位负荷缺供损失成本系数。
[0120]
7)将步骤3)～步骤5)建立的约束条件与步骤6)建立的综合目标函数，共同构成基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划模型；
[0121]
8)对步骤7)所述的基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划模型，采用混合整数线性规划求解器进行求解，输出园区多能源配电系统规划方案求解结果
[0122]
下面给出具体实例。
[0123]
对于本发明的实例，首先输入园区多能源配电系统中待规划设备的类型、额定容量、投资成本、维护成本、故障率、故障修复时间，详细参数见表1～表2。外购天然气价格和外购电价详见表3。设定折现率为0.04，设备使用寿命考虑为20年，天然气热值取9.87kwh/m3。外部电网输出功率上限，外部气网输出功率上限15000kw和10000kw。电/冷/热负荷的单位缺供损失成本系数均设定为5元/kwh。系统运行时负荷的优先级从高到低依次为园区电负荷、地源热泵子系统、电制冷机子系统、电锅炉子系统。典型日风速照度、光照照度变化曲线见图3，典型日电/冷/热负荷变化曲线见图4。
[0124]
为充分验证本发明基于可靠性显式约束的园区多能源配电系统规划方法的先进性，本实例中，采取如下三种方案进行对比分析：
[0125]
方案1：只考虑经济性，不考虑可靠性，进行园区多能源配电系统规划；
[0126]
方案2：考虑经济性与可靠性的权重系数分别为0.5和0.5(即αc＝0.5，αr＝0.5)，进行园区多能源配电系统规划；
[0127]
方案3：考虑经济性与可靠性的权重系数分别为0.2和0.8(即αc＝0.2，αr＝0.8)，进行园区多能源配电系统规划；
[0128]
三种方案下的设备配置结果见表4，年运行成本与年负荷缺供损失成本等成本信息见表5。执行优化计算的计算机硬件环境为intel(r)core(tm)i7-12700，主频为2.10ghz，内存为16gb；软件环境为windows 11操作系统，采用cplex求解器进行求解。
[0129]
由三种方案对比可以看出，随着年负荷缺供损失成本在综合目标函数中的权重系数增大，即可靠性要求提高，配置方案的年运行成本增大，年负荷缺供损失成本减小，系统可靠性提升。随着可靠性要求的提高，供能转换设备的规划容量逐渐增大，且设备倾向于选择多台小容量设备代替单台大容量设备，这是由于在一台小容量设备发生故障时，其余小容量设备可以作为备用继续供能，从而达到提高可靠性的作用。
[0130]
表1园区多能源配电系统待规划设备基本参数
[0131][0132]
表2园区多能源配电系统设备故障参数
[0133][0134]
表3外购电价及外购天然气价格
[0135][0136]
表4三种方案下配置结果对比
[0137]
[0138][0139]
表5三种方案下成本结果对比
[0140]