一种区域综合能源系统多阶段滚动随机规划方法

本发明涉及区域综合能源规划，尤其涉及一种区域综合能源系统多阶段滚动随机规划方法。

背景技术：

1、随着社会、科学、技术的发展，世界范围内城市化程度逐步提高，各种能源的开发利用水平也随之不断提高。为此，区域综合能源系统(ries)由于在区域多能互补、能效和清洁性方面的优势而受到越来越多的研究关注，成为未来能源系统发展和改造的重要研究方向。与传统的单一能源系统相比，区域综合能源系统(ries)包括许多不同类型的能源，它的发展与区域经济发展、能源政策、区域资源分布、人民生活水平、能源消费习惯等因素密切相关，且相关因素正在不断扩展，这使得能源供需关系更加复杂。区域综合能源系统逐渐演化为一个涉及多方面的巨大非线性混沌系统，这样的系统容易受到各种内外因素的影响，导致逐步偏离原有的规划和运行方案。

2、在能源发展的过程中，突发事件是难以预测的。它们将引起能源供需关系的波动，极大地影响能源系统的规划和运行，当前能源系统的发展与社会各方面的发展是同步发生的，涉及的因素将越来越多。

3、基于以上事实，要使规划方案更好地适应区域能源需求的发展，一方面需要对能源供需面临的不确定性做出更准确的判断和估计，另一方面，规划作为平衡能源供需的重要手段，需要及时调整，以确保满足需求。这就需要分析不确定因素的成因和特性，并针对不确定因素机理，选择合适的模型、方法进行研究，以明确不确定因素对系统造成的影响，考虑这些多重不确定性因素对规划的影响，是进一步优化能源协同特性，提升清洁能源占比，提升综合能效的关键之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种区域综合能源系统多阶段滚动随机规划方法，克服现有技术中的不足，提供一种基于信息间隙决策理论与模型预测控制的区域综合能源系统滚动随机规划方法，将多阶段规划、信息间隙决策理论与模型预测控制方法引入区域综合能源系统长周期的发展规划中，有效解决区域综合能源系统规划过程中出现的突发不确定性，改善区域综合能源系统初期规划与后期运行之间缺乏有效衔接的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种区域综合能源系统多阶段滚动随机规划方法，其特征在于：包括以下步骤：

3、s1、将区域综合能源系统规划周期分为若干阶段，建立区域综合能源系统多阶段规划模型，多阶段规划模型包括能源管线及能源设备容量约束、多能源潮流约束和多阶段规划变量约束；

4、s2、基于信息间隙决策理论，采用区间量化能源系统多阶段规划过程中可再生能源和负荷不确定性的影响范围，再通过加权求和得到能源系统的不确定半径；采用风险规避策略与风险投机两种策略，结合不确定半径、多阶段规划模型及约束，建立鲁棒规划及机会规划模型，进行区域综合能源系统多阶段随机规划；

5、s3、基于模型预测控制方法，滚动预测可再生能源与负荷值，根据预测源荷值与实际值的误差，控制该阶段规划的设备容量及管线型号，及时改变该阶段规划策略，减少预测误差引起的规划偏差，使实际规划与预测的偏差在允许范围内，实现区域综合能源系统多阶段滚动规划；

6、s4、采用动态规划算法在matlab仿真平台上，滚动迭代求解基于信息间隙决策理论与模型预测控制的区域综合能源系统滚动随机规划模型，获得区域综合能源系统多阶段滚动随机规划方案。

7、本发明区域综合能源系统规划方案，考虑长周期规划不确定性因素，为了满足负荷增长的需求，能源系统规划以经济性最优、收益最大、碳排放量最小等为目标，在规划过程中方加入了滚动规划环节，能够更适应突发性的不确定事件，进一步优化了能源协同特性，提升了综合能效，运用信息间隙决策理论与模型预测控制相互结合，实现了多层次多阶段的规划，起到降低能耗，提升能效，节能减排的效果。

8、作为本发明再进一步的方案：所述能源设备包括变压器、风电机组、能源枢纽和能源转换设备；所述能源管线包括电力管线、天然气管线和热力管线，利用信息间隙决策理论与模型预测控制，减少规划过程中的不确定性，选择电力、天燃气和热力负荷的不确定性作为不确定性参数，利用信息间隙决策理论与模型预测控制，减少规划过程中的不确定性，使综合总经济成本最小化。

9、作为本发明再进一步的方案：所述区域综合能源系统多阶段规划模型包括综合总成本ctotal，所述综合总成本ctotal由阶段综合成本cstage、规划投资成本能源枢纽收益和碳减排成本四部分组成：

10、

11、

12、式中：ctotal(ss,x,ss+1,y)表示从阶段s的x状态到下一阶段s+1的状态y状态转换成本，总成本由α，β，ω和γ权重系数构成，ω是碳税。

13、对规划周期进行优化后，需要考虑各种源负荷的不确定性，以满足源负荷的供需，多阶段规划模型的决策变量为各阶段的新建和扩建管道、变电站或能源枢纽中设备的容量。

14、作为本发明再进一步的方案：所述多阶段规划的投资成本包括管道规划成本设备扩容成本运行维护费用和设施残值frv。

15、投资成本涵盖多阶段规划全程，包括新建和现有的电力、天然气和热力管道扩建规划成本，设备扩建规划采购成本，维护成本和设施残值。

16、作为本发明再进一步的方案：所述能源枢纽收益由规划地区冬季、夏季以及过渡季典型日的电负荷、电价、热负荷和单位热负荷收入组成，具体表示为：

17、

18、式中，和分别为能源枢纽u提供的电负荷与热负荷；和分别为单位电负荷收入与单位热负荷收入。

19、作为本发明再进一步的方案：所述碳减排收益来源于能源枢纽集中供热取代了原来的燃煤锅炉来提供热负荷，以及使用可再生能源导致的碳排放的减少，进而带来了碳税成本的减少，具体表示为：

20、

21、

22、

23、

24、

25、式中，分别代表不同季节热、电、气和可再生能源的碳排放减少量；δtseason为不同季节的天数；分别为典型日的热、电、气能源需求，其中电、气为一次输入能源，由气、电转换的二次热需求不包含在一次输入能源中；分别代表不同季节典型日的热、电、气的碳排放量；ηheat-coal和ηelec-coal分别为热输出和电输出的标准煤当量转换系数；和分别为煤和天然气的co2排放系数；和分别代表规划前后热力的碳排放量。

26、作为本发明再进一步的方案：所述能源设备与能源管线的约束条件为：所述多能潮流模型的约束是多能流约束；阶段s时各管道类型对应的电力管线、下一阶段时能源管道或能源设备的容量应大于等于前一阶段；天然气管线和热力管线潮流的上限值应大于各管道满足负荷需求的潮流计算结果；

27、所述阶段s时约束条件为：

28、

29、

30、式中，smax、qmax、mmax分别为电力管线、天然气管线和热力管线潮流的上限值；为变电站或能源枢纽k的设备容量；为能源设备所提供的负荷；i为第i条管线；

31、所述下一阶段时约束条件为：

32、

33、式中，和分别为阶段s时能源管线和能源设备的容量；和分别为上一阶段能源管线和能源设备的容量；

34、能源设备型号与投资成本的限制条件具体为：

35、

36、式中，为阶段s时的建设投资，为投资约束；和分别为阶段s和阶段s的上一阶段风力发电的容量。

37、作为本发明再进一步的方案：所述基于信息间隙决策理论，进行区域综合能源系统多阶段随机规划具体为：

38、

39、式中是电力、燃气、热力负荷在规划阶段t的预测值；αe、αg和αh分别是电力、燃气、热力需求的不确定半径；

40、αtotal＝λeαe+λgαg+λhαh

41、式中，αtotal为多能负荷不确定半径；λe、λg和λh分别是多能负荷不确定半径的权重系数；

42、采用风险规避策略，结合不确定半径、多阶段规划的模型及约束，建立鲁棒随机规划模型为：

43、

44、采用风险投机策略，结合不确定半径、多阶段规划的模型及约束，建立机会随机规划模型为：

45、

46、βc为风险规避系数；βd为风险投机系数；ctotal,0为不确定参数取确定值时的综合总成本；nstage为总阶段数。

47、作为本发明再进一步的方案：所述s3中实现区域综合能源系统多阶段滚动规划步骤包括：

48、s31、预测模型用以描述被控对象，可通过该模型预测未来被控对象的状态，可依据系统阶段t的负荷量和规划方案，对t+1阶段的输出量进行预测，基本的线性状态空间表达式如下：

49、

50、式中，x(t)表示系统当前的规划方案所能承载的负荷；yp(t)表示系统的预测负荷量；δu(t)表示规划方案的变动，也即下一阶段的规划方案增量；系统d,e,f分别是系统矩阵、输入矩阵和输出矩阵；

51、s32、滚动优化，在实际运行中，由于系统存在的不确定性，需要对阶段整体的规划方案进行校正，在每一个阶段，根据该阶段优化性能指标，求解该阶段起下一阶段的最优规划方案，跟踪性能的目标函数旨在减少由于不确定性造成的规划与实际负荷差额，如下所示；

52、

53、

54、

55、

56、式中，yp(t)表示系统预测负荷；yr(t)表示系统实际负荷；fobj表示t时刻预测负荷之间的综合偏差指数；fobj为t时刻预测负荷与实际所需供电负荷的综合偏差指数，ye(t),ke,yg(t),kg,yh(t),和kh分别为t时刻电力、天然气、热能的预测负荷与实际所需供电负荷的偏差及分布系数，为表示t时刻电、天然气和热的实际供需负荷；

57、s33、通过mpc反馈校正来进行对于阶段规划的修正，减少系统不确定性，在每个阶段依据目标函数的偏差，进行补偿规划，以达到提高系统鲁棒性，反馈校正公式如下：

58、

59、式中e为系统误差。

60、作为本发明再进一步的方案：所述s4中动态规划算法，具体为：逐步确定多阶段规划从结束状态到初始点的最小成本，使用以下递归方程计算成本：

61、

62、式中，ctotal(ss,x,ss+1,y)表示从阶段s的x状态到下一阶段s+1的状态y状态转换成本；cost(ss,x)和cost(s(s+1),y)分别为阶段s的x状态和阶段s+1的状态y的规划成本。

63、本发明的有益效果：

64、1、应用本发明规划方案，可针对考虑长周期规划不确定性因素，建立包括投资和建设成本、运营成本、能源枢纽收益、碳减排等因素在内的区域综合能源系统多阶段规划，关注负荷不确定性，选择电力、天燃气和热力负荷的不确定性作为不确定性参数，利用信息间隙决策理论与模型预测控制，减少规划过程中的突发不确定性，使综合总经济成本最小化。

65、2、本发明在规划过程中方加入了滚动规划环节，与确定性单阶段规划的结果相比，能够更适应突发性的不确定事件。通过控制预测和实际误差控制在允许范围内，以滚动方式调整规划方案，进一步优化了能源协同特性，提升了综合能效。

66、3、本发明使信息间隙决策理论与模型预测控制相互结合，前者实现了经济成本的优化后者实现了规划方案与实际需求的误差优化，实现了多层次多阶段的规划，从而起到降低能耗，提升能效，节能减排的效果，改善了区域综合能源系统初期规划与后期运行之间的有效衔接。