一种矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度方法及系统

本发明属于综合能源系统优化运行技术，尤其涉及一种矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度方法及系统。

背景技术：

1、煤炭作为我国的主体能源，在相当长的一段时间内，其主体地位不会改变。煤炭在开采过程中会衍生出煤层气、乏风、涌水等煤炭伴生资源，根据国家统计局数据，我国煤炭伴生资源丰富，仅2021年的煤层气资源产量多达100亿m3、涌水产量多达80亿m3，伴生资源产量仍有继续增长的趋势，如何发挥伴生资源利用潜力、减少伴生资源直接排放的污染、促进煤炭清洁转型是当下社会共同关注的问题。矿山综合能源系统作为整合煤矿多时空分布资源的有效手段，可实现煤矿多种异质资源的协调互补，满足煤矿多元用能需求，提高煤矿整体能源利用率、经济以及环境效益，是实现煤矿清洁化转型的重要发展方向。

2、在煤炭开采过程中，煤层厚度分布、随机含水层、瓦斯分布等情况都会影响煤炭伴生资源的回收利用效果，因此煤炭伴生资源产出存在较强的不确定性。与此同时，煤矿对伴生资源的管理较为粗糙，且井下地形较为复杂，相关数据的采集和记录较为困难，相关历史信息难以发掘其中的规律性，这使得煤炭伴生资源的不确定性预测更加困难。此外，在处理多个伴生资源的不确定性时，通常将多个不确定变量按经验比例归一为一个不确定量，但伴生资源产量受地质条件等影响较大，经验比例难以准确量化，其比例系数会存在一定的波动。因此，在矿山综合能源系统优化调度过程中需充分考虑伴生资源的不确定性以及经验比例扰动问题。

3、目前，在矿山综合能源系统中大多只考虑风光荷这些常见的不确定性问题，很少有考虑伴生资源不确定性的情况，且对于矿山中存在的不确定性因素，大多采用鲁棒、随机优化方法进行处理，但鲁棒优化结果过于保守，随机优化需要大量的场景数据。对于矿山综合能源系统而言，还未见采用信息间隙决策理论处理煤炭伴生资源不确定性的情况，且未有考虑伴生资源经验比例系数扰动的情况。

4、因此，急需一种考虑伴生资源经验比例扰动的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度方法，用以解决煤炭伴生资源不确定性以及经验比例系数扰动问题，以提高矿山综合能源系统运行可靠性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度方法及系统。

2、为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、本发明提供了一种矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度方法，该方法包括：

4、利用信息间隙决策理论建立考虑伴生资源经验比例扰动的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型；所述模型为双层结构，上层的目标函数为伴生资源综合不确定度最大，下层的目标函数为系统调度总成本最大；所述模型中包括伴生资源及负荷需求的不确定性约束和伴生资源经验比例扰动约束；

5、将矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型的双层结构模型转化为单层结构模型；

6、对转化为单层结构的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型中相关非线性约束进行线性化转换，建立混合整数线性规划模型；

7、通过建立的混合整数线性规划模型，调用求解器进行求解；所述求解结果包括煤炭伴生资源不确定度、系统调度成本及机组出力计划。

8、在一种实施方式中，所述伴生资源及负荷需求的不确定性约束为：

9、

10、

11、

12、

13、式中，i为伴生资源的种类；s为伴生资源种类集合，包括煤层气、乏风、涌水；αi为第i种伴生资源产量的不确定度；分别为t时刻第i种伴生资源产量的预测值、实际值；为第i种伴生资源的不确定性波动范围；k为负荷需求的种类；b为负荷需求种类集合，包括电负荷、热负荷、冷负荷需求；lk为第k种负荷需求的不确定度；分别为t时刻第k种负荷需求的预测值、实际值；为第i种伴生资源产量的不确定度最大值；为第k种负荷需求的不确定度最大值；为第k种负荷需求不确定性波动范围。

14、在一种实施方式中，所述伴生资源经验比例扰动约束，在鲁棒调度过程中引入权重修正系数对伴生资源经验比例扰动进行处理，表示为：

15、

16、

17、

18、式中，ψ为综合不确定度；i为伴生资源的种类；s为伴生资源种类集合，包括煤层气、乏风、涌水；εi第i种伴生资源的经验权重系数；αi为第i种伴生资源的不确定度；为第i种伴生资源的经验权重修正系数；分别为伴生资源权重修正系数的下、上限。

19、在一种实施方式中，所述利用信息间隙决策理论建立考虑伴生资源经验比例扰动的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型为：

20、

21、式中，ψ为综合不确定度；x为决策变量；v为不确定性变量；cc为决策者所能接受的最大预期值；βr为偏差因子；c0为确定性模型的最优解；i为伴生资源的种类，包含煤层气、乏风、涌水；αi为第i种伴生资源的不确定度；分别为t时刻第i种伴生资源产量的预测值、实际值；为第i种伴生资源的波动区间；k为负荷需求的种类，包含电负荷需求、冷负荷需求、热负荷需求；lk为第k种负荷需求的不确定度；分别为t时刻第k种负荷需求的预测值、实际值；为第k种负荷需求的波动区间；为第i种伴生资源的权重修正系数；g(x,v)＝0为其他相关的等式约束；k(x,v)≤0为其他相关的不等式约束。

22、在一种实施方式中，所述将矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型的双层模型转化为单层模型，具体过程为：

23、(1)满足下层调度成本最大的边界条件

24、在下层模型中，当煤炭伴生资源产量取最小值且负荷需求取最大值时，系统调度成本最大，即：

25、

26、

27、(2)转化后的单层模型

28、

29、此时，对于任意的目标函数c(x,v)均小于决策者制定的最大预期值cc。

30、在一种实施方式中，所述对转化为单层结构的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型中相关非线性约束进行线性化转换，具体过程为：

31、(1)两个连续变量相乘的变量转换

32、

33、式中，为第i种煤炭伴生资源的权重修正系数；m为常系数；n为0/1变量的个数；uj为第j个0/1变量；αi为第i种伴生资源的不确定度；

34、(2)0/1变量与连续变量相乘的线性化转换

35、

36、式中，r为ujαi的替代项，等价于ujαi；为第i种伴生资源的不确定度上限。

37、在一种实施方式中，经线性化转化后，建立混合整数线性规划模型，其紧凑形式为：

38、

39、式中，ψ为综合不确定度；x为决策变量；v为不确定性变量；βr为偏差因子；g0为确定性模型的最优解；g(x,v)＝0为其他相关的等式约束；k(x,v)≤0为其他相关的不等式约束。

40、在一种实施方式中，所述利用信息间隙决策理论建立考虑伴生资源经验比例扰动的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型前还包括：

41、将电转气消纳弃风弃光所转化的高浓度瓦斯与含低浓度瓦斯的煤层气进行掺混，同时利用矿井闲置地下空间改造为地下储气库协同电转气进行瓦斯掺混，形成电转气-煤层气-地下储气库相互耦合的不同浓度瓦斯掺混利用模式；并根据矿山综合能源系统组成、参数和不同浓度瓦斯掺混利用模式，建立电转气掺混煤层气的矿山综合能源系统优化调度模型；

42、所述矿山综合能源系统组成包括：风机发电单元、光伏发电单元、电网供电单元、煤层气利用单元、乏风利用单元、涌水利用单元、电转气单元、瓦斯掺混单元、蓄热氧化单元、水源热泵单元、燃气轮机单元、余热锅炉单元、吸收式制冷机单元、地下储气库单元、蓄热装置单元、电负荷单元、热负荷单元以及冷负荷单元；所述参数包括：电负荷、热负荷、冷负荷、风机输出、光伏输出、煤层气、乏风、涌水的预测值，系统设备组成、设备运行参数、地下储气库当前储存瓦斯量的初值。

43、在一种实施方式中，所述电转气掺混煤层气的矿山综合能源系统优化调度模型为：矿山综合能源系统一个调度周期内运行费用最小为目标函数和多个约束；所述一个调度周期内运行费用最小为目标函数为：

44、minc＝c1+c2+c3+c4

45、

46、

47、

48、

49、式中，c、c1、c2、c3、c4分别为系统的总运行成本、购电成本、设备运维成本、弃风弃光惩罚成本及地下储气库中初始容量天然气购置成本；t为1个完整调度周期的总时段数；为t时刻系统购电功率；为t时刻的电价；μpv、μwt、μgt、μwhb、μugs、μp2g、μwshp、μrto、μac、μhsd分别为光伏、风机、燃气轮机、余热锅炉、地下储气库、电转气、水源热泵、蓄热氧化装置、吸收式制冷机、蓄热装置的单位维护成本；分别为t时刻光伏、风机、燃气轮机、余热锅炉、电转气、蓄热氧化装置、吸收式制冷机输出功率；分别为t时刻地下储气库中瓦斯释放、注入流量；为t时刻的涌出量；分别为t时刻蓄热装置放、蓄热功率；kpv、kwt分别为弃光、弃风的惩罚系数；分别为t时刻光伏、风机输出功率预测值；为地下储气库初始容量；pg为天然气的价格；

50、所述多个约束包括：蓄热氧化装置运行约束、燃气轮机运行约束、电转气运行约束、地下储气库运行约束、水源热泵运行约束、吸收式制冷机运行约束、余热锅炉运行约束、蓄热装置运行约束、系统功率平衡约束和煤层气掺混高浓度瓦斯平衡约束；

51、其中，所述地下储气库运行约束为：

52、

53、

54、

55、

56、式中，分别为t、t-1时刻地下储气库中的瓦斯储存量；分别为t时刻地下储气库的瓦斯注入流量和释放流量；分别为地下储气库最小、最大注入流量；分别为地下储气库最小、最大释放流量；为0/1变量，分别表示t时刻地下储气库注入、释放瓦斯的状态，0表示关闭，1表示开通；

57、所述煤层气掺混高浓度瓦斯平衡约束为：

58、

59、

60、

61、

62、式中，为t时刻掺混后的气体体积；为t时刻电转气产出的高浓度瓦斯参与掺混的瓦斯流量；为t时刻地下储气库的瓦斯释放流量；为t时刻抽采出的煤层气流量；为t时刻注入燃气轮机中的瓦斯流量；

63、为t时刻注入燃气轮机中的瓦斯浓度；为t时刻电转气产出瓦斯的浓度；为t时刻抽采出的煤层气中的瓦斯浓度；分别为确保燃气轮机正常燃烧发电所需的最低、最高瓦斯浓度。

64、本发明还提供了一种矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度系统，包括：包括矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型模块、结构转化模块、线性规划模型模块及求解模块；

65、所述矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型模块，用于利用信息间隙决策理论建立考虑伴生资源经验比例扰动的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型；所述模型为双层结构，上层的目标函数为伴生资源综合不确定度最大，下层的目标函数为系统调度总成本最大；所述模型中包括伴生资源及负荷需求的不确定性约束和伴生资源经验比例扰动约束；

66、所述结构转化模块，用于将矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型的双层结构模型转化为单层结构模型；

67、所述线性规划模型模块，用于对转化为单层结构的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型中相关非线性约束进行线性化转换，建立混合整数线性规划模型；

68、所述求解模块，用于通过建立的混合整数线性规划模型，调用求解器进行求解；所述求解结果包括煤炭伴生资源不确定度、系统调度成本及机组出力计划。

69、本发明的有益效果：

70、本发明的考虑伴生资源经验比例扰动的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度方法，根据选定的矿山综合能源系统，充分考虑系统各环节运行约束，利用信息间隙决策理论建立考虑伴生资源经验比例扰动的矿山综合能源系统信息间隙决策鲁棒调度模型，通过非线性约束的线性化转化，调用相关数学求解器进行求解，得到矿山综合能源系统优化调度方案。该模型综合考虑了煤炭伴生资源不确定性以及经验比例系数扰动，充分量化了煤炭伴生资源的不确定性，制定的优化调度方案可保证矿山综合能源系统在可能存在的最差场景下仍能可靠运行。