一种能源基地规划方法、系统、芯片及设备与流程

本发明属于能源规划，具体涉及一种能源基地规划方法、系统、芯片及设备。

背景技术：

1、近年来，随着工业生产过程的自动化程度提高，对于工业负荷的精细化灵活控制成为可能，工业负荷结合需求响应能够对电力系统的运行带来很大的灵活性潜力；在现有的电源规划相关研究中，负荷侧的用能需求被建模成可转移负荷和不可转移负荷两部分，其中可转移负荷可以在一天内转移到任意时刻，这有助于缓解高峰时段的供电压力，从而降低发电投资成本；然而，对工业负荷的此种建模方式还是有些粗糙，对于需求响应的调用与否没有考虑工业负荷的实际运行状态以及实时可调潜力；采用过程系统工程的思想，工业负荷的生产调度过程可以被建模为一个混合整数线性规划模型，通过优化生产调度模型，可以得到不同运行场景下的工业生产的可行过程；过程系统工程的建模方法主要有状态-任务网络、资源-任务网络等；已有文献使用状态-任务网络的方法对钢铁厂和一般工业的生产过程进行了建模；因此，若能源基地的近区有一高耗能的工厂负荷，可以通过考虑工业负荷的实际生产过程来挖掘更大的需求响应潜力，为能源基地的运行提供更高的灵活性。

2、现有能源基地规划的相关研究大多仅对发电技术的组合形式进行决策规划，没有考虑负荷侧资源对电源的容量替代作用，尤其是近区高载能工业负荷的可调度潜力；一些考虑需求响应的能源基地规划研究对于需求响应资源的建模也仅限于价格引导或直接负荷控制的方式，较少将工业生产过程的可调度性纳入考虑，造成了对需求响应资源的估计不足和不切实际。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种能源基地规划方法、系统、芯片及设备，在能源基地规划的模型中考虑近区高载能化工负荷的需求响应，并且通过状态任务网络对其生产过程的灵活性进行建模，以挖掘其最大的电能替代潜力，用于解决高载能工业负荷与能源基地协同优化规划的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种能源基地规划方法，首先构建煤化工厂生产过程的状态-任务网络模型，确定煤化工厂灵活运行的约束条件；根据状态-任务网络模型和约束条件构建考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划模型；求解考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划模型，得到考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划结果，包括能源基地各类型机组的投建容量与经济性计算结果，四季场景下能源基地的运行方式，以及四季场景下煤化工厂的生产计划。

4、具体的，能源基地优化规划模型中，状态-任务网络通过任务节点和状态节点将化工过程建模成两种形态，任务节点表示生产、存储、运输操作，状态节点表示原材料、中间产品和最终产品的存储、运输过程。

5、进一步的，煤化工厂灵活运行的约束条件包括：

6、各子任务的用电功率约束、各子任务的转移容量比例约束、各子任务的补偿容量比例约束、需求响应调用状态的起止约束、耗电量守恒约束、各类型需求响应不同时调用约束、存储环节的存储时序约束和存储环节的储量约束。

7、进一步的，构建煤化工厂生产过程的状态-任务网络模型使用的数据包括：

8、需求响应数据、能源基地规划数据、待建发电机组的技术参数、风电和光伏的发电预测数据、待建储能设备的技术参数以及煤化工厂数据的建模参数。

9、具体的，考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划模型的目标函数minf为：

10、

11、其中，cinv为投建成本，com为固定运行成本，ωd为典型日集合，dd为典型日d在全年中的天数，为典型日d的运行成本，为典型日d的新能源弃电惩罚，为典型日d的偏差考核成本，为典型日d的需求响应成本，为典型日d的外送电量收益。

12、进一步的，考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划模型的约束条件包括：

13、各类型机组和储能设备的投产变量约束；

14、能源基地的运行边界条件，包括：最大出力偏差约束、外送通道最小年平均利用率约束；

15、火电机组的运行约束，包括：启停约束、出力上下限约束、爬坡约束、最短开停机时间约束；

16、新能源发电设备的运行约束，包括：出力上限约束、装机容量占比约束、年发电量占比约束；

17、储能设备的运行约束，包括：充放电状态约束、最大充放电功率约束、蓄电量时序约束、蓄电量上下限约束；

18、外送线路的输送容量约束。

19、更进一步的，各类型机组和储能设备的投产变量约束如下：

20、

21、最大出力偏差约束如下：

22、

23、外送通道最小年平均利用率约束如下：

24、

25、启停约束、出力上下限约束、爬坡约束、最短开停机时间约束如下：

26、yi,d,t＝yi,d,t-1+ui,d,t-di,d,t,yi,d,t-1,ui,d,t,di,d,t∈{0,1,...xi}

27、

28、

29、出力上限约束如下：

30、

31、装机容量占比约束如下：

32、

33、年发电量占比约束如下：

34、

35、充放电状态约束如下：

36、

37、最大充放电功率约束如下：

38、

39、

40、

41、

42、蓄电量变化时序约束、电量上下限约束如下：

43、

44、

45、外送线路的输送容量约束如下：

46、

47、其中，为规划期前类型为i的设备装机台数；xi为类型i的设备的投产变量；为类型i的设备最多装机台数；ωtot为所有类型电力设备的集合；为典型日d时刻t的能源基地的外送功率变量；为典型日d时刻t的能源基地的预定外送功率；δmax为能源基地外送功率的最大功率偏差量；dd为典型日d的天数；ωd为典型日集合；tl为外送通道最小年利用小时数；ωt为典型日的时刻集合；yi,d,t表示i类型的火电机组的开机台数；ui,d,t表示i类型的火电机组在典型日d时刻t的开机状态变量；di,d,t表示i类型的火电机组的关机状态；和分别表示i类型的火电机组的出力上、下限；和分别表示i类型的火电机组的最大上爬坡、下爬坡功率，ton和toff表示火电机组的最大开停机时间，ui,d,t'为i类型的火电机组在典型日d时刻t’的开机状态变量，pi,d,t为各类型机组的出力功率；为i类型风电场和光伏电站的在典型日d的时刻t的预测出力功率；ωwt为风电设备集合，ωpv为光伏设备集合；pi为i类型机组的单机容量；为新能源装机比例下限；ωb为储能设备的集合；σ为新能源电量比例下限；为典型日d时刻t的能源基地的预定外送功率；和分别表示储能的充放电状态变量；和分别表示储能的充、放电功率；和表示储能设备i的最大充放电功率，m表示一个数；表示储能设备i典型日d时刻t的储能电量；ηs表示自放电效率；ηch/ηdis分别表示充、放电效率，表示储能设备i的储能电量下限，表示储能设备i的储能电量上限；表示外送通道容量上限。

48、第二方面，本发明实施例提供了一种能源基地规划系统，包括：

49、条件模块，构建煤化工厂生产过程的状态-任务网络模型，确定煤化工厂灵活运行的约束条件；

50、构建模块，根据条件模块得到的状态-任务网络模型和约束条件构建考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划模型；

51、规划模块，求解构建模块得到的考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划模型，得到考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划结果，包括能源基地各类型机组的投建容量与经济性计算结果，四季场景下能源基地的运行方式，以及四季场景下煤化工厂的生产计划。

52、第三方面，一种芯片，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中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能源基地规划方法的步骤。

53、第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括所述芯片，执行时实现上述能源基地规划方法的步骤。

54、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

55、一种能源基地规划方法，首先获取问题所需的各项数据，为后续模型建立提供边界条件和参数输入；再根据搜集到的各项参数，构建状态-任务网络对煤化工厂的生产过程进行建模，使煤化工厂的运行过程能够用数学规划模型进行表示，便于与能源基地规划模型结合；然后综合上一步提出的煤化工厂的灵活运行模型，构建本发明的考虑近区高载能负荷的能源基地优化规划模型；最后，调用商用求解器对模型进行求解，得到能源基地优化规划结果。本发明使用状态-任务网络对煤化工厂的生产过程进行精细化建模，构建的考虑煤化工厂灵活运行的能源基地优化规划模型能够在一般商用求解器的支持下，完成优化计算。通过本方法计算得到的结果可以直接用于近区高载能工业负荷与能源基地的协同优化规划，充分发挥负荷侧资源的电能替代能力，提高能源基地的新能源消纳率。

56、进一步的，通过状态-任务网络模型构建煤化工厂的灵活运行模型，目的是用数学规划模型表示出煤化工厂的生产运行过程，为后续流程中在能源基地优化规划模型中考虑煤化工厂的生产灵活性做准备；在本模型中考虑了煤化工厂中间环节的产物存储与生产用电功率约束，为电力需求响应过程中调用煤化工厂的生产状态做了必要的准备，使其可调潜力的估计更加符合实际，使在能源基地规划问题中考虑煤化工厂的灵活运行成为可能。

57、进一步的，电力系统电源规划的目的主要在于保证电源侧的经济性和充裕度；将能源基地的总投建成本与典型日运维成本相加，再减去典型日总售电收益，得到能源基地规划的综合经济指标；因此以最小化综合经济性指标作为能源基地优化规划的目标函数，符合电力系统规划的实际需求。

58、进一步的，设置能源基地优化规划模型的相关约束条件，是执行后续计算流程的必要步骤；对各类型设备的运行状态、能源基地的运行边界、外送通道的利用率等方面加以限制，目的是使能源基地的规划计算结果能够满足电力系统规划运行安全性的基本要求，是模型计算结果能够较好地模拟能源基地的实际运行，保证规划结果的准确性。

59、进一步的，设置各类型机组和储能设备的投产变量约束，保证了计算结果的合理性，是执行后续计算流程的必要步骤；在实际电力规划中，各电厂的投产台数必须为整数；此外，考虑到现有可能存在的发电设备，设置了规划期前电厂的装机台数；由于各个电厂的新增台数会受到区域土地面积、环境资源等条件限制，设置了规划方案最多装机台数的约束条件。

60、进一步的，从电力系统运行的实际要求出发，需要设置能源基地的运行边界，设置最大出力偏差约束，保证了能源基地在各典型场景下的实时出力能够按照上级电力部门给定的计划出力曲线变化，满足调峰需求；设置外送通道利用率约束，保证了能源基地年外送电量能够满足送电合约电量的要求；构建启停约束、处理上下限约束、爬坡速率约束、最小开停机时间约束，使火电机组的运行状态能够被数学公式表达，目的是让规划计算的结果更加贴近火电机组的运行实际情况，避免出现电力设备过载运行的情况；实际生产中，新能源类型电源的机组有功及无功出力会受到发电资源的限制，因此能源基地中新能源发电机组的运行特性有必要反映在规划模型的机组运行约束条件中，使计算结果贴近电力系统实际情况、满足实际规划运行需求；构建储能电站的最大充放电功率约束、充放电状态约束、蓄电量变化时序约束、电量上下限约束，使规划结果中各典型场景下储能设备的运行更加合理，避免出现储能过冲等不合理情况，延长储能设备的运行寿命。

61、可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

62、综上所述，本发明能够充分利用能源基地近区高载能工厂的生产灵活性，有效促进新能源消纳，减少能源基地的备用容量。

63、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。