本发明属于综合能源系统技术领域，特别是一种基于能源集线器的园区混合能源系统优化调度方法。
背景技术：
随着现代社会对能源需求的增加，能源与环境短缺问题日益严峻，对人类社会的可持续发展带来极大的危害。以分布式电源、冷热电联供系统cchp(combinedcooling,heatingandpower)为主要供能单元的多能源园区混合能源系统hep(hybridenergypark)，由于具有清洁能源利用、提高能源利用效率、低碳环保的特性，近两年获得了飞速发展。该系统能够有效地缓解能源消费增长与环境保护之间的矛盾，在我国电力结构调整中起着非常重要的作用，对经济社会发展意义重大。
hep从可将分布式发电单元、cchp系统、负荷、储能等装置以及控制系统进行有效集成，满足用户对于电能、热能和制冷联合供能的需要，并通过配电网并网运行，最终形成一个可以并网运行也可以单独运行的灵活系统。根据hep内部各单元的运行特征来制定最优调度方案，对hep内多能源进行优化调度，可实现多种能源互补和可再生能源的充分消纳利用，降低系统运行成本。然而，hep是一个含有多种能源输入、多种产品输出和多种能源转换单元的非同性复杂体，涉及到电/气/冷/热环节的相互转换与互补优化，急需新的调度方法。
有关园区混合能源系统优化调度方法的研究已取得了一定的进展。相关专家从不同角度提出园区混合能源系统的优化调度方法。与传统电力型园区混合能源系统相比，hep存在通过多能源环节协调调度来提高降低供能成本的迫切需求，当前对hep中电气冷热不同能源形式之间的转换形式目前尚缺乏有效的模型进行统一描述，导致调度方案保守。
通过对如下相关文献：1、智能电网创新示范区能源互联网评估指标及评价方法[j].电力系统及其自动化学报,2016,28(1):39-45；2、aheuristicoperationstrategyforcommercialbuildingparkscontainingevsandpvsystem[j].ieeetransactionsonindustrialelectronics，2015，62(4)：2560-2570；3、对我国综合能源系统发展的思考[j].电力建设,2015,36(1):16-25；4、含热电联产热电解耦运行方式下的微网能量综合优化[j].电力系统及其自动化学报,2016,28(1):51-57；5、冷电联供系统的多目标运行优化[j].电力系统及其自动化学报,2016,28(5):62-68；6、冷热电联供园区混合能源系统优化调度通用建模方法[j].中国电机工程学报，2013，33(31)：26-33；7、hierarchicalenergymanagementsystemformulti-sourcemulti-productparks[j].renewableenergy，2015，78：621-630；8、混合储能的微电网能量管理系统控制策略[j].电力系统及其自动化学报,2016,28(10):85-91；9、采用模糊自修正粒子群算法的碳排放权交易冷热电多目标调度[j].中国电机工程学报，2014，34(34)：6119-6126；10、响应峰谷电价的冷热电联供系统优化调度[j].电力系统及其自动化学报,2016,28(4):25-30；11、optimalschedulingofbuildingswithenergygenerationandthermalenergystorageunderdynamicelectricitypricingusingmixed-integernonlinearprogramming[j].appliedenergy，2015，147：49-58；12、融合需求侧虚拟储能系统的冷热电联供楼宇园区混合能源系统优化调度方法[j].中国电机工程学报，2017，37(2):581-590，本专利内容与相关文献具有本质的不同，具有专利法所说的创造性。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于能源集线器的园区混合能源系统优化调度方法，该方法中所述的能源集线器是一个包含多种形式能量的转化、传输以及存储的控制单元；该方法中所述园区混合能源系统由三个相同配置的能源集线器组成，各个能源集线器由电网和天然气网络连接，电网由电网燃气轮机以及分布式的光伏发电为能源集线器的电力输入端口pe1，pe2，pe3供电；天然气网络由一个天然气网络n供应并送到能源集线器的天然气输入端口pg1，pg2，pg3；节点1-2和1-3之间的天然气联络管道上装设有压缩机c12及压缩机c13，为天然气的流动提供压力，天然气网络管道的压缩机由燃气轮机驱动，电网中提供冷热气源的负荷设备为中央空调，同时采用储热装置来储能；该方法中hep是以一个电网和一个天然气网络构成的hep为建模模型，其特征在于：该方法包括步骤如下：
(1)能源集线器内部的功率交换建模
对于一个单输入单输出的能量变换装置来说，输入与输出的关系为：
lβ＝cαβpα(1)
式中：pα和lβ分别为系统稳态的输入和输出；cαβ为输入和输出之间的耦合系数，包含多个能量变换装置和多种能源形式的hep，则通过一个耦合矩阵c来描述输入与输出的耦合关系，即：
向量p和l分别为hep的输入和输出，耦合矩阵c中的耦合系数不仅与转换装置的转换效率有关，还与能源在不同转换装置中的分配系数有关，这里引进一个能源分配系数ν，0≤ν≤1，如，νp表示直接供应电力负荷的电能，(1-ν)pe则表示供应中央空调的电能；
设定燃气轮机和中央空调的电能的转换效率为常数，
其中：pe和pg分别是能源集线器与电网和天然气网的能源交互值；le和lh分别为能源集线器所供应的电负荷和热负荷，
写成矩阵的形式为：
(2)能源集线器中储能系统建模
hep采用储热装置来储能，在k时刻，电与热的交换功率mh,i(k)和储热装置中实际储存的能量eh,i(k)的关系为：
式中，
将储装置考虑进到式(5)中，可得公式(8)：
(3)能源集线器间的功率交换建模
在能源集线器系统之间的潮流，即在连接不同能源集线器系统的联络线上的潮流通过稳态方程来描述，对于电网和天然气网络，潮流模型是基于节点功率平衡来建立的，
①电网
电力潮流模型由节点复功率平衡来建立，在节点m，节点复功率平衡可以表示如下：
式中：sm为注入节点m的复功率；smn为流向和节点m相关联的所有节点的潮流，线路上的潮流由节点电压幅值u、向量以及线路参数来表示，
式中：ymn为线路mn的互导纳；ym0为节点m的自导纳；
②天然气管道网络
天然气网的管道网络的潮流模型也是根据节点流量平衡来建立的，以下的潮流方程适用于所有类型的等温管道的潮流计算，节点m的体积流量平衡公式如下：
式中：qm为注入节点m的天然气体积流量；qmn是管道的体积流量；pm和pn表示管道上游和下游的压力；kmn为表征管道和天然气流体的参数；tb为标准状态的温度，k；pb为标准状态的压力，kpa；dmn为管道内径，mm；tf为管道内燃气的温度，k；g为天然气相对与空气的比重；z为燃气的压缩因子；lmm为气体管道长度，km；fmn为气体管道的摩擦系数，无量纲，
smn表征管道中气体流动的方向，其具体计算如下：
天然气管道的压缩机由燃气轮机驱动，相应的功耗视为流入管道的额外的能量，压缩机的能耗为
qcom＝kcomqmn(pm-pk)(15)
式中：kcom为压缩机压缩比；pk为压缩机入口侧的压力；pm为压缩机出口侧的压力，
天然气管道的体积流量qmn对应电力潮流pmn，两者之间的关系为：
式中：k为天然气热值与电功率的转换系数；ghv为天然气的高热值，mj/nm3，qmn的单位为m3/h，pmn的单位为kw；因为1mj＝0.278kwh，所以式(16)中存在一个转化系数0.278；
(4)园区混合能源系统建模
园区混合能源系统由三个相同配置的能源集线器组成，各个能源集线器由电网和天然气网络连接，电网由电网以及分布式的光伏发电为能源集线器的电力输入端口pe1，pe2，pe3供电；天然气网由一个天然气网络n供应并送到能源集线器的天然气输入端口pg1，pg2，pg3；节点1-2和1-3之间的天然气联络管道上装设了压缩机c12，c13，为天然气的流动提供压力；
(5)日前优化调度模型
①目标函数
由于本专利建立的园区多能源混合系统模型分别由电网、天然气网络和光伏提供能源，所以目标函数采用总的购电成本与天然气消耗成本的和最小为目标函数，如式(17)所示，电价采用分时电价数据，
式中：cph,i表示第i小时的电价预测值；pi表示第i小时购入的电功率；cgas,i表示第i小时的天然气价预测值；pmt,i第i小时微燃机输出电功率，通过式(16)将天然气网络的体积流量等效为电力网络的潮流，因此将天然气网络的消耗特性等同于电力网络来处理，
②约束条件
日前优化调度模型的等式约束为电力网络的潮流方程(9)、天然气网络的流量方程(16)和能源集线器系统的平衡方程(5)组成的等式约束组成；
不等式约束由能源集线器的输入pi，电力网络和天然气网络的流量fa、分配因子vi、发电机电压幅值um和相角θm、发电机有功出力pei和无功出力qei、天然气管道压力pm以及压缩机出口压力与入口压力的比值kcp的限制组成；
0≤νi≤1(20)
(6)调度方案的获得
求解上述方程组，获得调度方案。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明的优化调度方法可充分挖掘电/冷/热不同能源形式之间的相互支撑能力，有助于提高hep运行的经济性；
2、本发明的调度方法实现了园区混合能源系统供能成本的明显降低，方法应用简单、快速，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明方法中能源集线器模型示意图；
图2是本发明方法中由天然气压缩机(c)和管道(p)组成的天然气管道模型；
图3是本发明中三互联能源集线器构成的园区混合能源系统结构示意图；
图4是本发明中酒店1月份负荷模型示意图；
图5是本发明中酒店8月份负荷模型示意图；
图6是本发明中学校1月份负荷模型示意图；
图7是本发明中学校8月份负荷模型示意图；
图8是本发明中商业中心1月负荷模型示意图；
图9是本发明中商业中心8月负荷模型示意图；
图10是本发明中1月份只有电力供应时调度方案示意图；
图11是本发明中1月份混合能源供应时调度方案示意图；
图12是本发明中8月份只有电力供应时调度方案示意图；
图13是本发明中电力、天然气和光伏的混合能源系统示意图。
具体实施方式
以下对本发明实施例做进一步详述：需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它实施方式，同样属于本发明保护的范围。
一种基于能源集线器的园区混合能源系统优化调度方法，其方法步骤如下：
名词定义及解释：
能源集线器：能源集线器是一个可以包含多种形式能量的转化、传输以及存储的控制单元，它是不同的能源设施与不同需求负荷之间的接口平台，能源集线器从宏观上看是连接微电网与大电网的一个控制中心或控制平台，可通过超短期负荷预测以及实时在线监测分布式能源、配电网的各项状态，对各发电侧和受控负荷进行优化控制，微观层面上，很多类似于工厂、大建筑群、农村、城市地区以及火车等等的基础能源设施都可以看作是能源集线器。
本专利申请的hep定义及解释：本专利申请中hep是以一个电网和一个天然气网络构成的hep为建模模型，园区多能源混合系统模型分别由电网、天然气网络和光伏提供能源，同时采用储热装置来储能，hep中不同能量潮流的耦合作用以及由此产生的系统间的相互作用可以通过能源集线器的概念来描述，如图1所示，一个典型的hep系统可抽象为一个或多个能源集线器模型，包含输入和输出，转换和存储各种能源载体功能的单元组成。
(1)能源集线器内部的功率交换建模
对于一个单输入单输出的能量变换装置来说，输入与输出的关系为：
lβ＝cαβpα(1)
式中：pα和lβ分别为系统稳态的输入和输出；cαβ为输入和输出之间的耦合系数，包含多个能量变换装置和多种能源形式的hep，则通过一个耦合矩阵c来描述输入与输出的耦合关系，即：
向量p和l分别为hep的输入和输出，由于一种形式的能源可能会进入到不同的能量转换装置中，例如在图1中的hep中电力同时进入到微型燃气轮机和中央空调中，耦合矩阵c中的耦合系数不仅与转换装置的转换效率有关，还与能源在不同转换装置中的分配系数有关，这里引进一个能源分配系数ν，0≤ν≤1，如，νp表示直接供应电力负荷的电能，(1-ν)pe则表示供应中央空调的电能；
本专利设定燃气轮机和中央空调的转换效率为常数，
其中：pe和pg分别是能源集线器与电网和天然气网的能源交互值；le和lh分别为能源集线器所供应的电负荷和热负荷，
写成矩阵的形式为：
(2)能源集线器中储能系统建模
本专利hep采用储热装置来储能，在k时刻，电与热的交换功率mh,i(k)和储热装置中实际储存的能量eh,i(k)的关系为：
式中，
将储装置考虑进到式(5)中，可得公式(8)：
(3)能源集线器间的功率交换建模
在能源集线器系统之间的潮流，即在连接不同能源集线器系统的联络线上的潮流可通过稳态方程来描述，对于电网和天然气网，潮流模型是基于节点功率平衡来建立的，
①电网
电力潮流模型由节点复功率平衡来建立，在节点m，节点复功率平衡可以表示如下：
式中：sm为注入节点m的复功率；smn为流向和节点m相关联的所有节点的潮流，线路上的潮流由节点电压幅值u、向量以及线路参数来表示，
式中：ymn为线路mn的互导纳；ym0为节点m的自导纳；
②天然气管道网络
天然气网的管道网络的潮流模型也是根据节点流量平衡来建立的，以下的潮流方程适用于所有类型的等温管道的潮流计算，节点m的体积流量平衡公式如下：
式中：qm为注入节点m的天然气体积流量；qmn是管道的体积流量；pm和pn表示管道上游和下游的压力；kmn为表征管道和天然气流体的参数；tb为标准状态的温度，k；pb为标准状态的压力，kpa；dmn为管道内径，mm；tf为管道内燃气的温度，k；g为天然气相对与空气的比重；z为燃气的压缩因子；lmm为气体管道长度，km；fmn为气体管道的摩擦系数，无量纲，
smn表征管道中气体流动的方向，其具体计算如下：
天然气管道的压缩机需要能量来驱动，如果由微型燃气轮机驱动压缩机，相应的功耗可以视为流入管道的额外的能量，如图2所示，压缩机的能耗为
qcom＝kcomqmn(pm-pk)(15)
式中：kcom为压缩机压缩比；pk为压缩机入口侧的压力；pm为压缩机出口侧的压力，
天然气管道的体积流量qmn对应电力潮流pmn，两者之间的关系为：
式中：k为天然气热值与电功率的转换系数；ghv为天然气的高热值，mj/nm3，qmn的单位为m3/h，pmn的单位为kw；因为1mj＝0.278kwh，所以式(16)中存在一个转化系数0.278；
(4)园区混合能源系统建模
本专利中含电力网和天然气网的园区混合系统是基于几个相互联系的能源集线器系统来建模的，因此，能源集线器代表电力生产者，消费者和传输设施之间的接口，如图3所示，是园区混合能源系统的构成，系统由三个相同配置的能源集线器组成，各个能源集线器由交流电网和天然气网络连接，电力网由电网以及分布式的光伏发电为能源集线器的电力输入端口pe1，pe2，pe3供电；天然气网由一个天然气网络n供应并送到能源集线器的天然气输入端口pg1，pg2，pg3；节点1-2和1-3之间的天然气联络管道上装设了压缩机c12，c13，为天然气的流动提供压力；
(5)日前优化调度模型
①目标函数
由于本专利建立的园区多能源混合系统模型分别由电网、天然气网络和光伏提供能源，所以目标函数采用总的购电成本与天然气消耗成本的和最小为目标函数，如式(17)所示，电价采用分时电价数据，
式中：cph,i表示第i小时的电价预测值；pi表示第i小时购入的电功率；cgas,i表示第i小时的天然气价预测值；pmt,i第i小时微燃机输出电功率，通过式(16)将天然气网络的体积流量等效为电力网络的潮流，因此将天然气网络的消耗特性等同于电力网络来处理，
②约束条件
日前优化调度模型的等式约束为电力网络的潮流方程(9)、天然气网络的流量方程(16)和能源集线器系统的平衡方程(5)组成的等式约束组成；
不等式约束由能源集线器的输入pi，电力网络和天然气网络的流量fa、分配因子vi、发电机电压幅值um和相角θm、发电机有功出力pei和无功出力qei、天然气管道压力pm以及压缩机出口压力与入口压力的比值kcp的限制组成；
0≤νi≤1(20)
(6)调度方案的获得
求解上述方程组，获得调度方案。
具体实例及效果对比
(1)园区多能源混合系统参数
①电力网络参数
本专利采用模型的电力网络共包括三个节点，节点1为电网与多能源混合系统的接口，设为平衡节点；节点2接入了分布式光伏发电，在光伏出力的时候为pv节点，在光伏不出力的时候为pq节点；节点3为pq节点，电网的电压为10.5kv。具体参数见表1与表2。
表1电力节点参数
表2电力线路参数
②天然气网络参数
天然气管道参数见表3：
表3天然气管道参数
本专利选择8500kcal/nm3＝35.56mj/nm3作为天然气热值转换标准，因此根据式(16)有pmn＝127.91qmn，本专利将天然气网络的流量通过天然气热值转化为电力潮流去进行优化，整个系统的基准功率为sb＝1mva，将式pmn转换为标幺值如下：
根据式(13)和表3可得具体天然气网络计算参数如表4所示；园区多能源混合系统的其他参数如表5所示。
表4天然气网络计算参数
表5园区混合能源系统的其他参数
③电价参数
本专利电价数据参考，在优化计算中采用分时电价的模型，天然气1月份的价格为0.0425$/kwh，8月份的价格为0.0405$/kwh，1月份和8月份的电价的具体数据见表6。天然气的数据随季节性有明显的变化，和气源的采集量有关，本专利是综合能源系统，可以通过燃气发电，并将余热利用，故包含了天然气的价格，以余电一起进行优化，
表61月份和8月份的电价数据
④负荷参数
本专利中的多能源混合网络共有3个能源集线器系统，图3中能源集线器1的负荷为酒店负荷，能源集线器2的负荷为学校负荷，能源集线器3的负荷为商业中心负荷，三种负荷模型均为某一个典型日的负荷模型。酒店负荷1月份和8月份模型分别见图4和图5；学校负荷1月份和8月份模型分别见图6和图7；商业中心负荷1月份和8月份模型分别见图8和图9。
(2)仿真结果
以图3中三互联能源集线器组成的园区混合能源系统为例对日前优化调度算法进行验证。
①1月份调度结果
1)只有电力供应
此时能源集线器系统的能量供应只有电力，没有天然气，调度结果如图10所示，此时系统目标函数值为：2411.2$，从图中可以看到系统中天然气网络没有出力。
2)电力、天然气和光伏联合供应
系统包括电能、天然气和光伏，如图3所示，2节点接入了光伏电源，在光伏电源出力的时候将该节点视为pv节点，光伏不出力的时候将该节点视为pq节点，通过优化得到如图11的调度方案，此时系统目标函数值为：2308.4$。
②8月份调度结果
8月份只有电力供应时的调度结果如图12所示，系统目标函数值为：2854.5$，多能源联合供应调度方案如图13所示，系统目标函数值为：2467.6$。
(3)调度方案对比
不同月份两种供能模式下的调度成本对比如表7所示，
表7不同月份两种供能模式下的调度成本对比
可以看到，只有电力供应时和多能源联合供应时相比，前者明显的供能成本较高，可见园区混合能源混合系统较单个形式的能源系统来讲综合供能成本得到明显降低。