一种凸包经济运行域的求解方法及装置、电子设备

1.本发明属于大电网精细化智能调度技术领域，尤其涉及一种凸包经济运行域的求解方法及装置、电子设备。


背景技术：

2.近年来，环境污染、能源安全等问题日益显著，世界各国积极探索能源转型技术，寻求能源的可持续发展。中国提出2030年实现“碳达峰”与2060年实现“碳中和”的战略目标。高效利用清洁可再生能源是实现“双碳”目标的重要途径。然而，风电、光伏等新能源发电具有间歇性、强不确定性等特点，可控性差，为电网调度计划的制定带来了新的挑战。
3.在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：为保电网安全，传统调度计划一般是基于极端运行工况而制定的较为保守的确定性机组出力曲线，因此当新能源实际出力偏离预测值较多时，容易导致弃风弃光，限制了电网新能源渗透率的进一步提升。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本技术实施例的目的是提供一种凸包经济运行域的求解方法及装置、电子设备，目的在于针对新能源实际出力偏离预测值较多时，传统调度计划制定策略容易导致弃风弃光，限制了电网新能源渗透率进一步提升的现状，提出一种电网凸包经济运行域的双层迭代求解方法。支撑大电网精细化智能调度的实现，在保证电网安全的基础上，兼顾新能源消纳。
5.根据本技术实施例的第一方面，提供一种凸包经济运行域的求解方法，包括：将电网的基础优化调度模型转换为紧凑形式；将紧凑形式的基础优化调度模型转化为等价的kkt条件形式；根据等价的kkt条件形式的基础优化调度模型，构造单层优化的凸包经济运行域判据，以判断当前凸包是否已经覆盖所有经济运行点；根据所述凸包经济运行域判据，完成凸包经济运行域的求解。
6.进一步地，紧凑形式的基础优化调度模型(1)包括：目标函数：约束条件约束条件式中，为常规发电机出力组成的列向量；为新能源出力组成的列向量；为元素均为1的列向量；为元素均为0的列向量；a、b、c、h、j、k、m、n、q为相应的系数矩阵；t表示矩阵的转置。
7.进一步地，等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：地，等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：地，等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：地，等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：地，等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：式中，和为拉格朗日乘数组成的列向量；表示对角线元素为的对角矩阵。
8.进一步地，根据等价的kkt条件形式的基础优化调度模型，构造凸包经济运行域判据，包括：s21：根据等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)，提出用于判断当前凸包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：式中，表示双层优化的凸包经济运行域判据的求解结果，为不小于0的决策变量，为各时刻新能源最大预测出力组成的向量，为各时刻新能源最小预测出力组成的向量，和为t时刻当前凸包的半空间表示形式参数；s22：将等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)中的转化为线性混合整数等价形式(4)，具体如下：转化为线性混合整数等价形式(4)，具体如下：式中，m为足够大的常数；s23：将经过步骤s22转化后的凸包经济运行域判据写成紧凑形式(5)，具体如下：s23：将经过步骤s22转化后的凸包经济运行域判据写成紧凑形式(5)，具体如下：s23：将经过步骤s22转化后的凸包经济运行域判据写成紧凑形式(5)，具体如下：式中，，是由组成的列向量，a1、a2、a3、a4、a5、a6为相应系数
矩阵；s24：将步骤s23得到的紧凑形式(5)写成kkt条件形式，得到单层优化的凸包经济运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：式中，为拉格朗日乘数组成的列向量。
9.进一步地，根据所述凸包经济运行域判据，完成凸包经济运行域的求解，包括：s31：设置收敛判据和滚动计算时间段数；s32：根据基础优化调度模型和风电出力预测值，计算忽略不确定性的初始最优调度计划；s33：生成初始凸包，对于t时段的初始调度计划，保证计算精度的前提下，在其邻域内随机生成一个包含的尽可能小的初始单纯形，设单纯形的顶点集合为，并基于快速凸包算法计算其半空间表示形式；s34：根据凸包经济运行域判据计算，得到t时段凸包经济运行域的扩展顶点，若，则更新，若，则执行步骤s36；s35：基于快速凸包算法计算的半空间表示形式，并返回至步骤s34；s36：输出t时刻当前凸包的半空间表示形式参数和，从而得到凸包经济运行域(7) ：。
10.根据本技术实施例的第二方面，提供一种凸包经济运行域的求解装置，包括：转换模块，用于将电网的基础优化调度模型转换为紧凑形式；转化模块，用于将紧凑形式的基础优化调度模型转化为等价的kkt条件形式；构造模块，用于根据等价的kkt条件形式的基础优化调度模型，构造单层优化的凸包经济运行域判据，以判断当前凸包是否已经覆盖所有经济运行点；求解模块，用于根据所述凸包经济运行域判据，完成凸包经济运行域的求解。
11.根据本技术实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的凸包经济运行域的求解方法。
12.根据本技术实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述的凸包经济运行域的求解方法的步骤。
13.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：由上述实施例可知，本技术一方面，可以用来实时评估电网运行经济性，另一方面，可以通过圈定电网最优调度计划集合，并与基于人工智能的实时调度算法相结合，实现大电网的高分辨率精细化调度，具有较好的应用前景。
14.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
15.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
16.图1是根据一示例性实施例示出的一种凸包经济运行域的求解方法的流程图。
17.图2是根据一示例性实施例示出的步骤s13的流程图。
18.图3是根据一示例性实施例示出的步骤s14的流程图。
19.图4是根据一示例性实施例示出的ieee-9测试系统的示意图。
20.图5是根据一示例性实施例示出的新能源出力预测误差为
±
65%时ieee-9测试系统凸包经济运行域的可视化结果示意图，其中图5中的(a)为t=1时的可视化结果示意图，图5中的(b)为t=2时的可视化结果示意图，图5中的(c)为t=3时的可视化结果示意图，图5中的(d)为t=4时的可视化结果示意图。
21.图6是根据一示例性实施例示出的新能源出力预测误差为
±
45%时ieee-9测试系统凸包经济运行域的可视化结果示意图，其中图6中的(a)为t=1时的可视化结果示意图，图6中的(b)为t=2时的可视化结果示意图，图6中的(c)为t=3时的可视化结果示意图，图6中的(d)为t=4时的可视化结果示意图。
22.图7是根据一示例性实施例示出的新能源出力预测误差为
±
25%时ieee-9测试系统凸包经济运行域的可视化结果示意图，其中图7中的(a)为t=1时的可视化结果示意图，图7中的(b)为t=2时的可视化结果示意图，图7中的(c)为t=3时的可视化结果示意图，图7中的(d)为t=4时的可视化结果示意图。
23.图8是根据一示例性实施例示出的一种凸包经济运行域的求解装置的框图。
具体实施方式
24.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
25.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
26.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离
本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
27.图1是根据一示例性实施例示出的一种凸包经济运行域的求解方法的流程图，如图1所示，该方法应用于电网中，可以包括以下步骤：步骤s11：将电网的基础优化调度模型转换为紧凑形式；步骤s12：将紧凑形式的基础优化调度模型转化为等价的kkt条件形式；步骤s13：根据等价的kkt条件形式的基础优化调度模型，构造单层优化的凸包经济运行域判据，以判断当前凸包是否已经覆盖所有经济运行点；步骤s14：根据所述凸包经济运行域判据，完成凸包经济运行域的求解。
28.由上述实施例可知，本技术一方面，可以用来实时评估电网运行经济性，另一方面，可以通过圈定电网最优调度计划集合，并与基于人工智能的实时调度算法相结合，实现大电网的高分辨率精细化调度，具有较好的应用前景。
29.步骤s11：将电网的基础优化调度模型转换为紧凑形式；具体地，紧凑形式的基础优化调度模型(1)包括：目标函数：约束条件约束条件式中，为常规发电机出力组成的列向量；为新能源出力组成的列向量；为元素均为1的列向量；为元素均为0的列向量；a、b、c、h、j、k、m、n、q为相应的系数矩阵；t表示矩阵的转置。
30.在本实施例中，该基础优化调度模型仅针对电网有能力全额消纳新能源的工况。
31.具体地，将电网的基础优化调度模型转换为紧凑形式更利于后续的计算过程。
32.步骤s12：将紧凑形式的基础优化调度模型转化为等价的kkt条件形式；具体地，等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)包括：式中，和为拉格朗日乘数组成的列向量；表示对角线元素为的对角矩阵。
33.因此，给定新能源出力即可根据kkt条件（2）求出基础优化调度模型f对应的机组最优出力计划p
*
。
34.具体地，这里是推导出的kkt条件，只需将与具体算例相对应的数据代入即可，是
为后续提出凸包经济判据提供相关约束条件。
35.步骤s13：根据等价的kkt条件形式的基础优化调度模型，构造单层优化的凸包经济运行域判据，以判断当前凸包是否已经覆盖所有经济运行点；具体地，如图2所示，此步骤可以包括以下子步骤：步骤s21：根据等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)，提出用于判断当前凸包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：包是否已经覆盖所有经济运行点的凸包经济运行域判据(3)，具体如下：式中，表示双层优化的凸包经济运行域判据的求解结果，为不小于0的决策变量，为各时刻新能源最大预测出力组成的向量，为各时刻新能源最小预测出力组成的向量，和为t时刻当前凸包的半空间表示形式参数。
36.在等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)中，是互补松弛条件，为非线性非凸约束，现有优化算法难以直接精确求解，因此需要将其转化为如下线性混合整数等价形式。
37.步骤s22：将等价的kkt条件形式的基础优化调度模型(2)中的转化为线性混合整数等价形式(4)，具体如下：转化为线性混合整数等价形式(4)，具体如下：式中，m为足够大的常数；是0-1整数变量，是一种数学处理技巧，通过引入整数变量，把原来的两个连续变量的乘积转变成了线性混合整数形式，为的是便于求解。
38.s23：将经过步骤s22转化后的凸包经济运行域判据写成紧凑形式(5)，具体如下：s23：将经过步骤s22转化后的凸包经济运行域判据写成紧凑形式(5)，具体如下：s23：将经过步骤s22转化后的凸包经济运行域判据写成紧凑形式(5)，具体如下：式中，，是由组成的列向量，a1、a2、a3、a4、a5、a6为相应系数矩阵。
39.由于上述凸包经济运行域判据是一个双层优化问题，直接求解是“np-hard”问题，因此，需先将其转化为单层问题。凸包经济运行域判据内层的决策变量只有，是一个线性
规划问题，可以再次写成其kkt条件形式，且同样可以将产生的互补松弛条件改写成其等价形式，得到单层优化判据。
40.s24：将步骤s23得到的紧凑形式(5)写成kkt条件形式，得到单层优化的凸包经济运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：运行域判据(6)，具体如下：式中，为拉格朗日乘数组成的列向量；的含义同上述，此处不作赘述。
41.步骤s14：根据所述凸包经济运行域判据，完成凸包经济运行域的求解。
42.具体地，如图3所示，此步骤可以包括以下子步骤：步骤s31：设置收敛判据和滚动计算时间段数；具体地，收敛判据用于判断是否收敛，当满足，则算法停止迭代；步骤s32：根据基础优化调度模型和风电出力预测值，计算忽略不确定性的初始最优调度计划；具体地，提供了计算t时刻凸包经济运行域的初始潮流状态。
43.步骤s33：生成初始凸包，对于t时段的初始调度计划，保证计算精度的前提下，在其邻域内随机生成一个包含的尽可能小的初始单纯形，设单纯形的顶点集合为，并基于快速凸包算法计算其半空间表示形式；具体地，生成初始凸包是应用快速凸包算法的基础，生成尽可能小的初始凸包，有利于后续得到更精确的凸包经济运行域。
44.步骤s34：根据凸包经济运行域判据计算，得到t时段凸包经济运行域的扩展顶点，若，则更新，若，则执行步骤s36；具体地，通过这种迭代扩展凸包顶点的方式，可以逐步生成凸包经济运行域。
45.步骤s35：基于快速凸包算法计算的半空间表示形式，并返回至步骤s34；步骤s36：输出t时刻当前凸包的半空间表示形式参数和，从而得到凸包经济运行域(7) ：。
46.具体地，凸包的半空间表示形式可以直接将当前凸包经济运行域边界以约束条件的形式写入凸包经济运行域判据（双层优化问题），从而可通过求解凸包经济运行域判据得到下一个扩展顶点。
47.本实施例基于修改的含3台常规机组的ieee-9测试系统，在三维空间内以可视化的方式证明所提算法的有效性。为方便可视化，结合工程实际，本发明以滚动计算未来2h电
和g3对应的最优出力分别达到表3中的最大值80.66mw和56.78mw，而发电机g1对应的最优出力只有45.06mw。当新能源w1和w2有功出力序列为表4中的场景4时，发电机g1对应的最优出力达到表3中的最大值64.87mw，而发电机g2和g3对应的最优出力分别只有68.96mw和48.67mw。可见，虽然3台发电机在t=1时刻的出力范围分别为30.00mw~64.87mw、37.48mw~80.66mw和30.00mw~56.79mw，但是由于考虑了潮流约束、爬坡约束和发电机运行成本等因素，最优调度计划并不一定会同时取到所有发电机出力的边界值，当新能源出力发生变化时，电网最优运行点的变化通常是各发电机运行点的联动变化。结合上述分析可知，凸包经济运行域能够较好地刻画发电机运行点之间的联动关系。结合凸包经济运行域计算结果、图5和表3，不难看出，在t=2、3、4以及新能源预测误差为
±
45%和
±
25%时，凸包经济运行域均能够较好地刻画各发电机运行点之间的联动关系。
51.表4
ꢀꢀ
新能源极端场景此外，随着新能源预测误差降低，凸包经济运行域也会明显缩小。如图5、6所示，当新能源预测误差为
±
45%时，图6所示的凸包经济运行域明显小于图5所示的凸包经济运行域。如图7所示，当新能源预测误差为
±
25%时，t=1时刻的凸包经济运行域缩小至近似一条短线段（只是形状近似，本质上仍为三维凸包），t=2和t=4时刻的凸包经济运行域缩小至近似一个小平面（只是形状近似，本质上仍为三维凸包）。新能源出力不确定性越小，凸包经济运行域的范围就越小，当新能源出力预测误差为0时，各时刻的凸包经济运行域将缩小至一个最优运行点。
52.与前述的凸包经济运行域的求解方法的实施例相对应，本技术还提供了凸包经济运行域的求解装置的实施例。
53.图8是根据一示例性实施例示出的一种凸包经济运行域的求解装置框图。参照图8，该装置可以包括：转换模块21，用于将电网的基础优化调度模型转换为紧凑形式；转化模块22，用于将紧凑形式的基础优化调度模型转化为等价的kkt条件形式；构造模块23，用于根据等价的kkt条件形式的基础优化调度模型，构造单层优化的凸包经济运行域判据，以判断当前凸包是否已经覆盖所有经济运行点；求解模块24，用于根据所述凸包经济运行域判据，完成凸包经济运行域的求解。
54.关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
55.对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本技术方案的目的。本领域普通技术人员在不付
出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
56.相应的，本技术还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的凸包经济运行域的求解方法。
57.相应的，本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的凸包经济运行域的求解方法。
58.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
59.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。