一种高速公路自洽能源系统的体系架构方法

本发明属于电力系统调度自动化，具体涉及一种高速公路自洽能源系统的体系架构方法。

背景技术：

1、高速公路具有跨越距离远、上下行延伸特点，呈现狭长型特征，目前的高速公路能源供给主要是通过就近取电的方式，但无法满足全路段高功率密度、高可靠性、高品质、高环保用能需求的智慧高速公路发展需求；并且服务区微电网一般负荷需求大，但可利用风光资源较少；高速公路上下行沿边路段的负荷一般是监控、照明等小负荷设施，沿线边坡的可利用可再生资源丰富；利用高速公路沿线路段丰富的风光资源，结合风电设备和光伏设备进行沿线基础设施和服务区房屋屋顶及停车棚等基础设施的资产能源化，并配合储能设备与微型燃气轮机，通过联系高速公路服务区及沿线路段的微电网群，形成高速公路自洽能源系统，考虑之间的功率交互、能量互济，实现服务区微电网与沿线路边微电网的共同能源自洽。

2、通过对高速公路自洽能源系统中的高速公路服务区及上下沿线路段微电网群的协同运行优化，其涌现功能就体现在整体系统的运行成本降低，与此同时考虑各子微电网对整体涌现功能的贡献度，以反映各子微电网的相对重要性，通过此指标为运行管理人员构建高速公路自洽能源系统的体系架构实现运行优化管理提供重要参考依据。

3、现有技术中已存在一些适用于体系架构的优化方案，但基本都只考虑到整体框架的规划，并且在高速公路场景下的体系架构优化方法仍处于空白阶段，其余关于高速公路自洽能源系统的体系架构构建方法论中，很少将高速公路服务区作为微电网进行考虑，也很少在考虑高速公路能源自洽的时候将高速公路服务区看做多微电网系统进行规划调控。

4、综上，现有技术中的高速公路能源系统的体系架构方法，自洽度低，成本高，效率低，存在很大的提升空间。

5、发明目的

6、本发明的目的就在于提供一种一种高速公路自洽能源系统的体系架构方法，将高速公路自洽能源系统视为一个由若干个子微电网所组成的多微电网系统，比如将沿线路段、服务区、收费站以及两段服务区连接的跨线桥视为子微电网，通过考虑到光电转换、光热转换、充电桩、加氢站、能源自洽率等功率约束情况下，调节各子微电网与子微电网之间以及与配电网之间的功率交互，从而达到在尽量满足高速公路服务区附近的能源自洽下，减少远距离输电的功率消耗与投资，实现整体高速公路自洽能源系统的运行成本减少，从而实现对高速公路自洽能源系统的体系架构优化方法。

技术实现思路

1、本发明公开了一种高速公路自洽能源系统的体系架构方法，所述自洽能源系统为由若干个子微电网所组成的多微电网系统，所述体系架构方法包括以下步骤：

2、步骤1、利用高速公路路网、服务区的路域资源的可再生能源进行发电，利用交直流输配电技术与先进储能技术为高速公路的路域基础设施、载运工具及服务设施进行供电，从而构建普适于不同场景下的高速公路自洽能源系统的体系架构；

3、步骤2、分别对各个子微电网建立能量管理模型，利用列约束生成算法c&cg求解各子微电网单独运行时，即只与配电网进行购售电交易，在最恶劣条件下运行成本最低时，求得各子微电网与配电网之间的购售电状态与此时的运行成本；

4、步骤3、构建考虑所述多微电网系统的各子微电网之间功率交互时的功率流动模型，求解得到考虑多微电网系统整体的功率交互时，高速公路自洽能源系统的运行成本最小值与此时各子微电网对此涌现收益的贡献度。

5、优选地，将高速公路沿线路段、服务区、收费站以及两段服务区连接的跨线桥视为子微电网，通过考虑到光电转换、光热转换、充电桩、加氢站、能源自洽率这些功率约束情况下，调节各子微电网与子微电网之间以及与配电网之间的功率交互，达到在尽量满足高速公路服务区附近的能源自洽下，减少远距离输电的功率消耗与投资，实现整体高速公路自洽能源系统的运行成本减少，从而完成对其体系架构的优化。

6、优选地，步骤2中所述分别对各个子微电网建立能量管理模型具体包括以下子步骤：

7、步骤s211、初始化日前预测数据，包括风光发电与需求预测数据，分别给定波动误差，定义为不确定变量μ，作为最初始场景；

8、步骤s212、搭建以包括微型燃气轮机运行成本、储能装置运行成本、需求响应负荷成本、微电网与配电网之间功率交互的运行成本的子微电网运行成本为目标函数的子微电网能量管理模型，表示为如式(1)所示：

9、

10、式(1)中，cg(t)、cs(t)、cm(t)、cdr(t)分别为微型燃气轮机的运行成本、储能装置的运行成本、需求响应负荷成本和配电网交互成本，a、b为微型燃气轮机的成本系数，ks为折算后的单位充放电成本，分别表示t时段储能逆变器交流侧输入/输出的充电/放电功率，η为储能装置的充放电效率，λ(t)为分时电价，分别为t时刻微电网向配电网的购售电功率，kdr为折算后的单位负荷需求响应成本，pdr(t)、分别为t时刻微电网对需求响应负荷的实际调度功率和期望用电功率；

11、考虑式(2)-(8)所述约束条件：

12、

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15、

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17、

18、

19、其中，式(2)表示微型燃气轮机的输出功率约束，其中，分别表示上下极限；式(3)表示储能设备的充放电状态约束，其中，us(t)为状态变量，为最大充放电功率；式(4)表示储能在调度的始末时刻容量约束，其中，nt为调度周期；式(5)表示储能各时段的剩余容量约束，其中，es(0)为储能在调度初始时刻的容量，和分别为储能在调度过程中允许的最大和最小剩余容量；式(7)表示负荷需求响应中的用电特性约束，其中ddr为需求响应负荷在调度周期内的总用电需求；

20、步骤s213、为各子微电网分别建立独立的两阶段鲁棒优化模型，具体表示为其外层的最小化为一阶段问题，内层的最大最小化为第二阶段问题，通过对偶变化并引入辅助变量进行对偶线性化处理后，将内层问题转化为最大化问题，然后考虑式(2)-(8)所述约束条件后综合求解，得到最佳调度方案，具体过程如下：

21、在式(1)所述目标函数和式(2)-(8)所述约束条件在不考虑风光出力和负荷需求的不确定性时，将第一阶段问题表示为矩阵形式，如式(9)、(10)所示：

22、

23、

24、式(9)-(10)中，x、y分别为状态变量，d、k、f与g、iu分别代表不等式约束、等式约束、状态约束以及光伏与负荷的预测出力的系数矩阵，d、k、h为常数列向量：

25、求解max-min子问题，所述内层的最大最小化问题通过对偶变化后，将最小化转化为max形式，表示为如式(11)所示：

26、

27、式(11)中，γ、λ、ν、π分别表示第二阶段的最小化问题中各约束对应的对偶变量；引入二次制变量b＝[bwt(t),bpv(t),bl(t)]t与连续辅助变量b′＝[b′wt(t),b′pv(t),bl′(t)]t，将式(11)转变为式(12)所示：

28、

29、优选地，步骤2进一步包括以下子步骤：

30、步骤s221、基于所构建的子微电网的能量管理模型，将其双层问题迭代关系表示为如式(13)所示：

31、

32、式(13)中，k为当前迭代次数，yl为第l次迭代后第二阶段问题的解，为第l次迭代后第二阶段问题所得到的最恶劣场景下不确定变量u的取值；

33、步骤s222、采用列约束生成算法c&cg求解各子微电网的能量管理模型，包括，将原始风光预测数据与负荷预测数据作为初始的最恶劣场景，设定最终调度方案对应的运行成本下界lb为-∞，上界ub为+∞，进行求解主问题，得到最优解后将其作为新的下界lb，并将调度方案x代入子问题中进行最优化求解，得到的子问题目标函数值作为新的上界ub，给定算法的收敛阈值，若ub-lb小于一个常数时，停止迭代，否则，将子问题得出的相应的最恶劣场景下不确定变量u*的取值代入主问题，继续迭代求解，直至最终收敛。

34、优选地，步骤3进一步包括以下子步骤：

35、步骤s31、根据步骤1所求得的独立运行时各子微电网与配电网之间的购售电状态作为步骤2的各子微电网的功率缺额与盈余值，以考虑多微电网内各个子微电网之间的功率交互后，所有微电网与配电网之间的购售电成本与子微电网之间的功率损耗成本之和为目标函数，表示为如式(14)所示：

36、

37、式(14)中，分别为考虑多微电网内各个子微电网之间的功率交互后，各微电网与配电网之间的购售电情况；closs为子微电网之间功率交互的单位损耗成本，分别为子微电网i与子微电网j之间的购售电功率；

38、步骤s32、考虑多微电网系统层功率交互模型的状态约束以及联络线的功率约束为约束条件，表示为如式(15)-(19)所示：

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44、其中，式(15)表示配电网与子微电网及子微电网与子微电网之间功率交互的约束关系，pit为配电网向微电网流入的有功功率；式(16)表示微电网向配电网的购售电状态约束与联络线功率约束，rit为状态变量；式(17)表示微电网i与微电网j之间的购售电状态约束及其联络线最大功率约束，为状态变量；式四表示微电网i与微电网j之间的购售电关系；

45、步骤s33、根据子步骤s21和子步骤s22所建立的目标函数及约束条件，求解得到考虑整体系统的功率交互时，高速公路自洽能源系统的运行成本最小值；应用shapley值法按照各个子微电网对整体高速公路自洽能源系统的边际贡献率将利益进行分配，即子微电网i所分得的利益等于该成员为他所参与系统创造的边际利益的平均值；

46、所述shapley值法指，成员i在参与s联盟时有(s|-1)！种排序，|s|表示联盟s所包含的成员数，而剩余n-s个成员的排序有(n-|s)！种，所有成员i参与的不同的排序组合除以n个成员的随机排序组合为成员i对于联盟整体所应分得利益得权重，记为成员i参与不同联盟s为自身参与联盟创造得边际贡献记为[v(s)-v(s\{i})]，那么成员i从总体利益v(n)所分得的利益表示为如式(20)所示：

47、

48、步骤s34：根据步骤s23所求得的各子微电网对整体高速公路自洽能源系统的涌现收益的贡献度，配置高速公路自洽能源系统的体系架构。