基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于混合整数二阶锥规划的电‑气耦合系统日前经济调度方法，以全天能量和备用的总费用最小为目标函数，考虑电力系统的约束条件、天然气系统的约束条件以及电‑气耦合与转换关系，建立了电‑气耦合系统日前经济调度的优化模型。在该模型的基础上，通过对输气管道稳态气流方程进行二阶锥松弛，建立了电‑气耦合系统日前经济调度的混合整数二阶锥规划模型，并求解得到了初始运行方案。针对天然气系统初始调度结果不精确的问题，建立了基于天然气系统稳态潮流计算方法的校正模型，从而对初始运行方案进行了修正。本发明专利技术实现了非凸非线性优化问题的准确求解，为电‑气耦合系统日前调度提供了可行、经济、精确的优化运行方案。

【技术实现步骤摘要】
基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法
本专利技术涉及一种电-气耦合系统日前经济调度方法，特别涉及基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法。
技术介绍
近年来，严重的环境污染问题加快了以清洁能源为燃料的燃气发电机组(燃气机组)的建设和开发。与此同时，美国页岩气技术的突破，大幅度降低了天然气成本，为燃气机组的发展提供了新的契机。与传统燃煤机组相比，燃气机组在性能上具有爬坡迅速、控制灵活等优点，因此在电力系统中常用于平衡实时负荷波动、缓解系统调峰压力。随着燃气机组的快速发展，以燃气机组为纽带、以电力网络和天然气网络为主要传输通道的电-气耦合系统引起了广泛的关注，成为提高能源综合利用效率、实现多能协调互补的重要技术手段。电-气耦合系统的相关研究主要从规划、运行与交易三个层面展开，其中电-气耦合系统的日前经济调度是运行层面的基本问题，旨在为调度人员提供一份满足系统运行要求且实现经济性最优的日前调度计划。与传统电力系统的日前经济调度相比，电-气耦合系统需要增加天然气网络的相关约束，其中输气管道的稳态气流方程表示为关于两端气压降落的复杂二次等式，从而导致电-气耦合系统的日前经济调度优化模型为非凸非线性的混合整数规划问题，难以直接求解。目前，为了解决上述问题，一般采用三种方法：第一种为智能算法，即利用传统或改进的遗传算法、粒子群算法等智能算法直接求解非凸非线性的优化模型；第二种为数值迭代法，例如牛顿-拉夫逊法、牛顿信赖域法等迭代方法可以解决稳态气流方程的非线性问题；第三种为分段线性化方法，通过对输气管道的稳态气流方程进行分段线性化，将原本非凸非线性的优化模型近似为混合整数线性规划问题，从而实现求解。目前，由于分段线性化方法具有算法简单、稳定性高、通用性强等优点，因此被大量应用于求解电-气耦合系统的优化问题。然而，分段线性化方法是一种近似法，难以得到电-气耦合系统日前经济调度的精确结果，其求解得到的天然气网络的节点气压以及输气管道的传输流量都存在较大的误差，不能满足天然气系统的网络运行要求，无法为电-气耦合系统的运行调度提供合理的指导与建议。为了提高计算精度，分段线性化方法需要增加分段数目，从而导致求解效率大大降低。因此，如何同时保证计算精度和求解效率，是目前电-气耦合系统日前经济调度所面临的一大挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：1)以全天能量和备用的总费用最小为目标函数，考虑电力系统的约束条件、天然气系统的约束条件以及电-气耦合与转换关系，建立电-气耦合系统日前经济调度的优化模型；所述天然气系统的约束条件包括输气管道的稳态气流方程；2)对所述优化模型中的输气管道的稳态气流方程进行二阶锥松弛，得到电-气耦合系统日前经济调度的混合整数二阶锥规划模型；3)求解所述混合整数二阶锥规划模型，得到电-气耦合系统日前经济调度的初始运行方案；4)基于天然气系统稳态潮流计算方法，建立电-气耦合系统日前经济调度的校正模型；5)通过求解所述校正模型，对所述初始运行方案中针对天然气系统的运行方案部分进行修正，得到电-气耦合系统日前经济调度的最优运行方案。所述最优运行方案包括两部分：第一部分为所述初始运行方案中针对电力系统的运行方案部分(电力系统精确调度结果)；第二部分为修正后的针对天然气系统的运行方案部分(天然气系统精确调度结果)。优选的，所述电力系统包括电力负荷、燃煤机组、燃气机组及输电线路；天然气系统包括天然气负荷、燃气机组等效负荷、气井、压缩机以及输气管道，其中，压缩机采用燃气轮机驱动；电力系统与天然气系统通过燃气机组进行耦合。优选的，所述目标函数表示为：其中，表示气井u在调度时段t的出气量，αu,t表示气井u在调度时段t的购气费用，以及分别表示燃煤机组j在调度时段t的输出功率、负荷备用以及事故备用，以及分别表示燃煤机组j在调度时段t的电能量购买费用、负荷备用购买费用以及事故备用购买费用，T表示调度时间间隔，Nt、Nsp以及Nc分别表示调度时段的总个数、气井的总个数以及燃煤机组的总个数。优选的，所述电力系统的约束条件包括功率平衡方程、燃煤机组的输出功率约束、燃气机组的输出功率约束、燃煤机组的爬坡率约束、燃气机组的爬坡率约束、负荷备用的响应时间约束、事故备用的响应时间约束、负荷备用的系统最小容量要求、事故备用的系统最小容量要求及输电线路的传输功率约束；优选的，所述天然气系统的约束条件还包括气网节点的气流平衡方程、气井的出气量约束、气网节点的气压约束、输气管道的传输流量限制、压缩机的耗气量约束、压缩机的压缩比约束以及压缩机的传输流量约束；所述电-气耦合与转换关系包括燃气机组输出功率、负荷备用和事故备用与耗气量之间的关系，气网节点的实际天然气负荷与燃气机组等效负荷之间的关系。优选的，所述步骤2)具体包括以下步骤：2.1)利用大M法和0-1变量对输气管道的稳态气流方程进行等效变换；2.2)对变换后得到的二次等式进行二阶锥松弛，得到稳态气流方程的不等式形式及分段不等式形式，将稳态气流方程的分段不等式形式进一步等效为分段二阶锥形式；2.3)根据所述分段二阶锥形式引入两个连续变量，利用大M法将这两个连续变量的分段约束转换为两组连续的线性约束，然后将这两个连续变量代入稳态气流方程的分段二阶锥形式中，得到输气管道稳态气流方程的二阶锥约束。优选的，所述电-气耦合系统日前经济调度的优化模型中，输气管道的稳态气流方程如下所示：其中，cp表示连接气网节点n′和n″的输气管道p的传输常数，Flp,t表示输气管道p在调度时段t的传输流量，sgn(n′,n″)p,t为符号函数，表示输气管道p在调度时段t的传输方向，πn′,t表示气网节点n′在调度时段t的气压值，πn″,t表示气网节点n″在调度时段t的气压值。优选的，所述电-气耦合系统日前经济调度的混合整数二阶锥规划模型中，输气管道的稳态气流方程表示为：其中，up,t以及vp,t表示对于输气管道p在调度时段t引入的两个连续变量，xp,t为0-1变量，当xp,t＝0时表示输气管道p在调度时段t的传输方向为从气网节点n′到气网节点n″，当xp,t＝1时表示输气管道p在调度时段t的传输方向为从气网节点n″到气网节点n′，M为一任意大而非无穷大的正数。优选的，所述电-气耦合系统日前经济调度的校正模型表示为：其中，Yt表示调度时段t的所有不平衡量组成的向量，ΔLt表示所有气网节点在调度时段t的气流不平衡量组成的向量，ΔFlt表示所有输气管道在调度时段t的传输流量不平衡量组成的向量，Δτ表示所有压缩机在调度时段t的耗气量不平衡量组成的向量，Δπt表示所有压缩机在调度时段t的气压不平衡量组成的向量，Xt表示调度时段t的所有状态变量组成的向量，πt表示除气压参考节点以外的所有气网节点在调度时段t的气压值组成的向量，Flt表示所有输气管道在调度时段t的传输流量组成的向量，Ftcom表示所有压缩机在调度时段t的传输流量组成的向量，表示所有压缩机在调度时段t的耗气量组成的向量，ΔGt表示调度时段t气井出气量的总调节量，J表示雅可比矩阵。优选的，所述校正模型采用牛顿-拉夫逊迭代法求解，包括以下步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于混合整数二阶锥规划的电‑气耦合系统日前经济调度方法，其特征在于：包括以下步骤：1)以全天能量和备用的总费用最小为目标函数，考虑电力系统的约束条件、天然气系统的约束条件以及电‑气耦合与转换关系，建立电‑气耦合系统日前经济调度的优化模型；所述天然气系统的约束条件包括输气管道的稳态气流方程；2)对所述优化模型中的输气管道的稳态气流方程进行二阶锥松弛，得到电‑气耦合系统日前经济调度的混合整数二阶锥规划模型；3)求解所述混合整数二阶锥规划模型，得到电‑气耦合系统日前经济调度的初始运行方案；4)基于天然气系统稳态潮流计算方法，建立电‑气耦合系统日前经济调度的校正模型；5)通过求解所述校正模型，对所述初始运行方案中针对天然气系统的运行方案部分进行修正，得到电‑气耦合系统日前经济调度的最优运行方案。

【技术特征摘要】
1.基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法，其特征在于：包括以下步骤：1)以全天能量和备用的总费用最小为目标函数，考虑电力系统的约束条件、天然气系统的约束条件以及电-气耦合与转换关系，建立电-气耦合系统日前经济调度的优化模型；所述天然气系统的约束条件包括输气管道的稳态气流方程；2)对所述优化模型中的输气管道的稳态气流方程进行二阶锥松弛，得到电-气耦合系统日前经济调度的混合整数二阶锥规划模型；3)求解所述混合整数二阶锥规划模型，得到电-气耦合系统日前经济调度的初始运行方案；4)基于天然气系统稳态潮流计算方法，建立电-气耦合系统日前经济调度的校正模型；5)通过求解所述校正模型，对所述初始运行方案中针对天然气系统的运行方案部分进行修正，得到电-气耦合系统日前经济调度的最优运行方案。2.如权利要求1所述的基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法，其特征在于：所述电力系统与天然气系统通过燃气机组进行耦合。3.如权利要求1所述的基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法，其特征在于：所述目标函数表示为：其中，表示气井u在调度时段t的出气量，αu,t表示气井u在调度时段t的购气费用，以及分别表示燃煤机组j在调度时段t的输出功率、负荷备用以及事故备用，以及分别表示燃煤机组j在调度时段t的电能量购买费用、负荷备用购买费用以及事故备用购买费用，T表示调度时间间隔，Nt、Nsp以及Nc分别表示调度时段的总个数、气井的总个数以及燃煤机组的总个数。4.如权利要求1所述的基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法，其特征在于：所述电力系统的约束条件包括功率平衡方程、燃煤机组的输出功率约束、燃气机组的输出功率约束、燃煤机组的爬坡率约束、燃气机组的爬坡率约束、负荷备用的响应时间约束、事故备用的响应时间约束、负荷备用的系统最小容量要求、事故备用的系统最小容量要求及输电线路的传输功率约束；所述天然气系统的约束条件还包括气网节点的气流平衡方程、气井的出气量约束、气网节点的气压约束、输气管道的传输流量限制、压缩机的耗气量约束、压缩机的压缩比约束以及压缩机的传输流量约束；所述电-气耦合与转换关系包括燃气机组输出功率、负荷备用和事故备用与耗气量之间的关系，以及气网节点的实际天然气负荷与燃气机组等效负荷之间的关系。5.如权利要求1所述的基于混合整数二阶锥规划的电-气耦合系统日前经济调度方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：2.1)利用大M法和0-1变量对输气管道的稳态气流方程进行等效变换；2.2)对变换后得到的二次等式进行二阶锥松弛，得到稳态气流方程的不等式形式及分段不等式形式，将稳态气流方程的分段不等式形式进一步等效为分段二阶锥形式；2.3)根据所述分段二阶锥形式引入两个连续变量，利用大M法将这两个连续变量的分段约束转换为两组连续的线性约束，然后将这两个连续变量代入稳态气流方程的分段二阶锥形式中，得到输气管道稳态气流方程的二阶锥约束。6.如权利要求1所述的基于混合整数二阶锥规划的...

【专利技术属性】
技术研发人员：别朝红，刘凡，王旭，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61