基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型及其线性处理方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型及其线性处理方法，能够将配电网、天然气网进行耦合的能源集线器模型，以能源购置总成本最低为优化目标，同时考虑配电网、天然气网以及能源集线器的安全运行约束，包括配电网支路潮流约束、节点电压约束、支路功率约束；天然气管道气流平衡约束、气源出气量约束、节点气压大小约束、天然气管道Weymouth稳态潮流约束、加压器升压关系约束；能源集线器的热功率平衡约束以及各能源转换装置的运行功率约束，从而实现综合能源系统的优化运行。在求解模型之前，对初始模型进行了线性化处理，以便最终借助CPLEX求解综合能源系统优化运行模型。

Optimal Operation Model and Linear Processing Method of Integrated Energy System Based on Distribution Network and Natural Gas Network of Energy Hub

【技术实现步骤摘要】
基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型及其线性处理方法
本专利技术涉及电力电子领域，特别是一种基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型及其线性处理方法。
技术介绍
环境日益恶化和能源逐渐枯竭已成为全球关注的问题，如何充分利用清洁能源而又同时保证人类的用能需求，已成为当今世界各国共同关注的焦点。为实现多种能源的协调管理和充分利用不同能源的互补性，综合能源系统应运而生。综合能源系统是指在一定区域内实现煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源子系统之间的协调规划、优化运行。因此，在满足系统内多元化用能需求的同时，有必要有效地提升能源利用效率，促进能源可持续发展。通过电网、气网的联合运行，可减少火力机组地运行，进而缓解化石能源的进一步消耗以及环境污染的进一步恶化。电网与气网的联合不仅可实现能源互补，其高效率还可充分满足用户侧的用能需求。因此，考虑配电网、天然气网联合的新一代综合能源系统优化运行，研究综合能源系统的运行机制还有利于未来建立起一个统一的市场价值衡量标准，使得能源的转换和互补充分体现出经济和社会价值，使得电力能够促进向更清洁、更绿色的能源的转变，并且将为未来带来一个更加高效、经济、可再生、可靠、可持续和稳定的综合能源系统带来长期和高度积极的利益。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型及其线性处理方法，能够同时考虑电力网、天然气网的互相影响，在满足电、气、热负荷需求的前提下，综合能源系统更加经济、安全地运行。本专利技术采用以下方案实现：一种基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型，包括以下步骤：步骤S1：提供一能够将配电网、天然气网进行耦合的能源集线器模型；步骤S2：建立目标函数，并根据配电网、天然气网以及能源集线器的安全运行约束，完成综合能源系统优化运行模型的建模。进一步地，步骤S2中所述目标函数为能源购置成本如下式所示，包括购电成本和购气成本用以使综合能源系统在模拟运行调度期间内的总费用最低；式中，TR表示配电网中变电站注入功率节点的集合；GS表示天然气网中气源节点的集合；分布表示时段t内的单位电价、气价；分别为时段t内的变电站注入功率节点j的购电量；为时段t内的气源节点j的购气量。进一步地，步骤S2中所述配电网安全运行约束包括：节点功率平衡约束、节点电压幅值约束、配电线路最大载流量约束和变电站功率约束；所述节点功率平衡约束为：式中，rij、xij分别为支路ij的电阻、电抗；δ(j)表示以j为首端节点的支路的末端节点的集合、π(j)表示以j为末端节点的支路的首端节点的集合；Pij,t、Qij,t分别为支路ij的有功功率和无功功率；分别表示主网出力和电力负荷有功功率；分别表示用于Hub中P2G装置电气转换的有功功率输出；表示Hub中CHP装置注入配电网的等效有功功率；分别表示主网出力、电力负荷的无功功率值；所述节点电压幅值约束为：Umin≤Uj,t≤Umax式中，Uj,t、Umin和Umax分别为节点电压幅值及其下限和上限；所述配电线路最大载流量约束为：0≤Iij,t≤Imax式中，Iij,t、Imax分别为支路电流幅值及其上限；所述变电站功率约束为：进一步地，步骤S2中对所述天然气网络进行约束的具体内容为：节点气流平衡约束：式中，σ(jk)表示以j为首端节点的管道集合；μ(ij)分别表示以j为末端节点的管道集合；fp,t/fl,t为管道p/l的流量；分别为气负荷和气源节点出气量；分别表示用于(综合能源单元)Hub中GF、CHP能量转换的天然气量；表示Hub中P2G装置电转换成气的等效天然气注入量；天然气源出气量约束：从气井被开采的天然气需要经过精炼厂的提纯，由于受到设备容量以及气井处气压的限制，单位时间内天然气源出气量应满足以下约束：式中，为气源j的输出天然气量，分别为气源j输出天然气量的上下限；节点气压约束：天然气网络各节点的气压必须维持在安全、合理的运行范围内，其数学表达式如下：式中，分别代表节点i处气压上下限值；天然气管道Weymouth稳态潮流约束：采用Weymouth稳态潮流模型来刻画天然气气流和两端气压的关系，具体表达式为：其中，另外管道流量还应保证在安全合理运行范围之内：式中，fp,t代表管道p流过的天然气流；πi,t和πj,t分别表示管道p两端气压大小；φp表示管道p的气流传输参数；sgnp表示管道p的气流流向；表示最大的管道传输容量。加压器升压关系约束：πj,t＝Γcπi,t式中，fc,t表示加压器c的输送气流；πi,t和πj,t分别代表加压器c进气端和出气端的气压；Γc、分别为加压器c的升压比例和最大传输容量。进一步地，步骤S2中所述能源集线器的运行约束为：能源集线器热功率供需平衡约束：能源集线器能量转换单向约束：进一步地，本专利技术还提供一种一种基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型的线性处理方法，包括以下步骤：步骤S3：对步骤S2中所建立的模型进行线性化处理；步骤S4：利用CPLEX求解器对步骤S3中线性化处理后的模型进行求解。进一步地，所述步骤S3的具体内容为：采用二阶锥松弛和增量分段线性化方法将模型转化进行线性化处理；由于节点功率平衡约束中含有非线性项，采用二阶锥松弛方法对约束进行化简，引入新变量消去电压电流平方项，如下式所示：节点功率平衡约束可消去电压和电流的非线性二次项，如下所示：由此，电压、电流幅值约束修改为：节点功率约束的第三式通过松弛进一步转化为二阶锥形式；具体形式如下所示：采用增量分段线性化方法对天然气网络中的管道Weymouth稳态潮流约束进行线性化，通过引入新的变量消去管道Weymouth稳态潮流约束中气压的平方项带来的非线性，具体如下所示：1、因此，管道Weymouth稳态潮流约束可以初步改写为：由于sgnp(πi,t,πj,t)是个符号函数，当πi,t大于πj,t时取1，否则取-1；因此，把式子的左边写成绝对值表达式，即令Yp,t＝fp,t|fp,t|；即Yp,t＝fp,t|fp,t|也能够表达为f(x)＝x|x|的非线性化式子，增量分段线性化的步骤如下：步骤SA:根据所建模型设定平均分段段数n；步骤SB:将x的取值区间进行n等分，由此可得到n+1个离散的点，即x0,x1...xn；步骤SC:计算出离散点x0,x1...xn对应的f(x)函数值；步骤SD:引入新辅助变量，并保证满足以下约束：结合上述方法，管道Weymouth稳态潮流约束最终被描述为：与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术同时考虑电力网、天然气网的互相影响，在满足电、气、热负荷需求的前提下，综合能源系统更加经济、安全地运行。规划模型充分考虑了电、气之间灵活转化的特性，在满足安全运行约束的基础上，以综合能源系统的能源购置总成本为优化目标，提升综合能源系统运行层面上的经济性。附图说明图1为本专利技术实施例的能源集线器示意图。图2为本专利技术实施例的天然气网络简单示意图。图3为本专利技术实施例的电、气、热负荷的时序特性图。图4为本专利技术实施例的IEEE-14节点配电网拓扑。图5为本专利技术实施例的20节点天然气网络拓扑。图6为本专利技术实施例的电价本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：提供一能够将配电网、天然气网进行耦合的能源集线器模型；步骤S2：建立目标函数，并根据配电网、天然气网以及能源集线器的安全运行约束，完成综合能源系统优化运行模型的建模。

【技术特征摘要】
1.一种基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：提供一能够将配电网、天然气网进行耦合的能源集线器模型；步骤S2：建立目标函数，并根据配电网、天然气网以及能源集线器的安全运行约束，完成综合能源系统优化运行模型的建模。2.根据权利要求1所述的一种基于能源集线器的配电网、天然气网建立的综合能源系统优化运行模型，其特征在于：步骤S2中所述目标函数为能源购置成本如下式所示，包括购电成本和购气成本用以使综合能源系统在模拟运行调度期间内的总费用最低；式中，TR表示配电网中变电站注入功率节点的集合；GS表示天然气网中气源节点的集合；分布表示时段t内的单位电价、气价；分别为时段t内的变电站注入功率节点j的购电量；为时段t内的气源节点j的购气量。3.根据权利要求1所述的一种基于能源集线器的配电网、天然气网的综合能源系统优化运行模型，其特征在于：步骤S2中所述配电网安全运行约束包括：节点功率平衡约束、节点电压幅值约束、配电线路最大载流量约束和变电站功率约束；所述节点功率平衡约束为：式中，rij、xij分别为支路ij的电阻、电抗；δ(j)表示以j为首端节点的支路的末端节点的集合、π(j)表示以j为末端节点的支路的首端节点的集合；Pij,t、Qij,t分别为支路ij的有功功率和无功功率；分别表示主网出力和电力负荷有功功率；分别表示用于Hub中P2G装置电气转换的有功功率输出；表示Hub中CHP装置注入配电网的等效有功功率；分别表示主网出力、电力负荷的无功功率值；所述节点电压幅值约束为：Umin≤Uj,t≤Umax式中，Uj,t、Umin和Umax分别为节点电压幅值及其下限和上限；所述配电线路最大载流量约束为：0≤Iij,t≤Imax式中，Iij,t、Imax分别为支路电流幅值及其上限；所述变电站功率约束为：4.根据权利要求1所述的一种基于能源集线器的配电网、天然气网的综合能源系统优化运行模型，其特征在于：步骤S2中对所述天然气网络进行约束的具体内容为：节点气流平衡约束：式中，σ(jk)表示以j为首端节点的管道集合；μ(ij)分别表示以j为末端节点的管道集合；fp,t/fl,t为管道p/l的流量；分别为气负荷和气源节点出气量；分别表示用于Hub中GF、CHP能量转换的天然气量；表示Hub中P2G装置电转换成气的等效天然气注入量；天然气源出气量约束：从气井被开采的天然气需要经过精炼厂的提纯，由于受到设备容量以及气井处气压的限制，单位时间内天然气源出气量应满足以下约束：式中，为气源j的输出天然气量，分别为气源j输出天然气量的上下限；节点气压约束：天然气网络各节点的气压必须维持在安全、合理的运行范围内，其数学表达式如下：式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张林垚，郑洁云，施鹏佳，倪识远，林婷婷，吴桂联，王珏莹，谢仕炜，胡志坚，庄莉，梁懿，刘心，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司，国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建亿榕信息技术有限公司，武汉大学，
类型：发明
国别省市：福建,35