考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑N‑1安全约束的综合能源系统优化配置方法。本发明专利技术的技术方案包括步骤：1)构建电‑气‑热联供的能量枢纽架构及能量枢纽模型，所述的能量枢纽模型包括能量转换设备模型、多元储能设备模型和能量枢纽耦合关系模型；2)以系统规划周期内年综合运行费用最小为目标函数，考虑能源耦合部分约束、电力系统运行约束、天然气系统运行约束和电力系统的N‑1安全约束，建立综合能源系统优化配置模型；3)对上述综合能源系统优化配置模型进行松弛处理，使其由混合整数非线性规划问题转换成混合整数二阶锥规划问题。本发明专利技术有利于增加系统安全性和供能灵活性，为综合能源系统中多能量枢纽的架构设计与设备选型提供技术支持。

An optimal allocation method of comprehensive energy system considering n-1 security constraints

【技术实现步骤摘要】
考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法
本专利技术涉及综合能源和电力系统领域，特别是一种考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法。
技术介绍
近年来，多能互补的综合能源系统在国际和国内的能源领域受到了普遍关注。综合能源系统作为能源互联网的一种重要形式，能够充分发挥不同能源类型之间的互补特性和协同效益，提升能源系统综合能效和可再生能源消纳能力，对推动能源结构转型具有重要意义。能量枢纽系能够满足多种能源需求的能量转换单元，其数学模型能够清晰地描述综合能源系统中各种能源类型之间的相互耦合关系。能量枢纽可实现多类能源的相互转换、分配和灵活存储，为多能源协同优化提供了基础。能量枢纽中的设备组成、容量以及运行方式对综合能源系统的安全可靠运行至关重要。随着电力和天然气等各类能源系统耦合的逐步加深以及系统规模的不断扩大，综合能源系统在运行过程中所面临的安全风险也会相应增加。为此，有必要在综合能源系统规划或能量枢纽优化配置时计及在电力系统的规划与运行中广泛采用的N-1安全准则。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法，其有利于增加系统安全性和供能灵活性，为综合能源系统中多能量枢纽的架构设计与设备选型提供技术支持。本专利技术采用以下的技术方案：一种考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法，其包括步骤：1)构建电-气-热联供的能量枢纽架构及能量枢纽模型，所述的能量枢纽模型包括能量转换设备模型、多元储能设备模型和能量枢纽耦合关系模型；2)以系统规划周期内年综合运行费用最小为目标函数，考虑能源耦合部分约束、电力系统运行约束、天然气系统运行约束和电力系统的N-1安全约束，建立综合能源系统优化配置模型；3)对上述综合能源系统优化配置模型进行松弛处理，使其由混合整数非线性规划问题转换成混合整数二阶锥规划问题。进一步地，步骤1)中，所述的能量转换设备用于实现不同能量形式之间的转化与耦合，包括P2G装置、热电联产机组和燃气锅炉，其模型统一表示为：式中：和分别为能量转换设备k在时刻t的能源形式为p的输入功率和能源形式为q的输出功率；ηk和分别为能量转换设备k的能源转换效率和出力上限。进一步地，步骤1)中，所述的多元储能设备模型中，假设储能设备在Δt时间段内的蓄能和放能功率均为常数，多元储能设备模型统一描述为：式中：Wl(t)、和分别为多元储能设备l在时刻t的储能量、蓄能功率和放能功率；和分别表示多元储能设备l的蓄能效率和放能效率；和分别为多元储能设备l可储能量的上限值和下限值；和分别为多元储能设备l的蓄能功率和放能功率的上限值；和分别为表示多元储能设备l在时刻t蓄能和放能的0-1状态变量，二者取1时分别表示多元储能设备l处于蓄能和放能状态，取0时则相反。进一步地，步骤1)中，所述的能量枢纽耦合关系模型中，能量枢纽内部的电、气、热功率平衡描述为：式中：和分别为能量枢纽在时刻t的输入电功率和气功率；和分别为P2G装置和CHP机组在时刻t的耗电功率和发电功率；分别为P2G装置、CHP机组、燃气锅炉在时刻t的耗气功率；和分别为CHP和燃气锅炉在时刻t的供热功率；和分别为储气装置在时刻t的放气和充气功率；和分别为储热装置在时刻t的放热和储热功率；分别为能量枢纽在时刻t的电、气、热负荷；分别为能量枢纽在时刻t的缺供电、气、热负荷。进一步地，步骤3)中，年综合运行费用包括综合能源系统初始投资等年值成本Cinv、年维护成本Conm、年运行成本Cop和象征可靠性的年能量短缺成本Cens，目标函数如下：minf1＝Cinv+Conm+Cop+Cens，基于费用年值法，设备初始投资等年值成本表示为：式中：s表示能量枢纽中的各候选设备，即能量转换设备p和多元储能设备q；和Ms分别为s的单位容量安装成本与安装容量；r为基准折现率；m为规划期年限；系统年维护成本指由设备损耗、维修和人工巡检所产生的费用，表示为各设备初始安装容量与单位容量维护成本的乘积：式中，为s的单位容量维护成本；年运行成本包括常规火电机组发电成本和气源供气成本：式中：和Wigen分别为第i个常规火电机组的单位发电量成本和年发电量；和分别为第j个天然气气源的单位供气成本和年供气量；年能量短缺成本包括综合能源系统年缺电成本、缺气成本和缺热成本：式中：分别为单位电、气、热负荷缺供的能量短缺成本；和分别为节点i在时刻t缺供的电负荷、气负荷和热负荷。进一步地，步骤3)中，综合能源系统优化配置模型的约束条件中，能源耦合部分约束除能量枢纽模型中的相关约束外，还应包括设备安装容量上下限约束；电力系统运行约束包括节点功率平衡约束、电源出力约束和支路传输容量约束；天然气系统运行约束包括天然气气源约束、输气管道约束、加压站约束、节点流量平衡约束和天然气流量与功率流换算约束。进一步地，步骤3)中，所述的电力系统运行约束中，采用直流潮流模型对电力系统进行建模：Pij(t)＝Bij(θi(t)-θj(t))(i,j)∈NL，式中：NL为电力系统中所有支路的集合；Pij(t)为支路ij在时刻t传输的有功功率；θi(t)为节点i在时刻t的电压相角；Bij为支路ij的电纳值；PiG(t)表示位于节点i的发电机组在时刻t的有功出力；表示支路ij的最大传输功率；表示位于节点i的能量枢纽在时刻t的输入电功率。进一步地，步骤3)中，天然气系统运行约束中，天然气系统中位于节点i的气源出力需满足出力上下限约束：式中：Fings(t)为时刻t位于节点i的气源的输出天然气流量；和分别表示该气源的出力上限和下限；天然气管道传输流量Fnj(t)由管道两端n和j的节点气压以及管道传输系数共同决定，表示为：式中：sgn为符号函数；πn(t)和πj(t)分别为节点n和节点j在时刻t的气压；Knj为管道nj的传输系数；为弥补天然气在传输过程中由于摩擦阻力等因素所造成的压力损失，天然气网络中配置一定数量的加压站，加压站在维持下游输气压力的同时，也会消耗一定的天然气流量：式中：为加压站ζ在时刻t消耗的天然气流量；为ζ的耗气比；Fij(t)表示天然气管道ij的传输流量；加压站的加压比还需满足如下式所示约束：式中，和分别表示ζ的加压比的上限和下限；天然气网络节点i的节点流量平衡表示为:式中,Fieh(t)表示位于节点i的EH在时刻t消耗的天然气流量；Pgas＝HGVF，式中,F和Pgas分别为天然气流量和功率流；HGV为天然气高热值。进一步地，步骤3)中，所述电力系统的N-1安全约束，即在系统全部支路中任意断开一条的情形下，系统仍能正常运行；以上标ω表示不同的N-1场景，电力系统的支路潮流约束扩展为：式中：为支路ij在时刻t传输的有功功率；θiω(t)为节点i在时刻t的电压相角；Bij为支路ij的电纳值；表示在考虑N-1安全准则时支路ij的运行状态的0-1变量，1表示正常运行，0表示停运；Nω表示N-1场景集；M为给定的正实数；NL为电力系统中所有支路的集合；表示支路ij的最大传输功率。进一步地，所述的混合整数二阶锥规划问题采用MATLAB环境下的商业求解器YALMIP+GUROBI进行求解，从而得到多能量枢纽联合配置方案；YALMIP是一个适于求解大规模优化问题的软件平台，GUROBI则为适于求解混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑N‑1安全约束的综合能源系统优化配置方法，其特征在于，包括步骤：1)构建电‑气‑热联供的能量枢纽架构及能量枢纽模型，所述的能量枢纽模型包括能量转换设备模型、多元储能设备模型和能量枢纽耦合关系模型；2)以系统规划周期内年综合运行费用最小为目标函数，考虑能源耦合部分约束、电力系统运行约束、天然气系统运行约束和电力系统的N‑1安全约束，建立综合能源系统优化配置模型；3)对上述综合能源系统优化配置模型进行松弛处理，使其由混合整数非线性规划问题转换成混合整数二阶锥规划问题。

【技术特征摘要】
1.一种考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法，其特征在于，包括步骤：1)构建电-气-热联供的能量枢纽架构及能量枢纽模型，所述的能量枢纽模型包括能量转换设备模型、多元储能设备模型和能量枢纽耦合关系模型；2)以系统规划周期内年综合运行费用最小为目标函数，考虑能源耦合部分约束、电力系统运行约束、天然气系统运行约束和电力系统的N-1安全约束，建立综合能源系统优化配置模型；3)对上述综合能源系统优化配置模型进行松弛处理，使其由混合整数非线性规划问题转换成混合整数二阶锥规划问题。2.根据权利要求1所述的考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法，其特征在于，步骤1)中，所述的能量转换设备用于实现不同能量形式之间的转化与耦合，包括P2G装置、热电联产机组和燃气锅炉，其模型统一表示为：式中：和分别为能量转换设备k在时刻t的能源形式为p的输入功率和能源形式为q的输出功率；ηk和分别为能量转换设备k的能源转换效率和出力上限。3.根据权利要求1所述的考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法，其特征在于，步骤1)中，所述的多元储能设备模型中，假设储能设备在Δt时间段内的蓄能和放能功率均为常数，多元储能设备模型统一描述为：式中：Wl(t)、和分别为多元储能设备l在时刻t的储能量、蓄能功率和放能功率；和分别表示多元储能设备l的蓄能效率和放能效率；和分别为多元储能设备l可储能量的上限值和下限值；和分别为多元储能设备l的蓄能功率和放能功率的上限值；和分别为表示多元储能设备l在时刻t蓄能和放能的0-1状态变量，二者取1时分别表示多元储能设备l处于蓄能和放能状态，取0时则相反。4.根据权利要求1所述的考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法，其特征在于，步骤1)中，所述的能量枢纽耦合关系模型中，能量枢纽内部的电、气、热功率平衡描述为：式中：和分别为能量枢纽在时刻t的输入电功率和气功率；和分别为P2G装置和CHP机组在时刻t的耗电功率和发电功率；分别为P2G装置、CHP机组、燃气锅炉在时刻t的耗气功率；和分别为CHP和燃气锅炉在时刻t的供热功率；和分别为储气装置在时刻t的放气和充气功率；和分别为储热装置在时刻t的放热和储热功率；分别为能量枢纽在时刻t的电、气、热负荷；分别为能量枢纽在时刻t的缺供电、气、热负荷。5.根据权利要求1所述的考虑N-1安全约束的综合能源系统优化配置方法，其特征在于，步骤3)中，年综合运行费用包括综合能源系统初始投资等年值成本Cinv、年维护成本Conm、年运行成本Cop和象征可靠性的年能量短缺成本Cens，目标函数如下：minf1＝Cinv+Conm+Cop+Cens，基于费用年值法，设备初始投资等年值成本表示为：式中：s表示能量枢纽中的各候选设备，即能量转换设备p和多元储能设备q；和Ms分别为s的单位容量安装成本与安装容量；r为基准折现率；m为规划期年限；系统年维护成本指由设备损耗、维修和人工巡检所产生的费用，表示为各设备初始安装容量与单位容量维护成本的乘积：式中，为s的单位容量维护成本；年运行成本包括常规火电机组发电成本和气源供气成本：式中：和Wigen分别为第i个常规火电机组的单位发电量成本和年发电量；和分别为第j个天然气气源的单位供气成本和年供气量；年能量短缺成本包括综合能源系统年缺电成本、缺气成本和缺热成本：式中：分别为单位电、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张利军，孙可，郑伟民，李志强，徐晨博，孙轶恺，王蕾，邹波，庄峥宇，林紫涵，文福拴，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33