一种考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法，首先，分析了系统中电能与热能的耦合特性，提出了基于能量枢纽的综合能源系统的优化调度模型；同时，从两个不同的时间尺度考虑，提出了基于一致性算法的超短期分层调度策略；最后，提出的调度策略考虑了非理想通信情况，能够保证系统在通信延时、噪声和通信中断的情况下实现最佳的经济稳定运行。本发明专利技术通过典型的综合能源系统场景案例研究证明了分布式超短期调度策略的有效性。

An ultra short term scheduling method of integrated energy system based on energy hub considering non ideal communication

【技术实现步骤摘要】
一种考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法
本专利技术涉及综合能源系统
，尤其是一种考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法。
技术介绍
随着社会的高速发展、经济全球化、工业化进程加快，能源需求大幅上升，而经济社会发展面临的能源环境制约问题成为人类面临的重大挑战。可再生能源和清洁能源可以解决能源短缺的问题，也可以弥补化石能源过度使用造成的环境污染问题。因此，充分利用可再生能源和清洁能源是人类社会进一步发展的必然趋势。为了实现能源互补共济与高效利用，能源互联网技术应运而生。能源互联网的运行度与传统电网有较大差别。相比传统电网，能源供给与负荷间的交互更加频繁，能源供应端和能源消费端具有双向不确定性，且负荷种类多样化，涵盖电能、热能等多种能源，能源之间的耦合也更为紧密复杂。从目前的研究现状来看，多能系统主要有以下几个研究方向：基于能量枢纽(能量路由器)的设备研究、基于能量枢纽和能量互联器的综合能源系统建模和分析软件研究、综合能源系统能源转换和综合利用技术研究、先进的信息通信技术研究、基于综合能源系统的多能潮流计算、状态估计、规划、协调控制和优化策略研究以及综合能源市场的交易运行机制研究等。目前对能源互联网的优化运行的建模主要是基于能量枢纽。这可以理解为一种用于描述能源互联网中转化元件输入、输出之间能量耦合关系的数学模型。在综合能源系统协调控制中针对能量枢纽的协调控制可以分为两类：单个能量枢纽的优化运行和多个能量枢纽的协调控制。有研究针对居民的用电设备进行了能量枢纽建模，并考虑了用户舒适度和偏好对总成本的影响。有文献研究含储氢的多能源系统，实现了能源平衡和工厂所有者的最大利润。有文献研究了能量枢纽的鲁棒优化问题，从储能的角度来解决能源互联网中的不确定性调度问题。能源互联网耦合了多种能源系统，各能流系统往往独立规划设计，相互缺乏协调，各能流系统的时间尺度也不相同。目前多时间尺度优化在电力系统中已有较为成熟的研究。然而，针对能源互联网，由于不同能源系统具有不同惯性时间常数，例如电力系统相比热网系统和气网系统的惯性时间常数小很多，这种快慢系统的耦合无疑增加了控制系统的刚性。有文献从风电和光伏发电等的出力预测角度，考虑了长时间尺度对含热电联产的微电网的稳定运行的影响。有文献从电力市场和天然气市场多时间尺度交易的角度，进行了多能系统的协同规划研究。多能源系统是信息流和能量流高度融合的系统，保证能源生产和传输过程信息流的安全高效传输是控制多能源系统生产运行的关键。除此之外，数据同步化的问题也是需要注意的问题之一。不同能量系统中测量数据信息的频率不相同；不同能源设备对控制命令的响应速度不同导致调节时间不同是不同系统之间数据传输同步化需要解决的两个关键问题。因此，从多时间尺度角度考虑，解决综合能源系统中多系统耦合造成的系统刚性较强的问题是必要的。此外，考虑信息流在综合能源系统中的安全有效传输，也是保证整个系统安全稳定运行的关键。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法，满足在非理想通信条件下，保证综合能源系统运行的安全性、稳定性和经济性。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法，包括如下步骤：(1)分析综合能源系统耦合组件——能量枢纽的物理特性与经济性要求；(2)根据步骤(1)中的结果，建立基于能量枢纽的综合能源系统经济性目标函数，以及能够保证系统安全稳定经济运行的运行约束；(3)建立考虑能量耦合的综合能源系统运行优化模型与运行策略；(4)初始化综合能源系统中热-电耦合系统的系统参数和系统初始变量；(5)在不同时间尺度下，利用分布式一致性算法，对耦合系统中的快慢系统进行“滚动交互式”运行优化模型求解；(6)考虑非理想通信条件下，改进分布式控制算法，耦合系统优化运行模型的求解；(7)判断求解结果是否满足系统出力与负荷状态安全稳定运行的要求，满足则输出结果结束优化；不满足则返回第(5)步。优选的，步骤(1)中，分析综合能源系统耦合组件——能量枢纽的物理特性与经济性要求具体为：分析能量枢纽的基本结构；根据能量枢纽中的输入和输出变量关系，使用如式(1)所示的关联矩阵对相应的能量转换过程进行数学建模；式中，cij表示第i种能源转换到第j种能源的转换关联系数，代表能量枢纽内部的逻辑函数关系；L是能量枢纽的输入量；P是能量枢纽的输出量。电力-天然气典型能量枢纽主要包括五种能量转换设备，分别为电力变压器、电力锅炉、热电联产机组、天然气炉以及天然气压缩机；基于能量流动方式，式(1)的具体数学形式写为：式中，η表示相应转换器的转换效率；ν表示能量分配系数，与枢纽的内部逻辑有关；天然气在输入侧通过三条支路注入，能量分配系统定量表示了天然气注入各支路的数量；根据能量转换定律，能量分配系数变量必须满足如下关系：νg,CHP+νg,FUR+νg,g＝1(3)νe,T+νe,EB＝1(4)分析能量枢纽各组件成本函数；控制策略的目标为提高能量枢纽运行的经济性，因此需要对能量枢纽的运行成本进行数学建模；选取的典型能量枢纽结构中包含的5种能量转换设备之间的运行成本。优选的，选取的典型能量枢纽结构中包含的5种能量转换设备之间的运行成本具体为：对于电力变压器，除前期设备投资成本外，其运行成本主要来自于电力能源供给侧的发电成本，电力变压器的运行成本公式入下：式中，αet、βet和γet表示发电成本系数，Pet表示电力变压器的输入电功率，并且输入输出的电功率比例恒定；对于电力热锅炉，除前期投资成本外，由于本质上为通过电加热水产生热量，因此其运行成本形式上与电力变压器类似，与电能输入功率有关；而由于存在不同类型能量的转换过程，电力热锅炉的成本公式如下：式中，αeb、βeb和γeb表示电热锅炉的运行成本系数，Peb表示电热锅炉的输入电功率，且发热效率保持恒定；对于CHP热电联产机组，其能量转换过程为天然气转换为电能和热能，为简化求解计算过程，本专利技术假设输出的电能和热能功率的比率保持恒定；CHP机组的运行成本形式如下：式中，αgc、βgc和γgc表示热电联产机组的运行成本系数，Pgc表示CHP机组输出的电功率；对于天然气炉，其能量转换为燃烧天然气加热相关组件发出热量，并且需要对热烟气中的余热进行回收，因此天然气炉运行成本与输出热功率之间为非线性关系，天然气炉的运行成本公式如下：式中，αgf、βgf和γgf表示天然气炉的运行成本系数，Qgf表示天然气炉输出的热功率；最后，对于天然气压缩机，尽管不存在能量类型的转换，但是为保证供气质量，天然气供给前需要进行气体压缩处理；考虑到气体压缩过程的物理特性，天然气压缩机的运行成本与所压缩的气体体积有关，数学上仍为非线性；通过分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)分析综合能源系统耦合组件——能量枢纽的物理特性与经济性要求；/n(2)根据步骤(1)中的结果，建立基于能量枢纽的综合能源系统经济性目标函数，以及能够保证系统安全稳定经济运行的运行约束；/n(3)建立考虑能量耦合的综合能源系统运行优化模型与运行策略；/n(4)初始化综合能源系统中热-电耦合系统的系统参数和系统初始变量；/n(5)在不同时间尺度下，利用分布式一致性算法，对耦合系统中的快慢系统进行“滚动交互式”运行优化模型求解；/n(6)考虑非理想通信条件下，改进分布式控制算法，耦合系统优化运行模型的求解；/n(7)判断求解结果是否满足系统出力与负荷状态安全稳定运行的要求，满足则输出结果结束优化；不满足则返回第(5)步。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)分析综合能源系统耦合组件——能量枢纽的物理特性与经济性要求；
(2)根据步骤(1)中的结果，建立基于能量枢纽的综合能源系统经济性目标函数，以及能够保证系统安全稳定经济运行的运行约束；
(3)建立考虑能量耦合的综合能源系统运行优化模型与运行策略；
(4)初始化综合能源系统中热-电耦合系统的系统参数和系统初始变量；
(5)在不同时间尺度下，利用分布式一致性算法，对耦合系统中的快慢系统进行“滚动交互式”运行优化模型求解；
(6)考虑非理想通信条件下，改进分布式控制算法，耦合系统优化运行模型的求解；
(7)判断求解结果是否满足系统出力与负荷状态安全稳定运行的要求，满足则输出结果结束优化；不满足则返回第(5)步。


2.如权利要求1所述的考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法，其特征在于，步骤(1)中，分析综合能源系统耦合组件——能量枢纽的物理特性与经济性要求具体为：
分析能量枢纽的基本结构；根据能量枢纽中的输入和输出变量关系，使用如式(1)所示的关联矩阵对相应的能量转换过程进行数学建模；



式中，cij表示第i种能源转换到第j种能源的转换关联系数，代表能量枢纽内部的逻辑函数关系，L是能量枢纽的输入量；P是能量枢纽的输出量；
电力-天然气典型能量枢纽主要包括五种能量转换设备，分别为电力变压器、电力锅炉、热电联产机组、天然气炉以及天然气压缩机；基于能量流动方式，式(1)的具体数学形式写为：



式中，η表示相应转换器的转换效率；v表示能量分配系数，与枢纽的内部逻辑有关；天然气在输入侧通过三条支路注入，能量分配系统定量表示了天然气注入各支路的数量；根据能量转换定律，能量分配系数变量必须满足如下关系：
vg,CHP+vg,FUR+vg,g＝1(3)
ve,T+νe,EB＝1(4)
分析能量枢纽各组件成本函数；控制策略的目标为提高能量枢纽运行的经济性，因此需要对能量枢纽的运行成本进行数学建模；选取的典型能量枢纽结构中包含的5种能量转换设备之间的运行成本。


3.如权利要求2所述的考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法，其特征在于，选取的典型能量枢纽结构中包含的5种能量转换设备之间的运行成本具体为：对于电力变压器，除前期设备投资成本外，其运行成本主要来自于电力能源供给侧的发电成本，电力变压器的运行成本公式入下：



式中，αet、βet和γet表示发电成本系数，Pet表示电力变压器的输入电功率，并且输入输出的电功率比例恒定；
对于电力热锅炉，除前期投资成本外，由于本质上为通过电加热水产生热量，因此其运行成本形式上与电力变压器类似，与电能输入功率有关；而由于存在不同类型能量的转换过程，电力热锅炉的成本公式如下：



式中，αeb、βeb和γeb表示电热锅炉的运行成本系数，Peb表示电热锅炉的输入电功率，且发热效率保持恒定；
对于CHP热电联产机组，其能量转换过程为天然气转换为电能和热能，为简化求解计算过程，本发明假设输出的电能和热能功率的比率保持恒定；CHP机组的运行成本形式如下：



式中，αgc、βgc和γgc表示热电联产机组的运行成本系数，Pgc表示CHP机组输出的电功率；
对于天然气炉，其能量转换为燃烧天然气加热相关组件发出热量，并且需要对热烟气中的余热进行回收，因此天然气炉运行成本与输出热功率之间为非线性关系，天然气炉的运行成本公式如下：



式中，αgf、βgf和γgf表示天然气炉的运行成本系数，Qgf表示天然气炉输出的热功率；
最后，对于天然气压缩机，尽管不存在能量类型的转换，但是为保证供气质量，天然气供给前需要进行气体压缩处理；考虑到气体压缩过程的物理特性，天然气压缩机的运行成本与所压缩的气体体积有关，数学上仍为非线性；通过分析气体压缩机运行原理，天然气压缩机的运行成本公式如下：



式中，αgc、βgc和γgc表示天然气压缩机的运行成本系数，Vgc表示天然气压缩机输入的天然气体积，且气体压缩效率保持恒定。


4.如权利要求1所述的考虑非理想通信条件下基于能量枢纽的综合能源系统超短期调度方法，其特征在于，步骤(2)中，建立基于能量枢纽的综合能源系统经济性目标函数，以及能够保证系统安全稳定经济运行的运行约束具体为：
在快系统控制中，以电力变压器和CHP机组的总运行成本最小为控制目标，即以供电成本最小目标进行电力能源输出单元的控制，目标函数如下：



其中，m表示电力变压器的数量，n表示CHP机组的数量；
将公式(5)和公式(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，居佳琪，倪明，李满礼，张年初，胡云龙，
申请(专利权)人：南京师范大学，南瑞集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32