区域综合能源系统协调规划方法技术方案

本发明专利技术公开了一种区域综合能源系统协调规划方法。本发明专利技术的技术方案包括步骤：1)采用适用于“电－气－热”协同规划问题的稳态综合潮流分析方法，即OMEF分析方法；2)基于步骤1)的OMEF分析方法，采用协调规划模型，该模型由运行子模型和扩展规划子模型两部分构成；所述的运行子模型即OMEF模型；3)对步骤2)中的协调规划模型，采用基于Benders分解的优化算法进行求解。本发明专利技术的协调规划模型及方法既能优化网络拓扑，又能合理规划耦合装置；本发明专利技术能够有效实现区域综合能源系统的稳定运行和合理的协调规划，显著提升终端用能效率。

【技术实现步骤摘要】
区域综合能源系统协调规划方法
本专利技术属于区域综合能源系统领域，涉及一种考虑到“电-气-热”耦合关系的区域综合能源系统协调规划方法。
技术介绍
近年来，随着化石能源的逐渐枯竭，可再生能源发电资源(主要是太阳能和风能)得到了广泛的关注。为了促进可再生能源的利用以及提高终端能源消耗的效率，耦合装置，即热电联产(CHP)机组、电转气(P2G)厂站和电热锅炉，被广泛应用于区域能源领域。由于这些设备以不同的形式消耗/产生能量，促进了不同能量载体的互连。这一现象在区域综合能源系统的设计和运行中尤为明显。因此，全面研究区域综合能源系统的协调规划策略对促进能源侧优化、提高能源利用效率非常重要。目前已有很对研究涉及多能源协同的协同运行问题，但是对协同规划问题的研究还比较粗浅。主要表现在：1)大多研究仅涉及“电-气”或者“电-热”两种能源网络的协同规划，无法涵盖“电-气-热”三种常用的终端用能形式；2)由于缺乏精确、高效的供热网分析模型及方法，已有协同规划方法还不能优化热管道的型号和拓扑结构，仅能解决耦合装置的选址/定容问题。因此，需要针对“电-气-热”综合能源系统，提出一种既能优化网络拓扑结构，又能规划耦合装置的协调规划方法。此外，由于所研究的区域综合能源系统涉及“电-气-热”三种形式的子系统，因此规划模型的求解复杂度会大大提升，因此还需要涉及一种高效的优化算法，方便进行便捷、准确、模块化的计算，提高所提出方法的实用性。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种考虑到“电-气-热”耦合关系的区域综合能源系统协调规划方法，以优化网络拓扑结构，提高能源利用效率。为此，本专利技术采用以下的技术方案：区域综合能源系统协调规划方法，其包括步骤：1)采用适用于“电-气-热”协同规划问题的稳态综合潮流分析方法，即OMEF分析方法；2)基于步骤1)的OMEF分析方法，采用协调规划模型，该模型由运行子模型和扩展规划子模型两部分构成；所述的运行子模型即OMEF模型；3)对步骤2)中的协调规划模型，采用基于Benders分解的优化算法进行求解。本专利技术提出了能综合仿真“电-气-热”三网潮流的稳态松弛模型，称为最优多能流(optimalmulti-energyflow,OMEF)方法。本专利技术提出了既能优化“电-气-热”三网拓扑结构，又能规划CHP机组、P2G厂站和电热锅炉的协调规划方法。本专利技术所提出的协调规划模型属于Mixed-IntegerQuadraticallyConstrainedProgram(MIQCP)问题，难以直接求解，提出配套的基于Benders分解的高效优化算法。进一步的，步骤1)中，OMEF的优化目标，即最小化用于最小化区域综合能源系统的运行成本：式中，由三个部分组成：1)配电网中购买电力、电力损失和锅炉运行维护的成本；2)配气网中购买天然气和电转气厂站运行维护的成本；3)供热网的热量损失和热电联产机组的运行维护成本；其中，表示在时段t节点u所购买的电功率；ΩP、ΩG、ΩL表示配电网、配气网和供热网中的节点集合；Δt表示仿真时隙；分别表示电力、天然气和单位热能的市场价格；θP、θG、θH分别表示电热锅炉、电转气厂站和热电联产机组的运行和维护单位成本，折算至单位电功率，单位：$/kW；表示热电联产机组的输出电功率；和分别表示电热锅炉和电转气厂站的耗电功率；ΔPu,t和ΔΦl,t分别表示配电网和供热网传输能源时的电功率和热功率损耗；表示用户从供热网购买的天然气。进一步的，配电网的松弛约束如下所示：式中，Pu,t或Pv,t和分别表示在时段t节点u或节点v的注入有功功率和所购买的电功率，其大小分别被限制为和Qu,t或Qv,t和表示在时段t节点u或节点v的注入无功功率和所购买的电功率，其大小分别被限制为和Ru和Xu分别是功率传输末端为节点u的馈线的电阻和电抗；是功率传输末端为节点u的馈线的视在功率；和分别是本地的光伏和风电出力；ΔPu,t表示配电网传输能源时的电功率；VB表示配电网的额定电压；Vu,t表示各电节点的实时电压；V和分别表示Vu,t的上、下限；表示配电网的拓扑关联矩阵；ΩP表示配电网中的节点集合；和表示节点u在t时刻的有功和无功负荷；表示热电联产机组的输出电功率；分别表示电热锅炉、电转气厂站和水泵的耗电功率。进一步的，配气网的松弛约束如下所示：式中：Fk,t是t时刻的气体管道k的天然气流量，并且当气体管道k的发送端节点分别为w和q时，用Fwq,t表示；Gq,t或Gw,t表示t时刻的气体节点q或节点w的天然气压力；和分别表示Fk,t、Gq,t或Gw,t和的上限，G表示Gq,t或Gw,t的下限；ψ是一个大于1000的正数；εwq,t是天然气流动方向的二元变量，当Gw,t>Gq,t，εwq,t＝1，否则为0；表示配气网的拓扑关联矩阵；ΩW表示配气网中的气管道集合；ηP2G表示电转气厂站的能源转换效率；表示t时刻的气体节点q的天然气负荷；和分别表示热电联产机组的耗电功率和“天然气-电”转换效率；Mk表示管道k的参数。进一步的，供热网的松弛约束如下所示：式中：ξj,l表示热管j和l之间的关系，当热管j在热管l的上游时ξj,l＝1，当热管j在热管l的下游时ξj,l＝-1，而热管j和l不直接连接时，ξj,l＝0；Φl,t和pi,t分别表示热管道l单位时间内传递的热水所含能量和热节点i的水压；和分别是变量Dl,t、Φl,t和pi,t的上限，Φl是Φl,t的下限；p是pi,t的下限；ΔΦl,t表示热管l的热损失；Δpl,t表示热管l的水压降；ΩL表示热管道的集合；ΩH表示热节点的集合；Φl,t是热管l在时刻t的注入热功率；Dl,t表示热管道l内热水在单位时间内的流量；和分别表示热电联产机组的输出电功率和“热-电”转换效率；ηEB和分别表示电热锅炉的电-热转换效率和耗电功率；表示供热网的拓扑关联矩阵；ηWP和分别表示水泵的电-水压转换效率和耗电功率。进一步的，所述OMEF模型表示为：式中：和分别表示变量和的上限。进一步的，步骤2)中，所述的扩展规划子模型如下：式中：fExpa表示为总扩展成本，由第τ计划阶段的配电网规划成本fPτ、配气网规划成本fGτ和供热网规划成本fHτ组成，γ表示折旧率；Γ和τ分别表示规划阶段的集合和标记变量；ΩNPτ、ΩNWτ和ΩNLτ分别表示候选的电节点、气管道和热管道集合；ΩPτ、ΩWτ和ΩLτ分别表示已有的电节点、气管道和热管道集合；和分别表示新增的馈线安装，现有的馈线扩容和电热锅炉建设的成本系数；和分别表示新增的气管道安装、现有的气管道扩容和P2G厂站建设的成本系数；和分别表示新增的热管道安装、现有的热管道扩容和CHP机组建设的成本系数；和分别为新增的馈线、气管道和热管道的0-1决策变量；和分别为扩容的馈线、气管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.区域综合能源系统协调规划方法，其特征在于，包括步骤：/n1)采用适用于“电-气-热”协同规划问题的稳态综合潮流分析方法，即OMEF分析方法；/n2)基于步骤1)的OMEF分析方法，采用协调规划模型，该模型由运行子模型和扩展规划子模型两部分构成；所述的运行子模型即OMEF模型；/n3)对步骤2)中的协调规划模型，采用基于Benders分解的优化算法进行求解。/n

【技术特征摘要】
1.区域综合能源系统协调规划方法，其特征在于，包括步骤：
1)采用适用于“电-气-热”协同规划问题的稳态综合潮流分析方法，即OMEF分析方法；
2)基于步骤1)的OMEF分析方法，采用协调规划模型，该模型由运行子模型和扩展规划子模型两部分构成；所述的运行子模型即OMEF模型；
3)对步骤2)中的协调规划模型，采用基于Benders分解的优化算法进行求解。


2.根据权利要求1所述的区域综合能源系统协调规划方法，其特征在于，步骤1)中，OMEF的优化目标，即最小化用于最小化区域综合能源系统的运行成本：



式中，ftOMEF由三个部分组成：1)配电网中购买电力、电力损失和锅炉运行维护的成本；2)配气网中购买天然气和电转气厂站运行维护的成本；3)供热网的热量损失和热电联产机组的运行维护成本；
其中，表示在时段t节点u所购买的电功率；ΩP、ΩG、ΩL表示配电网、配气网和供热网中的节点集合；Δt表示仿真时隙；分别表示电力、天然气和单位热能的市场价格；θP、θG、θH分别表示电热锅炉、电转气厂站和热电联产机组的运行和维护单位成本，折算至单位电功率，单位：$/kW；表示热电联产机组的输出电功率；和分别表示电热锅炉和电转气厂站的耗电功率；ΔPu,t和ΔΦl,t分别表示配电网和供热网传输能源时的电功率和热功率损耗；表示用户从供热网购买的天然气。


3.根据权利要求2所述的区域综合能源系统协调规划方法，其特征在于，配电网的松弛约束如下所示：






式中，Pu,t或Pv,t和分别表示在时段t节点u或节点v的注入有功功率和所购买的电功率，其大小分别被限制为和Qu,t或Qv,t和表示在时段t节点u或节点v的注入无功功率和所购买的电功率，其大小分别被限制为和Ru和Xu分别是功率传输末端为节点u的馈线的电阻和电抗；是功率传输末端为节点u的馈线的视在功率；和分别是本地的光伏和风电出力；ΔPu,t表示配电网传输能源时的电功率；VB表示配电网的额定电压；Vu,t表示各电节点的实时电压；V和分别表示Vu,t的上、下限；表示配电网的拓扑关联矩阵；ΩP表示配电网中的节点集合；和表示节点u在t时刻的有功和无功负荷；表示热电联产机组的输出电功率；分别表示电热锅炉、电转气厂站和水泵的耗电功率。


4.根据权利要求3所述的区域综合能源系统协调规划方法，其特征在于，配气网的松弛约束如下所示：






式中：Fk,t是t时刻的气体管道k的天然气流量，并且当气体管道k的发送端节点分别为w和q时，用Fwq,t表示；Gq,t或Gw,t表示t时刻的气体节点q或节点w的天然气压力；和分别表示Fk,t、Gq,t或Gw,t和的上限，G表示Gq,t或Gw,t的下限；ψ是一个大于1000的正数；εwq,t是天然气流动方向的二元变量，当Gw,t>Gq,t，εwq,t＝1，否则为0；表示配气网的拓扑关联矩阵；ΩW表示配气网中的气管道集合；ηP2G表示电转气厂站的能源转换效率；表示t时刻的气体节点q的天然气负荷；和分别表示热电联产机组的耗电功率和“天然气-电”转换效率；Mk表示管道k的参数。


5.根据权利要求4所述的区域综合能源系统协调规划方法，其特征在于，供热网的松弛约束如下所示：






式中：ξj,l表示热管j和l之间的关系，当热管j在热管l的上游时ξj,l＝1，当热管j在热管l的下游时ξj,l＝-1，而热管j和l不直接连接时，ξj,l＝0；Φl,t和pi,t分别表示热管道l单位时间内传递的热水所含能量和热节点i的水压；和分别是变量Dl,t、Φl,t和pi,t的上限，Φl是Φl,t的下限；p是pi,t的下限；ΔΦl,t表示热管l的热损失；Δpl,t表示热管l的水压降；ΩL表示热管道的集合；ΩH表示热节点的集合；Φl,t是热管l在时刻t的注入热功率；Dl,t表示热管道l内热水在单位时间内的流量；和分别表示热电联产机组的输出电功率和“热-电”转换效率；ηEB和分别表示电热锅炉的电-热转换效率和耗电功率；表示供热网的拓扑关联矩阵；ηWP和分别表示水泵的电-水压转换效率和耗电功率。


6.根据权利要求5所述的区域综合能源系统协调规划方法，其特征在于，所述OMEF模型表示为：



式中：和分别表示变量和的上限。


7.根据权利要求6所述的区域综合能源系统协调规划方法，其特征在于，步骤2)中，所述的扩展规划子模型如下：





















式中：fExpa表示为总扩展成本，由第τ计划阶段的配电网规划成本fPτ、配气网规划成本fGτ和供热网规划成本fHτ组成，γ表示折旧率；Γ和τ分别表示规划阶段的集合和标记变量；ΩN...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晨博，孙可，张利军，孙轶恺，邹波，王蕾，郑朝明，章浩，袁翔，范明霞，杨文涛，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