用于城市能源系统韧性提升的安全规则提取及优化方法技术方案

本申请涉及一种用于城市能源系统韧性提升的安全规则提取及优化方法，包括：计算城市能源系统韧性指标，并构建城市能源系统的双层优化模型；对城市能源系统的电力电子环节动态特性建模；对城市能源系统的多能源网络动态特性建模；基于电力电子环节动态特性模型和多能源网络动态特性模型，构建灾害事件下城市能源系统的两阶段韧性运行模型，并基于预设的稀疏权重斜决策树模型，将灾害事件下城市能源系统的两阶段韧性模型转化为混合整数线性约束，并嵌入城市能源系统的双层优化模型，得到混合整数线性约束下的优化运行模拟结果。由此，提供形式简单、可解释性强、可操作性强的安全规则，能够显著提升求解效率，具有显著的创新性和良好的应用价值。好的应用价值。好的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
用于城市能源系统韧性提升的安全规则提取及优化方法


[0001]本申请涉及能源调度
，特别涉及一种用于城市能源系统韧性提升的安全规则提取及优化方法。

技术介绍

[0002]飓风、地震、雪灾、高温等极端自然灾害事件对世界各地的能源系统造成了致命冲击，大规模城市用户的能源安全供给面临着严峻挑战。因此，城市能源系统不仅需要具有高可靠性以应对小规模、高概率的日常故障事件，还需要具有高韧性以应对大规模、低概率的极端灾害事件。
[0003]近年来，城市能源系统面临两大新的态势：一是不同能源形式的耦合程度显著提升，二是电力电子化程度不断提高。具体而言，电、气、热、冷等多种形式能源在生产、传输、转换、存储、利用等多个环节相互耦合。相比于分立能源系统(比如电力系统)，城市能源系统在以下三个方面有望进一步提升系统韧性：1)能源转换环节：多样化能量转换设备(如能量枢纽、燃气轮机、电转气、电锅炉等)的整合可以实现跨系统能量转移，极大提高了能源供给侧的灵活性。2)能源存储环节：集中式储能(如压缩空气储能、抽水蓄能等)、分布式储能(如电动汽车)以及广义储能(如气/热/冷管网存储的能量)的协调可以提供充足的多能源能量备用。3)能源利用环节：热/冷负荷(如空间供暖/冷负荷)的热惯性使得热/冷源失效后短时间内不会显著影响用户舒适度，供需瞬时平衡约束可以得到一定程度的松弛。另一方面，电力电子设备在城市能源系统的各个环节广泛渗透，如生产环节的光伏、风力发电变换装备，传输环节的交/直流变换装备、柔性软开关(soft open points，SOP)，转换环节的热泵、压缩式制冷机，存储环节的蓄电池、电动汽车，以及利用环节的新兴直流负荷(如数据中心)等。
[0004]尽管相关技术中的城市能源系统韧性提升相关研究在模型和方法论上已取得一定进展，但仍存在一些问题有待进一步探讨。从模型角度看，相关技术的研究大多忽视了热/冷管网在灾害事件下的应急供应能力以及热/冷负荷在灾害事件下的缓冲作用。另一方面，海量电力电子设备的快速动作和短时过载能力尚未被充分挖掘利用，其可为灾害事件发生后重要负荷的能源供应提供短时支撑。从方法论角度看，相关技术以模型驱动方法为主，将灾害事件下的系统运行模型通过随机优化、鲁棒优化等方法嵌入上层系统优化运行问题，然而，城市能源系统能源转换结构复杂，灾害事件场景种类繁多，将导致较大的优化问题规模和较高的求解复杂度。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种用于城市能源系统韧性提升的安全规则提取及优化方法、装置、电子设备及存储介质，以解决相关技术一方面忽视了热/冷管网在灾害事件下的应急供应能力和缓冲作用的问题，另一方面导致优化问题规模较大，求解复杂度较高的问题，提供了形式简单、可解释性强、可操作性强安全的规则，能够显著提升求解效率，具有显著的创新
性和良好的应用价值。
[0006]本申请第一方面实施例提供一种用于城市能源系统韧性提升的安全规则提取及优化方法，包括以下步骤：计算城市能源系统韧性指标，并基于所述韧性指标构建所述城市能源系统的双层优化模型；基于预设的能量传输环节、预设的能量存储环节和预设的能量转换环节，对所述城市能源系统的电力电子环节动态特性建模，得到电力电子环节动态特性模型；基于电力系统的供需实时平衡、天然气网的存储能力和区域供热/冷网管道的存储能力，对所述城市能源系统的多能源网络动态特性建模，得到多能源网络动态特性模型；以及基于所述电力电子环节动态特性模型和所述多能源网络动态特性模型，构建灾害事件下所述城市能源系统的两阶段韧性运行模型，并基于预设的稀疏权重斜决策树模型，将所述灾害事件下所述城市能源系统的两阶段韧性模型转化为混合整数线性约束，并将所述混合整数线性约束嵌入所述城市能源系统的双层优化模型，得到所述混合整数线性约束下的优化运行模拟结果。
[0007]可选地，在一些实施例中，所述计算城市能源系统韧性指标，包括：基于预设的韧性指标公式，计算所述城市能源系统韧性指标，其中，所述预设的韧性指标公式为：
[0008][0009]其中，ε
R
为韧性指标，SP0是灾害事件发生前的系统性能，SP
d
是灾害事件发生后系统性能的最低值，P
load
是系统负荷。
[0010]可选地，在一些实施例中，在基于所述预设的能量传输环节、所述预设的能量存储环节和所述预设的能量转换环节，对所述城市能源系统的电力电子环节动态特性建模，得到所述电力电子环节动态特性模型之前，还包括：基于柔性软开关的响应速度的第一瞬时调节策略，确定所述预设的能量传输环节，其中，所述第一瞬时调节策略为：
[0011]P
SOP
(t)≤M
·
(1
‑
S
line
(t))；
[0012]0≤P
SOP
(t)≤P
SOP,max
；
[0013]其中，是系统重要负荷，P
SOP
()为t时间的柔性软开关的运行功率，M是正大数，S
line
是配电线路的运行状态，P
SOP,max
为柔性软开关的运行功率的上限；
[0014]基于蓄电池的放电功率的第二瞬时调节策略，确定所述预设的能量存储环节，其中，所述第二瞬时调节策略为：
[0015]0≤P
ES
(t0)≤P
ES,max
；
[0016]其中，P
ES
为蓄电池的运行功率，P
ES,
为蓄电池的运行功率上限；
[0017]基于热泵的输入电功率和压缩式制冷机的输入电功率的第三瞬时调节策略，确定所述预设的能量转换环节，其中，所述第三瞬时调节策略为：
[0018]0≤P
EHP
(t0)≤P
EHP,max
；
[0019]0≤P
CERG
(t0)≤P
CERG,max
；
[0020]其中，P
EHP
为热泵运行功率，P
EHP,max
为热泵运行功率的上限，P
CERG
为压缩式制冷机的运行功率，P
CERG,
为压缩式制冷机的运行功率的上限。
[0021]可选地，在一些实施例中，所述基于电力系统的供需实时平衡、天然气网的存储能力和区域供热/冷网管道的存储能力，对所述城市能源系统的多能源网络动态特性建模，得
到多能源网络动态特性模型，包括：基于所述天然气网的存储能力和区域供热/冷网管道的存储能力，确定管网等效储能在灾害事件发生时刻的能量储量与所述灾害事件发生时刻热源的运行状态之间的第一关系；基于所述电力系统的供需实时平衡，确定负荷热惯性等效储能在所述灾害事件发生时刻的能量储量与所述灾害事件发生时刻热/冷负荷之间的第二关系；根据所述第一关系和所述第二关系对所述城市能源系统的多能源网络动态特性建模，得到多能源网络动态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于城市能源系统韧性提升的安全规则提取及优化方法，其特征在于，包括以下步骤：计算城市能源系统韧性指标，并基于所述韧性指标构建所述城市能源系统的双层优化模型；基于预设的能量传输环节、预设的能量存储环节和预设的能量转换环节，对所述城市能源系统的电力电子环节动态特性建模，得到电力电子环节动态特性模型；基于电力系统的供需实时平衡、天然气网的存储能力和区域供热/冷网管道的存储能力，对所述城市能源系统的多能源网络动态特性建模，得到多能源网络动态特性模型；以及基于所述电力电子环节动态特性模型和所述多能源网络动态特性模型，构建灾害事件下所述城市能源系统的两阶段韧性运行模型，并基于预设的稀疏权重斜决策树模型，将所述灾害事件下所述城市能源系统的两阶段韧性模型转化为混合整数线性约束，并将所述混合整数线性约束嵌入所述城市能源系统的双层优化模型，得到所述混合整数线性约束下的优化运行模拟结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算城市能源系统韧性指标，包括：基于预设的韧性指标公式，计算所述城市能源系统韧性指标，其中，所述预设的韧性指标公式为：其中，ε
R
为韧性指标，SP0是灾害事件发生前的系统性能，SP
d
是灾害事件发生后系统性能的最低值，P
load
是系统负荷。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在基于所述预设的能量传输环节、所述预设的能量存储环节和所述预设的能量转换环节，对所述城市能源系统的电力电子环节动态特性建模，得到所述电力电子环节动态特性模型之前，还包括：基于柔性软开关的响应速度的第一瞬时调节策略，确定所述预设的能量传输环节，其中，所述第一瞬时调节策略为：P
SOP
(t)≤M
·
(1
‑
S
line
(t))；0≤P
SOP
(t)≤P
SOP,max
；其中，是系统重要负荷，P
SOP
(t)为t时间的柔性软开关的运行功率，M是正大数，S
line
是配电线路的运行状态，P
SoP,max
为柔性软开关的运行功率的上限；基于蓄电池的放电功率的第二瞬时调节策略，确定所述预设的能量存储环节，其中，所述第二瞬时调节策略为：0≤P
ES
(t0)≤P
ES,max
；其中，P
ES
为蓄电池的运行功率，P
ES,max
为蓄电池的运行功率上限；基于热泵的输入电功率和压缩式制冷机的输入电功率的第三瞬时调节策略，确定所述预设的能量转换环节，其中，所述第三瞬时调节策略为：0≤P
EHP
(t0)≤P
EHP,max
；0≤P
CERG
(t0)≤P
CERG,max
；其中，P
EHP
为热泵运行功率，P
EHP,max
为热泵运行功率的上限，P
CERG
为压缩式制冷机的运行
功率，P
CERG,max
为压缩式制冷机的运行功率的上限。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于电力系统的供需实时平衡、天然气网的存储能力和区域供热/冷网管道的存储能力，对所述城市能源系统的多能源网络动态特性建模，得到多能源网络动态特性模型，包括：基于所述天然气网的存储能力和区域供热/冷网管道的存储能力，确定管网等效储能在灾害事件发生时刻的能量储量与所述灾害事件发生时刻热源的运行状态之间的第一关系；基于所述电力系统的供需实时平衡，确定负荷热惯性等效储能在所述灾害事件发生时刻的能量储量与所述灾害事件发生时刻热/冷负荷之间的第二关系；根据所述第一关系和所述第二关系对所述城市能源系统的多能源网络动态特性建模，得到多能源网络动态特性模型。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述城市能源系统的两阶段韧性运行模型的目标函数为：其中，k为负荷，LS
k
为负荷k的失负荷大小，Ω
L
为负荷集合，t为时间。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于预设的稀疏权重斜决策树模型，将所述灾害事件下所述城市能源系统的两阶段韧性模型转化为混合整数线性约束，包括：基于所述预设的稀疏权重斜决策树模型得到稀疏权重斜决策树；利用所述稀疏权重斜决策树在每个节点的优化目标函数将所述灾害事件下所述城市能源系统的两阶段韧性模型转化为混合整数线性约束。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述稀疏权重斜决策树在每个节点的优化目标函数为：其中，θ为最优划分参数向量，N为样本数量，W
L
(θ)为左子节点的权重和、W
R
(θ)为右子节点的权重和，H
L
(θ)为左子节点的加权信息熵，H
R
(θ)为右子节点的加权信息熵，λ1|θ|+λ2‖θ‖2为Elastic Net正则化项。8.一种用于城市能源系统韧性提升的安全规则提取及优化装置，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：司方远，黄武靖，康重庆，杜尔顺，窦真兰，李姚旺，王鹏，张春雁，孙沛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：