CN106096777B - 一种电-气耦合多能流系统的优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电‑气耦合多能流系统优化调度方法，属于含多种能源形式的电力系统运行和控制技术领域。本方法考虑电‑气系统的相互影响，实现了电‑气耦合多能流系统的优化调度。相比独立地对供电、供气系统进行优化调度分析，不仅能得到更优的调度方案(总运行成本或网络损耗更小等)，还提高了调度的灵活性。该方法可以应用于电‑气耦合多能流系统的调度计划制定，有利于提高电‑气耦合多能流系统的用能效率，减少运行成本。

Description

一种电-气耦合多能流系统的优化调度方法

技术领域

本发明涉及一种电-气耦合多能流系统优化调度方法，属于含多种能源形式的电力系统运行和控制技术领域。

背景技术

能源综合利用是提高综合能源利用效率、促进可再生能源消纳的重要途径，通过打破原来电、热、冷、气、交通等能流子系统相对割裂的状态，实现多类型能源开放互联，构建多能流系统。多能流是指多种类型的能量流，表示电、热、冷、气、交通等能量流的相互耦合、转换和传输。多能流系统相比传统相互割裂的能源系统，其带来的效益包括：1)通过多类型能源的梯级开发利用和智能管理，可以降低能源消耗和浪费，提高综合能源利用效率，并有助于减少总的用能成本；2)利用不同能源的特性差异和互补、转换，有助于提高消纳间歇式可再生能源的能力；3)通过多能源的转供、互补和协调控制，有助于提高供能的可靠性，并为电力系统的运行提供更多可调控资源；4)通过多能流系统的协同规划和建设，可以减少基础设施的重复建设和浪费，提高资产利用率。

多能流系统一方面具有可观的效益，另一方面也使原本复杂的能源系统更加复杂。多能流系统由多个能流子系统组成，这些能流子系统之间相互作用和影响，使得多能流系统复杂度显著增加，体现出许多新的特性，传统各个能流单独分析的方法已经难以适应新的要求，亟需发展出新的多能流分析方法。在我国，越来越多的燃气轮机、电制氢等耦合元件客观上增强了电-气之间的互联，促进了电-气耦合多能流系统的发展，也对电-气耦合多能流系统的运行控制和能量管理提出了新的要求。

多能源系统优化调度是指当系统的结构参数和负荷情况都已给定时，调节可利用的控制变量(如电力系统中发电机的输出功率、热网中泵的扬程、天然气网中压缩机的输出功率等)来找到能满足所有运行约束条件的，并使系统的某一性能指标(如总运行成本或网络损耗)达到最优值下的潮流分布。目前这方面的研究主要集中在单个独立的系统，为了使得电-气耦合多能流系统的运行成本最低，需要研究电-气耦合多能流系统优化调度方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种电‐气耦合多能流系统的优化调度方法，以弥补现有领域研究的空白，建立电-气耦合多能流系统优化调度模型，实现电-气耦合多能流系统的优化调度。

本发明提出的电‐气耦合多能流系统的优化调度方法，包括以下步骤：

(1)建立一个电-气耦合多能流系统优化调度的目标函数：

其中，GU为电‐气耦合多能流系统中的燃气机组编号的集合，为电‐气耦合多能流系统中第x台燃气机组的燃料成本，为电‐气耦合多能流系统中第y台非燃气机组的运行成本，P_y为电‐气耦合多能流系统中第y台非燃气机组的有功功率，非燃气机组的运行成本是机组有功出力的非线性函数，从非燃气机组的出厂说明书获得；

(2)设定电-气耦合多能流系统中电网与天然气网稳态安全运行的等式约束条件，包括：

(2-1)电-气耦合多能流系统中电网潮流方程如下：

其中，Pⁱ为电网中节点i的注入有功功率，Qⁱ为电网中节点i的注入无功功率，θ_i、θ_j分别为节点i、节点j的电压相角，U_i、U_j分别为节点i、节点j的电压幅值，G_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，B_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节点导纳矩阵Y从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取；

(2-2)电-气耦合系统的天然气网中管道的水力方程如下：

其中，f_km为天然气网中第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量，p_k，p_m分别为第k个节点和第m个节点的压强，D^km、L^km分别为第k个节点和第m个节点之间管道km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式计算得到，E_f为管道的效率系数，E_f取值0.92，Re为雷诺数，Re＝ρvd/μ，ρ为天然气密度，v为天然气流速，μ为天然气黏性系数，取值为0＜u＜100帕秒，d为天然气管道直径，γ_G为天然气比重，0＜γ_G＜1，T_a为天然气平均温度，T_n、p_n分别为标准状态下天然气的温度和压力，T_n、p_n的取值分别为288K、0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，取值为0＜Z_g＜2，天然气网管道水力方程中，当时，上式中的sgn_p(p_k,p_m)＝1，当时，sgn_p(p_k,p_m)＝-1；

(2-3)电-气耦合系统中的天然气网中压缩机的能量消耗方程如下：

其中，p_k，p_m分别为天然气网中第k个节点和第m个节点的压强，BHP^km为第k个节点和第m个节点之间的压缩机的能量消耗，为该压缩机的入口体积流量，η_c为该压缩机的总效率，c_k为该压缩机的多变系数，η_c和c_k从压缩机的出厂说明书获取；

(2-4)通过燃气轮机耦合的电网与天然气网之间的耦合方程如下：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气的体积流量，P_Tur为燃气轮机的有功功率输出，C₁、C₂和C₃分别为燃气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；

(2-5)电-气耦合系统中天然气网的节点气流平衡方程如下：

A_Gf＝L，

其中：A_G为天然气网的节点-支路矩阵，f为天然气网的所有支路的体积流量，L为天然气网的所有节点的天然气注入体积流量，正数表示气源注入天然气网的体积流量，负数表示负荷从天然气网获得的体积流量，L根据天然气网历史运行数据得到；

(3)设定电-气耦合系统中电网与天然气网稳态安全运行的不等式约束条件，包括：

(3-1)电-气耦合系统的电网中第i个节点的电压幅值U_i在设定的电力系统安全运行电压的上、下限值U _i、之间运行，U _i为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍：

(3-2)电-气耦合系统的电网中第l条线路的传输容量小于或等于设定的电网安全运行传输容量的最大值

(3-3)电-气耦合系统的电网中燃气机组有功功率的爬坡约束：

其中，和分别为第x台燃气机组有功功率的向上和向下爬坡速率，和从燃气机组的出厂说明书中获得，Δt为相邻两个调度时段的时间间隔，P_x,t和P_x,t-1分别为第x台燃气机组在第t个调度时段和第t-1个调度时段的有功功率；

(3-4)电-气耦合系统的电网中非燃气机组有功功率的爬坡约束：

其中，和分别为第y台非燃气机组有功功率的向上和向下爬坡速率，和从非燃气机组的出厂说明书中获得，Δt为相邻两个调度时段的时间间隔，P_y,t和P_y,t-1分别为第y台非燃气机组在第t个调度时段和第t-1个调度时段的有功功率；

(3-5)电-气耦合系统的电网中第x台燃气机组的有功功率P_x在设定的电网安全运行第x台燃气机组有功功率的上、下限值 P _x之间：

(3-6)电-气耦合系统的电网中第y台非燃气机组的有功功率P_y在设定的电网安全运行第y台非燃气机组有功功率的上、下限值 P _y之间：

(3-7)电-气耦合系统的天然气网中第k个节点的压强p_k在设定的管道安全运行气压的上、下限值p _k、内：

(3-8)电-气耦合系统的天然气网中第b个管道的流量f_b在设定的管道安全运行流量的上、下限值f _b、内：

(3-9)电-气耦合系统的天然气网中气源供气量f_s小于或等于该气源能提供天然气流的最大值f_s,max：

f_s≤f_s,max；

(3-10)电-气耦合系统的天然气网中的压缩机安全运行时需要满足以下约束：

其中：S是该压缩机的升压比，S_max是该压缩机的最大升压比，S_max由压缩机的出厂铭牌获取，为该压缩机的入口的体积流量，为该压缩机的入口最大允许体积流量，由压缩机的出厂铭牌获取，p^out为压缩机的出口压力，p_c,max为压缩机的出口最大允许压力，p_c,max由压缩机的出厂铭牌获取；

(4)采用内点法，将步骤(1)中的方程作为目标函数，将上述步骤(2)和步骤(3)的所有方程作为约束条件，求解得到电-气耦合多能流系统中燃气轮机的有功功率、非燃气轮机的有功功率和气源注入天然气网的体积流量，作为电‐气耦合多能流系统的优化调度方案。

本发明提出的电-气耦合多能流系统优化调度方法，其特点和效果是：本方法考虑电-气系统的相互影响，实现了电-气耦合多能流系统的优化调度。相比独立地对供电、供气系统进行优化调度分析，不仅能得到更优的调度方案(总运行成本更低)，还提高了调度的灵活性。该方法可以应用于电-气耦合多能流系统的调度计划制定，有利于提高电-气耦合多能流系统的用能效率，减少运行成本。

具体实施方式

本发明提出的电‐气耦合多能流系统的优化调度方法，包括以下步骤：

(1)建立一个电-气耦合多能流系统优化调度的目标函数：

其中，GU为电‐气耦合多能流系统中的燃气机组编号的集合，为电‐气耦合多能流系统中第x台燃气机组的燃料成本，为电‐气耦合多能流系统中第y台非燃气机组的运行成本，P_y为电‐气耦合多能流系统中第y台非燃气机组的有功功率，非燃气机组的运行成本是机组有功出力的非线性函数，从非燃气机组的出厂说明书获得；

(2)设定电-气耦合多能流系统中电网与天然气网稳态安全运行的等式约束条件，包括：

(2-1)电-气耦合多能流系统中电网潮流方程如下：

其中，Pⁱ为电网中节点i的注入有功功率，Qⁱ为电网中节点i的注入无功功率，θ_i、θ_j分别为节点i、节点j的电压相角，U_i、U_j分别为节点i、节点j的电压幅值，G_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，B_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节点导纳矩阵Y从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取；

(2-2)电-气耦合系统的天然气网中管道的水力方程如下：

其中，f_km为天然气网中第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量，p_k，p_m分别为第k个节点和第m个节点的压强，D^km、L^km分别为第k个节点和第m个节点之间管道km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式计算得到，E_f为管道的效率系数，E_f取值0.92，Re为雷诺数，Re＝ρvd/μ，ρ为天然气密度，v为天然气流速，μ为天然气黏性系数，取值为0＜u＜100帕秒，d为天然气管道直径，γ_G为天然气比重，0＜γ_G＜1，T_a为天然气平均温度，T_n、p_n分别为标准状态下天然气的温度和压力，T_n、p_n的取值分别为288K、0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，取值为0＜Z_g＜2，天然气网管道水力方程中，当时，上式中的sgn_p(p_k,p_m)＝1，当时，sgn_p(p_k,p_m)＝-1；

(2-3)电-气耦合系统中的天然气网中压缩机的能量消耗方程如下：

其中，p_k，p_m分别为天然气网中第k个节点和第m个节点的压强，BHP^km为第k个节点和第m个节点之间的压缩机的能量消耗，为该压缩机的入口体积流量，η_c为该压缩机的总效率，c_k为该压缩机的多变系数，η_c和c_k从压缩机的出厂说明书获取；

(2-4)通过燃气轮机耦合的电网与天然气网之间的耦合方程如下：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气的体积流量，P_Tur为燃气轮机的有功功率输出，C₁、C₂和C₃分别为燃气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；

(2-5)电-气耦合系统中天然气网的节点气流平衡方程如下：

A_Gf＝L，

其中：A_G为天然气网的节点-支路矩阵，f为天然气网的所有支路的体积流量，L为天然气网的所有节点的天然气注入体积流量，正数表示气源注入天然气网的体积流量，负数表示负荷从天然气网获得的体积流量，L根据天然气网历史运行数据得到；

(3)设定电-气耦合系统中电网与天然气网稳态安全运行的不等式约束条件，包括：

(3-1)电-气耦合系统的电网中第i个节点的电压幅值U_i在设定的电力系统安全运行电压的上、下限值U _i、之间运行，U _i为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍：

(3-2)电-气耦合系统的电网中第l条线路的传输容量小于或等于设定的电网安全运行传输容量的最大值

(3-3)电-气耦合系统的电网中燃气机组有功功率的爬坡约束：

其中，和分别为第x台燃气机组有功功率的向上和向下爬坡速率，和从燃气机组的出厂说明书中获得，Δt为相邻两个调度时段的时间间隔，P_x,t和P_x,t-1分别为第x台燃气机组在第t个调度时段和第t-1个调度时段的有功功率；

(3-4)电-气耦合系统的电网中非燃气机组有功功率的爬坡约束：

其中，和分别为第y台非燃气机组有功功率的向上和向下爬坡速率，和从非燃气机组的出厂说明书中获得，Δt为相邻两个调度时段的时间间隔，P_y,t和P_y,t-1分别为第y台非燃气机组在第t个调度时段和第t-1个调度时段的有功功率；

(3-5)电-气耦合系统的电网中第x台燃气机组的有功功率P_x在设定的电网安全运行第x台燃气机组有功功率的上、下限值 P _x之间：

(3-6)电-气耦合系统的电网中第y台非燃气机组的有功功率P_y在设定的电网安全运行第y台非燃气机组有功功率的上、下限值 P _y之间：

(3-7)电-气耦合系统的天然气网中第k个节点的压强p_k在设定的管道安全运行气压的上、下限值p _k、内：

(3-8)电-气耦合系统的天然气网中第b个管道的流量f_b在设定的管道安全运行流量的上、下限值f _b、内：

(3-9)电-气耦合系统的天然气网中气源供气量f_s小于或等于该气源能提供天然气流的最大值f_s,max：

f_s≤f_s,max；

(3-10)电-气耦合系统的天然气网中的压缩机安全运行时需要满足以下约束：

其中：S是该压缩机的升压比，S_max是该压缩机的最大升压比，S_max由压缩机的出厂铭牌获取，为该压缩机的入口的体积流量，为该压缩机的入口最大允许体积流量，由压缩机的出厂铭牌获取，p^out为压缩机的出口压力，p_c,max为压缩机的出口最大允许压力，p_c,max由压缩机的出厂铭牌获取；

(4)采用内点法，将步骤(1)中的方程作为目标函数，将上述步骤(2)和步骤(3)的所有方程作为约束条件，求解得到电-气耦合多能流系统中燃气轮机的有功功率、非燃气轮机的有功功率和气源注入天然气网的体积流量，作为电‐气耦合多能流系统的优化调度方案。

本方法中的内点法(Interior Point Method)求解方程，是一种求解线性规划或非线性凸优化问题的算法，也是本技术领域的公知技术。

Claims (1)

1.一种电‐气耦合多能流系统的优化调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)建立一个电-气耦合多能流系统优化调度的目标函数：

其中，GU为电‐气耦合多能流系统中的燃气机组编号的集合，为电‐气耦合多能流系统中第x台燃气机组的燃料成本，为电‐气耦合多能流系统中第y台非燃气机组的运行成本，P_y为电‐气耦合多能流系统中第y台非燃气机组的有功功率，非燃气机组的运行成本是机组有功出力的非线性函数，从非燃气机组的出厂说明书获得；

(2)设定电-气耦合多能流系统中电网与天然气网稳态安全运行的等式约束条件，包括：

(2-1)电-气耦合多能流系统中电网潮流方程如下：

其中，Pⁱ为电网中节点i的注入有功功率，Qⁱ为电网中节点i的注入无功功率，θ_i、θ_j分别为节点i、节点j的电压相角，U_i、U_j分别为节点i、节点j的电压幅值，G_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，B_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节点导纳矩阵Y从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取；

(2-2)电-气耦合系统的天然气网中管道的水力方程如下：

其中，f_km为天然气网中第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量，p_k，p_m分别为第k个节点和第m个节点的压强，D^km、L^km分别为第k个节点和第m个节点之间管道km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式计算得到，E_f为管道的效率系数，E_f取值0.92，Re为雷诺数，Re＝ρvd/μ，ρ为天然气密度，v为天然气流速，μ为天然气黏性系数，取值为0＜u＜100帕秒，d为天然气管道直径，γ_G为天然气比重，0＜γ_G＜1，T_a为天然气平均温度，T_n、p_n分别为标准状态下天然气的温度和压力，T_n、p_n的取值分别为288K、0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，取值为0＜Z_g＜2，天然气网管道水力方程中，当时，上式中的sgn_p(p_k,p_m)＝1，当时，sgn_p(p_k,p_m)＝-1；

(2-3)电-气耦合系统中的天然气网中压缩机的能量消耗方程如下：

其中，p_k，p_m分别为天然气网中第k个节点和第m个节点的压强，BHP^km为第k个节点和第m个节点之间的压缩机的能量消耗，为该压缩机的入口体积流量，η_c为该压缩机的总效率，c_k为该压缩机的多变系数，η_c和c_k从压缩机的出厂说明书获取；

(2-4)通过燃气轮机耦合的电网与天然气网之间的耦合方程如下：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气的体积流量，P_Tur为燃气轮机的有功功率输出，C₁、C₂和C₃分别为燃气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；

(2-5)电-气耦合系统中天然气网的节点气流平衡方程如下：

A_Gf＝L，

其中：A_G为天然气网的节点-支路矩阵，f为天然气网的所有支路的体积流量，L为天然气网的所有节点的天然气注入体积流量，正数表示气源注入天然气网的体积流量，负数表示负荷从天然气网获得的体积流量，L根据天然气网历史运行数据得到；

(3)设定电-气耦合系统中电网与天然气网稳态安全运行的不等式约束条件，包括：

(3-1)电-气耦合系统的电网中第i个节点的电压幅值U_i在设定的电力系统安全运行电压的上、下限值U _i、之间运行，U _i为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍：

(3-2)电-气耦合系统的电网中第l条线路的传输容量小于或等于设定的电网安全运行传输容量的最大值

(3-3)电-气耦合系统的电网中燃气机组有功功率的爬坡约束：

其中，和分别为第x台燃气机组有功功率的向上和向下爬坡速率，和从燃气机组的出厂说明书中获得，Δt为相邻两个调度时段的时间间隔，P_x,t和P_x,t-1分别为第x台燃气机组在第t个调度时段和第t-1个调度时段的有功功率；

(3-4)电-气耦合系统的电网中非燃气机组有功功率的爬坡约束：

其中，和分别为第y台非燃气机组有功功率的向上和向下爬坡速率，和从非燃气机组的出厂说明书中获得，Δt为相邻两个调度时段的时间间隔，P_y,t和P_y,t-1分别为第y台非燃气机组在第t个调度时段和第t-1个调度时段的有功功率；

(3-5)电-气耦合系统的电网中第x台燃气机组的有功功率P_x在设定的电网安全运行第x台燃气机组有功功率的上、下限值 P _x之间：

(3-6)电-气耦合系统的电网中第y台非燃气机组的有功功率P_y在设定的电网安全运行第y台非燃气机组有功功率的上、下限值 P _y之间：

(3-7)电-气耦合系统的天然气网中第k个节点的压强p_k在设定的管道安全运行气压的上、下限值p _k、内：

(3-8)电-气耦合系统的天然气网中第b个管道的流量f_b在设定的管道安全运行流量的上、下限值f _b、内：

(3-9)电-气耦合系统的天然气网中气源供气量f_s小于或等于该气源能提供天然气流的最大值f_s,max：

f_s≤f_s,max；

(3-10)电-气耦合系统的天然气网中的压缩机安全运行时需要满足以下约束：

其中：S是该压缩机的升压比，S_max是该压缩机的最大升压比，S_max由压缩机的出厂铭牌获取，为该压缩机的入口的体积流量，为该压缩机的入口最大允许体积流量，由压缩机的出厂铭牌获取，p^out为压缩机的出口压力，p_c,max为压缩机的出口最大允许压力，p_c,max由压缩机的出厂铭牌获取；

(4)采用内点法，将步骤(1)中的方程作为目标函数，将上述步骤(2)和步骤(3)的所有方程作为约束条件，求解得到电-气耦合多能流系统中燃气轮机的有功功率、非燃气轮机的有功功率和气源注入天然气网的体积流量，作为电‐气耦合多能流系统的优化调度方案。