CN109190271A - 一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法，流程包括：建立电热综合能源系统经济优化调度模型；采用Lagrange函数法分析转换优化调度问题；设计迭代算法求解优化调度问题，输出最优解；计算电热综合能源系统经济优化调度模型的最优值，即总成本最小值。本发明中考虑了传输损耗对系统供需平衡和机组出力优化的重要影响；考虑了电力网络、热力管网、电热多能耦合、机组出力限制和运行限制多种约束条件；在计及网络传输损耗的前提下，满足用户负荷需求的同时减少企业的产能成本，从而提高经济效益和保障系统安全稳定运行；采用快速迭代算法将电出力等式二次约束转化为仿射约束，降低了模型求解的复杂程度并具有较快的收敛速度。

Description

一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法

技术领域

本发明涉及综合能源系统经济调度技术领域，具体涉及一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法。

背景技术

随着全球化石能源日益枯竭、环境污染日益严重、气候形势日益严峻，在满足人们对多种能源需求的前提下，如何提高能源利用率和实现产能清洁化成为当前世界各国关注的焦点。开源和节流是有效解决上述问题的主要手段：开源即寻求更多的可用能源以确保能源的持续供应；节流即力求更少的能源浪费以延缓能源的枯竭速度，并减少对环境的污染。

综合能源系统(Integrated Energy System,IES)注重不同能源系统基础设施的紧密耦合，通过能源转化设备支持能量在不同物理网络中的双向流动，实现多能源协同优化配置。然而，目前IES经济调度主要集中于系统建模、风电消纳、以及供能侧与负荷侧的不确定性研究，缺乏在系统有功潮流中对网络传输损耗的考虑，忽视了网络传输损耗对系统供需平衡的重要影响，这样的优化调度结果轻则不能满足负荷的实际需求，重则影响电网频率危及系统的安全稳定运行。

综上所述，有必要针对综合能源系统经济调度发明一种新的调度方法，以解决考虑网络传输损耗下综合能源系统经济优化调度求解困难、计算复杂、多约束含耦合的问题，同时达到优化机组出力和保障系统安全、稳定、经济运行的目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述综合能源系统中存在的关键问题，提出一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法，其内容包括如下步骤：

步骤1：建立电热综合能源系统经济优化调度模型，包括目标函数、等式约束和不等式约束；

步骤1.1：建立电热综合能源系统经济优化调度的目标函数：电热综合能源系统包括纯发电机组、热电联产机组和纯产热机组，假设纯发电机组总数为N_p，热电联产机组总数为N_c，以及纯产热机组总数为N_h；P_i为第i个纯发电机组的电出力，O_j、H_j分别为第j个热电联产机组的电出力和热出力，T_k为第k个纯产热机组的热出力；系统以燃料总成本最小为目标函数，具体描述如下：

minF_Total＝F_Power+F_CHP+F_Heat (1)

其中，F_Total、F_Power、F_CHP和F_Heat分别为系统燃料总成本、纯发电机组燃料总成本、热电联产机组燃料总成本以及纯产热机组燃料总成本，具体描述如下：

其中，f_i(Pi)、f_j(O_j,H_j)和f_k(T_k)分别为第i个纯发电机组的燃料成本函数、第j个热电联产机组的燃料成本函数和第k个纯产热机组的燃料成本函数，α_i、β_i和γ_i为f_i(P_i)的参数，α_j、β_j、γ_j、δ_j、θ_j和ε_j为f_j(O_j,H_j)的参数，α_k、β_k和γ_k为f_k(T_k)的参数；

步骤1.2：确立电热综合能源系统经济优化调度的等式约束条件：

(1)电出力等式约束：

其中，ΔP为系统电功率偏差，P_D为系统电负荷，P_L为系统电传输损耗，其中P_L由下式计算得到：

其中，B_im、B_ij和B_jn为系统传输线路参数；

(2)热出力等式约束：

其中，ΔH为系统热功率偏差，H_D为系统热负荷，H_L为系统热传输损耗，其中，H_L由下式计算得到：

其中，n、l_g、t_sw、t_e和∑R分别为热媒流经管道的总段数、流经每段管道的长度、管道中供水温度、管道周围介质的平均温度和热媒到周围介质间每千米管道的总热阻；

步骤1.3：确立电热综合能源系统经济优化调度的不等式约束条件：

(1)传统机组出力限制：

其中，和分别为第i个纯发电机组的出力上下界，和分别为第k个纯产热机组的出力上下界；

(2)热电联产机组运行限制：

热电联产机组的运行特性是发电功率和产热功率的耦合关系，其运行特性能够在一定范围内进行调节，运行特性由如下公式计算得到：

b_mjO_j+c_mjH_j≥d_mjm＝1,2,3j∈N_c (8)

其中，b_mj、c_mj和d_mj分别为第j个热电联产机组可运行域不等式约束的系数；

步骤2：采用Lagrange函数法分析步骤1中式(1)、(3)、(5)，电热综合能源系统经济优化调度模型问题转换为如下优化调度问题：

其中，λ_p和λ_h分别为电热综合能源系统经济优化调度的等式约束条件对应的拉格朗日乘子；

考虑网络传输损耗、传统机组出力限制和热电联产机组运行限制，对P_i、O_j、H_j、T_k分别求偏导数可得使系统燃料总成本最小的Kuhn-Tucher条件如下：

其中，pf_pi和pf_cj分别为纯发电机组和热电联产机组的惩罚因子，由如下公式计算得到：

步骤3：设计快速迭代算法求解优化调度问题，找到满足约束条件下快速收敛的纯发电机组、热电联产机组和纯产热机组的最优出力，从而计算电热综合能源系统的燃料总成本；

步骤3.1：设迭代次数为s＝0,1,2…，当s＝0时，初始化设定各个机组的出力并使其满足如下公式：

步骤3.2：测量管道中供水温度和管道周围介质的平均温度，根据步骤1中式(4)、(6)、(14)分别计算系统电传输损耗、系统热传输损耗和各机组对应的惩罚因子；

步骤3.3：求解下列等式得P_i[s+1]、O_j[s+1]、H_j[s+1]、T_k[s+1]、λ_p[s+1]和λ_h[s+1]；

其中，由公式(3)、公式(5)得到公式(16)；由公式(2)与公式(10)得到公式(17)；由公式(2)与公式(11)得到公式(18)；由公式(2)与公式(12)得到公式(19)；由公式(2)与公式(13)得到公式(20)；

步骤3.4：若满足收敛条件，输出最优解：即此时的P_i[s+1]、O_j[s+1]、H_j[s+1]、T_k[s+1]、λ_p[s+1]和λ_h[s+1]，否则将s＝s+1，返回步骤3.2计算系统电传输损耗、系统热传输损耗和各机组对应的惩罚因子，收敛条件如下：

s＝a,a∈N⁺ (21)

y≤∈,∈∈R⁺ (22)

其中，满足公式(21)或公式(22)，或者同时满足公式(21)和公式(22)收敛条件，a为正整数，∈为正实数，其中，y取|P_i[s+1]-P_i[s]|、|O_j[s+1]-O_j[s]|、|H_j[s+1]-H_j[s]|、|T_k[s+1]-T_k[s]|四个绝对值中的最大值：

迭代算法被广泛应用于电力工业，其核心思想就是不断用变量的旧值递推新值的过程，即用初始时刻的传输损耗和惩罚因子不断递推当前时刻的传输损耗和惩罚因子。

步骤4：根据计算出的最优解，采用公式(9)计算电热综合能源系统经济优化调度模型的最优值，其意义为公式(1)的总成本最小值。

有益技术效果：

1、本发明中电热综合能源系统调度模型首次考虑了网络传输损耗对系统供需平衡和机组出力优化的重要影响；

2、本发明中电热综合能源系统调度模型综合考虑了电力网络、热力管网、电热多能耦合、机组出力限制和运行限制多种约束条件；

3、本发明中电热综合能源系统调度方法实现了多种能源协同优化配置，引导供给侧制定合理的产能方案。在计及网络传输损耗的前提下，满足用户负荷需求的同时减少企业的产能成本，从而提高经济效益和保障系统安全稳定运行；

4、综合能源系统的经济调度是一个多维的、复杂的、非线性的耦合优化问题，采用本发明提出的快速迭代算法可以避免直接求解多维隐式方程组，有效将电出力等式二次约束转化为仿射约束，降低了模型求解的复杂程度并具有较快的收敛速度。

附图说明

图1为本发明实施例的电热综合能源系统结构图；

图2为本发明实施例的一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法流程图；

图3为本发明实施例的迭代求解算法流程图；

图4为本发明实施例的系统拓扑示意图；

图5为本发明算例1的拉格朗日乘子波形图；

图6为本发明算例1的机组出力结果波形图；

图7为本发明算例2的拉格朗日乘子波形图；

图8为本发明算例2的机组出力结果波形图；

图9为本发明算例3的拉格朗日乘子波形图；

图10为本发明算例3的机组出力结果波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对发明做进一步说明，如图1与图2所示，一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法包括如下流程：

步骤1：建立电热综合能源系统经济优化调度模型，包括目标函数、等式约束和不等式约束；

步骤1.1：建立电热综合能源系统经济优化调度的目标函数：电热综合能源系统包括纯发电机组、热电联产机组和纯产热机组，如图4所述的实施例中，电热综合能源系统包含4个纯发电机组、2个热电联产机组和1个纯产热机组，纯发电机组总数为4，编号1,2,3,4，热电联产机组总数为2编号5,6，以及纯产热机组总数为1编号7；图4中，PG为纯发电机组，HG为纯产热机组，CHP为热电联产机组，LU为负荷单元，实线为电力网络，虚线为热力管网，P_i为第i个纯发电机组的电出力，O_j、H_j分别为第j个热电联产机组的电出力和热出力，T_k为第k个纯产热机组的热出力；系统以燃料总成本最小为目标函数，具体描述如下：

minF_Total＝F_Power+F_CHP+F_Heat (1)

其中，F_Total、F_Power、F_CHP和F_Heat分别为系统燃料总成本、纯发电机组燃料总成本、热电联产机组燃料总成本以及纯产热机组燃料总成本，具体描述如下：

其中，f_i(P_i)、f_j(O_j,H_j)和f_k(T_k)分别为第i个纯发电机组的燃料成本函数、第j个热电联产机组的燃料成本函数和第k个纯产热机组的燃料成本函数，α_i、β_i和γ_i为f_i(P_i)的参数，α_j、β_j、γ_j、δ_j、θ_j和ε_j为f_j(O_j,H_j)的参数，α_k、β_k和γ_k为f_k(T_k)的参数；

系统负荷分别取P_D＝600MW、H_D＝150MWth，其它参数见表1～表3：

表1机组成本函数参数

单元	α	β	γ	δ	θ	ε	P<sub>min</sub>/T<sub>min</sub>	P<sub>max</sub>/T<sub>max</sub>
									1-4	10	4.2	0.018	-	-	-	20	300
5	2250	2.1	0.087	1.8	0.060	0.023	-	-
									6	3250	3.2	0.123	0.6	0.054	0.011	-	-
7	950	2.2	0.076	-	-	-	0	2695

热电联产机组可运行域见表2所示：

表2热电联产机组可运行域

单元	FOR(H,P)
		5	(0,98.8),(104.8,81),(180,215),(0,247)
6	(0,44),(75,40),(135.6,110.2),(0,125.8)

热力管网参数见表3所示：

表3热力管网参数

管道	l(km)	t<sub>sw</sub>(□)	t<sub>e</sub>(□)	∑R(km*□/kW)
					5-6	2.2	90	0	20
5-7	1.8	90	0	20
					5-8	2.4	90	0	20
6-7	2.6	90	0	20
					6-8	2.1	90	0	20
7-8	2.6	90	0	20

网络损耗B矩阵参数如下所示：

步骤1.2：确立电热综合能源系统经济优化调度的等式约束条件：

(1)电出力等式约束：

其中，ΔP为系统电功率偏差，P_D为系统电负荷，P_L为系统电传输损耗，其中P_L由下式计算得到：

其中，B_in、B_ij和B_jn为系统传输线路参数；

(2)热出力等式约束：

其中，ΔH为系统热功率偏差，H_D为系统热负荷，H_L为系统热传输损耗，其中，H_L由下式计算得到：

其中，n、l_g、t_sw、t_e和∑R分别为热媒流经管道的总段数、流经每段管道的长度、管道中供水温度、管道周围介质的平均温度和热媒到周围介质间每千米管道的总热阻；

步骤1.3：确立电热综合能源系统经济优化调度的不等式约束条件：

(1)传统机组出力限制：

其中，和分别为第i个纯发电机组的出力上下界，和分别为第k个纯产热机组的出力上下界；

(2)热电联产机组运行限制：

热电联产机组的运行特性是发电功率和产热功率的耦合关系，其运行特性能够在一定范围内进行调节，运行特性由如下公式计算得到：

b_mjO_j+c_mjH_j≥d_mjm＝1,2,3j∈N_c (8)

其中，b_mj、c_mj和d_mj分别为第j个热电联产机组可运行域不等式约束的系数；

步骤2：采用Lagrange函数法分析步骤1中式(1)、(3)、(5)，电热综合能源系统经济优化调度模型问题转换为如下优化调度问题：

其中，λ_p和λ_h分别为电热综合能源系统经济优化调度的等式约束条件对应的拉格朗日乘子；

考虑网络传输损耗、传统机组出力限制和热电联产机组运行限制，对P_i、O_j、H_j、T_k分别求偏导数可得使系统燃料总成本最小的Kuhn-Tucher条件如下：

其中，pf_pi和pf_cj分别为纯发电机组和热电联产机组的惩罚因子，由如下公式计算得到：

步骤3：设计快速迭代算法求解优化调度问题，找到满足约束条件下快速收敛的纯发电机组、热电联产机组和纯产热机组的最优出力，从而计算电热综合能源系统的燃料总成本，流程如图3所示；

步骤3.1：设迭代次数为s＝0,1,2…，当s＝0时，初始化设定各个机组的出力并使其满足如下公式：

初始化各机组的出力值分别为：P₁＝110、P₂＝110、P₃＝110、P₄＝110、O₁＝110、H₁＝40、O₂＝50、H₂＝70、T₁＝40；

步骤3.2：测量管道中供水温度和管道周围介质的平均温度，根据步骤1中式(4)、(6)、(14)分别计算系统电传输损耗、系统热传输损耗和各机组对应的惩罚因子；

步骤3.3：求解下列等式得P_i[s+1]、O_j[s+1]、H_j[s+1]、T_k[s+1]、λ_p[s+1]和λ_h[s+1]；

其中，由公式(3)、公式(5)得到公式(16)；由公式(2)与公式(10)得到公式(17)；由公式(2)与公式(11)得到公式(18)；由公式(2)与公式(12)得到公式(19)；由公式(2)与公式(13)得到公式(20)；

步骤3.4：若满足收敛条件，输出最优解：即此时的P_i[s+1]、O_j[s+1]、H_j[s+1]、T_k[s+1]、λ_p[s+1]和λ_h[s+1]，否则将s＝s+1，返回步骤3.2计算系统电传输损耗、系统热传输损耗和各机组对应的惩罚因子，收敛条件如下：

s＝a,a∈N⁺ (21)

y≤∈,∈∈R⁺ (22)

其中，满足公式(21)或公式(22)，或者同时满足公式(21)和公式(22)收敛条件，a为正整数，∈为正实数，其中，y取|P_i[s+1]-P_i[s]|、|O_j[s+1]-O_j[s]|、|H_j[s+1]-H_j[s]|、|T_k[s+1]-T_k[s]|四个绝对值中的最大值：

其中，取a＝10，或者∈＝0.0001；

为说明所提求解算法的有效性，本实施例通过以下三个算例进行验证：首先，算例1展示了算法在机组无出力约束运行下的性能；其次，算例2展示了算法在机组有出力约束运行下的性能；最后，算例3展示了算法在考虑两次时变负荷需求下的性能。仿真平台采用Matlab运行实现，算例仿真出力结果见表4所示，波形如图5-10所示：

表4算例仿真出力结果

在算例1中，机组运行在无出力约束的情况下，各机组按照无约束最优条件安排出力计划使得系统燃料总成本最小。由于忽略机组出力约束，此时热电联产机组的最优出力点均未处于对应的可运行域内部，仿真波形如图5-图6所示。

在算例2中，机组运行在有出力约束的情况下，各机组按照有约束最优条件安排出力计划使得系统燃料总成本最小。由于考虑机组出力约束，此时热电联产机组的电出力增加使其运行在可运行域内部，同时纯发电机组减少电出力以满足供需平衡，仿真波形如图7-图8所示。

在算例3中，当迭代次数s＝4和s＝7时，分别改变负荷需求为P_D＝700MW、H_D＝200MWth和P_D＝650MW、H_D＝170MWth。由于系统负荷波动，机组将依据协调方程重新迭代求解出力，并在负荷波动下满足供需平衡，仿真波形如图9-图10所示。

由上述具体实施例我们可以得出以下结论：

(1)机组的最优出力与机组的增量成本成负相关，这是因为在优化调度机组出力时，系统会优先调度增量成本小的机组以使发电成本尽可能小，同时兼顾系统约束条件；

(2)调度模型中计及了能源网络传输损耗，并考虑了电热多能流约束条件，由此得到的优化调度出力结果不仅能够满足用户实际负荷需求，还能保障系统的安全稳定运行，因而更加具有实际意义；

(3)设计的快速迭代算法能够有效求解考虑约束条件和负荷波动下的经济优化调度问题，而且具有较快的收敛速度(迭代次数很小就能满足收敛条件)。

步骤4：根据计算出的最优解，采用公式(9)计算电热综合能源系统经济优化调度模型的最优值，其意义为公式(1)的总成本最小值。

表5机组最优出力下的系统燃料总成本

Claims (2)

1.一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法，其特征在于，具体包括如下流程：

步骤1：建立电热综合能源系统经济优化调度模型，包括目标函数、等式约束和不等式约束；

步骤1.1：建立电热综合能源系统经济优化调度的目标函数：电热综合能源系统包括纯发电机组、热电联产机组和纯产热机组，假设纯发电机组总数为N_p，热电联产机组总数为N_c，以及纯产热机组总数为N_h；P_i为第i个纯发电机组的电出力，O_j、H_j分别为第j个热电联产机组的电出力和热出力，T_k为第k个纯产热机组的热出力；系统以燃料总成本最小为目标函数，具体描述如下：

minF_Total＝F_Power+F_CHP+F_Heat (1)

其中，F_Total、F_Power、F_CHP和F_Heat分别为系统燃料总成本、纯发电机组燃料总成本、热电联产机组燃料总成本以及纯产热机组燃料总成本，具体描述如下：

其中，f_i(P_i)、f_j(O_j,H_j)和f_k(T_k)分别为第i个纯发电机组的燃料成本函数、第j个热电联产机组的燃料成本函数和第k个纯产热机组的燃料成本函数，α_i、β_i和γ_i为f_i(P_i)的参数，α_j、β_j、γ_j、δ_j、θ_j和ε_j为f_j(O_j,H_j)的参数，α_k、β_k和γ_k为f_k(T_k)的参数；

步骤1.2：确立电热综合能源系统经济优化调度的等式约束条件：

(1)电出力等式约束：

其中，ΔP为系统电功率偏差，P_D为系统电负荷，P_L为系统电传输损耗，其中P_L由下式计算得到：

其中，B_im、B_ij和B_jn为系统传输线路参数；

(2)热出力等式约束：

其中，ΔH为系统热功率偏差，H_D为系统热负荷，H_L为系统热传输损耗，其中，H_L由下式计算得到：

其中，n、l_g、t_sw、t_e和∑R分别为热媒流经管道的总段数、流经每段管道的长度、管道中供水温度、管道周围介质的平均温度和热媒到周围介质间每千米管道的总热阻；

步骤1.3：确立电热综合能源系统经济优化调度的不等式约束条件：

(1)传统机组出力限制：

其中，和分别为第i个纯发电机组的出力上下界，和分别为第k个纯产热机组的出力上下界；

(2)热电联产机组运行限制：

热电联产机组的运行特性是发电功率和产热功率的耦合关系，其运行特性能够在一定范围内进行调节，运行特性由如下公式计算得到：

b_mjO_j+c_mjH_j≥d_mjm＝1,2,3j∈N_c (8)

其中，b_mj、c_mj和d_mj分别为第j个热电联产机组可运行域不等式约束的系数；

步骤2：采用Lagrange函数法分析步骤1中式(1)、(3)、(5)，电热综合能源系统经济优化调度模型问题转换为如下优化调度问题：

其中，λ_p和λ_h分别为电热综合能源系统经济优化调度的等式约束条件对应的拉格朗日乘子；

考虑网络传输损耗、传统机组出力限制和热电联产机组运行限制，对P_i、O_j、H_j、T_k分别求偏导数可得使系统燃料总成本最小的Kuhn-Tucher条件如下：

其中，pf_pi和pf_cj分别为纯发电机组和热电联产机组的惩罚因子，由如下公式计算得到：

步骤3：设计迭代算法求解优化调度问题，输出最优解；

步骤4：根据计算出的最优解，采用公式(9)计算电热综合能源系统经济优化调度模型的最优值，其意义为公式(1)的总成本最小值。

2.根据权利要求1所述一种考虑传输损耗的电热综合能源系统经济优化调度方法，其特征在于，所述迭代算法包括如下流程：

步骤3.1：设迭代次数为s＝0,1,2…，当s＝0时，初始化设定各个机组的出力并使其满足如下公式：

步骤3.2：测量管道中供水温度和管道周围介质的平均温度，根据步骤1中式(4)、(6)、(14)分别计算系统电传输损耗、系统热传输损耗和各机组对应的惩罚因子；

步骤3.3：求解下列等式得P_i[s+1]、O_j[s+1]、H_j[s+1]、T_k[s+1]、λ_p[s+1]和λ_h[s+1]；

其中，由公式(3)、公式(5)得到公式(16)；由公式(2)与公式(10)得到公式(17)；由公式(2)与公式(11)得到公式(18)；由公式(2)与公式(12)得到公式(19)；由公式(2)与公式(13)得到公式(20)；

步骤3.4：若满足收敛条件，输出最优解：即此时的P_i[s+1]、O_j[s+1]、H_j[s+1]、T_k[s+1]、λ_p[s+1]和λ_h[s+1]，否则将s＝s+1，返回步骤3.2计算系统电传输损耗、系统热传输损耗和各机组对应的惩罚因子，收敛条件如下：

s＝a,a∈N⁺ (21)

y≤∈,∈∈R⁺ (22)

其中，满足公式(21)或公式(22)，或者同时满足公式(21)和公式(22)收敛条件，a为正整数，∈为正实数，其中，y按照如下公式计算：

即y取|P_i[s+1]-P_i[s]|、|O_j[s+1]-O_j[s]|、|H_j[s+1]-H_j[s]|、|T_k[s+1]-T_k[s]|四个绝对值中的最大值。