CN110690700B - 一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法 - Google Patents

一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法，包括以下步骤：S1，收集建模所需的相关数据信息；S2，根据相关数据信息的约束关系，建立能源基于混合整数规划的能源互联网模型；S3，对能源互联网模型进行线性化处理；S4，利用线性化处理好的能源互联网模型对能源互联网进行规划。本发明以系统运行成本最低为目标函数，不仅涉及电力系统问题，同时考虑了天然气系统约束，和电力、天然气系统的耦合以及两者系统对能源互联网系统运行的影响，从而实现对能源互联网系统的优化规划。

Description

一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法
技术领域
本发明属于电力系统规划领域，尤其涉及一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法。
背景技术
智慧城市和“互联网+”智慧能源的快速推广，极大地促进了分布式电源、电动汽车等智能用电业务的发展，客户侧的用能、储能、供能设备日益丰富，其便捷灵活的接入智慧能源网的需求日益迫切；另外，随着社会经济发展，用户对于供能的需求已经不仅仅局限于传统模式，其对多样化、个性化的互动服务需求不断增加。
面对上述对能源服务的需求，需要依托能源互联网的理念和技术体系予以解决。其中，城市能源互联网是以城市电力系统为核心，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源，与城市中天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统。城市能源互联网是以互联网思维和理念来变革能源基础设施，实现多种能源形式的转化和分享。
针对城市能源互联网的优化仍然面临诸多挑战：首先，目前城市中存在的分布式新能源系统无序并网及供需不平衡影响和配电网安全稳定运行。其次，利用多元化负荷等资源提高能源利用效能和电网的稳定性，同时提高用户的用能经济性，是面临的迫切问题；再次，电力企业的经营模式转换挑战。在传统电网运营模式下，供电企业不直接向能源的最终消费者提供服务和产品，无法及时了解客户内部用电情况及需求，不能满足互联网时代客户的个性化需求。最后，从业务流管理方面，现有互动增值服务方式和内容无法满足用户差异化需要，制约了客户侧智慧能源互联的发展。
因此，为结合城市能源互联网发展的需要，开展多能源灵活智能接入研究，实现多种形式能源的互联互通，需要针对能源互联网规划的建模进行深入研究。
发明内容
针对目前城市中存在的分布式新能源系统无序并网及供需不平衡，影响新能源系统和配电网安全稳定运行的问题，本发明提出了一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法，以系统运行成本最低为目标函数，不仅涉及电力系统问题，同时考虑了天然气系统约束，和电力、天然气系统的耦合以及两者系统对能源互联网系统运行的影响，从而实现对能源互联网系统的优化规划。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法，包括以下步骤：
S1，收集建模所需的相关数据信息；
S2，根据相关数据信息的约束关系，建立能源基于混合整数规划的能源互联网模型；
S3，对能源互联网模型进行线性化处理；
S4，利用线性化处理好的能源互联网模型对能源互联网进行规划。
本方法利用混合整数规划方法，在考虑现有电厂、气站约束的同时，规划建设新的电厂、气站，高效、准确地完成机组、变电站、分布式电源等设施的建模计算，提高了计算精确程度，又尽可能提升了运算效率。本方法对能源互联网系统有普遍的适用性，能充分反映系统特征，并采用本发明计算给出规划、建设方案，实现了模型的高效求解。
作为优选，所述相关数据信息包括分布式电源个数、容量和电网、气网的线路特征、参数和网架结构。
作为优选，所述约束关系包括天然气网络约束、电力系统约束、电气耦合系统约束、配电站约束和目标函数。
作为优选，所述天然气网络约束包括天然气系统满足节点气流平衡约束：
Figure BDA0002206183060000031
其中，
Figure BDA0002206183060000032
表示气源注入量；
Figure BDA0002206183060000033
表示分布式电源耗气量；
Figure BDA0002206183060000034
表示节点关联矩阵；
Figure BDA0002206183060000035
表示节点间气流；
Figure BDA0002206183060000036
表示燃气需求。
Figure BDA0002206183060000037
其中，xI和xE分别表示新建和扩展设施的状态变量，以下不再赘述；
Figure BDA0002206183060000038
表示气流系数；Pn,t,l表示节点气压。
作为优选，所述电力系统约束包括
电力系统有功功率的节点功率平衡为：
Figure BDA0002206183060000039
电力系统无功功率的节点功率平衡为
Figure BDA00022061830600000310
其中，
Figure BDA00022061830600000311
和
Figure BDA00022061830600000312
分别表示变电所的有功、无功功率；
Figure BDA00022061830600000313
和
Figure BDA00022061830600000314
分别表示配电站的有功、无功功率；
Figure BDA0002206183060000041
和
Figure BDA0002206183060000042
分别表示线路的有功、无功功率；
Figure BDA0002206183060000043
和
Figure BDA0002206183060000044
分别表示有功、无功功率需求。
同时，线路有功、无功潮流约束包括：
Figure BDA0002206183060000045
Figure BDA0002206183060000046
其中，Gij表示线路电导；Vi,t,l表示节点电压；Bij表示线路电纳。
作为优选，所述电气耦合系统约束包括，
针对节点天然气气压的约束：
Figure BDA0002206183060000047
管道气流约束：
Figure BDA0002206183060000048
配气站的最大容量约束：
Figure BDA0002206183060000049
节点电压限制约束：
Figure BDA00022061830600000410
线路电力潮流约束：
Figure BDA00022061830600000411
对于分布式发电站、变电所的最大容量约束：
Figure BDA00022061830600000412
Figure BDA00022061830600000413
针对电、气网约束：
Figure BDA00022061830600000414
Figure BDA0002206183060000051
Figure BDA0002206183060000052
Figure BDA0002206183060000053
Figure BDA0002206183060000054
其中，
Figure BDA0002206183060000055
分别为节点气压和管道气流的上限；
Figure BDA0002206183060000056
为配气站容量上限；V i和
Figure BDA0002206183060000057
为节点气压的下限和上限；
Figure BDA0002206183060000058
为视在功率上限。
作为优选，所述配电站约束包括，
Figure BDA0002206183060000059
其中，w表示配电站的分段系数。
作为优选，所述目标函数为最小化全系统的运行成本函数，包括，
Figure BDA00022061830600000510
式中，ICF为线路投资成本；ICDG为分布式电源投资成本；ICGS为CGS投资成本；ICP为管道投资成本；ICS为变电所投资成本；OCL为运行成本，即：
Figure BDA00022061830600000511
Figure BDA00022061830600000512
Figure BDA00022061830600000513
Figure BDA00022061830600000514
Figure BDA00022061830600000515
Figure BDA00022061830600000516
其中，上述各项系数为其成本相关参数。
作为优选，所述对能源互联网模型进行线性化处理，针对模型中存在大量非线性约束条件而造成模型无法求解的问题，逐一进行了分段线性化处理，处理过程如下，
S301，针对气网约束的线性化，式(2)的约束可以表示为：
Figure BDA0002206183060000061
Figure BDA0002206183060000062
式中，M为设定的参数；
Figure BDA0002206183060000063
为管道气流上限；
S302，针对电网约束的线性化。式(5)和式(6)的约束可以表示为：
Figure BDA0002206183060000064
Figure BDA0002206183060000065
Figure BDA0002206183060000066
Figure BDA0002206183060000067
其中，ΔV为电压的变化值；Gij和Bij为电导和电纳参数。
S303，针对电功率约束的线性化，式(11)、式(12)和式(13)的约束可以表示为：
Figure BDA0002206183060000068
Figure BDA0002206183060000071
Figure BDA0002206183060000072
其中，Y代表分段数。
S304，针对能源互联网模型运行约束的线性化：
Figure BDA0002206183060000073
Figure BDA0002206183060000074
其中，
Figure BDA0002206183060000075
为辅助变量；
Figure BDA0002206183060000076
为视在功率在y段的的离散变量。
S305，设置条件值，所述条件值为参与能源互联网规划的条件数据。
作为优选，利用线性化处理好的能源互联网模型对能源互联网进行规划的过程包括，输入条件值，能源互联网模型根据线性处理好的约束关系得出规划值，所述规划值为能源互联网模型的最低运行成本值。
本发明具有如下突出有益效果：本方法利用混合整数规划方法，在考虑现有电厂、气站约束的同时，规划建设新的电厂、气站，高效、准确地完成机组、变电站、分布式电源等设施的建模计算，提高了计算精确程度，又尽可能提升了运算效率。本方法对能源互联网系统有普遍的适用性，能充分反映系统特征，并采用本发明计算给出规划、建设方案，实现了模型的高效求解。相较于现已公开的能源互联网规划模型，本方法具有明显的优越性。
附图说明
图1是本发明的一种流程图
图2是规划前的电网线路图
图3是规划前的气网线路图
图4是规划后的电网线路图
图5是规划后的气网线路图
图6是最低成本数据表
具体实施方式
实施例：结合图1是本发明的一种流程图，包括以下步骤：
S1，收集建模所需的相关数据信息，所述相关数据信息包括分布式电源个数、容量和电网、气网的线路特征、参数和网架结构。
S2，根据相关数据信息的约束关系，建立能源基于混合整数规划的能源互联网模型，所述约束关系包括天然气网络约束、电力系统约束、电气耦合系统约束、配电站约束和目标函数。
所述天然气网络约束包括天然气系统满足节点气流平衡约束：
Figure BDA0002206183060000081
其中，
Figure BDA0002206183060000082
表示气源注入量；
Figure BDA0002206183060000083
表示分布式电源耗气量；
Figure BDA0002206183060000084
表示节点关联矩阵；
Figure BDA0002206183060000085
表示节点间气流；
Figure BDA0002206183060000086
表示燃气需求。
Figure BDA0002206183060000087
其中，xI和xE分别表示新建和扩展设施的状态变量，以下不再赘述；
Figure BDA0002206183060000088
表示气流系数；Pn,t,l表示节点气压。
所述电力系统约束包括
电力系统有功功率的节点功率平衡为：
Figure BDA0002206183060000091
电力系统无功功率的节点功率平衡为
Figure BDA0002206183060000092
其中，
Figure BDA0002206183060000093
和
Figure BDA0002206183060000094
分别表示变电所的有功、无功功率；
Figure BDA0002206183060000095
和
Figure BDA0002206183060000096
分别表示配电站的有功、无功功率；
Figure BDA0002206183060000097
和
Figure BDA0002206183060000098
分别表示线路的有功、无功功率；
Figure BDA0002206183060000099
和
Figure BDA00022061830600000910
分别表示有功、无功功率需求。
同时，线路有功、无功潮流约束包括：
Figure BDA00022061830600000911
Figure BDA00022061830600000912
其中，Gij表示线路电导；Vi,t,l表示节点电压；Bij表示线路电纳。
所述电气耦合系统约束包括，
针对节点天然气气压的约束：
Figure BDA00022061830600000913
管道气流约束：
Figure BDA00022061830600000914
配气站的最大容量约束：
Figure BDA00022061830600000915
节点电压限制约束：
Figure BDA00022061830600000916
线路电力潮流约束：
Figure BDA0002206183060000101
对于分布式发电站、变电所的最大容量约束：
Figure BDA0002206183060000102
Figure BDA0002206183060000103
针对电、气网约束：
Figure BDA0002206183060000104
Figure BDA0002206183060000105
Figure BDA0002206183060000106
Figure BDA0002206183060000107
Figure BDA0002206183060000108
其中，
Figure BDA0002206183060000109
分别为节点气压和管道气流的上限；
Figure BDA00022061830600001010
为配气站容量上限；V i和
Figure BDA00022061830600001011
为节点气压的下限和上限；
Figure BDA00022061830600001012
为视在功率上限。
所述配电站约束包括，
Figure BDA00022061830600001013
其中，w表示配电站的分段系数。
所述目标函数为最小化全系统的运行成本函数，包括，
Figure BDA00022061830600001014
式中，ICF为线路投资成本；ICDG为分布式电源投资成本；ICGS为CGS投资成本；ICP为管道投资成本；ICS为变电所投资成本；OCL为运行成本，即：
Figure BDA00022061830600001015
Figure BDA0002206183060000111
Figure BDA0002206183060000112
Figure BDA0002206183060000113
Figure BDA0002206183060000114
Figure BDA0002206183060000115
其中，上述各项系数为其成本相关参数。
S3，对能源互联网模型进行线性化处理，针对模型中存在大量非线性约束条件而造成模型无法求解的问题，逐一进行了分段线性化处理，处理过程如下，
S301，针对气网约束的线性化，式(2)的约束可以表示为：
Figure BDA0002206183060000116
Figure BDA0002206183060000117
Figure BDA0002206183060000118
式中，M为设定的参数；
Figure BDA0002206183060000119
为管道气流上限；
S302，针对电网约束的线性化。式(5)和式(6)的约束可以表示为：
Figure BDA00022061830600001110
Figure BDA00022061830600001111
Figure BDA00022061830600001112
Figure BDA0002206183060000121
Figure BDA0002206183060000122
其中，ΔV为电压的变化值；Gij和Bij为电导和电纳参数。
S303，针对电功率约束的线性化，式(11)、式(12)和式(13)的约束可以表示为：
Figure BDA0002206183060000123
Figure BDA0002206183060000124
Figure BDA0002206183060000125
其中，Y代表分段数。
S304，针对能源互联网模型运行约束的线性化：
Figure BDA0002206183060000126
Figure BDA0002206183060000127
其中，
Figure BDA0002206183060000128
为辅助变量；
Figure BDA0002206183060000129
为视在功率在y段的的离散变量。
S305，设置条件值，所述条件值为参与能源互联网规划的条件数据。
利用线性化处理好的能源互联网模型对能源互联网进行规划的过程包括，输入条件值，能源互联网模型根据线性处理好的约束关系得出规划值，所述规划值为能源互联网模型的最低运行成本值。
S4，利用线性化处理好的能源互联网模型对能源互联网进行规划，其过程包括，输入条件值，能源互联网模型根据线性处理好的约束关系得出规划值，所述规划值为能源互联网模型的最低运行成本数据。
结合图2是规划前的电网线路图和图3是规划前的气网线路图，输入条件值，线路成本为7×105元/千米、用电成本0.8元/度、天然气成本为5.9元/立方米、规划前的电网线路构成和规划前的气网线路，经过能源互联网模型的约束计算获得一年内系统运行及建设的最低成本数据、规划后的电网线路构成和规划后的气网线路。结合图4是规划后的电网线路图、图5是规划后的气网线路图和图6是最低成本数据表。
本发明利用混合整数规划方法，在考虑现有电厂、气站约束的同时，规划建设新的电厂、气站，高效、准确地完成机组、变电站、分布式电源等设施的建模计算，提高了计算精确程度，又尽可能提升了运算效率。本发明对能源互联网系统有普遍的适用性，能充分反映系统特征，并采用本发明计算给出规划、建设方案，实现了模型的高效求解。相较于现已公开的能源互联网规划模型，本发明具有明显的优越性。

Claims (2)

1.一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法，其特征是，包括以下步骤：
S1，收集建模所需的相关数据信息，所述相关数据信息包括分布式电源个数、容量和电网、气网的线路特征、参数和网架结构
S2，根据相关数据信息的约束关系，建立能源基于混合整数规划的能源互联网模型；
S3，对能源互联网模型进行线性化处理；
S4，利用线性化处理好的能源互联网模型对能源互联网进行规划；
所述约束关系包括天然气网络约束、电力系统约束、电气耦合系统约束、配电站约束和目标函数；
所述天然气网络约束包括天然气系统满足节点气流平衡约束：
Figure FDA0003898961520000011
其中，
Figure FDA0003898961520000012
表示气源注入量；
Figure FDA0003898961520000013
表示分布式电源耗气量；
Figure FDA0003898961520000014
表示节点关联矩阵；
Figure FDA0003898961520000015
表示节点间气流；
Figure FDA0003898961520000016
表示燃气需求，
Figure FDA0003898961520000017
其中，
Figure FDA0003898961520000018
和
Figure FDA0003898961520000019
分别表示新建和扩展设施的状态变量，以下不再赘述；
Figure FDA00038989615200000110
表示气流系数；Pn,t,l表示节点气压；
所述目标函数为最小化全系统的运行成本函数，包括，
Figure FDA00038989615200000111
式中，ICF为线路投资成本；ICDG为分布式电源投资成本；ICGS为CGS投资成本；ICP为管道投资成本；ICS为变电所投资成本；OCL为运行成本。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合整数规划的能源互联网规划方法，其特征是，利用线性化处理好的能源互联网模型对能源互联网进行规划的过程包括，输入条件值，能源互联网模型根据线性处理好的约束关系得出规划值，所述规划值为能源互联网模型的最低运行成本值。
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