CN110717226B - 一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法，属于综合能源系统规划领域。提出能源网具备的拓扑特性；基于能流平衡约束建立区域综合能源系统的拓扑描述模型；以区域综合能源系统能源站和供能管线的初期投资建设成本和后期运行成本之和最小化为目标，建立区域综合能源系统布局规划模型；采用正交多项式逼近和分段函数线性化的方法对规划模型进行合理的简化，将原问题转化为较易求解的混合整数二次规划问题；最后基于分支定界法和内点法求解简化后的目标函数，得到综合能源系统布局规划方案。本发明规划方法对问题的考虑更为全面合理，解决了现有规划方法中规划目标物理含义不明确的问题，并且求解效率更高。

Description

一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法

技术领域

本发明涉及综合能源系统规划领域，尤其涉及一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法。

背景技术

区域综合能源系统是构建能源互联网的基础，可充分发挥各类能源形式之间的互补优势和协同效益，并可促进可再生能源的消纳。区域综合能源系统由能源站、供能管线和负荷中心组成。能源站和供能管线的布局规划须要与城市规划相协调，其合理性不仅会影响综合能源工程的顺利落地，也会影响后期区域综合能源系统建设和运行的可靠性和经济性。

目前国内外关于区域综合能源系统规划的研究主要集中在系统设备容量规划和考虑多能耦合的配电网扩展规划，而针对区域综合能源系统中能源站的数量、位置及供能管线布局规划的研究较少。

陈娟等人(陈娟,黄元生,鲁斌.区域能源互联网“站-网”布局优化研究[J].中国电机工程学报,2018,38(3):675-684.)基于图论中的p-中位模型建立了区域综合能源系统能源站和管线布局规划模型，但直接套用p-中位模型造成其规划目标的物理意义不明确。易文飞等人(易文飞,俞永增,张艺伟,等.基于p-中位模型的区域综合能源系统能源站优化规划[J].电力系统自动化,2019,43(4):107-112.)提出一种使负荷中心和能源站之间路径加权距离最短的规划方法，但是能源站和管线布局并不等同于最短路径问题，并且该模型采用启发式算法求解易陷入局部最优，需采用枚举法进行求解，效率较低。

综上所述，当前尚未有成熟的区域综合能源系统布局规划方法。为了能够科学指导能源站选址和管线布局，需要研究更为合理的区域综合能源系统布局规划方法。针对现有区域综合能源系统布局规划方法中，基于最短路径的规划思路无法获得最优规划方案的问题，本发明提出了能源网具备的拓扑特性，基于能流平衡约束建立了区域综合能源系统的拓扑描述模型，使得规划方法对问题的考虑更为全面合理；针对现有区域综合能源系统布局规划方法中规划目标物理含义不明确的问题，本发明以区域综合能源系统能源站和供能管线的初期投资建设成本和后期运行成本之和最小化为目标，建立区域综合能源系统布局规划模型；针对现有区域综合能源系统布局规划方法中需采用效率较低的枚举法求解规划模型的问题，本发明提出采用正交多项式逼近和分段函数线性化的方法对模型进行合理的简化，将原问题转化为较易求解的混合整数二次规划问题。

发明内容

本发明提供了一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法。该方法提出了能源网所具备的拓扑特性，进而基于能流平衡约束建立区域综合能源系统的拓扑描述模型。然后以能源站和供能管线初期投资建设和后期运行成本最小化为目标，建立区域综合能源系统布局规划模型。最后利用正交多项式逼近和分段函数线性化方法对规划模型进行合理的简化处理，使得问题求解难度显著降低，同时使计算结果保持较高的精度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

步骤1：根据能源网拓扑特性，基于能流平衡约束建立区域综合能源系统的拓扑描述模型；

步骤2：以能源站和供能管线的初期投资建设成本年值和后期运行成本年值之和最小化为目标，建立区域综合能源系统的布局规划模型；所述后期运行成本年值包括供能管线的年折旧和维护费用、单条配电线路的年运行成本、能源站的年维护费用、供热管道的年热量损失费用和热力管网循环水泵的年运行费用；

步骤3：采用正交多项式逼近方法和分段函数线性化方法对步骤2得到的布局规划模型进行简化，将区域综合能源系统的布局规划问题转化为混合整数二次规划问题，得到简化后的布局规划模型的目标函数；

步骤4：利用CPLEX优化软件求解步骤3得到的简化后的布局规划模型的目标函数，得到区域综合能源系统布局规划方案。

进一步的，步骤1所述区域综合能源系统的拓扑描述模型如下：

式中：n_i为网络中第i个节点；Γ_i为节点n_i的邻接节点集合；f_ij为由节点n_i流向节点n_j的功率大小，且其满足关系f_ij＝-f_ji；S_j为能源站节点可提供的最大功率；L_j为节点的需求功率；Ω_s为候选能源站节点集合，Ω_r为道路节点集合，Ω_u为负荷节点集合；f_b为第b条管线上流经的功率；F_b为管线输送的功率上界；β_j为表示是否在第j个候选站址建设能源站的变量，若是则β_j＝1，否则β_j＝0；x_b为表示是否在第b条道路上建设管线通道的变量，若是则x_b＝1，否则x_b＝0。

进一步的，所述步骤2具体为：

区域综合能源系统的能源站的初期投资建设成本计算公式如下：

式中：C_sa,i为第i个能源站的初期投资建设成本年值；P_se,i为第i个能源站的供电设备容量；P_sh,i为第i个能源站的供热设备容量；c_s为能源站设备单位容量投资成本；r为年利率；A为能源系统寿命年限；

供能管线的初期投资建设成本计算公式如下：

式中：C_la,b为第b条道路中的管线初期投资建设成本年值；c_p为管线通道单位长度的建设成本；c_le为配电线路单位容量和长度的投资成本；P_e,b为第b条道路中配电线路输送的有功功率；c_lh为供热管道单位容量和长度的投资成本；P_h,b为第b条道路中供热管道输送的热功率；l_b为第b条道路的长度；

能源站的年维护费用如下：

C_sm,i＝(μ_s1+μ_s2)C_sa,i

式中：C_sm,i为第i个能源站的年维护费用；μ_s1为人工费比例系数；μ_s2为能源站维护费比例系数；

供能管线的年折旧和维护费用如下：

C_lm,b＝(μ_l1+μ_l2)C_la,b

式中：C_lm,b为第b条道路中供能管线的年折旧和维护费用；μ_l1为折旧率；μ_l2为供能管线维护费比例系数；

单条配电线路的年运行成本如下：

式中：C_lo,b为第b条配电线路的年运行成本；τ_max为年最大负荷小时数；c_ep为电价；U_b为第b条配电线路的电压等级；R_b为第b条配电线路的单位电阻；Q_e,b为第b条配电线路中输送的无功功率；

热力管网循环水泵年运行费用计算公式如下：

式中：C_wp为循环水泵年运行费用；V_f为循环水泵的设计流量；G_p为循环水泵的工作压力；t_p为循环水泵的年最大工作时间；η_p为循环水泵的效率；

供热管道的年热量损失费用计算公式如下：

式中：C_hl,b为第b条道路中供热管道的年热量损失费用；λ为保温材料的导热系数；T_c为管道内外平均温差；d_b为管道的直径；δ_p为管道壁的厚度；δ_t为管道保温层的厚度；c_op为系统能效比；

以能源站和供能管线的初期投资建设成本和后期运行成本之和最小化为目标，区域综合能源系统布局规划模型目标函数如下：

式中：β_i为表示是否在第i个候选站址建设能源站的二进制变量；N_r为规划区域内的道路总数；

区域综合能源系统的布局规划模型的约束条件满足步骤1中建立的区域综合能源系统的拓扑约束模型。

进一步的，所述步骤3具体为：

采用正交多项式逼近方法，将步骤2得到的布局规划模型目标函数中C_sa,i的计算公式中的幂函数进行逼近，令

式中：q为引入的中间变量，取值范围为[0,1]；S_e,i为第i个能源站可建设的最大供电容量；S_h,i为第i个能源站可建设的最大供热容量；

采用Legendre多项式，并利用Galerkin法计算多项式逼近系数，得到幂函数的多项式逼近表达式如下：

进一步消去布局规划模型目标函数中二次项与整数变量的乘积项β_jq²，令

y_i＝β_iq²

-β_iW≤y_i≤β_iW

-(1-β_i)W≤y_i-q²≤(1-β_i)W

式中：y_i为引入的变量；W为一足够大的常数；

再采用分段函数线性化方法对目标函数中C_la,b的计算公式中的绝对值函数进行简化，如下所示：

P_e,b|＝P_em(ω_e,b1+ω_e,b3)

式中：_e,b1、_e,b2、_e,b3、z_e,b1和z_e,b1为引入的变量；P_em为配电线路输送的有功功率上界；

利用上述方法简化后将区域综合能源系统的布局规划问题转化为混合整数二次规划问题，且其松弛问题为凸优化问题。

本发明具备的有益效果是：

本发明提出了能源网具备的拓扑特性，基于能流平衡约束建立了区域综合能源系统的拓扑描述模型，解决了现有区域综合能源系统布局规划方法中基于最短路径的规划思路无法获得最优规划方案的问题，使得规划方法对问题的考虑更为全面合理。

本发明以区域综合能源系统能源站和供能管线的初期投资建设成本和后期运行成本之和最小化为目标，建立区域综合能源系统布局规划模型，解决了现有规划方法中规划目标物理含义不明确的问题。

本发明提出采用正交多项式逼近和分段函数线性化的方法对模型进行合理的简化，将原问题转化为较易求解的混合整数二次规划问题，解决了现有规划方法中需采用效率较低的枚举法求解规划模型的问题。

附图说明

图1为考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法流程图；

图2为本实施例中的某城市待规划区域示意图；

图3为本实施例中的某城市布局规划结果示意图。

具体实施方式

一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：提出能源网具备的拓扑特性，进而基于能流平衡约束建立区域综合能源系统的拓扑描述模型。

提出的能源网拓扑特性如下：

1)能源网管线的建设分为管线地下通道的建设和管线敷设。为了充分利用城市中稀缺的地下资源，一条通道中通常可包含多条供能管线，因此通道网络的结构相比管线较为简单。

2)能源网管线通道的规划与城市土地规划密切关联，一般应沿道路建设，同时还需要考虑地质条件、地面建筑等更多实际地理限制因素。

3)管线通道需要为管线的敷设提供充足的空间资源，保证至少有一种能够满足负荷需求的管线敷设方案，因此通道在规划中可存在冗余设计、包含环状结构。

4)能源网能源站选址应首先根据城市规划、可再生能源资源等条件初选出可能比实际需求更多站址，然后再考虑投资经济性，在候选位置中选择一个或多个位置建设能源站。

5)负荷中心的管线在空间上可从多个方向接入，为便于管理通常只有一条能源接入通道。

进而基于能流平衡约束建立区域综合能源系统的拓扑描述模型：

式中：n_i为网络中第i个节点；Γ_i为节点n_i的邻接节点集合；f_ij为由节点n_i流向节点n_j的功率大小，且其满足关系f_ij＝-f_ji；S_j为能源站节点可提供的最大功率；L_j为节点的需求功率；Ω_s为候选能源站节点集合，Ω_r为道路节点集合为，Ω_u为负荷节点集合；f_b为第b条管线上流经的功率；F_b为管线输送的功率上界。

步骤2：以能源站和供能管线的初期投资建设成本和后期运行成本之和最小化为目标，建立区域综合能源系统布局规划模型。

区域综合能源系统能源站的初始投资建设成本包括土建费用、设备投资及安装费用，计算公式如下：

式中：C_s,i为第i个能源站的建设成本年值；P_se,i为第i个能源站的供电设备容量；P_sh,i为第i个能源站的供热设备容量；c_s为能源站设备单位容量投资成本；r为年利率；A为能源系统寿命年限。

供能管线初始投资成本包含管线通道建设费用、管线材料费用和施工费用，计算公式如下：

式中：C_la,b为第b条道路中的管线建设成本年值；c_p为管线通道单位长度的建设成本；c_le为配电线路单位容量和长度的投资成本；P_e,b为第b条道路中配电线路输送的有功功率；c_lh为供热管道单位容量和长度的投资成本；P_h,b为第b条道路中供热管道输送的热功率；l_b为第b条道路的长度。

能源站的年维护费用如下：

C_sm,i＝(μ_s1+μ_s2)C_sa,i

式中：C_sm,i为第i个能源站的年维护费用；μ_s1为人工费比例系数；μ_s2为能源站维护费比例系数。

供能管线的年折旧和维护费用如下：

C_lm,b＝(μ_l1+μ_l2)C_la,b

式中：C_lm,b为第b条道路中管线的年折旧和维护费用；μ_l1为折旧率；μ_l2为管线维护费比例系数。

单条配电线路的运行成本如下：

式中：C_lo,b为第b条配电线路的年运行成本；τ_max为年最大负荷小时数；c_ep为电价；U_b为第b条配电线路的电压等级；R_b为第b条配电线路的单位电阻；Q_e,b为第b条配电线路中输送的无功功率。

热力管网循环水泵年运行费用计算公式如下：

式中：C_wp为循环水泵年运行费用；V_f为循环水泵的设计流量；G_p为循环水泵的工作压力；t_p为循环水泵的年最大工作时间；η_p为循环水泵的效率。

供热管道的年热量损失费用计算公式如下：

式中：C_hl,b为第b条道路中供热管道的年热量损失费用；λ为保温材料的导热系数；T_c为管道内外平均温差；d_b为管道的直径；δ_p为管道壁的厚度；δ_t为管道保温层的厚度；c_op为系统能效比。

以能源站和供能管线的初期投资建设成本和后期运行成本之和最小化为目标的区域综合能源系统布局规划模型目标函数如下：

式中：β_i为表示是否在第i个候选站址建设能源站的二进制变量；N_r为规划区域内的道路总数。

区域综合能源系统布局规划模型的约束条件为步骤1中建立的区域综合能源系统拓扑约束。

步骤3：采用正交多项式逼近和分段函数线性化的方法对规划模型进行合理的简化，将原问题转化为较易求解的混合整数二次规划问题。

将能源站建设成本公式中包含幂函数用正交多项式进行逼近，令

式中：q为引入的中间变量，取值范围为[0,1]；S_e,i为第i个能源站可建设的最大供电容量；S_h,i为第i个能源站可建设的最大供热容量。

采用Legendre多项式对能源站建设成本公式中的幂函数进行逼近，利用Galerkin法计算多项式逼近系数，得到幂函数的多项式逼近表达式如下：

进一步消去目标函数中二次项与整数变量的乘积项，令

y_i＝β_iq²

-β_iW≤y_i≤β_iW

-(1-β_i)W≤y_i-q²≤(1-β_i)W

式中：y_i为引入的变量；W为一足够大的常数。

再利用分段函数线性化方法对目标函数中的绝对值函数进行简化，如下所示：

|P_e,b|＝P_em(ω_e,b1+ω_e,b3)

式中：_e,b1、_e,b2、_e,b3、z_e,b1和z_e,b1为引入的变量；P_em为配电线路输送的有功功率上界。

利用上述方法简化后将区域综合能源系统的布局规划转化为混合整数二次规划问题，且其松弛问题为凸优化问题。

步骤4：利用CPLEX优化软件求解考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划模型，得到使能源站和供能管线初期投资建设和后期运行成本之和最小化的区域综合能源系统布局规划方案。

实施例

采用图2所示的某城市待规划区域验证考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法，该区域共有20个负荷中心、8个候选能源站站址和345条道路。图中给出了各节点的编号，各负荷中心节点的负荷需求功率如表1所示，区域综合能源系统布局规划模型中的常量参数如表2所示。

表1负荷数据

表2常量参数

按图1所示流程，在能源站和管线布局规划中考虑区域综合能源系统拓扑特性，以投资建设和后期运行成本最小化为目标，在图2中选择最优的能源站站址和敷设管线的道路，得到的规划结果如图3所示。规划结果在8个候选能源站站址中选择了5个建设能源站，在345条道路中选择了62条建设地下通道。通道中可能包含供电、供热管线中的一种或两种，图3中沿着通道排列的虚线和点状虚线线段分别表示在通道中敷设供电和供热管线。从图中可看出能源站和管线规划方案符合区域综合能源系统的拓扑特性。

与现有方法相比，本发明考虑了供能管线共用地下通道的情况。如图3中的线段所示，规划结果中能源站187和192共用了管线通道190-85-180-73-61-49-161-159-146-143-131-128。当管线共通道敷设时，避免了重复报批、设计和挖沟等环节，成本显著降低。这表明相比现有方法，采用本发明方法能得到经济性更优的区域综合能源系统规划方案。

Claims (3)

1.一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据能源网拓扑特性，基于能流平衡约束建立区域综合能源系统的拓扑描述模型；所述区域综合能源系统的拓扑描述模型如下：

-x_bF_b≤f_b≤x_bF_b

式中：n_i为网络中第i个节点；n_j为网络中第j个节点；Γ_j为节点n_i的邻接节点集合；f_ij为由节点n_i流向节点n_j的功率大小，且其满足关系f_ij＝-f_ji；S_j为能源站节点可提供的最大功率；L_j为节点的需求功率；Ω_s为候选能源站节点集合，Ω_r为道路节点集合，Ω_u为负荷节点集合；f_b为第b条管线上流经的功率；F_b为管线输送的功率上界；β_j为表示是否在第j个候选站址建设能源站的变量，若是则β_j＝1，否则β_j＝0；x_b为表示是否在第b条道路上建设管线通道的变量，若是则x_b＝1，否则x_b＝0；

步骤2：以能源站和供能管线的初期投资建设成本年值和后期运行成本年值之和最小化为目标，建立区域综合能源系统的布局规划模型；所述后期运行成本年值包括供能管线的年折旧和维护费用、单条配电线路的年运行成本、能源站的年维护费用、供热管道的年热量损失费用和热力管网循环水泵的年运行费用；

步骤3：采用正交多项式逼近方法和分段函数线性化方法对步骤2得到的布局规划模型进行简化，将区域综合能源系统的布局规划问题转化为混合整数二次规划问题，得到简化后的布局规划模型的目标函数；

步骤4：利用CPLEX优化软件求解步骤3得到的简化后的布局规划模型的目标函数，得到区域综合能源系统布局规划方案。

2.如权利要求1所述的一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法，其特征在于所述步骤2具体为：

区域综合能源系统的能源站的初期投资建设成本计算公式如下：

式中：C_sa,i为第i个能源站的初期投资建设成本年值；P_se,i为第i个能源站的供电设备容量；P_sh,i为第i个能源站的供热设备容量；c_s为能源站设备单位容量投资成本；r为年利率；A为能源系统寿命年限；

供能管线的初期投资建设成本计算公式如下：

式中：C_la,b为第b条道路中的管线初期投资建设成本年值；c_p为管线通道单位长度的建设成本；c_le为配电线路单位容量和长度的投资成本；P_e,b为第b条道路中配电线路输送的有功功率；c_lh为供热管道单位容量和长度的投资成本；P_h,b为第b条道路中供热管道输送的热功率；l_b为第b条道路的长度；

能源站的年维护费用如下：

C_sm,i＝(μ_s1+μ_s2)C_sa,i

式中：C_sm,i为第i个能源站的年维护费用；μ_s1为人工费比例系数；μ_s2为能源站维护费比例系数；

供能管线的年折旧和维护费用如下：

C_lm,b＝(μ_l1+μ_l2)C_la,b

式中：C_lm,b为第b条道路中供能管线的年折旧和维护费用；μ_l1为折旧率；μ_l2为供能管线维护费比例系数；

单条配电线路的年运行成本如下：

式中：C_lo,b为第b条配电线路的年运行成本；τ_max为年最大负荷小时数；c_ep为电价；U_b为第b条配电线路的电压等级；R_b为第b条配电线路的单位电阻；Q_e,b为第b条配电线路中输送的无功功率；

热力管网循环水泵年运行费用计算公式如下：

式中：C_wp为循环水泵年运行费用；V_f为循环水泵的设计流量；G_p为循环水泵的工作压力；t_p为循环水泵的年最大工作时间；η_p为循环水泵的效率；

供热管道的年热量损失费用计算公式如下：

式中：C_hl,b为第b条道路中供热管道的年热量损失费用；λ为保温材料的导热系数；T_c为管道内外平均温差；d_b为管道的直径；δ_p为管道壁的厚度；δ_t为管道保温层的厚度；c_op为系统能效比；

以能源站和供能管线的初期投资建设成本和后期运行成本之和最小化为目标，区域综合能源系统布局规划模型目标函数如下：

式中：β_i为表示是否在第i个候选站址建设能源站的二进制变量；N_r为规划区域内的道路总数；

区域综合能源系统的布局规划模型的约束条件满足步骤1中建立的区域综合能源系统的拓扑约束模型。

3.如权利要求2所述的一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法，其特征在于所述步骤3具体为：

采用正交多项式逼近方法，将步骤2得到的布局规划模型目标函数中C_sa,i的计算公式中的幂函数进行逼近，令

式中：q为引入的中间变量，取值范围为[0,1]；S_e,i为第i个能源站可建设的最大供电容量；S_h,i为第i个能源站可建设的最大供热容量；

采用Legendre多项式，并利用Galerkin法计算多项式逼近系数，得到幂函数的多项式逼近表达式如下：

进一步消去布局规划模型目标函数中二次项与整数变量的乘积项β_iq²，令

y_i＝β_iq²

-β_iW≤y_i≤β_iW

-(1-β_i)W≤y_i-q²≤(1-β_i)W

式中：y_i为引入的变量；W为常数；

再采用分段函数线性化方法对目标函数中C_la,b的计算公式中的绝对值函数进行简化，如下所示：

|P_e,b|＝P_em(ω_e,b1+ω_e,b3)

式中：ω_e,b1、ω_e,b2、ω_e,b3、z_e,b1和z_e,b2为引入的变量；P_em为配电线路输送的有功功率上界；

利用上述方法简化后将区域综合能源系统的布局规划问题转化为混合整数二次规划问题，且其松弛问题为凸优化问题。