CN110866627B - 一种考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了考虑阶梯气价的多区域电‑气耦合综合能源系统优化调度方法，包括如下步骤：S1区域内综合能源系统能源供给模式采用典型冷热电联供系统，增设电转气设备与储气设备以消纳新能源、实现能源备用，加入燃气母线约束建模；S2区域间以电能与天然气的耦合互联实现能源连接，以天然气作为主要互补能源，结合二阶锥松弛与增量线性化方法，完成电‑气稳态耦合线性潮流算法；S3基于电‑气稳态耦合线性潮流，采用双层线性化算法解决压缩机耗气量模型的非线性问题；S4优化完善传统日前经济调度目标函数，综合考虑阶梯气价，通过不同功能区，即居民区、商业区、办公区、工业区等之间的能源互联分配，实现以所有园区总运行成本最小为目标的优化调度。

Description

一种考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调 度方法

技术领域

本发明涉及一种多能流系统优化调度方法，特别是电-气耦合综合能源系统优化调度，主 要通过解决压缩机非线性问题完善天然气潮流模型，计及电转气与储气设备实现能源备用、 提升综合能效，结合阶梯气价降低区域运行成本，从而达到日前优化调度的目的，具体属于 能源系统优化调度技术领域。

背景技术

近年来，能源与环境问题逐步成为遏制社会发展的主要问题。随着光伏、光热、电动汽 车和冷热电联供系统等新型能源生产与利用形式的普及，以“多能耦合互补、能源梯级利用” 为特征的综合能源系统(integrated energy system,IES)以其独特的经济、环保与节能优势成为 目前能源利用模式的主要发展趋势。

国际上对于综合能源系统尚无统一定义，国内对综合能源系统的研究大部分局限于供电、 供气、供热、供冷、供氢等各类能源联供的微能源网型多能互补系统。典型的多能互补系统 为冷热电联供系统。研究表明，综合能源系统以冷热电联供微网为核心，可满足区域内多种 负荷需求，提高多能利用效率，实现分布式电能、冷热能、天然气能源统一调度，提升区域 环境与经济效益，具有巨大发展潜力。针对新能源与油气资源丰富而电网架构薄弱的地区， 发展以电-气耦合综合能源系统为核心的多区域综合能源系统互联模式可充分考虑资源分布 情况，将天然气作为各区域间能源互补的主要形式，弱化电网互联作用，对加快能源转型、 减轻电网供能压力意义重大，具有广阔应用前景。

目前，针对电-气耦合综合能源系统的研究主要集中在综合能源多能流的稳态计算、潮流 分析、规划运营、日前调度等方面。多区域综合能源系统互联网络多能潮流计算，是对整个 节点网络运行状态的描述。电力网络潮流包括电压、电流、功率分布等的计算，天然气网络 潮流包括节点压强、管道流量等的计算。多区域综合能源系统互联网络的多能潮流计算可在 日前调度中发挥重大作用，有助于维持区域能源供应的稳定。而最优潮流结合经济效益、环 境效益等优化目标保证所有区域总运行成本或环保成本的最小化。本发明为优化调度问题， 故而应将潮流计算转换为潮流约束，从而应用于调度。因此，针对方案的实践可行性进行分 析，可认为区域内部包含电、冷、热、气等多种能源的冷热电联供系统是简单的能源集线器， 而对区域间电-气耦合综合能源系统进行潮流计算。

根据文献，近年来大部分学者对电-气耦合综合能源系统优化调度模型的研究通常仅针对 单一功能种类综合能源系统的互联，结合设备选型与功率容量约束满足不同种类的负荷需求， 达到优化调度的目标。但考虑到负荷特性的多样化，不同功能区设备容量与负荷规模存在较 大差异，需联合具有不同负荷特性与设备特性的园区进行统一调度规划。部分学者在日前优 化调度目标的选取上，未结合实际气网定价规律给出合理的天然气价格。考虑到大部分城市 的天然气价格采用阶梯分段模型，可类比电网峰谷电价，在优化目标中计入适用的阶梯气价 方案。另外，传统的电-气互联网络优化调度模型对天然气网络中的压缩机仅进行了非线性建 模，无法应用于混合整数线性规划问题，需研究合适的线性化方法以完善气网潮流算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，本发明公开了一种考虑阶梯气价 的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度方法，区域内采用冷热电联供，区域间以电-气耦 合综合能源系统实现互联互补。在天然气稳态等温增量线性潮流基础上，结合电力二阶锥凸 优化潮流理论，建立基于阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度模型。加入电转 气设备与储气设备实现能源备用、提高新能源消纳率，增设燃气母线完善区域内冷热电联供 系统模型，采用双层线性化算法解决压缩机非线性问题，计及阶梯气价提升区域运行经济效 益。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合 能源系统优化调度方法，以冷热电联供作为区域内综合能源系统运行模式，以气网与电网实 现区域间能源互补，综合考虑电转气设备、储气罐提高能源利用效率，结合阶梯气价优化区 域经济效益，通过压缩机线性模型细化天然气潮流模型，包括以下步骤：

步骤S1，区域内综合能源系统能源供给模式采用典型冷热电联供系统，同时增设电转气 设备与储气设备以消纳新能源、实现能源备用，加入燃气母线约束以完善区域内冷热电联供 系统建模；

步骤S2，区域间以电能与天然气能源的耦合互联实现能源连接，并以天然气作为主要互 补能源，结合二阶锥松弛与增量线性化方法，完成电-气稳态耦合线性潮流算法，从而保证各 区域能源的合理分配与调度；

步骤S3，基于电-气稳态耦合线性潮流，采用双层线性化算法解决压缩机耗气量模型的 非线性问题，使模型更趋于合理化与实际化；

步骤S4，优化完善传统日前经济调度目标函数，综合考虑阶梯气价，通过不同功能区， 即居民区、商业区、办公区、工业区等之间的能源互联分配，实现以所有园区总运行成本最 小为目标的优化调度。

进一步的，本发明所提出的电-气耦合综合能源系统优化调度方法，在步骤S1中，对新 能源与油气资源丰富而电网架构薄弱的地区进行区域内冷热电联供系统建模的过程(省略各 区域i、时段t的下标)为：

步骤S11，搭建区域内冷热电联供系统框架；典型常见的冷热电联供系统主要由燃气轮 机、分布式新能源发电设备、蓄电池、电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、换热设备、余热回收 设备和电冷热负荷等组成；加入电转气设备强化电-气耦合、提高能源利用率，以储气设备实 现能源备用；由此，可确定区域内部冷热电联供系统的母线组成：电气母线、空气母线、烟 气母线、蒸汽母线、热水母线与燃气母线；外部电网、新能源发电设备、燃气轮机满足供电 需求；电制冷机满足用冷需求；电转气设备将过剩新能源电力转化为燃气，与外部气网共同 为区域用气设备供气；电锅炉、燃气轮机、余热回收装置、燃气锅炉和换热装置共同为区域 用热负荷供能；蓄电池与储气罐以储能设备参与区域能源调度；

步骤S12，建立区域内冷热电联供系统母线平衡式约束：

区域内部的冷热电联供系统采用母线式结构进行建模，并增设燃气母线以便于区域间气 网潮流建模；

①电气母线平衡式：

②烟气母线平衡式：

α_GT,smokeP_GT＝P_HR,smoke (2)

③蒸汽母线平衡式：

η_HR,smokeP_HR,smoke+P_GB,steam+COP_EB,steamP_EB＝P_HX,steam (3)

④热水母线平衡式：

η_HX,steamP_HX,steam＝L_H (4)

⑤空气母线平衡式：

COP_ECP_EC＝L_C (5)

⑥燃气母线平衡式：

式中：P_*表示冷功率、热功率、从外部电网获得的有功功率以及电设备的有功功率，kW； Q_*表示从外部电网获得的无功功率以及电设备的无功功率，kVar；L_*代表负荷，kW；θ表示 电负荷的功率因数角，°；η_*表示设备的产能效率；α_*表示设备的热电比，即产热功率与产 电功率之比；COP_*表示制冷/热系数，即制冷/热功率与输入功率的比值；V_*表示天然气流量， m³/h；Hi表示天然气的低位热值，即规定量的气体完全燃烧，燃烧产物的温度与天然气初始 温度相同，所生成的水蒸汽保持气相，而释放出的热量，kW·h/m³，这里取9.78kW·h/m³；Δt 表示仿真步长，h；在本发明中，多余的新能源或被蓄电池存储起来，或通过电转气设备转化 成天然气，以实现就地消纳，电网仅送电，不直接参与区域间能源互补；因此，公式(1)中 P_PCC,Q_PCC≥0；

步骤S13，建立区域内冷热电联供系统设备约束：

①各设备功率约束：

式中：P_*max与P_*min表示冷功率、热功率、从外部电网获得的有功功率以及电设备有功功 率的上下限，kW；Q_*max与Q_*min表示从外部电网获得的无功功率以及电设备无功功率的上、 下限，kVar；

②蓄电池约束：

蓄电池可以消纳部分新能源，抑制风光出力的间歇性和波动性，具有削峰填谷的作用； 在负荷低谷时，吸收电功率，将多余的电量存储起来；在负荷高峰时，发出电功率，以满足 负荷需求；考虑蓄电池的充放电损耗与储能量约束，需计及不同时段的蓄电池充放电状态；

式中：P_BT,Cmax与P_BT,Cmin表示蓄电池充电功率的上、下限，一般P_BT,Cmin＝0，P_BT,Cmax＝χ_BT,C·SOC_BT；P_BT,Dmax与P_BT,Dmin表示蓄电池放电功率的上、下限，一般P_BT,Dmin＝0，P_BT,Dmax＝χ_BT,D·SOC_BT；χ_BT,C与χ_BT,D表示蓄电池的最大充放电倍率；SOC_BT表示蓄电池的额 定容量，kW·h；x_BT,*表示二进制变量，保证在任一时段Δt内蓄电池只存在一种工作状态(或 充电或放电或不充不放)；E_BT表示蓄电池各时段的储能量，kW·h；E_BTmax与E_BTmin表示蓄电 池储能量的上、下限；σ_BT表示蓄电池的自放电率；η_BT,C与η_BT,D表示蓄电池充放电的效率；

③储气罐约束：

储气罐作为储能设备，可存储电转气设备转化的天然气；同时，在供气管道短时中断时， 提供后备能源，保证区域内天然气的供应可靠性；与蓄电池相似，应对储气罐的充放气量、 储气量进行约束；考虑到储气罐的充放气损耗较少，可认为充放气效率为100％，并认为自放 气率可忽略不计；

式中：V_GS,Cmax与V_GS,Cmin表示储气罐充气流量的上、下限，一般V_GS,Cmin＝0，V_GS,Cmax＝γ_GS,C·SOC_GS；V_GS,Dmax与V_GS,Dmin表示储气罐放气流量的上、下限，一般V_GS,Dmin＝0，V_GS,Dmax＝γ_GS,D·SOC_GS；γ_GS,C与γ_GS,D表示储气罐的最大充放气倍率；SOC_GS表示储气罐的额 定储气容量，m³；x_GS,*表示二进制变量，保证在任一时段Δt内储气罐只存在一种工作状态(或 充气或放气或不充不放)；S_GS表示储气罐各时段的储气量，m³；S_GSmax与S_GSmin表示储气罐储 气量的上、下限。

进一步的，本发明所提出的电-气耦合综合能源系统优化调度方法，在步骤S2中，每个 区域将作为一个节点计入区域间电-气耦合综合能源网络潮流计算；电力网络潮流包括电压、 电流、功率分布等的计算，天然气网络潮流包括节点压力、管道流量等的计算；区域间电- 气耦合综合能源系统电-气稳态耦合线性潮流建模的过程(省略时刻t的下标)为：

步骤S21，优化调度中常用的电力系统潮流约束模型主要包括直流潮流模型、基于凸优 化的二阶锥模型和交流潮流模型；在本发明的配网侧微能源网日前调度中，采用二阶锥凸优 化模型；电力潮流二阶锥凸优化模型搭建过程为：

步骤S211，为保证各区域节点电压的稳定，加入有功、无功功率平衡的约束，见式(1)； 根据电力系统稳态知识，搭建电力潮流基本模型：

①电力潮流等式：

式中：u(j)表示电力潮流方向流入j的节点集合；d(j)表示电力潮流方向从j流出的节 点集合；P_PCC,j与Q_PCC,j表示节点j消耗的电功率；P_ij与Q_ij表示节点i与j之间的潮流；R_ij与X_ij表示节点i与j之间线路的阻抗参数；U_i与U_j表示节点i与j的电压；I_ij表示节点i与j之间 的电流；

②电压电流约束：

式中：U_jmax与U_jmin表示节点电压的最大值与最小值；I_ijmax表示线路电流的最大值；

步骤S212，式(10)中，电流和电压、有无功之间为非线性关系，需进行线性化处理；采 用二阶锥松弛的方法，将非线性问题转化为凸优化线性问题，CPLEX等求解器可对二阶锥松 弛算法进行求解；对电力潮流基本模型线性化处理过程为：

①将潮流约束中的变量进行变换，令

同时，对

进行二阶锥松弛，将等于化为大于等于，如式(12)：

②将上式转化为标准二阶锥形式，可得松弛后的潮流约束如式(13)：

步骤S22，天然气潮流计算的状态变量为管道流量、节点压力，应用于优化调度的天然 气潮流约束可分为稳态等温、稳态非等温、动态等温、动态非等温模型；四个模型的计算精 度与计算复杂度依次增大；因在日前调度典型时间尺度(一般为1h)下天然气潮流可认为为 稳态流，且气网管道传输流量损耗较少，尤其在微能源网的配网系统中，管道流量损失可以 忽略不计，故而只考虑压缩机耗气量作为气网运行传输损耗；基于计算精度与复杂度的均衡， 在区域配能网中采用气网稳态等温潮流算法，即认为在单一管道内天然气的流量、温度不随 时间、距离发生变化；本发明中配网侧的区域间天然气管道为中高压管道；气网稳态等温潮 流模型搭建过程为：

步骤S221，搭建天然气潮流基本模型：

①天然气潮流等式：

式中：r(j)表示天然气潮流方向流入j的节点集合；v(j)表示天然气潮流方向从j流出 的节点集合；V_NGS,j表示节点j消耗的天然气流量；K_ij表示节点i与j之间的天然气管道传输 系数，与管道摩阻系数等参数有关；p_i与p_j分别表示节点i与j的压力；σ_ij表示时段Δt内的 天然气管道流量方向，如式(15)：

②流量压力约束：

式中：V_ijmax表示管道流量的最大值；p_jmax与p_jmin表示节点气压的最大值与最小值；

步骤S222，式(14)中管道流量与节点压力的关系为非线性等式，为了实现天然气与电力 潮流的统一优化控制，对天然气潮流基本模型也进行线性化处理；对天然气潮流基本模型线 性化处理过程为：

①将变量转化，令

对公式

进行绝对值处理， 化去变量σ_ij，可得式(17)：

②对式(17)中的

采用增量线性化方法，令f(V)＝V|V|，选取合理的 分段数num-1，则V₁,V₂,…,V_num对应的函数值为f(V₁),f(V₂),…,f(V_num)：

ε_k+1≤λ_k≤ε_k,k＝1,2,…,num-2 (20)

0≤ε_k≤1,k＝1,2,…,num-1 (21)

λ_k∈{0,1},k＝1,2,…,num-2 (22)

式中：λ_k为二进制变量；通过约束(20)保证分段线性化的连续性，即必须按照分段顺序 从左到右填满整个空间。

进一步的，本发明所提出的电-气耦合综合能源系统优化调度方法，在步骤S3中，因天 然气在管道输送过程中，能量随距离不断消耗，压力降低，管道输送能力减弱，从而影响天 然气的继续输送，减少输送量，并最终影响用户生产和生活，所以可在区域间的天然气管道 中部建立压缩机站，以增大管道压力，满足燃气负荷供应需求；进行压缩机线性化建模的过 程为：

步骤S31，典型的压缩机模型分为耗电量和耗气量两种模型；但压缩机站一般建立在气 网某段管道的中部，城市内的电力线路往往与气网管道不重合，故采用耗气量模型更具实际 优势；将压缩机的入口与出口等效为两个潮流节点m与n，时段Δt内运行耗气量计为节点m 的燃气负荷；压缩机耗气量模型如式(23)-(25)：

V_fuel＝K_fuelV_m(p_n-p_m) (23)

V_m＝V_fuel+V_n (24)

μ_minp_m≤p_n≤μ_maxp_m (25)

式中：V_fuel表示压缩机在时段Δt内的耗气流量，m³/h；K_fuel表示压缩机耗气量系数；p_m与p_n分别表示压缩机的进气压强和出气压强，MPa；V_m与V_n分别表示压缩机的进气流量和出 气流量，m³/h；μ_max与μ_min表示压缩机的压缩比最大值与最小值；

步骤S32，建立压缩机耗气量线性化模型的过程为：

步骤S321，天然气潮流线性化约束中，已令

则压缩机模型已转化为 式(26)-(27)：

式(26)为非线性关系式，需进行合理的线性化处理；根据公式特点，可采用双层线性化 方法；第一层为增量线性化模型，第二层为双线性化模型；

步骤S322，第一层增量线性化算法建模过程为：

①令

②对

与

按增量线性化方法分别进行求解；

此时

与

为已知量，令

选取合理的分段数num-1，则

对 应的函数值为

增量线性化模型如式(28)-(32)：

ε_k+1≤λ_k≤ε_k,k＝1,2,…,num-2 (30)

0≤ε_k≤1,k＝1,2,…,num-1 (31)

λ_k∈{0,1},k＝1,2,…,num-2 (32)

式中：λ_k为二进制变量；

③可得出第一层最终的耗气量公式如式(33)：

步骤S323，第二层双线性化算法建模过程为：

①根据第一步得出的耗气量公式可得式(34)：

②根据式(34)，可发现耗气量计算公式为两个双变量乘法的单项式之差，每一个式子可 分别进行双线性化；常见的双线性化方法中，B-SOS1-I方法在求解时间和松弛质量的平衡上 表现出了最高的可行性；故本发明采用B-SOS1-I双线性化方法进行求解；

以双线性函数

为例，令x₁＝V_m，

则对于双线性函数中的单个变量：

0≤μ_il≤1,l＝1,2,…,N_i；i＝1,2 (37)

式中：μ_il为SOS2变量，即一组有序集合里，最多有2个非零值，在模型中以式(38)显式 表示；

为SOS1变量，即一组有序集合里，最多有1个非零值，在模型中隐式表示；

由此，可建立双线性化求解模型：

双线性化求解算法即根据式(35)-(42)实现建模。

进一步的，本发明所提出的电-气耦合综合能源系统优化调度方法，在步骤S4中，考虑 不同区域间电-气耦合综合能源系统统一优化调度，以所有区域总运行成本最小为优化目标， 实现经济调度；结合不同区域的功能特性，计及峰谷电价与阶梯气价，按照不同的用户规模、 负荷曲线与设备特性，设置合适的价格区间；对传统电-气互联系统日前经济优化调度模型目 标函数的完善过程为：

步骤S41，在本模型中，考虑不同区域的峰谷电价，将居民区与工商业、办公区分别进 行峰谷时段划分、价格确定；

步骤S42，结合大部分城市的阶梯分段气价，按照不同区域的功能属性，基于不同的负 荷水平、负荷特性，拟定气网定价机制；居民区天然气价格低，且民用天然气阶梯定价已有 较为完备的标准，但工商业、办公区普遍存在燃气价格较高、无阶梯分布的情况，对大型工 业企业的用气造成较大成本压力，用气支出费用多；当前民用天然气因廉价而被大量使用， 导致销售呈现负收入现象，因此，若工商业用气价格降低，将减轻工商业用气成本压力，并 使工商业用气量大幅增加，从而更多补贴民用天然气，促使民用气价进一步降低，实现双赢； 针对该现象，为进一步降低企业与商户用气成本，促进实体经济平稳较快增长，平衡工商业 及办公区与居民区的用气量与用气成本，本发明提出进行天然气阶梯定价；为限制居民区用 气量，鼓励工商业增加天然气使用量，居民区阶梯气价随用气量的增加而增加，工商业及办 公区阶梯气价随用气量增加而降低；

由于CPLEX中无法求解if-else语句，因此结合0-1变量进行重载调用，将分段函数问题 转化为线性函数问题；

步骤S43，城市区域间电力与天然气配网一般围绕功能园区聚集处外围建设一周，考虑 地区的功能园区分布，可认为配网一般呈干线式辐射状；城市区域配能网级别电-气耦合综合 能源网络模型为干线式辐射状网络；

电-气耦合综合能源系统优化调度的目标函数为所有功能园区总运行成本最小，即为用能 和传输成本最小；其中，包括区域用电成本C_grid、线路传输电损成本C_line、区域用气成本C_gas、 气网传输重要设备压缩机耗气量成本C_compressor；功能园区呈现干线式辐射状分布，因此，各区 域的用能与线路传输损耗可以根据潮流推出；考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统 优化调度模型目标函数为：

式中：N表示该地区的功能园区数；c_pricegrid,i表示功能园区i的单位电价，元/kW·h；c_priceline表示单位线损成本，元/kW·h；c_pricegas,i表示功能园区i的单位气价，元/m³；c_pricefuel表示压缩 机的单位耗气价格，元/m³；P_PCC,i表示功能园区i的用电量，kW；V_NGS,i表示功能园区i的用 气流量，m³/h；P_line∑表示线损量，kW，

0表示发电机发电电源点，1表 示第一个功能园区，即最靠近0点的功能园区；V_fuel表示压缩机的耗气流量，m³/h；Δt表示 调度时间，h；

步骤S44，典型的冷热电联供系统采用混合整数线性规划软件进行求解，常见的电-气耦 合综合能源系统则应用电力二阶锥规划与天然气增量线性潮流算法，基于混合整数线性规划 模型进一步细化，实现混合整数二阶锥规划求解；目前，该模型已有完整成熟的求解算法， 可采用CPLEX等商业软件求解；本发明统一求解方法，根据混合整数二阶锥规划模型，建 立以母线约束、设备约束、潮流约束为基础的经济调度线性规划，通过

的YALMIP 工具箱调用CPLEX软件实现模型的求解；

混合整数二阶锥规划模型一般为：

技术效果：

本发明提出的考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度方法，首先基于电 -气稳态耦合线性潮流算法，建立区域内冷热电联供、区域间电-气耦合互联互补的优化调度 模型。将传输损耗较少的气网作为区域间能源互补主要网络，可减轻电网供能压力，并降低 区域传输成本，提升运行经济效益，在电网架构薄弱、新能源与油气资源丰富的地区具有广 阔发展空间。电转气设备和储气设备的加入实现了能源备用，提高了新能源消纳率，也为天 然气成为主要互补能源提供保障。与传统电-气互联系统相比，本发明提供的区域内冷热电联 供系统模型中增设了燃气母线，可完善电-气耦合综合能源系统中区域内冷热电联供系统建模。 同时，结合居民区、商业区、办公区、工业区等功能区进行统一优化调度，可充分考虑不同 区域的负荷特性、设备特性，实现区域间能源互联互补。电网与气网互为能源备用时，不同 园区间可实现用能互补均衡；同一园区内，天然气与电能互为替代商品，用气量与用电量可 呈现互补杠杆效果。

其次，本发明解决了气网中压缩机耗气量模型的非线性问题，采用双层线性化算法较好 地模拟系统运行中的气网传输损耗，大大降低了模型的复杂度，易于求解。同时，达到了细 节化气网潮流模型的目的。

最后，本发明优化了传统目标函数，计入功能园区阶梯气价，设定居民区阶梯气价随用 气量增加而升高，工商业及办公区阶梯气价随用气量增加而降低，以限制居民用气，鼓励企 业与商户用气，从而补贴民用天然气，进一步推动区域运行经济效益。研究天然气阶梯价格 和档位数变化对区域运行参数的影响，验证优化调度模型的经济性与合理性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或评估方案，下面对实施例或评估方案描述中所需要的 附图作简单地介绍。

图1为本发明实施方法的流程图。

图2是本发明实施例中的区域内冷热电联供系统结构图。

图3是本发明实施例中的区域间电-气耦合综合能源网络结构图。

图4是本发明实施例中的蓄电池与电转气设备下不同功能园区新能源消纳情况对比图。

图5是本发明实施例中的压缩机双层线性化模型运行曲线图。

图6是本发明实施例中的居民区气价波动对各园区用气量、用气成本的影响的示意图。

图7是本发明实施例中的居民区气价波动对各园区用电量、用电成本的影响的示意图。

图8是本发明实施例中的居民区气价波动对所有园区总运行成本的影响的示意图。

图9是本发明实施例中的工商业、办公区阶梯气价档位数变化对所有园区总运行成本的 影响的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明实施例中的区域内冷热电联供系统结构如图2所示，系统由燃气轮机、分布式新 能源发电设备、蓄电池、电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、换热设备、余热回收设备、电冷热 负荷等组成。为实现能源备用、提高新能源消纳率，加入储气罐和电转气设备。各设备的参 数见表1，各功能园区的设备容量见表2。该系统中，外部电网、新能源发电设备、燃气轮机 满足供电需求；电制冷机满足用冷需求；电转气设备将过剩新能源电力转化为燃气，与外部 气网共同为区域用气设备供气；电锅炉、燃气轮机、余热回收装置、燃气锅炉和换热装置共 同为区域用热负荷供能；蓄电池与储气罐以储能设备参与区域能源调度。系统与外部电网相 连，从电网购电但不向电网售电。系统同时向电、热、冷三种负荷提供用能需求，功能园区 各负荷与光伏、风机出力滚动预测值见表4-表7，认为各园区电力负荷功率因数为0.9。图3 为区域间电-气耦合综合能源系统结构图，该系统由2组居民区、商业区、办公区、工业区构 成，共8个节点，为干线式辐射状结构，网络参数见表3。电力网络额定电压等级为35kV， 节点电压最大最小值分别为额定电压的1.05、0.95，线路电流最大值为800A；天然气网络气 源参考节点处压强为1MPa，其余节点压强最大最小值分别为参考气压的1.2、0.8，管道流量 最大值为10000m³/h；压缩机耗气量系数为5×10^-5，压缩比最大值为1.5，最小值为1.1。表 2中m、n分别表示压缩机的进气口节点和出气口节点。

算例背景为新疆地区的多区域电-气耦合综合能源系统调度模型建设。因此，价格的基础 数据来自新疆地区的实际电价与气价。各功能园区分时峰谷电价见表4-表7。阶梯气价中， 以新疆目前实行的居民区1.37元/m³、工商业与办公区2.39元/m³为基础。各园区作为互联系 统中的节点计量气价，即以园区日用气总量作为分档标准。居民区按照1:1.2:1.5进行三档划 分，最低气价为1.37元/m³。工商业与办公区气价分四档，以0.05元为阶梯差价，最高气价 为2.39元/m³，为鼓励企业用气并增加补贴，用得越多价格越低。各功能园区具体的阶梯气价 见表8。电网的传输线损成本为0.2元/kW·h，压缩机的耗气成本为0.261元/m³。调度时间尺 度Δt为1h。

表1算例中的各设备参数

表2算例中各设备功率与容量参数

表3算例中的电-气耦合综合能源网络参数

表4算例中居民区各负荷、光伏、风机出力预测值以及分时峰谷电价表

表5算例中商业区各负荷、光伏、风机出力预测值以及分时峰谷电价表

表6算例中办公区各负荷、光伏、风机出力预测值以及分时峰谷电价表

表7算例中工业区各负荷、光伏、风机出力预测值以及分时峰谷电价表

表8算例中各功能园区阶梯气价

本发明实施例提出一种考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度方法，参 考图1，包括以下步骤：

步骤S1，区域内综合能源系统能源供给模式采用典型冷热电联供系统，同时增设电转气 设备与储气设备以消纳新能源、实现能源备用，加入燃气母线约束以完善区域内冷热电联供 系统建模；

步骤S2，区域间以电能与天然气能源的耦合互联实现能源连接，并以天然气作为主要互 补能源，结合二阶锥松弛与增量线性化方法，完成电-气稳态耦合线性潮流算法，从而保证各 区域能源的合理分配与调度；

步骤S3，基于电-气稳态耦合线性潮流，采用双层线性化算法解决压缩机耗气量模型的 非线性问题，使模型更趋于合理化与实际化；

步骤S4，优化完善传统日前经济调度目标函数，综合考虑阶梯气价，通过不同功能区， 即居民区、商业区、办公区、工业区等之间的能源互联分配，实现以所有园区总运行成本最 小为目标的优化调度。

在上述实施例中，作为优选例，所述步骤S1中，建立区域内冷热电联供系统模型的过程 包括步骤S11～S13，选取调度时间为1h：

步骤S11，搭建区域内冷热电联供系统框架，具体结构见图2：

步骤S12，建立区域内冷热电联供系统母线平衡式约束：

①电气母线平衡式：

②烟气母线平衡式：

2.3P_GT＝P_HR,smoke (2)

③蒸汽母线平衡式：

0.83P_HR,smoke+P_GB,steam+0.97P_EB＝P_HX,steam (3)

④热水母线平衡式：

0.9P_HX,steam＝L_H (4)

⑤空气母线平衡式：

4P_EC＝L_C (5)

⑥燃气母线平衡式：

式中：P_*表示冷功率、热功率、从外部电网获得的有功功率以及电设备的有功功率，kW； Q_*表示从外部电网获得的无功功率以及电设备的无功功率，kVar；L_*代表负荷，kW；

步骤S13，建立区域内冷热电联供系统设备约束，以居民区为例：

①各设备功率约束：

②蓄电池约束：

考虑蓄电池的充放电损耗与储能量约束，需计及不同时段的蓄电池充放电状态：

式中：P_BT,C表示蓄电池充电功率，kW；P_BT,D表示蓄电池放电功率，kW；x_BT,*表示二进制变量，保证在任一时段1h内蓄电池只存在一种工作状态(或充电或放电或不充不放)；E_BT表示蓄电池各时段的储能量，kW·h；

③储气罐约束：

考虑到储气罐的充放气损耗较少，可认为充放气效率为100％，并认为自放气率可忽略不 计：

式中：V_GS,C表示储气罐充气流量，m³/h；V_GS,D表示储气罐放气流量，m³/h；x_GS,*表示二进制变量，保证在任一时段1h内储气罐只存在一种工作状态(或充气或放气或不充不放)；S_GS表示储气罐各时段的储气量，m³。

作为优选例，所述的步骤S2中，区域间电-气耦合综合能源系统电-气稳态耦合线性潮流 建模的过程(省略时刻t的下标)包括步骤S21～S22：

步骤S21，电力潮流二阶锥凸优化模型搭建过程包括步骤S211～S212：

步骤S211，搭建电力潮流基本模型：

①电力潮流等式：

式中：u(j)表示电力潮流方向流入j的节点集合；d(j)表示电力潮流方向从j流出的节 点集合；P_PCC,j与Q_PCC,j表示节点j消耗的电功率；P_ij与Q_ij表示节点i与j之间的潮流；R_ij与X_ij表示节点i与j之间线路的阻抗参数；U_i与U_j表示节点i与j的电压；I_ij表示节点i与j之间 的电流；

②电压电流约束：

式中：U_j表示节点j电压，V；I_ij表示线路ij电流，A；

步骤S212，对电力潮流基本模型线性化处理过程为：

①将潮流约束中的变量进行变换，令

同时，对

进行二阶锥松弛，将等于化为大于等于，如式(12)：

②将上式转化为标准二阶锥形式，可得松弛后的潮流约束如式(13)：

步骤S22，气网稳态等温潮流模型搭建过程包括步骤S221～S222：

步骤S221，搭建天然气潮流基本模型：

①天然气潮流等式：

式中：r(j)表示天然气潮流方向流入j的节点集合；v(j)表示天然气潮流方向从j流出 的节点集合；V_NGS,j表示节点j消耗的天然气流量；K_ij表示节点i与j之间的天然气管道传输 系数，与管道摩阻系数等参数有关；p_i与p_j分别表示节点i与j的压力；σ_ij表示时段1h内 的天然气管道流量方向，如式(15)：

②流量压力约束：

式中：V_ij表示管道ij流量，m³/h；p_j表示节点j气压，Pa；

步骤S222，对天然气潮流基本模型线性化处理过程为：

①将变量转化，令

对公式

进行绝对值处理， 化去变量σ_ij，可得式(17)：

②对式(17)中的

采用增量线性化方法，令f(V)＝V|V|，选取合理的 分段数23，则-10000,-9000,…,13000对应的函数值为f(-10000),f(-9000),…,f(13000)：

ε_k+1≤λ_k≤ε_k,k＝1,2,…,22 (20)

0≤ε_k≤1,k＝1,2,…,23 (21)

λ_k∈{0,1},k＝1,2,…,22 (22)

式中：λ_k为二进制变量；通过约束(20)保证分段线性化的连续性，即必须按照分段顺序 从左到右填满整个空间。

作为优选例，所述的步骤S3中，进行压缩机线性化建模的过程包括步骤S31～S32：

步骤S31，将压缩机的入口与出口等效为两个潮流节点m与n，时段1h内运行耗气量计 为节点m的燃气负荷；压缩机耗气量模型如式(23)-(25)：

V_fuel＝5×10-⁵·V_m(p_n-p_m) (23)

V_m＝V_fuel+V_n (24)

1.1p_m≤p_n≤1.5p_m (25)

式中：V_fuel表示压缩机在时段1h内的耗气流量，m³/h；p_m与p_n分别表示压缩机的进气 压强和出气压强，MPa；V_m与V_n分别表示压缩机的进气流量和出气流量，m³/h；

步骤S32，建立压缩机耗气量线性化模型的过程包括步骤S321～S323：

步骤S321，天然气潮流线性化约束中，已令

则压缩机模型已转化为 式(26)-(27)：

式(26)为非线性关系式，需进行合理的线性化处理；根据公式特点，可采用双层线性化 方法；第一层为增量线性化模型，第二层为双线性化模型；

步骤S322，第一层增量线性化算法建模过程为：

①令

②对

与

按增量线性化方法分别进行求解；

此时

与

为已知量，令

选取合理的分段数23，则0,0.06,…,1.38对应 的函数值为f(0),f(0.06),…,f(1.38)；增量线性化模型如式(28)-(32)：

ε_k+1≤λ_k≤ε_k,k＝1,2,…,22 (30)

0≤ε_k≤1,k＝1,2,…,23 (31)

λ_k∈{0,1},k＝1,2,…,22 (32)

式中：λ_k为二进制变量；

③可得出第一层最终的耗气量公式如式(33)：

步骤S323，第二层双线性化算法建模过程为：

①根据第一步得出的耗气量公式可得式(34)：

②根据式(34)，可发现耗气量计算公式为两个双变量乘法的单项式之差，每一个式子可 分别进行双线性化；本发明采用B-SOS1-I双线性化方法进行求解；

以双线性函数

为例，令x₁＝V_m，

则对于双线性函数中的单个变量， N₁＝N₂＝10，d₁＝1200，d₂＝0.15：

0≤μ_il≤1,l＝1,2,…,N_i；i＝1,2 (37)

式中：μ_il为SOS2变量，即一组有序集合里，最多有2个非零值，在模型中以式(38)显式 表示；

为SOS1变量，即一组有序集合里，最多有1个非零值，在模型中隐式表示；

由此，可建立双线性化求解模型：

双线性化求解算法即根据式(35)-(42)实现建模。

作为优选例，所述的步骤S4中，考虑不同区域间电-气耦合综合能源系统统一优化调度， 以所有区域总运行成本最小为优化目标，实现经济调度；结合不同区域的功能特性，计及峰 谷电价与阶梯气价，按照不同的用户规模、负荷曲线与设备特性，设置合适的价格区间；以 新疆作为算例背景，对传统电-气互联系统日前经济优化调度模型目标函数的完善过程包括步 骤S41～S44：

步骤S41，考虑不同区域的峰谷电价，将居民区与工商业、办公区分别进行峰谷时段划 分、价格确定，新疆地区的峰谷电价，不同功能园区的具体峰谷电价见表4-表7；

步骤S42，结合大部分城市的阶梯分段气价，按照不同区域的功能属性，基于不同的负 荷水平、负荷特性，拟定气网定价机制；居民区天然气价格低，且民用天然气阶梯定价已有 较为完备的标准，但工商业、办公区普遍存在燃气价格较高、无阶梯分布的情况，对大型工 业企业的用气造成较大成本压力，用气支出费用多；当前民用天然气因廉价而被大量使用， 导致销售呈现负收入现象，因此，若工商业用气价格降低，将减轻工商业用气成本压力，并 使工商业用气量大幅增加，从而更多补贴民用天然气，促使民用气价进一步降低，实现双赢； 针对该现象，为进一步降低企业与商户用气成本，促进实体经济平稳较快增长，平衡工商业 及办公区与居民区的用气量与用气成本，本发明提出进行天然气阶梯定价；为限制居民区用 气量，鼓励工商业增加天然气使用量，居民区阶梯气价随用气量的增加而增加，工商业及办 公区阶梯气价随用气量增加而降低；不同功能园区的具体阶梯气价见表8；

步骤S43，城市区域间电力与天然气配网一般围绕功能园区聚集处外围建设一周，考虑 地区的功能园区分布，可认为配网一般呈干线式辐射状；城市区域配能网级别电-气耦合综合 能源网络模型为干线式辐射状网络，见图3；

电-气耦合综合能源系统优化调度的目标函数为所有功能园区总运行成本最小，即为用能 和传输成本最小；其中，包括区域用电成本C_grid、线路传输电损成本C_line、区域用气成本C_gas、 气网传输重要设备压缩机耗气量成本C_compressor；功能园区呈现干线式辐射状分布，因此，各区 域的用能与线路传输损耗可以根据潮流推出；考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统 优化调度模型目标函数为：

式中：N表示该地区的功能园区数；c_pricegrid,i表示功能园区i的单位电价，元/kW·h；c_pricegas,i表示功能园区i的单位气价，元/m³；P_PCC,i表示功能园区i的用电量，kW；V_NGS,i表示功能园 区i的用气流量，m³/h；P_line∑表示线损量，kW，

0表示发电机发电电源 点，1表示第一个功能园区，即最靠近0点的功能园区；V_fuel表示压缩机的耗气流量，m³/h；

步骤S44，典型的冷热电联供系统采用混合整数线性规划软件进行求解，常见的电-气耦 合综合能源系统则应用电力二阶锥规划与天然气增量线性潮流算法，基于混合整数线性规划 模型进一步细化，实现混合整数二阶锥规划求解；目前，该模型已有完整成熟的求解算法， 可采用CPLEX等商业软件求解；本发明统一求解方法，根据混合整数二阶锥规划模型，建 立以母线约束、设备约束、潮流约束为基础的经济调度线性规划，通过

的YALMIP 工具箱调用CPLEX软件实现模型的求解；

混合整数二阶锥规划模型一般为：

本发明实施例中，运行优化模型的目标函数和约束条件均为线性，并含有0-1变量与标 准二阶锥模型，因此为混合整数二阶锥规划问题，通过调用CPLEX等成熟求解器进行求解， 可确定电-气耦合综合能源系统中各设备的实时出力、线路损耗、压缩机损耗、电网与气网潮 流参数等，实现系统的统一调度和优化运行。

基于此，研究以气网作为主要联供互补网络的优势，分析电转气设备消纳新能源的作用 与阶梯气价的经济调控影响，基于不同的案例进行对比。

案例1：仅以电网进行互联互补，各区域内无燃气设备，过剩的新能源被废弃，无电转 气设备、蓄电池，无阶梯气价。

案例2：以电-气网实现互联互补，各区域内有燃气设备，仅应用蓄电池消纳过剩的新能 源，无电转气设备与阶梯气价。

案例3：以电-气网实现互联互补，各区域内有燃气设备，应用电转气设备与蓄电池消纳 过剩的新能源，无阶梯气价。

案例4：以电-气网实现互联互补，各区域内有燃气设备，应用电转气设备与蓄电池消纳 过剩的新能源，应用阶梯气价。

算例结果如表9所示：

表9不同案例下所有园区总运行成本与传输成本对比分析

	案例1	案例2	案例3	案例4
					总运行成本/万元	60.202	30.732	28.819	27.066
电网传输成本/元	6718.942	271.078	271.200	212.766
					气网传输成本/元	—	152.686	142.034	59.100
网络总传输成本/元	6718.942	423.764	413.234	271.866

由表9可知，案例1中电网承担各园区所有负荷需求，相对于案例2、3、4，现有的电设备、线路已无法满足供能需求，需扩容，电路电压等级也需提升至110kV，运行成本最高。

电网传输存在一定损耗，而气网管道损耗几乎可以忽略不计，增设气网作为能源互联新 网络可承担园区大部分能源供应需求，极大降低运行成本。若以气网压缩机耗气量作为传输 流量损耗，则案例1中仅以电网作为能源互联方式的总传输成本为6718.942元，而案例2中 的总传输成本仅为423.764元，其中气网传输成本即压缩机耗气成本为152.686元，电网传输 成本为271.078元，大大降低了总传输成本。总的来看，案例2总运行成本仅为案例1的 51.048％，降低48.952％。

应用电转气设备有利于新能源的就地消纳，提高能源利用率，增加经济效益，案例3总 运行成本相比案例2减小6.225％，而网络总传输成本降低2.485％。

阶梯气价的加入较好地平衡了居民区和非居民区之间的用气成本，也进一步优化模型的 经济运行效益，案例4的网络总传输成本相比案例3降低34.210％，而总运行成本再次降低 6.083％。

本发明完整模型的算例，即案例4的具体调度结果与阶梯气价对园区用能量、用能成本、 总运行成本的作用示意图见图4-图9。

综上所述，本发明实施例首先建立区域内冷热电联供系统模型，增设燃气母线以便于气 网潮流运算，并完善冷热电联供建模；加入储气罐与电转气设备实现能源备用、促进新能源 高效消纳，同时，为气网成为区域互联互补主要能源提供保障，提升区域经济效益。其次， 基于电力二阶锥凸优化潮流与天然气增量线性潮流，构建多区域电-气耦合综合能源系统，结 合两组居民区、商业区、办公区、工业区进行联合优化调度，以充分考虑不同区域的负荷特 性、设备特性。电网与气网互为能源备用时，不同功能园区间可实现用能互补均衡；同一园 区内，天然气与电能互为替代商品，用气量与用电量呈现互补杠杆效果。再次，为完善天然 气潮流模型，采用基于增量线性化与双线性化算法的双层线性化模型解决压缩机耗气量模型 中非线性问题，以压缩机运行损耗作为气网传输损耗。最后，计及阶梯气价，设定居民区阶 梯气价随用气量增加而升高，工商业及办公区阶梯气价随用气量增加而降低，以限制居民用 气，鼓励企业与商户增加天然气使用量，从而补贴民用天然气，并进一步推动区域运行经济 效益。该方法综合考虑了不同区域的能源互补，并以传输损耗较少的气网作为区域互联互补 主要形式，达到经济运行和优化调度的目标。基于此，解决压缩机非线性问题，考虑阶梯气 价优化日前调度目标函数，推动调度模型趋于实际化与合理化。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发 明的保护范围。

Claims (4)

1.一种考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，区域内综合能源系统能源供给模式采用典型冷热电联供系统，同时增设电转气设备与储气设备以消纳新能源、实现能源备用，加入燃气母线约束进行区域内冷热电联供系统建模；

步骤S2，区域间以电能与天然气能源的耦合互联实现能源连接，并以天然气作为主要互补能源，结合二阶锥松弛与增量线性化方法，完成电-气稳态耦合线性潮流算法；

步骤S3，基于电-气稳态耦合线性潮流，采用双层线性化算法，进行压缩机线性化建模；

步骤S4，优化完善传统日前经济调度目标函数，综合考虑阶梯气价，通过不同功能区，即居民区、商业区、办公区、工业区之间的能源互联分配，实现以所有园区总运行成本最小为目标的优化调度；

所述的步骤S1中，对新能源与油气资源丰富而电网架构薄弱的地区进行区域内冷热电联供系统建模的过程为：

步骤S11，搭建区域内冷热电联供系统框架；冷热电联供系统包括燃气轮机、分布式新能源发电设备、蓄电池、电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、换热设备、余热回收设备和电冷热负荷；区域内部冷热电联供系统的母线组成：电气母线、空气母线、烟气母线、蒸汽母线、热水母线与燃气母线；外部电网、分布式新能源发电设备、燃气轮机满足供电需求；电制冷机满足用冷需求；电转气设备将过剩新能源电力转化为燃气，与外部气网共同为区域用气设备供气；电锅炉、燃气轮机、余热回收设备、燃气锅炉和换热设备共同为区域用热负荷供能；蓄电池与储气罐以储能设备参与区域能源调度；

步骤S12，建立区域内冷热电联供系统母线平衡式约束：

区域内部的冷热电联供系统采用母线式结构进行建模，并增设燃气母线以便于区域间气网潮流建模；

电气母线平衡式：

烟气母线平衡式：

α_GT,smokeP_GT＝P_HR,smoke (2)

蒸汽母线平衡式：

η_HR,smokeP_HR,smoke+P_GB,steam+COP_EB,steamP_EB＝P_HX,steam (3)

热水母线平衡式：

η_HX,steamP_HX,steam＝L_H (4)

空气母线平衡式：

COP_ECP_EC＝L_C (5)

燃气母线平衡式：

式中：P_*表示冷功率、热功率、从外部电网获得的有功功率以及电设备的有功功率，kW；Q_*表示从外部电网获得的无功功率以及电设备的无功功率，kVar；L_*代表负荷，kW；θ表示电负荷的功率因数角，°；η_*表示设备的产能效率；α_*表示设备的热电比，即产热功率与产电功率之比；COP_*表示制冷/热系数，即制冷/热功率与输入功率的比值；V_*表示天然气流量，m³/h；Hi表示天然气的低位热值，即规定量的气体完全燃烧，燃烧产物的温度与天然气初始温度相同，所生成的水蒸气保持气相，而释放出的热量，kW·h/m³，这里取9.78kW·h/m³；Δt表示仿真步长，h；多余的新能源被蓄电池存储起来，或通过电转气设备转化成天然气，以实现就地消纳，电网仅送电，不直接参与区域间能源互补；因此，公式(1)中P_PCC,Q_PCC≥0；

步骤S13，建立区域内冷热电联供系统设备约束：

各设备功率约束：

式中：P_*max与P_*min表示冷功率、热功率、从外部电网获得的有功功率以及电设备有功功率的上下限，kW；Q_*max与Q_*min表示从外部电网获得的无功功率以及电设备无功功率的上、下限，kVar；

蓄电池约束：

式中：P_BT，Cmax与P_BT，Cmin表示蓄电池充电功率的上、下限，一般P_BT,Cmin＝0，P_BT,Cmax＝χ_BT,C·SOC_BT；P_BT,Dmax与P_BT,Dmin表示蓄电池放电功率的上、下限，一般P_BT,Dmin＝0，P_BT,Dmax＝χ_BT,D·SOC_BT；χ_BT,C与χ_BT,D表示蓄电池的最大充放电倍率；SOC_BT表示蓄电池的额定容量，kW·h；x_BT,*表示二进制变量，保证在任一时段Δt内蓄电池只存在一种工作状态，其中，工作状态包括充电、放电和不充不放；E_BT表示蓄电池各时段的储能量，kW·h；E_BTmax与E_BTmin表示蓄电池储能量的上、下限；σ_BT表示蓄电池的自放电率；η_BT,C与η_BT,D表示蓄电池充放电的效率；

储气罐约束：

式中：V_GS,Cmax与V_GS,Cmin表示储气罐充气流量的上、下限，一般V_GS,Cmin＝0，V_GS,Cmax＝γ_GS,C·SOC_GS；V_GS,Dmax与V_GS,Dmin表示储气罐放气流量的上、下限，一般V_GS,Dmin＝0，V_GS,Dmax＝γ_GS,D·SOC_GS；γ_GS,C与γ_GS,D表示储气罐的最大充放气倍率；SOC_GS表示储气罐的额定储气容量，m³；x_GS,*表示二进制变量，保证在任一时段Δt内储气罐只存在一种工作状态，其中，工作状态包括充电、放电和不充不放；S_GS表示储气罐各时段的储气量，m³；S_GSmax与S_GSmin表示储气罐储气量的上、下限。

2.根据权利要求1所述的考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度方法，其特征在于：所述的步骤S2中具体步骤为：

步骤S21，微能源网优化调度中常用的电力系统潮流约束模型为二阶锥凸优化模型；电力潮流二阶锥凸优化模型搭建过程为：

步骤S211，加入有功、无功功率平衡的约束，见式(1)；搭建电力潮流基本模型：

电力潮流等式：

式中：u(j)表示电力潮流方向流入j的节点集合；d(j)表示电力潮流方向从j流出的节点集合；P_PCC,j表示节点j消耗的有功电功率，Q_PCC,j表示节点j消耗的无功电功率；P_ij表示节点i与j之间的有功潮流，Q_ij表示节点i与j之间的无功潮流；R_ij表示节点i与j之间线路的电阻参数，X_ij表示节点i与j之间线路的电抗参数；U_i与U_j表示节点i与j的电压；I_ij表示节点i与j之间的电流；

电压电流约束：

式中：U_jmax与U_jmin表示节点电压的最大值与最小值；I_ijmax表示线路电流的最大值；

步骤S212，式(10)中，电流和电压、有无功之间为非线性关系，需进行线性化处理；采用二阶锥松弛的方法，将非线性问题转化为凸优化线性问题，CPLEX求解器可对二阶锥松弛算法进行求解；对电力潮流基本模型线性化处理过程为：

将潮流约束中的变量进行变换，令

同时，对

进行二阶锥松弛，将等于化为大于等于，如式(12)：

将上式转化为标准二阶锥形式，可得松弛后的潮流约束如式(13)：

步骤S22，天然气潮流计算的状态变量为管道流量、节点压力，应用于优化调度的天然气潮流约束可分为稳态等温、稳态非等温、动态等温、动态非等温模型；四个模型的计算精度与计算复杂度依次增大；因在日前调度典型时间尺度1h下天然气潮流可认为为稳态流，且气网管道传输流量损耗较少，在微能源网的配网系统中，管道流量损失可以忽略不计，故而只考虑压缩机耗气量作为气网运行传输损耗；基于计算精度与复杂度的均衡，在区域配能网中采用气网稳态等温潮流算法，即认为在单一管道内天然气的流量、温度不随时间、距离发生变化；配网侧的区域间天然气管道为中高压管道；气网稳态等温潮流模型搭建过程为：

步骤S221，搭建天然气潮流基本模型：

天然气潮流等式：

式中：r(j)表示天然气潮流方向流入j的节点集合；v(j)表示天然气潮流方向从j流出的节点集合；V_NGS,j表示节点j消耗的天然气流量；K_ij表示节点i与j之间的天然气管道传输系数，与管道摩阻系数参数有关；p_i与p_j分别表示节点i与j的压力；σ_ij表示时段Δt内的天然气管道流量方向，如式(15)：

流量压力约束：

式中：V_ijmax表示管道流量的最大值；p_jmax与p_jmin表示节点气压的最大值与最小值；

步骤S222，式(14)中管道流量与节点压力的关系为非线性等式，为了实现天然气与电力潮流的统一优化控制，对天然气潮流基本模型也进行线性化处理；对天然气潮流基本模型线性化处理过程为：

将变量转化，令

对公式

进行绝对值处理，化去变量σ_ij，可得式(17)：

对式(17)中的

采用增量线性化方法，令f(V)＝V|V|，选取合理的分段数num-1，则V₁，V₂，…，V_num对应的函数值为f(V₁)，f(V₂)，…，f(V_num)：

ε_k+1≤λ_k≤ε_k，k＝1，2，…，num-2 (20)

0≤ε_k≤1，k＝1，2，…，mum-1 (21)

λ_k∈{0，1}，k＝1，2，…，num-2 (22)

式中：λ_k为二进制变量；通过约束(20)保证分段线性化的连续性，即必须按照分段顺序从左到右填满整个空间。

3.根据权利要求1所述的考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度方法，其特征在于：所述的步骤S3中，进行压缩机线性化建模的过程为：

步骤S31，将压缩机的入口与出口等效为两个潮流节点m与n，时段Δt内运行耗气量计为节点m的燃气负荷；压缩机耗气量模型如式(23)-(25)：

V_fuel＝K_fuelV_m(p_n-p_m) (23)

V_m＝V_fuel+V_n (24)

μ_minp_m≤p_n≤μ_maxp_m (25)

式中：V_fuel表示压缩机在时段Δt内的耗气流量，m³/h；K_fuel表示压缩机耗气量系数；p_m与p_n分别表示压缩机的进气压强和出气压强，MPa；V_m与V_n分别表示压缩机的进气流量和出气流量，m³/h；μ_max与μ_min表示压缩机压缩比的最大值与最小值；

步骤S32，建立压缩机耗气量线性化模型，具体过程为：

步骤S321，天然气潮流线性化约束中，已令

则压缩机耗气量模型已转化为式(26)-(27)：

式(26)为非线性关系式，需进行合理的线性化处理；采用双层线性化方法；第一层为增量线性化模型，第二层为双线性化模型；

步骤S322，第一层增量线性化算法建模过程为：

令

对

与

按增量线性化方法分别进行求解；

此时

与

为已知量，令

选取合理的分段数num-1，则

对应的函数值为

增量线性化模型如式(28)-(32)：

ε_k+1≤λ_k≤ε_k，k＝1，2，…，num-2 (30)

0≤ε_k≤1，k＝1，2，…，num-1 (31)

λ_k∈{0，1}，k＝1，2，…，num-2 (32)

式中：λ_k为二进制变量；

得出第一层最终的耗气量公式如式(33)：

步骤S323，第二层双线性化算法建模过程为：

根据第一步得出的耗气量公式可得式(34)：

根据式(34)，可发现耗气量计算公式为两个双变量乘法的单项式之差，每一个式子可分别进行双线性化；常见的双线性化方法中，B-SOS1-I方法在求解时间和松弛质量的平衡上表现出了最高的可行性；故采用B-SOS1-I双线性化方法进行求解；

以双线性函数

为例，令x₁＝V_m，

则对于双线性函数中的单个变量：

0≤μ_il≤1，l＝1，2，…，N_i；i＝1，2 (37)

式中：μ_il为SOS2变量，即一组有序集合里，最多有2个非零值，在压缩机耗气量线性化模型中以式(38)显式表示；

为SOS1变量，即一组有序集合里，最多有1个非零值，在模型中隐式表示；

由此，可建立双线性化求解压缩机耗气量线性化模型：

双线性化求解算法即根据式(35)-(42)实现建模。

4.根据权利要求1所述的考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度方法，其特征在于：所述的步骤S4中，对传统日前经济调度目标函数的完善过程为：

步骤S41，考虑不同区域的峰谷电价，将居民区与工商业、办公区分别进行峰谷时段划分、价格确定；

步骤S42，进行天然气阶梯定价；居民区阶梯气价随用气量的增加而增加，工商业及办公区阶梯气价随用气量增加而降低；

步骤S43，电-气耦合综合能源系统优化调度的目标函数为所有功能园区总运行成本最小，即为用能和传输成本最小；其中，包括区域用电成本C_grid、线路传输电损成本C_line、区域用气成本C_gas、气网传输重要设备压缩机耗气量成本C_compressor；功能园区呈现干线式辐射状分布，因此，各区域的用能与线路传输损耗可以根据潮流推出；考虑阶梯气价的多区域电-气耦合综合能源系统优化调度模型目标函数为：

式中：N表示该地区的功能园区数；c_pricegrid,i表示功能园区i的单位电价，元/kW·h；c_priceline表示单位线损成本，元/kW·h；c_pricegas,i表示功能园区i的单位气价，元/m³；c_pricefuel表示压缩机的单位耗气价格，元/m³；P_PCC,i表示功能园区i的用电量，kW；V_NGS,i表示功能园区i的用气流量，m³/h；P_line∑表示线损量，kW，

0表示发电机发电电源点，1表示第一个功能园区，即最靠近0点的功能园区；V_fuel表示压缩机的耗气流量，m³/h；Δt表示调度时间，h；

步骤S44，典型的冷热电联供系统采用混合整数线性规划软件进行求解，采用CPLEX商业软件求解；根据混合整数二阶锥规划模型，建立以母线约束、设备约束、潮流约束为基础的经济调度线性规划，通过

的YALMIP工具箱调用CPLEX软件实现模型的求解；

混合整数二阶锥规划模型为：

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