CN111428962B - 一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法，属于电力系统优化调度运行领域。该方法首先将热网全局信息等效为仅包含关键节点信息的端口等值模型，然后建立由目标函数和约束条件构成的考虑热网动态特性端口等值模型的电热协同调度模型，将端口等值模型作为热力系统约束嵌入该协同调度模型，对协同调度模型求解得到最优协同调度方案。本发明在精确表示热力网络动态传输时延特性的同时有效保护热力系统数据隐私，减少热力系统所需提供的信息量，降低电‑热协同运行中的信息交换成本，降低了优化调度问题复杂度。

Description

一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法

技术领域

本发明提出一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法，属于电力系统优化调度运行领域。

背景技术

电力系统与区域集中供热系统是区域多能源系统的主要组成元素，两者的协同运行方法是多能源系统优化决策的重要研究对象。在电-热协同运行中，热网的时延特性使得热力系统的供能与用能不需要实时平衡，赋予了热力系统巨大的储能潜力。合理的在电-热协同运行中考虑热网传输动态特性可以更精准地描述系统运行面临的网络物理约束，同时打破传统电-热协同运行中“以热定电”的约束，通过使热负荷在一定的时间范围内转移，灵活安排热电联产机组、电锅炉的热出力，从而间接为电力系统优化运行带来更大的可行域，提高电-热系统运行的灵活性，促进可再生能源消纳。

传统的电-热协同运行通常获取电力系统与热力系统的全部细节信息，通过建立全局优化模型并计算，其不足之处至少体现在三个方面：

1)传统的电-热协同运行模型缺少对热网时延特性的考虑，没有计及热网巨大的储热潜力及其为电力系统提供的灵活性。

2)传统的电-热协同运行需要使用热网的所有数据信息，例如拓扑结构、管网参数等等，以便于嵌入热网的支路热损耗、节点热力平衡等约束。事实上，电力和热力系统一般由独立的机构管理，热力系统出于数据隐私和系统安全考虑不会将所有热网细节数据提供给电力系统，这对实际调度中电-热协同运行造成了困难；

3)即使调度者有权限获取电力系统和热力系统的所有数据，能够实现全局决策优化，大量热力管网细节参数信息也会大大增加电-热协同优化模型的复杂度和求解难度；

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法。本发明将热网全局信息等效为仅包含关键节点信息的端口等值模型并嵌入电热协同调度模型，在精确表示热力网络动态传输时延特性的同时有效保护热力系统数据隐私，减少热力系统所需提供的信息量，降低电-热协同运行中的信息交换成本，降低了优化调度问题复杂度。

本发明提出一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)建立热网动态特性端口等值模型；具体步骤如下：

1-1)在拉普拉斯域建立热网的支路方程：

其中，

表示供水网支路e的终端热流功率，

表示供水网支路e的始端热流功率，

表示回水网支路e的终端热流功率，

表示回水网支路e的始端热流功率，L_e,m_e,A_e,λ_e分别表示热网中供水网或回水网支路e的长度、质量流量、横截面积和热损系数,c,ρ分别为水的比热容和密度，s为拉普拉斯算子；

1-2)在拉普拉斯域建立热网的节点方程：

其中，

表示节点v的热源功率，

表示注入供水网节点v的热流功率，

表示流出回水网节点v的热流功率，

表示节点v的热负荷功率，

表示流出供水网节点v的热流功率，

表示注入回水网节点v的热流功率，m_v,d表示供水网或回水网节点v处经过热负荷的质量流量，m_v,g表示供水网或回水网节点v处经过热源的质量流量；；

1-3)分别定义供水网和回水网的节点-支路矩阵：

对于供水网，定义供水网出发节点-支路关联矩阵

和供水网到达节点-支路关联矩阵

其中，V代表节点集合，E代表支路集合，下标|E|表示支路数，下标|V|表示节点数，

表示矩阵A^s+中对应支路v和节点e的元素，

表示矩阵A^s-中对应支路v和节点e的元素；

其中，

表示从节点v∈V流出的支路集合，

表示从节点v∈V流入的支路集合；

回水网与供水网完全镜像，拓扑一致，仅工质流动方向相反，因此有A^r+＝A^s-，A^r-＝A^s+，其中A^r+表示回水网出发节点-支路关联矩阵，A^r-表示回水网到达节点-支路关联矩阵；

1-4)以式(1)和(2)为基础，在拉普拉斯域建立热网的支路方程矩阵形式：

其中，

表示供水网支路终端热流功率向量；

表示供水网支路始端热流功率向量；

表示回水网支路终端热流功率向量；

表示回水网支路始端热流功率向量；

Z为支路特性矩阵，定义为：

1-5)以式(3)-(8)为基础，在拉普拉斯域建立热网的节点方程矩阵形式：

其中，

表示流出回水网节点的热流功率向量，

表示注入回水网节点的热流功率向量；

分别为供水网第一分配系数矩阵和供水网第二分配系数矩阵，

分别为回水网第一分配系数矩阵和回水网第二分配系数矩阵：

1-6)建立热网动态特性端口等值模型；

首先，建立拉普拉斯域中热网动态特性端口等值模型：

其中：

其中，

表示热网节点热源功率向量；

表示热网节点热负荷功率向量；

表示热源注入供水网的热流功率，

为供水网端口系数矩阵，

为回水网端口系数矩阵；

对式(24)进行拉普拉斯逆变换得到时域中的热网动态特性端口等值模型：

其中，L^-1表示拉普拉斯逆变换；

2)建立考虑热网动态特性端口等值模型的电热协同调度模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

2-1)建立协同调度模型的目标函数：

其中，

表示t时段机组j的发电功率，

表示t时段机组j的出力热功率，T表示决策时段集合，Ω^TU表示非热电联产传统机组集合，Ω^CHP表示热电联产机组集合，C_j(·)指机组j的燃料成本函数；

非热电联产传统机组的成本函数表达式如下：

热电联产机组的成本函数表达式如下：

其中，

为非热电联产传统机组燃料成本系数；

为热电联产机组燃料成本系数；κ_j为热电联产机组j∈Ω^CHP的可行域第一系数；

2-2)确定协同调度模型的条件，具体如下：

2-2-1)热电联产机组出力约束；

其中，μ_j,ε_j分别为热电联产机组j∈Ω^CHP的可行域第二、第三系数，

分别为机组j的最大出力值和最小出力值；

2-2-2非热电联产传统机组出力约束；

2-2-3)风电机组出力约束；

其中，

分别为风电机组j∈Ω^WP t时段的实际出力和t时段预测最大出力上限，Ω^WP表示风电机组集合；

2-2-4)电力系统功率平衡约束；

其中，p^d为系统电力负荷；

2-2-5)热力系统约束；

3)对步骤2)建立的模型求解，得到热电联产机组j∈Ω^CHP的出力电功率

与热功率

非热电联产传统机组j∈Ω^TU的出力电功率

风电机组j∈Ω^WP的出力电功率w_j,t的最优解，即为电热协同调度的最优方案。

本发明的特点及有益效果在于：

1)本发明通过生成热网动态特性端口等值模型可以精确描述热力网络动态传输时延特性；

2)本发明通过使用热网动态特性端口等值模型可以有效保护热力系统数据隐私；

3)本发明通过使用热网动态特性端口等值模型可以有效降低电-热协同运行中的信息交换成本，降低优化调度问题复杂度；

4)在实际工程中，本发明在电力系统运行、综合能源系统调度中有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法中的热网结构示意图。

图2是本发明方法的流程框图。

图3是本发明方法的效果示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明中定义有向图G＝(V,E)表示供水网的拓扑，V代表节点集合，E代表支路集合，其中有向图的方向由质调节模式下的水流方向确定。由于供水网和回水网完全镜像，即供水网和回水网中节点和支路一一对应，仅支路水流方向相反。因此本发明中同样用G＝(V,E)表示回水网结构。热网一般结构如图1所示。图1中黑色实心圆表示供水网节点，黑色空心圆表示回水网对称节点，带阴影的梯形表示每个节点的热源，带阴影的方块表示每个节点的热负荷。节点之间的连线表示供热管道，箭头表示管道内的水流方向。定义热网相关变量如下：

为了便于后续矩阵表达，我们将部分热力系统变量组成向量，其中下标|E|表示支路数，|V|表示节点数：

本发明提出一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法，该方法整体流程如图2所示，具体步骤如下：

1)建立热网动态特性端口等值模型；具体步骤如下：

1-1)在拉普拉斯域建立热网的支路方程：

其中，

表示供水网支路e的终端热流功率，

表示供水网支路e的始端热流功率，

表示回水网支路e的终端热流功率，

表示回水网支路e的始端热流功率，L_e,m_e,A_e,λ_e分别表示热网中供水网或回水网支路e的长度、质量流量、横截面积和热损系数,c,ρ分别为水的比热容和密度，s为拉普拉斯算子。式(1)和(2)分别表示了供水网与回水网中每一条支路的热量迁移损耗与时延。

1-2)在拉普拉斯域建立热网的节点方程：

其中，

表示节点v的热源功率，

表示注入供水网节点v的热流功率，

表示流出回水网节点v的热流功率，

表示节点v的热负荷功率，

表示流出供水网节点v的热流功率，

表示注入回水网节点v的热流功率，m_v,d、m_v,g分别表示供水网或回水网节点v处经过热负荷的质量流量与经过热源的质量流量。式(3)和(4)分别表示热负荷与热源处的功率守恒，式(5)-(8)表示流出节点的各支路热流功率根据各支路质量流量按比例分配，即热网各个节点的温度唯一。

1-3)分别定义供水网和回水网的节点-支路矩阵：

对于供水网，定义供水网出发节点-支路关联矩阵

和供水网到达节点-支路关联矩阵

其中，V代表节点集合，E代表支路集合，下标|E|表示支路数，下标|V|表示节点数，

分别表示矩阵A^s+,A^s-中对应支路v和节点e的元素；

其中，

分别表示从节点v∈V流出的支路集合和流入的支路集合。由于回水网与供水网完全镜像，拓扑一致，仅工质流动方向相反，因此有A^r+＝A^s-，A^r-＝A^s+，其中A^r+表示回水网出发节点-支路关联矩阵，A^r-表示回水网到达节点-支路关联矩阵

1-4)以式(1)和(2)为基础，在拉普拉斯域建立热网的支路方程矩阵形式：

其中，

表示供水网支路终端热流功率向量；

表示供水网支路始端热流功率向量；

表示回水网支路终端热流功率向量；

表示回水网支路始端热流功率向量；下标|E|表示支路数，|V|表示节点数；

Z为支路特性矩阵，定义为：

1-5)以式(3)-(8)为基础，在拉普拉斯域建立热网的节点方程矩阵形式：

其中，

分别为供水网第一分配系数矩阵和供水网第二分配系数矩阵，

分别为回水网第一分配系数矩阵和回水网第二分配系数矩阵：

1-6)建立热网动态特性端口等值模型；

在热力网络中，关键节点通常是供热节点和热负荷节点，管道交汇点等节点则为内部非关键节点。热源与热负荷的显式函数关系即为热网动态特性端口等值模型。

其中：

其中，

表示热网节点热源功率向量；

表示热网节点热负荷功率向量；

表示热源注入供水网的热流功率，

为供水网端口系数矩阵，

为回水网端口系数矩阵；

式(24)即为拉普拉斯域中热网动态特性端口等值模型，解析表达了计及热网动态储能特性下热源和负荷热功率的数学关系。式(24)中除了热源热功率

和负荷热功率

两个变量外还存在辅助变量

其具体含义是热源注入供水网的热流功率，与供水网相应节点温度成正比，一般由区域热力供应商或热源运行机构设定调整，是用来控制整个热网温度的指标。这里需要再次强调，注入供水网的热流功率不等于热源的供热功率，热源的供热功率是注入供水网的热流功率与回水网流出的热流功率之差。

应用拉普拉斯逆变换可得时域中的热网动态特性端口等值模型：

其中L^-1表示拉普拉斯逆变换；

2)建立考虑热网动态特性端口等值模型的电热协同调度模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

2-1)建立协同调度模型的目标函数：

其中，

表示t时段机组j的发电功率，

表示t时段机组j的出力热功率，T表示决策时段集合，Ω^TU表示非热电联产传统机组集合，Ω^CHP表示热电联产机组集合，C_j(·)指机组j的燃料成本函数，对于非热电联产传统机组，成本函数的表达式可以表示为二次函数：

对于热电联产机组，成本函数的表达式则为关于供热出力和发电功率的二次函数：

其中

为非热电联产传统机组燃料成本系数；

为热电联产机组燃料成本系数，κ_j为热电联产机组j∈Ω^CHP的可行域第一系数(该系数是热电联产机组的固有参数)。

2-2)确定协同调度模型的条件，具体如下：

2-2-1)热电联产机组出力约束；

热电联产机组的发电功率和供热功率需要满足一定的函数关系，发电功率和供热功率的区间可以用以下约束表示：

其中，μ_j,ε_j分别为热电联产机组j∈Ω^CHP的可行域第二、第三系数(该系数是热电联产机组的固有参数)，

分别为机组j的最大出力值和最小出力值。

2-2-2非热电联产传统机组出力约束；

2-2-3)风电机组出力约束；

其中，w_j,t,

分别为风电机组j∈Ω^WP t时段的实际出力和t时段预测最大出力上限，Ω^WP表示风电机组集合。

2-2-4)电力系统功率平衡约束；

其中，p^d为系统电力负荷。

2-2-5)以热网动态特性端口等值模型式(27)表征的热力系统约束；

3)使用Matlab、Cplex等软件求解以式(28)为目标函数，式(31)-(37)为约束的电热协同调度线性规划模型，得到热电联产机组j∈Ω^CHP的出力电功率

与热功率

非热电联产传统机组j∈Ω^TU的出力电功率

风电机组j∈Ω^WP的出力电功率w_j,t的最优解，即为电热协同调度的最优方案。

图3是本发明方法的效果示意图，其中虚线表示不考虑热网动态特性时的热源供热曲线同时也表示实际的热负荷曲线，此时热源供热曲线与热负荷曲线完全相同，实线表示考虑热网动态特性后的热源供热曲线。在图示的典型时段1中，实线高于虚线，表示热电联产机组供热功率大于实际热负荷，此时热网蓄热；在图示的典型时段2中，实线低于虚线，表示热电联产机组供热功率小于热负荷，此时热网放热。当把热网动态特性端口模型嵌入电热协同调度后，该模型将能够灵活调度热网储热能力，在风电大发期间降低热电联产机组供热出力，从而提高热电联产机组发电灵活性，提高风电消纳。

Claims (1)

1.一种基于热网动态特性端口等值模型的电热协同调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)建立热网动态特性端口等值模型；具体步骤如下：

1-1)在拉普拉斯域建立热网的支路方程：

其中，

表示供水网支路e的终端热流功率，

表示供水网支路e的始端热流功率，

表示回水网支路e的终端热流功率，

表示回水网支路e的始端热流功率，L_e，m_e，A_e，λ_e分别表示热网中供水网或回水网支路e的长度、质量流量、横截面积和热损系数，c，ρ分别为水的比热容和密度，s为拉普拉斯算子；

1-2)在拉普拉斯域建立热网的节点方程：

其中，

表示节点v的热源功率，

表示注入供水网节点v的热流功率，

表示流出回水网节点v的热流功率，

表示节点v的热负荷功率，

表示流出供水网节点v的热流功率，

表示注入回水网节点v的热流功率，m_v，d表示供水网或回水网节点v处经过热负荷的质量流量，m_v，g表示供水网或回水网节点v处经过热源的质量流量；

1-3)分别定义供水网和回水网的节点-支路矩阵：

对于供水网，定义供水网出发节点-支路关联矩阵

和供水网到达节点-支路关联矩阵

其中，V代表节点集合，E代表支路集合，下标|E|表示支路数，下标|V|表示节点数，

表示矩阵A^s+中对应支路v和节点e的元素，

表示矩阵A^s-中对应支路v和节点e的元素；

其中，

表示从节点v∈V流出的支路集合，

表示从节点v∈V流入的支路集合；

回水网与供水网完全镜像，拓扑一致，仅工质流动方向相反，因此有A^r+＝A^s-，A^r-＝A^s+，其中A^r+表示回水网出发节点-支路关联矩阵，A^r-表示回水网到达节点-支路关联矩阵；

1-4)以式(1)和(2)为基础，在拉普拉斯域建立热网的支路方程矩阵形式：

其中，

表示供水网支路终端热流功率向量；

表示供水网支路始端热流功率向量；

表示回水网支路终端热流功率向量；

表示回水网支路始端热流功率向量；

Z为支路特性矩阵，定义为：

1-5)以式(3)-(8)为基础，在拉普拉斯域建立热网的节点方程矩阵形式：

其中，

表示流出回水网节点的热流功率向量，

表示注入回水网节点的热流功率向量；

分别为供水网第一分配系数矩阵和供水网第二分配系数矩阵，

分别为回水网第一分配系数矩阵和回水网第二分配系数矩阵：

1-6)建立热网动态特性端口等值模型；

首先，建立拉普拉斯域中热网动态特性端口等值模型：

其中：

其中，

表示热网节点热源功率向量；

表示热网节点热负荷功率向量；

表示热源注入供水网的热流功率，

为供水网端口系数矩阵，

为回水网端口系数矩阵；

对式(24)进行拉普拉斯逆变换得到时域中的热网动态特性端口等值模型：

其中，L^-1表示拉普拉斯逆变换；

2)建立考虑热网动态特性端口等值模型的电热协同调度模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：

2-1)建立协同调度模型的目标函数：

其中，

表示t时段机组j的发电功率，

表示t时段机组j的出力热功率，T表示决策时段集合，Ω^TU表示非热电联产传统机组集合，Ω^CHP表示热电联产机组集合，C_j(·)指机组j的燃料成本函数；

非热电联产传统机组的成本函数表达式如下：

热电联产机组的成本函数表达式如下：

其中，

为非热电联产传统机组燃料成本系数；

为热电联产机组燃料成本系数；κ_j为热电联产机组j∈Ω^CHP的可行域第一系数；

2-2)确定协同调度模型的条件，具体如下：

2-2-1)热电联产机组出力约束；

其中，μ_j，ε_j分别为热电联产机组j∈Ω^CHP的可行域第二、第三系数，

p _j ^g分别为机组j的最大出力值和最小出力值；

2-2-2非热电联产传统机组出力约束；

2-2-3)风电机组出力约束；

其中，w_j，t，

分别为风电机组j∈Ω^WPt时段的实际出力和t时段预测最大出力上限，Ω^WP表示风电机组集合；

2-2-4)电力系统功率平衡约束；

其中，p^d为系统电力负荷；

2-2-5)热力系统约束；

3)对步骤2)建立的模型求解，得到热电联产机组j∈Ω^CHP的出力电功率

与热功率

非热电联产传统机组j∈Ω^TU的出力电功率

风电机组j∈Ω^WP的出力电功率w_j，t的最优解，即为电热协同调度的最优方案。

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