CN111461417A - 基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法 - Google Patents

Abstract

一种基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法：运用大系统理论中的分解‑集结方法建立综合能源系统冷、热、电、气多类异质能源多能互补模型，包括：分解‑集结方法将综合能源系统分解为m个子系统，并建立集结矩阵；通过集结矩阵将m个子系统进行集结；建立综合能源系统冷、热、电、气多类异质能源多能互补模型；将子系统源、网、荷、储的可调节部分分解为n个次级子系统；建立源、网、荷、储协调互动模型；将主体模型与从属模型，共同构成融合横向冷、热、电、气多能互补与纵向源、网、荷、储协调互动的综合能源系统协同优化一体化模型。本发明降低了模型求解的复杂度，得到兼顾整体与个体的优化方案。

Description

基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法

技术领域

本发明涉及一种综合能源系统的协同建模、优化运行方法。特别是涉及一种基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法。

背景技术

以提升能源系统综合效率为目标，优化能源开发布局，加强电力系统调峰能力建设，实施需求侧响应能力提升工程，推动能源生产供应集成优化，构建多能互补、供需协调的智慧能源系统，是我国能源发展的主要任务之一。

综合能源系统是指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生、传输与分配、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的能源产供销一体化系统。它主要由供能网络(如供电、供冷/热、供气等网络)、能源交换环节(如冷热电联产机组、发电机组、空调、热泵等)、能源存储环节(如储电、储热、储冷、储气等)、终端综合能源供用单元和大量终端用户共同构成。

综合能源系统需要统筹协调不同类型能源的供能方式，具有多源属性和高度集成化、协同化的特征，综合考虑能量生产、传递、转换、存储和消费全过程中冷、热、电、气不同能流之间的协同耦合特性，并计及源、网、荷、储不同网络、单元、设备之间的空间分散性和时空差异性，建立融合横向冷、热、电、气多能互补与纵向源、网、荷、储协调互动的综合能源系统协同优化一体化模型具有重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够同时计及冷、热、电、气多能互补与源、网、荷、储协调互动的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，包括如下步骤：

1)运用大系统理论中的分解-集结方法建立综合能源系统冷、热、电、气多类异质能源多能互补模型，即主体模型；包括：

(1.1)根据综合能源系统内部冷、热、电、气四种能源自身的能量传递关系及四种能源之间能量的耦合转换关系，运用大系统理论中的分解-集结方法将综合能源系统分解为m个子系统，并建立集结矩阵；

(1.2)然后通过集结矩阵将m个子系统进行集结；

(1.3)将m个子系统的冷、热、电、气各能量流平衡约束和冷、热、电、气各配网的安全约束，以及以综合能源系统整体的经济、环保、能效为目标建立的外层优化目标函数，共同构成综合能源系统冷、热、电、气多类异质能源多能互补模型，即主体模型；

2)根据子系统内部所有设备的能量传递与能量反馈关系，运用大系统理论中的分解-协调方法将子系统源、网、荷、储的可调节部分分解为n个次级子系统；然后将次级子系统源、网、荷、储各环节的供需平衡约束和次级子系统所包含设备的出力及爬坡约束，以及以子系统的运行成本为目标建立的内层优化目标函数，共同构成源、网、荷、储协调互动模型，即从属模型；

3)将步骤1)所建立的主体模型与步骤2)所建立的从属模型，共同构成融合横向冷、热、电、气多能互补与纵向源、网、荷、储协调互动的综合能源系统协同优化一体化模型。

本发明的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，具有如下优点：

1、本发明解决了综合能源系统冷、热、电、气多能流耦合交互与源、网、荷、储动态灵活平衡的复杂建模问题，降低了模型求解的复杂度。

2、本模型可拆分成两部分单独使用：当仅考虑综合能源系统整体需求时，通过建立的主体模型求解可得到优化方案；当仅考虑综合能源系统内部冷、热、电、气各能源子系统需求时，通过建立的相应子系统的从属模型求解可得到优化方案。

3、应用本模型的完整形式，可兼顾综合能源系统整体与冷、热、电、气各能源子系统的不同需求，得到兼顾整体与个体的优化方案。

附图说明

图1是综合能源系统各设备构成的有向图示例图；

图2是本发明实例中综合能源系统园区基本用能设备示意图；

图3是本发明实例中用户侧分布式光伏、风机出力；

图4是本发明实例中用户总负荷情况；

图5是两种优化方案下用户的电负荷调节情况。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法做出详细说明。

本发明的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，包括如下步骤：

1)运用大系统理论中的分解-集结方法建立综合能源系统冷-热-电-气多类异质能源多能互补模型，即主体模型；包括：

(1.1)根据综合能源系统内部冷、热、电、气四种能源自身的能量传递关系及四种能源之间能量的耦合转换关系，运用大系统理论中的分解-集结方法将综合能源系统分解为m个子系统，并建立集结矩阵；包括：

(1.1.1)将综合能源系统中所有设备抽象为节点，将设备之间的连接关系抽象为有向边，依据冷、热、电、气四种能源自身的能量传递关系及四种能源之间能量的耦合转换关系，构建综合能源系统的有向图，各能源内部能量传递定义为双向连通，每两种能源之间通过能量转换设备进行能量传递定义为单向连通，利用综合能源系统有向图建立包含综合能源系统所有设备的邻接矩阵A和可达矩阵R₁，其中所述的邻接矩阵A由0、1元素构成，设备之间连通为1，不连通为0，所述的可达矩阵R₁如下：

I为单位矩阵

其中，r₁为综合能源系统有向图中相离最远的两节点之间的最短距离；

可达矩阵R₁的运算满足布尔矩阵运算法则：0+0＝0；0+1＝1；1+0＝1；1+1＝1；

(1.1.2)设定回路内部所有节点相互可达，根据可达矩阵R₁和可达矩阵R₁的转置的交集R₁∩R₁ ^T，找出冷、热、电、气四种能源系统的回路数m及回路所包含的节点；

(1.1.3)将回路中的节点和有向边还原成实际设备及设备之间的连接关系，构建成主体模型的m个子系统，完成综合能源系统冷、热、电、气的分解；

(1.1.4)将同一回路中的节点归并为一个节点，归并后的所有节点之间通过能量转换设备进行能量单向传递，以归并后节点之间相应的能量转换效率作为矩阵相应元素构成集结矩阵，即耦合转换矩阵。

(1.2)然后通过集结矩阵将m个子系统进行集结，是利用集结矩阵建立综合能源系统耦合转换矩阵方程，再利用综合能源系统耦合转换矩阵方程将m个子系统进行集结，所述的综合能源系统耦合转换矩阵方程如下：

式中：

分别为t时刻第1个、第2个、第m个子系统的输入能量值；

分别为t时刻第1个、第2个、第m个子系统的输出能量值；H()为耦合转换矩阵；η为能量转换效率。

将所述的综合能源系统耦合转换矩阵方程记为：

L_t＝H(t,η)P_t

式中：L_t为子系统t时刻的输入能量值矩阵；P_t为子系统t时刻的输出能量值矩阵。

(1.3)将m个子系统的冷、热、电、气各能量流平衡约束和冷、热、电、气各配网的安全约束，以及以综合能源系统整体的经济、环保、能效为目标建立的外层优化目标函数，共同构成综合能源系统冷、热、电、气多类异质能源多能互补模型，即主体模型；其中：

(1.3.1)所述的外层优化目标函数min F：

min F＝α₁f₁+α₂f₂+α₃f₃，α₁+α₂+α₃＝1

式中：f₁为经济指标；f₂为环保指标；f₃为能效指标；α₁、α₂、α₃为权重系数；其中，经济指标为：

f₁＝C_ope+C_man

式中：C_ope为综合能源系统的运行成本；C_man为综合能源系统的维护费用；

环保指标为：

f₂＝m_cnv

式中：m_cnv为综合能源系统产生的总污染物质量；

能效指标为：

式中：E_in为综合能源系统输入的能量值；E_out为综合能源系统利用的能量值；

(1.3.2)子系统的冷、热、电、气各能量流平衡约束：

式中：i代表综合能源系统冷、热、电、气各类能源名称，C为冷，H为热，E为电，G为气；j为子系统编号；

为第j个子系统第i类能量外部网络t时刻的输入能量值；

为第j个子系统第i类能量外部网络t时刻的输出能量值；

为第j个子系统t时刻第i类能量的负荷值；

为第j个子系统t时刻第i类能量的损耗值；

将所述的子系统的冷、热、电、气各能量流平衡约束记为：

式中：

为第j个子系统第i类能源设备的参数；t为时间尺度；g_j()为综合能源系统第j个子系统的能量流平衡表达式；

(1.3.3)冷、热、电、气各配网的安全约束为：

式中：

为第j个子系统第i类能量外部网络的输入能量下限；

为第j个子系统第i类能量外部网络的输入能量上限；

为第j个子系统第i类能量外部网络的输出能量下限；

为第j个子系统第i类能量外部网络的输出能量上限。

将所述的冷、热、电、气各配网的安全约束记为：

式中：G_j()为第j个子系统配网的安全约束表达式。

2)根据子系统内部所有设备的能量传递与能量反馈关系，运用大系统理论中的分解-协调方法将子系统源、网、荷、储的可调节部分分解为n个次级子系统，其中所述的可调节部分是指在不影响系统稳定性及基本能源需求的情况下，能主动参与到调节能量流平衡的各种设备；然后将次级子系统源、网、荷、储各环节的供需平衡约束和次级子系统所包含设备的出力及爬坡约束，以及以子系统的运行成本为目标建立的内层优化目标函数，共同构成源、网、荷、储协调互动模型，即从属模型；其中，

所述的根据子系统内部所有设备的能量传递与能量反馈关系，运用大系统理论中的分解-协调方法将子系统源、网、荷、储的可调节部分分解为n个次级子系统包括：

(2.1)将子系统源、网、荷、储各环节所有设备抽象为节点，设备之间的连接关系抽象为有向边；

(2.2)依据所有设备的能量传递与能量反馈关系，构建子系统有向图，其中，将仅有能量传递而无能量反馈的定义为单向连通，将既有能量传递也有能量反馈的定义为双向连通；

(2.3)利用子系统有向图建立子系统所有设备的邻接矩阵B和可达矩阵R₂，其中，所述的邻接矩阵B由0、1元素构成，设备之间连通为1，不连通为0，所述的可达矩阵R₂如下：

I为单位矩阵

其中，r₂为子系统有向图中相离最远的两节点之间的最短距离；

可达矩阵R₂的运算满足布尔矩阵运算法则：0+0＝0；0+1＝1；1+0＝1；1+1＝1。

(2.4)设定回路内部所有节点相互可达，根据可达矩阵R₂和可达矩阵R₂的转置的交集R₂∩R₂ ^T，找出源、网、荷、储四个环节的回路数n及回路所包含的节点；

(2.5)然后将回路中的节点和有向边还原成实际设备及设备之间的连接关系，构建子系统的n个次级子系统，完成子系统源、网、荷、储可调节部分的分解。

(2.6)所述的内层优化目标函数min F_j表示为：

min F_j＝C_j,om+C_j,fuel，j∈{1,2,…,m}

式中：C_j,om为第j个子系统的维护成本；C_j,fuel为第j个子系统的燃料费用；

(2.7)次级子系统源、网、荷、储各环节的供需平衡约束表示为：

式中：k_j∈{1,2,…,n}为针对第j个子系统源、网、荷、储可调节部分分解后的次级子系统编号；

为第j个子系统第i类能量外部网络t时刻的输入能量值；

为第j个子系统第k_j个次级子系统t时刻利用的第i类能源能量值；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第i类能源t时刻通过能量转换设备转化的能量值；

为第j个子系统第k_j个次级子系统t时刻损耗的第i类能源能量值；

将所述的次级子系统源、网、荷、储各环节的供需平衡约束记为：

式中：

为第j个子系统第k_j个次级子系统第i类能源设备的参数；

为第k_j个次级子系统的供需平衡表达式；

(2.8)次级子系统所包含设备的出力及爬坡约束表示为：

式中：

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备t时刻的第i类能源出力；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备t-1时刻的第i类能源出力；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备的第i类能源出力下限；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备的第i类能源出力上限；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备的爬坡率；Δt为仿真间隔时长。

将所述的次级子系统所包含设备的出力及爬坡约束记为：

式中：

为第k_j个次级子系统设备约束表达式。

3)将步骤1)所建立的主体模型与步骤2)所建立的从属模型，共同构成融合横向冷、热、电、气多能互补与纵向源、网、荷、储协调互动的综合能源系统协同优化一体化模型。

所述的综合能源系统协同优化一体化模型表述为：

式中：min F为外层优化目标函数；i代表综合能源系统冷、热、电、气各类能源名称，C为冷，H为热，E为电，G为气；j为子系统编号；s.t.表示约束条件；

为第j个子系统第i类能源设备的参数；t为时间尺度；g_j()为综合能源系统第j个子系统的能量流平衡表达式；G_j()为第j个子系统配网的安全约束表达式；L_t为子系统t时刻的输入能量值矩阵；P_t为子系统t时刻的输出能量值矩阵；H()为耦合转换矩阵；η为能量转换效率；min F_j为第j个子系统的内层优化目标函数；k_j为第j个子系统包含的次级子系统编号；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第i类能源设备的参数；

为第k_j个次级子系统的供需平衡表达式；

为第k_j个次级子系统设备约束表达式。

所述的综合能源系统协同优化一体化模型用于综合能源系统的规划与运行调控的优化方案设计，具体使用分如下三种状况：

(3.1)当仅顾及综合能源系统整体需求时，通过步骤1)建立的主体模型求解得到，综合能源系统整体优化方案；

(3.2)当仅顾及综合能源系统内部冷、热、电、气各能源子系统需求时，通过步骤2)建立的相应子系统的从属模型求解，得到综合能源系统内部冷、热、电、气各能源子系统优化方案；

(3.3)当兼顾综合能源系统整体与冷、热、电、气各能源子系统的不同需求时，通过步骤1)建立的主体模型与步骤2)建立的各从属模型之间的循环迭代优化，最终得到兼顾整体与个体的优化方案。

下面给出实例：

(1)根据本发明的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，设定存在某综合能源系统，该系统内各设备及设备之间的连接关系抽象得到的有向图如图1所示。

该有向图对应的邻接矩阵为：

计算(A+I)；继续与(A+I)相乘；此处矩阵乘法中的运算满足布尔矩阵运算法则：0+0＝0；0+1＝1；1+0＝1；1+1＝1。如此循环k次，得到的矩阵记为(A+I)^k；最后若(A+I)^k＝(A+I)^k+1，则(A+I)^k即为所求的可达矩阵R。

从而由R∩R^T中的非零元素，得到回路为{1,4,5}，{2,3,8,9}，{6,7,10}。

(2)根据本发明的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，构建了园区级综合能源系统模型进行验证。在实例中，园区包含CHP机组、溴化锂制冷机、电锅炉作为能量转换设备；拥有蓄电池、储热罐、储冷罐作为储能设备；考虑园区向外售热，不考虑购热；考虑园区购售电，购售天然气。园区基本用能设备示意图如图2所示。园区内设有50户用户，用户侧分布式光伏、风机出力如图3所示。假设50户用户行为不具有差异化。用户总负荷情况如图4所示，其中电负荷包括基本负荷、可转移不可中断负荷和可转移可中断负荷。可转移不可中断负荷(如洗碗机、洗衣机等)，该类负荷将以每小时2kw的用电率在16；00-18:00集中使用，但可在9:00-24:00内转移；可转移可中断负荷(如电动汽车)，假设每户一辆，容量8kwh，用户晚上七点回家，到家时电量剩余1kwh，充电速率1kw/h，要求第二天早上七点前满电。

将该综合能源系统利用分解-集结方法进行分解，得到{1,2,3,8,11,12,13}、{9,14}、{4,15}、{10,16}四个子系统，分别编号为甲、乙、丙、丁。甲、乙子系统之间通过电锅炉进行能量转换，能量由甲传递给乙；甲、丙子系统之间通过CHP机组进行能量转换，能量由丙传递给甲；甲、丁子系统之间通过溴化锂制冷机进行能量转换，能量由甲传递给丁；乙、丙子系统之间通过CHP机组进行能量转换，能量由丙传递给乙。集结矩阵H如下：

其中，η₁为溴电锅炉制热效率；η₂为溴化锂制冷机制冷效率；η₃为CHP机组发电效率；η₄为CHP机组产热效率。

四个子系统集结后，计算求得综合能源系统整体优化方案，园区综合成本为11196.24元。

将四个子模型继续分解，得到{1,2,3,8,12,13}一个次级子系统。兼顾综合能源系统整体与子系统的不同需求，可计算得到两者兼顾的优化方案，园区综合成本为11401.59元。

两种模式下，用户的电负荷调节情况如图5所示。由图5可以看出，两种模式对于夜间用户负荷的优化情况一致，但对于白天的用电高峰，兼顾综合能源系统整体与子系统不同需求的优化方案能够更好地做到移峰填谷。虽然该方案园区综合成本比综合能源系统整体优化方案高1.8％，这主要是由于园区为激励用户错峰用电而造成的部分损失。对于整个系统来说，兼顾综合能源系统整体与子系统不同需求的优化方案能够更好的促进系统源、网、荷、储协调互动，加强电力系统调峰能力。

Claims (9)

1.一种基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)运用大系统理论中的分解-集结方法建立综合能源系统冷、热、电、气多类异质能源多能互补模型，即主体模型；包括：

(1.1)根据综合能源系统内部冷、热、电、气四种能源自身的能量传递关系及四种能源之间能量的耦合转换关系，运用大系统理论中的分解-集结方法将综合能源系统分解为m个子系统，并建立集结矩阵；

(1.2)然后通过集结矩阵将m个子系统进行集结；

(1.3)将m个子系统的冷、热、电、气各能量流平衡约束和冷、热、电、气各配网的安全约束，以及以综合能源系统整体的经济、环保、能效为目标建立的外层优化目标函数，共同构成综合能源系统冷、热、电、气多类异质能源多能互补模型，即主体模型；

2)根据子系统内部所有设备的能量传递与能量反馈关系，运用大系统理论中的分解-协调方法将子系统源、网、荷、储的可调节部分分解为n个次级子系统；然后将次级子系统源、网、荷、储各环节的供需平衡约束和次级子系统所包含设备的出力及爬坡约束，以及以子系统的运行成本为目标建立的内层优化目标函数，共同构成源、网、荷、储协调互动模型，即从属模型；

3)将步骤1)所建立的主体模型与步骤2)所建立的从属模型，共同构成融合横向冷、热、电、气多能互补与纵向源、网、荷、储协调互动的综合能源系统协同优化一体化模型。

2.根据权利要求1所述的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，步骤1)的第(1.1)步包括：

(1.1.1)将综合能源系统中所有设备抽象为节点，将设备之间的连接关系抽象为有向边，依据冷、热、电、气四种能源自身的能量传递关系及四种能源之间能量的耦合转换关系，构建综合能源系统的有向图，各能源内部能量传递定义为双向连通，每两种能源之间通过能量转换设备进行能量传递定义为单向连通，利用综合能源系统有向图建立包含综合能源系统所有设备的邻接矩阵A和可达矩阵R₁，其中所述的邻接矩阵A由0、1元素构成，设备之间连通为1，不连通为0，所述的可达矩阵R₁如下：

I为单位矩阵

其中，r₁为综合能源系统有向图中相离最远的两节点之间的最短距离；

可达矩阵R₁的运算满足布尔矩阵运算法则：0+0＝0；0+1＝1；1+0＝1；1+1＝1；

(1.1.2)设定回路内部所有节点相互可达，根据可达矩阵R₁和可达矩阵R₁的转置的交集R₁∩R₁ ^T，找出冷、热、电、气四种能源系统的回路数m及回路所包含的节点；

(1.1.3)将回路中的节点和有向边还原成实际设备及设备之间的连接关系，构建成主体模型的m个子系统，完成综合能源系统冷、热、电、气的分解；

(1.1.4)将同一回路中的节点归并为一个节点，归并后的所有节点之间通过能量转换设备进行能量单向传递，以归并后节点之间相应的能量转换效率作为矩阵相应元素构成集结矩阵，即耦合转换矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，步骤1)的第(1.2)步是利用集结矩阵建立综合能源系统耦合转换矩阵方程，再利用综合能源系统耦合转换矩阵方程将m个子系统进行集结，所述的综合能源系统耦合转换矩阵方程如下：

式中：

分别为t时刻第1个、第2个、第m个子系统的输入能量值；

分别为t时刻第1个、第2个、第m个子系统的输出能量值；H()为耦合转换矩阵；η为能量转换效率；

将所述的综合能源系统耦合转换矩阵方程记为：

L_t＝H(t,η)P_t

式中：L_t为子系统t时刻的输入能量值矩阵；P_t为子系统t时刻的输出能量值矩阵。

4.根据权利要求1所述的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，步骤1)的第(1.3)步中：

(1.3.1)所述的外层优化目标函数minF：

minF＝α₁f₁+α₂f₂+α₃f₃，α₁+α₂+α₃＝1

式中：f₁为经济指标；f₂为环保指标；f₃为能效指标；α₁、α₂、α₃为权重系数；其中，

经济指标为：

f₁＝C_ope+C_man

式中：C_ope为综合能源系统的运行成本；C_man为综合能源系统的维护费用；

环保指标为：

f₂＝m_cnv

式中：m_cnv为综合能源系统产生的总污染物质量；

能效指标为：

式中：E_in为综合能源系统输入的能量值；E_out为综合能源系统利用的能量值；

(1.3.2)子系统的冷、热、电、气各能量流平衡约束：

式中：i代表综合能源系统冷、热、电、气各类能源名称，C为冷，H为热，E为电，G为气；j为子系统编号；

为第j个子系统第i类能量外部网络t时刻的输入能量值；

为第j个子系统第i类能量外部网络t时刻的输出能量值；

为第j个子系统t时刻第i类能量的负荷值；

为第j个子系统t时刻第i类能量的损耗值；

将所述的子系统的冷、热、电、气各能量流平衡约束记为：

式中：

为第j个子系统第i类能源设备的参数；t为时间尺度；g_j()为综合能源系统第j个子系统的能量流平衡表达式；

(1.3.3)冷、热、电、气各配网的安全约束为：

式中：

为第j个子系统第i类能量外部网络的输入能量下限；

为第j个子系统第i类能量外部网络的输入能量上限；

为第j个子系统第i类能量外部网络的输出能量下限；

为第j个子系统第i类能量外部网络的输出能量上限。

将所述的冷、热、电、气各配网的安全约束记为：

式中：G_j()为第j个子系统配网的安全约束表达式。

5.根据权利要求1所述的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，步骤2)中所述的可调节部分是指在不影响系统稳定性及基本能源需求的情况下，能主动参与到调节能量流平衡的各种设备。

6.根据权利要求1所述的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，步骤2)中所述的根据子系统内部所有设备的能量传递与能量反馈关系，运用大系统理论中的分解-协调方法将子系统源、网、荷、储的可调节部分分解为n个次级子系统包括：

(2.1)将子系统源、网、荷、储各环节所有设备抽象为节点，设备之间的连接关系抽象为有向边；

(2.2)依据所有设备的能量传递与能量反馈关系，构建子系统有向图，其中，将仅有能量传递而无能量反馈的定义为单向连通，将既有能量传递也有能量反馈的定义为双向连通；

(2.3)利用子系统有向图建立子系统所有设备的邻接矩阵B和可达矩阵R₂，其中，所述的邻接矩阵B由0、1元素构成，设备之间连通为1，不连通为0，所述的可达矩阵R₂如下：

I为单位矩阵

其中，r₂为子系统有向图中相离最远的两节点之间的最短距离；

可达矩阵R₂的运算满足布尔矩阵运算法则：0+0＝0；0+1＝1；1+0＝1；1+1＝1；

(2.4)设定回路内部所有节点相互可达，根据可达矩阵R₂和可达矩阵R₂的转置的交集R₂∩R₂ ^T，找出源、网、荷、储四个环节的回路数n及回路所包含的节点；

(2.5)然后将回路中的节点和有向边还原成实际设备及设备之间的连接关系，构建子系统的n个次级子系统，完成子系统源、网、荷、储可调节部分的分解。

7.根据权利要求1所述的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，步骤2)中：

(2.6)所述的内层优化目标函数minF_j表示为：

minF_j＝C_j,om+C_j,fuel，j∈{1,2,…,m}

式中：C_j,om为第j个子系统的维护成本；C_j,fuel为第j个子系统的燃料费用；

(2.7)次级子系统源、网、荷、储各环节的供需平衡约束表示为：

式中：k_j∈{1,2,…,n}为针对第j个子系统源、网、荷、储可调节部分分解后的次级子系统编号；

为第j个子系统第i类能量外部网络t时刻的输入能量值；

为第j个子系统第k_j个次级子系统t时刻利用的第i类能源能量值；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第i类能源t时刻通过能量转换设备转化的能量值；

为第j个子系统第k_j个次级子系统t时刻损耗的第i类能源能量值；

将所述的次级子系统源、网、荷、储各环节的供需平衡约束记为：

式中：

为第j个子系统第k_j个次级子系统第i类能源设备的参数；

为第k_j个次级子系统的供需平衡表达式；

(2.8)次级子系统所包含设备的出力及爬坡约束表示为：

式中：

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备t时刻的第i类能源出力；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备t-1时刻的第i类能源出力；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备的第i类能源出力下限；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备的第i类能源出力上限；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第h种设备的爬坡率；Δt为仿真间隔时长。

将所述的次级子系统所包含设备的出力及爬坡约束记为：

式中：

为第k_j个次级子系统设备约束表达式。

8.根据权利要求1所述的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，步骤3)中所述的综合能源系统协同优化一体化模型表述为：

式中：minF为外层优化目标函数；i代表综合能源系统冷、热、电、气各类能源名称，C为冷，H为热，E为电，G为气；j为子系统编号；s.t.表示约束条件；

为第j个子系统第i类能源设备的参数；t为时间尺度；g_j()为综合能源系统第j个子系统的能量流平衡表达式；G_j()为第j个子系统配网的安全约束表达式；L_t为子系统t时刻的输入能量值矩阵；P_t为子系统t时刻的输出能量值矩阵；H()为耦合转换矩阵；η为能量转换效率；minF_j为第j个子系统的内层优化目标函数；k_j为第j个子系统包含的次级子系统编号；

为第j个子系统第k_j个次级子系统第i类能源设备的参数；

为第k_j个次级子系统的供需平衡表达式；

为第k_j个次级子系统设备约束表达式。

9.根据权利要求1所述的基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法，其特征在于，步骤3)中所述的综合能源系统协同优化一体化模型用于综合能源系统的规划与运行调控的优化方案设计，具体使用分如下三种状况：

(3.1)当仅顾及综合能源系统整体需求时，通过步骤1)建立的主体模型求解得到，综合能源系统整体优化方案；

(3.2)当仅顾及综合能源系统内部冷、热、电、气各能源子系统需求时，通过步骤2)建立的相应子系统的从属模型求解，得到综合能源系统内部冷、热、电、气各能源子系统优化方案；

(3.3)当兼顾综合能源系统整体与冷、热、电、气各能源子系统的不同需求时，通过步骤1)建立的主体模型与步骤2)建立的各从属模型之间的循环迭代优化，最终得到兼顾整体与个体的优化方案。

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