CN111724026B - 一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法，首先根据配水网络与多能源系统中的输电网络、输气网络和配热网络之间的耦合关系，搭建一个相互依赖和作用的水‑能源联系运行模型；所搭建的模型为能源和资源的双目标运行模型；采用双目标决策框架来实现能源和资源两个目标之间的公平权衡，将所述水‑能源联系运行模型表示为一个混合整数非线性模型；在利用双目标优化的纳什议价法来处理所述水‑能源联系运行模型中的双目标竞争关系，实现多能源网络与配水网耦合运行的优化。该方法可实现能源生产成本与水资源消耗之间的平衡，为能源和资源的综合运行下的协调优化提出了解决方案。

Description

一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法
技术领域
本发明涉及能源网络研究技术领域，尤其涉及一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法。
背景技术
在过去的几十年中，由于化石能源储量的减少以及人口和经济的增长，水资源和能源作为人类生存和社会发展的基础，引起了工业界和学术界的高度重视，逐渐形成水能联系的概念：water-energy nexus，二者的优化协调对能源系统的优化以及资源的节约都具有较高的研究价值。当下在对水资源与多能流关系的研究中，一些研究学者对配水网与电网之间的关系进行了一定的研究，其中较为普遍的是对最优泵调度问题的研究。但由于不同学科之间存在差异性，目前对配水网和电网之间相互作用的研究仍较浅，仅停留在对水泵运行能耗的优化层面，鲜有将水泵的灵活性应用于电力系统的供能优化研究中，更直观地来说，缺乏跨部门的协调来引导对水和能源的有效利用。
现有技术中研究水泵的调度对配水网络与供电网络的影响较为多见，利用水泵的柔性特征形成水-能综合优化框架；同时由于发电过程中存在一定的耗水量，部分学者从宏观角度分析水和电能的相关性政策对自然环境、社会经济的影响，并进行了水电依赖综合评价；在规划层面也有部分研究结合当地供水压力、发电资产扩张和长期气候变化等因素设计了可再生能源驱动的水能耦合系统框架，为未来水-能场景研究提供了研究支撑。长期以来，能源和资源两个系统大多数是相互独立运行的，将两个系统耦合起来进行优化运行的工作较少且不成熟，现有技术中对能源网络和配水网之间相互作用的研究仍较浅，对能源和资源在耦合运行过程中的成本竞争研究更少，因此该研究亟待进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法，该方法可实现能源生产成本与水资源消耗之间的平衡，为能源和资源的综合运行下的协调优化提出了解决方案。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法，所述方法包括：
步骤1、根据配水网络与多能源系统中的输电网络、输气网络和配热网络之间的耦合关系，搭建一个相互依赖和作用的水-能源联系运行模型；所搭建的模型为能源和资源的双目标运行模型；
步骤2、采用双目标决策框架来实现能源和资源两个目标之间的公平权衡，将所述水-能源联系运行模型表示为一个混合整数非线性模型；
步骤3、在利用双目标优化的纳什议价法来处理所述水-能源联系运行模型中的双目标竞争关系，实现多能源网络与配水网耦合运行的优化。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法可实现能源生产成本与水资源消耗之间的平衡，为能源和资源的综合运行下的协调优化提出了解决方案，对将来构建智能一体化的社会综合能源与资源网络具有良好的社会意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的多能源网络与配水网耦合运行的优化方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述纳什议价的几何原理示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的多能源网络与配水网耦合运行的优化方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、根据配水网络与多能源系统中的输电网络、输气网络和配热网络之间的耦合关系，搭建一个相互依赖和作用的水-能源联系运行模型；
在该步骤中，配水网络是本模型的核心，各个能源网络的耦合元件将配水网与其他能源系统紧密耦合在一起，例如：配水网的各项服务需要水泵维系，而水泵需要从电网索取电能；输电网中的燃煤机组、燃气机组、CHP机组以及输气网中的电转气设备的运作过程均需要配水网供给水资源；同时配热网中由于连接用户用水，也需要向配水网索取水资源，如此便形成了水-能联系网络。
在本实例中，配水网络与多能源系统中的输电网络、输气网络和配热网络之间的耦合关系具体为：
在输电网络中，将配水网络中的水泵和输气网络中的P2G装置接至电负荷节点处；
在输气网络中，将输电网络中的CHP接至气负荷节点处；
在配热网络中，将CHP设备放至加热站作为热源，并连接有储热罐用于补给水；
在配水网络中，将P2G耗水、火电、风电和CHP机组耗水接至配水网络的负荷节点处，以此构建具有紧密耦合关系的水-能源联系运行模型。
具体实现中，上述所搭建的模型为能源和资源的双目标运行模型，所建立的模型具体为输电网模型、输气网模型、配热网模型和配水网模型共同约束搭建的模型，具体包括：
在输电网模型中，电力系统全网平衡约束如式(1)所示；输电网络发电出力约束、弃风约束分别如式(2)、(3)所示；火电机组的爬坡约束如式(4)所示：
Figure GDA0004152286070000031
Figure GDA0004152286070000032
Figure GDA0004152286070000033
Figure GDA0004152286070000034
其中，Θ表示一系列接于节点e的设备；en/ew/es/ep2g分别表示火电机组节点、风电机组节点、燃气机组节点、电转气设备节点；
Figure GDA0004152286070000035
表示发电机出力；/>
Figure GDA0004152286070000036
表示管道上的输电功率；/>
Figure GDA0004152286070000037
表示流入和流出节点e的输电管道；/>
Figure GDA0004152286070000038
热网和水网水泵耗电量；
Figure GDA0004152286070000039
和/>
Figure GDA00041522860700000310
分别表示风力发电功率和弃风量；/>
Figure GDA00041522860700000311
发电机组en的出力上下限；/>
Figure GDA00041522860700000312
表示发电机组的爬坡约束值；/>
Figure GDA00041522860700000313
电负荷；pct表示CHP机组出力；/>
Figure GDA00041522860700000314
表示输电线路功率；θet表示电压相角；/>
Figure GDA00041522860700000315
表示机组启停状态；/>
Figure GDA00041522860700000316
表示线路传输功率极限；
加热站处CHP机组的产能关系式为式(5)-(8)所示，其中产出的电功率和热功率之间满足一定的关系，可以通过特定的多边形凸区域的顶点线性组合进行计算：
Figure GDA00041522860700000317
Figure GDA0004152286070000041
Figure GDA0004152286070000042
Figure GDA0004152286070000043
输电网中线路功率限制表示为式(9)：
Figure GDA0004152286070000044
其中，
Figure GDA0004152286070000045
分别为燃煤机组、燃气机组、CHP机组、风力机组、水网和热网水泵、电转气机组以及电力负荷的转移分布因子；
在输气网模型中，为了简便并未考虑输气管道内存气的情况，且压缩机模型的成本函数为线性，输气网节点平衡方程如式(10)所示：
Figure GDA0004152286070000046
其中，
Figure GDA0004152286070000047
λg分别表示电转气机组和燃气机组产气量和耗气量与电能之间的比例；Λ表示一系列接于节点g的设备；/>
Figure GDA0004152286070000048
表示CHP机组的耗气量；/>
Figure GDA0004152286070000049
表示气网管道流量；ggst表示储气装置储气量；/>
Figure GDA00041522860700000410
表示向储气装置注入和从储气装置提取的天然气量；fgwt表示从气井取出的天然气量；/>
Figure GDA00041522860700000411
表示电转气设备的产气量；/>
Figure GDA00041522860700000412
表示气负荷；/>
Figure GDA00041522860700000413
表示气井的取气量上下限；pct/hct表示CHP机组的产电/产热功率；
压缩机管道耗气量计算式为式(11)，气井的供气量约束为式(12)，CHP设备的耗气量计算式为式(13)，该式体现了CHP机组在生产电功率和热功率时动态耗气的特性，
Figure GDA00041522860700000414
Figure GDA00041522860700000415
Figure GDA00041522860700000416
其中，
Figure GDA00041522860700000417
表示CHP机组的耗气系数；
输气网中管道压力和气流量的关系如Weymouth方程(14)所示，其中为了简便将气流量的平方值Πgt来代替二次项；
Figure GDA0004152286070000051
对于装有压缩机的管道，管道始端节点
Figure GDA0004152286070000052
的压力应比管道末端节点/>
Figure GDA0004152286070000053
的压力要小，节点压力约束以及含有压缩机管道的节点压力关系如式(15)和(16)所示：
Figure GDA0004152286070000054
Figure GDA0004152286070000055
天然气系统中的储气装置容量约束如式(17)所示,其中储气装置的天然气注入和提取约束如(18)所示：
Figure GDA0004152286070000056
Figure GDA0004152286070000057
其中，
Figure GDA0004152286070000058
表示接于节点g的储气装置；/>
Figure GDA0004152286070000059
表示储气装置的进气和出气效率；/>
Figure GDA00041522860700000510
表示气网管道压力平方值的上下限；/>
Figure GDA00041522860700000511
表示储气装置注入和提取限制；Πgt表示气网节点气压的平方值；/>
Figure GDA00041522860700000512
表示气网管道中始节点/>
Figure GDA00041522860700000513
和末节点/>
Figure GDA00041522860700000514
气压的平方值；/>
Figure GDA00041522860700000515
表示气网压缩机压力系数；
在配水网模型中，配水网中的节点平衡约束如式(19)所示，其中Ξ表示一系列接于节点w的设备，管道中的流量约束以及水库取水量约束分别如式(20)和(21)所示：
Figure GDA00041522860700000516
Figure GDA00041522860700000517
Figure GDA00041522860700000518
其中，
Figure GDA00041522860700000519
表示以节点w为管道首节点和末节点的水网管道集合；/>
Figure GDA00041522860700000520
表示水网负荷；/>
Figure GDA00041522860700000521
表示水网管道流量；/>
Figure GDA00041522860700000522
表示出水装置的提取和注入流量；/>
Figure GDA00041522860700000523
表示水库的取水流量；/>
Figure GDA00041522860700000524
表示管道流量的上限；/>
Figure GDA00041522860700000525
表示水库取水量上限；
进一步的，考虑配水网中的水泵能耗与管道流量的关系，普通管道和装有水泵管道的水力特性分别如式(22)和(23)所示，而且本文中采用恒速的水泵模型，水泵的水头压力表达式为式(24)，在式(23)中，假设该管道上的水泵处于打开的状态，那么它会在该管道上产生压头，如上所述；但若该水泵处于关断的状态，则该管道不可流通，整个配水网中节点压头约束为式(25)，水泵的耗能计算式为式(26)：
Figure GDA0004152286070000061
Figure GDA0004152286070000062
Figure GDA0004152286070000063
Figure GDA0004152286070000064
Figure GDA0004152286070000065
其中，
Figure GDA0004152286070000066
表示水泵压力系数；/>
Figure GDA0004152286070000067
表示管道压力损耗系数；/>
Figure GDA0004152286070000068
表示水网节点压力上下限；/>
Figure GDA0004152286070000069
表示水泵效率；/>
Figure GDA00041522860700000610
表示水泵能耗；/>
Figure GDA00041522860700000611
表示水泵所在管道流量；/>
Figure GDA00041522860700000612
表示水泵产生的压头；πwt表示水网节点压力；
在配热网模型中，为了构建与配水网紧密耦合的供暖网络，本文在开式供热系统的基础上，做出了以下合理假设：①该开式供热系统配有热水存储装置、配有淋浴装置的供热用户，以及供热和回热管道；②该热网模型是一个开放的供暖系统，这意味着给水管网和回水管网中的水流可能是不同的；③该供热系统的热源来自于CHP机组，同时在该过程中CHP机组产出的电功率用于输电系统中，而且本模型中的CHP机组的采用燃气供能的形式；④在本模型中，为了降低建模难度，热网模型中采用质调节的方式，固定供热网和回热网的温度，仅对水流变化进行分析。
上述配热网模型中供热管网和回热管网节点的平衡约束分别为式(27)和(28)：
Figure GDA00041522860700000613
Figure GDA00041522860700000614
其中，
Figure GDA00041522860700000615
表示接在换热站he处的热负荷序数和集合；/>
Figure GDA00041522860700000616
表示接在换热站he处的回热网节点/>
Figure GDA00041522860700000617
序数和集合；/>
Figure GDA00041522860700000618
表示接在加热站hs处的回热网节点序数和集合；/>
Figure GDA00041522860700000619
表示接在换热站he处的供热网节点/>
Figure GDA00041522860700000620
序数和集合；/>
Figure GDA00041522860700000621
表示接在加热站hs处的供热网节点/>
Figure GDA00041522860700000622
序数和集合；/>
Figure GDA00041522860700000623
表示加热站hs处水流提取和注入速率上限；/>
Figure GDA00041522860700000624
表示加热站hs处蓄热罐的容量上下限；/>
Figure GDA00041522860700000625
表示加热站处蓄水罐从配水网引入的流量；/>
Figure GDA0004152286070000071
表示换热站处的流量；/>
Figure GDA0004152286070000072
表示换热站连接回热网的管道的流量；
Figure GDA0004152286070000073
表示换热站连接供热网管道的流量；/>
Figure GDA0004152286070000074
表示加热站的流量；/>
Figure GDA0004152286070000075
表示加热站连接回热网管道的流量；/>
Figure GDA0004152286070000076
表示加热站连接供热网管道的流量；/>
Figure GDA0004152286070000077
表示热网负荷流量；/>
Figure GDA0004152286070000078
表示热网管道流量；/>
Figure GDA0004152286070000079
表示加热站处蓄水池对其注入的流量；/>
Figure GDA00041522860700000710
表示加热站流入蓄水池的流量；
加热站中注入和提取的流量约束如式(29)和(30)所示，同时根据式(31)计算出蓄水池的每个时刻的水量：
Figure GDA00041522860700000711
Figure GDA00041522860700000712
Figure GDA00041522860700000713
加热站处安装水泵的管道水力特性由式(32)计算得到，管道的水头增益计算如式(33)所示，加热站与回热网相连接的管道并无安装水泵，因此其水力特性由式(34)计算得到：
Figure GDA00041522860700000714
Figure GDA00041522860700000715
Figure GDA00041522860700000716
供热网中水泵能耗如式(35)所示：
Figure GDA00041522860700000717
本模型中供热网仅在加热站处配有一台水泵，其耗电量以及整个网络的管道流量约束如式(36)和(37)所示：
Figure GDA00041522860700000718
Figure GDA00041522860700000719
其中，
Figure GDA00041522860700000720
表示热网管道压力损耗系数；/>
Figure GDA00041522860700000721
表示加热站的水泵能耗系数；/>
Figure GDA00041522860700000722
表示加热站水泵能耗效率；/>
Figure GDA00041522860700000723
表示热网管道流量上下限；/>
Figure GDA00041522860700000724
表示加热站的水泵能耗限制；/>
Figure GDA00041522860700000725
表示加热站水泵产生的压力；/>
Figure GDA00041522860700000726
表示供热网管道始节点和末节点的压力；
加热站的供热平衡约束式为式(38)所示：
Figure GDA0004152286070000081
其中，Tin表示从配水网取出后注入至加热站的水流的温度；
同时换热站处流量以及换热平衡约束为式(39)-(40)所示：
Figure GDA0004152286070000082
Figure GDA0004152286070000083
其中，
Figure GDA0004152286070000084
表示CHP机组运行区域顶点序数和集合；/>
Figure GDA0004152286070000085
表示CHP机组运行区域顶点的线性组合常数；c表示水的比热容；/>
Figure GDA0004152286070000086
表示CHP机组运行区域顶点值；/>
Figure GDA0004152286070000087
表示CHP机组产热功率；/>
Figure GDA0004152286070000088
表示换热站的交换热功率；/>
Figure GDA0004152286070000089
表示表示CHP机组的产电功率；/>
Figure GDA00041522860700000810
表示蓄热罐的温度；/>
Figure GDA00041522860700000811
表示供热网温度；/>
Figure GDA00041522860700000812
表示回热网温度；
上述每个模型之间并非独立，他们之间通过前文所述的耦合元件如P2G、CHP等进行耦合。
步骤2、采用双目标决策框架(下称P-1)来实现能源和资源两个目标之间的公平权衡，将所述水-能源联系运行模型表示为一个混合整数非线性模型；
在该步骤中，水-能源联系运行模型的目标是尽量减少能源生产成本和水消耗成本，由于这两个目标之间可能存在冲突，而且它们的优先选择顺序也可能不同，因此本实施采用双目标决策框架(下称P-1)来实现能源和资源两个目标之间的公平权衡，该双目标决策框架P-1表示为：
Figure GDA00041522860700000813
其中，Coste,Costw分别表示能源生产成本和水资源成本；x和χ分别是决策向量及其可行域；
Coste,Costw的详细表达式为下式(42)和(43)：
Figure GDA00041522860700000814
Figure GDA00041522860700000815
其中，
Figure GDA00041522860700000816
和/>
Figure GDA00041522860700000817
分别表示发电成本系数和气井气价；/>
Figure GDA00041522860700000818
表示了水资源的价格；
Figure GDA0004152286070000091
和/>
Figure GDA0004152286070000092
分别表示储气装置中充气/放气成本和储水装置中蓄水和抽水成本。
步骤3、在利用双目标优化的纳什议价法来处理所述水-能源联系运行模型中的双目标竞争关系，实现多能源网络与配水网耦合运行的优化。
在该步骤中，所述双目标优化的纳什议价模型表示为：
Figure GDA0004152286070000093
其中，不同成本的计算过程为：
Figure GDA0004152286070000094
其中，LP(0)和LP(1)可通过式(46)进行计算，分别表示以水成本、能源成本为单目标时的优化结果；
如图2所示为本发明实施例所述纳什议价的几何原理示意图，纳什议价过程可以被看作是在两个目标的帕累托前沿找到一个点，从而最大化“交易矩形”的面积；
其中，帕累托前沿通过两个目标函数加权而得，具体为：
Figure GDA0004152286070000095
通过仿真结果表明，与单目标成本最小化方案相比，纳什议价方案能使不同子系统之间的交互更加均衡，使水-能关系更不易受到设备停机或故障的影响。
下面以具体的实例对上述方法的实施过程进行详细说明，本实例所引入的算例仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用，本实例所引入的算例模型由39节点电力网络、20节点天然气网络、13节点供热网络以及15节点配水网耦合而成，在MATLAB中运用IPOTP工具包进行仿真求解，这四个网络相互间通过耦合元件进行连接。
为了探索能源和资源两个目标之间在优化过程中的竞争关系，本实例探索了六个场景下的资源和能源的成本，其中Coste表示煤炭和天然气消费的成本，Costw表示水资源成本。在算例1和算例2中，仅有一个目标被最小化，即在此场景下求得的1.1294×107和3.3110×105分别为Coste和Costw的下界。
除了采用纳什议价法(算例6)外，加权方法也是处理多目标竞争情况的一种常用方法，探究在三组权重系数下的算例3、算例4和算例5的仿真结果的不同，如下表1所示：
表1目标成本对比
Figure GDA0004152286070000101
Costw的权系数增大时对应的Costw的成本相应减小，符合常理。但是权重系数的选择是主观的。在算例6中，两个目标的值与算例4非常接近，说明了在加权方法中选择权值的困难，特别是当目标的数量级不同时；尽管算例3提供了两个目标的最小和，但是并不是一个公平的解决方案。
在算例3中，Coste和Costw与它们的下界的相对偏差率分别为0％和$82.2％，因为Coste的数量级相对较高；然而，在本申请所提供的纳什讨价还价算例6中，Coste和Costw与它们的下界的相对偏差率更均匀，分别为6.85％和11.99％，这表明了所提出的方法讨价还价结果的有效性。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、根据配水网络与多能源系统中的输电网络、输气网络和配热网络之间的耦合关系，搭建一个相互依赖和作用的水-能源联系运行模型；所搭建的模型为能源和资源的双目标运行模型；
其中，所建立的水-能源联系运行模型具体为输电网模型、输气网模型、配热网模型和配水网模型共同约束搭建的模型，具体包括：
在输电网模型中，电力系统全网平衡约束如式(1)所示；输电网络发电出力约束、弃风约束分别如式(2)、(3)所示；火电机组的爬坡约束如式(4)所示：
Figure FDA0004152286060000011
Figure FDA0004152286060000012
Figure FDA0004152286060000013
Figure FDA0004152286060000014
其中，Θ表示一系列接于节点e的设备；en/ew/es/ep2g分别表示火电机组节点、风电机组节点、燃气机组节点、电转气设备节点；
Figure FDA0004152286060000015
表示发电机出力；/>
Figure FDA0004152286060000016
表示管道上的输电功率；/>
Figure FDA0004152286060000017
表示流入和流出节点e的输电管道；/>
Figure FDA0004152286060000018
热网和水网水泵耗电量；/>
Figure FDA0004152286060000019
和/>
Figure FDA00041522860600000110
分别表示风力发电功率和弃风量；/>
Figure FDA00041522860600000111
发电机组en的出力上下限；/>
Figure FDA00041522860600000112
表示发电机组的爬坡约束值；/>
Figure FDA00041522860600000113
电负荷；pct表示CHP机组出力；/>
Figure FDA00041522860600000114
表示输电线路功率；θet表示电压相角；/>
Figure FDA00041522860600000115
表示机组启停状态；/>
Figure FDA00041522860600000116
表示线路传输功率极限；
加热站处CHP机组的产能关系式为式(5)-(8)所示：
Figure FDA00041522860600000117
Figure FDA00041522860600000118
Figure FDA00041522860600000119
Figure FDA00041522860600000120
输电网中线路功率限制表示为式(9)：
Figure FDA0004152286060000021
其中，
Figure FDA0004152286060000022
分别为燃煤机组、燃气机组、CHP机组、风力机组、水网和热网水泵、电转气机组以及电力负荷的转移分布因子；
在输气网模型中，输气网节点平衡方程如式(10)所示：
Figure FDA0004152286060000023
其中，
Figure FDA0004152286060000024
分别表示电转气机组和燃气机组产气量和耗气量与电能之间的比例；Λ表示一系列接于节点g的设备；/>
Figure FDA0004152286060000025
表示CHP机组的耗气量；/>
Figure FDA0004152286060000026
表示气网管道流量；/>
Figure FDA0004152286060000027
表示储气装置储气量；/>
Figure FDA0004152286060000028
表示向储气装置注入和从储气装置提取的天然气量；/>
Figure FDA0004152286060000029
表示从气井取出的天然气量；/>
Figure FDA00041522860600000210
表示电转气设备的产气量；/>
Figure FDA00041522860600000211
表示气负荷；/>
Figure FDA00041522860600000212
表示气井的取气量上下限；pct/hct表示CHP机组的产电/产热功率；
压缩机管道耗气量计算式为式(11)，气井的供气量约束为式(12)，CHP设备的耗气量计算式为式(13)：
Figure FDA00041522860600000213
Figure FDA00041522860600000221
Figure FDA00041522860600000214
其中，
Figure FDA00041522860600000215
表示CHP机组的耗气系数；
输气网中管道压力和气流量的关系如Weymouth方程(14)所示，其中为了简便将气流量的平方值Πgt来代替二次项；
Figure FDA00041522860600000216
对于装有压缩机的管道，管道始端节点
Figure FDA00041522860600000217
的压力应比管道末端节点/>
Figure FDA00041522860600000218
的压力要小，节点压力约束以及含有压缩机管道的节点压力关系如式(15)和(16)所示：
Figure FDA00041522860600000219
Figure FDA00041522860600000220
天然气系统中的储气装置容量约束如式(17)所示,其中储气装置的天然气注入和提取约束如(18)所示：
Figure FDA0004152286060000031
Figure FDA0004152286060000032
其中，
Figure FDA0004152286060000033
表示接于节点g的储气装置；/>
Figure FDA0004152286060000034
表示储气装置的进气和出气效率；
Figure FDA0004152286060000035
表示气网管道压力平方值的上下限；/>
Figure FDA0004152286060000036
表示储气装置注入和提取限制；Πgt表示气网节点气压的平方值；/>
Figure FDA0004152286060000037
表示气网管道中始节点/>
Figure FDA0004152286060000038
和末节点/>
Figure FDA0004152286060000039
气压的平方值；
Figure FDA00041522860600000310
表示气网压缩机压力系数；
在配水网模型中，配水网中的节点平衡约束如式(19)所示，其中Ξ表示一系列接于节点w的设备，管道中的流量约束以及水库取水量约束分别如式(20)和(21)所示：
Figure FDA00041522860600000311
Figure FDA00041522860600000312
Figure FDA00041522860600000313
其中，
Figure FDA00041522860600000314
表示以节点w为管道首节点和末节点的水网管道集合；/>
Figure FDA00041522860600000315
表示水网负荷；/>
Figure FDA00041522860600000316
表示水网管道流量；/>
Figure FDA00041522860600000317
表示出水装置的提取和注入流量；/>
Figure FDA00041522860600000318
表示水库的取水流量；/>
Figure FDA00041522860600000319
表示管道流量的上限；/>
Figure FDA00041522860600000320
表示水库取水量上限；
进一步的，考虑配水网中的水泵能耗与管道流量的关系，普通管道和装有水泵管道的水力特性分别如式(22)和(23)所示，水泵的水头压力表达式为式(24)，在式(23)中，假设该管道上的水泵处于打开的状态，那么它会在该管道上产生压头；但若该水泵处于关断的状态，则管道不可流通，整个配水网中节点压头约束为式(25)，水泵的耗能计算式为式(26)：
Figure FDA00041522860600000321
Figure FDA00041522860600000322
Figure FDA00041522860600000323
Figure FDA00041522860600000324
Figure FDA0004152286060000041
其中，
Figure FDA0004152286060000042
表示水泵压力系数；/>
Figure FDA0004152286060000043
表示管道压力损耗系数；/>
Figure FDA0004152286060000044
表示水网节点压力上下限；/>
Figure FDA0004152286060000045
表示水泵效率；/>
Figure FDA0004152286060000046
表示水泵能耗；/>
Figure FDA0004152286060000047
表示水泵所在管道流量；/>
Figure FDA00041522860600000434
表示水泵产生的压头；πwt表示水网节点压力；
在配热网模型中，供热管网和回热管网节点的平衡约束分别为式(27)和(28)：
Figure FDA0004152286060000048
Figure FDA0004152286060000049
其中，
Figure FDA00041522860600000410
表示接在换热站he处的热负荷序数和集合；/>
Figure FDA00041522860600000411
表示接在换热站he处的回热网节点/>
Figure FDA00041522860600000412
序数和集合；/>
Figure FDA00041522860600000413
表示接在加热站hs处的回热网节点序数和集合；
Figure FDA00041522860600000435
Figure FDA00041522860600000414
表示接在换热站he处的供热网节点/>
Figure FDA00041522860600000415
序数和集合；/>
Figure FDA00041522860600000416
表示接在加热站hs处的供热网节点/>
Figure FDA00041522860600000417
序数和集合；/>
Figure FDA00041522860600000418
表示加热站hs处水流提取和注入速率上限；
Figure FDA00041522860600000419
表示加热站hs处蓄热罐的容量上下限；/>
Figure FDA00041522860600000420
表示加热站处蓄水罐从配水网引入的流量；/>
Figure FDA00041522860600000421
表示换热站处的流量；/>
Figure FDA00041522860600000422
表示换热站连接回热网的管道的流量；/>
Figure FDA00041522860600000423
表示换热站连接供热网管道的流量；/>
Figure FDA00041522860600000424
表示加热站的流量；/>
Figure FDA00041522860600000425
表示加热站连接回热网管道的流量；/>
Figure FDA00041522860600000426
表示加热站连接供热网管道的流量；/>
Figure FDA00041522860600000427
表示热网负荷流量；/>
Figure FDA00041522860600000428
表示热网管道流量；/>
Figure FDA00041522860600000429
表示加热站处蓄水池对其注入的流量；/>
Figure FDA00041522860600000430
表示加热站流入蓄水池的流量；
加热站中注入和提取的流量约束如式(29)和(30)所示，同时根据式(31)计算出蓄水池的每个时刻的水量：
Figure FDA00041522860600000431
Figure FDA00041522860600000432
Figure FDA00041522860600000433
加热站处安装水泵的管道水力特性由式(32)计算得到，管道的水头增益计算如式(33)所示，加热站与回热网相连接的管道并无安装水泵，因此其水力特性由式(34)计算得到：
Figure FDA0004152286060000051
Figure FDA0004152286060000052
Figure FDA0004152286060000053
供热网中水泵能耗如式(35)所示：
Figure FDA0004152286060000054
本模型中供热网仅在加热站处配有一台水泵，其耗电量以及整个网络的管道流量约束如式(36)和(37)所示：
Figure FDA0004152286060000055
Figure FDA0004152286060000056
其中，
Figure FDA0004152286060000057
表示热网管道压力损耗系数；/>
Figure FDA0004152286060000058
表示加热站的水泵能耗系数；/>
Figure FDA0004152286060000059
表示加热站水泵能耗效率；/>
Figure FDA00041522860600000510
表示热网管道流量上下限；/>
Figure FDA00041522860600000511
表示加热站的水泵能耗限制；
Figure FDA00041522860600000512
表示加热站水泵产生的压力；/>
Figure FDA00041522860600000513
表示供热网管道始节点和末节点的压力；
加热站的供热平衡约束式为式(38)所示：
Figure FDA00041522860600000514
其中，Tin表示从配水网取出后注入至加热站的水流的温度；
同时换热站处流量以及换热平衡约束为式(39)-(40)所示：
Figure FDA00041522860600000515
Figure FDA00041522860600000516
其中，
Figure FDA00041522860600000517
表示CHP机组运行区域顶点序数和集合；/>
Figure FDA00041522860600000518
表示CHP机组运行区域顶点的线性组合常数；c表示水的比热容；/>
Figure FDA00041522860600000519
表示CHP机组运行区域顶点值；/>
Figure FDA00041522860600000520
表示CHP机组产热功率；/>
Figure FDA00041522860600000521
表示换热站的交换热功率；/>
Figure FDA00041522860600000522
表示表示CHP机组的产电功率；/>
Figure FDA00041522860600000523
表示蓄热罐的温度；/>
Figure FDA00041522860600000524
表示供热网温度；/>
Figure FDA00041522860600000525
表示回热网温度；
上述每个模型之间并非独立，他们之间通过耦合元件进行耦合；
步骤2、采用双目标决策框架来实现能源和资源两个目标之间的公平权衡，将所述水-能源联系运行模型表示为一个混合整数非线性模型；
其中，所述双目标决策框架P-1表示为：
Figure FDA0004152286060000061
其中，Coste,Costw分别表示能源生产成本和水资源成本；x和
Figure FDA0004152286060000062
分别是决策向量及其可行域；
Coste,Costw的详细表达式为下式(42)和(43)：
Figure FDA0004152286060000063
Figure FDA0004152286060000064
其中，
Figure FDA0004152286060000065
和/>
Figure FDA0004152286060000066
分别表示发电成本系数和气井气价；/>
Figure FDA0004152286060000067
表示了水资源的价格；/>
Figure FDA0004152286060000068
和
Figure FDA0004152286060000069
分别表示储气装置中充气/放气成本和储水装置中蓄水和抽水成本；
步骤3、在利用双目标优化的纳什议价法来处理所述水-能源联系运行模型中的双目标竞争关系，实现多能源网络与配水网耦合运行的优化；
其中，所述双目标优化的纳什议价模型表示为：
Figure FDA00041522860600000610
其中，不同成本的计算过程为：
Figure FDA00041522860600000611
其中LP(0)和LP(1)通过式(46)进行计算，分别表示以水成本、能源成本为单目标时的优化结果；
上述纳什议价过程是在两个目标的帕累托前沿找到一个点，从而最大化交易矩形的面积；其中，帕累托前沿通过两个目标函数加权而得，具体为：
LP(λ):
Figure FDA00041522860600000612
2.根据权利要求1所述多能源网络与配水网耦合运行的优化方法，其特征在于，在步骤1中，所述配水网络与多能源系统中的输电网络、输气网络和配热网络之间的耦合关系具体为：
在输电网络中，将配水网络中的水泵和输气网络中的P2G装置接至电负荷节点处；
在输气网络中，将输电网络中的CHP接至气负荷节点处；
在配热网络中，将CHP设备放至加热站作为热源，并连接有储热罐用于补给水；
在配水网络中，将P2G耗水、火电、风电和CHP机组耗水接至配水网络的负荷节点处，以此构建具有紧密耦合关系的水-能源联系运行模型。
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CN109978625B (zh) * 2019-03-28 2022-07-29 河海大学 一种计及电热气网络的综合能源系统多目标运行优化方法
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