CN112103945A - 电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法及存储介质，方法包括：获取电网线路结构参数和运行状态参数数据；进行连续潮流计算，得到的电网的临界安全状态下各节点接入的蓄热电采暖系统的运行容量限值；将运行容量限值作为一项求解约束，对预先构建的蓄热电采暖系统运行优化模型进行优化求解，得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据；电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型以日运行成本最低为优化目标，以各节点接入的蓄热电采暖系统在未来各时段的电功率输出为优化变量。本发明将电网潮流计算和蓄热电采暖设备运行优化两个过程解耦，可加快调度计算时的求解速度，并满足电网临界安全运行状态下的用户停电不停暖和系统经济运行需要。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源系统调度技术领域，特别是一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法及存储介质。
背景技术
蓄热电采暖系统在负荷低谷时刻蓄热，高峰时刻放热，充分利用峰谷电价差获取收益，同时均衡区域负荷，也能获得调峰辅助服务收益，提高整个系统的运行效益。
电采暖系统运行的经济效益主要体现在三方面，一是利用峰谷电价差异，使用低价谷电进行制热获取直接经济收益，二是提供调峰辅助服务，从电网获得一定的经济补偿，三是获得政府的清洁能源取暖补贴。在用户和社会层面，实施电采暖后用户可以根据自身具体需要调整供热量，解决了传统集中供热模式难以按需供热的问题，有助于推动用户自觉节能，减少整个社会的资源消耗。同时，分布式电源接入地区实施电采暖，还能够促进新能源的就地消纳，减少弃风、弃光现象，进一步提高间接经济效益。
当电网处于安全状态下时，蓄热式电采暖用户可以根据自身的负荷需要和设备情况，制定经济性最优运行策略，来保证供暖的经济性最优，但是电力系统的负荷随时间在不断发生变化，受到多种因素的影响，具有连续性和周期性的特点。当电网出现紧急情况时，如低电压问题，则要限制蓄热式电采暖系统的接入，以防止电网电压越限。在电网临界安全运行状态下，经济性已不是考虑的最重要因素，如何保证电网运行安全并保证供暖需要才是考虑的重点。
在电网临界安全运行时，由于接入蓄热电采暖设备要进行24小时为周期的优化迭代计算，优化过程包括多个非线性约束(如潮流方程等)和差分方程(蓄热电采暖本体模型)，当配网拓扑较大和接入数量较多时，如果仍然采用日前优化调度模型进行计算，计算所需时间无法满足校验电网安全稳定运行的要求，因此需要对电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统调度过程进行调整。
发明内容
本发明的目的是提供一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法、装置、存储介质及系统，能够加快调度计算时的求解速度，满足电网临界安全运行状态下的用户停电不停暖和系统经济运行需要。
本发明采用的技术方案如下。
一方面，本发明提供一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法，包括：
获取电网线路结构参数和运行状态参数数据；
基于获取到的数据进行连续潮流计算，得到的电网的临界安全状态下各节点接入的蓄热电采暖系统的运行容量限值；
将所述蓄热电采暖系统运行容量限值作为其中一项求解约束，对预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型进行优化求解，得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据；
所述预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型，以日运行成本最低为优化目标，以各节点接入的蓄热电采暖系统在未来各时段的电功率输出为优化变量。
以上方案中，对优化模型求解能够得到未来一日(下一时段及其后的23个小时时段)内各时段的电功率输出数据，本发明将其中距离调度时刻最近的一个时段对应的电功率输出，作为各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据，向蓄热电采暖系统控制装置发送实时调度指令，以指导蓄热电采暖系统的运行控制，使得电网临界安全状态下，蓄热电采暖系统的运行出力不会使得区域配网出现潮流越限和电压越限的情况，且所有蓄热式电采暖系统运行经济效益最好。
所述连续潮流计算得到的各节点接入的蓄热电采暖系统的运行容量限值可为运行容量上限值或者同时包括下限值。
可选的，所述连续潮流计算基于系统运行约束和网架约束采用牛顿拉夫逊法进行；
所述系统运行约束包括：
蓄热式电采暖与配网互动潮流不越限约束：
以及全网节点电压上下限约束：
式中，
为t时刻配网网络节点i到节点j的线路潮流有功功率，单位为kW；
和
为配网网络节点i到节点j的线路潮流有功功率最小限值和最大限值，单位为kW；
为t时刻配网网络节点i到节点j的线路潮流无功功率，单位为kVar，
和
为配网网络节点i到节点j的线路潮流无功功率最小和最大限值，单位为kVar；nnode为配网全部节点数；t是时间长度，单位是小时；
所述网架约束为：
式中，Ii为节点i的注入电流，Si为节点i的注入功率，Ui为节点i的电压，Yij为节点i到节点j的导纳元素。将整个配电系统考虑进来以后，需要整个系统的线路拓扑和线路阻抗和负荷情况，以进行网架约束计算。
通过连续潮流计算，电网临界安全状态下的潮流约束可表示为：
式中，
为t时刻蓄热电采暖用户i与电网的有功功率交互值，单位为kW；
和
为经过连续潮流计算得到的蓄热电采暖用户i与电网的交互电量的有功功率最小限值和最大限值，单位为kW；t是时间长度，单位是小时。
进一步的，考虑电网接入蓄热电采暖系统后的经济性运行和蓄热电采暖系统的运行能效，本发明中，电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型的目标函数为：
min price＝min(priGrid-prifuel+primaintain-priallow+pribolier) (7)
其中，price为日运行成本，priGrid为日购电成本，prifuel为清洁能源取暖补贴，primaintain为蓄热电采暖系统运行维护费用，priallow为蓄热电采暖系统调峰辅助服务收益，pribolier为蓄热电采暖系统用户使用其它制热设备产生的费用。上述各日运行成本的组成部分皆为蓄热电采暖系统输出电功率
的相关因变量，因此通过目标函数优化可得到各接入节点的蓄热电采暖系统在未来各时段的输出电功率，即与电网交互的电量。
可选的，目标函数中，日购电成本的计算公式为：
式中，
为逐时电价，
为蓄热电采暖系统的逐时购电量；购电量即运行容量或电功率输出或与电网的交互电量；
清洁能源补贴的计算公式为：
式中，
为第i个蓄热电采暖系统关于用电总量和政府补贴政策的函数，单位以kW计算；
为第i个蓄热电采暖系统的电功率输出，单位是kW；
是对第i个蓄热电采暖系统的补贴价格，单位为元/kW；
蓄热电采暖系统运行维护费用的计算公式为：
式中，pmsstor为蓄热电采暖设备储能部分的单位功率运行维护成本，pmGrid为蓄热电采暖设备电热转换部分的单位功率运行维护成本，
和
分别为蓄热电采暖设备储能部分的充放热功率，单位是kW；
为蓄热电采暖设备电热转换部分的运行功率，单位是kW；
蓄热电采暖系统调峰辅助服务收益的计算公式为：
式中，j和k为电网规定的辅助调峰时段，
是逐时辅助调峰补贴电价；
是蓄热电采暖系统的逐时购电值。
蓄热电采暖系统用户使用其它制热设备产生的费用pribolier可根据实际接入的各节点蓄热电采暖用户实际拥有的制热设备计算，如用户还拥有的制热设备为燃气锅炉，则对应的天然气使用产生的费用为：
式中，
为第i个燃气锅炉关于用气量和热出力的函数；
为第i个燃气锅炉的热功率输出，单位是kW；cgas是单位燃气使用价格，单位为元/m3。
可选的，所述目标函数优化求解的约束包括：
蓄热式电采暖用户接入容量约束：
式中，
是蓄热式电采暖系统的逐时购电量，
为用户的其他电负荷逐时值；
和
为通过潮流计算得到的电网临界安全运行状态下蓄热式电采暖接入用户的节点有功功率最小限值和最大限值；
蓄热式电采暖用户负荷平衡约束：
式中，
为蓄热式电采暖接入用户的节点对电网总电负荷；
蓄热电采暖设备的总热功率供给约束：
式中，Pabs(t)为t时段蓄能功率，Prelea(t)为t时段放能功率；ηabs为蓄能装置的蓄能效率，ηrelea为蓄能装置的放能效率；PEH为蓄热电采暖设备电制热部分的功率出力；
为第i台保障停电不停暖的燃气锅炉的出力，
和
分别为蓄热式电采暖用户的逐时空间热负荷和热水负荷。
蓄热电采暖设备的蓄能装置动态数学模型约束：
式中，Sstor(t)为蓄能装置在t时段储存的能量；Δt为t时段到t+1时段的时间间隔；μ为蓄能装置自身向环境散能损失或自损耗的能量系数；
以及蓄热式电采暖设备的运行约束：
电热转换部分的运行约束为：
式中，ηaux为蓄热式电采暖设备的制热效率能效系数COP，或根据厂家技术手册拟合成为电功率和产热的多项式曲线函数，
为蓄热式电采暖设备的最大运行功率；
蓄热储能部分的运行约束为：
式中,
和
为蓄储装置的输入和输出功率极限，
为蓄储装置的荷热状态。
第二方面，本发明提供一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度装置，包括：
数据获取模块，被配置用于获取电网线路结构参数和运行状态参数数据；
潮流计算模块，被配置用于基于获取到的数据进行连续潮流计算，得到的电网的临界安全状态下各节点接入的蓄热电采暖系统的运行容量限值；
经济性优化调度模块，被配置用于将所述蓄热电采暖系统运行容量限值作为其中一项求解约束，对预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型进行优化求解，得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据，并输出；
所述预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型，以日运行成本最低为优化目标，以各节点接入的蓄热电采暖系统在未来各时段的电功率输出为优化变量。
第三方面，本发明提供一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度系统，包括调度端和对应电网种各蓄热电采暖系统接入节点的设备控制端；
所述调度端执行第一方面所述的方法得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据，传输至相应的蓄热电采暖系统的设备控制端；各设备控制端根据实时功率调度数据，控制所在节点处蓄热电采暖设备的运行，使得蓄热电采暖设备的输出电功率符合实时功率调度数据。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面所述的电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法。
有益效果
本发明通过将电网潮流和网架约束计算，与蓄热电采暖设备运行经济性优化两个过程解耦，进而在对电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时优化调度模型求解时，加速了模型的求解速度，能够快速得到电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度运行策略，通过由设备控制端执行电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度运行结果，能够在保障电网安全的情况下实现用户的停电不停暖和系统经济运行，同时提升系统运行的经济性和安全性。
附图说明
图1所示为本发明方法的一种实施例流程示意图；
图2所示为本发明方法的一种应用例中某10kV典型配电网系统接线图；
图3所示为蓄热式电采暖系统不同接入容量下全网各个节点连续潮流计算电压幅值；
图4所示为蓄热式电采暖接入的用户系统某典型日电热负荷预测曲线；
图5所示为电网临界安全状态下用户的最优电负荷平衡曲线；
图6所示为电网临界安全状态下用户的最优空间热负荷平衡曲线；
图7所示为电网临界安全状态下用户的最优热水负荷平衡曲线；
图8所示为电网临界安全状态下用户的蓄热电采暖储能部分优化运行状态曲线；
图9所示为系统采用不同停电不停暖运行策略下的超出经济最优运行策略费用对比。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
本发明的技术构思为：首先考虑电网潮流约束和网架约束进行连续潮流计算，根据电网安全稳定裕度计算蓄热电采暖能够运行的容量限值，即，将常规优化求解模型的电网潮流约束和网架约束转换为接入容量约束，以满足电网临界安全运行状态下用户停电不停暖的需要，再在停电不停暖的前提下，对电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统经济性运行实时调度模型进行优化求解，实现将电网约束计算与蓄热电采暖设备运行优化两个过程解耦，加速优化模型的求解速度，同时提升系统运行的经济性和安全性。
实施例1
参考图1所示，本实施例介绍一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法，包括：
获取电网线路结构参数和运行状态参数数据，所需要获取的全部数据参考后续连续潮流计算过程以及目标函数及其约束所涉及的数据；
基于获取到的数据进行连续潮流计算，得到的电网的临界安全状态下各节点接入的蓄热电采暖系统的运行容量限值；
将所述蓄热电采暖系统运行容量限值作为其中一项求解约束，对预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型进行优化求解，得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据；
所述预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型，以日运行成本最低为优化目标，以各节点接入的蓄热电采暖系统在未来各时段的电功率输出为优化变量。
以上方案中，对优化模型求解能够得到未来一日(下一时段及其后的23个小时时段)内各时段的电功率输出数据，本发明将其中距离调度时刻最近的一个时段对应的各接入节点处蓄热电采暖系统的电功率输出，作为各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据，向蓄热电采暖系统控制装置发送实时调度指令，以指导蓄热电采暖系统的运行控制，使得电网临界安全状态下，蓄热电采暖系统的运行出力不会使得区域配网出现潮流越限和电压越限的情况，且所有蓄热式电采暖系统运行经济效益最好。
本实施例方法主要涉及以下几方面的内容。
一、电网安全稳定裕度计算
通常，电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度不仅需要考虑到所有蓄热式电采暖系统所在的区域配电网的运行情况，优化后的运行出力不能使得区域配网出现潮流越限和电压越限的情况，同时优化的运行结果要不仅使得所有蓄热式电采暖系统运行能效最高，经济效益最好，还要使得全网的网损维持在较低的水平。
加入了潮流及网架约束后，以接入三个蓄热式电采暖系统为例，每个蓄热式电采暖系统各自负责一个用户系统的供能，每个蓄热式电采暖系统接入于配电网的一个负荷节点，通过执行调度系统分配的调度指令来和区域电网进行电力交互。蓄热式电采暖系统的接入对区域电网的影响表现在两个方面：一是蓄热式电采暖系统执行后的电力交互不应造成区域电网电压跌落或升高越限，二是通过调度希望能够提升蓄热式电采暖系统的经济效益。为了将蓄热式电采暖接入的区域网络潮流情况加入优化运行模型中，一个较为直观的解决方案是将接入区域的配电网所有节点都进行编号，并在优化过程中将每个节点的电压方程、电流方程和系统网络方程纳入优化模型，每个节点将增加6个非线性约束方程，当蓄热式电采暖接入配网的规模较大时，会引入大量的非线性方程约束，这将为求解问题带来极大的困难。目前，针对这类超高维优化问题，有两种方法，一是类似遗传算法或模拟退火等智能算法，但其缺点是计算时间过长，不能满足电网临界安全状态下需要立即求解出优化调度结果的要求；二是传统解析算法如内点法等，但对初值选择要求高，容易陷入局部最优，得不到全局最优解。
本发明从工程实用的角度出发，对电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度模型中的蓄热电采暖优化与网架约束计算部分进行解耦，提出相应的约束条件和目标函数，使得模型既可以考虑接入配网潮流约束及电网临界安全的影响，又可以对蓄热电采暖运行过程进行优化，同时能够避免出现非线性约束变量和方程过多带来的求解困难和维数灾问题。
蓄热电采暖用户接入对全网的潮流和电压分布会产生影响，用户执行调度指令后对整个配电网潮流和电压分布的影响主要体现在与接入节点的联络线交换功率，即蓄热电采暖用户和外部网络的功率交互值。用户购入的市电越多，节点等效的负荷越大，网络的电压跌落越为明显。对于整个放射状网络而言，只要保证几个最末端的节点电压不越限，就能保证全网的电压水平不越限，配电系统的运行约束如下所示。
本实施例连续潮流计算基于系统运行约束和网架约束采用牛顿拉夫逊法进行；配电网的运行约束包括系统运行约束和网架约束，系统运行约束包括蓄热式电采暖与配网互动潮流不越限约束和全网节点电压上下限约束。
蓄热式电采暖与配网互动潮流不越限约束为：
式中，
为t时刻配网网络节点i到节点j的线路潮流有功功率，单位为kW；
和
为配网网络节点i到节点j的线路潮流有功功率最小限值和最大限值，单位为kW；
为t时刻配网网络节点i到节点j的线路潮流无功功率，单位为kVar，
和
为配网网络节点i到节点j的线路潮流无功功率最小和最大限值，单位为kVar；nnode为配网全部节点数；t是时间长度，单位是小时；
全网节点电压上下限约束为：
网架约束为：
式中，Ii为节点i的注入电流，Si为节点i的注入功率，Ui为节点i的电压，Yij为节点i到节点j的导纳元素。将整个配电系统考虑进来以后，需要整个系统的线路拓扑和线路阻抗和负荷情况，以进行网架约束计算。
通过连续潮流计算，电网临界安全状态下的潮流约束即转换为与电网的交互电量约束，表示为：
式中，
为t时刻蓄热电采暖用户i与电网的有功功率交互值，单位为kW；
和
为经过连续潮流计算得到的蓄热电采暖用户i与电网的交互电量的有功功率最小限值和最大限值，单位为kW；t是时间长度，单位是小时。
二、构建电网临界安全状态下蓄热电采暖系统经济性运行优化模型
蓄热电采暖系统在负荷低谷时刻蓄热，高峰时刻放热，充分利用峰谷电价差获取收益，同时均衡区域负荷，也能获得调峰辅助服务收益，提高整个系统的运行效益。
电采暖系统运行的经济效益主要体现在三方面，一是利用峰谷电价差异，使用低价谷电进行制热获取直接经济收益，二是提供调峰辅助服务，从电网获得一定的经济补偿，三是获得政府的清洁能源取暖补贴。
在用户与社会层面，实施电采暖后用户可以根据自身具体需要调整供热量，解决了传统集中供热模式难以按需供热的问题，有助于推动用户自觉节能，减少整个社会的资源消耗。同时，分布式电源接入地区实施电采暖，还能够促进新能源的就地消纳，减少弃风、弃光现象，进一步提高间接经济效益。
考虑电网接入蓄热电采暖系统后的经济性运行和蓄热电采暖系统的运行能效，电网临界安全状态下蓄热电采暖系统经济性运行优化模型的目标函数以蓄热电采暖系统的日运行经济性为优化目标，日运行总费用综合考虑多个因素，可包括购电费用、清洁能源取暖补贴、蓄热电采暖系统运行维护费用和调峰辅助服务收益等。
具体的，本实施例中，电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型的目标函数为：
min price＝min(priGrid-prifuel+primaintain-priallow+pribolier) (7)
其中，price为日运行成本，priGrid为日购电成本，prifuel为清洁能源取暖补贴，primaintain为蓄热电采暖系统运行维护费用，priallow为蓄热电采暖系统调峰辅助服务收益，pribolier为蓄热电采暖系统用户使用其它制热设备产生的费用。上述各日运行成本的组成部分皆为蓄热电采暖系统输出电功率
的相关因变量，因此通过目标函数优化可得到各接入节点的蓄热电采暖系统在未来各时段的输出电功率，即与电网交互的电量。
上述蓄热电采暖系统的日购电成本的计算公式为：
式中，
为逐时电价，
为蓄热电采暖系统的逐时购电量；购电量即运行容量或电功率输出或与电网的交互电量；
蓄热电采暖系统清洁能源取暖补贴的计算公式为：
式中，
为第i个蓄热电采暖系统关于用电总量和政府补贴政策的函数，单位以kW计算；
为第i个蓄热电采暖系统的电功率输出，单位是kW；
是对第i个蓄热电采暖系统的补贴价格，单位为元/kW；
蓄热电采暖系统运行维护费用的计算公式为：
式中，pmsstor为蓄热电采暖设备储能部分的单位功率运行维护成本，pmGrid为蓄热电采暖设备电热转换部分的单位功率运行维护成本，
和
分别为蓄热电采暖设备储能部分的充放热功率，单位是kW；
为蓄热电采暖设备电热转换部分的运行功率，单位是kW；
蓄热电采暖系统调峰辅助服务收益的计算公式为：
式中，j和k为电网规定的辅助调峰时段，
是逐时辅助调峰补贴电价；
是蓄热电采暖系统的逐时购电值。
蓄热电采暖系统用户使用其它制热设备产生的费用pribolier可根据实际接入的各节点蓄热电采暖用户实际拥有的制热设备计算，如用户还拥有的制热设备为燃气锅炉，则对应的天然气使用产生的费用为：
式中，
为第i个燃气锅炉关于用气量和热出力的函数；
为第i个燃气锅炉的热功率输出，单位是kW；cgas是单位燃气使用价格，单位为元/m3。
三、确定电网临界安全状态下蓄热电采暖系统经济性运行优化约束条件
当电网运行时电力系统的负荷随时间在不断发生变化，受到多种因素的影响，具有连续性和周期性的特点。当电网出现紧急情况时，如低电压问题，要限制蓄热式电采暖系统的接入，以防止电网电压越限。合理对蓄热电采暖系统的运行状态进行控制，可以减少蓄热电采暖系统对电网安全稳定运行带来的冲击，同时通过经济手段激励蓄热式电采暖用户根据自身的负荷需要和设备情况，制定经济性最优运行策略，来保证供暖的经济性最优，可以在保证电网安全的情况下实现有效移峰填谷，提升系统运行经济效益。
本实施例中，电网临界安全下蓄热式电采暖系统经济优化运行约束条件，即目标函数优化求解的约束包括：
蓄热式电采暖用户接入容量约束：
式中，
是蓄热式电采暖系统的逐时购电量，
为用户的其他电负荷逐时值；
和
为通过潮流计算得到的电网临界安全运行状态下蓄热式电采暖接入用户的节点有功功率最小限值和最大限值，即，最小和最大允许电负荷值；
蓄热式电采暖用户负荷平衡约束：
式中，
为蓄热式电采暖接入用户的节点对电网总电负荷；
对于热负荷来说，认为蓄热电锅炉设备的能源传递媒介为高温热水，在满足空间热负荷时设备制备的热水通过暖气片和周围空间进行热交换，在满足空间热负荷和热水负荷两个层面上的供给时，总热功率供给约束自动得到满足。
蓄热电采暖设备的总热功率供给约束：
式中，Pabs(t)为t时段蓄能功率，Prelea(t)为t时段放能功率；ηabs为蓄能装置的蓄能效率，ηrelea为蓄能装置的放能效率；PEH为蓄热电采暖设备电制热部分的功率出力；
为第i台保障停电不停暖的燃气锅炉的出力，
和
分别为蓄热式电采暖用户的逐时空间热负荷和热水负荷。
蓄热电采暖设备的蓄能装置动态数学模型约束：
式中，Sstor(t)为蓄能装置在t时段储存的能量；Δt为t时段到t+1时段的时间间隔；μ为蓄能装置自身向环境散能损失或自损耗的能量系数；
以及蓄热式电采暖设备的运行约束：
其中，电热转换部分的运行约束为：
式中，ηaux为蓄热式电采暖设备的制热效率能效系数COP，或根据厂家技术手册拟合成为电功率和产热的多项式曲线函数，
为蓄热式电采暖设备的最大运行功率；
蓄热储能部分的运行约束为：
式中,
和
为蓄储装置的输入和输出功率极限，
为蓄储装置的荷热状态。
四、优化模型求解
由于已经将电网约束计算与经济性优化两个过程解耦，并通过连续潮流计算将电网约束计算转换为了节点接入量语数，因此基于以上目标函数和约束条件，在优化模型求解过程中，不再需要对电网约束部分进行计算，无需再面临对传统庞杂的含有多维变量的模型进行求解的问题，而仅需采用针对线性优化问题的单纯性方法对电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时优化调度模型进行求解，实现快速求解，以得到电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度运行策略，然后下发调度策略至蓄热电采暖系统控制终端，执行电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度运行结果。
电采暖实施和接入配网后，居民生活对电力的依赖性更强，长时间停电对居民生活将造成重大影响，电采暖能否正常使用取决于电网的运行状态。对于电网运行风险方面，蓄热电采暖对电网的威胁主要体现集中接入时各个配网节点电压不越限，电网不出现末端低电压现象。以下介绍利用本发明的一种试验应用例。
以图2中某10kV典型配电网系统为例，该区域配电系统的负荷和线路等数据见表1和表2。对进行电网实时连续潮流计算，根据设定的电网安全稳定裕度不断迭代得到接入蓄热电采暖系统能够运行的最大容量。表2中，用户类型分为S-小用户，C-商业用户，R-居民用户。
表1线路长度
表2负荷参数
现有某蓄热式电采暖系统位于节点16，接于一个商业节点处，该蓄热式电采暖系统通过自身的运行曲线与电网进行有功功率交换，通过配网的实时连续潮流计算，可以得到不同接入容量的蓄热式电采暖系统运行对电网电压降的影响，如图3所示。根据设定的电网安全稳定裕度不断迭代可得到接入蓄热电采暖系统能够运行的最大容量。
根据前述方法，本应用例采用电网潮流约束计算和蓄热电采暖设备优化两个过程解耦后的系统运行优化模型，目标函数为整个系统的保证停电不停暖前提下的日运行费用最低，包括购电费用、保障供暖的燃气锅炉天然气使用费用、清洁能源取暖补贴、蓄热电采暖系统运行维护费用和调峰辅助服务收益。
以图1中的10kV典型配电网为例，分析电网临界安全运行情况下的蓄热式电采暖负荷最优控制策略。当电网处于紧急状态时会限制蓄热式电采暖系统与配网的功率交换，即出现停电情况，为了保证系统的停电不停暖，采用本发明所提调度策略对系统运行情况进行优化。该蓄热式电采暖用户的日电热负荷预测曲线如图4所示，数据采集自该用户的能源终端系统能源预测模块。
该用户系统采用分时电价计价模式，具体时段和电费价格如表3所示。
表3分时电价电费及时段
将用户使用的天然气价格设定为3.82元/m3，认为其高位热值为8571kcal/Nm3，考虑燃气锅炉的运行维护费用后将气价折算为0.705元/kW·h。实施例中用户使用的主要供能设备有燃气锅炉，蓄热式电采暖装置，光伏电池，该系统通过集中式电力母线购电，系统的相关参数如表4和表5所示。
表4蓄热式电采暖用户使用的主要供能设备种类及参数
表5电采暖系统蓄热设备参数
通过连续潮流计算不断迭代，根据电网状态求出蓄热电采暖用户与外部电网的最大有功功率交互允许值，然后调用蓄热电采暖实时优化运行模型进行求解。本应用例中配网在15时和16时系统低电压预警，根据连续潮流求出蓄热电采暖用户与外部电网交互电量的有功功率最大限值为1000kW，这意味着这两个时刻的蓄热电采暖无法开启，蓄热电采暖系统处于停电状态。通过求解电网临界安全状态下蓄热式电采暖实时优化调度模型，分别给出电网两时刻临界安全状态下用户的最优电热负荷平衡调度控制曲线，其中电负荷平衡曲线如图5所示。
由图5可知，电网临界安全状态下的两个时刻分别位于15时和16时，蓄热电采暖系统由于功率交换限制被停机，其余时刻系统在负荷低谷时刻充分利用蓄热式电采暖的优势，尽量大功率制热以满足热需求，在峰段电费时刻运行功率较低，为了满足系统热平衡而出力，整个系统与外部配网的功率交互较为平滑，对光伏的利用率也达到了100％。
图6给出了电网临界安全状态下用户的最优空间热负荷平衡曲线，其中，两个电网临界安全时刻的热需求较大，仅靠蓄热式电采暖的储能部分不能满足全部热需求，因此调用燃气锅炉来对这两个时刻进行供热保障，实现停电不停暖。空间热负荷曲线呈现两头高中间低的特点，该用户的空间热负荷由电采暖系统和燃气锅炉联合供给，经优化后的调度曲线中可以看出，电采暖在电价低谷时刻出力较大，由于出力功率约束，燃气锅炉无法在电价高峰时段完全满足热负荷需求，因此需要电采暖系统低功率运行以满足热负荷需要。
图7给出了电网临界安全状态下用户的最优热水负荷平衡曲线，其中，电网临界安全状态下的两个时刻蓄热电采暖系统由于功率交换限制被停机，蓄热电采暖系统的储能部分全部满功率出力来支撑热水负荷，同时由于负荷较大，尚存在一定的功率缺额，采用燃气锅炉补足，其余时刻系统通过调度蓄热电采暖的储热部分辅以电加热来满足热水平衡。经优化后的调度曲线中可以看出，电采暖系统的储热单元在夜间低谷时刻充能功率较大，吸收低谷时刻蓄热电采暖制备的热能，白天在电价高峰时刻如8-12时进行放能，在平段12-14时又进行充能，来满足下午及晚间时刻的热水负荷需要。
图8给出了电网临界安全状态下该蓄热电采暖接入用户的蓄热电采暖储能部分优化运行状态曲线，其中，电采暖系统的储热单元在夜间低谷时刻充能功率较大，荷能状态呈现持续爬坡状态，直至升至90％上限，然后在第一个峰段放能，接着在电价平段充能，进而满足下午由于系统安全导致限电的大幅放能及晚间时刻的热水负荷需要，最后在夜间低谷电价时段充能，完成整个运行周期。由蓄热电采暖储能部分运行状态曲线可知，通过合理调度蓄热电采暖的制热部分和储能部分的出力功率，可以实现对热负荷的移峰填谷，降低系统运行成本。
图9给出了系统采用不同停电不停暖运行策略下的超出经济最优运行策略费用对比，系统如果采用完全通过燃气锅炉来实现停电不停暖的运行策略，月运行费用将多出5430.32元；采用本专利结合蓄热式电采暖停电不停暖的运行策略，并合理对蓄热式电采暖进行运行控制，月运行费用将较之无电网约束时经济最优模式增加1989.63元，降幅达60％左右。可以看出，通过对蓄热式电采暖系统在电网临界安全状态下采用本专利所提调度方法进行调度，可以有效降低系统的运行费用，同时减少电采暖用户对上级配网的负荷冲击，确保所接入电网安全稳定前提下的系统停电不停暖和经济运行。
以上应用例及应用效果可知，本发明的电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法，调度策略的计算效率高，可以有效降低系统的运行费用，同时减少电采暖用户对上级配网的负荷冲击，确保所接入电网的安全稳定前提下的系统经济运行，实现极端情况下的停电不停暖，能够为解决供暖系统清洁性、提升蓄热电采暖系统经济性和确保接入电网安全运行等方面提供一种切实有效的运行方案。
实施例2
本实施例介绍一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度装置，包括：
数据获取模块，被配置用于获取电网线路结构参数和运行状态参数数据；
潮流计算模块，被配置用于基于获取到的数据进行连续潮流计算，得到的电网的临界安全状态下各节点接入的蓄热电采暖系统的运行容量限值；
经济性优化调度模块，被配置用于将所述蓄热电采暖系统运行容量限值作为其中一项求解约束，对预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型进行优化求解，得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据，并输出；
所述预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型，以日运行成本最低为优化目标，以各节点接入的蓄热电采暖系统在未来各时段的电功率输出为优化变量。
以上各功能模块的具体功能实现参考实施例1方法中的对应技术内容。
实施例3
本实施例介绍一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度系统，包括调度端和对应电网种各蓄热电采暖系统接入节点的设备控制端；
所述调度端执行第一方面所述的方法得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据，传输至相应的蓄热电采暖系统的设备控制端；各设备控制端根据实时功率调度数据，控制所在节点处蓄热电采暖设备的运行，使得蓄热电采暖设备的输出电功率符合实时功率调度数据。
实施例4
本实施例介绍一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如实施例所述的电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法。
本发明提供的电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方案，将电网约束计算和蓄热电采暖设备优化两个过程解耦，并提出电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时优化调度模型，加速了模型的求解速度，通过求解该模型可以得到电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度运行策略，通过执行电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度运行结果，系统能够在保障电网安全的情况下实现用户的停电不停暖和系统经济运行，同时提升系统运行的经济性和安全性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法，其特征是，包括：
获取电网线路结构参数和运行状态参数数据；
基于获取到的数据进行连续潮流计算，得到的电网的临界安全状态下各节点接入的蓄热电采暖系统的运行容量限值；
将所述蓄热电采暖系统运行容量限值作为其中一项求解约束，对预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型进行优化求解，得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据；
所述预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型，以日运行成本最低为优化目标，以各节点接入的蓄热电采暖系统在未来各时段的电功率输出为优化变量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述连续潮流计算基于系统运行约束和网架约束采用牛顿拉夫逊法进行；
所述系统运行约束包括：
蓄热式电采暖与配网互动潮流不越限约束：
以及全网节点电压上下限约束：
式中，
为t时刻配网网络节点i到节点j的线路潮流有功功率；
和
为配网网络节点i到节点j的线路潮流有功功率最小限值和最大限值；
为t时刻配网网络节点i到节点j的线路潮流无功功率；
和
为配网网络节点i到节点j的线路潮流无功功率最小和最大限值；nnode为配网全部节点数；t是时间长度；
所述网架约束为：
式中，Ii为节点i的注入电流，Si为节点i的注入功率，Ui为节点i的电压，Yij为节点i到节点j的导纳元素。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型的目标函数为：
minprice＝min(priGrid-prifuel+primaintain-priallow+pribolier) (7)
其中，price为日运行成本，priGrid为日购电成本，prifuel为清洁能源取暖补贴，primaintain为蓄热电采暖系统运行维护费用，priallow为蓄热电采暖系统调峰辅助服务收益，pribolier为蓄热电采暖系统用户使用其它制热设备产生的费用。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，目标函数中，日购电成本的计算公式为：
式中，
为逐时电价，
为蓄热电采暖系统的逐时购电量；购电量即运行容量或电功率输出或与电网的交互电量；
清洁能源补贴的计算公式为：
式中，
为第i个蓄热电采暖系统关于用电总量和政府补贴政策的函数；
为第i个蓄热电采暖系统的电功率输出；
是对第i个蓄热电采暖系统的补贴价格；
蓄热电采暖系统运行维护费用的计算公式为：
式中，pmsstor为蓄热电采暖设备储能部分的单位功率运行维护成本，pmGrid为蓄热电采暖设备电热转换部分的单位功率运行维护成本，
和
分别为蓄热电采暖设备储能部分的充放热功率；
为蓄热电采暖设备电热转换部分的运行功率；
蓄热电采暖系统调峰辅助服务收益的计算公式为：
式中，j和k为电网规定的辅助调峰时段，
是逐时辅助调峰补贴电价；
是蓄热电采暖系统的逐时购电值。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述目标函数优化求解的约束包括：
蓄热式电采暖用户接入容量约束：
式中，
是蓄热式电采暖系统的逐时购电量，
为用户的其他电负荷逐时值；
和
为通过潮流计算得到的电网临界安全运行状态下蓄热式电采暖接入用户的节点有功功率最小限值和最大限值；
蓄热式电采暖用户负荷平衡约束：
式中，Pi t为蓄热式电采暖接入用户的节点对电网总电负荷；
蓄热电采暖设备的总热功率供给约束：
式中，Pabs(t)为t时段蓄能功率，Prelea(t)为t时段放能功率；ηabs为蓄能装置的蓄能效率，ηrelea为蓄能装置的放能效率；PEH为蓄热电采暖设备电制热部分的功率出力；
为第i台保障停电不停暖的燃气锅炉的出力，
和
分别为蓄热式电采暖用户的逐时空间热负荷和热水负荷。
蓄热电采暖设备的蓄能装置动态数学模型约束：
式中，Sstor(t)为蓄能装置在t时段储存的能量；Δt为t时段到t+1时段的时间间隔；μ为蓄能装置自身向环境散能损失或自损耗的能量系数；
以及蓄热式电采暖设备的运行约束：
电热转换部分的运行约束为：
式中，ηaux为蓄热式电采暖设备的制热效率能效系数COP，或根据厂家技术手册拟合成为电功率和产热的多项式曲线函数，
为蓄热式电采暖设备的最大运行功率；
蓄热储能部分的运行约束为：
式中,
和
为蓄储装置的输入和输出功率极限，
为蓄储装置的荷热状态。
6.一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度装置，其特征是，包括：
数据获取模块，被配置用于获取电网线路结构参数和运行状态参数数据；
潮流计算模块，被配置用于基于获取到的数据进行连续潮流计算，得到的电网的临界安全状态下各节点接入的蓄热电采暖系统的运行容量限值；
经济性优化调度模块，被配置用于将所述蓄热电采暖系统运行容量限值作为其中一项求解约束，对预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型进行优化求解，得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据，并输出；
所述预先构建的电网临界安全状态下蓄热电采暖系统运行优化模型，以日运行成本最低为优化目标，以各节点接入的蓄热电采暖系统在未来各时段的电功率输出为优化变量。
7.一种电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度系统，其特征是，包括调度端和对应电网种各蓄热电采暖系统接入节点的设备控制端；
所述调度端执行权利要求1-5任一项所述的蓄热电采暖系统实时调度方法，得到各节点接入的蓄热电采暖系统的实时功率调度数据，传输至相应的蓄热电采暖系统的设备控制端
各设备控制端根据实时功率调度数据，控制所在节点处蓄热电采暖设备的运行，使得蓄热电采暖设备的输出电功率符合实时功率调度数据。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-5任一项所述的电网临界安全状态下的蓄热电采暖系统实时调度方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201218 |