CN112713615B - 电—气综合能源系统快速协调调度方法及系统 - Google Patents

电—气综合能源系统快速协调调度方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电—气综合能源系统快速协调调度方法及系统，建立电—气综合能源系统的静态模型，电力系统模型采用直流潮流模型，天然气系统采用静态模型，两者通过燃气机组和P2G设备耦合；将电力系统模型中非凸约束的电力系统功率平衡约束松弛为不等式约束，同时将燃气机组能耗函数约束分段线性化，利用Benders分解算法，将问题重新分解构造为主问题与一系列子问题；将主问题解出的结果传递给子问题，通过子问题生成违规约束，回馈至主问题进行迭代，直至结果符合约束为止，本发明可以应用于在线协调调度，最终提升综合能源系统的调度效率。

Description

电—气综合能源系统快速协调调度方法及系统
技术领域
本发明属于能源调度技术领域，具体涉及一种电—气综合能源系统快速协调调度方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
传统的优化调度中电力系统和天然气系统作为独立系统分别进行考虑：电力系统调度过程中仅考虑自身系统特性，没有考虑天然气管道传输约束对燃气机组的影响，天然气系统在调度过程中也没有考虑由于燃气机组出力变化导致的用气负荷波动。燃气机组调节速度快，污染排放低，得到快速发展，随着其装机总量不断增加，大量天然气被电力系统消耗，此外，部分电转气(power to gas,P2G)项目也已经逐步落地，多余可再生能源发电可以通过P2G设备被转化为天然气，电力系统和天然气系统紧密耦合，形成电—气综合能源系统。因此，传统的独立调度模式无法充分发挥多种能源互补的优势，需要考虑电力系统和天然气系统的耦合关系，进行协调调度。
文献(S.Chen,Z.Wei,G.Sun,Y.Sun,H.Zang and Y.Zhu,″Optimal Power and GasFlow with a Limited Number of Control Actions,″in IEEE Transactions on SmartGrid,vol.9,no.5,pp.5371-5380,Sept.2018)中提出的考虑电力系统和天然气系统耦合关系的综合能源系统的协调调度方法，可以充分发挥多能互补优势，实现综合能源系统的安全高效运行。但是，该方法利用分段线性化技术(PWL)，引进辅助二进制变量对模型中的非凸部分进行线性化，模型精度依赖于分段数目，为了保证结果精度，需要引进了大量二进制变量进行分段，导致模型求解速度缓慢。尤其是大规模的天然气系统中含有大量非凸约束，需引进数万的整数变量，问题求解的计算代价巨大，该方法在实际应用中，使用范围受到极大限制，很难应用于大规模系统的在线优化运行。
文献(J.Mi and M.E.Khodayar,″Operation of natural gas and electricitynetworks with line pack,″in Journal of Modern Power Systems and Clean Energy,vol.7,no.5,pp.1056-1070,Sept.2019.)提出了一种基于Benders分解的电—气综合能源系统协调调度方法，该方法将综合能源系统协调调度问题分为解为包含主问题和子问题的传统的Benders结构，分解之后问题规模缩小；利用牛顿拉夫逊算法将非凸问题线性化，避免了大量整数变量的引进；求解速度得到提升。但是，由于储气罐等设备的存在，天然气系统子问题是时间耦合的，无法独立求解，且由于子问题中描述管道气流与节点气压关系的Weymouth方程存在，子问题非凸，不符合广义Benders分解算法中的假设，以上因素导致该文献中的Benders分解仍无法实现问题快速求解。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种电—气综合能源系统快速协调调度方法及系统，本发明采用常见静态模型，对问题结构进行了重新设计，天然气系统部分约束包含在主问题中，子问题变为线性独立的问题，并且可以并行求解，与PWL和传统的Benders相比，在保证计算精度的情况下，提升了求解速度，可以应用于在线协调调度，最终提升综合能源系统的调度效率。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种电—气综合能源系统快速协调调度方法，包括以下步骤：
建立电—气综合能源系统的静态模型，电力系统模型采用直流潮流模型，天然气系统采用静态模型，两者通过燃气机组和P2G设备耦合；
将电力系统模型中非凸约束的电力系统功率平衡约束松弛为不等式约束，同时将燃气机组能耗函数约束分段线性化，利用Benders分解算法，将问题重新分解构造为主问题与一系列子问题；
将主问题解出的结果传递给子问题，通过子问题生成违规约束，回馈至主问题进行迭代，直至结果符合约束为止。
作为可选择的实施方式，所述电力系统模型包括线路传输容量约束、机组出力约束和爬坡速率约束。
作为可选择的实施方式，所述天然气系统模型包括管道流量约束、节点气压约束和压缩机压缩比约束、气井产量限制和储气罐储气量变化速率限制、储气罐的储气容量约束、电转气设备的转换效率约束和天然气系统节点流量平衡。
作为可选择的实施方式，目标函数为最小化系统运行成本，包含火电机组运行成本、气井产气成本以弃风惩罚成本三部分。
作为可选择的实施方式，所述主问题包括电力系统约束，电转气约束、以及天然气流量平衡约束，目标函数为最小运行成本。
作为可选择的实施方式，所述子问题考虑管道流量约束以及节点气压约束和压缩机压缩比约束，根据主问题中优化结果检验管道流量是否满足约束，并生成相应约束。
作为可选择的实施方式，所述子问题互相独立且并行求解。
作为可选择的实施方式，如果子问题目标函数大于设定阈值，则表明管道流量约束无法满足，此时生成相应违规约束。
一种电—气综合能源系统快速协调调度系统，包括：
模型构建模块，被配置为建立电—气综合能源系统的静态模型，电力系统模型采用直流潮流模型，天然气系统采用静态模型，两者通过燃气机组和P2G设备耦合；
分解重构模块，被配置为将电力系统模型中非凸约束的电力系统功率平衡约束松弛为不等式约束，同时将燃气机组能耗函数约束分段线性化，利用Benders分解算法，将问题重新分解构造为主问题与一系列子问题；
迭代求解模块，被配置为将主问题求解出的结果传递给子问题，通过子问题生成违规约束，回馈至主问题进行迭代，直至结果符合约束为止。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述一种电—气综合能源系统快速协调调度方法的步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述一种电—气综合能源系统快速协调调度方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明根据广义Benders分解算法的假设条件，对主问题和子问题进行构造，设计了符合其假设的改进Benders分解算法，构造了线性可并行求解的一系列子问题，与PWL和传统的Benders相比，在保证计算精度的情况下，提升了求解速度，可以应用于在线协调调度，最终提升综合能源系统的调度效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本实施例的综合能源系统示意图；
图2为本实施例的流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种基于改进Benders分解的电—气综合能源系统快速协调调度方法。首先建立了综合能源系统静态模型，并对机组能耗函数进行简化处理，然后对问题进行拆分，将问题分解为主问题和一系列可以并行求解的线性子问题，主问题将调度结果传递给子问题，子问题检查相关约束是否满足，如不满足则生成一系列相应违规约束添加至主问题，继续重复上述求解过程，如此迭代，直至所有约束得到满足，从而在较少迭代次数情况下，实现快速求解。
本发明提出的基于改进Benders分解的电—气综合能源系统快速协调调度方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：建立电—气综合能源系统的静态模型，系统结构如图1所示。电力系统模型采用常见的直流潮流模型，天然气系统采用静态模型，两者通过燃气机组和P2G设备耦合。
a)电力系统直流潮流模型
(1)线路传输容量约束：采用功率转移分布因子来计算线路潮流分布。
(2)机组出力约束：系统中包含了火电机组，燃气机组、风电机组三种不同机组。
(3)爬坡速率约束：考虑了火电机组和燃气机组的爬坡速率约束。
Figure BDA0002854772570000071
Figure BDA0002854772570000072
Figure BDA0002854772570000073
其中，ΩF、ΩG、ΩW、ΩD、ΩP分别表示火电机组、燃气机组、风电机组、电力负荷以及电转气设备构成的集合；
Figure BDA0002854772570000074
Figure BDA0002854772570000075
分别表示t时刻火电机组i、燃气机组j、风电机组n的出力以及负荷m的用电需求和电转气设备k的功率消耗；
Figure BDA0002854772570000076
分别表示火电机组的发电成本以及燃气机组的耗气量，af,i、bf,i、cf,i、ag,j、bg,j、Cg,j是对应的系数。
其中，(4)为电力系统功率平衡约束；(5)为火电机组成本函数；
(6)为燃气机组能耗函数。
b)天然气网络模型
Figure BDA0002854772570000077
Figure BDA0002854772570000078
Figure BDA0002854772570000079
Figure BDA00028547725700000710
Figure BDA00028547725700000711
Figure BDA00028547725700000712
Figure BDA0002854772570000081
Figure BDA0002854772570000082
其中，ΩL、ΩN、ΩC、ΩS、ΩR分别表示不含压缩机的输气管道、天然气系统节点、压缩机、气源以及储气罐构成的集合；ΩNl表示管道l两端的节点；ΩSn、ΩPn、ΩRn、ΩCn、ΩGn是由集合ΩS、ΩP、ΩR、ΩC、ΩG内与节点n相连的元素构成的子集；ΩDn表示与节点n相连的燃气负荷集合；Ωcn表示由节点n提供动力的压缩机集合；ΩNn表示通过没有压缩机管道与节点n直接相连的天然气节点集合；t是系统调度周期，包含NT个时间段；
Figure BDA0002854772570000083
是t时刻由节点i通过传输管道流向节点j的天然气流量；kl是与输气管道l长度、摩擦系数等相关的管道参数；
Figure BDA0002854772570000084
是t时刻节点i处气压的平方；
Figure BDA0002854772570000085
分别表示节点n允许气压上下限的平方；
Figure BDA0002854772570000086
分别表示压缩机m最小压缩比的平方和最大的压缩比的平方；
Figure BDA0002854772570000087
分别表示t时刻流经压缩机m的气流量以及压缩机m的耗气量；αm表示压缩机m的能耗系数；
Figure BDA0002854772570000088
分别表示气源i产气下限与上限以及t时刻产气量；
Figure BDA0002854772570000089
表示储气罐z的排储气速率上限；
Figure BDA00028547725700000810
表示储气罐储气容量上下限；
Figure BDA00028547725700000813
分别表示t时刻储气罐z的储气量以及气体储量变化率；ηk、
Figure BDA00028547725700000811
分别表示电转气设备k的能量转换系数及其最大运行功率；
Figure BDA00028547725700000812
分别表示t时刻电转气设备k产气量以及天然气负荷w的耗气量；sn,为方向变量：当节点n位于压缩机m的出口处其值为1，否则取-1。
公式(7)是气体的Weymouth方程，描述了流经不含压缩机管道的气体流量与其两端节点气压的关系，压缩机可以改变管道内气压，流经压缩机的气体不再遵循Weymouth方程约束，流入压缩机的气体流量分为传输流量
Figure BDA0002854772570000091
以及自身能耗
Figure BDA0002854772570000092
两部分，其中压缩机消耗的天然气
Figure BDA0002854772570000093
与
Figure BDA0002854772570000094
近似为线性关系[1]，其关系如(10)所示。(8)、(9)分别表示节点气压约束和压缩机压缩比约束。(11)表示气井产量限制和储气罐储气量变化速率限制。(12)是储气罐的储气容量约束。(13)为电转气设备的转换效率约束。(14)表示天然气系统节点流量平衡。
c)目标函数
Figure BDA0002854772570000095
Figure BDA0002854772570000096
目标函数为最小化系统运行成本，包含火电机组运行成本、气井产气成本以弃风惩罚成本三部分。
其中，bs,j为气井j的产气成本系数；
Figure BDA0002854772570000097
是弃风成本；ρ为弃风惩罚系数。
步骤2：将非凸约束(5)松弛为不等式约束，同时将约束(6)分段线性化，在此基础上提出改进的Benders分解算法，将问题重新分解构造为主问题与一系列子问题。
a)主问题
主问题包括电力系统约束，电转气约束、以及天然气流量平衡约束，目标函数为最小运行成本。其模型如下：
Obj式(15)
s.t.式(1)-(6)，式(10)-(14)，式(16)以及子问题生成的违规约束。
b)子问题
子问题考虑管道流量约束，检验管道流量方程(7)是否满足约束，子问题互相独立可以并行求解。其模型如下：
Figure BDA0002854772570000101
s.t.式(8)-(9)
Figure BDA0002854772570000102
其中，
Figure BDA0002854772570000103
是由主问题求解出的管道流量值，L1tl、L2tl是非负的松弛变量，目标函数(17)是最小化管道流量不平衡量。
c)违规约束
如果子问题目标函数大于设定阈值，则表明管道流量约束无法满足，此时生成相应违规约束(19)。
Figure BDA0002854772570000104
其中，
Figure BDA0002854772570000105
是与式(18)相关的对偶变量，
Figure BDA0002854772570000106
为
Figure BDA0002854772570000107
是
Figure BDA0002854772570000108
在
Figure BDA0002854772570000109
处的梯度值。
步骤3：迭代求解，即主问题将求解出的管道流量传递给子问题，通过子问题生成违规约束，回馈至主问题进行迭代，直至管道流量方程符合约束为止。求解步骤如下。
1)求解主问题，管道流量记为
Figure BDA00028547725700001010
2)将
Figure BDA00028547725700001011
带入子问题求解，如gt≤ξ1则执行5)，否则执行3)。
3)求取式(18)的对偶变量
Figure BDA0002854772570000111
4)生成违规约束(19)并添加到主问题，返回1)。
5)终止循环，主问题函数值即为最优解。
其中，ξ1为允许最大违规值，是远小于节点天然气压强最小值的正数。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种电—气综合能源系统快速协调调度方法，其特征是：包括以下步骤：
建立电—气综合能源系统的静态模型，电力系统模型采用直流潮流模型，天然气系统采用静态模型，两者通过燃气机组和P2G设备耦合；
将电力系统模型中非凸约束的电力系统功率平衡约束松弛为不等式约束，同时将燃气机组能耗函数约束分段线性化，利用Benders分解算法，将问题重新分解构造为主问题与一系列子问题；
所述主问题包括电力系统约束，电转气约束、以及天然气流量平衡约束，目标函数为最小运行成本；
所述子问题考虑管道流量约束以及节点气压约束和压缩机压缩比约束，根据主问题中优化结果检验管道流量是否满足约束，并生成相应约束；
所述子问题互相独立且并行求解；其模型如下：
Figure FDA0003666179300000011
s.t.式(8)-(9)
Figure FDA0003666179300000012
Figure FDA0003666179300000013
Figure FDA0003666179300000014
其中，ΩL表示不含压缩机的输气管道构成的集合，
Figure FDA0003666179300000015
是由主问题求解出的管道流量值，L1tl、L2tl是非负的松弛变量，kl是与输气管道l长度、摩擦系数相关的管道参数；
Figure FDA0003666179300000016
是t时刻节点i处气压的平方；
Figure FDA0003666179300000021
分别表示节点n允许气压上下限的平方；
Figure FDA0003666179300000022
分别表示压缩机m最小压缩比的平方和最大的压缩比的平方；
如果子问题目标函数大于设定阈值，则表明管道流量约束无法满足，此时生成相应违规约束；
主问题将求解出的管道流量传递给子问题，通过子问题生成违规约束，回馈至主问题进行迭代，直至管道流量方程符合约束为止；求解步骤如下；
1)求解主问题，管道流量记为
Figure FDA0003666179300000023
2)将
Figure FDA0003666179300000024
带入子问题求解，如gt≤ξ1则执行5)，否则执行3)；
3)求取式(18)的对偶变量
Figure FDA0003666179300000025
4)生成违规约束并添加到主问题，返回1)；
5)终止循环，主问题函数值即为最优解；
其中，ξ1为允许最大违规值，是远小于节点天然气压强最小值的正数。
2.如权利要求1所述的一种电—气综合能源系统快速协调调度方法，其特征是：所述电力系统模型包括线路传输容量约束、机组出力约束和爬坡速率约束。
3.如权利要求1所述的一种电—气综合能源系统快速协调调度方法，其特征是：所述天然气系统模型包括节点气压约束和压缩机压缩比约束、气井产量限制和储气罐储气量变化速率限制、储气罐的储气容量约束、电转气设备的转换效率约束和天然气系统节点流量平衡。
4.如权利要求1所述的一种电—气综合能源系统快速协调调度方法，其特征是：目标函数为最小化系统运行成本，包含火电机组运行成本、气井产气成本以弃风惩罚成本三部分。
5.一种电—气综合能源系统快速协调调度系统，其特征是：包括：
模型构建模块，被配置为建立电—气综合能源系统的静态模型，电力系统模型采用直流潮流模型，天然气系统采用静态模型，两者通过燃气机组和P2G设备耦合；
分解重构模块，被配置为将电力系统模型中非凸约束的电力系统功率平衡约束松弛为不等式约束，同时将燃气机组能耗函数约束分段线性化，利用Benders分解算法，将问题重新分解构造为主问题与一系列子问题；
所述主问题包括电力系统约束，电转气约束、以及天然气流量平衡约束，目标函数为最小运行成本；
所述子问题考虑管道流量约束以及节点气压约束和压缩机压缩比约束，根据主问题中优化结果检验管道流量是否满足约束，并生成相应约束；
所述子问题互相独立且并行求解；其模型如下：
Figure FDA0003666179300000031
s.t.式(8)-(9)
Figure FDA0003666179300000032
Figure FDA0003666179300000033
Figure FDA0003666179300000034
其中，ΩL表示不含压缩机的输气管道构成的集合，
Figure FDA0003666179300000041
是由主问题求解出的管道流量值，L1tl、L2tl是非负的松弛变量，kl是与输气管道l长度、摩擦系数相关的管道参数；
Figure FDA0003666179300000042
是t时刻节点i处气压的平方；
Figure FDA0003666179300000043
分别表示节点n允许气压上下限的平方；
Figure FDA0003666179300000044
分别表示压缩机m最小压缩比的平方和最大的压缩比的平方；
如果子问题目标函数大于设定阈值，则表明管道流量约束无法满足，此时生成相应违规约束；
迭代求解模块，被配置为主问题将求解出的管道流量传递给子问题，通过子问题生成违规约束，回馈至主问题进行迭代，直至管道流量方程符合约束为止；求解步骤如下；
1)求解主问题，管道流量记为
Figure FDA0003666179300000045
2)将
Figure FDA0003666179300000046
带入子问题求解，如gt≤ξ1则执行5)，否则执行3)；
3)求取式(18)的对偶变量
Figure FDA0003666179300000047
4)生成违规约束并添加到主问题，返回1)；
5)终止循环，主问题函数值即为最优解；
其中，ξ1为允许最大违规值，是远小于节点天然气压强最小值的正数。
6.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-4中任一项所述的一种电—气综合能源系统快速协调调度方法的步骤。
7.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-4中任一项所述的电—气综合能源系统快速协调调度方法的步骤。
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