CN112836957B - 一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：通过场景分析来模拟区域综合能源系统中的不确定因素；步骤2：建立故障切负荷期望最小的目标函数；步骤3：建立项目全周期净收益最大和可再生能源渗透率最高两个规划目标；步骤4：设计综合能源系统安全稳定运行的约束条件，判断综合能源系统运行是否满足约束条件；步骤5：采用非支配排序遗传算法3算法对数学模型进行求解，求出不同的规划方案。本发明基于灵敏度分析进行电转气设备调度规划，使电转气设备的合理出力，以消纳分布式电源所发的过剩电能，转化为天然气储存，在保证系统经济运行的条件下能够切实提高可再生能源的渗透率。
Description
技术领域
本发明属于区域综合能源系统规划优化技术领域，提供了一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法。
背景技术
随着化石能源过度消耗以及碳排放等引发的一系列能源枯竭、环境污染问题。可再生能源发电技术、能源转换技术、能源供应模式等方面引起了世界各国的广泛关注。区域综合能源系统试图打破传统能源供应系统的技术壁垒、行业壁垒，改变以电力系统、天然气系统、热力系统等各系统单独运行的能源供应模式，以实现多能互补、高效协同、低碳经济的能源供应模式。在区域综合能源系统项目实施前，做好相应技术方案规划是保证综合能源系统项目落地的基础和必要条件。确保综合能源系统安全性、稳定性、可靠性、经济性是衡量区域综合能源系统的重要技术指标。在规划阶段考虑区域综合能源系统的供能可靠性，保证系统安全稳定运行，为用户提供不间断的能量供应是区域综合能源系统建设和运行的重要目标。因此，对区域综合能源系统进行规划时考虑供能系统可靠性，探讨系统中各能源配置，这对充分利用可再生能源、提高综合能源系统的运行效率、提升供能系统的可靠性具有重要的理论价值和工程意义。
目前，有关综合能源系统的规划方面，有很多国内外学者对其进行研究。目前主要有：(1)以建设成本最优为目标，建立燃机组、输电线路、输气管道多阶段协同规划模型。(2)统筹考虑电、气、热、冷四种能源需求，采用冷热电联产机组，耦合各能源系统，最后以电气区域综合能源系统的总投资、运行费用最小为目标建立考虑配电线路、燃气管道的扩建的冷热电联产设备规划模型。(3)考虑能量枢纽模型，认为能量枢纽可以多端输入多端输出，在能量枢纽中实现不同形势能源的相互转换，以满足不同类型的负荷需求。然而，目前有关综合能源系统规划方面的研究，大多以考虑规划阶段的建设运行成本为目标，将模型建立为一个单目标数学模型对其进行规划。鲜有考虑分布式电源对综合能源系统可靠性的影响，并且建立相应的规划目标函数进行求解。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，解决了现有技术存在关于考虑分布式电源对综合能源系统可靠性的影响需要进一步优化的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：通过场景分析来模拟区域综合能源系统中的不确定因素，基于单一故障安全准则，分析分布式电源对配电网故障时，可对孤岛部分负荷提供的电量；
步骤2：建立故障切负荷期望最小的目标函数，其计算如下公式(1)：
其中：ρij和
分别表示在j时刻，系统线路i故障的概率和发生故障引起的切负荷功率，Sbra和Sso分别表示支路集合和场景集合；
步骤3：在保证切负荷期望最小的基础上，建立项目全周期净收益最大和可再生能源渗透率最高两个规划目标；
项目全周期净收益最大目标函数计算如下公式(2)：
maxM＝Minc-Mma-Mb-Minv+Mscr (2)，
其中：Ui为节点i处电压标幺值；Umin和Umax为系统安全运行的电压上、下限标幺值，一般为1.05和0.95；
全周期收益计算如下公式(3)：
其中：
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分别为第i个运行场景中，运营商售电量与售气量；PE和PG是对应的售电单价与售气单价；Ti为场景i所持续的时间；
年维修费用由设备容量决定，项目每年的维修费用与运行费用的计算如下公式(4)和(5)：
其中，
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分别为项目中分布式风电、分布式光伏和电转气设备的容量，/>
和/>
分别为分布式风电、分布式光伏和电转气设备单位容量维修成本，/>
为电转气设备所消耗电能；
项目建设成本为项目新增设备的购买建设成本，其为项目初始的一次性花费，项目结束后，所有设备仍有一定的经济价值，可等效为收益，设备建设成本及其残值计算如下公式(6)和(7)：
其中：
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分别为项目中分布式风电、分布式光伏和电转气设备的单位容量成本，r为折现率；TP为项目周期，
在保证系统建设与运行经济性的同时，利用综合能源系统对可再生能源进行积极消纳，建立如下公式(8)的可再生能源渗透率最大化目标函数；
其中，
和/>
为由可再生电源i向负荷所提供的能量及其在网络传输中的损耗率，PounR和δunR为上级系统所提供能量及其在网络传输中的损耗率；
步骤4：设计综合能源系统安全稳定运行的约束条件，判断综合能源系统运行是否满足约束条件；
步骤5：采用非支配排序遗传算法3算法对数学模型进行求解，求出不同的规划方案。
本发明的特点还在于，
步骤1中，所述区域综合能源系统包括电力系统、天然气系统和热力系统。
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、判断各电力系统节点电压有无越限，若越限，计算越限程度，越限程度即为电力系统节点电压与电压上限值的差值，记为ΔV；
步骤3.2、提取电压越限的电力系统节点，同时提取接有电转气设备的电力系统节点，使电转气设备与电压越限处相对应，得到如下公式(9)：
其中，ΔVj为电力系统节点j的电压幅值变化值，ΔPij为电力系统节点所接电转气设备需要增加的功率ΔPij，Sij -1表示节点i的电压对节点j的电压功率变化的灵敏度；
步骤3.3、设定电转气设备增加功率为其现有功率与额定功率差值，根据电转气设备需要增加的功率调度其他电转气设备同时接入电力系统和天然气系统，得到电转气设备调整方案，则所计算的综合能源系统中电转气设备运行功率为原电转气设备额定功率。
在步骤4具体为：
步骤4.1：节点电压必须满足以下公式(10)约束：
Umin≤Ui≤Umax (10)，
其中，Ui为节点i处电压标幺值；Umin和Umax为系统安全运行的电压上、下限标幺值，一般为1.05和0.95；
步骤4.2.为了避免配电网的无限制向上级电网中倒送能量，对配电网倒送能量限制如下公式(11)：
P0≤min(PT，PG) (11)，
其中，P0为向上级电网倒送的总能量，PT为配电网变电站的额定功率，PG为配电网向上级电网允许倒送功率最大值；
步骤4.3：为避免配电网支路功率过载，使得规划结果偏离实际情况，对支路载流量限制如下(12)：
Pij≤Plmax (12),
其中，Pij为节点i与节点j之间支路上的功率，Plmax为支路最大传输功率；
步骤4.4：为保证天然气系统安全运行，天然气系统节点气压需满足如下公式(13)的安全约束：
PAmin≤PAi≤PAmax (13)，
其中，PAi为天然气系统节点i的气压，PAmin和PAmax为天然气系统安全运行，节点气压的下限和上限；
步骤4.5：对于系统中各能源元件，其输出功率必须在如下公式(14)的合理范围之内：
Pmin≤Pi≤Pmax (14)，
式中：Pi为设备实时的输出功率，Pmin和Pmax为设备输出功率的下限和上限，一般为0和额定功率；
步骤4.6：考虑到热力系统接入燃气轮机后，负荷节点变为热源，其水流量增加，还需保证热力系统运行安全，管道水流量必须小于管道最大水流量，如下公式(15)：
其中，mij为管道ij的水流量，
为管道ij的允许最大水流量；
步骤4.7：不同元件的接入位置必须满足以下约束：分布式电源接入节点需包含电力系统节点；电转气设备接入节点需包含电力系统和天然气系统节点，如下公式(16)和(17)；
其中，
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分别为分布式电源和电转气设备接入系统的节点，/>
和/>
分别为区域综合能源系统中电力系统节点集合和天然气系统节点集合；
步骤4.8：分布式燃气轮机接入区域综合能源系统，其接入节点需包含电力系统节点、天然气系统和热力系统，如下公式(18)；
其中，
为分布式燃气轮机接入系统的节点，/>
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分别为区域综合能源系统中电力系统节点集合、天然气系统节点集合和热力系统节点集合。
在步骤5中，非支配排序遗传算法3是对非支配层个体采用基于参考点的指标替代拥挤度进行评价、排序，以维持种群多样性，具体包括：自适应归一化、设置理想点、利用理想点将转换目标值、计算极点、目标值归一化、设置超平面上参考点，并计算参考线、计算个体到各参考线的距离、对个体排序以及选择个体。
本发明的有益效果是：本发明一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，提出的考虑供电可靠性的综合能源系统中分布式电源与电转气设备和燃气轮机规划方法，有效提高综合能源系统的供电可靠性，利用电转气设备消纳分布式电源所发的过剩电能，基于灵敏度分析进行电转气设备调度规划，使电转气设备的合理出力，保证区域综合能源系统安全稳定经济运行。
附图说明
图1是本发明一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法的区域综合能源系统结构示意图；
图2是本发明一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法的规划结果Pareto解集示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法进行进一步详细说明。
电-气-热区域综合能源系统中各设备与系统运行可靠性、经济性都密切相关。因此，在接入可再生能源后对综合能源进行规划的同时，应该考虑以供能可靠性、可再生能源渗透率、系统建设运行经济性为目标，来确定分布式电源、电转气设备、燃气轮机位置和容量的规划方案。本发明中所提到的区域综合能源系统包括电力系统、天然气系统和热力系统，不同的设备元件接入系统，给系统进行供能或者来耦合不同的子系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1：通过场景分析来模拟区域综合能源系统中的不确定因素，基于单一故障安全准则，分析分布式电源对配电网故障时，可对孤岛部分负荷提供的电量；
步骤2：建立故障切负荷期望最小的目标函数，其计算如下公式(1)：
其中：ρij和
分别表示在j时刻，系统线路i故障的概率和发生故障引起的切负荷功率，Sbra和Sso分别表示支路集合和场景集合；
根据上式，采用6种不同的方案，在电气热综合能源系统中进行仿真，计算系统切负荷量的期望值，如下表1所示。
表1综合能源系统不同设备的接入方案
如下表2所示，系统不接入任何设备，出现支路开断故障时，孤岛运行的所有负荷都失去供电。方案1切负荷总量最大。对比方案1，方案2的切负荷总量有一定程度的降低。在分布式电源出力时，可以对孤岛进行有效供能，满足用户需求。方案3中，电转气设备虽不能向负荷提供电能，但可以消纳分布式风电出力过剩时的电能，平衡电能供需，降低了切负荷量。方案4仅有分布式燃气轮机向孤岛提供电能。由于燃气轮机可控，能稳定提供电能，从而大幅度降低了切负荷量。方案5中分布式燃气轮机作为分布式电源的备用电源。方案6中多种设备的相互配合，使切负荷量降到方案1的16.88％。可以看出，当系统出现故障而造成孤岛运行时，分布式电源能供给离网部分负荷的需求。
表2配电网支路开断切负荷功率
步骤3：在保证切负荷期望最小的基础上，建立项目全周期净收益最大和可再生能源渗透率最高两个规划目标；
项目全周期净收益最大目标函数计算如下公式(2)：
maxM＝Minc-Mma-Mb-Minv+Mscr (2)，
其中：Ui为节点i处电压标幺值；Umin和Umax为系统安全运行的电压上、下限标幺值，一般为1.05和0.95；
全周期收益计算如下公式(3)：
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分别为第i个运行场景中，运营商售电量与售气量；PE和PG是对应的售电单价与售气单价；Ti为场景i所持续的时间；
年维修费用由设备容量决定，项目每年的维修费用与运行费用的计算如下公式(4)和(5)：
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分别为项目中分布式风电、分布式光伏和电转气设备的容量，/>
和/>
分别为分布式风电、分布式光伏和电转气设备单位容量维修成本，/>
为电转气设备所消耗电能；
项目建设成本为项目新增设备的购买建设成本，其为项目初始的一次性花费，项目结束后，所有设备仍有一定的经济价值，可等效为收益，设备建设成本及其残值计算如下公式(6)和(7)：
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分别为项目中分布式风电、分布式光伏和电转气设备的单位容量成本，r为折现率；TP为项目周期，
在保证系统建设与运行经济性的同时，利用综合能源系统对可再生能源进行积极消纳，建立如下公式(8)的可再生能源渗透率最大化目标函数；
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为由可再生电源i向负荷所提供的能量及其在网络传输中的损耗率，PounR和δunR为上级系统所提供能量及其在网络传输中的损耗率；
步骤4：设计综合能源系统安全稳定运行的约束条件，判断综合能源系统运行是否满足约束条件；
步骤5：采用非支配排序遗传算法3算法对数学模型进行求解，求出不同的规划方案。
得到规划方案部分如下，并在空间坐标系中描述最优解集，得到Pareto前沿，如附图2所示。
求得规划方案在三个指标相互为非支配关系。每个方案在一定范围都为其最优规划方案，避免了单目标规划所得到的绝对最优方案，为投资建设者提供不同角度建设意见。列出所求得规划方案中，三目标最优结果，如表3所示。方案3的规划方案包含3台分布式燃气轮机，且接入位置为电力系统支路末端，可以保证系统出现N-1故障时可以有效对离网部分负荷进行有效供能，极大的降低了切负荷期望，较原系统降低98％。
表3规划方案及其评价指标
本发明一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，以单一故障安全准则为基础，建立供电可靠性评价指标。并分析了区域综合能源系统分别接入分布式电源、电转气设备和分布式燃气轮机对供电可靠性的影响。以考虑项目全周期收益最大、可再生能源渗透率最高和切负荷期望值最小为三个目标函数，并结合区域综合能源系统的运行安全和设备运行约束建立规划模型。对于规划模型的高维、多变量、非线性特点，采用非支配排序遗传算法3求解规划模型。在区域综合能源系统中进行仿真测试，规划结果验证了所建规划模型和算法的有效性，求得从不同角度的规划结果，为投资建设者提供可选择的最优规划方案集。
Claims (4)
1.一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，其特征在于具体按照以下步骤实施：
步骤1：通过场景分析来模拟区域综合能源系统中的不确定因素，基于单一故障安全准则，分析分布式电源对配电网故障时，可对孤岛部分负荷提供的电量；
步骤2：建立故障切负荷期望最小的目标函数，其计算如下公式(1)：
其中：ρij和
分别表示在j时刻，系统线路i故障的概率和发生故障引起的切负荷功率，Sbra和Sso分别表示支路集合和场景集合；
步骤3：在保证切负荷期望最小的基础上，建立项目全周期净收益最大和可再生能源渗透率最高两个规划目标；
项目全周期净收益最大目标函数计算如下公式(2)：
max M＝Minc-Mma-Mb-Minv+Mscr (2)，
全周期收益计算如下公式(3)：
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分别为第i个运行场景中，运营商售电量与售气量；PE和PG是对应的售电单价与售气单价；Ti为场景i所持续的时间；
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在保证系统建设与运行经济性的同时，利用综合能源系统对可再生能源进行积极消纳，建立如下公式(8)的可再生能源渗透率最大化目标函数；
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为由可再生电源i向负荷所提供的能量，PounR为上级系统所提供能量；
步骤4：设计综合能源系统安全稳定运行的约束条件，判断综合能源系统运行是否满足约束条件；
在步骤4具体为：
步骤4.1：节点电压必须满足以下公式(10)约束：
Umin≤Ui≤Umax (10)，
其中，Ui为节点i处电压标幺值；Umin和Umax为系统安全运行的电压上、下限标幺值；
步骤4.2.为了避免配电网的无限制向上级电网中倒送能量，对配电网倒送能量限制如下公式(11)：
P0≤min(PT，PG) (11)，
其中，P0为向上级电网倒送的总能量，PT为配电网变电站的额定功率，PG为配电网向上级电网允许倒送功率最大值；
步骤4.3：为避免配电网支路功率过载，使得规划结果偏离实际情况，对支路载流量限制如下(12)：
Pij≤Plmax (12),
其中，Pij为节点i与节点j之间支路上的功率，Plmax为支路最大传输功率；
步骤4.4：为保证天然气系统安全运行，天然气系统节点气压需满足如下公式(13)的安全约束：
PAmin≤PAi≤PAmax (13)，
其中，PAi为天然气系统节点i的气压，PAmin和PAmax为天然气系统安全运行，节点气压的下限和上限；
步骤4.5：对于系统中各能源元件，其输出功率必须在如下公式(14)的合理范围之内：
Pmin≤Pi≤Pmax (14)，
式中：Pi为设备实时的输出功率，Pmin和Pmax为设备输出功率的下限和上限；
步骤4.6：考虑到热力系统接入燃气轮机后，负荷节点变为热源，其水流量增加，还需保证热力系统运行安全，管道水流量必须小于管道最大水流量，如下公式(15)：
其中，mij为管道ij的水流量，
为管道ij的允许最大水流量；
步骤4.7：不同元件的接入位置必须满足以下约束：分布式电源接入节点需包含电力系统节点；电转气设备接入节点需包含电力系统和天然气系统节点，如下公式(16)和(17)；
其中，
和/>
分别为分布式电源和电转气设备接入系统的节点，/>
和/>
分别为区域综合能源系统中电力系统节点集合和天然气系统节点集合；
步骤4.8：分布式燃气轮机接入区域综合能源系统，其接入节点需包含电力系统节点、天然气系统和热力系统，如下公式(18)；
其中，
为分布式燃气轮机接入系统的节点，/>
和/>
分别为区域综合能源系统中电力系统节点集合、天然气系统节点集合和热力系统节点集合；
步骤5：采用非支配排序遗传算法3算法对数学模型进行求解，求出不同的规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，其特征在于，步骤1中，所述区域综合能源系统包括电力系统、天然气系统和热力系统。
3.根据权利要求1所述的一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，其特征在于，步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、判断各电力系统节点电压有无越限，若越限，计算越限程度，越限程度即为电力系统节点电压与电压上限值的差值，记为ΔV；
步骤3.2、提取电压越限的电力系统节点，同时提取接有电转气设备的电力系统节点，使电转气设备与电压越限处相对应，得到如下公式(9)：
其中，ΔVj为电力系统节点j的电压幅值变化值，ΔPij为电力系统节点所接电转气设备需要增加的功率ΔPij，Sij -1表示节点i的电压对节点j的电压功率变化的灵敏度；
步骤3.3、设定电转气设备增加功率为其现有功率与额定功率差值，根据电转气设备需要增加的功率调度其他电转气设备同时接入电力系统和天然气系统，得到电转气设备调整方案，则所计算的综合能源系统中电转气设备运行功率为原电转气设备额定功率。
4.根据权利要求1所述的一种考虑供电可靠性的区域综合能源系统规划方法，其特征在于，在步骤5中，非支配排序遗传算法3是对非支配层个体采用基于参考点的指标替代拥挤度进行评价、排序，以维持种群多样性，具体包括：自适应归一化、设置理想点、利用理想点将转换目标值、计算极点、目标值归一化、设置超平面上参考点，并计算参考线、计算个体到各参考线的距离、对个体排序以及选择个体。
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