CN112886571B - 一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法及装置 - Google Patents

一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法及装置，从热力系统的运行管理部门获取热力系统模型参数；构建热力系统的运行约束方程及其抽象形式；采用单纯形近似法计算边界变量可行域；从电力系统的运行管理部门获取电力系统模型参数；在此基础上，构建并求解电力系统优化运行问题；最后，构建并求解热力系统优化运行问题。本发明充分保留了分解协调求解方法在处理大规模电热综合能源系统优化运行问题上的优势，同时，通过引入边界变量可行域的概念，有效避免了迭代求解的过程，进而使得本发明更加易于在实际工程当中应用。

Description

一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化 运行方法及装置
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，具体涉及一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法及装置。
背景技术
电能和热能是目前在工业领域中使用最为广泛的两种能源形式，随着热电联产、电制热等技术的逐步成熟及推广，两种能源形式之间的耦合愈加紧密、转化愈加频繁，传统的单一能源系统逐步发展成为电热综合能源系统。随着人类社会工业化水平不断地提高，电热综合能源系统的规模逐渐地扩大，同时，为了提高电热综合能源系统的运行效率，人们开始关注大规模电热综合能源系统的优化运行问题。
然而，相比于传统的小规模单一能源系统的优化运行问题，大规模电热综合能源系统优化运行问题中的决策变量和约束方程数目均显著增加，进而导致无法通过有限的计算资源进行集中式地求解。为此，人们转而研究其分解协调求解方法，即将大规模电热综合能源系统优化运行问题分解为若干个小规模的电力系统子问题和热力系统子问题，通过协调、整合求解各个子问题所获得的信息，实现原问题等价求解。
目前，使用最为广泛的分解协调求解方法包括Benders分解法、拉格朗日松弛法以及最优性条件分解法等。然而，上述方法在求解时存在着无可避免的迭代过程，而这一迭代过程的收敛性通常难以保证。另一方面，迭代过程意味着在实际工程应用时不同能源系统之间需要进行频繁的信息交互，这在现有的运行体制下是不易实现的。由此可见，现有方法不论从技术上还是体制上均存在着较大的局限性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法及装置。本发明不仅保留了分解协调求解方法在处理大规模电热综合能源系统优化运行问题上的优势，同时，通过引入边界变量可行域的概念，有效避免了迭代求解的过程，进而使得本发明更加易于在实际工程当中应用。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、从热力系统的运行管理部门获取热力系统模型参数，所述热力系统模型参数包括热电机组运行区间极点处的电出力、热出力、煤耗和煤耗线性化系数、水的比热容、一级热力管网的节点-管道连接关系、温度动态方程系数、传输延时、质量流量、最大和最小节点温度以及土壤温度、二级热力管网的最小等效热阻、最大和最小室内温度、建筑物围护结构的热容和热阻、室外环境温度预测曲线；
步骤2、构建热力系统的运行约束方程及其抽象形式，所述热力系统的运行约束方程，表达式为：
Figure BDA0002903278550000021
其中，
Figure BDA0002903278550000022
和
Figure BDA0002903278550000023
分别是热电机组i在时段t的电出力、热出力和煤耗；
Figure BDA0002903278550000031
是热电机组i在时段t的关于其运行区间的第k个极点的组合系数；Pi k、
Figure BDA0002903278550000032
和
Figure BDA0002903278550000033
分别是热电机组i的运行区间的第k个极点处的电出力、热出力和煤耗；
Figure BDA0002903278550000034
和
Figure BDA0002903278550000035
均是热电机组i的运行区间的第k个极点处的煤耗线性化系数；
Figure BDA0002903278550000036
是热电机组i的总煤耗；M是足够大的正数；cw是水的比热容；
Figure BDA0002903278550000037
和
Figure BDA0002903278550000038
分别是由热电机组i供应的热力管网的总流量以及在时段t的供、回水温度；
Figure BDA0002903278550000039
和
Figure BDA00029032785500000310
分别是热力管道l在时段t的进、出口温度；φl和
Figure BDA00029032785500000311
分别是热力管道l的传输延时和质量流量；
Figure BDA00029032785500000312
和
Figure BDA00029032785500000313
均是管网l的温度动态方程系数；Tsoil是土壤温度；
Figure BDA00029032785500000314
是节点q在时段t的混合后温度；
Figure BDA00029032785500000315
和
Figure BDA00029032785500000316
分别是节点q处的最大和最小温度；pj是连接至热负荷j的管道编号；
Figure BDA00029032785500000317
是二级热力管网j的最小等效热阻；
Figure BDA00029032785500000318
是热用户j在时段t的热功率；
Figure BDA00029032785500000319
是热用户j在时段t的室内温度；
Figure BDA00029032785500000320
和
Figure BDA00029032785500000321
分别是最大和最小室内温度；
Figure BDA00029032785500000322
和
Figure BDA00029032785500000323
分别是建筑物围护结构j的热容和热阻；Tt env是时段t的室外环境温度预测值；Δt是调度时段的长度；
根据所述热力系统的运行约束方程，所构建的其抽象形式的表达式如下：
Figure BDA00029032785500000324
其中，Yi是由热电机组i在所有时段的电出力以及热电机组i的总煤耗所组成的向量，即
Figure BDA00029032785500000325
Xi是由热电机组i所供应的热力系统中除热电机组i的电出力和总煤耗之外其他决策变量所构成的向量；Ai、Bi和bi均是由热电机组i所供应的热力系统的运行约束方程的系数矩阵或系数向量；
步骤3、采用单纯形近似法计算边界变量可行域，其包括：
步骤3-1、定义由热电机组i所供应的热力系统的边界变量可行域为：
Figure BDA00029032785500000326
步骤3-2、构造并采用商业求解器求解式(4)所示的优化问题，得到决策变量Yi的最优解，记为Y0，则Y0给出一个位于区域FRBVi内的初始点；
Figure BDA0002903278550000041
步骤3-3、从所述步骤3-2所述的初始点Y0出发，采用一维搜索法寻找位于FRBVi边界上的N+1个仿射独立的边界点，所述边界点构成的集合记为Θ，其中，N为向量Y0的维数；
步骤3-4、设置收敛阈值ε>0，迭代计数n＝1；
步骤3-5、构建集合Θ内边界点的凸包，如式(5)所示，
C(n)Yi≤d(n) (5)
其中，C(n)是第n次迭代中凸包数学表达式的系数矩阵；d(n)是第n次迭代中凸包数学表达式的系数向量；
步骤3-6、寻找同所述步骤3-5的凸包的最大内切球相切、且最大内切圆半径最大的表面，记为表面s；构建并采用商业求解器求解式(6)所示的优化问题，决策变量Ys和rs的最优解分别是凸包的最大内切球的球心和半径，记为Ys (n)和rs (n)；
Figure BDA0002903278550000042
构建并采用商业求解器求解式(7)所示的优化问题，决策变量Yc和rc的最优解分别是凸包的第j个表面的最大内切圆的圆心和半径
Figure BDA0002903278550000043
其中，
Figure BDA0002903278550000044
和
Figure BDA0002903278550000045
分别是矩阵C(n)的第j行和第k行；
Figure BDA0002903278550000046
和
Figure BDA0002903278550000047
分别是向量d(n)的第j个元素和第k个元素；sinφkj是凸包的第k个表面和第j个表面的外法向之间的夹角正弦；
步骤3-7、从所述步骤3-6的表面s的最大内切圆圆心出发，沿其外法向进行一维搜索，得到FRBVi边界上的一个新的边界点，记为点p；
步骤3-8、判断若n＞1并且rs (n)-rs (n-1)≤ε成立，则得到边界变量可行域FRBVi如式(8)所示；否则，将所述步骤3-7的点p添加至集合Θ，令n取n+1，并重复步骤3-5至步骤3-8；
FRBVi＝{Yi|C(n)Yi≤d(n)} (8)
步骤4、从电力系统的运行管理部门获取电力系统模型参数，所述电力系统模型参数包括常规火电机组的煤耗特性函数、常规火电机组和热电机组的最大爬坡速率、常规火电机组的最大和最小技术出力、电力母线和电力传输线路的连接关系、电力母线到电力传输线路的有功功率转移分布因子、电力传输线路的最大有功传输容量、电负荷预测曲线、风电有功出力极限预测曲线；
步骤5、构建并采用商业求解器求解电力系统优化运行问题，得到决策变量
Figure BDA0002903278550000051
的最优解并记为
Figure BDA0002903278550000052
所述电力系统优化运行问题表达式为：
Figure BDA0002903278550000053
其中，
Figure BDA0002903278550000054
是常规火电机组f在时段t的有功出力；
Figure BDA0002903278550000055
是常规火电机组f的煤耗特性函数；
Figure BDA0002903278550000056
是风电场w在时段t的有功出力；
Figure BDA0002903278550000057
是电负荷e在时段t的预测值；
Figure BDA0002903278550000058
和
Figure BDA0002903278550000059
分别是常规火电机组f的最大、最小技术出力；
Figure BDA00029032785500000510
是风电场w在时段t的有功出力极限预测值；
Figure BDA00029032785500000511
和
Figure BDA00029032785500000512
分别是常规火电机组f的最大上爬坡、下爬坡速率；
Figure BDA00029032785500000513
和
Figure BDA00029032785500000514
分别是热电机组i的最大上爬坡、下爬坡速率；SFuv是电力母线u到电力传输线路v的有功功率转移分布因子；Fv是电力传输线路v的最大有功传输容量；
步骤6、根据所述步骤5的最优解
Figure BDA0002903278550000061
构建并采用商业求解器求解热力系统优化运行问题，所述热力系统优化运行问题的表达式为
Figure BDA0002903278550000062
优选地，使用CPLEX求解器或GUROBI求解器中的一个或多个作为所述商业求解器进行求解。
优选地，所述步骤3-4中的收敛阈值ε＝10-3。
优选地，所述公式(1)中的M＝1000。
本发明的另一方面，提出一种用于实现上述一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法的基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行装置，该装置包括彼此连接的电力系统子模块和至少一个热力系统子模块；所述热力系统子模块包括热力系统模型参数获取模块、热力系统运行约束方程构建模块、边界变量可行域计算模块、热力系统优化运行问题构建及求解模块、热力系统数据发送及接收模块；所述电力系统子模块包括电力系统模型参数获取模块、电力系统优化运行问题构建及求解模块、电力系统数据发送及接收模块；
所述热力系统模型参数获取模块配置成：从热力系统的运行管理部门获取热力系统模型参数并发送至所述热力系统运行约束方程构建模块以及所述热力系统优化运行问题构建及求解模块；
所述热力系统运行约束方程构建模块配置成：构建热力系统的运行约束方程及其抽象形式，并发送至所述边界变量可行域计算模块；
所述边界变量可行域计算模块配置成：采用单纯形近似法计算边界变量可行域，并将边界变量可行域的计算结果发送至所述热力系统数据发送及接收模块；
所述电力系统模型参数获取模块配置成：从电力系统的运行管理部门获取电力系统模型参数，并发送至电力系统优化运行问题构建及求解模块；
所述电力系统优化运行问题构建及求解模块配置成：构建并采用商业求解器求解电力系统优化运行问题，得到热电机组的电出力的最优解，并发送至电力系统数据发送及接收模块；
所述热力系统数据发送及接收模块配置成：将所述边界变量可行域的计算结果发送至所述电力系统数据发送及接收模块；接受电力系统数据发送及接收模块所发送的热电机组的电出力的最优解，并发送至热力系统优化运行问题构建及求解模块；
所述电力系统数据发送及接收模块配置成：将所述热电机组的电出力的最优解发送至所述热力系统数据发送及接收模块；接收所述热力系统数据发送及接收模块所发送的边界变量可行域的计算结果，并发送至所述电力系统优化运行问题构建及求解模块；
所述热力系统优化运行问题构建及求解模块配置成：构建并采用商业求解器求解热力系统优化运行问题。
优选地，所述热力系统模型参数包括热电机组运行区间极点处的电出力、热出力、煤耗和煤耗线性化系数、水的比热容、一级热力管网的节点-管道连接关系、温度动态方程系数、传输延时、质量流量、最大和最小节点温度以及土壤温度、二级热力管网的最小等效热阻、最大和最小室内温度、建筑物围护结构的热容和热阻、室外环境温度预测曲线。
优选地，所述电力系统模型参数包括常规火电机组的煤耗特性函数、常规火电机组和热电机组的最大爬坡速率、常规火电机组的最大和最小技术出力、电力母线和电力传输线路的连接关系、电力母线到电力传输线路的有功功率转移分布因子、电力传输线路的最大有功传输容量、电负荷预测曲线、风电有功出力极限预测曲线。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法的流程示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提出的一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
1)从热力系统的运行管理部门获取热力系统模型参数。热力系统模型参数包括热电机组运行区间极点处的电出力、热出力、煤耗和煤耗线性化系数、水的比热容、一级热力管网的节点-管道连接关系、温度动态方程系数、传输延时、质量流量、最大和最小节点温度以及土壤温度、二级热力管网的最小等效热阻、最大和最小室内温度、建筑物围护结构的热容和热阻、室外环境温度预测曲线；
2)构建热力系统的运行约束方程及其抽象形式，包括如下步骤：
2-1)构建热力系统的运行约束方程，表达式如下：
Figure BDA0002903278550000091
其中，
Figure BDA0002903278550000092
和
Figure BDA0002903278550000093
分别是热电机组i在时段t的电出力、热出力和煤耗；
Figure BDA0002903278550000094
是热电机组i在时段t的关于其运行区间的第k个极点的组合系数；Pi k、Hi k和
Figure BDA0002903278550000095
分别是热电机组i的运行区间的第k个极点处的电出力、热出力和煤耗；
Figure BDA0002903278550000096
和
Figure BDA0002903278550000097
均是热电机组i的运行区间的第k个极点处的煤耗线性化系数；
Figure BDA0002903278550000098
是热电机组i的总煤耗；M是足够大的正数，在本实施例中优选M＝1000；cw是水的比热容；
Figure BDA0002903278550000099
和
Figure BDA00029032785500000910
分别是由热电机组i供应的热力管网的总流量以及在时段t的供、回水温度；
Figure BDA00029032785500000911
和
Figure BDA00029032785500000912
分别是热力管道l在时段t的进、出口温度；φl和
Figure BDA00029032785500000913
分别是热力管道l的传输延时和质量流量；
Figure BDA00029032785500000914
和
Figure BDA00029032785500000915
均是管网l的温度动态方程系数；Tsoil是土壤温度；
Figure BDA00029032785500000916
是节点q在时段t的混合后温度；
Figure BDA00029032785500000917
和
Figure BDA00029032785500000918
分别是节点q处的最大和最小温度；pj是连接至热负荷j的管道编号；
Figure BDA00029032785500000919
是二级热力管网j的最小等效热阻；
Figure BDA00029032785500000920
是热用户j在时段t的热功率；
Figure BDA00029032785500000921
是热用户j在时段t的室内温度；
Figure BDA00029032785500000922
和
Figure BDA00029032785500000923
分别是最大和最小室内温度；
Figure BDA00029032785500000924
和
Figure BDA00029032785500000925
分别是建筑物围护结构j的热容和热阻；Tt env是时段t的室外环境温度预测值；Δt是调度时段的长度。
式(1)依次给出了热电机组的运行区间约束、热电机组的煤耗特性约束、热电机组供应热力管网时的能量守衡方程、一级热力管道的温度动态方程、一级热力管网中节点处的能量守恒方程、供水和回水管网内温度的上限和下限约束、二级热力管网运行约束、建筑物围护结构中的热传导方程以及室内温度的上下限约束，以上约束方程均为线性约束方程。
2-2)根据如步骤2-1)的热力系统的运行约束方程，构建其抽象形式，表达式如下：
Figure BDA0002903278550000101
其中，Yi是由热电机组i在所有时段的电出力以及热电机组i的总煤耗所组成的向量，即
Figure BDA0002903278550000102
Xi是由热电机组i所供应的热力系统中除热电机组i的电出力和总煤耗之外其他决策变量所构成的向量；Ai、Bi和bi均是由热电机组i所供应的热力系统的运行约束方程的系数矩阵或系数向量；
3)采用单纯形近似法计算边界变量可行域，包括如下步骤：
3-1)定义由热电机组i所供应的热力系统的边界变量可行域为：
Figure BDA0002903278550000103
其中，FRBVi是由热电机组i所供应的热力系统的边界变量可行域；
3-2)构造并采用商业求解器求解如式(4)所示的优化问题，得到决策变量Yi的最优解，记为Y0，则Y0给出一个位于区域FRBVi内的初始点；
min 1
s.t.AiXi+BiYi≤bi (4)
3-3)从步骤3-2)的初始点Y0出发，采用一维搜索法寻找位于FRBVi边界上的N+1个仿射独立的边界点，边界点构成的集合记为Θ，其中N为向量Y0的维数；在本发明中一维搜索法为已有方法。
3-4)设置收敛阈值ε>0，迭代计数n＝1；在本发明的实施例中，优选ε＝10-3；
3-5)构建集合Θ内边界点的凸包，凸包的数学表达式如式(5)所示；本发明中凸包构建方法为已有方法；
C(n)Yi≤d(n) (5)
其中，C(n)是第n次迭代中凸包数学表达式的系数矩阵；d(n)是第n次迭代中凸包数学表达式的系数向量；
3-6)根据步骤3-5)所述的凸包，寻找同其最大内切球相切，且最大内切圆半径最大的表面，记为表面s；所述凸包的最大内切球以及某一表面的最大内切圆可以分别通过式(6)和式(7)进行求解；
构建并采用商业求解器求解如式(6)所示的优化问题，则决策变量Ys和rs的最优解分别是凸包的最大内切球的球心和半径，记为Ys (n)和rs (n)；
Figure BDA0002903278550000111
构建并采用商业求解器求解如式(7)所示的优化问题，则决策变量Yc和rc的最优解分别是凸包的第j个表面的最大内切圆的圆心和半径
Figure BDA0002903278550000112
其中，
Figure BDA0002903278550000113
和
Figure BDA0002903278550000114
分别是矩阵C(n)的第j行和第k行；
Figure BDA0002903278550000115
和
Figure BDA0002903278550000116
分别是向量d(n)的第j个元素和第k个元素；sinφkj是凸包的第k个表面和第j个表面的外法向之间的夹角正弦；
3-7)从步骤3-6)的表面s的最大内切圆圆心出发，沿其外法向进行一维搜索，得到FRBVi边界上的一个新的边界点，记为点p；本发明中的一维搜索法为已有方法；
3-8)判断若n＞1并且
Figure BDA0002903278550000117
成立，则得到边界变量可行域FRBVi如式(8)所示；否则，将如步骤3-7)所述的点p添加至集合Θ，令n取n+1，并重复步骤3-5)至3-8)；
FRBVi＝{Yi|C(n)Yi≤d(n)} (8)
4)从电力系统的运行管理部门获取电力系统模型参数，电力系统模型参数包括常规火电机组的煤耗特性函数、常规火电机组和热电机组的最大爬坡速率、常规火电机组的最大和最小技术出力、电力母线和电力传输线路的连接关系、电力母线到电力传输线路的有功功率转移分布因子、电力传输线路的最大有功传输容量、电负荷预测曲线、风电有功出力极限预测曲线；
5)构建并采用商业求解器求解电力系统优化运行问题，得到决策变量
Figure BDA0002903278550000121
的最优解并记为
Figure BDA0002903278550000122
电力系统优化运行问题表达式为：
Figure BDA0002903278550000123
其中，
Figure BDA0002903278550000124
是常规火电机组f在时段t的有功出力；
Figure BDA0002903278550000125
是常规火电机组f的煤耗特性函数；
Figure BDA0002903278550000126
是风电场w在时段t的有功出力；
Figure BDA0002903278550000127
是电负荷e在时段t的预测值；
Figure BDA0002903278550000128
和
Figure BDA0002903278550000129
分别是常规火电机组f的最大、最小技术出力；
Figure BDA00029032785500001210
是风电场w在时段t的有功出力极限预测值；
Figure BDA00029032785500001211
和
Figure BDA00029032785500001212
分别是常规火电机组f的最大上爬坡、下爬坡速率；
Figure BDA00029032785500001213
和
Figure BDA00029032785500001214
分别是热电机组i的最大上爬坡、下爬坡速率；SFuv是电力母线u到电力传输线路v的有功功率转移分布因子；Fv是电力传输线路v的最大有功传输容量；
式(9)中电力系统优化运行问题的目标函数为最小化电力系统的运行总煤耗，包括常规火电机组的煤耗以及热电机组的煤耗；式(9)进一步给出了电力系统优化运行问题的约束条件，包括：电力系统能量平衡约束、机组有功出力上下限约束、机组爬坡速率约束、线路有功传输容量约束以及边界变量可行域的相关约束；
6)根据如步骤5)最优解
Figure BDA0002903278550000131
构建并采用商业求解器求解热力系统优化运行问题；热力系统优化运行问题的表达式如式(10)所示。
Figure BDA0002903278550000132
式(10)所示的热力系统优化运行问题中，优化的目标函数是最小化热力系统的运行总煤耗，约束条件包括：热电机组跟踪最优电出力计划的相关约束、热电机组的运行区间约束、热电机组的煤耗特性约束、热电机组供应热力管网时的能量守衡方程、一级热力管道的温度动态方程、一级热力管网中节点处的能量守恒方程、供水和回水管网内温度的上限和下限约束、二级热力管网运行约束、建筑物围护结构中的热传导方程以及室内温度的上下限约束；
在本发明的步骤1)至步骤6)中，商业求解器优选采用CPLEX求解器或GUROBI求解器中的一个或多个。CPLEX求解器或GUROBI求解器可以高效地处理线性规划、二次规划、混合整数线性规划、二阶锥规划等多种优化类型。
图2为根据本发明实施例提出的一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括彼此连接的一个电力系统子模块和至少一个热力系统子模块；此处应当理解的是，本发明并不对上述热力系统子模块的数量作任何特殊的限定。
电力系统子模块中包括：电力系统模型参数获取模块、电力系统优化运行问题构建及求解模块、电力系统数据发送及接收模块。
每个热力系统子模块中均包括：热力系统模型参数获取模块、热力系统运行约束方程构建模块、边界变量可行域计算模块、热力系统优化运行问题构建及求解模块、热力系统数据发送及接收模块。
热力系统模型参数获取模块配置成：从热力系统的运行管理部门获取热力系统模型参数并发送至热力系统运行约束方程构建模块以及热力系统优化运行问题构建及求解模块。热力系统模型参数包括热电机组运行区间极点处的电出力、热出力、煤耗和煤耗线性化系数、水的比热容、一级热力管网的节点-管道连接关系、温度动态方程系数、传输延时、质量流量、最大和最小节点温度以及土壤温度、二级热力管网的最小等效热阻、最大和最小室内温度、建筑物围护结构的热容和热阻、室外环境温度预测曲线。
热力系统运行约束方程构建模块配置成：构建热力系统的运行约束方程及其抽象形式，并发送至边界变量可行域计算模块；
边界变量可行域计算模块配置成：采用单纯形近似法计算边界变量可行域，并将边界变量可行域的计算结果发送至热力系统数据发送及接收模块；
热力系统数据发送及接收模块配置成：将边界变量可行域的计算结果发送至电力系统数据发送及接收模块；
电力系统数据发送及接收模块配置成：接收热力系统数据发送及接收模块所发送的边界变量可行域的计算结果，并发送至电力系统优化运行问题构建及求解模块；
电力系统模型参数获取模块配置成：从电力系统的运行管理部门获取电力系统模型参数，并发送至电力系统优化运行问题构建及求解模块；电力系统模型参数包括常规火电机组的煤耗特性函数、常规火电机组和热电机组的最大爬坡速率、常规火电机组的最大和最小技术出力、电力母线和电力传输线路的连接关系、电力母线到电力传输线路的有功功率转移分布因子、电力传输线路的最大有功传输容量、电负荷预测曲线、风电有功出力极限预测曲线；
电力系统优化运行问题构建及求解模块配置成：构建并采用商业求解器求解电力系统优化运行问题，得到热电机组的电出力
Figure BDA0002903278550000151
的最优解，并发送至电力系统数据发送及接收模块；商业求解器主要采用CPLEX求解器或GUROBI求解器中的一个或多个；
电力系统数据发送及接收模块还配置成：将热电机组的电出力的最优解发送至热力系统数据发送及接收模块；
热力系统数据发送及接收模块还配置成：接受电力系统数据发送及接收模块所发送的热电机组的电出力的最优解，并发送至热力系统优化运行问题构建及求解模块；
热力系统优化运行问题构建及求解模块配置成：构建并采用商业求解器求解热力系统优化运行问题；商业求解器主要采用CPLEX求解器或GUROBI求解器中的一个或多个。
可以看到，本发明将电热综合能源系统的优化运行问题分解为电力系统的优化运行问题和热力系统的优化运行问题，不仅保留了分解协调求解方法在处理大规模电热综合能源系统优化运行问题上的优势，同时，通过引入边界变量可行域的概念，有效避免了迭代求解的过程。此时，电力系统子模块和热力系统子模块之间仅需要单次的信息传输，这使得本发明更加易于在实际工程当中应用。
上述施例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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、获取热力系统模型参数，所述热力系统模型参数包括热电机组运行区间极点处的电出力、热出力、煤耗和煤耗线性化系数、水的比热容、一级热力管网的节点-管道连接关系、温度动态方程系数、传输延时、质量流量、最大和最小节点温度以及土壤温度、二级热力管网的最小等效热阻、最大和最小室内温度、建筑物围护结构的热容和热阻、室外环境温度预测曲线；
步骤2、构建热力系统的运行约束方程及其抽象形式，所述热力系统的运行约束方程，表达式为：
Figure FDA0002903278540000011
其中，
Figure FDA0002903278540000012
和
Figure FDA0002903278540000013
分别是热电机组i在时段t的电出力、热出力和煤耗；
Figure FDA0002903278540000014
是热电机组i在时段t的关于其运行区间的第k个极点的组合系数；Pi k、
Figure FDA0002903278540000015
和
Figure FDA0002903278540000016
分别是热电机组i的运行区间的第k个极点处的电出力、热出力和煤耗；
Figure FDA0002903278540000017
和
Figure FDA0002903278540000018
均是热电机组i的运行区间的第k个极点处的煤耗线性化系数；
Figure FDA0002903278540000019
是热电机组i的总煤耗；M是足够大的正数；cw是水的比热容；
Figure FDA0002903278540000021
和
Figure FDA0002903278540000022
分别是由热电机组i供应的热力管网的总流量以及在时段t的供、回水温度；
Figure FDA0002903278540000023
和
Figure FDA0002903278540000024
分别是热力管道l在时段t的进、出口温度；φl和
Figure FDA0002903278540000025
分别是热力管道l的传输延时和质量流量；
Figure FDA0002903278540000026
和
Figure FDA0002903278540000027
均是管网l的温度动态方程系数；Tsoil是土壤温度；
Figure FDA0002903278540000028
是节点q在时段t的混合后温度；
Figure FDA0002903278540000029
和
Figure FDA00029032785400000210
分别是节点q处的最大和最小温度；pj是连接至热负荷j的管道编号；
Figure FDA00029032785400000211
是二级热力管网j的最小等效热阻；
Figure FDA00029032785400000212
是热用户j在时段t的热功率；
Figure FDA00029032785400000213
是热用户j在时段t的室内温度；
Figure FDA00029032785400000214
和
Figure FDA00029032785400000215
分别是最大和最小室内温度；
Figure FDA00029032785400000216
和
Figure FDA00029032785400000217
分别是建筑物围护结构j的热容和热阻；Tt env是时段t的室外环境温度预测值；Δt是调度时段的长度；
根据所述热力系统的运行约束方程，所构建的其抽象形式的表达式如下：
Figure FDA00029032785400000218
其中，Yi是由热电机组i在所有时段的电出力以及热电机组i的总煤耗所组成的向量，即
Figure FDA00029032785400000219
Xi是由热电机组i所供应的热力系统中除热电机组i的电出力和总煤耗之外其他决策变量所构成的向量；Ai、Bi和bi均是由热电机组i所供应的热力系统的运行约束方程的系数矩阵或系数向量；
步骤3、采用单纯形近似法计算边界变量可行域，其包括：
步骤3-1、定义由热电机组i所供应的热力系统的边界变量可行域为：
Figure FDA00029032785400000220
步骤3-2、构造并采用商业求解器求解式(4)所示的优化问题，得到决策变量Yi的最优解，记为Y0，则Y0给出一个位于区域FRBVi内的初始点；
Figure FDA00029032785400000221
步骤3-3、从所述步骤3-2所述的初始点Y0出发，采用一维搜索法寻找位于FRBVi边界上的N+1个仿射独立的边界点，所述边界点构成的集合记为Θ，其中，N为向量Y0的维数；
步骤3-4、设置收敛阈值ε>0，迭代计数n＝1；
步骤3-5、构建集合Θ内边界点的凸包，如式(5)所示，
C(n)Yi≤d(n) (5)
其中，C(n)是第n次迭代中凸包数学表达式的系数矩阵；d(n)是第n次迭代中凸包数学表达式的系数向量；
步骤3-6、寻找同所述步骤3-5的凸包的最大内切球相切、且最大内切圆半径最大的表面，记为表面s；构建并采用商业求解器求解式(6)所示的优化问题，决策变量Ys和rs的最优解分别是凸包的最大内切球的球心和半径，记为Ys (n)和rs (n)；
Figure FDA0002903278540000031
构建并采用商业求解器求解式(7)所示的优化问题，决策变量Yc和rc的最优解分别是凸包的第j个表面的最大内切圆的圆心和半径
Figure FDA0002903278540000032
其中，
Figure FDA0002903278540000033
和
Figure FDA0002903278540000034
分别是矩阵C(n)的第j行和第k行；
Figure FDA0002903278540000035
和
Figure FDA0002903278540000036
分别是向量d(n)的第j个元素和第k个元素；sinφkj是凸包的第k个表面和第j个表面的外法向之间的夹角正弦；
步骤3-7、从所述步骤3-6的表面s的最大内切圆圆心出发，沿其外法向进行一维搜索，得到FRBVi边界上的一个新的边界点，记为点p；
步骤3-8、判断若n＞1并且
Figure FDA0002903278540000037
成立，则得到边界变量可行域FRBVi如式(8)所示；否则，将所述步骤3-7的点p添加至集合Θ，令n取n+1，并重复步骤3-5至步骤3-8；
FRBVi＝{Yi|C(n)Yi≤d(n)} (8)
步骤4、获取电力系统模型参数，所述电力系统模型参数包括常规火电机组的煤耗特性函数、常规火电机组和热电机组的最大爬坡速率、常规火电机组的最大和最小技术出力、电力母线和电力传输线路的连接关系、电力母线到电力传输线路的有功功率转移分布因子、电力传输线路的最大有功传输容量、电负荷预测曲线、风电有功出力极限预测曲线；
步骤5、构建并采用商业求解器求解电力系统优化运行问题，得到决策变量
Figure FDA0002903278540000041
的最优解并记为
Figure FDA0002903278540000042
所述电力系统优化运行问题表达式为：
Figure FDA0002903278540000043
其中，
Figure FDA0002903278540000044
是常规火电机组f在时段t的有功出力；
Figure FDA0002903278540000045
是常规火电机组f的煤耗特性函数；
Figure FDA0002903278540000046
是风电场w在时段t的有功出力；
Figure FDA0002903278540000047
是电负荷e在时段t的预测值；
Figure FDA0002903278540000048
和
Figure FDA0002903278540000049
分别是常规火电机组f的最大、最小技术出力；
Figure FDA00029032785400000410
是风电场w在时段t的有功出力极限预测值；
Figure FDA00029032785400000411
和
Figure FDA00029032785400000412
分别是常规火电机组f的最大上爬坡、下爬坡速率；
Figure FDA00029032785400000413
和
Figure FDA00029032785400000414
分别是热电机组i的最大上爬坡、下爬坡速率；SFuv是电力母线u到电力传输线路v的有功功率转移分布因子；Fv是电力传输线路v的最大有功传输容量；
步骤6、根据所述步骤5的最优解
Figure FDA0002903278540000051
构建并采用商业求解器求解热力系统优化运行问题，所述热力系统优化运行问题的表达式为
Figure FDA0002903278540000052
2.根据权利要求1所述的一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法，其特征在于：使用CPLEX求解器或GUROBI求解器中的一个或多个作为所述商业求解器进行求解。
3.根据权利要求1所述的一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法，其特征在于：所述步骤3-4中的收敛阈值ε＝10-3。
4.根据权利要求1所述的一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法，其特征在于：所述公式(1)中的M＝1000。
5.一种用于实现权利要求1-4任一项所述的一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法的基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行装置，其特征在于，该装置包括彼此连接的电力系统子模块和至少一个热力系统子模块；所述热力系统子模块包括热力系统模型参数获取模块、热力系统运行约束方程构建模块、边界变量可行域计算模块、热力系统优化运行问题构建及求解模块、热力系统数据发送及接收模块；所述电力系统子模块包括电力系统模型参数获取模块、电力系统优化运行问题构建及求解模块、电力系统数据发送及接收模块；
所述热力系统模型参数获取模块配置成：从热力系统的运行管理部门获取热力系统模型参数并发送至所述热力系统运行约束方程构建模块以及所述热力系统优化运行问题构建及求解模块；
所述热力系统运行约束方程构建模块配置成：构建热力系统的运行约束方程及其抽象形式，并发送至所述边界变量可行域计算模块；
所述边界变量可行域计算模块配置成：采用单纯形近似法计算边界变量可行域，并将边界变量可行域的计算结果发送至所述热力系统数据发送及接收模块；
所述电力系统模型参数获取模块配置成：从电力系统的运行管理部门获取电力系统模型参数，并发送至电力系统优化运行问题构建及求解模块；
所述电力系统优化运行问题构建及求解模块配置成：构建并采用商业求解器求解电力系统优化运行问题，得到热电机组的电出力的最优解，并发送至电力系统数据发送及接收模块；
所述热力系统数据发送及接收模块配置成：将所述边界变量可行域的计算结果发送至所述电力系统数据发送及接收模块；接受电力系统数据发送及接收模块所发送的热电机组的电出力的最优解，并发送至热力系统优化运行问题构建及求解模块；
所述电力系统数据发送及接收模块配置成：将所述热电机组的电出力的最优解发送至所述热力系统数据发送及接收模块；接收所述热力系统数据发送及接收模块所发送的边界变量可行域的计算结果，并发送至所述电力系统优化运行问题构建及求解模块；
所述热力系统优化运行问题构建及求解模块配置成：构建并采用商业求解器求解热力系统优化运行问题。
6.根据权利要求5所述的一种用于实现权利要求1-4任一项所述的一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法的基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行装置，其特征在于，所述热力系统模型参数包括热电机组运行区间极点处的电出力、热出力、煤耗和煤耗线性化系数、水的比热容、一级热力管网的节点-管道连接关系、温度动态方程系数、传输延时、质量流量、最大和最小节点温度以及土壤温度、二级热力管网的最小等效热阻、最大和最小室内温度、建筑物围护结构的热容和热阻、室外环境温度预测曲线。
7.根据权利要求5所述的一种用于实现权利要求1-4任一项所述的一种基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行方法的基于边界变量可行域的电热综合能源系统分解协调优化运行装置，其特征在于，所述电力系统模型参数包括常规火电机组的煤耗特性函数、常规火电机组和热电机组的最大爬坡速率、常规火电机组的最大和最小技术出力、电力母线和电力传输线路的连接关系、电力母线到电力传输线路的有功功率转移分布因子、电力传输线路的最大有功传输容量、电负荷预测曲线、风电有功出力极限预测曲线。
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