CN113128737A - 一种考虑配电网规划的区域能源系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于分布式能源优化运行技术领域，具体公开了一种考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，该方法包括获取在考虑下行最优功率解约束下对以规划总成本最小为目标的第一目标函进行最优解计算得到的最优网架结构；基于所述最优网架结构获取在至少包括各种能量贡献平衡约束下对以区域能源系统内能源利用效率和新能源消纳率最大为目标的第二目标函数进行优化得到的最优功率解，并将所述最优功率解传递至所述第一目标函数中参与规划求解。本申请通过在配电网规划中考虑RIES的优化运行，将配电网规划和RIES优化运行进行交互优化，从而有效解决了优化过程中产生预测误差，且预测误差随着时间尺度的增加而增大的问题。

Description

一种考虑配电网规划的区域能源系统优化方法

技术领域

本申请属于分布式能源优化运行技术领域，具体涉及一种考虑配电网规划的区域能源系统优化方法。

背景技术

当前优化调度方法大多为开环优化调度方法，即于某一时间断面或多时间段进行优化调度控制，仍属于静态优化。而净负荷预测难免存在一定的误差，且预测误差随着时间尺度的增加而增大。

发明内容

本申请提供了一种考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，用于解决现有区域能源系统优化调度方法存在一定的误差，且预测误差随着时间尺度的增加而增大的问题。

本申请提供的一种考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，包括获取在考虑下行最优功率解约束下对以规划总成本最小为目标的第一目标函进行最优解计算得到的最优网架结构；基于所述最优网架结构获取在至少包括各种能量贡献平衡约束下对以区域能源系统内能源利用效率和新能源消纳率最大为目标的第二目标函数进行优化得到的最优功率解，并将所述最优功率解传递至所述第一目标函数中参与规划求解。

本申请相比于现有技术的有益效果为：本申请通过在配电网规划中考虑RIES的优化运行，将配电网规划和RIES优化运行进行交互优化，从而有效解决了优化过程中产生预测误差，且预测误差随着时间尺度的增加而增大的问题。

附图说明

图1示出了本申请提供的考虑配电网规划的区域能源系统优化方法的一实施例的流程图。

图2示出了图1所示示例中步骤S101的一实施例的流程图。

图3示出了图1所示示例中步骤S102的一实施例的流程图。

具体实施方式

本申请发明人经研究发现：区域性综合能源系统，是位于能源的负荷侧，通过能源转换装置和信息通讯装置集合电、气、热及交通等不同网络，以满足用户的多种用能需求，并可促进新能源就地消纳的综合能源系统。其中，区域性综合能源系统的优化目前的做法都是内部优化，而区域性综合能源系统是会考虑上层激励因素来指定优化策略的，因此如果将区域性综合能源系统的内部优化与上层电网规划进行交互优化，则可以进一步实现从能源从上到下，从外到内的系统优化。

技术术语解释：

RIES，英文全称Regional Integrated Energy System，中文翻译为：区域性综合能源系统，本申请文中，也简称区域能源系统。

请参见图1，示出了一种考虑配电网规划的区域能源系统优化方法的一实施例的流程图。

如图1所示，该考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，包括以下步骤：

S101，获取在配电网和天然气管道安全运行约束下对以规划总成本最小为目标的第一目标函进行最优解计算得到的最优网架结构和最优分时电价；

S102，基于所述最优网架结构获取在至少包括各种能量贡献平衡约束下对以区域能源系统内能源利用效率和新能源消纳率最大为目标的第二目标函数进行优化得到的最优功率解，并将所述最优功率解传递至所述第一目标函数中参与规划求解。

本实施例提供的方法，通过考虑配电网规划建立以规划总成本最小为目标函数来获取最优网架结构和最优分时电价作为激励，来对配电网下的各区域性综合能源系统的运行进行优化，来获取最优功率解，实现了利用该最优功率解来优化区域性综合能源系统以及将该最优功率解传递至配电网中进行嵌套优化的效果。

在一示例性实施方式中，具体的，见图2，上述步骤S101可以包括以下步骤：

S201,获取以规划总成本最小为目标的第一目标函数，上述第一目标函数包括：

minf₁＝C_I+C_p+C_M+C_F+C_IM-C_E，

其中，f₁为规划总成本的等年值，C_I为折算到每年的新建线路投资成本，C_P为年网损成本，C_M为年维护成本，C_F为年故障成本，C_IM为配电网的年购电成本，C_E为促进配电网内新能源发电后减少的年环保成本。

其中，上述C_I为折算到每年的新建线路投资成本，包括：

上述约束中，N_nb为待新建线路数，x_i为0-1变量，x_i＝0表示第i条待新建线路未被选中，x_i＝1表示第i条待新建线路被选中，c_I,i为第i条新建线路的单位长度费用，l_i为第i条新建线路的长度，r为折现率，T为设备的寿命周期。

其中，上述年网损成本，包括：

上述约束中，c_P为单位网损成本系数，N_s为场景数；T_s为第s场景的天数，N_t为一天的总时段数；T_t为每一时段的间隔时间，P_loss,s,t为配电网的有功损耗。

其中，上述年维护成本和年故障成本，包括：

C_M＝λ_MC_I，

上述约束中，λ_M为设备维护成本系数；c_F为单位故障停电成本系数，E_ENS,s,t为配电网的供电不足期望值，N_b为配电网总支路数；λj为第j条线路的故障率；N_n为配电网总负荷节点数；PT,s,t,i为第j条线路故障引起第i个负荷节点的供电不足功率。

其中，上述配电网的年购电成本，包括：

上述约束中，c_IM为配电网购电的电价；N_n0为配电网内普通电负荷节点数；P_e,s,t,i为第i个普通电负荷节点的所需电量值；N_RIES为配电网内RIES节点数，

为第j个RIES节点的所需电量值。

其中，上述促进配电网内新能源发电后减少的年环保成本，包括：

上述约束中，N_p为污染物的种类，C_D,p、C_v,p分别为第p种污染物的排放费用和环境价值；B_p为燃煤发电产生第p种污染物的排放强度，

为第i个RIES节点中PV、WT的实际发电功率。

S202,获取所述第一目标函数的第一约束，所述第一约束包括配电网和天然气管道安全运行约束。

其中，该配电网和天然气管道安全运行约束，可以具体包括规划后的所有节点功率平衡约束、节点电压限制约束和支路容量限制约束。

具体的，上述规划后的所有节点功率平衡约束，包括：

其中，P_e,s,t,i、Q_e,s,t,i分别为节点i注入的有功功率和无功功率；U_e,s,t,i为节点i的电压幅值，U_e,s,t,j为节点j的电压幅值；G_ij为节点i和j间的电导，B_ij为节点i和j间的电纳，θ_ij为节点i和j间的电压相角差。

具体的，上述节点电压限制约束，括：

其中，

为节点i电压幅值的上限值，

为节点i电压幅值的下限值。

具体的，上述支路容量限制约束，包括：

S_e,s,t,ij为支路ij的容量(除原始网络的支路外也含由变量x取值选中的新建支路)，

为支路ij的传输容量极值。

此外，在一示例性实施方式中，上述第一约束还可以包括

考虑到RIES优化运行时存在向天然气管网设定天然气管网稳态安全运行约束，以保证每种场景每一时段内天然气管网的安全运行。因此，上述第一约束还可以包括节点流量平衡、节点气压限制和管道流量限制。

具体的，上述节点流量平衡、节点气压限制和管道流量限制，包括：

P_{g，s，t，ij}＝H_GVF_{g，s，t，ij}，

上述约束中F_1,g,s,t,i为节点i注入管网的流量；j、k分别为节点i的上游节点和下游节点；F_g,s,t,j、F_g,s,t,k为节点j、k的流量；F_2,g,s,t,i为节点i的天然气负荷；F_g,s,t,ij为管道ij的流量；γ_s,t,ij为符号变量，代表气流的流向；K_ij为管道的传输系数；U_g,s,t,i为节点i的气压幅值；U_g,s,t,j为节点j的气压幅值；

为节点i气压幅值的上限值、

为节点i气压幅值的下限值；

为管道ij的传输流量极值；P_g,s,t,ij为管道ij的天然气功率；H_GV为天然气的热值。

S203，基于上述第一约束对所述第一目标函数进行计算求解，获取得到配电网中的最优网架结构。

在一些示例性实施方式中，具体的，见图3，上述步骤S102可以包括以下步骤：

S301，获取以区域能源系统内能源利用效率和新能源消纳率最大为目标的第二目标函数。

其中，上述第二目标函数包括：

式中：f₂为RIES内部的能源利用效率和新能源消纳率之和，L_e,s,t为RIES内部电负荷，L_h,s,t为RIES内部热负荷，L_c,s,t为RIES内部冷负荷；

为RIES内部PV的理想出力值，

为RIES内部WT的理想出力值。

S302，获取对所述第二目标函数的第二约束，上述第二约束至少包括能量贡献平衡约束。

其中，上述能量贡献平衡约束，包括以下几种约束：

第一种：每种场景每一时段，RIES内部电、热、冷功率应保持供需平衡，具体可以包括：

第二种：每种场景每一时段，RIES内部能源生产和能源转换设备的出力约束，具体可以包括：

上述约束中，P^PV，max、P^PV,min为PV出力的上、下限值，P^WT,max P^WT,min分别为WT出力的上、下限值；P^P2G,max、P^P2G,min为P2G转气功率的上、下限值；P_e ^CHP,maxe、P_e ^CHP,mine为CHP产电功率的上、下限值；P_h ^CHP,max、P_h ^CHP,mine为CHP产热功率的上、下限值；P^GB,max、P^GB,min为GB产热功率的上、下限值；P^ER,max、P^ER,min为ER制冷功率的上、下限值，P^AR,max、P^AR,min为AR制冷功率的上、下限值。

第三种，每种场景每一时段，RIES内部EV充放电功率和EV电池容量约束，具体可以包括：

上述约束中，ρ_s,t为EV的停驶率；N_EV为RIES内部的EV数量；p_e ^EV,d、p_e ^EV,c为单辆EV的额定放电和充电功率，S_e,s,t、S_e,s,t-1为第t和t-1时段所有EV电池的储电状态，η^EV,c，η^EV,d为单辆EV充放电的效率；C^EV为单辆EV电池的最大容量；S_e ^max、S_e ^min为EV电池储电状态的上、下限值。

第四种，每种场景每一时段，RIES内部GS充放气功率和GS容量约束，具体可以包括：

上述约束中，p_g ^GS,d,max、p_g ^GS,d,min为GS放气和充气功率的上、下限值；S_g,s,t、S_g,s,t–1为第t和t-1时段GS的储气状态；η^GS,c、η^GS,d为GS充放气的效率，C^GS为GS的最大容量；S_g ^max、S_g ^min为GS储气状态的上、下限值。

第五种，假设RIES内部用户参与了激励型电力需求响应项目(分时电价)，会根据不同时段的电价调整用电量。设定每种场景每一时段电负荷转移量的约束和全时段内电负荷转移总量平衡约束，具体可以包括：

上述约束中：

为电负荷转移出响应系数的上、下限值，

为电负荷转移出的功率；

为电负荷转移进响应系数的上、下限值，

为电负荷转移进的功率；

为原始电负荷值。

第五种：欲使RIES可按照能源利用效率和新能源消纳率最大为目标进行优化运行，应在经济上保证优化运行后购能总成本的减少，具体包括：

上述约束中，c_e,s,t为RIES的购电分时电价，c_g为RIES的购气价格；

为RIES不响应运行策略时购电量和购气量。

S303，基于所述第二约束和所述最优网架结构对所述第二目标函数进行优化得到的最优功率解，并将所述最优功率解传递至所述第一目标函数中参与规划求解。

Claims (8)

1.一种考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，其特征在于，包括：

获取在考虑下行最优功率解约束下对以规划总成本最小为目标的第一目标函进行最优解计算得到的最优网架结构；

基于所述最优网架结构获取在至少包括各种能量贡献平衡约束下对以区域能源系统内能源利用效率和新能源消纳率最大为目标的第二目标函数进行优化得到的最优功率解，并将所述最优功率解传递至所述第一目标函数中参与规划求解。

2.根据权利要求1所述的考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，其特征在于，所述获取在考虑下行最优功率解约束下对以规划总成本最小为目标的第一目标函进行最优解计算得到的最优网架结构，包括：

获取以规划总成本最小为目标的第一目标函数，上述第一目标函数包括：

min f₁＝C_I+C_p+C_M+C_F+C_IM-C_E，

其中，f₁为规划总成本的等年值，C_I为折算到每年的新建线路投资成本，C_P为年网损成本，C_M为年维护成本，C_F为年故障成本，C_IM为配电网的年购电成本，C_E为促进配电网内新能源发电后减少的年环保成本；

获取所述第一目标函数的第一约束，所述第一约束包括配电网和天然气管道安全运行约束；

基于上述第一约束对所述第一目标函数进行计算求解，获取得到配电网中的最优网架结构。

3.根据权利要求1所述的考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，其特征在于，获取所述第一目标函数的第一约束，所述第一约束包括配电网和天然气管道安全运行约束，包括：

获取配电网和天然气管道安全运行约束，该配电网和天然气管道安全运行约束包括规划后的所有节点功率平衡约束、节点电压限制约束和支路容量限制约束中的至少一种约束。

4.根据权利要求3所述的考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，其特征在于，该获取配电网和天然气管道安全运行约束，该配电网和天然气管道安全运行约束包括规划后的所有节点功率平衡约束、节点电压限制约束和支路容量限制约束中的至少一种约束，包括：

获取规划后的所有节点功率平衡约束，包括：

其中，P_e,s,t,i、Q_e,s,t,i分别为节点i注入的有功功率和无功功率；U_e,s,t,i为节点i的电压幅值，U_e,s,t,j为节点j的电压幅值；G_ij为节点i和j间的电导，B_ij为节点i和j间的电纳，θ_ij为节点i和j间的电压相角差；

获取节点电压限制约束，包括：

其中，

为节点i电压幅值的上限值，

为节点i电压幅值的下限值；

获取支路容量限制约束，包括：

S_e,s,t,ij为支路ij的容量(除原始网络的支路外也含由变量x取值选中的新建支路)，

为支路ij的传输容量极值。

5.根据权利要求3所述的考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，其特征在于，获取所述第一目标函数的第一约束，所述第一约束包括配电网和天然气管道安全运行约束，还包括：

获取包括节点流量平衡、节点气压限制和管道流量限制终的至少一种约束。

6.根据权利要求5所述的考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，其特征在于，获取所述第一目标函数的第一约束，所述第一约束包括配电网和天然气管道安全运行约束，还包括：

获取包括节点流量平衡、节点气压限制和管道流量限制终的至少一种约束，包括：

获取上述节点流量平衡，包括：

上述约束中F_1,g,s,t,i为节点i注入管网的流量；j、k分别为节点i的上游节点和下游节点；F_g,s,t,j、F_g,s,t,k为节点j、k的流量；F_2,g,s,t,i为节点i的天然气负荷；F_g,s,t,ij为管道ij的流量；γ_s,t,ij为符号变量，代表气流的流向；K_ij为管道的传输系数；

获取节点气压限制，包括：

上述约束中，U_g,s,t,i为节点i的气压幅值；U_g,s,t,j为节点j的气压幅值；

为节点i气压幅值的上限值、

为节点i气压幅值的下限值；

获取管道流量限制，包括：

P_{g，s，t，ij}＝H_GVF_{g，s，t，ij}，

上述约束中，

为管道ij的传输流量极值；P_g,s,t,ij为管道ij的天然气功率；H_GV为天然气的热值。

7.根据权利要求1所述的考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，其特征在于，基于所述最优网架结构获取在至少包括各种能量贡献平衡约束下对以区域能源系统内能源利用效率和新能源消纳率最大为目标的第二目标函数进行优化得到的最优功率解，并将所述最优功率解传递至所述第一目标函数中参与规划求解，包括：

获取以区域能源系统内能源利用效率和新能源消纳率最大为目标的第二目标函数，该第二目标函数包括：

式中：f₂为RIES内部的能源利用效率和新能源消纳率之和，L_e,s,t为RIES内部电负荷，L_h,s,t为RIES内部热负荷，L_c,s,t为RIES内部冷负荷；

为RIES内部PV的理想出力值，

为RIES内部WT的理想出力值；

获取对所述第二目标函数的第二约束，上述第二约束至少包括能量贡献平衡约束；

基于所述第二约束和所述最优网架结构对所述第二目标函数进行优化得到的最优功率解，并将所述最优功率解传递至所述第一目标函数中参与规划求解。

8.根据权利要求7所述的考虑配电网规划的区域能源系统优化方法，其特征在于，获取对所述第二目标函数的第二约束，上述第二约束至少包括能量贡献平衡约束，包括：

获取每种场景每一时段，RIES内部电、热、冷功率应保持供需平衡约束，包括：

获取每种场景每一时段，RIES内部能源生产和能源转换设备的出力约束，包括：

上述约束中，P^PV，max、P^PV,min为PV出力的上、下限值，P^WT,max P^WT,min分别为WT出力的上、下限值；P^P2G,max、P^P2G,min为P2G转气功率的上、下限值；P_e ^CHP,maxe、P_e ^CHP,mine为CHP产电功率的上、下限值；

为CHP产热功率的上、下限值；P^GB,max、P^GB,min为GB产热功率的上、下限值；P^ER,max、P^ER,min为ER制冷功率的上、下限值，P^AR,max、P^AR,min为AR制冷功率的上、下限值。

获取每种场景每一时段，RIES内部EV充放电功率和EV电池容量约束，包括：

上述约束中，ρ_s,t为EV的停驶率；N_EV为RIES内部的EV数量；p_e ^EV,d、p_e ^EV,c为单辆EV的额定放电和充电功率，S_e,s,t、S_e,s,t-1为第t和t-1时段所有EV电池的储电状态，η^EV,c，η^EV,d为单辆EV充放电的效率；C^EV为单辆EV电池的最大容量；S_e ^max、S_e ^min为EV电池储电状态的上、下限值。

获取每种场景每一时段，RIES内部GS充放气功率和GS容量约束，包括：

上述约束中，p_g ^GS,d,max、p_g ^GS,d,min为GS放气和充气功率的上、下限值；Sg,s,t、Sg,s,t–1为第t和t-1时段GS的储气状态；η^GS,c、η^GS,d为GS充放气的效率，C^GS为GS的最大容量；S_g ^max、S_g ^min为GS储气状态的上、下限值。

获取设定每种场景每一时段电负荷转移量的约束和全时段内电负荷转移总量平衡约束，包括：

上述约束中：

为电负荷转移出响应系数的上、下限值，

为电负荷转移出的功率；

为电负荷转移进响应系数的上、下限值，

为电负荷转移进的功率；

为原始电负荷值。

获取在经济上保证优化运行后购能总成本的减少约束，包括：

上述约束中，c_e,s,t为RIES的购电分时电价，c_g为RIES的购气价格；

为RIES不响应运行策略时购电量和购气量。

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