CN113313329B - 一种含综合能源系统的配电网优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含综合能源系统的配电网优化调度方法，所述方法包括：计算考虑价格型需求响应的可调度潜力；将可调度潜力作为配电网电压与综合能源系统交换功率的约束条件，建立上层配电网经济模型；将功率平衡约束、园区间功率交换约束、设备出力约束作为约束条件建立下层园区综合能源系统经济模型；利用双层调度模型计算得到最优调度方案；本发明能够有效提升配电网安全性和综合能源系统经济性，为电力系统运行调度领域提供理论指导，应用价值和前景巨大。
Description
技术领域
本发明涉及一种含综合能源系统的配电网优化调度方法，属于电力系统技术领域。
背景技术
能源是人类生产与生活离不开的资源，是关乎国民经济的重要物质基础。为了避免煤炭、石油等化石能源的过度开发，充分利用可再生能源成为电力产业发展的必然趋势。近年来，中国可再生能源相关技术发展迅速。根据国家能源局统计，截至2019年底，中国可再生能源发电装机达到7.94亿千瓦，已达全部电力装机的39.5％。然而，随着风电、光伏等可再生能源以分布式能源形式在电网中的接入，多数可再生能源具有明显的随机性和间歇性，给电力系统的安全稳定运行带来了极大的隐患，需要采取一定的方法在提升能源利用率的同时保证电力系统的可靠运行。
迄今为止，国内外专家和学者对可调度潜力和综合能源系统优化调度已经有了较为系统和卓有成效的研究。
对于可调度潜力的研究，Zhang Kaijie等人提出可控负荷的调度潜力可由原始负荷曲线与夏季最凉爽N天的日负荷平均曲线的差值得到。冯小峰等人提出空调关停时间的长短可以反映可调度潜力的大小。黄伟等人引入供电能力指标来量化电动汽车等可调度资源的可调度潜力，影响供电能力的主要因素有剩余并网时间和当前时刻可调度容量。
Wang Yongli等人以最大限度节约运行总成本和减少污染物排放为目标，建立了综合能源系统多目标优化调度模型。李鹏等人提出了一种基于重复博弈的区域综合能源系统优化运行方法，配电网选取配电网网损和负荷均衡率为双目标，微能源网选取日运行费用为目标函数，二者进行重复博弈，实现区域综合能源系统的协同经济优化运行。Lin Wei等人提出了一种多目标最优潮流计算和多属性决策阶段组成的两阶段多目标调度方法。王丹等人考虑可再生能源对配电网功率的影响，分别通过中央空调和区域供热系统的调节能力，达到提升系统的灵活性的目的。Jiang Yibo等人建立了配电网和天然气网络模型，提出了气电联合配网的协调运行优化调度方法。Yang Haizhu等人提出了考虑电负荷和热负荷的需求响应机制，分别构建了多时间尺度优化调度模型和多目标优化调度模型。
综上所述，目前大多数文献对可调度潜力的研究主要集中在温控负荷和电动汽车两类柔性负荷上，对综合能源系统的可调度潜力尚无讨论。对于综合能源系统优化调度的研究，多集中于对综合能源系统内部经济性的研究，忽略了综合能源系统与配电网的能量交换可能会对配电网安全性造成的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含综合能源系统的配电网优化调度方法，以解决现有技术忽略综合能源系统与配电网的能量交换可能会对配电网安全性造成影响的缺陷。
一种含综合能源系统的配电网优化调度方法，所述方法包括：
计算考虑价格型需求响应的可调度潜力；
将可调度潜力作为配电网电压与综合能源系统交换功率的约束条件，建立上层配电网经济模型；
将功率平衡约束、园区间功率交换约束、设备出力约束作为约束条件建立下层园区综合能源系统经济模型；
利用双层调度模型计算得到最优调度方案。
进一步地，所述可调度潜力的计算方法包括：
建立价格型需求响应模型；
定义综合能源系统可调度潜力；
以园区作为等效电源为配电网供能的最大值作为目标函数，建立可调度潜力模型；
通过可调度潜力模型计算各园区可调度潜力。
进一步地，建立价格型需求响应模型包括步骤：
采集用户峰时段、平时段、谷时段的负荷总量和电价；
计算负荷总量的变化量和电价的变化量，得到用户响应电价的表达式为：
式中，qf、qp、qg分别为峰时段、平时段、谷时段的负荷总量；Δqf、Δqp、Δqg分别为峰时段、平时段、谷时段的负荷总变化量；pf、pp、pg分别为峰时段、平时段、谷时段的电价；Δpf、Δpp、Δpg分别为峰时段、平时段、谷时段的电价变化量；E为电量电价弹性系数矩阵，矩阵中各变量为电量电价弹性系数，用于表示用户对多时段电价的灵敏度；Eii、Eij分别为自弹性系数和交叉弹性系数；Δqi、Δpi、Δpj分别为i时段电量、电价变化量，j时段电价变化量；qi、pi、pj分别表示i时段电量、电价，j时段电价；
根据用户对用电方式和电费支出的满意度，提出用户用电方式满意度、用户电费支出满意度两种约束指标：
式中，Sm、Sp分别为用户用电方式满意度与电费支出满意度，Δqi、qi分别为i时刻的电量改变量、原i时刻的电量；ΔCi、Ci分别为i时刻的电费支出改变量、原i时刻的电费支出；
所以价格型需求响应模型可以表示为：
式中，目标函数为标准化后的峰谷差；q'、q分别为需求响应后、需求响应前的电量；p'g、p'p、p'f分别为需求响应后的谷时段、平时段、峰时段电价；α、β分别为用户用电方式满意度、用户电费支出满意度的约束值。
进一步地，可调度潜力的研究即为研究园区作为等效电源可为配电网供能的最大值，其表达式为：
式中，Pk,b(t)分别为t时段第k个园区燃气轮机售电量、光伏售电量、园区向电网购电量，可调度潜力负值表示园区向电网售电，正值表示园区向电网购电。
进一步地，建立上层配电网经济模型以潮流约束、发电机组出力约束、配电网与园区功率交换约束作为约束条件。
进一步地，利用双层调度模型计算得到最优调度方案的方法包括：
根据上层配电网模型得到配电网与园区交换功率，传递到下层；
计算下层园区综合能源系统经济调度最优解；
若所得结果满足下层约束条件，则输出最优解，即为双层最优调度方案。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：1、综合能源系统接入配电网后，有效减少了配电网线路损耗并能防止电压越限情况的出现；2、将可调度潜力的研究对象扩展到综合能源系统，充分挖掘综合能源系统的可调度潜力；3、建立双层优化调度模型，考虑配电网安全性与综合能源系统经济性，实现了配电网和园区间的共赢。
附图说明
图1是综合能源系统结构图；
图2是本发明的两阶段优化调度策略图；
图3是IEEE33节点结构图；
图4是居民区需求响应前后电量曲线；
图5是商业区需求响应前后电量曲线；
图6是工业区需求响应前后电量曲线；
图7是各园区可调度潜力曲线；
图8是IES1电能分配结果图；
图9是IES2电能分配结果图；
图10是IES3电能分配结果图；
图11是IES1热能分配结果图；
图12是IES2热能分配结果图；
图13是IES3热能分配结果图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-图12所示，公开了一种含综合能源系统的配电网优化调度方法，所述方法包括：
步骤一，计算考虑价格型需求响应的可调度潜力。
11、建立价格型需求响应模型：
用户响应电价的表达式为：
式中，qf、qp、qg分别为峰时段、平时段、谷时段的负荷总量；Δqf、Δqp、Δqg分别为峰时段、平时段、谷时段的负荷总变化量；pf、pp、pg分别为峰时段、平时段、谷时段的电价；Δpf、Δpp、Δpg分别为峰时段、平时段、谷时段的电价变化量；E为电量电价弹性系数矩阵，矩阵中各变量为电量电价弹性系数，用于表示用户对多时段电价的灵敏度；Eii、Eij分别为自弹性系数和交叉弹性系数；Δqi、Δpi、Δpj分别为i时段电量、电价变化量，j时段电价变化量；qi、pi、pj分别表示i时段电量、电价，j时段电价。
同时，针对用户对用电方式和电费支出的满意度，提出用户用电方式满意度、用户电费支出满意度两种约束指标：
式中，Sm、Sp分别为用户用电方式满意度与电费支出满意度。Δqi、qi分别为i时刻的电量改变量、原i时刻的电量；ΔCi、Ci分别为i时刻的电费支出改变量、原i时刻的电费支出。
所以价格型需求响应模型可以表示为：
式中，目标函数为标准化后的峰谷差；q'、q分别为需求响应后、需求响应前的电量；p'g、p'p、p'f分别为需求响应后的谷时段、平时段、峰时段电价；α、β分别为用户用电方式满意度、用户电费支出满意度的约束值。
12、定义综合能源系统可调度潜力，可调度潜力即为综合能源系统作为等效电源的出力最大值；
13、以园区作为等效电源可为配电网供能的最大值作为目标函数，建立可调度潜力模型：
园区可调度潜力主要考虑在综合能源系统参与调度后，在保证配电网安全运行的情况下，充分挖掘综合能源系统作为等效电源的出力最大值。用电高峰时段，最大化燃气轮机出力，在满足园区用电需求的同时，减少从电网购电量，提升园区经济性；用电低谷时段，用户通过价格型需求响应，增加其用电量，充分消纳可再生能源，从而减少功率波动。
(1)目标函数
可调度潜力的研究即为研究园区作为等效电源可为配电网供能的最大值，其表达式为
式中，Pk,b(t)分别为t时段第k个园区燃气轮机售电量、光伏售电量、园区向电网购电量。可调度潜力负值表示园区向电网售电，正值表示园区向电网购电。
(2)约束条件
配电网电压约束：
Vi,min≤Vi(t)≤Vi,max (8)
式中，Vi(t)为t时刻节点i的电压，Vi,max、Vi,min分别为节点i处电压的上下限。
园区间功率交换约束：
式中，Pk,ex(t)为t时刻第k个有余电的园区向其他缺电园区传输的电能；Pk,GT(t)为第k个园区燃气轮机发电等效电能需求；Pk,PV(t)为第k个园区光伏发电等效电能需求、Pk,ereq(t)为第k个园区内部等效电能需求；Pk,load(t)为第k个园区用户电能需求；Pk,EC(t)为第k个园区用户电制冷机耗电量。
设备出力约束：
式中，Pn(t)为第n组设备的出力；分别为第n组设备出力的上下限。
能量平衡约束：
式中，Pk,b(t)、Pk,s(t)分别为t时段第k个园区向电网购电、售电量；Pk,exb(t)、Pk,exs(t)分别为t时段第k个园区向其他园区购电、售电量；Hk,GB(t)、Hk,HRS(t)分别为t时段第k个园区燃气锅炉、余热回收系统回收的热功率；Hk,ereq(t)、Hk,AC(t)、Hk,load(t)分别为t时段第k个园区等效热能需求、吸收式制冷机耗热量、用户热能需求；Ck,AC(t)、Ck,EC(t)、Ck,load(t)分别为t时段第k个园区吸收式制冷机、电制冷机提供的冷功率、用户冷能需求。
14、计算各园区可调度潜力。
步骤二，将可调度潜力作为配电网与综合能源系统交换功率的约束条件，建立将潮流约束、发电机组出力约束、配电网与园区功率交换约束作为约束条件的上层配电网经济模型。
(1)目标函数
F2＝min Ploss (12)
式中，Ploss为总网损；T为运行周期；n为配电网节点数；Gij为节点i，j之间电导；Ui(t)、Uj(t)分别为t时刻节点i、j处电压；θij(t)为t时刻节点i、j之间相角差。
(2)约束条件
潮流约束：
式中，PGi(t)、Pdi(t)、QGi(t)、Qdi(t)分别为t时刻节点i处有功出力、有功负荷、无功出力、无功负荷。
发电机组出力约束：
式中，PGi,max、PGi,min分别为节点i处发电机有功功率上下限；QGi,max、QGi,min分别为节点i处发电机无功功率上下限；
配电网与园区功率交换约束：
Pi,min≤Pi,pcc(t)≤Pi,max (16)
式中，Pi,pcc(t)为t时刻节点i处配电网与园区的交换功率，当Pi,pcc(t)为负时，表示园区向配电网传输功率，当Pi,pcc(t)为正时，表示配电网向园区传输功率；Pi,min为节点i处的调度潜力，即园区向配电网传输功率的最大值；Pi,max为节点i处园区向配电网购电的最大值。
步骤三，建立将功率平衡约束、园区间功率交换约束、设备出力约束作为约束条件的下层园区综合能源系统经济模型。
(1)目标函数
F3＝min(C1+C2+C3) (17)
式中，C1、C2、C3分别表示园区燃料成本、机组运行成本和交互成本；FGT、FGB分别为t时段燃气轮机(GT)与燃气锅炉(GB)天然气消耗量；Cgass为天然气价格；αi、Pi(t)分别为第i组设备的运行维护费用和t时段输出功率；Pb1(t)、cb1分别为t时段向电网购电功率和购电价格；Pb2(t)、cb2分别为t时段向其他园区购电功率和购电价格；Ps1(t)、cs1分别为t时段向电网售电功率和售电价格；Ps2(t)、cs2分别为t时段向其他园区售电功率和售电价格。
(2)约束条件
约束条件包含功率平衡约束、园区间功率交换约束、设备出力约束，如式(9)-(11)所示。
步骤四，利用双层调度模型计算得到最优调度方案。
(41)根据上层配电网模型得到配电网与园区交换功率，传递到下层；
(42)计算下层园区综合能源系统经济调度最优解；
(43)若所得结果满足下层约束条件，则输出最优解，即为双层最优调度方案；若不满足下层约束条件，则修改配电网与园区交换功率，返回步骤(42)。
实施例
模型参数：
为了验证建立模型的有效性，本发明采用中国南方某区域冬季典型日作为区域优化调度场景，配电网采用IEEE33节点系统。在配电网13、20、30节点处分别接入工业区(IES3)、商业区(IES2)、居民区(IES1)，如图3所示。假定该区域各综合能源系统的利益主体不同。其中，3个园区综合能源系统具有相同的CCHP结构。本发明设定电网售电电价为购电电价的0.8倍，园区间购、售电电价为园区向电网售电电价的0.8倍。
首先考虑需求响应，得到需求响应前后各园区电价如表1所示。各园区电量分别由图4-图6所示。
表1需求响应前后各园区电价
各园区可调度潜力如图7所示。IES可调度潜力负值表示IES向电网售电。对于IES1，由于居民区用户用能需求波动不大，且燃气轮机最大出力值较小，所以可调度潜力的绝对值整体维持在1000kW以下。21h时，各园区处于用电高峰期，此时IES1可调度潜力的绝对值达到最小值；对于IES2，在23-8时，IES2作为等效电源达到最大出力，以防止配电网电压越限。在8h时，各园区用电量尚未达到峰值，同时光伏对园区进行供能，故此时IES2可调度潜力的绝对值达到最大值。9-22h时间段，商业园区有较大的用能需求，所以调度潜力出现明显的上升趋势。同时由于19-22h光伏无出力，故在此时段，IES2可调度潜力的绝对值达到谷值；对于IES3，在用电低谷时段，由于配电网安全性的限制，调度潜力曲线没有明显的变化趋势。在用电高峰10-18h时段，由于园区自身有较大的用能需求，所以调度潜力保持在相对平稳的状态。
根据第一阶段得到的各园区电价、电量，建立双层优化调度模型。各园区通过联络线与配电网进行购电、售电，同时，各园区之间也通过联络线进行园区间的电能交互，忽略电能交互过程中的电能损耗。
根据双层调度模型，得到各园区最优调度方案。各园区日前调度电能分配结果分别如下图8-图10所示，热能分配结果如下图11-图13所示。定义等效电负荷为用户电力负荷和电制冷机电能需求之和。定义等效热负荷为用户热力负荷和吸收式制冷机热能需求之和。其中，功率正值表示能量供给，功率负值表示能量消耗。
从下图8-图10中可以看出，对于IES1，由于园区本身电负荷需求量较小，故电能需求多由燃气轮机和光伏发电满足，多余电量售向电网，防止电网电压越限；对于IES2，在用电低谷时段，用电需求通常由IES3和电网满足。在用电高峰时段，IES2增大燃气轮机出力，多余电量作为等效电源出力，售向电网；对于IES3，园区内主要以燃气轮机与光伏发电为主。在用电低谷时段，大部分多余电能售向IES2，少部分电量售向电网，一方面降低IES2成本，另一方面，防止过多电量售向电网，提升配电网安全性。在用电高峰时段，由于园区内有较大的用热需求，主要由燃气轮机和光伏发电满足用电需求，多余电能售向IES1和配电网。
从图11-图13中可以看出，对于IES1，燃气锅炉仅在用热高峰时段，燃气轮机出力受限后进行供热。当燃气锅炉出力受限后，会出现少量缺额，此时可通过向IES2或热网购热进行补充；对于IES2，由于商业区热负荷需求不大，燃气轮机产热能够满足等效热负荷需求。同时，由于本发明采用以电定热方式，故会出现产热量大于等效热负荷的情况；对于IES3，由于在10-18时，工业区热负荷需求量较大，燃气轮机产生的余热无法满足园区内热负荷需求，此时通过燃气锅炉进行补充。
不同调度方案下运行效果对比：
方案一：园区IES不参与配电网调度。
方案二：园区IES参与配电网调度，不进行一阶段优化。
方案三：本发明所提两阶段优化调度模型。
表2不同调度方式对比
表3方案一电压越限情况
从表2中可以看出，当园区IES不参与配电网调度时，综合能源系统以成本最小为唯一目标，牺牲了配电网安全性，线路总损耗较大。在用电高峰时段10-20时，会出现部分节点电压越限的情况。在表3中，电压越限程度用平均电压偏移率表示；当园区IES参与配电网调度，但不进行一阶段优化时，线路总损耗与总运行成本都较高；本发明所提两阶段联合优化调度，与方案二相比，线路总损耗降低了17.01％，总成本降低了5.36％，更具有优越性。
综上所述，本发明提出的含综合能源系统的配电网两阶段联合优化调度方法，通过两阶段联合优化调度，实现了配电网安全性与综合能源系统经济性两方面的提升。基于三种方案的对比，本发明的含综合能源系统的配电网两阶段联合优化调度方法相比其他方案，在保证电压不越限的情况下，线路总损耗与系统总成本有明显降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种含综合能源系统的配电网优化调度方法，其特征在于，所述方法包括：
计算考虑价格型需求响应的可调度潜力；
将可调度潜力作为配电网电压与综合能源系统交换功率的约束条件，建立上层配电网经济模型；
将功率平衡约束、园区间功率交换约束、设备出力约束作为约束条件建立下层园区综合能源系统经济模型；
利用双层调度模型计算得到最优调度方案；
所述可调度潜力的计算方法包括：
建立价格型需求响应模型；
定义综合能源系统可调度潜力；
以园区作为等效电源为配电网供能的最大值作为目标函数，建立可调度潜力模型；
通过可调度潜力模型计算各园区可调度潜力；
建立价格型需求响应模型包括步骤：
采集用户峰时段、平时段、谷时段的负荷总量和电价；
计算负荷总量的变化量和电价的变化量，得到用户响应电价的表达式为：
式中，qf、qp、qg分别为峰时段、平时段、谷时段的负荷总量；Δqf、Δqp、Δqg分别为峰时段、平时段、谷时段的负荷总变化量；pf、pp、pg分别为峰时段、平时段、谷时段的电价；Δpf、Δpp、Δpg分别为峰时段、平时段、谷时段的电价变化量；E为电量电价弹性系数矩阵，矩阵中各变量为电量电价弹性系数，用于表示用户对多时段电价的灵敏度；Eii、Eij分别为自弹性系数和交叉弹性系数；Δqi、Δpi、Δpj分别为i时段电量、电价变化量，j时段电价变化量；qi、pi、pj分别表示i时段电量、电价，j时段电价；
根据用户对用电方式和电费支出的满意度，提出用户用电方式满意度、用户电费支出满意度两种约束指标：
式中，Sm、Sp分别为用户用电方式满意度与电费支出满意度，Δqi、qi分别为i时刻的电量改变量、原i时刻的电量；ΔCi、Ci分别为i时刻的电费支出改变量、原i时刻的电费支出；
所以价格型需求响应模型可以表示为：
式中，目标函数为标准化后的峰谷差；q'、q分别为需求响应后、需求响应前的电量；p'g、p'p、p'f分别为需求响应后的谷时段、平时段、峰时段电价；α、β分别为用户用电方式满意度、用户电费支出满意度的约束值；
可调度潜力的研究即为研究园区作为等效电源可为配电网供能的最大值，其表达式为：
式中，分别为t时段第k个园区燃气轮机售电量、光伏售电量、园区向电网购电量，可调度潜力负值表示园区向电网售电，正值表示园区向电网购电。
2.根据权利要求1所述的含综合能源系统的配电网优化调度方法，其特征在于，建立上层配电网经济模型以潮流约束、发电机组出力约束、配电网与园区功率交换约束作为约束条件。
3.根据权利要求1所述的含综合能源系统的配电网优化调度方法，其特征在于，利用双层调度模型计算得到最优调度方案的方法包括：
根据上层配电网模型得到配电网与园区交换功率，传递到下层；
计算下层园区综合能源系统经济调度最优解；
若所得结果满足下层约束条件，则输出最优解，即为双层最优调度方案。
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