CN114387129B - 考虑天然气管网的综合能源调度方法、装置、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑天然气管网的综合能源系统调度方法、装置、设备及介质,包括以下步骤：首先，基于气体流体动力学理论，对输送管道内的气流进行了分析，建立了管道内气体流动的模型，并基于此建立了管道储存气(linepack)模型。在此基础上，建立了综合能源系统的日前优化调度模型，通过对电力、燃气和热力系统设备的协调控制，使综合成本最小化，风能消耗最大化。与现有技术相比，该方案在日前优化调度问题中考虑天然气管网linepack模型，提高了综合能源系统的灵活性、经济性。

Description

考虑天然气管网的综合能源调度方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及集成能源系统技术领域，具体涉及考虑天然气管网的综合能源系统调度方法。
背景技术
近年来，随着能源消费需求的增加和全球变暖的加剧，可再生能源和更加有效的能源利用系统愈发受到关注。因此，集电力、燃气、热力于一体的综合能源系统(IES)逐渐发展起来，该系统可以协调多种能源的消耗，充分利用不同能源的“峰谷”特性，打破了传统电、气、热能消耗的壁垒。因此，很多学者认为这一能源消费模式代表了未来能源消费的新趋势。
在电-气-热综合能源系统中，包括了电锅炉(EB)、风电制氢(P2G)和热电联产(CHP)这些互相耦合的装置。电锅炉可以利用电能产生热量，因此可以有效地利用风力发电机提供的可再生能源。P2G将电力系统和燃气系统耦合在一起，因为P2G可以将剩余电量转化为天然气，并存储于天然气管网中，当发电量不足时又能将天然气通过燃气发电机组发电输送到电网中，缓解电网压力。热电联产系统将电力系统、燃气系统和热力系统三者耦合在一起。在风力削减现象严重的情况下，可以减少热电联产系统的输出，来帮助消耗风力发电。此外，由于多余的电力可以用来产生气体或热量，因此该系统也十分有利于风能消耗。
综合能源系统领域诸多文献显示，该系统中存在着多种耦合能量，导致了复杂的运行状态。其中，尤其涉及天然气管网linepack(即管道储存气)是由天然气慢速、动态的输送过程所决定的，是柔性资源，如何将其充分挖掘利用是目前面临的问题。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种考虑天然气管网的综合能源调度方法、装置、设备及介质。
本发明提供以下技术方案：包括以下步骤：
S1、建立气体流动模型；
S2、根据气体流动模型，建立linepack模型；
S3、以综合成本最小为目标，根据linepack模型，建立综合能源系统的日前优化调度模型，求解获得调度方案。
步骤S1中，所述气体流动模型如下式：
式中，fI,t和fT,t分别为t时刻管道起点和终点的气体流量，L和D分别表示管道的长度和直径，T为管道气温，R为气体常数，Z为气体压缩常数，ρ0为标准气体密度，μ为摩擦系数，表示t-1时刻管道气体压力，/>表示t时刻管道气体压力，Δt表示t-1时刻和t时刻的间隔时长；φI,t和φT,t分别为t时刻管道起点和终点的气压，/>表示管道中的平均气体流量，/>表示管道中的平均气体压力。
步骤S2中，所述天然气管网linepack模型如下式：
Qm,t＝Qm,t-1+fI,t-fT,t (6)
式中，Qm,t为t时刻管道m中储存的气体量，Qm,t-1表示t-1时刻管道m中储存的气体量。
步骤S3中，
所述综合能源系统的日前优化调度模型的目标函数包括：弃风成本、常规机组的启停成本和运行成本，以及从天然气源购买气体的成本。
所述综合能源系统的日前优化调度模型的目标函数如下式：
CCOST＝CWT+CMT+CGAS (7)
式中，CCOST表示综合成本，CWT表示弃风成本，CMT表示常规机组的启停成本和运行成本，CGAS表示从天然气源购买气体的成本，
Nwind表示风机的数量，T表示一个调度周期的时长，和/>表示风机出力的预测值和实际值，βwind表示风力削减系数，NG表示常规机组的数量，/>和/>分别表示了常规机组的启/停成本，/>和/>表示常规机组启/停的标志变量，/>表示常规机组的有功出力，ai,bi和ci表示常规机组的发电系数，NGS表示气源的数量，/>表示购买燃气的单价，/>表示从气源购买的燃气流量。
所述综合能源系统的日前优化调度模型的约束条件包括：电网运行约束、燃气约束、热功平衡约束和耦合设备运行约束。
所述电网运行约束如下式：
式中，t表示调度周期中的某一时刻，和/>分别表示EB和CHP的出力，/>表示P2G的出力，/>表示t时刻的总电子负载，NCHP,NP2G和NEB分别表示CHP、P2G和EB的数量，/>和/>表示支路有功功率的实际值和上限，/>为t时刻机组的运行标志变量，/>为t-1时刻机组的运行标志变量；/>和/>分别为机组的开停机动作标志变量，/>和/>表示机组的出力上下限，/>和/>表示机组爬坡上下限；/>分别为机组的最大开机、停机功率；/>和/>表示t时刻和t-1时刻机组的出力。
所述燃气约束如下式：
式中，表示从气源购买的燃气数量，/>和/>表示管道m流入和流出的气体流量，I(m)＝i和T(m)＝i表示节点i是管道m的起始点和终点，/>显示了压缩机支路的气体流量，/>显示了P2G所产生的气体流量，/>表示CHP所产生的气体流量，/>表示节点i的燃气负荷，∈i表示连接节点i的设备，/>表示时刻t时m管道中的气体流量，/>是气体流量的上限，φi,t是节点i的气压,/>和/>表示节点i气压上下限，/>和/>表示气源提供气体流量上下限,γcom表示空气压缩因子。
所述热功平衡约束如下式：
式中，表示时刻t时CHP产热量，/>表示显示了时间t时EB的产热量，/>表达时刻t的热负荷。
所述耦合设备运行约束如下式：
式(21)、(22)、(23)分别为EB、CHP和P2G的模型，式中，ηEB表示EB的效率，表示CHP的发电效率，/>表示CHP的产热效率，/>表示P2G的效率，LHV表示燃气的热值；/>表示t时刻第i个电锅炉的产热量；/>表示t时刻第i个电热联产设备的产热量；/>表示t时刻第i个电锅炉的功率；/>表示t时刻第i个电热联产设备的功率；/>表示t时刻第i个P2G的功率；/>表示t时刻第i个P2G设备发出的气体流量；/>表示t时刻第i个热电联产设备消耗的气体流量。
步骤S3中，采用分段线性化方法，将综合能源系统的非凸优化模型转化为凸优化模型，并采用求解器GUROBI求解。
一种考虑天然气管网的综合能源系统调度装置，包括：
气体流动模块，用于建立气体流动模型；
管道储存气模块，用于根据气体流动模型，建立linepack模型；
调度模块，用于以综合成本最小为目标，根据linepack模型，建立综合能源系统的日前优化调度模型，求解获得调度方案。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现任一所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序执行时实现任一所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法。
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
本发明建立天然气管网linepack模型，合理利用管存效应，并将linepack模型纳入对综合能源系统日前优化调度问题中，且充分利用电锅炉(EB)、风电制氢(P2G)和热电联产(CHP)这些互相耦合的装置，提高了综合能源系统调度的灵活性。
此外，风机提供的部分冗余电能可以用来生产天然气并储存在管道中；由于天然气可以低价购买，利用管路组件储存，天然气的购买成本和常规机组的操作成本都有所降低，因此在日前优化调度问题中考虑天然气管网linepack模型，也可以大大提高综合能源系统的经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明综合能源系统的结构框图；
图3为本发明实施例中综合能源系统拓扑图；
图4为本发明实施例中两种场景下电网络调度结果比较图；
图5为本发明实施例中两种场景下气网络调度结果比较图；
图6为本发明实施例中两种场景下热网络调度结果比较图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
本发明如图1所示，包括以下步骤：
S1、模拟管道中燃气传输状态，建立气体流动模型；
S2、根据气体流动模型，建立linepack模型(即管道中储存气体体积的表达式)；
S3、以综合成本最小为目标，根据linepack模型，建立综合能源系统的日前优化调度模型，求解获得调度方案。
本发明在工作中，通过考虑利用天然气网络的linepack模型，实现对电力、燃气和热力系统设备的协调控制，建立综合能源系统的日前优化调度模型使系统综合成本最小化，风能消耗最大化。
本发明提升了综合能源系统运行的经济性，对于提高能源利用效率、促进可再生能源消纳具有重要意义，在“双碳”背景下具有广阔应用前景。
Linepack模型的优点：天然气网络的管存作为一种有效的灵活性资源，其可以有效缓解综合能源系统中源荷不确定性的消极影响。
步骤S1中，所述气体流动模型如下式：
式中，fI,t和fT,t分别为t时刻管道起点和终点的气体流量，L和D分别表示管道的长度和直径，T为管道气温，R为气体常数，Z为气体压缩常数，ρ0为标准气体密度，μ为摩擦系数，表示t-1时刻管道气体压力，/>表示t时刻管道气体压力，Δt表示t-1时刻和t时刻的间隔时长；φI,t和φT,t分别为t时刻管道起点和终点的气压，/>表示管道中的平均气体流量，/>表示管道中的平均气体压力。
步骤S2中，所述天然气管网linepack模型如下式：
Qm,t＝Qm,t-1+fI,t-fT,t (6)
式中，Qm,t为t时刻管道m中储存的气体量，Qm,t-1表示t-1时刻管道m中储存的气体量。
步骤S3中，
所述综合能源系统的日前优化调度模型的目标函数包括：弃风成本、常规机组的启停成本和运行成本，以及从天然气源购买气体的成本。
所述综合能源系统的日前优化调度模型的目标函数如下式：
CCOST＝CWT+CMT+CGAS (7)
式中，CCOST表示综合成本，CWT表示弃风成本，CMT表示常规机组的启停成本和运行成本，CGAS表示从天然气源购买气体的成本，
Nwind表示风机的数量，T表示一个调度周期的时长，和/>表示风机出力的预测值和实际值，βwind表示风力削减系数，NG表示常规机组的数量，/>和/>分别表示了常规机组的启/停成本，/>和/>表示常规机组启/停的标志变量，/>表示常规机组的有功出力，ai,bi和ci表示常规机组的发电系数，NGS表示气源的数量，/>表示购买燃气的单价，/>表示从气源购买的燃气流量。
所述综合能源系统的日前优化调度模型的约束条件包括：电网运行约束、燃气约束、热功平衡约束和耦合设备运行约束。
所述电网运行约束如下式：
式中，t表示调度周期中的某一时刻，和/>分别表示EB和CHP的出力，/>表示P2G的出力，/>表示t时刻的总电子负载，NCHP,NP2G和NEB分别表示CHP、P2G和EB的数量，/>和/>表示支路有功功率的实际值和上限，/>为t时刻机组的运行标志变量，/>为t-1时刻机组的运行标志变量；/>和/>分别为机组的开停机动作标志变量，/>和/>表示机组的出力上下限，/>和/>表示机组爬坡上下限；/>分别为机组的最大开机、停机功率；/>和/>表示t时刻和t-1时刻机组的出力。
式(9)和式(10)给出了电网功率平衡约束和支路允许电流约束；式(11)表示风机出力约束；式(12)表示机组的运行状态是由机组的启停动作决定的；式(13)和式(14)分别表示常规机组的出力约束和爬坡过程。采用直流潮流模型进行潮流平衡计算，从而确立了电网的运行状态。
所述燃气约束如下式：
式中，表示从气源购买的燃气数量，/>和/>表示管道m流入和流出的气体流量，I(m)＝i和T(m)＝i表示节点i是管道m的起始点和终点，/>显示了压缩机支路的气体流量，/>显示了P2G所产生的气体流量，/>表示CHP所产生的气体流量，/>表示节点i的燃气负荷，∈i表示连接节点i的设备，/>表示时刻t时m管道中的气体流量，/>是气体流量的上限，φi,t是节点i的气压,/>和/>表示节点i气压上下限，/>和/>表示气源提供气体流量上下限,γcom表示空气压缩因子。
式(15)和式(16)分别表示节点气体流量平衡约束和管路流量约束；式(17)表示节点气压约束；式(18)表示气源提供气体流量约束；式(19)表示压缩机支路约束。
此外，燃气约束还包括天然气管网linepack约束，即式(2)、(5)、(6)。
所述热功平衡约束如下式：
式中，表示时刻t时CHP产热量，/>表示显示了时间t时EB的产热量，/>表达时刻t的热负荷。
所述耦合设备运行约束如下式：
式(21)、(22)、(23)分别为EB、CHP和P2G的模型，式中，ηEB表示EB的效率，表示CHP的发电效率，/>表示CHP的产热效率，/>表示P2G的效率，LHV表示燃气的热值；/>表示t时刻第i个电锅炉的产热量；/>表示t时刻第i个电热联产设备的产热量；/>表示t时刻第i个电锅炉的功率；/>表示t时刻第i个电热联产设备的功率；/>表示t时刻第i个P2G的功率；/>表示t时刻第i个P2G设备发出的气体流量；/>表示t时刻第i个热电联产设备消耗的气体流量。
步骤S3中，由于气体流量与气压的关系式呈非线性，采用分段线性化方法，将综合能源系统的非凸优化模型(非线性)转化为凸优化模型，并采用求解器GUROBI求解。
一种考虑天然气管网的综合能源系统调度装置，包括：
气体流动模块，用于建立气体流动模型；
管道储存气模块，用于根据气体流动模型，建立linepack模型；
调度模块，用于以综合成本最小为目标，根据linepack模型，建立综合能源系统的日前优化调度模型，求解获得调度方案。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现任一所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序执行时实现任一所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法。
本发明中综合能源系统典型架构如图2所示，由电网、气网、热网三部分组成：电网和风能发电产生的电能通过配电网分配给电负荷，并通过CHP与热力系统相耦合；气网与电网则通过P2G和燃气发电机组相耦合，电能充足时P2G将电能转化为天然气能源并存储在管线中，以备气源供不应求时使用；燃气发电机组则将天然气能源转化为电能。
因此，综合能源系统各部分通过耦合，实现各部分能源灵活共享、互补互济。而考虑了存储在管道中的天然气并建立linepack模型添加进综合能源系统日前优化调度的约束条件后，更进一步体现了综合能源系统灵活性的特点，其优化结果更有利于提高综合能源系统日前调度的经济性。
实施例：
以IEEE-39节点电网系统和比利时20节点高热值天然气网系统为算例构建仿真系统，基于MATLAB 2018b软件开展算例分析，所有模型和算法的编程均基于YALMIP平台，并通过调用Gurobi求解器进行求解。算例拓扑如图3所示。
仿真模拟两种场景：场景1为没有考虑管存模型时的调度结果；场景2为考虑管存模型的调度结果。图4、图5、图6分别为两种场景下对于电网络、气网络和热网络的调度结果。
从图4可以看出，当电负荷较低时，风电主要被CHP、P2G和EB消耗，体现了本发明所提模型在促进风电消纳方面的有效性；
从图5可以看出，考虑到气网管存特性时，气源购气均发生在气价最低的凌晨和夜晚，以及气价次低的闲时时段，可以有效降低购气成本；
从图6可以看出，场景2的EB功率高于场景1。这是因为在场景1中，在用户侧电力消费同时，CHP被用来产生热量，而在场景2中，对于CHP的控制更加灵活，这是因为电能可以用来通过P2G产气并储存在管道中，从而降低了购气成本，提高了IES运营的灵活性。
以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内。

Claims (9)

1.考虑天然气管网的综合能源系统调度方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、建立气体流动模型；
步骤S1中，所述气体流动模型如下式：
式中，fI,t和fT,t分别为t时刻管道起点和终点的气体流量，L和D分别表示管道的长度和直径，T为管道气温，R为气体常数，Z为气体压缩常数，ρ0为标准气体密度，μ为摩擦系数，φt-1表示t-1时刻管道气体压力，φt表示t时刻管道气体压力，Δt表示t-1时刻和t时刻的间隔时长；φI,t和φT,t分别为t时刻管道起点和终点的气压，ft表示管道中的平均气体流量，φt表示管道中的平均气体压力；
S2、根据气体流动模型，建立linepack模型；
步骤S2中，所述天然气管网linepack模型如下式：
Qm,t＝Qm,t-1+fI,t-fT,t (6)
式中，Qm,t为t时刻管道m中储存的气体量，Qm,t-1表示t-1时刻管道m中储存的气体量；
S3、以综合成本最小为目标，根据linepack模型，建立综合能源系统的日前优化调度模型，求解获得调度方案；
步骤S3中，
所述综合能源系统的日前优化调度模型的目标函数包括：弃风成本、常规机组的启停成本和运行成本，以及从天然气源购买气体的成本；
所述综合能源系统的日前优化调度模型的目标函数如下式：
CCOST＝CWT+CMT+CGAS (7)
式中，CCOST表示综合成本，CWT表示弃风成本，CMT表示常规机组的启停成本和运行成本，CGAS表示从天然气源购买气体的成本，
Nwind表示风机的数量，T表示一个调度周期的时长，和/>表示风机出力的预测值和实际值，βwind表示风力削减系数，NG表示常规机组的数量，/>和/>分别表示了常规机组的启/停成本，/>和/>表示常规机组启/停的标志变量，/>表示常规机组的有功出力，ai,bi和ci表示常规机组的发电系数，NGS表示气源的数量，/>表示购买燃气的单价，/>表示从气源购买的燃气流量；
步骤S3中，采用分段线性化方法，将综合能源系统的非凸优化模型转化为凸优化模型，并采用求解器GUROBI求解。
2.根据权利要求1所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法，其特征在于：
所述综合能源系统的日前优化调度模型的约束条件包括：电网运行约束、燃气约束、热功平衡约束和耦合设备运行约束。
3.根据权利要求2所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法，其特征在于：所述电网运行约束如下式：
式中，t表示调度周期中的某一时刻，和/>分别表示EB和CHP的出力，/>表示P2G的出力，Pt Load表示t时刻的总电子负载，NCHP,NP2G和NEB分别表示CHP、P2G和EB的数量，/>和Pl line,max表示支路有功功率的实际值和上限，/>为t时刻机组的运行标志变量，/>为t-1时刻机组的运行标志变量；/>和/>分别为机组的开停机动作标志变量，Pi G,min和Pi G,max表示机组的出力上下限，Pi Gdn和Pi Gup表示机组爬坡上下限；Pi Gst、Pi Gsd分别为机组的最大开机、停机功率；/>和/>表示t时刻和t-1时刻机组的出力。
4.根据权利要求3所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法，其特征在于：所述燃气约束如下式：
式中，表示从气源购买的燃气数量，/>和/>表示管道m流入和流出的气体流量，I(m)＝i和T(m)＝i表示节点i是管道m的起始点和终点，/>显示了压缩机支路的气体流量，显示了P2G所产生的气体流量，/>表示CHP所产生的气体流量，/>表示节点i的燃气负荷，∈i表示连接节点i的设备，/>表示时刻t时m管道中的气体流量，/>是气体流量的上限，φi,t是节点i的气压,φi min和φi max表示节点i气压上下限，fi GS,min和fi GS,max表示气源提供气体流量上下限,γcom表示空气压缩因子。
5.根据权利要求4所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法，其特征在于：所述热功平衡约束如下式：
式中，表示时刻t时CHP产热量，/>表示显示了时间t时EB的产热量，/>表达时刻t的热负荷。
6.根据权利要求5所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法，其特征在于：所述耦合设备运行约束如下式：
式(21)、(22)、(23)分别为EB、CHP和P2G的模型，式中，ηEB表示EB的效率，ηi CHP,e表示CHP的发电效率，ηi CHP,h表示CHP的产热效率，ηi P2G表示P2G的效率，LHV表示燃气的热值；表示t时刻第i个电锅炉的产热量；/>表示t时刻第i个电热联产设备的产热量；/>表示t时刻第i个电锅炉的功率；/>表示t时刻第i个电热联产设备的功率；/>表示t时刻第i个P2G的功率；/>表示t时刻第i个P2G设备发出的气体流量；/>表示t时刻第i个热电联产设备消耗的气体流量。
7.一种考虑天然气管网的综合能源系统调度装置，其特征在于：包括：
气体流动模块，用于建立气体流动模型；
所述气体流动模型如下式：
式中，fI,t和fT,t分别为t时刻管道起点和终点的气体流量，L和D分别表示管道的长度和直径，T为管道气温，R为气体常数，Z为气体压缩常数，ρ0为标准气体密度，μ为摩擦系数，φt-1表示t-1时刻管道气体压力，φt表示t时刻管道气体压力，Δt表示t-1时刻和t时刻的间隔时长；φI,t和φT,t分别为t时刻管道起点和终点的气压，ft表示管道中的平均气体流量，φt表示管道中的平均气体压力；
管道储存气模块，用于根据气体流动模型，建立linepack模型；
所述天然气管网linepack模型如下式：
Qm,t＝Qm,t-1+fI,t-fT,t (6)
式中，Qm,t为t时刻管道m中储存的气体量，Qm,t-1表示t-1时刻管道m中储存的气体量；
调度模块，用于以综合成本最小为目标，根据linepack模型，建立综合能源系统的日前优化调度模型，求解获得调度方案；
所述综合能源系统的日前优化调度模型的目标函数包括：弃风成本、常规机组的启停成本和运行成本，以及从天然气源购买气体的成本；
所述综合能源系统的日前优化调度模型的目标函数如下式：
CCOST＝CWT+CMT+CGAS (7)
式中，CCOST表示综合成本，CWT表示弃风成本，CMT表示常规机组的启停成本和运行成本，CGAS表示从天然气源购买气体的成本，
Nwind表示风机的数量，T表示一个调度周期的时长，和/>表示风机出力的预测值和实际值，βwind表示风力削减系数，NG表示常规机组的数量，/>和/>分别表示了常规机组的启/停成本，/>和/>表示常规机组启/停的标志变量，/>表示常规机组的有功出力，ai,bi和ci表示常规机组的发电系数，NGS表示气源的数量，/>表示购买燃气的单价，/>表示从气源购买的燃气流量；
采用分段线性化方法，将综合能源系统的非凸优化模型转化为凸优化模型，并采用求解器GUROBI求解。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并由所述处理器执行的计算机程序，其特征在于：所述处理器在执行所述计算机程序时，实现权利要求1-6中任一所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序执行时实现权利要求1-6中任一所述的考虑天然气管网的综合能源系统调度方法。
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