CN115392586A - 园区综合能源系统的需求响应价值量化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种园区综合能源系统的需求响应价值量化方法及装置，所述方法包括构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型；根据电网的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态；电网运行状态包括三相平衡运行状态和三相不平衡运行状态；基于电网运行状态求解电网扩展规划模型，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，根据规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系生成价值量化曲线。本申请能够针对不同的电网运行状态获得相应的规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，从而保证负荷条件补贴计划制定的合理性。

Description

园区综合能源系统的需求响应价值量化方法及装置

技术领域

本申请涉及电力系统技术领域，具体涉及一种园区综合能源系统的需求响应价值量化方法及装置。

背景技术

综合能源系统，是指以电/热/冷等能源为主的协同管理、互补互济的新型一体化能源系统，它能够高效地耦合能源供给侧的电力系统和用能侧的电/热/冷负荷，使得能源的高效利用以及多能互补得以实现，是实现能源系统安全经济低碳运行的重要保障。

园区综合能源系统中的储能、分布式发电机组、电动汽车等设备可提供需求响应能力，从而有效调节系统负荷水平，实现延缓设备投资、降低规划成本的目的。然而，园区综合能源系统往往与电力系统分属于不同的利益主体。因此，电力系统需制订合理的补贴计划，以激励园区内部的灵活性设备依据电网调度决策调节自身的运行状态。当前，虽已有研究在制定电网扩展规划方案时考虑灵活性资源的影响以节省总体投资成本，但现有研究都将灵活性资源的补贴价格预设为确定值，难以保证该预设值的合理性。因此，研究面向规划成本节省的综合能源系统负荷需求响应价值量化方法，从而量化负荷调节能力带来的经济效益，为制定需求响应补贴计划提供参考依据十分必要。

相关技术中，现有技术在电网扩展规划决策中考虑了灵活性资源的影响，提出了考虑可调度分布式发电机组的综合规划方法，以最小化系统加固成本和分布式发电安装成本为投资决策的目标。类似地，还有通过需求响应技术减少设备投资。当以缓解配电网运行三相不平衡度为目标之一进行扩展规划时，同样利用了分布式发电技术的灵活性。然而，上述研究仅能得到考虑负荷调节能力前后的不同投资决策计划，此时灵活性资源调节量和系统规划总成本都将受规划模型中预设调节补贴价格的影响。因而上述方式均无法解析量化系统投资成本随灵活调节水平的变化趋势，也就无法保证预设的负荷调节能力成本的合法性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种园区综合能源系统的需求响应价值量化方法及装置，以解决现有技术中无法保证预设的负荷调节能力成本的合法性的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种园区综合能源系统的需求响应价值量化方法，包括：

构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型；

根据电网的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态；所述电网运行状态包括三相平衡运行状态和三相不平衡运行状态；

基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，根据所述规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系生成价值量化曲线。

进一步地，所述电网扩展规划模型包括：以系统总投资成本最低为目标的目标函数，以及与所述目标函数对应的约束条件；

所述目标函数为min F＝f_sub+f_line+f_compen

其中，f_sub＝C_subψ_sub

其中，C_sub为单个变电站变压器的扩容成本，C_line,l为单条线路的替换成本，

为单个电容器的安装成本；Ψ_sub为变压器的投资决策指示变量，ξ_line,l为线路的投资决策指示变量，

为电容器的投资决策指示变量；N_l为电网支路的数目，N_e为节点的数目；

所述约束条件包括：

节点功率平衡约束：

变电站热限制约束：

从变电站流出的总功率包括变压器的三相功率以及中线功率为：

P_sub＝P_tr,1,a+P_tr,1,b+P_tr,1,c+P_N

Q_sub＝Q_tr,1,a+Q_tr,1,b+Q_tr,1,c+Q_N

相应的变电站热限制的上下限约束为，

线路热限制约束：

电压偏移约束：

无功补偿设备上下限约束：

可调节负荷上下限约束：

可调节负荷需要满足的约束包括三类，分别为节点的总负荷量保持不变、节点每相的负荷功率因数保持不变、以及每相负荷的可调节比例限制：

其中，P_sub、Q_sub分别为变电站输出有功功率、无功功率；

分别为变压器在节点i第

相的有功功率、无功功率，且仅在配电网根节点处i＝1 有值；

分别为节点i第

相的有功负荷、无功负荷；

分别为流过第l条线路第

相的有功功率、无功功率；N_l为配电网线路总数目；

为投资决策前变电站和线路可流过视在功率的限值；

分别为变电站和线路可传输视在功率的限值；R_sub、R_line,l分别为变压器和线路经投资决策扩大的容量；V_ref,i为节点i的电压幅值参考值；ΔV_i,min、ΔV_i,max分别为节点i的电压偏移上、下限；

为节点i第

相的无功补偿设备出力；

为节点i第

相投建的无功补偿设备容量；

分别为节点i第

相负荷的有功、无功调节量；

为负荷的可调节比例。

进一步地，当所述电网运行状态为三相平衡运行状态时，所述基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，包括：

基于三相平衡运行状态，对所述电网扩展规划模型进行修正，得到修正电网扩展规划模型；

求解所述修正电网扩展规划模型，得到初始投资方案，将所述初始投资方案确定为当前投资方案；其中，所述当前投资方案包括投资成本与投资决策变量取值；

根据预设第一优化问题确定所述当前投资方案对应的负荷调节边界；其中，所述第一优化问题基于一维变量参数构造，所述一维变量参数根据节点负荷削减量确定；

当负荷调节能力水平低于所述初始投资方案对应的负荷调节边界的下限时，根据第一预设约束条件求解所述修正电网扩展规划模型；

如果求解成功，则得到新的投资方案，将所述新的投资方案更新为当前投资方案，并根据预设第一优化问题计算其对应灵活调节能力边界；否则，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系。

进一步地，所述第一优化问题，包括：

三相平衡状态下的负荷调节边界目标函数以及所述电网扩展规划模型的节点功率平衡约束、变电站热限制约束、线路热限制约束、电压偏移约束、无功补偿设备上下限约束、修正可调节负荷上下限约束及三相平衡条件约束；

所述三相平衡状态下的负荷调节边界目标函数为，

ΔP_d，L＝minΔP_d，i

ΔP_d，U＝maxΔP_d，i

所述修正可调节负荷上下限约束，包括：

所述三相平衡条件约束，包括：

Q_C,i,a＝Q_C,i,b＝Q_C,i,c i∈N_e

α_compen,i,a＝α_compen,i,b＝α_compen,i,c i∈N_e

ΔP_d,i,a＝ΔP_d,i,b＝ΔP_d,i,c i∈N_e

其中，ΔP_d,L和ΔP_d,U分别为当前投资方案对应负荷调节边界的上、下限；

每个节点的负荷调节能力水平采用一维变量表征，所述一维变量参数为，

ΔP_d,i＝ΔP_d,i,a+ΔP_d,i,b+ΔP_d,i,c

其中，ΔP_d,i为一维变量参数，ΔP_d,i,a为节点i的第a相负荷调节水平，ΔP_d,i,b为节点i的第b相负荷调节水平，ΔP_d,i,c为节点i的第c相负荷调节水平。

进一步地，所述第一预设约束条件，包括：

所述电网扩展规划模型的目标函数、节点功率平衡约束、变电站热限制约束、线路热限制约束、电压偏移约束、无功补偿设备上下限约束以及负荷调节约束；

所述负荷调节约束为，

ΔP_d，i≤ΔP_d，L-δ

其中，负荷调节水平ΔP_d,i为一维变量参数。

进一步地，当所述电网运行状态为三相不平衡运行状态时，所述基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，包括：

基于三相不平衡运行状态，求解所述电网扩展规划模型，得到初始投资方案，将所述初始投资方案确定为当前投资方案；其中，所述当前投资方案包括投资成本与投资决策变量取值；

根据预设第二优化问题获取所述负荷调节边界的初始外边界，更新目标函数参数后，根据预设第二优化问题对所述初始外边界进行迭代修正，从而得到最终外边界；其中，所述第二优化问题基于二维变量参数构造，所述二维变量参数根据节点负荷相间转移量确定；

当负荷调节能力水平超出外边界时，根据第二预设约束条件求解所述电网扩展规划模型；

如果求解成功，则得到新的投资方案，将所述新的投资方案更新为当前投资方案，并根据预设第二优化问题计算其对应灵活调节能力边界；否则，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系。

进一步地，还包括：

当获取多个新的投资方案时，对所有的投资方案按照成本降序排列；

依次确定投资方案对应的负荷调节边界；

对位于当前投资方案对应负荷调节边界内的负荷调节能力水平进行剔除，无需在后续过程中重复确定其对应的最优投资方案。

进一步地，所述第二优化问题，包括：

三相不平衡状态下的负荷调节边界目标函数以及所述电网扩展规划模型的节点功率平衡约束、变电站热限制约束、线路热限制约束、电压偏移约束、无功补偿设备上下限约束及可调节负荷上下限约束；

所述三相不平衡状态下的负荷调节边界目标函数为：

max h_k，aΔP_d，i，a+h_k，bΔP_d，i，b

其中，h_k,a，h_k,b均为系数，取值为(-1，0)、(1，0)、(0，-1)和(0，1)时对应确定初始外边界；根据初始外边界ΔP_d,a,L、ΔP_d,a,U、ΔP_d,b,L和ΔP_d,b,U，构成顶点(ΔP_d,a,L,ΔP_d,b,L)、(ΔP_d,a,L,ΔP_d,b,U)、(ΔP_d,a,U,ΔP_d,b,L)和(ΔP_d,a,U,ΔP_d,b,U)，从而确定更新后用于修正初始外边界的目标函数。

进一步地，所述第二预设约束条件，包括：

所述电网扩展规划模型的目标函数、节点功率平衡约束、变电站热限制约束、线路热限制约束、电压偏移约束、无功补偿设备上下限约束、可调节负荷上下限约束以及负荷调节约束；

所述负荷调节约束为，

r_k，aΔP_d，i，a+r_k，bΔP_d，i，b＝t_k+δ

其中，δ为正数，r_k,aΔP_d,i,a+r_k,bΔP_d,i,b≤t_k为外边界第k(k＝1,…,K)条边界。

一些实施例中，还包括：

当获取多个新的投资方案时，对所有的投资方案按照成本降序排列；

依次确定投资方案对应的负荷调节边界；

对位于当前投资方案对应负荷调节边界内的负荷调节能力水平进行剔除，无需在后续过程中重复确定其对应的最优投资方案。

本申请实施例提供一种园区综合能源系统的需求响应价值量化装置，包括：

构建模块，用于构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型；

确定模块，用于根据电网的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态；所述电网运行状态包括三相平衡运行状态和三相不平衡运行状态；

输出模块，用于基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，根据所述规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系生成价值量化曲线。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请的方法提出园区综合能源系统的需求响应价值量化方法及装置，本申请通过构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型，分析当前电网运行状态，根据不同的电网运行状态求解负荷调节能力的电网扩展规划模型，最优投资规划方案，最终得到价值量化曲线。通过本申请提供的技术方案能够针对不同的电网运行状态获得相应的规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，从而保证负荷调整成本的合理性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明园区综合能源系统的需求响应价值量化方法的步骤示意图；

图2为本发明三相平衡运行状态下的价值曲线刻画方法示意图；

图3为本发明三相不平衡运行状态下的价值曲线刻画方法示意图；

图4(a)为三相平衡运行状态下负荷调节水平的规划价值曲线；

图4(b)为三相平衡运行状态下负荷调节水平的另一个规划价值曲线；

图5(a)为三相不平衡运行状态下节点18的规划价值曲线的负荷调节边界分块情况；

图5(b)为三相不平衡运行状态下节点25的规划价值曲线的负荷调节边界分块情况；

图6(a)为三相不平衡运行状态下节点18的负荷调节边界分块对应投资成本；

图6(b)为三相不平衡运行状态下节点25的负荷调节边界分块对应投资成本；

图7为本发明园区综合能源系统的需求响应价值量化装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

规划价值量化问题的数学本质是一个典型的多参数混合整数线性规划问题，其中目标函数为系统总投资成本，整数变量为各设备投资决策。该问题需枚举所有可行的整数变量解，在每个解下枚举起作用约束组合并求解第一优化问题，以获取对应的所有临界子域求并集。对于考虑三相不平衡运行状态的电网扩展规划模型，约束和整数变量数目多，由此带来的枚举优化计算负担难以承受。因此，需进一步研究高效的负荷调节能力规划价值量化方法。

下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的园区综合能源系统的需求响应价值量化方法及装置。

如图1所示，本申请实施例中提供的园区综合能源系统的需求响应价值量化方法，包括：

S101，构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型；

可以理解的是，本申请中不考虑设备投建后的运行维护成本。此外，由于负荷调节仅能避免当前负荷水平导致的投资决策，本文仅考虑投资周期内的最大负荷水平。因此，目标函数为：

min F＝f_sub+f_line+f_compen (1)

其中，

f_sub＝C_subψ_sub

其中，C_sub为单个变电站变压器的扩容成本，C_line,l为单条线路的替换成本，

为单个电容器的安装成本；Ψ_sub为变压器的投资决策指示变量、ξ_line,l为线路的投资决策指示变量，

为电容器的投资决策指示变量；N_l为电网支路的数目，N_e为节点的数目。

所述约束条件包括：

节点功率平衡约束：

变电站热限制约束：也就是从变电站流出的总功率包括变压器的三相功率以及中线功率为

从变电站流出的总功率包括变压器的三相功率以及中线功率为：

P_sub＝P_tr,1,a+P_tr,1,b+P_tr,1,c+P_N (4)

Q_sub＝Q_tr,1,a+Q_tr,1,b+Q_tr,1,c+Q_N (5)

相应的变电站热限制的上下限约束为，

线路热限制约束：

电压偏移约束：

无功补偿设备上下限约束：

可调节负荷上下限约束：

可调节负荷需要满足的约束包括三类，分别为节点的总负荷量保持不变、节点每相的负荷功率因数保持不变、以及每相负荷的可调节比例限制：

式中，P_sub、Q_sub分别为变电站输出有功功率、无功功率；

分别为变压器在节点i第

相的有功功率、无功功率，且仅在配电网根节点处i＝1 有值；

分别为节点i第

相的有功负荷、无功负荷；

分别为流过第l条线路第

相的有功功率、无功功率；N_l为配电网线路总数目；

为投资决策前变电站和线路可流过视在功率的限值；

分别为变电站和线路可传输视在功率的限值；R_sub、R_line,l分别为变压器和线路经投资决策扩大的容量；V_ref,i为节点i的电压幅值参考值；ΔV_i,min、ΔV_i,max分别为节点i 的电压偏移上、下限；

为节点i第

相的无功补偿设备出力；

为节点i第

相投建的无功补偿设备容量；

分别为节点i第

相负荷的有功、无功调节量；

为负荷的可调节比例。

S102，根据电网的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态；所述电网运行状态包括三相平衡运行状态和三相不平衡运行状态；

可以理解的是，本申请需先通过电网系统的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态，从而确定电网是三相平衡运行状态或三相不平衡运行状态。

S103，基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，根据所述规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系生成价值量化曲线；

其中，针对三相平衡运行状态下的价值曲线刻画方法：

价值曲线刻画基于两类特征信息：1)投资决策，2)以该投资决策为最优解的负荷调节边界。

一些实施例中，当所述电网运行状态为三相平衡运行状态时，所述基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，包括：

基于三相平衡运行状态，对所述电网扩展规划模型进行修正，得到修正电网扩展规划模型；

一般来说，当电网的三相线路参数和负荷都平衡时，潮流模型可简化为单相形式。此时，三相的负荷调节水平以及无功补偿装置的投建与运行状态应保持一致，扩展规划模型修正如下：

变压器中线功率P_N＝Q_N＝0始终成立。

2)为了保证三相运行状态一致，添加以下约束作为三相平衡条件约束：

Q_C,i,a＝Q_C,i,b＝Q_C,i,c i∈N_e (22)

α_compen,i,a＝α_compen,i,b＝α_compen,i,c i∈N_e (23)

ΔP_d,i,a＝ΔP_d,i,b＝ΔP_d,i,c i∈N_e (24)

当约束不被满足时，去除，为保证各节点总负荷量不会增加，约束(21) 改为如下形式

求解所述修正电网扩展规划模型，得到初始投资方案，将所述初始投资方案确定为当前投资方案；其中，所述当前投资方案包括投资成本与投资决策变量取值；

具体的，求解修正后的扩展规划模型以确定最经济的投资方案，包括投资成本F^*与投资决策变量取值(Ψ^* _sub,ξ^* _line,l,α^* _compen,i,φ)。将该最经济方案记为当前投资方案。

根据预设第一优化问题确定所述当前投资方案对应的负荷调节边界；其中，所述第一优化问题基于一维变量参数构造，所述一维变量参数根据节点负荷削减量确定；

此步骤旨在确定当前投资方案对应的负荷调节边界。在该边界范围内，当前投资方案始终为最优投资方案。边界可由如下优化问题确定：

ΔP_d,L和ΔP_d,U为当前投资方案对应负荷调节边界的上下限。其中，式(27) 只针对得到的最经济投资方案提出，原因是在该方案下，当负荷调节量高于ΔP_d,U时，投资成本反而增加。负荷调整量高于ΔP_d,U时没有经济价值，故不应出现在价值曲线的最终刻画结果中。

此外，扩展规划的投资需求是由负荷增长导致的，因此，随着负荷调节水平的增加，投资成本应呈下降趋势，这一趋势体现在图2中。

当负荷调节能力水平低于所述当前投资方案对应的负荷调节边界的下限时，根据第一预设约束条件求解所述修正电网扩展规划模型；

当负荷调节水平低于步骤2获得的ΔP_d,L时，当前投资方案不再能满足扩展规划模型的安全约束。因此，需通过下式求取新的投资方案：

min(1)

st.(2)-(18),(20),(22)-(25)

ΔP_d,i≤ΔP_d,L-δ (28)

式(28)中，δ为一个非常小的正数，它保证了前序步骤中已经实现价值量化的负荷调节水平在此处被排除。

如果求解成功，则得到新的投资方案，将所述新的投资方案更新为当前投资方案，并根据预设第一优化问题计算其对应灵活调节能力边界；否则，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系。也就是将F^*和 (Ψ^* _sub,ξ^* _line,l,α^* _compen,i,φ)更新为当前方案对应的成本和决策变量取值。然后，继续求解模型。

如果式(28)求解失败，说明所有可行的负荷调节水平点均已被包含在价值曲线中，计算终止并输出结果。

其中，针对三相不平衡运行状态下的价值曲线刻画方法：

当电网的三相线路参数和负荷不平衡时，每个节点的负荷调节水平可以用二维参数ΔP_d,i,a和ΔP_d,i,b表征。此时，第三相ΔP_d,i,c的取值由式(19)自然确定。

与三相平衡运行情况类似，价值曲线仍通过一个对“投资决策—调整边界”的连续循环搜索过程确定。图3阐释了所提方法的基本思路，各详细步骤解释如下。

一些实施例中，当所述电网运行状态为三相不平衡运行状态时，所述基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，包括：

基于三相不平衡运行状态，求解所述电网扩展规划模型，得到初始投资方案，将所述初始投资方案确定为当前投资方案；其中，所述当前投资方案包括投资成本与投资决策变量取值；

具体的，首先求解电网扩展规划模型(1)-(21)，以确定最经济的投资方案，包括投资成本F^*与决策变量取值

将该最经济方案记为当前投资方案。

通过顶点搜索方法确定每种投资规划方案的负荷调节边界；

与三相平衡运行状态不同，以当前投资方案为最优的负荷调节边界是一个二维平面，由于模型为线性规划问题，该二维平面是一个多边形。

对于当前投资决策

对应边界可通过顶点搜索方法确定。

根据预设第二优化问题获取所述负荷调节边界的外边界，更新目标函数参数后，根据预设第二优化问题对所述初始外边界进行迭代修正，从而得到最终外边界；其中，所述第二优化问题基于二维变量参数构造，所述二维变量参数根据节点负荷相间转移量确定；

所述第二优化问题，为

其中，h_k,a，h_k,b均为系数，取值为(-1，0)、(1，0)、(0，-1)和(0，1)时对应确定初始外边界Ω；

本申请在所得初始外边界Ω基础上对边界进行迭代修正。

边界修正同样通过式(29)实现，此时(h_k,a,h_k,b)为凸多面体Ω第k条边的外法向量系数。根据初始外边界计算结果ΔP_d,a,L、ΔP_d,a,U、ΔP_d,b,L和ΔP_d,b,U，构成顶点(ΔP_d,a,L,ΔP_d,b,L)、(ΔP_d,a,L,ΔP_d,b,U)、(ΔP_d,a,U,ΔP_d,b,L)和(ΔP_d,a,U,ΔP_d,b,U)，从而确定更新后用于修正初始外边界的目标函数。Ω所有的边对应得到的(29) 最优解作为新增顶点，与Ω原有顶点一起构成新的凸多面体Ω'。

如果Ω'和Ω的差异小于阈值，说明该渐进搜索过程满足收敛条件；否则，将Ω的形状更新为Ω'，并在此基础上进行新一轮边界修正得到更新后的Ω'。重复进行该“修正—对比”过程直至满足精度要求。

在完成边界循环修正后，最终得到的Ω为当前投资方案

对应的负荷调节边界。若负荷调节水平当负荷调节能力水平超出外边界Ω时，当前投资方案不再能满足式(2)-(21)的安全约束。

令Ω的第k(k＝1,…,K)条边界表达式为r_k,aΔP_d,i,a+r_k,bΔP_d,i,b≤t_k，可通过下述第二预设约束条件求取新的投资方案：

min(1)

st.(2)-(21)

r_k,aΔP_d,i,a+r_k,bΔP_d,i,b＝t_k+δ (30)

同样地，δ为一个非常小的正数。如果求解成功，则得到新的投资方案，将所述新的投资方案更新为当前投资方案，并根据预设第二优化问题计算其对应灵活调节能力边界；否则，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系。

一些实施例中，还包括：

当获取多个新的投资方案时，对所有的投资方案按照成本降序排列；

依次确定投资方案对应的负荷调节边界；

对位于当前投资方案对应负荷调节边界内的负荷调节能力水平进行剔除，无需在后续过程中重复确定其对应的最优投资方案。

在上述步骤中已经确定了不同决策方案下对应的负荷调节边界，但如图3 所示，不同于三相平衡运行状态，此时各决策方案对应的边界可能出现重叠，即：某一负荷调节水平(ΔP_d,i,a,ΔP_d,i,b)对不止1种决策方案可行。为解决这一问题，先对可能的投资方案按成本降序排列，再依次确定各投资方案对应的负荷调节边界。在这一过程中，一旦某负荷调节水平对当前投资方案可行，它将在后续投资方案边界确定的过程中被排除。

下面结合具体实施方案，进一步说明本发明，首先，(1)建立测试系统。

本发明所提方法有效性在三相IEEE 33节点系统验证，其系统详细参数与投资选项相关的参数见表1。

表1投资决策选项相关参数

(2)三相平衡运行状态下的规划价值曲线刻画方法有效性验证

当系统处于三相平衡运行状态时，图4(a)和图4(b)给出了节点18 和节点25的规划价值曲线。其中，图4(a)表示投资成本自身随负荷调节水平的变化趋势；图4(b)以考虑负荷调整能力的原始投资成本为基础，反映成本节省量随负荷调节水平的变化趋势。曲线呈分段阶梯状，每一分段对应一种最优的投资决策方案，详细信息在表2中给出。

表2三相平衡运行状态下的分段投资决策

图4(a)中，当调节节点18的负荷时，投资成本从$1.7411E6下降到$ 0.8482E6；当调节节点25的负荷时，投资成本从$1.7411E6下降到$1.4732E6。这表明通过调节负荷水平可以有效节省系统总投资成本。此外，图中同一横坐标下的节点18对应的线段始终在节点25对应的线段下方，说明分别对节点18和节点25调节相同的负荷量，对应节省的投资成本不同，因而节点18 的灵活调节能力具有更高的经济价值。图4(b)给出的各调节边界对应节省的投资成本可以直接看作负荷调节的经济价值，电网公司为保证自身获得收益，制定的负荷调节补贴计划不应高于该价值。

从表2可以看出，节点25对应的变压器扩容和线路投资成本随着负荷调节水平的增加而减少，原因是这两种设备投建方式保证系统安全运行的本质都在于扩大系统原有的运行裕度而非改变系统自身潮流分布。节点18则并不符合上述特性，原因是投建无功补偿装置改变了各节点的注入功率，从而改变了整个系统的潮流状态分布。

(3)三相不平衡运行状态下的规划价值曲线刻画方法有效性验证

当系统处于三相不平衡运行状态时，节点灵活调节能力的规划价值曲线被刻画为三维的分块平面。不同分块对应一个负荷调节边界，各调节边界范围内的最优投资决策不同。图5(a)和图5(b)给出了节点18和节点31的负荷调节边界分块情况，每个分块由不同的颜色标注。各分块对应投资成本如图6(a)和图6(b)所示。由图6(a)可知，当调节节点18的负荷时投资成本从$3.1213E6下降到$2.4072E6，当调节节点31的负荷时投资成本从$3.1213E6下降到$2.5411E6。上述结果验证了三相不平衡运行状态下，同一节点负荷的相间调节对降低规划成本的有效性。

此外，如图5(a)和图5(b)所示，当调节节点18的负荷时共产生了 20个不同的分块，而调节节点18的负荷时共产生43个不同的分块。在各节点负荷可调节比例相同的情况下，三相不平衡运行状态下的价值曲线分块数远大于平衡运行状态下的价值曲线分段数，这说明对于三相不平衡运行状态，投资决策对负荷水平更加敏感。上述结论凸显了刻画负荷灵活调节能力价值曲线的重要意义：需求侧响应补贴计划的制定应准确、真实地反映不同负荷调节行为的经济价值，才能有效激励用户调动自身灵活性响应电网指令。

园区综合能源系统的需求响应价值量化方法的工作原理为：本申请在考虑三相平衡与不平衡运行状态的情况下，建立了计及灵活调节能力的电网扩展规划模型，其中，将园区综合能源系统的灵活调节能力建模为约束；然后，考虑三相平衡运行状态，以节点负荷削减量为一维可变参数，构造优化问题获得规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系；最后，考虑三相不平衡运行状态，以节点负荷相间转移量为二维可变参数，通过顶点搜索方法确定每种最优投资规划方案对应的负荷调节边界，并依次搜索所有可能的最优投资规划方案，最终得到价值量化曲线。本申请还采用三相IEEE 33 节点系统进行仿真分析，验证了本发明的有效性。

一些实施例中，如图7所示，本申请实施例提供一种园区综合能源系统的需求响应价值量化装置，包括：

构建模块301，用于构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型；

确定模块302，用于根据电网的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态；所述电网运行状态包括三相平衡运行状态和三相不平衡运行状态；

输出模块303，用于基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，根据所述规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系生成价值量化曲线。

本申请提供的园区综合能源系统的需求响应价值量化装置的工作原理为，构建模块301构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型，确定模块302根据电网的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态；所述电网运行状态包括三相平衡运行状态和三相不平衡运行状态；输出模块303基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，根据所述规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系生成价值量化曲线。

本申请实施例提供一种计算机设备，包括处理器，以及与处理器连接的存储器；

存储器用于存储计算机程序，计算机程序用于执行上述任一实施例提供的园区综合能源系统的需求响应价值量化方法；

处理器用于调用并执行存储器中的计算机程序。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种园区综合能源系统的需求响应价值量化方法，其特征在于，包括：

构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型；

根据电网的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态；所述电网运行状态包括三相平衡运行状态和三相不平衡运行状态；

基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，根据所述规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系生成价值量化曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网扩展规划模型包括：以系统总投资成本最低为目标的目标函数，以及与所述目标函数对应的约束条件；

所述目标函数为min F＝f_sub+f_line+f_compen

其中，f_sub＝C_subψ_sub

C_sub为单个变电站变压器的扩容成本，C_line,l为单条线路的替换成本，

为单个电容器的安装成本；Ψ_sub为变压器的投资决策指示变量、ξ_line,l为线路的投资决策指示变量，

为电容器的投资决策指示变量；N_l为电网支路的数目，N_e为节点的数目；

所述约束条件包括：

节点功率平衡约束：

变电站热限制约束：

从变电站流出的总功率包括变压器的三相功率以及中线功率为：

P_sub＝P_tr,1,a+P_tr,1,b+P_tr,1,c+P_N

Q_sub＝Q_tr,1,a+Q_tr,1,b+Q_tr,1,c+Q_N

相应的变电站热限制的上下限约束为，

线路热限制约束：

电压偏移约束：

无功补偿设备上下限约束：

可调节负荷上下限约束：

可调节负荷需要满足的约束包括三类，分别为节点的总负荷量保持不变、节点每相的负荷功率因数保持不变、以及每相负荷的可调节比例限制；

其中，P_sub、Q_sub分别为变电站输出有功功率、无功功率；

分别为变压器在节点i第

相的有功功率、无功功率，且仅在配电网根节点i＝1处有值；

分别为节点i第

相的有功负荷、无功负荷；

分别为流过第l条线路第

相的有功功率、无功功率；N_l为配电网线路总数目；

为投资决策前变电站和线路可流过视在功率的限值；

分别为变电站和线路可传输视在功率的限值；R_sub、R_line,l分别为变压器和线路经投资决策扩大的容量；V_ref,i为节点i的电压幅值参考值；ΔV_i,min、ΔV_i,max分别为节点i的电压偏移上、下限；

为节点i第

相的无功补偿设备出力；

为节点i第

相投建的无功补偿设备容量；

分别为节点i第

相负荷的有功、无功调节量；

为负荷的可调节比例。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述电网运行状态为三相平衡运行状态时，所述基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，包括：

基于三相平衡运行状态，对所述电网扩展规划模型进行修正，得到修正电网扩展规划模型；

求解所述修正电网扩展规划模型，得到初始投资方案，将所述初始投资方案确定为当前投资方案；其中，所述当前投资方案包括投资成本与投资决策变量取值；

根据预设第一优化问题确定所述当前投资方案对应的负荷调节边界；其中，所述第一优化问题基于一维变量参数构造，所述一维变量参数根据节点负荷削减量确定；

当负荷调节能力水平低于所述初始投资方案对应的负荷调节边界的下限时，根据第一预设约束条件求解所述修正电网扩展规划模型；

如果求解成功，则得到新的投资方案，将所述新的投资方案更新为当前投资方案，并根据预设第一优化问题计算其对应灵活调节能力边界；否则，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一优化问题，包括：

三相平衡状态下的负荷调节边界目标函数以及所述电网扩展规划模型的节点功率平衡约束、变电站热限制约束、线路热限制约束、电压偏移约束、无功补偿设备上下限约束、修正的可调节负荷上下限约束及三相平衡条件约束；

所述三相平衡状态下的负荷调节边界目标函数为，

ΔP_d，L＝minΔP_d，i

ΔP_d，U＝maxΔP_d，i

所述修正的可调节负荷上下限约束，包括：

所述三相平衡条件约束，包括：

Q_C,i,a＝Q_C,i,b＝Q_C,i,c i∈N_e

α_co_mpen,i,a＝α_co_mpen,i,b＝α_co_mpen,i,c i∈N_e

ΔP_d,i,a＝ΔP_d,i,b＝ΔP_d,i,c i∈N_e

其中，ΔP_d,L和ΔP_d,U分别为当前投资方案对应负荷调节边界的上、下限；

每个节点的负荷调节能力水平采用一维变量表征，所述一维变量参数为，ΔP_d,i＝ΔP_d,i,a+ΔP_d,i,b+ΔP_d,i,c

其中，ΔP_d,i为一维变量参数，ΔP_d,i,a为节点i的第a相负荷调节水平，ΔP_d,i,b为节点i的第b相负荷调节水平，ΔP_d,i,c为节点i的第c相负荷调节水平。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一预设约束条件，包括：

所述电网扩展规划模型的目标函数、节点功率平衡约束、变电站热限制约束、线路热限制约束、电压偏移约束、无功补偿设备上下限约束以及负荷调节约束；

所述负荷调节约束为:

ΔP_d，i≤ΔP_d，L-δ

其中，负荷调节水平ΔP_d,i为一维变量参数。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述电网运行状态为三相不平衡运行状态时，所述基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，包括：

基于三相不平衡运行状态，求解所述电网扩展规划模型，得到初始投资方案，将所述初始投资方案确定为当前投资方案；其中，所述当前投资方案包括投资成本与投资决策变量取值；

根据预设第二优化问题获取所述负荷调节边界的初始外边界，更新目标函数参数后，根据预设第二优化问题对所述初始外边界进行迭代修正，从而得到最终外边界；其中，所述第二优化问题基于二维变量参数构造，所述二维变量参数根据节点负荷相间转移量确定；

当负荷调节能力水平超出外边界时，根据第二预设约束条件求解所述电网扩展规划模型；

如果求解成功，则得到新的投资方案，将所述新的投资方案更新为当前投资方案，并根据预设第二优化问题计算其对应灵活调节能力边界；否则，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二优化问题，包括：

三相不平衡状态下的负荷调节边界目标函数以及所述电网扩展规划模型的节点功率平衡约束、变电站热限制约束、线路热限制约束、电压偏移约束、无功补偿设备上下限约束及可调节负荷上下限约束；

所述三相不平衡状态下的负荷调节边界目标函数为，

max h_k，aΔP_d，i，a+h_k，bΔP_d，r，b

其中，h_k,a，h_k,b均为系数，取值为(-1，0)、(1，0)、(0，-1)和(0，1)时对应确定初始外边界；根据初始外边界构成顶点(ΔP_d,a,L,ΔP_d,b,L)、(ΔP_d,a,L,ΔP_d,b,U)、(ΔP_d,a,U,ΔP_d,b,L)和(ΔP_d,a,U,ΔP_d,b,U)，从而确定更新后用于修正初始外边界的目标函数。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二预设约束条件，包括：

所述电网扩展规划模型的目标函数、节点功率平衡约束、变电站热限制约束、线路热限制约束、电压偏移约束、无功补偿设备上下限约束、可调节负荷上下限约束以及负荷调节约束；

所述负荷调节约束为，

r_k，aΔP_d，i，a+r_k，bΔP_d，i，b＝t_k+δ

其中，δ为正数，r_k,aΔP_d,i,a+r_k,bΔP_d,i,b≤t_k为外边界第k(k＝1,…,K)条边界。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

当获取多个新的投资方案时，对所有的投资方案按照成本降序排列；

依次确定投资方案对应的负荷调节边界；

对位于当前投资方案对应负荷调节边界内的负荷调节能力水平进行剔除，无需在后续过程中重复确定其对应的最优投资方案。

10.一种园区综合能源系统的需求响应价值量化装置，其特征在于，包括：

构建模块，用于构建计及负荷调节能力的电网扩展规划模型；

确定模块，用于根据电网的拓扑结构和负荷水平确定电网运行状态；所述电网运行状态包括三相平衡运行状态和三相不平衡运行状态；

输出模块，用于基于所述电网运行状态求解所述电网扩展规划模型，输出规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系，根据所述规划投资成本节省金额与负荷调节水平间的函数关系生成价值量化曲线。

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