CN115936228A - 计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法及装置，方法包括：构建计及配网架构的大学城综合能源系统的拓扑，所述典型拓扑包括如下模型：交流配电网、变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)、储气设备(GS)和功率传输线路；大学城综合能源系统接入配电网后共同优化可行性分析；提出降低大学城综合能源系统和配电网两利益主体的碳排放量优化方法；提出基于负荷曲线方差的负荷峰谷差优化方法，充分发挥系统内资源的削峰填谷能力，优化负荷曲线，缩小负荷峰谷差，提高了系统内的储能、分布式电源和联络线功率等资源的利用率；对所提计及配网架构的大学城综合能源系统优化方法，采用基于二阶锥规划模型的求解方法，实现快速优化求解；装置包括：模型构建模块，调度策略确定模块，碳排放量优化模块，负荷峰谷差优化模块，系统优化仿真模块。本发明克服了现有技术中的不足，将配电网与大学城综合能源系统进行统一优化，降低碳排放量，提高整个系统对能源的利用率，保障系统的安全有序运行。

Description

计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法及装置

技术领域

本发明涉及计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化领域，尤其涉及一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法及装置。

背景技术

大学城综合能源系统是面向大学城微能源网的综合能源系统。通过对多种能源进行耦合实现梯级利用，大学城综合能源系统可以满足日渐丰富的用户多样化需求。对接入配电网的各类能源进行综合优化，实现低碳高效的目标，是一种综合能源系统发展方向。将多种能源互联耦合的系统以大学城综合能源系统的形式接入配电网，能够降低系统总的碳排放量，并起到削峰填谷的作用，免去了配电网分别接入多种类型能源造成的问题。如何实现大学城综合能源系统和配电网的统一优化是计及配网架构的大学城综合能源系统运行亟需解决的问题之一。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下缺点和不足：

1、现有的优化运行方案多独立考虑大学城综合能源系统或配电网的优化调度问题，缺乏对计及配网架构的大学城综合能源系统的优化考虑；

2、现有的方案在考虑计及配网架构的大学城综合能源系统研究时，没有体现大学城综合能源系统接入带来的其他效益，比如减少碳排放量；

3、现有的方案对系统内的储能、分布式电源和联络线功率等资源的利用程度较低，没有充分利用其削峰填谷的能力。

发明内容

本发明提供了一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法及装置，本发明克服了现有技术中的不足，构建降低两利益主体碳排放量为目标的优化方法提升环保性，提出基于负荷曲线方差的优化方法缩小负荷峰谷差，提高系统内的储能、分布式电源和联络线功率等资源的利用率，详见下文描述：

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1)较之传统综合能源系统运行优化模型，本发明所提的一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法及装置考虑了大学城综合能源系统接入配电网的情景，建立了计及配网架构的大学城综合能源系统的拓扑；

2)较之传统综合能源系统运行优化模型，本发明所提的一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法及装置利用碳排放量优化方法，降低了大学城综合能源系统和交流配电网两利益主体的碳排放量，提升其环保低碳性；

3)较之传统综合能源系统运行优化模型，本发明所提一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法及装置提出了基于负荷曲线方差的负荷峰谷差优化方法，充分利用系统内资源的削峰填谷能力，优化负荷曲线，缩小负荷峰谷差，提高了系统内的储能、分布式电源和联络线功率等资源的利用率。

附图说明

图1为计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法流程图；

图2为计及配网架构的大学城综合能源系统拓扑结构图；

图3为大学城综合能源系统拓扑结构图；

图4为不考虑降低碳排放量场景下的电、热、气功率平衡情况图；

图5为考虑降低碳排放量场景下的电、热、气功率平衡情况图；

图6为计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化装置结构示意图。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

步骤101：构建计及配网架构的大学城综合能源系统的拓扑；

本专利构建的计及配网架构的大学城综合能源系统主要由交流配电网、变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)、储气设备(GS)和功率传输线路共同组成，其拓扑结构如图2所示。

其中，交流配电网呈辐射状拓扑，大学城综合能源系统通过联络线与该交流配电网连接：交流配电网系统为电压、频率稳定的系统，为该大学城综合能源系统提供稳定电能；大学城综合能源系统供给侧包含配电网和天然气网，天然气网为大学城综合能源系统提供稳定天然气能源；大学城综合能源系统运营商从供给侧购买能源、并有选择的调用能源互联网内部的设备和向负荷侧供给所需的能源，其内部包含变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)和储气设备(GS)；大学城综合能源系统负荷侧为消费者，所需的能源种类包含电、气、热三种。功率传输线路包含电、热、气传输线路。

步骤102：提出降低大学城综合能源系统和配电网两利益主体的碳排放量优化方法；

本专利所涉及的计及配网架构的大学城综合能源系统包含两个主体：大学城综合能源系统和交流配电网，二者通过联络线相连接进行功率的交换。本专利在对该系统进行运行优化时，以降低其碳排放量为目标进行优化。

设置含大学城综合能源系统的交流配电网运营一个周期的时间为一天，即24h，将一个周期均等分为24个时间段，即0-1h、1-2h、...、23-24h，令t＝1、2、3、...、24分别代指一个周期内的不同时间段。每个时间段内各个参数的取值各有不同。

电网是唯一的电能供应方，天然气网是唯一的天然气供应方，二者的主要工作为协调大学城运营商所需的能源比例和种类并供给能源。定义大学城运营商从电网购入的电功率为P_t ^Q；电网产生电功率为P_t ^D，其包含大学城运营商从电网购入的电功率P_t ^Q；从天然气网购入的气功率为P_t ^S。电网售电价设定为k_t,1，本专利采用分时电价，即不同时间段对应的电单价不同；对于天然气网售气价k_t,2同样采用分时气价，单位均为元/kW·h。

大学城运营商的利润为其向负荷侧出售能源所获得的收益与大学城运营商综合成本之差，考虑碳排放对运营成本的影响，大学城运营商综合成本等于从能源供给侧购买能源所需成本与碳排放治理成本之和。

定义从电网购入的通过变压器转变为电负荷的电功率为P_t,1；从电网购入的通过变压器参与电转气的电功率为P_t,2；通过电转气得到的气功率为P_t,P；从天然气网购入的供给气负荷的气功率为P_t,3；从天然气网购入的进入燃气锅炉的气功率为P_t,4；从天然气网购入的参与热电联产的气功率为P_t,5；通过热电联产得到的电功率为P_t,C1；通过热电联产得到的热功率为P_t,C2；燃气锅炉燃烧得到的热功率为P_t,G；储热设备供给的热功率为P_t,6；储热设备吸收的热功率为P_t,7；储气设备供给的气功率为P_t,8；储气设备吸收的气功率为P_t,9。

负荷侧是能源的消费者，为满足居民日常生活的需要，负荷侧需从大学城运营商购入电、热、气三种功率。定义负荷侧所需的电负荷为P_t,l ^e；所需的气负荷为P_t,l ^s；所需的热负荷为P_t,l ^h。

若以运行效益最高为目标，设大学城综合能源系统运营一个周期的利润为I，此时的目标函数为：

其中b_t,1、b_t,2、b_t,3分别为大学城运营商向负荷侧出售电、热、气的价格，且三者均取分时价格，单位均为元/kW·h。此处取Δt＝1h为一个周期内的某一个时间段。

设C_t,e为t时间段内从电网购入电能的成本，表达式为：

C_t,e＝k_t,1P_t ^QΔt

设C_t,g为t时间段内从天然气网购入天然气的成本，表达式为：

C_t,g＝k_t,2P_t ^SΔt

设C_t,c为t时间段内的碳排放治理成本，表达式为：

C_t,c＝[A₁+B₁P_t ^Q+C₁(P_t,4+P_t,5)]Δt

对于碳排放治理成本的计算，设从电网购得的电能均由火电机组发电得到。因此对于构建的系统存在三个碳排放源：电网用于发电的火电机组、综合能源系统中的燃气轮机和燃气锅炉，碳排放治理成本为C_t,c值大小就由从电网购得电功率P_t ^D的多少、综合能源系统中的燃气轮机功率P_t,4和燃气锅炉功率P_t,5的大小决定。其中A₁、B₁、C₁为给定参数，反映了不同的碳排放源对碳排放治理成本影响程度的大小。本专利取A₁＝0、B₁＝0.1、C₁＝0.01，表明电网的火电机组发电产生的单位碳成本大于综合能源系统中典型设备进行能源转化产生的单位碳成本。设配电网所需功率为P_t ^D，在此情况下计及配网架构的大学城综合能源系统运营一个周期产生的总碳排放治理成本为C_c，此时的目标函数为：

通过设定最小碳排放治理成本目标函数进行优化，可以降低大学城综合能源系统和配电网两利益主体的碳排放量。

步骤103：提出基于负荷曲线方差的负荷峰谷差优化方法；

大学城综合能源系统与配电网通过联络线进行功率的交互，同时大学城综合能源系统内包含电转气，热电联产，燃气锅炉，储气、储热等储能设备，本专利为充分发挥储能、分布式电源、联络线功率的削峰填谷能力，优化负荷曲线，缩小负荷峰谷差，提出基于负荷曲线方差的优化方法。

设置含大学城综合能源系统的交流配电网运营一个周期的时间为一天，即24h，令t＝1、2、3、...、24分别代指一个周期内的不同时间段。每个时间段内各个参数的取值各有不同。

设置负荷曲线方差S为目标函数，表示原负荷曲线，经过储能、分布式电源、联络线功率优化后曲线的方差，表达式如下：

P_load,t'的表达式如下：

式中：N_ess为储能设备台数，P_in,m,t和P_out,m,t分别为第m台储能设备在t时刻的吸收和供给功率，P_line,t为联络线t时段的传输功率，P_load,t'为t时刻优化后的负荷功率；P_load,t为t时刻原始负荷功率，N_DR为分布式电源个数，P_DR,h,t和P_DR,h,t'分别为第h台分布式电源在t时刻的实际和期望功率。

步骤104：基于二阶锥规划对所提计及配网架构的大学城综合能源系统优化计算与仿真；

对于所提计及配网架构的大学城综合能源系统优化方法，采用二阶锥规划模型和Cplex求解器进行求解，获得运行优化结果。

实施例1

为验证所提方法的有效性，本专利在图2所述计及配网架构的大学城综合能源系统基础上开展分析计算与仿真运行，设置计及配网架构的大学城综合能源系统运营一个周期的时间为一天，即24h，将一个周期均等分为24个时间段，即0-1h、1-2h、...、23-24h。

对于系统中涉及到的各部分建模参数，设立P_t ^Q _max为从电网购入功率的最大限额，P_t ^S _max为从天然气网购入功率的最大限额，P_电 ^额定为P2G设备的额定功率，P_热 ^额定为热电联产系统的额定功率，P_燃 ^额定为燃气锅炉的额定功率，η₁为变压器效率，η₂为电转气效率，η₃为热电联产的产电效率，η₄为热电联产的产热效率，η₅为燃气锅炉的产热效率。其参数取值如表1。

表1系统内电热气参数的取值

一天内每个小时段综合能源系统负荷侧的电、热、气负荷数据如表2。

表2综合能源系统负荷侧的电、热、气负荷数据

对于碳排放治理成本的计算，设从电网产生的电能均由火电机组发电得到。因此对于构建的系统存在三个碳排放源：电网用于发电的火电机组、综合能源系统中的燃气轮机和燃气锅炉，碳排放治理成本大小就由电网产生电功率的多少、综合能源系统中的燃气轮机功率和燃气锅炉功率的大小决定。给定参数A₁、B₁、C₁反映不同的碳排放源对碳排放治理成本影响程度的大小。本专利取A₁＝0、B₁＝0.1、C₁＝0.01，表明电网的火电机组发电产生的单位碳排放治理成本大于综合能源系统中典型设备进行能源转化产生的单位碳排放治理成本。

本专利设置2种场景，一种是在不考虑降低碳排放量的前提下，综合能源系统仅仅以实现最大经济效益为目标；另一种是在考虑降低碳排放量的前提下，综合能源系统以在实现最大经济效益的前提下降低碳排放量为目标。

两种场景的运营收入与碳排放治理成本如下所示。

表3是否考虑降低碳排放量的运营收入与碳排放治理成本

由表3可以得出以下结论：

(1)在考虑降低碳排放量场景下，计及配网架构的大学城综合能源系统运营一个周期的收入更高，相较于不考虑降低碳排放量场景下收入提高10.4％；碳排放治理成本也更低，相较于不考虑降低碳排放量场景下碳排放治理成本降低21.5％；

(2)在考虑降低碳排放量的前提下对计及配网架构的大学城综合能源系统进行优化并不会影响系统的经济性，反而可以获得更好的经济性、低碳性的成果，这表明本专利对计及配网架构的大学城综合能源系统的运行优化目标实现。

不考虑降低碳排放量场景下的电、热、气功率平衡情况如图4，考虑降低碳排放量场景下的电、热、气功率平衡情况如图5，差别体现在在13:00到18:00时段，由于从电网购入电功率所产生的碳排放治理成本高于热电联产所产生的碳排放治理成本，且在此时段系统存在电功率缺额，故在考虑碳交易因素场景下此时段热电联产产生的电功率与不考虑碳交易因素场景相比较高，储热系统也存储了更多热电联产产生的热功率；在06:00到07:00时段，由于燃气锅炉供给热负荷会产生额外的碳排放治理成本，故在考虑碳交易因素场景下此时段的热负荷由储热系统提供。

实施例2

一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化装置，参见图6，所述装置包括：

模型构建模块：建立交流配电网、变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)和储气设备(GS)和功率传输线路的数学模型；

调度策略确定模块：确定计及配网架构的大学城综合能源系统中的电能、热能和天然气的调度策略；

碳排放量优化模块：以大学城综合能源系统和交流配电网两利益主体碳排放量(等效为碳排放治理成本)最小为优化目标，根据交流配电网、变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)、储气设备(GS)和功率传输线路的约束条件与相应能源价格，优化电能、热能、天然气的调度运行方案；

负荷峰谷差优化模块：以负荷曲线方差为优化目标，利用储能、分布式电源、联络线功率的削峰填谷能力，优化负荷曲线，缩小负荷峰谷差；

系统优化仿真模块：对所提计及配网架构的大学城综合能源系统优化方法，基于二阶锥规划模型进行快速优化求解。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述方法包括：

构建计及配网架构的大学城综合能源系统的拓扑，所述典型拓扑包括如下模型：交流配电网、变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)、储气设备(GS)和功率传输线路；

提出降低大学城综合能源系统和配电网两利益主体的碳排放量优化方法；

提出基于负荷曲线方差的负荷峰谷差优化方法；

基于二阶锥规划模型对所提计及配网架构的大学城综合能源系统优化方法进行快速优化求解。

2.根据权利要求1所述的一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述计及配网架构的大学城综合能源系统的拓扑具体为：

本专利构建的计及配网架构的大学城综合能源系统主要由交流配电网、变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)、储气设备(GS)和功率传输线路共同组成。

其中，交流配电网呈辐射状拓扑，大学城综合能源系统通过联络线与该交流配电网连接：交流配电网系统为电压、频率稳定的系统，为该大学城综合能源系统提供稳定电能；大学城综合能源系统供给侧包含配电网和天然气网，天然气网为大学城综合能源系统提供稳定天然气能源；大学城综合能源系统运营商从供给侧购买能源、并有选择的调用能源互联网内部的设备和向负荷侧供给所需的能源，其内部包含变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)和储气设备(GS)；大学城综合能源系统负荷侧为消费者，所需的能源种类包含电、气、热三种。功率传输线路包含电、热、气传输线路。

3.根据权利要求1所述的一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述提出降低大学城综合能源系统和配电网两利益主体的碳排放量优化方法具体为：

本专利所涉及的计及配网架构的大学城综合能源系统包含两个主体：大学城综合能源系统和交流配电网，二者通过联络线相连接进行功率的交换。本专利以降低其碳排放量为目标，对该系统进行运行优化。

电网是唯一的电能供应方，天然气网是唯一的天然气供应方，二者主要工作分别为协调大学城运营商所需的能源比例和种类并供给能源。定义：大学城运营商从电网购入的电功率为

从天然气网购入的进入燃气锅炉的气功率为P_t,4；从天然气网购入的参与热电联产的气功率为P_t,5；电网产生电功率为

其包含大学城运营商从电网购入的电功率

对于碳排放治理成本的计算，设从电网产生的电能均由火电机组发电得到。因此对于构建的系统存在三个碳排放源：电网用于发电的火电机组、综合能源系统中的燃气轮机和燃气锅炉，碳排放治理成本为C_t,c值大小就由电网产生电功率

的多少、综合能源系统中的燃气轮机功率P_t,4和燃气锅炉功率P_t,5的大小决定。其中A₁、B₁、C₁为给定参数，反映了不同的碳排放源对碳排放治理成本影响程度的大小。本专利取A₁＝0、B₁＝0.1、C₁＝0.01，表明电网的火电机组发电产生的单位碳排放治理成本大于综合能源系统中典型设备进行能源转化产生的单位碳排放治理。在此情况下计及配网架构的大学城综合能源系统运营一个周期产生的总碳排放治理成本为C_c，此时的目标函数为：

通过设定最小碳排放治理成本目标函数进行优化，可以降低大学城综合能源系统和配电网两利益主体的碳排放量。

4.根据权利要求1所述的一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述提出基于负荷曲线方差的负荷峰谷差优化方法具体为：

本专利为充分发挥储能、分布式电源、联络线功率的削峰填谷能力，优化负荷曲线，缩小负荷峰谷差，提高系统内资源的利用率，提出基于负荷曲线方差的负荷峰谷差优化方法。

设置负荷曲线方差S为目标函数，表示原负荷曲线，经过储能、分布式电源、联络线功率优化后曲线的方差，表达式如下：

P_load,t'的表达式如下：

式中：N_ess为储能设备台数，P_in,m,t和P_out,m,t分别为第m台储能设备在t时刻的吸收和供给功率，P_line,t为联络线t时段的传输功率，P_load,t'为t时刻优化后的负荷功率；P_load,t为t时刻原始负荷功率，N_DR为分布式电源个数，P_DR,h,t和P_DR,h,t'分别为第h台分布式电源在t时刻的实际和期望功率。

5.一种计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化装置，其特征在于，所述装置包括：

模型构建模块：建立交流配电网、变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)和储气设备(GS)和功率传输线路的数学模型；

调度策略确定模块：确定计及配网架构的大学城综合能源系统中的电能、热能和天然气的调度策略；

碳排放量优化模块：以两利益主体碳排放量最小为优化目标，根据交流配电网、变压器、电转气(P2G)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(GB)、储热设备(HS)、储气设备(GS)和功率传输线路的约束条件与相应能源价格，优化电能、热能、天然气的调度运行方案；

负荷峰谷差优化模块：以负荷曲线方差为优化目标，利用储能、分布式电源、联络线功率的削峰填谷能力，优化负荷曲线，缩小负荷峰谷差，提高系统内资源的利用率；

系统优化仿真模块：对所提计及配网架构的大学城综合能源系统运行优化方法，基于二阶锥规划进行计及配网架构的大学城综合能源系统快速优化求解。

Images