一种计及供水系统的虚拟发电厂优化调度方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统优化运行技术领域，具体涉及一种计及供水系统的虚拟 发电厂优化调度方法及系统。

背景技术

随着高比例新能源的不断接入，以及用户用电模式的不断变化，给电力系统 带来了不小的挑战，例如风电的反调峰特性使得风电机组在整个系统的用电低谷 期送出大量电能；光伏虽然在白天功率大发，但往往会出现负荷增长的同时光伏 出力在缓慢减少的情况，这尤其在傍晚表现明显。同时新能源具有明显的随机性、 波动性和间歇性，使得电力系统对消纳这些新能源的能力也越来越重视。当分布 式新能源系统不断壮大，电力系统适应负荷变化的能力将显著降低，电力系统的 灵活性也会受到影响。

为了解决这样的问题并提高电力系统的灵活性，现行的一种方法是装设储能 设备。在风电大发的系统用电低谷期储存电能，在用电高峰期释放电能能够很好 地改善电力系统的灵活性问题，但这也会带来一些新的问题。一方面体现在储能 设备的成本非常高；另一方面储能设备的建设需要占用大量的土地资源，这就导 致难以找到合适的场地来装设储能设备。

基于上述的一些问题，充分利用用户侧可调度资源的需求越来越强烈，也越 来越有必要。当前的做法是通过聚集用户侧资源形成虚拟发电厂来提高系统灵活 性。但在传统做法中，比较侧重聚集分布式光伏、风电、储能、电动汽车等发电 或储能性资源，对于一些具有虚拟储能性特性的用能设备考虑不多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种计及 供水系统的虚拟发电厂优化调度方法及系统，通过考虑建筑供水系统参与虚拟发 电厂的优化调度，以便提高电力系统可靠性和灵活性，有利于新能源的消纳，并 使得聚集用户侧资源的虚拟发电厂运营商获得更大的收益。

本发明采用以下技术方案：

一种计及供水系统的虚拟发电厂优化调度方法，建立水泵—水箱的数学模 型；建立虚拟发电厂优化调度模型的目标函数与电能的约束条件；联合水泵和水 箱的数学模型和目标函数与电能的约束条件得到电力系统和供水系统联合优化 调度的线性混合整数规划模型；利用求解器对线性混合整数规划模型进行求解， 根据求解结果确定水泵的运行时段，实现发电厂优化调度。

具体的，建立水泵—水箱的数学模型具体为：

确定t时刻，第i个水泵的压力

其中，ρ表示水的密度，g表示重力加速度，

进一步的，在t时刻，第i个水泵的压力

其中，

进一步的，水箱存在一个等式约束和不等式约束：

其中，

具体的，虚拟发电厂的优化调度模型以最小化日工作成本为目标函数，包括 与电网的电能的交换成本，削峰补偿成本和填谷补偿成本，具体形式表示为：

min C

其中，

进一步的，虚拟发电厂的优化调度模型的约束条件如下：

其中，N

具体的，对混合整数规划模型的案子非线性部分进行线性化，得到水泵消耗 功率

其中，s代表分段的编号，

进一步的，令

进一步的，水泵消耗功率满足约束如下：

其中，ρ表示水的密度，g表示重力加速度，

本发明的另一个技术方案是，一种计及供水系统的虚拟发电厂优化调度系 统，包括：

建模单元，建立水泵—水箱的数学模型；

约束单元，建立虚拟发电厂优化调度模型的目标函数与电能的约束条件；

处理单元，联合水泵和水箱的数学模型和目标函数与电能的约束条件得到电 力系统和供水系统联合优化调度的线性混合整数规划模型；

优化单元，利用求解器对线性混合整数规划模型进行求解，根据求解结果确 定水泵的运行时段，实现优化调度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种计及供水系统的虚拟发电厂优化调度方法，将供水系统中的水泵 —水箱纳入到虚拟发电厂调度模型中，使得水泵在分时电价相对比较低或者是中 等的时刻向水箱中存储水量，在用电高峰期时水泵基本不工作，用户的用水需求 通过水箱中存储的水量来实现平衡，能大大实现削峰的效果，提高整个电力系统 的稳定性和经济性。同时本发明提出来的数学模型采用的分段线性化的思想，使 得求解方面可以更加容易地通过商业求解器求解；除此之外，同时通过仿真证实 了本发明专利在水箱容量更大时能够获得更大的收益。

进一步的，在虚拟发电厂中加入水泵-水箱系统可以充分利用用户侧的资源 来减少用电高峰期带来的发电压力。同时由于大部分建筑的供水系统都含有水泵 和水箱，采用水泵-水箱模型进行分析具有一定的普适意义。

进一步的，水箱具有一定的容量，在实际应用过程中存储水位不应该高于水 箱的实际最大高度，保证了模型应用的合理性。

进一步的，从运行的经济性出发，以运行成本最小为目标函数具有一定的实 践价值与应用前景。

进一步的，考虑各种在运行过程中可能遇到的一些限制情况，并通过约束条 件的形式加入到优化调度模型中，大大提高的模型适应实际的能力，求出的结果 也更加合理。

进一步的，为了使得问题能够利用求解器求解，同时提高求解速度，对水泵 的模型进行了分段线性化，在保证误差很小的情况下，能更好地改善求解性能。

进一步的，通过对水泵模型的线性化处理便能得到各个线性段的斜率，同时 考虑到水泵模型是一个非凸函数因此通过加入一个0-1变量来实现分段线性化的 等价性。

综上所述，本发明将供水系统中的水泵—水箱纳入到虚拟发电厂调度模型 中，使得水泵在分时电价相对比较低或者是中等的时刻向水箱中存储水量，在用 电高峰期时水泵基本不工作，用户的用水需求通过水箱中存储的水量来实现平 衡，能大大实现削峰的效果，提高整个电力系统的稳定性和经济性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明建模的水泵—水箱模型；

图2为本发明应用对象虚拟发电厂的组成结构图；

图3为本发明分段线性化误差比较图；

图4为虚拟发电厂削峰模式下的调度结果图。

具体实施方式

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包 含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一 个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的 目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那 样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该” 意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包 括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按 比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些 细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是 示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人 员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明一种计及供水系统的虚拟发电厂优化调度方法，包括以下步骤：

S1、建立水泵—水箱的数学模型；

水泵—水箱的工作原理是当水厂送来的水经过建筑物的水泵系统时，水泵将 水厂送来的水加压以后送至楼顶的水箱中存储起来，当用户有用水需求时，水箱 将水供应给用户；这样的一个供水系统并不需要实时平衡考虑到水箱的存储作 用。

在t时刻，第i个水泵的压力

其中，

得到功率

并有约束：

其中，

对于水箱来说，存在一个等式约束和不等式约束：

其中，

S2、建立目标函数与电能的约束条件；

虚拟发电厂的优化调度模型以最小化日工作成本为目标函数，即包括与电网 的电能的交换成本，削峰补偿成本和填谷补偿成本，具体形式表示为：

min C

其中，

考虑到电网的电能不能大量存储，需要实时平衡，以及虚拟发电厂中各个元 件的出力限制，得到约束条件如下：

其中，N

S3、联合步骤S1水泵和水箱的数学模型和步骤S2的约束条件得到全系统的 线性混合整数规划模型；

由于模型是非线性的混合整数规划模型，因此需要对非线性部分进行线性 化，从而简化求解过程。将式(4)分为m段，则水泵消耗功率的表达式为：

其中，s代表分段的编号，

令

同时应该满足约束：

在上述的约束中，确保在第一段填满以后才会填后续段，保证了分段线性化 的有效性。

S4、利用求解器对步骤S3得到的线性混合整数规划模型进行求解。

求解结果表明水泵将在高电价时间减少电能使用，而在电价相对较低的时段 运行，从而减少虚拟发电厂的运行经济成本。由于水泵的控制不属于供水公司的 管辖范围，只需在水泵处安装一些控制装置即可实现对水泵的控制，避免了电力 公司和供水公司的协调问题，因此可以十分方便地应用在各种含水泵-水箱系统 的建筑物中。

本发明重点考虑利用建筑中常见用能系统——供水系统，参与虚拟发电厂调 度来减少系统在高峰期的削峰压力同时降低运行成本。考虑到供水系统与电力系 统有显著的物理特性区分，要实现两系统的联合调度相对比较困难，因此主要是 针对水泵—水箱系统参与虚拟发电厂的能量管理调度来开展。

本发明再一个实施例中，提供一种计及供水系统的虚拟发电厂优化调度系 统，该系统能够用于实现上述计及供水系统的虚拟发电厂优化调度方法，具体的， 该计及供水系统的虚拟发电厂优化调度系统包括建模单元、约束单元、处理单元

其中，建模单元，建立水泵—水箱的数学模型；

约束单元，建立虚拟发电厂优化调度模型的目标函数与电能的约束条件；

处理单元，联合水泵和水箱的数学模型和目标函数与电能的约束条件得到电 力系统和供水系统联合优化调度的线性混合整数规划模型；

优化单元，利用求解器对线性混合整数规划模型进行求解，根据求解结果确 定水泵的运行时段，实现优化调度。

求解结果表明水泵将在高电价时间减少电能使用，而在电价相对较低的时段 运行，从而减少虚拟发电厂的运行经济成本。由于水泵的控制不属于供水公司的 管辖范围，只需在水泵处安装一些控制装置即可实现对水泵的控制，避免了电力 公司和供水公司的协调问题，因此可以十分方便地应用在各种含水泵-水箱系统 的建筑物中。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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前 提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，图1显示了本发明中所提到的水泵—水箱模型的结构示意图，图2 展示了虚拟发电厂的组成与功能。接下来以某城市的一个地区为例，展示本发明的具体实施方 式。

请参阅图3，搜集了该地区的水泵的参数和水箱参数后，根据参数得到相应的非线性的水 泵—水箱模型，之后对其进行分段线性化，取分段的段数为5，分段线性化的结果如图3所示， 可以看到分段线性化得到的曲线和真实曲线相比最大的误差小于0.05kW，说明采用这种方式 来进行近似所带来的误差是相当小的。因此便可以建立上文所提到的线性混合整数规划的优化 调度问题。

请参阅图4，所示的调度结果，可以发现水泵使用电能抽水的时段主要集中在低电价和中 电价的时段，在高电价时，利用水箱存储的水量来供给用户。为了体现本发明的优越性，与水 泵不参与优化调度的方案进行了对比，收益比较表如表1所示。

表1独立工作与联合工作收益比较表

可以明显看出，本发明提出的方法可以带来更大的收益。

同时为了探索本发明带来的收益与水箱大小之间的关系，以水箱底面积变 量，求解了收益随水箱底面积大小的变化结果，得出了水箱容积越大，本发明带 来的收益也会越大。除此之外，本发明也适用于多种需求响应场景，鲁棒性好， 在大多数的情况下都能带来比较可观的收益，其结果如表2所示。

表2不同模式下的总利润和响应能力表

综上所述，本发明一种计及供水系统的虚拟发电厂优化调度方法及系统，不 仅适用于一种正常工作的模式响应也适用于其他多种模式，鲁棒性好，例如削峰 和填谷。同时本发明提供的与优化调度方法与独立运行模式相比，明显能带来更 高的收益，这个收益随着水泵容量的增大而增大，具有十分好的应用场景。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算 机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软 件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计 算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、 光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品 的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或 方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框 的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机 或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可 编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个 流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指 令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和 /或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得 在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从 而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或 多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发 明权利要求书的保护范围之内。