一种考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法及装置

技术领域

本发明属于综合能源系统技术领域，尤其涉及一种考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法及装置。

背景技术

随着全球环境问题日趋恶化和传统化石能源面临枯竭，可再生清洁能源得到了大力发展。一方面，由于风能、太阳能等清洁能源本身具有较大的随机性和波动性，其高比例接入对电网安全稳定可靠运行带来极大挑战；另一方面，传统能源行业（电、天然气、供热等）单独规划、设计和运营不利于能源系统综合能效的提升。

完整的综合能源系统有利于提高各能源子系统间的协调运行，提高供能的可靠性和安全性，现有对综合能源系统运行调控的方法主要集中于单个元件的运行调控，通过仿真法进行模拟，或通过摄动法进行灵敏度分析，估算出调控量。但是现有的运行调控方法容易使得调控精度差而且造成调控成本偏大。

发明内容

本发明提供一种考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法及装置，用于至少解决上述技术问题之一。

第一方面，本发明提供一种考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法，包括以下步骤：构建含有风电、光伏的电-气综合能源系统的稳态模型，通过牛顿拉夫逊法求解所述电-气综合能源系统多能流，以获取所述电-气综合能源系统中各个元件的运行状态；对所述电-气综合能源系统中各个元件进行安全校验，使筛选出所述电-气综合能源系统中越限运行的元件，并计算所述电-气综合能源系统变量间的影响因子，其中，所述影响因子为通过雅克比矩阵和变量间的微分关系计算得到；据所述影响因子和调控成本构建Pareto最优目标函数，通过求解目标函数使得到Pareto最优解集，其中，所述Pareto最优解集具体为影响因子与控制成本的最优解集；基于所述Pareto最优解集构建所述电-气综合能源系统的优化控制模型；依据求解所述优化控制模型得到的结果，对所述电-气综合能源系统中越限运行的元件进行自治安全控制。

第二方面，本发明提供一种考虑调控成本的综合能源系统自治调控装置，包括：第一求解模块，配置为构建含有风电、光伏的电-气综合能源系统的稳态模型，通过牛顿拉夫逊法求解所述电-气综合能源系统多能流，以获取所述电-气综合能源系统中各个元件的运行状态；校验模块，配置为对所述电-气综合能源系统中各个元件进行安全校验，使筛选出所述电-气综合能源系统中越限运行的元件，并计算所述电-气综合能源系统变量间的影响因子；第二求解模块，配置为依据所述影响因子和调控成本构建Pareto最优目标函数，通过求解目标函数使得到Pareto最优解集，其中，所述Pareto最优解集具体为影响因子与控制成本的最优解集；构建模块，配置为基于所述Pareto最优解集构建所述电-气综合能源系统的优化控制模型；控制模块，配置为依据求解所述优化控制模型得到的结果，对所述电-气综合能源系统中越限运行的元件进行自治安全控制。

第三方面，本发明还提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施方式的考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法的步骤。

第四方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行本发明任一实施方式的考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法的步骤。

本申请的方法及装置提供的方案基于电-气综合能源系统中潮流计算结果的线性影响因子和调控成本构建Pareto最优目标函数，通过求解目标函数使得到Pareto最优解集，既选出多个最优调控方式，并根据Pareto最优解集构建电-气综合能源系统的优化控制模型，规避了现有技术中采用非线性模型优化，使得计算速度慢、结果不准确的问题，而且在进行元件定量控制过程中考虑了调控成本的因素，使得在实现了综合能源系统自治控制与管理的同时，尽可能的减小了调控成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明一实施例提供的一种考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供一个具体实施例的综合能源系统IES4-12的拓扑图；

图3为本发明一实施例提供一个具体实施例的综合能源系统能量流计算结果示意图；

图4为本发明一实施例提供一个具体实施例的通过多目标优化得到的Pareto解集示意图；

图5为本发明一实施例提供一个具体实施例的综合能源系统IES4-12的控制前后电力系统状态示意图；

图6为本发明一实施例提供一个具体实施例的综合能源系统IES4-12的控制前后天然气系统状态示意图；

图7为本发明一实施例提供的综合能源系统自治调控装置的结构框图；

图8是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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，其示出了本申请的考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法一实施例的流程图。

如图1所示，一种考虑调控成本的综合能源系统自治调控方法包括以下步骤：

S101，构建含有风电、光伏的电-气综合能源系统的稳态模型，通过牛顿拉夫逊法求解电-气综合能源系统多能流，以获取电-气综合能源系统中各个元件的运行状态；

其中，上述运行状态包括电压状态、相角状态、支路潮流状态、压力状态以及管道流量状态。

S102，对电-气综合能源系统中各个元件进行安全校验，使筛选出电-气综合能源系统中越限运行的元件，并计算电-气综合能源系统变量间的影响因子，其中，所述影响因子为通过雅克比矩阵和变量间的微分关系计算得到；

其中，安全校验包括电压安全约束校验、支路热稳定校验、天然气系统节点气压安全校验、天然气管道流量安全校验。

电-气综合能源系统变量间的影响因子包括电压-有功负荷影响因子、支路潮流-有功负荷影响因子、气压-天然气负荷影响因子、管道流量-天然气负荷影响因子。

S103，依据影响因子和调控成本构建Pareto最优目标函数，通过求解目标函数使得到Pareto最优解集，其中，Pareto最优解集具体为在影响因子增加时，不存在调控成本降低的解的集合；

S104，基于Pareto最优解集构建电-气综合能源系统的优化控制模型；

其中，电-气综合能源系统的优化控制模型具体为：

构建的目标函数为：燃气轮机负荷控制量与调控成本相乘，所有调控成本求和。

构建的约束条件为：在安全约束范围内，对当前气压与控制量所引起的气压变化加和，以及对当前管道流量与控制量所引起的管道流量变化加和。

S105，依据求解优化控制模型得到的结果，对电-气综合能源系统中越限运行的元件进行自治安全控制。

本实施例的方法，考虑风电、光伏等分布式电源，构建包含电力系统和天然气系统的综合能源系统协同管控运行模型，通过计算系统能量流方程确定系统的运行状态，进而对系统元件进行安全校验；分析电力系统和天然气系统的耦合机理，探究系统中变量间的影响因子；研究系统安全调控方案，以调控成本和调控影响因子为目标构建Pareto最优函数，将调控措施的非劣最优解全部筛选出来；进一步，构建综合能源系统自治调控模型，通过改变控制元件的运行点调整系统越限元件的运行状态，实现兼顾安全运行与调控成本的自治安全调控。

在一些可选的实施例中，电-气综合能源系统的稳态潮流模型包括电力系统非线性交流潮流模型和天然气系统非线性Weymouth模型。

在一些可选的实施例中，牛顿拉夫逊迭代法为利用输入量的偏差量与雅克比矩阵相乘，修正状态量得到稳态能流结果的方法。

实施例1

下面结合图1、以及具体的计算公式对上述的技术方案进一步地介绍，具体如下：

一、构建含有风电、光伏的电-气综合能源系统的稳态模型：

首先应分别建立电力系统、天然气系统以及燃气轮机模型。

步骤1-1、建立的电力系统模型采用传统电力系统交流模型具体为：

其中：

电力系统节点功率方程可表示为：

其中：

光伏发电运行模型：

其中：

风电机组发电运行模型：

其中：

步骤1-2、天然气系统运行模型具体为：

其中：

符号函数

天然气节点能流稳态方程可描述为：

其中：

天然气系统中压缩机耗气量方程可描述为：

其中：

天然气压缩机变比：

其中：

天然气压缩机常用运行模式主要包括天然气压缩机变比控制模式和天然气压缩机出口压力控制模式两种，根据公式(8)和公式(9)计算天然气系统相关量。

步骤1-3、建立的耦合元件模型具体为：

燃气轮机功率方程可描述为：

其中：

步骤1-4、计算多能流所运用的牛顿法的模型具体为：

牛顿法的迭代过程可描述为：

其中：

二、对电-气综合能源系统中各个元件进行安全校验

步骤2-1、电力系统安全约束条件为：

1）电力系统节点电压约束为：

式中，

2）电力系统支路潮流约束为：

式中，

步骤2-2、天然气系统安全约束条件为：

1）天然气系统节点压力约束为：

式中，

2）天然气系统管道流量约束为：

式中，

三、依据影响因子和调控成本构建Pareto最优目标函数，通过求解目标函数使得到Pareto最优解集

其中，构建Pareto最优目标函数主要包括综合能源系统子系统影响因子分析：

综合能源系统子系统变量间的影响因子表示电力系统节点注入功率对电压、潮流以及天然气系统节点气量对气压、流量的局部线性化影响关系，是综合能源系统自治控制的基础。

步骤3-1、综合能源系统子系统状态量-负荷变量间的影响因子

1）电力系统变量间的影响因子可表示为：

计算节点电压、相角-电力系统负荷的影响因子:

其中：

计算支路有功潮流-电力系统负荷的影响因子：

其中：

支路潮流对节点电压及相角的微分关系可通过式(1)和式(18)中的相关量计算得出。

2）天然气系统变量间的影响因子可表示为：

计算节点气压-天然气系统负荷增量的影响因子:

其中：G为节点压力对节点负荷的偏导数，

计算管道流量-天然气负荷的影响因子：

管道流量对节点压力的微分关系可通过式(5)和式(20)中的相关量计算得出。

步骤3-2、控制措施的优化排序模型

对系统安全调控的影响因子和调控价格构建Pareto最优目标函数，并进行求解。

Pareto最优解又称Pareto非劣解集，其定义可表述为：

式中：ω为调控成本，dL为影响因子，T表示矩阵的转置。

多目标综合能源系统安全控制问题是一种向量优化问题，候选方案优劣取决于目标向量的比较和排序。基于Pareto的最优安全控制措施优化在于搜索尽可能完整和分布均匀的Pareto非劣解集作为决策方案集，进而在方案集中基于一定的原则和偏好进行最后决策。

四、基于Pareto最优解集构建电-气综合能源系统的优化控制模型

Pareto最优解集筛选了大量的非劣解，可在此基础上构建综合能源系统优化控制模型。

步骤4-1、燃气轮机有功出力变化量的计算方法

1）燃气轮机有功出力-节点电压的调控量计算：

式中，

2）燃气轮机有功出力-支路潮流的调控量计算：

式中，

步骤4-2、综合能源系统优化控制模型的构建：

1）综合能源系统优化控制模型目标函数：

式中，ω为调控成本。

2）优化模型的约束条件为：

节点压力约束

式中，

式中，

管道流量约束：

式中，

式中，

综上描述，本发明实施例通过上述步骤可以实现综合能源系统的安全控制，满足了实际应用中的多种需要。

实施例2

本发明实施例以IES4-12的系统为例，验证自治控制策略的有效性及合理性，其拓扑结构如图2所示。计算结果如表1所示。优化结果的元件出力变化最小，调控成本最低。

表1

首先，求解IES4-12能量流方程，得到IES4-12运行状态如图3所示，发现当前运行状态出现电力系统电压及支路潮流越限的情况。

其次，求取电力系统变量间的影响因子，进而构建Pareto最优目标函数，构建步骤3-2中的优化排序模型，得到Pareto最优非劣解如图4所示，构建步骤4-2中的优化控制模型，并求取变化量，并和只利用单台燃气轮机的调控方式进行对比，得到调节前后的电力系统状态示意图如图5所示。显然，单独利用MT2进行调控，不能达到安全控制目的，单独使用MT1进行调控可达到控制目的，但结果经济型明显不足。

为证明优化模型的有效性，计算了天然气系统的变量间的影响因子。再对天然气系统进行安全校核如图6所示。显然，单独利用MT2进行调控，受制于天然气系统安全约束影响系统无法进行继续调控。

实施例3

进一步参阅图7，其示出了本发明一实施提供的综合能源系统自治调控装置的结构框图。

如图7所示，综合能源系统自治调控装置200，包括第一求解模块210、校验模块220、第二求解模块230、构建模块240以及控制模块250。

其中，第一求解模块210，配置为构建含有风电、光伏的电-气综合能源系统的稳态模型，通过牛顿拉夫逊法求解电-气综合能源系统多能流，以获取电-气综合能源系统中各个元件的运行状态；

校验模块220，配置为对电-气综合能源系统中各个元件进行安全校验，使筛选出电-气综合能源系统中越限运行的元件，并计算电-气综合能源系统变量间的影响因子；

第二求解模块230，配置为依据影响因子和调控成本构建Pareto最优目标函数，通过求解目标函数使得到Pareto最优解集，其中，Pareto最优解集具体为在影响因子增加时，不存在调控成本降低的解的集合；

构建模块240，配置为基于Pareto最优解集构建电-气综合能源系统的优化控制模型；

控制模块250，配置为依据求解优化控制模型得到的结果，对电-气综合能源系统中越限运行的元件进行自治安全控制。

应当理解，图7中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图7中的诸模块，在此不再赘述。

实施例4

本发明实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的综合能源系统自治调控方法；

作为一种实施方式，本发明的非易失性计算机存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：

构建含有风电、光伏的电-气综合能源系统的稳态模型，通过牛顿拉夫逊法求解电-气综合能源系统多能流，以获取电-气综合能源系统中各个元件的运行状态；

对电-气综合能源系统中各个元件进行安全校验，使筛选出电-气综合能源系统中越限运行的元件，并计算电-气综合能源系统变量间的影响因子；

依据影响因子和调控成本构建Pareto最优目标函数，通过求解目标函数使得到Pareto最优解集，其中，Pareto最优解集具体为在影响因子增加时，不存在调控成本降低的解的集合；

基于Pareto最优解集构建电-气综合能源系统的优化控制模型；

依据求解优化控制模型得到的结果，对电-气综合能源系统中越限运行的元件进行自治安全控制。

实施例5

本发明实施例还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述任一项综合能源系统自治调控方法。

图8是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图8所示，该设备包括：一个或多个处理器310以及存储器320，图8中以一个处理器310为例。综合能源系统自治调控方法的设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。存储器320为上述的非易失性计算机可读存储介质。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例综合能源系统自治调控方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与综合能源系统自治调控装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。

上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。

作为一种实施方式，上述电子设备应用于综合能源系统自治调控装置中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：

构建含有风电、光伏的电-气综合能源系统的稳态模型，通过牛顿拉夫逊法求解电-气综合能源系统多能流，以获取电-气综合能源系统中各个元件的运行状态；

对电-气综合能源系统中各个元件进行安全校验，使筛选出电-气综合能源系统中越限运行的元件，并计算电-气综合能源系统变量间的影响因子；

依据影响因子和调控成本构建Pareto最优目标函数，通过求解目标函数使得到Pareto最优解集，其中，Pareto最优解集具体为在影响因子增加时，不存在调控成本降低的解的集合；

基于Pareto最优解集构建电-气综合能源系统的优化控制模型；

依据求解优化控制模型得到的结果，对电-气综合能源系统中越限运行的元件进行自治安全控制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。