一种考虑区域供冷的电-冷系统韧性优化方法

本发明涉及能源系统优化调度与综合能源韧性提升，尤其涉及一种考虑区域供冷的电-冷系统韧性优化方法。

背景技术：

1、在极端高温天气下，建筑空调、数据中心、医院、冷链库和药品冷藏库等冷负荷快速增长，配电网供电压力显著上升。同时，极端高温会导致分布式光伏组件温度升高、实际可用出力下降，并可能引起电力设备过热故障，使局部区域与主网连接能力下降甚至形成供能孤岛。此时，若仅从电力平衡角度开展故障后恢复调度，难以准确刻画冷能供应、管网输送、末端温度安全以及冷负荷热惯性对系统韧性的影响。

2、区域供冷网络作为冷源和冷负荷之间的重要输送环节，其运行状态直接决定冷负荷获得的实际供冷品质。现有电-冷系统优化方法中，冷网常被简化为冷量平衡节点，忽略了供水侧质量流量、供水温度传输、管道冷量损失、水泵功耗和末端换热能力等物理特征，导致优化结果难以反映极端高温下冷网输送品质下降的问题。

3、另一方面，不同类型冷负荷对温度安全的要求差异明显。数据中心、医院、冷链库和药品冷藏库等关键冷负荷通常具有严格温度边界；商业建筑、酒店、写字楼和住宅区则具有不同服务时段和热惯性特征。若仅采用冷负荷削减量或失供量评价冷侧韧性，难以描述冷负荷温度逐步偏离安全范围的动态过程。

4、因此，需要提出一种极端高温下考虑区域供冷网络与多类型冷负荷温度安全的电-冷系统韧性优化方法，用以同时刻画冷网输送过程、多类型冷负荷温度动态和电-冷耦合运行约束，从而提升极端高温故障场景下电-冷系统的服务连续性和综合韧性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种考虑区域供冷的电-冷系统韧性优化方法，完整搭建电-冷耦合全维度线性化约束模型，量化不同等级冷负荷温度越限退化程度，协同固定冷源、移动储冷、移动储能、分布式电源开展联合优化调度，实现极端高温故障场景下系统韧性优先、运行成本可控的协同调度。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种考虑区域供冷的电-冷系统韧性优化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：构建电-冷耦合系统数据输入模型，统一采集配电网、区域供冷管网、冷源设备、多类型冷负荷、移动储能和储冷资源、环境扰动全部基础运行参数；

4、步骤s2：构建区域供冷网络半物理线性化模型，完整表征管网水力输送、冷水沿程温度变化、末端换热、管道冷量损耗、循环水泵耗电物理特性，采用源端等效回水冷量平衡方式消除回水混温环节非线性约束；

5、步骤s3：构建多类型冷负荷温度安全动态模型，区分管网直供冷负荷、独立机组直供低温负荷两类冷需求，依托负荷建筑或储藏空间热惯性建立逐时段温度演化方程，引入温度越限量量化冷服务质量退化程度；

6、步骤s4：构建冷源固定设备与移动储冷资源协同调度模型，建立移动储冷设备时空位置整数约束、分节点充放冷状态约束、车载储冷介质温度动态更新约束、换热功率上限约束；

7、步骤s5：构建配电网运行约束、分布式电源出力模型、移动储能充放电约束与区域供冷系统用电负荷耦合的电-冷联合平衡约束，统一计入电制冷机、固定蓄冷充冷、管网循环水泵、移动储能充放电全部用电需求；

8、步骤s6：构建韧性优先、运行成本兼顾的优化目标函数，以系统综合韧性指标最大化为核心优化目标、系统运行成本为次要约束，采用混合整数线性规划或混合整数二次规划算法求解，输出极端高温故障工况下电-冷系统协同调度方案。

9、优选的，步骤s1中，采集的基础运行参数具体包括：配电网节点集合、区域供冷管网节点集合、冷源节点集合、冷负荷节点集合、供冷管道集合、分时电负荷需求、时变冷负荷需求、逐时段环境温度、光照强度、配电线路阻抗参数、供冷管道参数、电制冷机与固定蓄冷设备额定运行参数、移动储能车容量与充放电效率参数、移动储冷车换热介质参数和各类冷负荷允许温度安全上下限；

10、定义配电网节点标识为，区域供冷管网节点标识为；区域供冷管网节点集合划分为冷源节点集合、冷负荷节点集合、中间传输节点集合；供冷管道集合记为；辐射型区域供冷管网内任一非冷源节点的上游父节点记为，下游子节点集合记为；

11、多类型冷负荷划分为两类：

12、①管网供冷型负荷：依托区域供冷管网统一输送冷水供冷，包含商业综合体、写字楼、居民住宅区、数据中心、医院、工业园区；

13、②独立直供低温负荷：配套专用低温制冷机组独立供冷，温度约束严苛，包含冷链储藏库、药品冷藏库。

14、优选的，步骤s2中，区域供冷网络半物理线性化模型包含8组线性约束，各组约束表达式及参数完整释义如下：

15、①供水网络质量守恒与管道流量约束：

16、非源节点流量守恒：

17、；

18、中间传输节点无本地换热支路质量流量：；

19、管道流量上限约束：；

20、式中：为时段管道内部供水质量流量；为负荷节点换热支路质量流量；为管道最大允许输送质量流量；

21、②管道供水温度沿程传输约束：

22、；

23、管网节点供水温度运行区间：；

24、冷源设备出水温控区间：；

25、式中：为节点时段供水温度；为时段环境温度；为管道温度保持系数，由管道长度、保温性能、环境换热条件预先标定；

26、③负荷侧换热过程线性化约束：

27、原始非线性换热公式：；

28、引入辅助变量完成去乘积线性化，变换后：；

29、对变量采用mccormick线性外包络法处理，消除流量与温差相乘带来的非线性；

30、式中：为节点区域管网实际供冷量；为载冷剂定压比热容；为负荷侧换热器供回水温差；

31、④末端换热器换热能力约束：

32、；

33、式中：为节点末端换热器等效传热系数；为负荷对应建筑或储藏空间内部温度；为节点时段冷负荷总需求；

34、⑤管道冷量传输与冷量损耗约束：

35、管道进出口冷量平衡：；

36、流量线性冷损表达式：；

37、管道冷量与流量匹配区间：；

38、非源节点全局冷量平衡：；

39、式中：、分别为管道入口、出口冷量；为管道输送过程冷量损失；为管道单位质量流量冷损系数；、为管网设计标准供回水温差上下限值；

40、⑥冷源节点冷量注入约束：

41、；

42、冷源总供冷量分解：；

43、式中：为冷源节点时段总输出冷量；为固定蓄冷装置释冷量；为电制冷机直供冷量；

44、⑦源端等效回水冷量全局平衡约束：

45、；

46、该约束保留闭式区域供冷管网回水回流冷却的物理逻辑，规避多节点回水混合温度计算产生的非线性乘积、除法运算；

47、⑧管网循环水泵功耗线性近似约束：

48、；

49、式中：为全区域供冷管网水泵总耗电功率；为水泵空载基础功率；为管道单位质量流量对应的水泵耗电系数。

50、优选的，步骤s3中，多类型冷负荷温度安全动态模型包含负荷温度动态演化方程、分类型冷量供给方程、温度越限安全约束三部分：

51、①负荷内部温度动态更新方程：

52、；

53、式中：为优化调度时段步长；为负荷建筑或储藏空间等效热容；为围护结构等效热阻；为节点时段总获取冷量；为室内设备、人员、照明产生的内部热扰动；

54、②分类型负荷冷量供给表达式：

55、管网供冷型负荷总获冷量：；

56、独立直供低温负荷总获冷量：；

57、低温制冷机组冷量-耗电耦合关系：；

58、机组运行上下限：；

59、式中：为移动储冷车向节点释放冷量；为低温专用制冷机性能系数；为低温机组耗电功率；、分别为低温机组额定冷量、额定输入电功率；

60、③温度越限量量化约束：

61、；

62、式中：、为负荷允许运行温度上下安全边界；为温度越限量，用于量化冷负荷服务质量退化程度，区别于传统仅依靠切负荷量评价冷侧韧性的方式。

63、优选的，步骤s4中，冷源与移动储冷协同模型包含移动储冷车时空唯一性约束、分节点充放冷位置约束、车载储冷介质温度动态、放冷换热功率上限约束：

64、①单台移动储冷车时空唯一约束：

65、；

66、式中：为整数变量，代表时段储冷车停靠在管网节点；为整数变量，代表车辆时段在管道区间行驶转运；

67、②充冷、放冷位置限定约束：

68、仅允许在冷源节点完成充冷：；

69、仅允许在负荷节点完成放冷补冷：；

70、式中：、为状态变量，分别代表车辆时段处于充冷、放冷工作状态；

71、③车载储冷介质温度动态更新方程：

72、；

73、车载介质温度上限约束：；

74、式中：为车载储冷介质时段温度；为车辆闲置、转运过程环境热损耗升温项；为源端充冷降温项；为负荷端放冷升温项；为车载储冷介质最高允许温度；

75、④移动储冷车放冷换热功率约束：

76、；

77、式中：为车载换热器等效换热系数；为负荷节点回水温度。

78、优选的，步骤s5中，电侧支撑与电-冷耦合约束模型包含配电网潮流平衡约束、线性化电压约束、光伏高温降额出力模型、燃气轮机发电能耗模型、移动储能荷电状态更新、全网节点综合用电负荷耦合方程：

79、①配电网节点有功、无功功率平衡方程：

80、；

81、；

82、式中：为配电网节点相邻节点集合；、为线路时段有功、无功潮流；、为节点分布式电源有功、无功出力；

83、②配电网线性化电压降约束：

84、；

85、；

86、式中：为节点时段电压幅值；、分别为线路电阻、电抗；为常数；为线路运行通断状态变量；

87、③分布式光伏极端高温降额出力模型：

88、；

89、式中：光伏组件额定功率；实时光照辐照度；标准测试辐照度；光伏功率温度系数；光伏组件工作温度；标准测试温度；

90、④燃气轮机发电与天然气消耗耦合关系：

91、；

92、式中：燃气轮机发电效率；机组天然气消耗量；天然气低热值；

93、⑤移动储能车荷电状态动态更新方程：

94、；

95、式中：储能车时段荷电状态；储能车额定容量；、分别为充电、放电效率；、为充电、放电功率；

96、⑥电-冷耦合节点总用电负荷方程：

97、；

98、式中：表示节点的基础电负荷；表示移动储能车充电功率；表示固定蓄冷装置充冷耗电功率；表示电制冷机输入电功率；表示区域供冷管网循环水泵耗电功率。

99、优选的，步骤s6中，优化目标函数采用韧性最大化为主、运行成本为辅的加权单目标形式：

100、；

101、式中：为系统综合优化目标值；系统综合韧性指标；全调度周期系统运行总成本；为经济成本权重系数，极端高温故障工况下调低数值，优先保障系统供冷、供电韧性；

102、系统综合韧性指标由电力侧、冷负荷侧韧性指标加权耦合：

103、；

104、式中：、分别为电力侧、冷负荷侧韧性权重；电负荷服务连续率；冷负荷温度安全率。

105、优选的，电负荷服务连续率、冷负荷温度安全率的完整计算公式如下：

106、①电负荷服务连续率：

107、；

108、式中：为节点电负荷重要性权重；为时段节点切负荷功率；

109、②冷负荷温度安全率：

110、；

111、式中：为冷负荷重要性权重；为标志变量，代表该时段负荷温度安全约束生效。

112、优选的，系统运行总成本由五类分项成本叠加构成：

113、；

114、各分项成本表达式：

115、①主网购电成本：；

116、②燃气轮机燃料消耗成本：；

117、③制冷、蓄冷设备耗电成本：；

118、④区域供冷管网水泵运行电：；

119、⑤移动储能、移动储冷车辆调度运输成本：；

120、式中：分时电网购电电价；系统与上级主网交互功率；天然气单位价格；单台移动车辆单位时段调度成本；车辆时段处于转运状态的变量。

121、优选的，步骤s6求解输出的协同调度方案包含全部电-冷系统运行决策变量，具体包括：电制冷机逐时段冷量出力、固定蓄冷装置充放冷量、区域供冷各管道质量流量、全部管网节点供水温度、各类型冷负荷逐时段室内温度、移动储冷车全时段时空位置与充放冷功率、移动储能车充放电功率、燃气轮机发电出力、分布式光伏消纳功率、配电网各节点切负荷量。

122、因此，本发明采用上述的一种考虑区域供冷的电-冷系统韧性优化方法，具有以下好处：

123、（1）本发明在冷网侧保留质量守恒、供水温度传输、管道冷损失、源端等效回水冷量平衡和水泵功耗等关键特征，避免将区域供冷网络过度简化为单一冷量平衡节点，提高了冷网建模的物理可解释性；

124、（2）本发明在冷负荷侧建立多类型冷负荷温度动态与温度越限量模型，能够根据不同冷负荷的温度边界、服务时段和重要性权重评价冷服务质量退化过程，比单纯采用冷负荷失供量更能反映极端高温下冷侧韧性变化；

125、（3）本发明将冷网水泵功耗、制冷机耗电功率、移动储冷车补冷功率、移动储能车充放电功率、电负荷切除量和配电网运行约束统一耦合，实现了电力资源与冷能资源的联合优化调度；

126、（4）本发明通过电负荷服务连续率和冷负荷温度安全率构建系统综合韧性指标，在韧性优先的基础上兼顾系统运行成本，适用于极端高温、供电能力下降、冷网输送受限和多类型冷负荷保供等场景。

127、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。