基于区间二型模糊集的园区综合能源优化调度方法及系统

本发明涉及电力系统综合能源，尤其涉及基于区间二型模糊集的园区综合能源优化调度方法及系统。

背景技术：

1、随着全球能源转型的深入，园区综合能源系统（park-level integrated energy）作为整合电、热、冷、气等多种能源形式，实现协同规划、优化运行与高效管理的关键载体，已成为提升能源综合利用效率、促进可再生能源消纳的核心解决方案。pies的优化调度是实现其经济、低碳、安全运行的核心，其本质是一个涉及多能流耦合、多决策主体、多时间尺度的复杂决策问题。

2、现有研究主要采用三类优化方法：随机优化、鲁棒优化和模糊优化。随机优化依赖于不确定变量的精确概率分布，在实际中难以获取；鲁棒优化基于最坏场景进行决策，虽能保证鲁棒性但往往因过于保守而导致经济性牺牲。模糊优化因无需精确概率分布而受到关注，早期研究多采用一型模糊集（type-1 fuzzy set），例如使用模糊三角数来表示负荷需求的不确定性。然而，一型模糊集的隶属度函数是精确的，当用于描述如“用户响应意愿为‘中等’到‘较高’之间”这类本身存在语义模糊或专家判断不一致的复杂不确定性信息时，会损失大量模糊信息，导致模型失真，决策依据的可靠性下降。

3、近年来，区间二型模糊集（interval type-2 fuzzy set, it2fs）因其能通过足迹不确定性（footprint of uncertainty, fou）来刻画“隶属度函数的模糊性”，即更好地处理模糊性本身的模糊性，而被认为是更强大的建模工具。理论研究表明，与实数或一型模糊集相比，区间二型模糊集对模糊不确定性的刻画更准确，可有效减少信息失真。尽管已有研究将模糊理论用于刻画价格型需求响应的不确定性，或采用分布鲁棒优化处理负荷响应偏差，但如何将区间二型模糊集这一先进工具，系统地应用于刻画pies中负荷需求响应行为的高度模糊不确定性，并在此基础上构建同时权衡经济性、低碳性与运行风险的优化调度模型，仍是一个尚未得到充分解决的关键技术难题。

4、发明专利cn111222713a公开了一种考虑响应行为不确定性的园区能源互联网优化运行方法，其通过建立价格型需求响应不确定性模型，并结合可中断负荷、可转移负荷及可平移负荷实现园区优化运行。该方法主要采用一型模糊隶属函数及价格惩罚机制描述负荷响应的不确定性，能够一定程度降低响应偏差，但其仅对负荷响应偏差进行简单建模，难以表达需求响应过程中存在的二阶不确定性，对复杂用户行为及多源不确定信息的刻画能力有限，且未建立风险决策机制，对极端场景下的调度风险考虑不足。发明专利cn113610316a公开了一种不确定环境下考虑综合需求响应的园区综合能源系统优化调度方法，通过机会约束规划、序列运算理论及混合整数线性规划求解综合能源系统优化调度问题。该方法主要针对风电、光伏等随机出力的不确定性进行建模，并建立综合需求响应机制，但其需求响应模型仍采用固定参数及传统机会约束方式描述用户响应行为，无法充分反映需求响应过程中模糊性与认知不确定性并存的特点；同时未考虑不同类型需求响应资源之间模糊不确定性的差异，对需求响应建模精度仍有进一步提升空间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，本发明提供了基于区间二型模糊集的园区综合能源优化调度方法及系统，使其具有将不确定优化问题转化为可求解的确定性混合整数线性规划模型，从而具有建模精度高、求解效率高、经济性好、可靠性强及风险抵御能力强的优点。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、基于区间二型模糊集的园区综合能源优化调度方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、建立负荷需求响应不确定性的区间二型模糊集；

5、步骤s2、以电价差为激励信号，采用区间二型模糊可信性机会约束规划方法，建立可转移负荷tl的区间二型模糊集，其中，为t时刻的电价差，t为调度时刻；

6、步骤s3、以电价刺激信号为自变量，期望响应采用sigmoid形式，并用分段衰减的误差半径描述响应波动，建立可削减负荷cl的区间二型模糊集，其中，为t时刻的电价刺激信号，为削减负荷cl在电价刺激信号下的期望响应，为可削减负荷cl在电价刺激信号下的误差半径；

7、步骤s4、以能价差信号为驱动，期望响应采用双曲正切形式并配以高斯型误差半径，建立可替代负荷sl的区间二型模糊集；

8、步骤s5、量化模糊不确定性带来的经济影响，以最小化调度周期t内的系统总运行成本为目标，建立园区综合能源系统风险决策优化调度模型，其中，t为调度周期且取24小时；

9、步骤s6、利用清晰化等价形式，将含模糊参数的功率平衡约束转化为确定性不等式，建立基于模糊机会约束的功率平衡条件；

10、步骤s7、基于确定性混合整数线性规划模型进行优化求解，得到园区综合能源优化调度结果。

11、进一步的，所述步骤s1中，建立负荷需求响应不确定性的区间二型模糊集的具体过程为：

12、对于需求响应资源k在时刻t的响应率λk,t，通过上隶属函数umf与下隶属函数lmf共同围成的区域描述区间二型模糊集it2fs，其中，k为需求响应资源类型且k∈{tl，cl，sl}，λk,t为需求响应资源k在时刻t的响应率；

13、基于所述上隶属函数umf与所述下隶属函数lmf形成不确定性足迹fou，并将fou的宽度设置为随激励信号变化的变量：

14、

15、其中，umf为上隶属函数，lmf为下隶属函数，fou为不确定性足迹，为需求响应率，为隶属度值，为下隶属函数，为上隶属函数；

16、所述需求响应资源的响应率采用五元组的区间二型三角模糊数进行参数化表示，表达式为：

17、

18、其中为期望响应率，与分别为悲观响应边界和乐观响应边界；,表示lmf相对umf的左收缩量和右收缩量；

19、由“”规则生成：

20、

21、其中为对应资源的激励信号，为需求响应资源k的期望函数，为需求响应资源k的不确定性半径；

22、lmf的支撑集由umf的支撑集收缩为：

23、。

24、进一步的，所述步骤s2中，建立可转移负荷tl的区间二型模糊集的具体过程为：

25、以电价差为所述可转移负荷tl的激励信号，确定可转移负荷tl呈收敛-饱和分段特性的响应关系；

26、将所述可转移负荷tl的上边界响应率记为，将可转移负荷tl的下边界响应率记为，并在所述电价差位于收敛点d之前的收敛区间内，即：

27、

28、

29、其中为期望响应曲线，由上下边界间距确定，饱和区间内满足，其中，为可转移负荷tl的饱和响应率。

30、进一步的，所述步骤s3中，建立可削减负荷cl的区间二型模糊集的具体过程为：

31、以电价刺激信号为自变量，采用sigmoid形式计算可削减负荷cl的期望响应，基于分段衰减关系计算可削减负荷cl的误差半径，具体表达式如下：

32、

33、

34、其中，为sigmoid函数斜率参数，为sigmoid函数平移参数，为初始误差半径参数，为误差衰减参数；

35、生成可削减负荷cl的乐观响应边界和悲观响应边界：

36、

37、

38、根据物理可行域对进行截断，使削减比例限定在用户舒适度约束及生产约束允许的上限以内，为可削减负荷cl在t时刻的响应率。

39、进一步的，所述步骤s4中，建立可替代负荷sl的区间二型模糊集的具体过程为：

40、以能价差信号为驱动，采用双曲正切形式计算可替代负荷sl的期望响应，采用高斯型误差半径计算可替代负荷sl的误差半径，具体表达式如下：

41、

42、

43、其中，为可替代负荷sl的期望响应，为可替代负荷sl的误差半径，为高斯型误差半径的幅值参数，为高斯型误差半径的宽度参数，为t时刻的购电价格，为t时刻的天然气价格；

44、生成可替代负荷sl的乐观响应边界和悲观响应边界：

45、

46、

47、结合系统可替代比例上限对进行截断，使替代比例限定在设备能力与服务需求允许的上限以内，其中，为可替代负荷sl在t时刻的响应率。

48、进一步的，所述步骤s5中，建立园区综合能源系统风险决策优化调度模型的具体过程为：

49、步骤s51、计算基础购能成本：

50、

51、其中，为购电功率，为分时电价，为售电功率，为售电单价，,分别为燃气轮机和燃气锅炉的耗气量，为天然气单价；

52、步骤s52、计算设备运维成本，所述设备运维成本由设备集合内各设备的出力和单位运维成本确定：

53、

54、其中，为设备集合，为各设备的单位运维成本，为设备i的出力；

55、步骤s53、采用阶梯式碳交易机制计算碳交易成本：

56、

57、其中，为单位碳交易价格，为碳交易的能量；

58、步骤s54、计算需求侧响应补偿成本，所述需求侧响应补偿成本由需求侧响应前后的负荷差额和单位补偿成本确定：

59、

60、其中，为单位补偿成本，和分别为需求侧响应前后的负荷；

61、步骤s55、计算不确定性备用惩罚成本，所述不确定性备用惩罚成本由燃气轮机和储能系统提供的上调旋转备用容量以及对应的单位备用持有成本系数确定：

62、

63、式中，和别为燃气轮机和储能系统提供的上调旋转备用容量；和分别为两者的单位备用持有成本系数；

64、步骤s56、基于、、、和构建目标函数：

65、

66、其中，为系统总运行成本。

67、进一步的，所述步骤s6中，建立基于模糊机会约束的功率平衡条件的具体过程为：

68、步骤s61、设定电负荷满足的置信水平，基于分段线性清晰化函数计算电负荷清晰化等价边界，并建立电功率平衡约束：

69、

70、

71、式中，为园区购电功率；为光伏功率；为风电功率；为天然气发电功率，为储能放电功率；为分段线性清晰化函数值，为电锅炉的电耗，为电制冷机的电耗，为储能充电功率，为园区购电功率；

72、步骤s62、设定热负荷满足的置信水平，基于分段线性清晰化函数计算热负荷清晰化等价边界，并在燃气轮机gt余热优先供给吸收式制冷机ac的热能梯级利用条件下建立热功率平衡约束：

73、

74、

75、式中，为燃气轮机的热能；为吸收式制冷机吸热的值，燃气锅炉将化学能转化的热能，为电锅炉将电能转化的热能；为热储能放热，为热储能吸热，为热负荷的值；

76、步骤s63、建立冷功率平衡约束：

77、

78、式中，为电制冷机功率，吸收式制冷机制冷功率，为冷负荷。

79、进一步的，所述步骤s6中，建立旋转备用约束的具体过程为：

80、选取燃气轮机gt和储能系统bes作为提供上旋转备用和下旋转备用的灵活性资源，其中，bes为储能系统；基于燃气轮机gt的爬坡速率限制和容量限制建立燃气轮机备用容量约束，使燃气轮机gt在t时刻的出力与上旋转备用容量之和限定在上爬坡能力和容量上限以内，并使燃气轮机gt在t时刻的出力与下旋转备用容量之差限定在下爬坡能力和容量下限以内，所述燃气轮机备用容量约束为：

81、

82、其中，为燃气轮机gt在t时刻提供的上旋转备用容量，为燃气轮机gt在t时刻提供的下旋转备用容量，为机组爬坡速率最大限制，为机组爬坡速率最小限制，为燃气轮机在t时刻的出力；为燃气轮机最大出力，燃气轮机最小出力；

83、基于储能系统bes的变换器容量限制建立储能系统备用约束，使储能系统bes的充电功率、放电功率、充电下备用容量和放电上备用容量满足变换器容量限制，所述储能系统备用约束为：

84、

85、其中，为储能提供的放电上备用，为充电下备用，为储能最大功率；为放电时间；充电时间；为储能放电功率，为储能充电功率；

86、建立燃气轮机gt与储能系统bes提供的总上调备用能力机会约束：

87、

88、为具备调节能力的设备集合，为考虑需求响应后的模糊负荷变量，代表设备在预留备用后的最大出力潜力，为可再生能源出力预测值，为置信度；

89、并基于清晰化等价定理将所述总上调备用能力机会约束转化为确定性线性备用约束，使总上调备用容量覆盖置信度下的负荷清晰化等价边界与负荷期望值之间的差额以及可再生能源波动风险备用需求，所述确定性线性备用约束为：

90、

91、其中，为置信度下的负荷清晰化等价边界负荷期望值，为可再生能源波动风险备用需求。

92、进一步的，所述步骤s7中，进行数值求解并得到园区综合能源优化调度结果的具体过程为：

93、步骤s71、读取园区光伏预测数据、风电预测数据、基础电负荷数据、基础热负荷数据、基础冷负荷数据、分时电价参数以及天然气价格参数，并初始化设备技术参数，所述设备技术参数包括gt效率、gt爬坡率、bes容量和bes损耗系数；

94、步骤s72、根据用户对价格的模糊响应特性构建区间二型模糊负荷集，计算模糊变量的期望值，根据设定的置信水平α计算模糊变量的清晰化等价边界，并计算不确定性备用惩罚成本的系数及差额量；

95、步骤s73、利用yalmip定义决策变量并构建milp优化模型，逐一添加物理约束、运行约束及清晰化后的功率平衡约束，并构建包含不确定性惩罚项的目标函数，其中，milp为混合整数线性规划；

96、步骤s74、配置cplex商业求解器参数，将设为0.01%，将milp优化模型传入cplex商业求解器进行迭代计算，并获取最优决策变量值；

97、步骤s75、提取最优解，输出电功率平衡结果、热功率平衡结果、冷功率平衡结果、设备出力曲线、碳排放曲线、系统运行成本、碳交易成本、不确定性备用成本以及不同置信水平α下的调度结果差异。

98、基于区间二型模糊集的园区综合能源优化调度系统，具体包括：

99、数据处理模块，用于采集园区内的可再生能源出力数据、负荷需求数据、实时电价数据、天然气价格数据以及设备技术参数；

100、模糊建模模块，用于利用区间二型模糊集对可削减负荷cl、可替代负荷sl及可转移负荷tl的负荷需求响应不确定性进行建模，并建立负荷需求响应不确定性的区间二型模糊集；

101、风险决策模块，用于利用条件风险价值cvar方法，量化能源价格波动及负荷响应偏差引起的缺负荷风险损失，并基于清晰化等价形式建立功率平衡条件及旋转备用约束；

102、优化调度模块，用于以系统总运行成本和碳排放量作为联合评价指标，结合热电联产设备、电转气设备与碳捕集设备的设备特性，调用cplex商业求解器求解能源调度策略与设备容量配置方案。

103、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

104、（1）本发明提供的基于区间二型模糊集的园区综合能源优化调度方法及系统，基于区间二型模糊集建立负荷需求响应不确定性量化模型，利用上隶属函数、下隶属函数及不确定性足迹，对风光出力波动、负荷预测误差以及用户需求响应偏差进行综合刻画。相比传统的一型模糊集或固定误差边界建模方法，本发明能够进一步描述隶属度本身的不确定性，提高了复杂工况下不确定性建模的精细度和适应性。

105、（2）本发明提供的基于区间二型模糊集的园区综合能源优化调度方法及系统，建立了面向不确定环境的模糊机会约束调度模型，将pies运行中的功率平衡约束、备用约束等关键约束转化为可信性约束形式，使调度方案能够在满足一定可信水平的前提下应对负荷波动和新能源出力不确定性。由此能够降低因需求响应偏差或风光出力波动造成的供能不足风险，提高系统运行的可靠性、安全性和风险抵御能力。

106、（3）本发明提供的基于区间二型模糊集的园区综合能源优化调度方法及系统，采用清晰等价类方法将含有区间二型模糊参数的不确定优化模型转化为确定性混合整数线性规划模型，降低了模型求解难度，保证了优化调度模型的数学可解性和计算效率。该系统在实现pies经济优化运行的同时，能够兼顾低碳性、稳定性和工程实用性，为园区综合能源系统在复杂运行环境下的优化调度提供了有效技术支撑。