一种考虑多阶段恢复过程的综合能源系统韧性提升方法与流程

1.本发明涉及一种考虑多阶段恢复过程的综合能源系统韧性提升方法，属于综合能源系统优化技术领域。


背景技术：

2.随着全球能源与环境问题的日益凸显，构建更加清洁高效的综合能源系统已经成为我国能源结构优化的重要发展方向。多能互联综合能源系统实现了多能源形式的相互耦合、替代及补充，促进了能源的多元化利用。近些年各种极端天气事件的发生，严重威胁综合能源系统的供能安全。当前综合能源系统的运行优化对极端气候风险考虑不足，一方面，极端天气对综合能源系统的影响可划分为多个阶段，不同阶段间存在一定的耦合关系，需要对整个供能恢复过程综合进行考虑；另一方面，抵御其风险不能仅依靠单一能源系统。因此，提出一种考虑多阶段恢复过程的韧性恢复策略对于构建具有气候韧性的综合能源系统至关重要。


技术实现要素：

3.为解决的背景技术中的技术问题，本发明提出了一种考虑多阶段恢复过程的综合能源系统韧性提升方法，针对综合能源系统应对极端灾害冲击下的韧性提升问题，建立一种综合考虑灾前主动防御、灾后故障快速隔离与基于网架快速重构的供能恢复等多阶段恢复过程和配电网、配气网、能量集线器等多能流系统协调的综合能源系统韧性提升方法，为韧性综合能源系统的极端灾害应对能力建设提供了理论基础。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
5.一种考虑多阶段恢复过程的综合能源系统韧性提升方法，包括如下步骤：
6.步骤1，以降低灾害对系统破坏程度和提升系统灾后供能恢复速度为目的，构建灾前准备阶段模型；
7.步骤2，构建灾害袭击阶段模型，识别灾害发生后系统中的故障与非故障区域，为故障隔离阶段提供依据；
8.步骤3，构建故障隔离阶段模型，缩小故障区域面积，为实现基于网架快速重构的系统供能恢复做准备；
9.步骤4，构建基于网架快速重构的供能恢复阶段模型，实现非故障区域的供能恢复；
10.步骤5，采用逐步对冲算法将模型转化为一系列可并行求解的故障场景子模型，实现快速求解。
11.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
12.1、现有针对综合能源系统韧性恢复策略的研究大多针对单一恢复过程进行考虑，并且对不同能源子系统间的协调能力考虑不足。考虑到灾前准备阶段、灾害袭击阶段、故障隔离阶段与供能恢复阶段等不同阶段间存在一定的耦合关系，同时不同能源子系统间可通
过多能互补协助供能恢复过程，综合考虑多阶段恢复过程对于增强综合能源系统对极端天气事件的抵御能力至关重要。本发明考虑多阶段恢复过程并计及不同阶段间的耦合关系，有效提升了综合能源系统的韧性。
13.2、所建立模型为考虑多不确定性场景下的随机规划问题，当场景数量较多且系统规模较大时，模型计算时间较长，求解效率较低。本发明采用逐步对冲算法将模型分解为一系列可并行求解的灾害场景子问题进行迭代求解，大大提升了问题的求解速度。
附图说明
14.图1是本发明考虑多阶段恢复过程的综合能源系统韧性提升方法的流程图。
具体实施方式
15.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
16.如图1所示，为本发明考虑多阶段恢复过程的综合能源系统韧性提升方法的流程图，包括如下步骤：
17.步骤1，以降低灾害对系统破坏程度和提升系统灾后供能恢复速度为目的，构建灾前准备阶段模型
18.步骤101，遥控开关与遥控阀门部署数量约束如下：
[0019][0020][0021]
式中，集合分别表示配电网中线路集、配气网中管道集；ij、mn分别表示线路与管道编号；z
ij
、z
mn
分别表示线路ij、mn是否配置遥控开关、遥控阀门的0
‑
1变量，1代表安装，0代表不安装；n
rcs
、n
rcv
分别表示配电网中遥控开关、配气网中遥控阀门的最大配置数量。
[0022]
步骤102，网架拓扑约束如下：
[0023][0024][0025][0026][0027][0028]
[0029][0030]
式中，集合分别表示变电站节点集、配气网门站节点集；集合分别表示变电站节点集、配气网门站节点集；集合分别表示配电网节点集、配气网节点集；ε表示能量集线器节点集；π(i)、δ(i) 分别表示配电网中以节点i为末端节点的线路首段节点集、以节点i为首端节点的线路末端节点集；π(m)、δ(m)分别表示配气网中以节点m为末端节点的管道首段节点集、以节点m为首端节点的管道末端节点集；上标pre表示灾前准备阶段；分别表示配电线路ij是否正向、反向投运的虚拟变量，1表示投运，0表示不投运；表示配电线路ij连接状态的虚拟变量，1表示连接，0表示不连接；分别表示配电线路ij、配气管道mn的投运状态变量，1表示连接，0表示不连接；分别表示配电线路ki、ij的虚拟功率流变量；分别表示配气管道km、mn的虚拟气流量变量；d
i
、d
m
分别表示配电网节点i、配气网节点m的虚拟负荷量，1表示电负荷、气负荷不为0，0表示电负荷、气负荷为0；m表示一个较大的正整数。
[0031]
步骤103，配电网潮流约束如下：
[0032][0033][0034][0035][0036][0037][0038][0039][0040]
式中，集合表示配电网中燃气轮机节点集；分别表示配电线路ij 流过的有功、无功功率，分别表示配电线路ki流过的有功、无功功率；分别表示节点i燃气轮机的有功、无功功率；分别表示节点 i变电站的有功、无功功率；分别表示节点i由能量集线器流向配电网的有功、无功功率；分别表示节点i、j的电压平方值；p
d,i
、q
d,i
分别表示节点i有功、无功负荷的功率值；r
ij
、x
ij
分
别表示线路ij的电阻、电抗值；分别表示节点i电压的最小值、最大值；表示线路ij的功率容量；分别表示燃气轮机、变电站的功率因素。
[0041]
步骤104，配气网潮流约束如下：
[0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049][0050][0051]
式中，集合表示配气网中燃气轮机节点集；分别表示管道mn 首端、末端节点的气体质量流量；表示节点m、节点n的气体密度；分别表示节点m、n的气体压强；表示门站节点m的气流质量流量；表示节点m燃气轮机的耗气量；表示节点m由能量集线器流向配气网的气体质量流量；δt
pre
表示灾前准备阶段时长；l
mn
、a
mn
、d
mn
、ψ
mn
分别表示管道mn的长度、横截面积、直径、摩擦系数和平均气体流速；c表示声速；分别表示管道mn首、末端节点的气体质量流量初始值；分别表示节点m、n的气体密度初始值；分别表示节点m、n的气体压强初始值；分别表示管道mn首端节点的气体质量流量最小、最大值，分别表示管道mn末端节点的气体质量流量最小、最大值；表示门站的气体质量流量最大值；表示燃气轮机的最大耗气量。
[0052]
步骤105，能量集线器潮流约束如下：
[0053][0054][0055]
[0056][0057][0058][0059][0060][0061][0062][0063][0064]
式中，集合ε表示能量集线器节点集；分别表示能量集线器e中光伏、储能充电、储能放电、电转气设备、燃气轮机、热泵的有功功率；分别表示电转气设备、燃气轮机、燃气锅炉的气体质量流量；分别表示燃气轮机、热泵、燃气锅炉的热功率；表示设备的χ有功功率，设备χ包含电转气设备、燃气轮机、电热泵；分别表示能量集线器e传输到配电网的有功功率、传输到配气网的气体质量流量；表示储能充放电状态，充电为1，放电为0；表示储能电池荷电状态；p
d,e
、h
d,e
分别表示能量集线器e中有功负荷、热负荷的功率；分别表示储能充电功率、放电功率的最大值；η
es
、η
es
‑
分别表示储能的充电、放电效率；表示电池荷电状态初始值；分别表示储能电池荷电状态的最小值、最大值；分别表示电转气设备、燃气轮机、热泵的有功功率最大值；分别表示电转气设备、燃气轮机、燃气锅炉的气体质量流量最大值；分别表示燃气锅炉、电热泵的热功率最大值；表示设备χ的有功功率初始值；rd
χ
、ru
χ
分别表示设备χ的向下、向上爬坡功率最大值，设备χ包括电转气设备、燃气轮机、电热泵；η
ptg
、η
gt
、η
gb
分别表示电转气设备、燃气锅炉、电热泵的转换效率；η
gt,gp
、η
gt,gh
分别表示燃气轮机的气转电、气转热效率；分别表示从能量集线器传输到配电网的有功功率上限、传输到配气网的气体质量流量上限。
[0065]
步骤106，系统间耦合约束如下：
[0066][0067][0068]
式中，表示配电网节点i燃气轮机在配气网中的气源节点集，分别表示能量集线器节点e与配电网的连接节点集、与配气网的连接节点集。
[0069]
步骤2，构建灾害袭击阶段模型，识别灾害发生后系统中的故障与非故障区域，为故障隔离阶段提供依据
[0070]
步骤201，网架拓扑约束如下：
[0071][0072][0073]
式中，下标s表示灾害场景；分别表示线路或管道ij两端节点在灾害场景s下被攻击后的状态变量，故障状态为1，未故障为0；表示灾害场景 s下线路或管道ij是否损坏，损坏为1，未损坏为0。
[0074]
步骤202，配电网潮流约束如下：
[0075][0076][0077][0078][0079][0080][0081][0082][0083]
[0084][0085]
式中，表示灾害场景集；上标dis表示灾害袭击阶段；表示灾害场景 s下配电线路ij的投运状态变量；分别表示灾害场景s下配电线路ki 流过的有功、无功功率，分别表示灾害场景s下配电线路ij流过的有功、无功功率；分别表示灾害场景s下节点i燃气轮机的有功、无功功率；分别表示灾害场景s下节点i变电站的有功、无功功率；下节点i变电站的有功、无功功率；分别表示灾害场景s下节点i由能量集线器流向配电网的有功、无功功率；分别表示灾害场景s下节点i的有功切负荷功率、无功切负荷功率；分别表示灾害场景s下节点i、j的电压平方值。
[0086]
步骤203，配气网潮流约束如下：
[0087][0088][0089][0090][0091][0092][0093][0094][0095][0096][0097]
式中，表示灾害场景s下配气管道mn的投运状态变量，1表示连接，0 表示断开；分别表示灾害场景s下管道mn首端、末端节点的气体质量流量；分别表示灾害场景s下节点m、n的气体密度；分别表示灾害场景s下节点m、n的气体压强；表示灾害场景s下门站节点m的气流质量流量；表示灾害场景s下节点m燃气轮机的耗气量；表示灾害场景s下节点m由能量集线器流向配气网
的气体质量流量；表示灾害场景s下节点m的切气负荷；δt
dis
表示灾前袭击阶段时长。
[0098]
步骤204，能量集线器潮流约束如下：
[0099][0100][0101][0102][0103][0104][0105][0106][0107][0108][0109]
式中，分别表示灾害场景s下能量集线器e中光伏、储能充电、储能放电、电转气设备、燃气轮机、热泵的有功功率；分别表示灾害场景s下电转气设备、燃气轮机、燃气锅炉的气体质量流量；分别表示灾害场景s下燃气轮机、热泵、燃气锅炉的热功率；表示能量集线器e中切有功负荷功率、切热负荷功率大小；表示灾害场景s下设备χ的有功功率，设备χ包含电转气设备、燃气轮机、电热泵；分别表示灾害场景s下能量集线器e传输到配电网的有功功率、传输到配气网的气体质量流量；表示灾害场景s下储能充放电状态，充电为1，放电为0；表示灾害场景s下储能电池荷电状态。
[0110]
步骤205，系统间耦合约束如下：
[0111][0112]
[0113][0114][0115]
式中变量在上文中均已说明。
[0116]
步骤3，构建故障隔离阶段模型，缩小故障区域面积，为实现基于网架快速重构的系统供能恢复做准备
[0117]
步骤301，网架拓扑约束如下：
[0118][0119][0120][0121]
式中，上标iso表示故障隔离阶段；表示故障场景s下线路或管道ij的运行状态变量，1表示处于运行状态，否则为0；分别表示线路或管道 ij两端节点在灾害场景s下被攻击后的状态变量，故障状态为1，否则为0。
[0122]
步骤302，配电网、配气网、能量集线器潮流约束与系统间耦合约束如下：
[0123]
故障隔离阶段相关约束与灾害袭击阶段相同。
[0124]
步骤4，构建基于网架快速重构的供能恢复阶段模型，实现非故障区域的供能恢复
[0125]
步骤401，供能恢复阶段网架拓扑约束与灾前准备阶段的网架拓扑约束相同。
[0126]
步骤402，供能恢复阶段配电网、配气网、能量集线器潮流约束与系统间耦合约束等相关约束与灾害袭击阶段相同。
[0127]
步骤5，采用逐步对冲算法将模型转化为一系列可并行求解的故障场景子模型，实现快速求解
[0128]
步骤501，考虑灾前准备阶段、灾害袭击阶段、故障隔离阶段与供能恢复阶段的多能流协调供能恢复模型的目标函数如下：
[0129][0130]
式中，pr
s
表示灾害场景s的发生概率，ω
i
、ω
m
、ω
e
ω
i
分别表示配电网节点i 电负荷、配气网节点m气负荷、能量集线器e电负荷和热负荷的权重系数，表示气体质量流量与电功率的转换系数。
[0131]
步骤502，以矩阵形式表示上诉模型如下所示：
[0132][0133]
式中，x表示灾前准备阶段的决策变量，y
s
表示灾害场景s下灾害袭击阶段、故障隔离阶段、供能恢复阶段的决策变量，表示灾害场景s下变量系数的转置矩阵，表示灾害
场景s下的约束条件集合。
[0134]
步骤503，采用逐步对冲算法将模型转化为可并行求解的故障场景子模型，进行迭代求解的具体步骤为：
[0135]
(1)设置惩罚因子υ和收敛系数ε的初始值，设置迭代次数k＝0，初始固定变量数量σ
k
＝0，拉格朗日乘子矩阵初始值
[0136]
(2)对任意故障场景求解子问题
[0137]
(3)求平均值
[0138]
(4)对任意故障场景计算
[0139]
(5)对任意故障场景求解子问题
[0140][0141]
(6)求平均值
[0142]
(7)对任意故障场景计算
[0143]
(8)若满足则终止迭代；否则进入步骤(9)；
[0144]
(9)若满足k≤k3或σ
k 1
‑
σ
k
≥1，进入步骤(10)；否则进入步骤(15)；
[0145]
(10)若满足k≥k1，进入步骤(11)；否则进入步骤(12)；
[0146]
(11)若满足则固定取σ
k 1
＝σ
k
1；
[0147]
(12)若满足k≥k2，进入步骤(13)；否则进入步骤(14)；
[0148]
(13)若满足则固定取σ
k 1
＝σ
k
1；
[0149]
(14)取k＝k 1，返回步骤(5)；
[0150]
(15)求解模型结束。
[0151]
下面以一测试系统为例，对所建立考虑多阶段恢复过程的综合能源系统韧性提升方法进行验证。设置五个对比案例，分别为：
[0152]
1)案例1：考虑多阶段恢复过程；
[0153]
2)案例2：考虑多能流协调，仅考虑灾前准备阶段；
[0154]
3)案例3：考虑多能流协调，不考虑灾前准备阶段；
[0155]
4)案例4：考虑多阶段恢复过程，配电网、配气网、能量集线器单独优化；
[0156]
5)案例5：考虑多能流恢复过程，不考虑能量集线器在内。
[0157]
案例1～5中多阶段恢复过程中供能恢复百分比如表1所示。
[0158]
表1案例1～5中多阶段恢复过程供能恢复百分比
[0159]
[0160][0161]
结果表明，本发明所提考虑多阶段恢复过程的综合能源系统韧性提升方法，有效提升了综合能源系统应对不确定性极端灾害场景的韧性。
[0162]
以上实施例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，均落入本发明保护范围之内。