计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法及系统与流程

1.本技术涉及综合能源系统经济调度技术领域，具体涉及一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法及系统。


背景技术：

2.经济调度作为电力系统运行中技术和经济优化的重要部分，旨在满足发电单元运行约束的前提下，通过优化分配负荷需求并合理安排发电计划使得系统总运行成本最小。电力系统经济调度本质上是资源配置问题，在满足用户侧负荷需求和供电质量的前提下，引导供给侧制定合理的产能方案，减少企业运行成本的同时保障系统安全稳定运行。
3.经济调度解决方法总体上分为集中式和分布式，集中式算法要求系统控制中心与每一个发电单元进行信息交互，并收集所有需要的信息计算经济调度最优方案，最后通过发布调度指令安排所有发电单元安排出力计划。然而，集中式算法存在以下关键问题：首先系统控制中心需要较高的通信建设成本；其次巨大的计算和通信负担容易造成单点故障；此外集中式算法易受通信故障影响导致无法正常实现经济调度功能。相比于集中式算法，分布式算法要求发电单元获取邻居机组信息局部计算出力计划，分散了计算和通信负担避免单点故障，满足即插即用功能和适应拓扑变化，因此具有更好的鲁棒性和前瞻性。
4.目前，电热综合能源系统优化调度领域主要集中于系统建模、风电消纳、能源侧与负荷侧的不确定性等研究，未能在能量传输过程中有效考虑传输损耗，忽略了其对系统功率平衡的重要影响，导致以往优化结果由于传输损耗的存在不能很好地满足实际负荷需求，因此在优化调度过程中存在供需不平衡问题；此外，现有电热综合能源系统经济调度文献大多数以集中式方法求解，未能对其分布式求解方法展开进一步的研究。
5.综上所述，有必要针对电力系统经济调度提供一种新的优化调度方法—一种电热综合能源系统分布式经济调度方法，以解决考虑网络传输损耗下电热综合能源系统经济调度求解困难、计算复杂、多约束含耦合的问题，同时达到协同优化机组多种类型出力和保障系统安全经济运行的目的。


技术实现要素：

6.为了解决考虑网络传输损耗下电热综合能源系统经济调度求解困难、计算复杂、多约束含耦合的问题，本技术实施例提供一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法及系统。
7.根据电热综合能源系统的供需平衡约束条件和运行限制约束条件，以电热综合能源系统的系统运行总成本最小值为目标，建立电热综合能源系统经济调度模型；
8.根据所述电热综合能源系统经济调度模型，利用拉格朗日乘子法转化为最小值优化模型；
9.根据最小值优化模型，利用双层一致性算法得到系统运行总成本最小值。
10.进一步的，所述系统运行总成本最小值、所述供需平衡约束条件和所述运行限制
约束条件，具体为：
11.根据纯发电机组运行总成本、热电联产机组运行总成本和纯产热机组运行总成本得到所述系统运行总成本最小值；
12.根据系统电负荷需求、纯发电机组电出力、热电联产机组的电出力和系统电传输损耗、系统热负荷需求、纯产热机组热出力、热电联产机组的热出力和系统热传输损耗得到所述供需平衡约束条件；
13.根据纯发电机组电出力上下限、纯产热机组热出力上下限、热电联产机组热-电可运行域、电网线路传输功率上下限、热网管道供水温度上下限、热网管道传输流量上下限、热网管道传输热量得到所述运行限制约束条件。
14.进一步的，所述电热综合能源系统经济调度模型为：
[0015][0016]
其中，f
t
、f
p
、fc和fh分别表示系统运行总成本、纯发电机组运行总成本、热电联产机组运行总成本和纯产热机组运行总成本，fi(pi)、fj(pj,hj)和fk(hk)分别表示第i个纯发电机组运行成本函数、第j个热电联产机组运行成本函数和第k个纯产热机组运行成本函数。
[0017]
进一步的，所述最小值优化模型，具体为：
[0018]
min l＝f
t-λ
p
δ
p-λhδh；
[0019]
其中，minl为优化模型最小值，λ
p
和λh分别表示电出力等式约束和热出力等式约束的拉格朗日乘子，δ
p
和δh分别表示系统电功率偏差和系统热功率偏差。
[0020]
进一步的，根据最小值优化模型，利用双层一致性算法得到满足供需平衡约束条件与运行限制约束条件的各个机组出力值，根据各个机组出力值得到系统运行总成本最小值。
[0021]
一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度系统包括：电热综合能源系统经济调度模型建立模块，根据电热综合能源系统的供需平衡约束条件和运行限制约束条件，以电热综合能源系统的系统运行总成本最小值为目标，建立电热综合能源系统经济调度模型；
[0022]
最小值优化模型转化模块，根据所述电热综合能源系统经济调度模型，利用拉格朗日乘子法转化为最小值优化模型；
[0023]
系统运行总成本最小值求解模块，根据最小值优化模型，利用双层一致性算法得到满足供需平衡约束条件与运行限制约束条件的各个机组出力值，根据各个机组出力值得到系统运行总成本最小值。
[0024]
由以上技术方案可知，本技术提供的一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法及系统；根据电热综合能源系统的供需平衡约束条件和运行限制约束条件，以电热综合能源系统的系统运行总成本最小值为目标，建立电热综合能源系统经济调度模型；根据所述电热综合能源系统经济调度模型，利用拉格朗日乘子法转化为最小值优化模型；根据最小值优化模型，利用双层一致性算法得到系统运行总成本最小值。
[0025]
在实际应用过程中，由于在优化调度求解中，系统优先调度增量成本小的机组出力以使系统运行总成本减小，同时兼顾系统约束条件，使得机组的最优出力与机组的增量
成本成负相关；同时调度模型中计及了网络传输损耗和电热耦合约束条件由此得到的优化出力结果不仅能够满足用户实际负荷需求，还能减少企业的产能成本以提高经济效益；最后设计的分布式双一致性算法不仅能够很好地求解电热综合能源系统多约束、强耦合优化问题，而且迭代计算均匀分配给各个参与机组，因此对通信交互要求较低，并有效保护了参与者隐私，最终具有较快的收敛速度和满意的收敛结果。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。
[0027]
图1为本技术实施例的一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法流程图；
[0028]
图2为本技术实施例的系统结构示意图；
[0029]
图3为本技术实施例的双一致性算法流程图；
[0030]
图4为本技术实施例的机组通信拓扑图；
[0031]
图5为本技术实施例不考虑网络传输损耗下的电出力一致性变量波形图；
[0032]
图6为本技术实施例不考虑网络传输损耗下的热出力一致性变量波形图；
[0033]
图7为本技术实施例不考虑网络传输损耗下的机组出力波形图；
[0034]
图8为本技术实施例不考虑网络传输损耗下的功率偏差波形图；
[0035]
图9为本技术实施例考虑网络传输损耗下的电出力一致性变量波形图；
[0036]
图10为本技术实施例考虑网络传输损耗下的热出力一致性变量波形图；
[0037]
图11为本技术实施例考虑网络传输损耗下的机组出力波形图；
[0038]
图12为本技术实施例考虑网络传输损耗下的功率偏差波形图。
具体实施方式
[0039]
为了解决现有技术中考虑网络传输损耗下电热综合能源系统经济调度求解困难、计算复杂、多约束含耦合的问题，本技术实施例提供一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法及系统。
[0040]
参见图1，为本技术实施例的一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法流程图，所述一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法包括：根据电热综合能源系统的供需平衡约束条件和运行限制约束条件，以电热综合能源系统的系统运行总成本最小值为目标，建立电热综合能源系统经济调度模型；根据所述电热综合能源系统经济调度模型，利用拉格朗日乘子法转化为最小值优化模型；根据最小值优化模型，利用双层一致性算法得到系统运行总成本最小值。
[0041]
进一步的，以所述电热综合能源系统经济调度模型中的所述系统以运行总成本最小值为目标，具体为：
[0042]
建立电热综合能源系统经济调度模型，包括供需平衡约束条件、运行限制约束条件和系统运行总成本最小值。
[0043]
建立电热综合能源系统经济调度模型的系统以运行总成本模型：如图2所示本申
请实施例的系统结构示意图，系统包含纯发电机组总数为n
p
编号i＝1,2,3,
…
,n
p
，热电联产机组总数为nc编号j＝1,2,3,
…
,nc，以及纯产热机组总数为nh编号k＝1,2,3,
…
,nh；pi表示第i个纯发电机组的电出力，pj和hj分别表示第j个热电联产机组的电出力和热出力，hk表示第k个纯产热机组的热出力，系统运行总成本，具体为：
[0044][0045]
其中，f
t
、f
p
、fc和fh分别表示系统运行总成本、纯发电机组运行总成本、热电联产机组运行总成本和纯产热机组运行总成本，fi(pi)、fj(pj,hj)和fk(hk)分别表示第i个纯发电机组运行成本函数、第j个热电联产机组运行成本函数和第k个纯产热机组运行成本函数，具体为：
[0046][0047]
其中，αi、βi和γi＞0表示fi(pi)的拟合参数，αj、βj、γj＞0、δj、θj＞0和εj表示fj(pj,hj)的拟合参数，αk、βk和γk＞0表示fk(hk)的拟合参数。
[0048]
本技术实施例中，各类机组运行成本函数及出力限制参数取值见表1所示：
[0049]
表1各类机组运行成本函数及出力限制参数
[0050]
机组αβγδθεp
im
/h
km
(mw)p
im
/h
km
(mw)g
p1
253.00.020
‑‑‑‑‑‑
10120g
p2
403.20.016
‑‑‑‑‑‑
25150g
p3
752.60.018
‑‑‑‑‑‑
30200g
p4
1002.40.012
‑‑‑‑‑‑
40300g
c1
12502.20.0321.20.0320.008
‑‑‑‑gc2
6801.20.0480.40.0440.021
‑‑‑‑gh1
6501.60.036
‑‑‑‑‑‑
01695g
h2
5201.20.024
‑‑‑‑‑‑
01250
[0051]
确立电热综合能源系统经济调度模型的供需平衡约束条件，具体为：
[0052][0053]
其中，δ
p
和pd分别表示系统电功率偏差与系统电负荷需求，p
l
表示系统电传输损耗，具体为：
[0054][0055]
其中，b
im
、b
ij
和b
jn
表示损耗系数矩阵b中对应的元素。
[0056]
本技术实施例中，系统电负荷需求取pd＝700mw，损耗系数矩阵b取值如下：
[0057][0058][0059]
其中，δh和hd分别表示系统热功率偏差与系统热负荷需求，h
l
表示系统热传输损耗具体为：
[0060][0061]
其中，ng表示热媒流经管道的总段数，la表示热媒流经管道a的长度，t
s,b
表示热网节点b的供水温度，t
e,a
表示管道a中周围介质的平均温度，rh表示热媒到周围介质间每千米管道的总热阻。
[0062]
本技术实施例中，系统热负荷需求取hd＝380mw，热力网络传输管道参数取值见表2所示：
[0063]
表2热力网络传输管道参数
[0064]
管道la(km)m
am
(m3/h)m
am
(m3/h)rh(km
×
℃/kw)节点t
s,bm
(℃)t
s,bm
(℃)5-122.803000205801006-122.503000206801007-123.003000207801008-122.60300020880100
[0065]
确立电热综合能源系统经济调度模型的运行限制约束条件。
[0066]
p
im
≤pi≤p
im
；
[0067]
其中，p
im
和p
im
分别表示第i个纯发电机组电出力的上限和下限。
[0068][0069]
其中，和分别表示第k个纯产热机组热出力的上限和下限。
[0070][0071]
其中，和表示热电联产机组的热-电可运行域参数。
[0072]
本技术实施例中，热电联产机组热-电可运行域参数取值见表3所示：
[0073]
表3热电联产机组热-电可运行域参数
[0074]
机组热电可运行域(hj,pj)gc1
a1(0,187),b1(153,132),c1(121,42),d1(0,63)g
c2
a2(0,94),b2(122,68),c2(106,22),d2(0,36)
[0075][0076]
其中，和分别表示第f条电网线路传输功率p
t,f
的上限和下限。
[0077]
本技术实施例中，电力网络传输线路参数取值见表4所示：
[0078]
表4电力网络传输线路参数
[0079]
线路p
t,fm
(mw)p
t,fm
(mw)线路p
t,fm
(mw)p
t,fm
(mw)1-1101402-1101703-1102204-1103205-1101606-110100
[0080][0081][0082]
hb＝cma(t
s,b-t
r,b
)；
[0083]
其中，和分别表示t
s,b
的上限和下限，和分别表示热网管道a传输流量ma的上限和下限，hb表示热网节点b的传输热量，t
r,b
表示热网节点b的回水温度，c表示热媒的比热容。
[0084]
本技术实施例中，周围介质的平均温度均取t
e,a
＝0℃，热网节点的回水温度均取t
r,b
＝45℃，热媒比热容取c＝4.2kj/(kg
×
℃)。
[0085]
根据所述电热综合能源系统经济调度模型，利用拉格朗日乘子法转化为最小值优化模型。
[0086]
所述最小值优化模型，具体为：
[0087]
minl＝f
t-λ
p
δ
p-λhδh；
[0088]
其中，minl为最小调度值，λ
p
和λh分别表示电出力等式约束和热出力等式约束的拉格朗日乘子，δ
p
和δh分别表示系统电功率偏差和系统热功率偏差。
[0089]
考虑网络传输损耗和不等式约束，根据pi、pj、hj和hk得到系统运行总成本最小值的最优条件，具体为：
[0090][0091]
[0092][0093][0094]
其中，f
ip
和分别表示第i个纯发电机组和第j个热电联产机组的电传输损耗惩罚因子，和分别表示第j个热电联产机组和第k个纯产热机组的热传输损耗惩罚因子。具体为：
[0095][0096][0097][0098][0099]
根据最小值优化模型，利用双层一致性算法得到系统运行总成本最小值。如图3为本技术实施例的双一致性算法流程图所示。
[0100]
输入电热综合能源系统相关参数，包括纯发电机组运行成本函数拟合参数αi、βi和γi，热电联产机组运行成本函数拟合参数αj、βj、γj、δj、θj和εj，纯产热机组运行成本函数拟合参数αk、βk和γk，热网传输管道参数ng、la和rh，损耗系数矩阵b，纯发电机组出力上下限约束参数p
im
和p
im
，纯产热机组出力上下限约束参数和热电联产机组热-电可运行域约束参数，系统电负荷需求pd，系统热负荷需求hd。
[0101]
设置迭代次数τ＝0,1,2...，当τ＝0时设置各机组出力初值并使其满足如下：
[0102][0103]
本技术实施例中，各机组出力初值取值如下：
[0104]
[p
1 p
2 p
3 p
4 p
5 h
5 p
6 h
6 h
7 h8]＝[70 100 150 200 110 100 70 80 90 110]。
[0105]
测量热网节点的供水温度t
s,b
[τ]和管道周围介质的平均温度t
e,a
[τ]，并根据系统点功率损耗和系统热功率损耗分别转化系统电传输损耗p
l
[τ]和系统热传输损耗h
l
[τ]，进一步根据第i个纯发电机组、第j个热电联产机组的电传输损耗惩罚因子、第j个热电联产机组和第k个纯产热机组的热传输损耗惩罚因子分别转化传输损耗惩罚因子f
ip
[τ]、和f
kh
[τ]。
[0106]
选取各机组增量成本作为一致性变量，具体为：
[0107][0108][0109][0110][0111]
其中，和分别表示第i个纯发电机组和第j个热电联产机组的电出力一致性变量，和分别表示第j个热电联产机组和第k个纯产热机组的热出力一致性变量。
[0112]
选取任意一热电联产机组作为领导者节点，剩余所有机组均作为跟随者节点，进一步更新各节点一致性变量如下：
[0113][0114][0115]
其中，ω
p
和ωh分别表示系统电功率偏差和系统热功率偏差的收敛因子，且ω
p
,ωh∈(0,1)，分别表示电力子系统、热力子系统梅特罗波利斯加权矩阵q
p
、qh中对应的元素，且矩阵q由机组通信拓扑图决定。具体为：
[0116][0117]
其中，dm和dn分别表示节点m和节点n的度，nm表示节点m的邻居节点集合；
[0118]
本技术实施例中，选取热电联产机组g
c1
作为领导者节点，其余机组作为跟随者节点，功率偏差收敛因子取ω
p
＝ωh＝0.001，由图4机组通信拓扑图决定的矩阵q
p
、qh如下所
示：
[0119][0120][0121]
根据更新后的节点一致性变量，求解满足约束条件的机组出力，具体描述如下：
[0122][0123]
其中，ω
p
＝{i|pi＝p
im
∪pi＝p
im
}表示电出力达到上限或下限的纯发电机组集合。
[0124][0125]
其中，表示电出力达到可运行域边界的热电联产机组集合。
[0126][0127]
其中，表示热出力达到可运行域边界的热电联产机组集合。
[0128][0129]
其中，表示热出力达到上限或下限的纯产热机组集合。
[0130]
将上述p
l
[τ]、pi[τ 1]、pj[τ 1]、h
l
[τ]、hj[τ 1]、hk[τ 1]根据系统电功率偏差和系统热功率偏差分别转化为系统电功率偏差δ
p
[τ 1]和系统热功率偏差δh[τ 1]。
[0131]
判断系统功率偏差是否满足收敛条件，具体为：
[0132]
μ≥max(|δ
p
[τ 1]|,|δh[τ 1]|)；
[0133]
其中，μ表示收敛判定系数，即不小于功率偏差绝对值的最大值。
[0134]
若不满足收敛，将τ＝τ 1返回转化传输损耗惩罚因子f
ip
[τ]、和f
kh
[τ]；否则，输出当前迭代时刻的机组出力pi[τ 1]、pj[τ 1]、hj[τ 1]和hk[τ 1]，并根据系统运行总成本转化为系统运行总成本最小值f
t*
。
[0135]
本技术实施例中，收敛判定系数取值μ＝0.002。
[0136]
为说明所提求解算法的有效性，本实施例通过以下2个算例进行验证，仿真平台采用matlab运行实现，算例仿真结果见表6-7所示：
[0137]
表6机组最优出力(单位：mw)
[0138][0139]
表7系统最小运行总成本
[0140][0141]
算例1：不考虑网络传输损耗下分布式经济调度策略的有效性。本算例忽略了网络传输损耗，通过快速迭代，机组电出力、热出力一致性变量收敛为λ
p
＝5.0779和λh＝4.5524，最终在计及网络传输损耗的前提下系统达到了供需平衡，仿真波形如图5为本技术实施例不考虑网络传输损耗下的电出力一致性变量波形图、图6为本技术实施例不考虑网络传输损耗下的热出力一致性变量波形图、图7为本技术实施例不考虑网络传输损耗下的机组出力波形图和图8为本技术实施例不考虑网络传输损耗下的功率偏差波形图。
[0142]
算例2：考虑网络传输损耗下分布式经济调度策略的有效性。本算例考虑了网络传输损耗，通过快速迭代，机组电出力、热出力一致性变量收敛为λ
p
＝5.2648和λh＝4.5637，网络传输损耗为为p
l
＝10.3369mw和h
l
＝0.2888mw，最终在计及网络传输损耗的前提下系统达到了供需平衡，仿真波形如图9为本技术实施例考虑网络传输损耗下的电出力一致性变量波形图、图10为本技术实施例考虑网络传输损耗下的热出力一致性变量波形图、图11为本技术实施例考虑网络传输损耗下的机组出力波形图、图12为本技术实施例考虑网络传输损耗下的功率偏差波形图。
[0143]
在本技术的一种实施例中，一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度系统，包括：电热综合能源系统经济调度模型建立模块，根据电热综合能源系统的系统供需平衡约束条件和运行限制约束条件，以电热综合能源系统的系统运行总成本最小值为目标，建立电热综合能源系统经济调度模型；最小值优化模型转化模块，根据所述电热综合能源系统经济调度模型，利用拉格朗日乘子法转化为最小值优化模型；系统运行总成本最小值求解模块，根据最小值优化模型，利用双层一致性算法得到满足供需平衡约束条件与运行限制约束条件的各个机组出力值，根据各个机组出力值得到系统运行总成本最小值。
[0144]
由以上技术方案可知，所述一种计及网损的电热综合能源系统分布式经济调度方法包括：根据电热综合能源系统的供需平衡约束条件和运行限制约束条件，以电热综合能
源系统的系统运行总成本最小值为目标，建立电热综合能源系统经济调度模型；根据所述电热综合能源系统经济调度模型，利用拉格朗日乘子法转化为最小值优化模型；根据最小值优化模型，利用双层一致性算法得到系统运行总成本最小值。
[0145]
在实际应用过程中，由于在优化调度求解中，系统优先调度增量成本小的机组出力以使系统运行总成本减小，同时兼顾系统约束条件，使得机组的最优出力与机组的增量成本成负相关；同时调度模型中计及了网络传输损耗和电热耦合约束条件由此得到的优化出力结果不仅能够满足用户实际负荷需求，还能减少企业的产能成本以提高经济效益；最后设计的分布式双一致性算法不仅能够很好地求解电热综合能源系统多约束、强耦合优化问题，而且迭代计算均匀分配给各个参与机组，因此对通信交互要求较低，并有效保护了参与者隐私，最终具有较快的收敛速度和满意的收敛结果。
[0146]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。