一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法及系统与流程

1.本发明涉及仿真优化领域，具体涉及一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法及系统。


背景技术：

2.面对世界范围内的能源和环境制约，很多国家都把节能和提高能效提到首要战略地位，可再生能源的应用、多能源互联以及能源市场化是促进能源高效、清洁利用的有效途径。目前新电改方案的最大亮点“售电市场”放开，为能源互联网建立以及能源市场化的推进打下了坚实基础。负荷与能源种类的多样性使得能源互联成为必然趋势，综合能源系统(integrated energy system，ies)是能源互联的典型形式。而随着新能源渗透率的不断提高以及用电需求的多样化，系统的供能侧和负荷侧都存在很强的不确定性，对综合能源系统的运行策略产出较大的影响。


技术实现要素：

3.为了解决综合能源系统中不确定因素对运行调度带来的影响问题，本发明提出了一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法，包括：
4.获取区域综合能源系统的参数；
5.将所述区域综合能源系统的参数上限和下限分别作为预先构建的最优子模型和最劣子模型的输入，采用二阶段分解法进行求解，分别得到区域综合能源系统的最优用能效率和最劣用能效率；
6.基于所述最优用能效率和所述最劣用能效率构建最优值取值区间，由所述最优值取值区间的数值对应的各设备的运行参数构成优化调度方案，并采用所述优化调度方案进行调度；
7.其中，所述优化模型以用能效率最大为目标构建的目标函数，以及为所述目标函数设置的约束条件构建而成。
8.优选的，所述最优子模型和所述最劣子模型的构建包括：
9.以用能效率最大为目标，以所述区域综合能源系统的参数上限为输入，构建上限目标函数；
10.以用能效率最大为目标，以所述区域综合能源系统的参数下限为输入，构建下限目标函数；
11.为所述上限目标函数和所述下限目标函数均设置电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束和产能设备的出力约束；
12.由所述上限目标函数和所述电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束、产能设备的出力约束构建所述最优子模型；
13.由所述下限目标函数和所述电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束和产能设备的出力约束构建所述最劣子模型。
14.优选的，所述上限目标函数如下式所示：
[0015][0016]
式中：f

为最优子模型，为目标函数中系数为正的区间变量，其中j＝1,2,
…
,k1；为目标函数中系数为负的区间变量，其中j＝k1 1,k1 2,
…
,n，k1为整数。
[0017]
优选的，所述下限目标函数如下式所示：
[0018][0019]
式中，f-为最劣子模型，
[0020]
优选的，所述将所述区域综合能源系统的参数上限和下限分别作为预先构建的最优子模型和最劣子模型的输入，采用二阶段分解法进行求解，分别得到区域综合能源系统的最优用能效率和最劣用能效率，包括：
[0021]
基于所述区域综合能源系统的参数的上限值调用cplex软件对所述最优子模型进行求解得到最优用能效率；
[0022]
基于所述区域综合能源系统的参数的下限值，调用所述cplex软件对所述最劣子模型进行求解，得到最劣用能效率。
[0023]
优选的，所述电平衡约束如下式所示：
[0024][0025]
式中，为时刻t第me类产电设备出力；为时刻t第ne类电-冷转换设备耗电量；p
tl
为时刻t系统电负荷；p
tch
、p
tdis
分别为时刻t储电设备的充放电功率。
[0026]
优选的，所述热平衡约束如下式所示：
[0027][0028]
式中，为时刻t第mh类产热设备出力；为时刻t第nh类热-冷转换设备消耗热量；为时刻t系统热负荷；分别为时刻t储热设备的充放能功率。
[0029]
基于同一发明构思本发明提供了一种区域综合能源系统的优化调度仿真系统，包括：
[0030]
获取模块，用于获取区域综合能源系统的参数；
[0031]
计算模块，用于将所述区域综合能源系统的参数上限和下限分别作为预先构建的最优子模型和最劣子模型的输入，采用二阶段分解法进行求解，分别得到区域综合能源系统的最优用能效率和最劣用能效率；
[0032]
方案生成模块，用于基于所述最优用能效率和所述最劣用能效率构建最优值取值区间，由所述最优值取值区间的数值对应的各设备的运行参数构成优化调度方案，并采用所述优化调度方案进行调度；
[0033]
其中，所述最优子模型和最劣子模型均以用能效率最大为目标构建的目标函数，以及为所述目标函数设置的约束条件构建而成。
[0034]
优选的，所述最优子模型和所述最劣子模型的构建包括：
[0035]
以用能效率最大为目标，以所述区域综合能源系统的参数上限为输入，构建上限目标函数；
[0036]
以用能效率最大为目标，以所述区域综合能源系统的参数下限为输入，构建下限目标函数；
[0037]
为所述上限目标函数和所述下限目标函数均设置电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束和产能设备的出力约束；
[0038]
由所述上限目标函数和所述电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束、产能设备的出力约束构建所述最优子模型；
[0039]
由所述下限目标函数和所述电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束和产能设备的出力约束构建所述最劣子模型。
[0040]
优选的，所述计算模块包括：
[0041]
最优用能效率计算子模块，用于基于所述区域综合能源系统的参数的上限值调用cplex软件对所述最优子模型进行求解得到最优用能效率；
[0042]
最劣用能效率计算子模块，用于基于所述区域综合能源系统的参数的下限值，调用所述cplex软件对所述最劣子模型进行求解，得到最劣用能效率。
[0043]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0044]
本发明提供了一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法，包括：获取区域综合能源系统的参数；将所述区域综合能源系统的参数作为预先构建的最优子模型和最劣子模型的输入，采用二阶段分解法进行求解，分别得到区域综合能源系统的最优用能效率和最劣用能效率；基于所述最优用能效率和所述最劣用能效率构建最优值取值区间，由所述最优值取值区间的数值对应的各设备的运行参数构成优化调度方案；其中，所述最优子模型和最劣子模型均以用能效率最大为目标构建的目标函数，以及为所述目标函数设置的约束条件构建而成。本发明采用二阶段分解法求解最优子模型和最劣子模块，进而得到最优用能效率取值区间，充分考虑了分布式电源及负荷的不确定性，得到的优化方案更为合理。
附图说明
[0045]
图1为本发明的一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法流程图；
[0046]
图2为本发明的一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法整体结构示意图；
[0047]
图3为本发明的电网-热网结构图。
具体实施方式
[0048]
为解决综合能源系统中不确定因素对运行调度带来的影响问题，提出一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法及系统，在多个区域综合能源系统及配网互联条件下，基于能源服务公司(energy service company，esco)拥有区域综合能源系统内所有分布式能源运行调控权的运营模式，综合考虑多能互补和网络互济、环境效益、系统中源荷的预测误差等不确定性因素，建立基于区间线性规划的区域综合能源系统日前仿真优化运行模型，并利用强化区间线性规划方法进行模型求解。
[0049]
首先，考虑分布式电源及负荷的不确定性，构建区域综合能源系统日前优化运行
区间线性规划模型及约束函数；将构建的模型分解为2个子模型，用最优子模型和最劣子模型代替原模型；最后，通过2阶段分解法分别求得最优值，从而得到最优值取值区间，求解过程中通过matlab编程将cplex优化技术直接地嵌入到程序中来对强化区间线性规划模型进行求解。
[0050]
本发明可真实反映实际系统中负荷及分布式电源的不确定性，量化分析系统中不确定因素对综合能源系统能源总利用率的影响，以区间的形式为区域综合能源系统仿真优化运行提供调度值参考，提高能源利用率，对区域综合能源系统的高效运行具有重大推动作用。
[0051]
实施例1：
[0052]
本发明提供了一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法，如图1所示：
[0053]
s1：获取区域综合能源系统的参数；
[0054]
s2：将所述区域综合能源系统的参数上限和下限分别作为预先构建的最优子模型和最劣子模型的输入，采用二阶段分解法进行求解，分别得到区域综合能源系统的最优用能效率和最劣用能效率；
[0055]
s3：基于所述最优用能效率和所述最劣用能效率构建最优值取值区间，由所述最优值取值区间的数值对应的各设备的运行参数构成优化调度方案，并采用所述优化调度方案进行调度；
[0056]
其中，所述最优子模型和最劣子模型均以用能效率最大为目标构建的目标函数，以及为所述目标函数设置的约束条件构建而成。
[0057]
下面对本方案做详细介绍：
[0058]
一种区域综合能源系统的优化调度仿真方法，可以真实反映不确定性对区域综合能源系统仿真优化的影响，提供更加科学可靠的运作方案，其中的具体方法流程如图1所示。
[0059]
在s1之前还包括：
[0060]
步骤1：根据式(1)构建用综合能源系统日前仿真优化区间线性规划模型；
[0061]
(1)区间线性规划模型：
[0062]
一般形式如下：
[0063][0064]
式中，[a]＝([a
ij
])m×n，[b]＝([b
ij
])m×1，[c]＝([c
ij
])1×n，[f]＝[f-,f

],[x]＝([x
ij
])n×1，
[0065]
(2)目标函数：
[0066]
目标函数为用能效率最大，由系统能源利用率η
ser
、一次能源利用率η
ner
所构成。本章统一用符号[]来表示区间数或区间变量。
[0067]
[f]＝max(0.5[η
ser
] 0.5[η
ner
])
ꢀꢀꢀ
(2)
[0068]
式中，[f]为目标函数，η
ser
为系统能源利用率，η
ner
为一次能源利用率。
[0069]
1)系统能源利用率η
ser
按下式计算：
[0070][0071]
式中：为时刻t系统电负荷(kwh)；为时刻t系统热负荷(kwh)；为时刻t系统冷负荷(kwh)；为时刻t向电网的购电量(kwh)；η
grid
、ηe分别为电厂平均供电效率、电网输电效率；为各燃气设备的年天然气热量(kwh)，n为燃气设备种类总数；为时刻t所有可再生能源产生能量(kwh)，nd为设备种类数。
[0072]
2)一次能源利用率η
ner
，一次能源利用率能够反应非可再生能源的利用效率，按下式计算：
[0073][0074]
式中：为时刻t系统电负荷(kwh)；为时刻t系统热负荷(kwh)；为时刻t系统冷负荷(kwh)；为时刻t所有可再生能源产生能量(kwh)，nd为设备种类数；为时刻t向电网的购电量(kwh)；η
grid
、ηe分别为电厂平均供电效率、电网输电效率；为各燃气设备的年天然气热量(kwh)，n为燃气设备种类总数。
[0075]
(3)约束条件
[0076]
1)电平衡约束
[0077][0078]
式中：为时刻t第me类产电设备出力；为时刻t第ne类电-冷转换设备耗电量；p
tl
为时刻t系统电负荷；p
tch
、p
tdis
分别为时刻t储电设备的充放电功率。
[0079]
2)热平衡约束：
[0080][0081]
式中：为时刻t第mh类产热设备出力；为时刻t第nh类热-冷转换设备消耗热量；为时刻t系统热负荷；分别为时刻t储热设备的充放能功率。
[0082]
3)冷平衡约束：
[0083][0084]
式中：为时刻t第mc类产冷设备出力；分别为时刻t储冷设备的充放能功率。
[0085]
4)储能设备的出力约束：
[0086]
储能设备应满足运行周期内初始时刻t0和结束时刻tn存储能量相同及荷电状态要求。
[0087][0088]
式中：分别为初始时刻的存储电能及热/冷能量；分别为结束时刻的存储电能及热/冷能量；为储电设备在时刻t的荷电状态；分别为储电设备的荷电状态上下限；为储热/冷设备在时刻t的储能占比；分别为储热/冷设备的储能占比上下限。
[0089]
5)产能设备的出力约束：
[0090][0091]
式中：分别为第i个设备最大、最小负载率；ci为第i类设备的安装容量；x
t,i
∈{1,0}为运行因子，表示时刻t第i个设备是否运行。
[0092]
步骤2：将构建的模型分解为2个子模型，用最优子模型和最劣子模型代替原模型。
[0093]
采用改进区间线性规划方法。首先，根据实际问题，依据式(1)构建优化模型；然后，将构建的模型分解为2个子模型，用最优子模型和最劣子模型代替原模型。
[0094]
两阶段分解法如下：
[0095]
(1)求解最优子模型解f

[0096][0097]
式中：为目标函数中系数为正的区间变量；为目标函数中系数为正的区间变量；为目标函数中系数为负的区间变量。
[0098]
求解式(10)可得对应解表示对应的上限值；表示对应(j＝k1 1,k1 2,
…
,n)的下限值；上限子模型解
[0099]
(2)求解最劣子模型解f-：
[0100][0101]
为提高区间线性规划法的精度，去掉不可行解区域，式(11)中添加了如下额外约束，即：
[0102][0103]
其中，δ满足：
[0104][0105]
同理，求解式(11)可得表示对应的下限值；表示对应的上限值；下限子模型解从而可得最后目标值以及
[0106]
步骤3：通过2阶段分解法分别求得最优值，从而得到最优值取值区间，在求解模型过程中需调用cplex软件，得最后目标值以及
[0107]
目前cplex可解决线性规划(linear programming，lp)问题、二次规划(quadratic programming，qp)问题、二次约束规划(quadratically constrained programming，qcp)问题以及混合整数规划(mixed integer programming，mip)问题。cplex内主要包含了三种优化器分别是：单纯形法型优化器(simplex optimizer，so)、barrier型优化器(barrier optimizer，bo)和混合整数型优化器(mixed integer optimizer，mio)。
[0108]
单纯形法型优化器实现了原始单纯形(primal simplex，ps)和对偶单纯形(dual simplex，ds)算法来解决线性规划问题和二次规划问题，并提供一种针对网络单纯形(network simplex，ns)的方法，该方法具有很高的求解速度，在解决纯网络问题和有附加约束的网络问题时，尤其快捷。barrier型优化器不仅能够解决线性规划问题和二次规划问题，而且能够在不借助单纯形法的前提下解决二次约束规划问题，为用户解决解决二次约束规划问题提供了另一种方法。这种优化器是建立在原始对偶(primal-dual)预测
–
校正器
(predictor-corrector method)方法的基础之上，因此对于大型线性规划问题和二次规划问题的求解上能够表现出足够的性能。barrier型优化器还包括遗传算法，这种算法将barrier算法生成的复杂解法转换成一般由单纯形法提供的基本解法，以便用于快速重启和敏感度分析。
[0109]
混合整数型优化器采用分支定界法(branch-and-bound technique)，利用不同的策略可解决的整数问题包括：混合整数线性规划问题、混合整数二次规划问题和混合整数二次约束规划问题。该优化器包括先进的presolve算法，这是一种高级割平面(cutting plane)策略和可行性探试法(heuristics)。用户可以声明优先策略，比如决定是找到一种最佳的方案重要还是迅速确定一种好的可行解法重要，然后混合整数型优化器会根据选定的参数自动进行相应的调整。用户完全能够控制混合整数型优化器。他们可以自定义优化器的割平面(cutting plane)策略和探试法(heuristics)策略，还可以定制节点和变量选择策略。此外，当需要解决某个问题的方法时，用户还可以纳入他们自己的探试法或割平面(cutting plane)策略。
[0110]
本发明通过matlab编程将cplex优化技术直接地嵌入到程序中来对强化区间线性规划模型进行求解，能在保证解的精度和鲁棒性的情况下，实现对复杂混合整数规划问题的高效解决。
[0111]
s1中的获取区域综合能源系统的参数，具体包括：
[0112]
获取区域综合能源系统的系统电负荷、系统热负荷、系统冷负荷、向电网的购电量、产热设备出力、产冷设备出力、热-冷转换设备消耗热量、储热设备的充放能功率、储冷设备的充放能功率、储电设备的荷电状态上下限、设备最大、最小负载率、设备的安装容量和设备的运行状态。
[0113]
s2中的将所述区域综合能源系统的参数上限和下限分别作为预先构建的最优子模型和最劣子模型的输入，采用二阶段分解法进行求解，分别得到区域综合能源系统的最优用能效率和最劣用能效率，具体包括：
[0114]
将区域综合能源系统的参数上限带入到最优子模型中，通过matlab编程将cplex优化技术直接地嵌入到程序中来对最优子模型进行求解，得到最优子模型的解；
[0115]
将区域综合能源系统的参数下限带入到最优子模型中，通过matlab编程将cplex优化技术直接地嵌入到程序中来对最劣子模型进行求解，得到最劣子模型的解。
[0116]
s3中的基于所述最优用能效率和所述最劣用能效率构建最优值取值区间，由所述最优值取值区间的数值对应的各设备的运行参数构成优化调度方案，并采用所述优化调度方案进行调度，具体包括：
[0117]
将产生位于最优值取值区间的用能效率时，各设备的运行参数构成优化调度方案集；
[0118]
可根据具体情况从优化调度方案集中选择一个优化调度方案进行调度。
[0119]
实施例2：
[0120]
基于同一发明构思的本发明还提供了一种区域综合能源系统的优化调度仿真系统，包括：
[0121]
获取模块，用于获取区域综合能源系统的参数；
[0122]
计算模块，用于将所述区域综合能源系统的参数上限和下限分别作为预先构建的
最优子模型和最劣子模型的输入，采用二阶段分解法进行求解，分别得到区域综合能源系统的最优用能效率和最劣用能效率；
[0123]
方案生成模块，用于基于所述最优用能效率和所述最劣用能效率构建最优值取值区间，由所述最优值取值区间的数值对应的各设备的运行参数构成优化调度方案，并采用所述优化调度方案进行调度；
[0124]
其中，所述最优子模型和最劣子模型均以用能效率最大为目标构建的目标函数，以及为所述目标函数设置的约束条件构建而成。
[0125]
优选的，所述最优子模型和所述最劣子模型的构建包括：
[0126]
以用能效率最大为目标，以所述区域综合能源系统的参数上限为输入，构建上限目标函数；
[0127]
以用能效率最大为目标，以所述区域综合能源系统的参数下限为输入，构建下限目标函数；
[0128]
为所述上限目标函数和所述下限目标函数均设置电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束和产能设备的出力约束；
[0129]
由所述上限目标函数和所述电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束、产能设备的出力约束构建所述最优子模型；
[0130]
由所述下限目标函数和所述电平衡约束、热平衡约束、冷平衡约束、储能设备的出力约束和产能设备的出力约束构建所述最劣子模型。
[0131]
优选的，所述计算模块包括：
[0132]
最优用能效率计算子模块，用于基于所述区域综合能源系统的参数的上限值调用cplex软件对所述最优子模型进行求解得到最优用能效率；
[0133]
最劣用能效率计算子模块，用于基于所述区域综合能源系统的参数的下限值，调用所述cplex软件对所述最劣子模型进行求解，得到最劣用能效率。
[0134]
所述上限目标函数如下式所示：
[0135][0136]
式中：f

为最优子模型，为目标函数中系数为正的区间变量；为目标函数中系数为负的区间变量，k1为整数。
[0137]
下限目标函数如下式所示：
[0138][0139]
式中，f-为最劣子模型，
[0140]
电平衡约束如下式所示：
[0141][0142]
式中，为时刻t第me类产电设备出力；为时刻t第ne类电-冷转换设备耗电量；p
tl
为时刻t系统电负荷；p
tch
、p
tdis
分别为时刻t储电设备的充放电功率。
[0143]
热平衡约束如下式所示：
[0144][0145]
式中，为时刻t第mh类产热设备出力；为时刻t第nh类热-冷转换设备消耗热量；h
tl
为时刻t系统热负荷；分别为时刻t储热设备的充放能功率。
[0146]
冷平衡约束如下式所示：
[0147][0148]
式中：为时刻t第mc类产冷设备出力；分别为时刻t储冷设备的充放能功率。
[0149]
储能设备的出力约束如下式所示：
[0150]
储能设备应满足运行周期内初始时刻t0和结束时刻tn存储能量相同及荷电状态要求。
[0151][0152]
式中：分别为初始时刻的存储电能及热/冷能量；分别为结束时刻的存储电能及热/冷能量；为储电设备在时刻t的荷电状态；分别为储电设备的荷电状态上下限；为储热/冷设备在时刻t的储能占比；分别为储热/冷设备的储能占比上下限。
[0153]
产能设备的出力约束如下式所示：
[0154][0155]
式中：分别为第i个设备最大、最小负载率；ci为第i类设备的安装容量；x
t,i
∈{1,0}为运行因子，表示时刻t第i个设备是否运行。
[0156]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0157]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0158]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0159]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0160]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在发明待批的本发明的权利要求范围之内。