一种综合能源网络多能流数据集的构造方法及系统

1.本发明涉及综合能源网络优化技术领域，特别是涉及一种综合能源网络多能流数据集的构造方法及系统。


背景技术：

2.随着可再生能源渗透率增大、与社会活动联系更紧密、大规模电力电子化等新情况的出现，综合能源网络运行的复杂性、随机性不断加重，不安全状态的多样性和重要性尤为突出。实际运行中可能出现的不安全状态数量增多，一旦发生带来的损失巨大，是未来综合能源网络运行需要研究的重要问题。对系统运行的各种可能的状态展开研究面临的困难是这些状态难以从实际运行中获取，通过仿真生成也存在许多困难。另一方面，研究复杂难以解析建模的问题的有效方法是数据驱动方法，而应用数据驱动方法展开研究也需要大量潮流状态作为样本。因此，构造大量多能流数据集的方法是面向未来综合能源网络的关键需求。
3.目前构造多能流数据集的效率远不能满足数据驱动方法研究的所需，数据驱动方法研究的大部分时间被样本生成方法占用，严重限制了数据驱动方法的发现、调整和实证。目前的多能流数据集生成方法有计划潮流法和连续潮流法，仅停留于能够产生样本；计划潮流法的缺点是具有无法收敛的风险，对运行方式计划人员的经验要求极为苛刻且工作量巨大，需要花费大量时间且一次仅能产生一个样本；连续潮流法的缺点是生成的样本位于同一变化趋势上，改变了样本分布，将对数据驱动方法产生模型偏差；而且两种方法均未能从大数据的角度加以考虑。
4.因此，目前亟需开发一种能快速而有效的综合能源网络多能流数据集的构造方法，以使需要大量样本的数据驱动方法成为可能，从而能够很好的解决综合能源网络多能流计算问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种综合能源网络多能流数据集的构造方法，解决现有多能流数据集构造方法效率远不能满足数据驱动方法所需的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种综合能源网络多能流数据集的构造方法，该构造方法包括以下步骤：
8.确定耦合能源网络的多能流数据求解模型；所述耦合能源网络为将类型不同的第一能源网络和第二能源网络耦合得到的综合能源网络；所述第一能源网络和所述第二能源网络的类型包括：电力网络、热力网络或天然气网络；
9.确定耦合能源网络的潮流定解集；
10.根据所述潮流定解集，利用变换定解法对所述多能流数据求解模型中的潮流未知解集进行求解；所述潮流定解集以及求解得到的潮流未知解集构成多能流数据集。
11.可选地，所述根据所述潮流定解集，利用变换定解法对所述多能流数据求解模型
中的潮流未知解集进行求解，具体包括：
12.确定所述潮流定解集的上下限；
13.在潮流定解集的上下限之间随机生成一组定解数据；
14.将所述定解数据带入所述多能流数据求解模型中进行求解，得到所述潮流未知解集。
15.可选地，所述第一能源网络为电力网络；所述电力网络中包括电源节点、电负荷节点和输电线路；所述第二能源网络为热力网络；所述热力网络中包括热源节点、热负荷节点和输水管道。
16.可选地，所述多能流数据求解模型包括热力网络的节点流量平衡方程、热负荷功率方程、管道温降方程、节点功率守恒方程、电力网络的节点有功功率平衡方程和节点无功功率平衡方程以及能源耦合单元的热电比公式。
17.可选地，所述确定潮流定解集，具体包括：
18.选定电压幅值和相角作为所述电力网络的定解条件；
19.选定节点供水温度、节点回水温度和管道流量作为所述热力网络的定解条件。
20.可选地，所述耦合能源网络为，在一耦合节点处，利用热电比恒定的热电联产chp机组将所述电力网络和所述热力网络耦合得到的综合能源网络。
21.另一方面，本发明还提供了一种综合能源网络多能流数据集的构造系统，该构造系统包括：
22.能源耦合单元，用于将类型不同的第一能源网络和第二能源网络耦合为耦合能源网络；所述第一能源网络和所述第二能源网络的类型包括：电力网络、热力网络或天然气网络；
23.多能流数据求解模型确定单元，用于确定耦合能源网络的多能流数据求解模型；
24.潮流定解集确定单元，用于确定耦合能源网络的潮流定解集；
25.多能流数据集求解单元，用于根据所述潮流定解集，对所述多能流数据求解模型中的潮流未知解集进行求解；所述潮流定解集以及求解得到的潮流未知解集构成多能流数据集。
26.可选地，所述第一能源网络为电力网络；所述电力网络中包括电源节点、电负荷节点和输电线路；所述第二能源网络为热力网络；所述热力网络中包括热源节点、热负荷节点和输水管道。
27.可选地，所述能源耦合单元为热电联产chp机组。
28.可选地，所述多能流数据集求解单元具体包括：
29.潮流定解上下限确定子单元，确定所述潮流定解集的上下限；
30.定解数据生成子单元，在潮流定解集的上下限之间随机生成一组定解数据；
31.变换定解子单元，将所述定解数据带入所述多能流数据求解模型中进行求解，得到所述潮流未知解集。
32.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
33.本发明提供的一种综合能源网络多能流数据集的构造方法及系统，包括确定耦合能源网络的多能流数据求解模型；耦合能源网络为将类型不同的第一能源网络和第二能源网络耦合得到的综合能源网络；第一能源网络和第二能源网络的类型可以为：电力网络、热
力网络或天然气网络；确定耦合能源网络的潮流定解集；根据潮流定解集，利用变换定解法对多能流数据求解模型中的潮流未知解集进行求解；潮流定解集以及求解得到的潮流未知解集构成多能流数据集。本发明提供的构造综合能源网络多能流数据集的方法及系统，极大的简化了多能流数据集的构造过程，使综合能源网络多能流数据集的构造变得快速而有效，避免了传统构造方法收敛性差的问题，而且能够得到传统构造方法难以得到的边界条件下的数据，使需要大量样本驱动的数据驱动研究成为可能，从而能很好的解决综合能源网络难以解析建模问题。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
35.图1为本发明实施例1提供的一种综合能源网络多能流数据集的构造方法的流程图；
36.图2为本发明实施例1提供的构造方法步骤s3的流程图；
37.图3为本发明实施例1提供的构造方法中电力网络的示意图；
38.图4为本发明实施例1提供的构造方法中热力网络的示意图；
39.图5为本发明实施例2提供的一种综合能源网络多能流数据集的构造系统的结构示意图。
40.符号解释：
41.1：能源耦合单元；2：多能流数据求解模型确定单元；3：潮流定解集确定单元；4：多能流数据集求解单元；4-1：潮流定解上下限确定子单元；4-2：定解数据生成子单元；4-3：变换定解子单元。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.本发明的目的是提供一种综合能源网络多能流数据集的构造方法，解决现有多能流数据集构造方法效率远不能满足数据驱动方法所需的问题。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.实施例1：
46.电热综合能源网络的节点分类以及变量如表1所示，一般来求解多能流数据集则是按照表1的分类，根据综合能源网络的约束公式来求解，传统方法是利用迭代法求解多能流非线性方程组，会出现收敛性、可行性、多解性等问题，且若要构造大规模数据集，会需要大量时间。因此本发明提出一种新方法——变换定解法。
47.表1
[0048][0049]
如图1所示，本发明提供了一种综合能源网络多能流数据集的构造方法，包括以下步骤：
[0050]
s1、确定耦合能源网络的多能流数据求解模型；所述耦合能源网络为将类型不同的第一能源网络和第二能源网络耦合得到的综合能源网络；所述第一能源网络和所述第二能源网络的类型包括：电力网络、热力网络或天然气网络；
[0051]
在本实施例中，第一能源网络为电力网络；如图3所示，电力网络中包括电源节点、变压器、电负荷节点和输电线路；所述电源节点为小水电发电机组，小水电因其规模小、投资少、见效快、无污染等优点在近年得到迅猛发展；第二能源网络为热力网络；如图4所示，热力网络中包括热源节点、热负荷节点和输水管道。
[0052]
在电力网络和热力网络的一耦合节点处，本实施例中选取电力网络的节点1与热力网络的节点23，利用热电比恒定的热电联产chp机组将电力网络和热力网络耦合得到综合能源网络。p、q、v、θ分别为电力网络节点注入有功、节点注入无功、节点电压幅值、节点相角；ts、tr、φ、m分别为热力网络的节点供应温度、节点回流温度、热源或热负荷热功率、管道流量。因而整个综合能源网络数据集为{p,q,v,θ；ts,tr,φ,m}这些元素构成的集合
[0053]
对于热力网络来说，分为水力模型和热力模型两部分；
[0054]
由于本发明采用的热网是辐射型，水力模型主要有一个约束方程：节点流量平衡方程，具体表述如下：
[0055]as
m＝mqꢀꢀ
(1)
[0056]
其中：as为网络关联矩阵；m为热网管道流量，mq为节点流入负荷流量。
[0057]
供热模型有3类约束方程：热负荷功率方程、管道温降方程和节点功率守恒方程，具体表述如下：
[0058]
φ＝c
pmq
(t
s-tr)
ꢀꢀ
(2)
[0059][0060]
(∑m
out
)t
out
＝∑m
in
t
in
ꢀꢀ
(4)
[0061]
其中：φ为热负荷，为已知量；ts为节点供水温度；tr为节点回水温度；t
start
为管道首端温度；t
end
为管道末端温度；λ为传热系数，为已知量；l和ta分别为管道长度、环境温度，均为常量；c
p
是水比热容，为已知量；m
in
是流入节点的管道流量；m
out
是流出节点的管道流量；t
in
是输入管道末端的温度；t
out
是节点混合温度。
[0062]
对于电力网络来说，有2类约束方程：节点有功功率平衡方程和节点无功功率平衡方程；
[0063]
节点有功功率平衡方程表示，与节点相连的线路有功功率之和等于该节点的注入有功功率，具体表述如下：
[0064][0065]
其中，vi是节点i的电压幅值；vj是节点j的电压幅值；θ
ij
是节点i和j之间的电压相角差；g
ij
是节点i和j之间的电导；b
ij
是节点i和j之间的电纳；p
s,j
是节点i的注入有功功率。
[0066]
节点无功功率平衡方程表示，与节点相连的线路无功功率之和等于该节点的注入无功功率，具体表述如下：
[0067][0068]
其中，q
s,i
是节点i的注入无功功率。
[0069]
对于热电联产chp机组来说，本发明考虑了背压式的热电联产chp机组。背压式热电联产chp机组的热电比恒定，即
[0070]cm
＝φ
chp
/p
chp
ꢀꢀ
(7)
[0071]
其中cm为常数。本发明选取电源节点1与热网节点23，通过chp机组相连，电源节点1发电机产生的功率则由chp机组产生的电功率替代，热网节点23的热功率则由chp机组产生的热功率所替代。
[0072]
s2、确定耦合能源网络的潮流定解集；
[0073]
在电力网络中，选定电压幅值v和相角θ作为定解条件；
[0074]
在热力网络中，选定节点供水温度ts、节点回水温度tr和管道流量m作为定解条件。
[0075]
s3、根据所述潮流定解集，利用变换定解法对所述多能流数据求解模型中的潮流未知解集进行求解；所述潮流定解集以及求解得到的潮流未知解集构成多能流数据集。
[0076]
如图2所示，步骤s3具体包括：
[0077]
s31、确定所述潮流定解集的上下限；
[0078]
s32、在潮流定解集的上下限之间随机生成一组定解数据；
[0079]
s33、将所述定解数据带入所述多能流数据求解模型中进行求解，得到所述潮流未知解集；
[0080]
其中要注意的是电力网络中平衡节点的相角为0，将带入式(1)-(7)中求解多能流数据集{p,q,v,θ；ts,tr,φ,m}中其他的未知量，如此循环106次，由此可以构造出大规模多能流数据集。
[0081]
本实施例所提供的一种综合能源网络多能流数据集的构造方法，利用变换定解法构造出大规模多能流数据集，变换定解法的核心思路是转变多能流的求解变量；对于电力网络，选定电压幅值和相角为潮流定解条件，代入求解节点注入有功功率和无功功率；对于热力网络，则选定所有管道流量、热源节点供应温度和负荷节点回水温度为潮流定解条件，代入求解节点热功率和其余节点供应温度和回水温度。受电力系统功率平衡方程启发，潮流方程中对于用电压相量求解节点注入功率相量时，具有解析表达式，仅需要代入求解。用变换定解法替代传统多能流计算法，求解多能流状态的过程将从np困难问题变成多项式时
间复杂度的代入求值问题。
[0082]
实施例2：
[0083]
对应于实施例1提供的综合能源网络多能流数据集的构造方法，本实施例中提供了一种综合能源网络多能流数据集的构造系统，所述系统包括：
[0084]
能源耦合单元1，用于将类型不同的第一能源网络和第二能源网络耦合为耦合能源网络；所述第一能源网络和所述第二能源网络的类型包括：电力网络、热力网络或天然气网络；
[0085]
多能流数据求解模型确定单元2，用于确定耦合能源网络的多能流数据求解模型；
[0086]
潮流定解集确定单元3，用于确定耦合能源网络的潮流定解集；
[0087]
多能流数据集求解单元4，用于根据所述潮流定解集，对所述多能流数据求解模型中的潮流未知解集进行求解；所述潮流定解集以及求解得到的潮流未知解集构成多能流数据集。
[0088]
所述第一能源网络为电力网络；所述电力网络中包括电源节点、电负荷节点和输电线路；所述第二能源网络为热力网络；所述电源节点为小水电发电机组，小水电因其规模小、投资少、见效快、无污染等优点在近年得到迅猛发展；所述热力网络中包括热源节点、热负荷节点和输水管道。对应的能源耦合单元1应为热电比恒定的背压式热电联产chp机组。
[0089]
进一步多能流数据集求解单元具体包括：
[0090]
潮流定解上下限确定子单元4-1，用于确定所述潮流定解集的上下限；
[0091]
定解数据生成子单元4-2，用于在潮流定解集的上下限之间随机生成一组定解数据；
[0092]
变换定解子单元4-3，用于将所述定解数据带入所述多能流数据求解模型中进行求解，得到所述潮流未知解集。
[0093]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。