考虑风电不确定性的电-气耦合配网的风险运行方法

1.本发明属于大规模分布式风电并网的电-气耦合能源配网的优化运行技术领域，具体涉及基于最大互相关熵改进igdt的电-气耦合配网的风险运行方法。


背景技术：

2.随着风电等新能源的发展越来越迅速，大量风电的并网带来的不确定性对电力系统的影响具有较大的风险，会造成弃风及切负荷等不利影响，而综合能源系统可以增加能源消纳的灵活性，提高系统运行的经济性与安全性。电气耦合配网是综合能源系统的一种具体表现，由电力系统和天然气系统合并构成，两个系统的由电转气技术和燃气轮机深度耦合，因此风电对电力系统造成的不利影响会对进一步影响天然气网的安全经济运行。因此，迫切需要开展考虑风电不确定性的电气耦合配网的风险运行。
3.针对考虑风电不确定性的风险运行，国内外学者陆续展开了一些研究。主要可以分为两种方法。一种是基于金融学中的条件风险价值理论(cvar)，该方法刻画不确定性下弃风、切负荷风险，将风险成本(应对弃风、切负荷产生的费用)作为目标值添加到目标函数中，使模型在最小化运行成本的同时，尽可能的减少失电风险。另外一种是信息学中的信息间隙决策理论(igdt)，该方法是一种有效处理奈特氏不确定性的非概率非模糊数学优化方法，信息指影响目标函数的不确定信息，间隙是不确定性因素预测值与实际值之间的误差。其中，对于信息间隙的描述主要包括包络约束、椭球约束等方法，但是实际上电气量具有非高斯性的特点，最大互相关熵是一种有效描述非高斯性的理论，用其描述信息间隙建立不确定集是一个很好的方法，进而建立基于igdt的电气耦合配网风险运行模型。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供考虑风电不确定性的电-气耦合配网的风险运行方法，解决了现有技术中存在的不能充分利用风电资源的问题。
5.本发明所采用的技术方案是：考虑风电不确定性的电-气耦合配网的分布式优化方法，具体操作步骤如下:
6.步骤1：建立电气耦合配网的确定性调度模型，所述确定性调度模型包括电力系统和天然气系统的目标函数和约束条件；
7.步骤2：通过最大互相关熵建立风电的不确定集，得到基于最大互相关熵改进igdt的基本模型；
8.步骤3：基于步骤2的基本模型分别给定成本偏差系数，建立两种考虑风电不确定性的风险规避调度和机会寻求调度模型；
9.步骤4：使用cplex求解器求解的风险规避调度和机会寻求调度模型，得到考虑风电不确定性的电气耦合配网的风险调度结果。
10.本发明的特点还在于：
11.步骤1中，主要包括电转气、燃气轮机和储气罐数学模型以及有关的安全运行约
束，其配电网和配气网的目标函数为：
[0012][0013][0014]
式(1)中，c
e,t
和cg为购电和燃气轮机购气成本系数；t为总调度时段；p
tb,e
为向主网购电功率；为从气网的购气功率；ng为燃气轮机总数；p为p2g总数；和cc为p2g的日运行成本和弃风成本系数；为弃风电量；为p2g向气网售气收益系数；为向气网售出的天然气量；为切电负荷惩罚成本；p
ts,e
为切电负荷量；式(2)中，c
well
为从天然气井的购气成本系数；p
tb,g
为从天然气井的购气量；cs为切气惩罚成本；p
ts,g
为切气负荷量。
[0015]
步骤2中，通过最大互相关熵描述风电不确定性集如下：
[0016][0017]
式中，u表示风电出力的波动范围，表示风电出力的预测值，α表示风电出力预测值的偏差系数，表示风电出力值，σ表示互相关熵准则中核函数的核宽度；
[0018]
进一步地，在步骤2中，得到基于最大互相关熵的igdt的基本模型：
[0019][0020]
式中，f(x,y)为目标函数，x为决策变量，y为输入参数，m、n分别为等式、不等式约束；
[0021]
由此，确定了改进igdt的基本模型，设其求解结果为x0。
[0022]
步骤3的风险规避调度模型和机会寻求调度模型如下：
[0023]
风险规避调度模型可表示为：
[0024][0025]
式中，μr为鲁棒参与因子，由用户制定；αr为风险不确定度；
[0026]
机会寻求调度模型可表示为:
[0027][0028]
其中，αo为机会不确定度。
[0029]
步骤4中，使用cplex求解器首先求解建立的确定性调度模型，得到含风电的电气耦合配网的确定性调度结果；进一步地，将确定性调度结果作为风险规避调度和机会寻求调度模型的参数，求解风险规避调度和机会寻求调度模型，从而得到考虑风电不确定性的电气耦合配网的风险调度结果。
[0030]
本发明的有益效果是：本发明所提基于最大互相关熵改进的igdt模型能够有效地将ies调度运行成本与不确定参数的偏差系数定量地结合起来，为决策者提供定量的决策依据，同时，不同于以往的不确定集构建，在实际电气工程中大量的物理观测现象都表现出非高斯行为，如风力发电功率、交直流负荷和电动汽车充电、环境噪声、通信不稳定等。在此类行为下，使用以高斯假设为前提的均方误差作为代价函数，将不再合适。本发明建立的不确定集考虑了实际中的非高斯性数据的特点。
附图说明
[0031]
图1是本发明考基于最大互相关熵改进igdt的电-气耦合配网的风险运行方法的流程图。
[0032]
图2是本发明方法用于实例的配网系统示意图。
[0033]
图3是本发明方法中算例系统中的电负荷和气负荷曲线图。
[0034]
图4是本发明方法中算例系统中的电价和气价曲线图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0036]
本发明考虑风电不确定性的电-气耦合配网的分布式优化方法的流程如图1所示，具体操作步骤如下：
[0037]
步骤1：建立电气耦合配网的确定性调度模型，所述确定性调度模型包括电力系统和天然气系统的目标函数和约束条件；
[0038]
步骤2：通过最大互相关熵建立风电的不确定集，得到基于最大互相关熵改进igdt的基本模型；
[0039]
步骤3：基于步骤2的基本模型分别给定成本偏差系数，建立两种考虑风电不确定性的风险规避调度和机会寻求调度模型；
[0040]
步骤4：使用cplex求解器求解的风险规避调度和机会寻求调度模型，得到考虑风电不确定性的电气耦合配网的风险调度结果。
[0041]
步骤1中，主要包括电转气、燃气轮机和储气罐数学模型以及有关的安全运行约束，其配电网和配气网的优化目标为：
[0042][0043][0044]
式(1)中，c
e,t
和cg为购电和燃气轮机购气成本系数；t为总调度时段；p
tb,e
为从主网的购电功率；为从气网的购气功率；ng为燃气轮机总数；p为p2g总数；和cc为p2g的日运行成本和弃风成本系数；为弃风电量；为p2g向气网售气收益系数；为向气网售出的天然气量；为切电负荷惩罚成本；p
ts,e
为切电负荷量；式(2)中，c
well
为从天然气井的购气成本系数；p
tb,g
为从天然气井的购气量；cs为切气惩罚成本；p
ts,g
为切气负荷量。
[0045]
进一步地，在步骤1中，得到的配电网、配气网以及其他约束条件包括：
[0046]
(1)配电网约束条件：
[0047]
[0048]
式中，为风机w的有功出力，为燃气轮机g的有功出力；π(j)表示配电网中以j为末端节点的支路首端节点集合，ω(j)表示配电网中以j为首端节点的支路末端节点集合；p
ij
和q
ij
为配电网线路ij段的有功和无功功率；表示和表示有功和无功预测电负荷值；表示以j为首端节点的支路末端节点上的切气负荷；p
jk，t
和q
jk，t
表示配电网中以j为首端节点的支路jk段的有功和无功功率；和表示弃风和切气负荷；u
jt
表示节点j的电压大小，i
ij，t
表示配电线路ij段的电流；r
ij
和x
ij
表示配电线路ij段的电阻、电抗值；和表示燃气轮机爬坡上下限值，和表示风机爬坡上下限值；和表示燃气轮机出力上下限值，和表示风机出力上下限值；和表示机组g的最小启动与停机时间；ig(t)表示机组g在时段t开停机状态的二元整型变量，取值为1表示开机，为0表示停机；和表示开停机持续时间。
[0049]
(2)配气网约束条件：
[0050][0051]
式中，c
pq
表示天然气管道常数；v(p)与u(p)表示以节点p为首节点和末节点的天然气管道集合；ω
q，t
表示注入节点p的天然气流量，ω
pq，t
表示天然气管道pq的管道流量，ω
pr，t
表示天然气管道qr的管道流量；p、q、r为天然气节点索引；θ
p，t
表示节点气压；θ
p，min
与θ
p，max
表示节点气压上下限约束；ω
pq，min
与ω
pq，max
表示管道流量上下限约束。
[0052]
(3)其他约束条件：
[0053][0054]
式中，与表示配网与上级主网交换的最小和最大有功功率；与
表示配网与天然气供应商交换的最小和最大有功功率。表示电转气设备转换得到的天然气体积；表示电转气设备实际消耗的电功率；η
p2g
表示电转气设备的转换效率；hhv表示天然气高热值；表示电转气设备的最大转换功率；i
p2g
表示电转气设备的工作状态。
[0055]
步骤2中，通过最大互相关熵描述风电不确定性集如下：
[0056][0057]
式中，u表示风电出力的波动范围，表示风电出力的预测值，α表示风电出力预测值的偏差系数，表示风电出力值，σ表示互相关熵准则中核函数的核宽度。
[0058]
进一步地，在步骤2中，得到基于最大互相关熵的igdt的基本模型：
[0059][0060]
式中，f(x,y)为目标函数，x为决策变量，y为输入参数，m、n分别为等式、不等式约束。
[0061]
由此，建立了确定性的模型，设其求解结果为x0。
[0062]
步骤3中，成本偏差系数根据决策者的喜好制定，而风电的不确定性既可能有害也可能有利，针对这两种可能性进行量化，在基础模型上建立鲁棒(风险回避)模型和机会(机会获利)模型。
[0063]
风险规避调度模型可表示为：
[0064][0065]
式中，μr为鲁棒参与因子，由用户制定，αr为风险不确定度。
[0066]
机会寻求调度模型可表示为:
[0067][0068]
其中，αo为机会不确定度。
[0069]
步骤4中，使用cplex求解器首先求解建立的确定性调度模型，得到含风电的电气
耦合配网的确定性调度结果；进一步地，将确定性调度结果作为风险规避调度和机会寻求调度模型的参数，求解风险规避调度和机会寻求调度模型，从而得到考虑风电不确定性的电气耦合配网的风险调度结果。
[0070]
实施例
[0071]
下面通过具体实施例说明本发明有益效果。
[0072]
为了例证所提出的模型方法的系统拓扑，以ieee 33节点配电网和24节点配气网构成的电-气耦合能源系统结构如附图2所示。如图中所示，包含g1和g2两台燃气轮机组，w1和w2两台风电机组，p2g1和p2g2两个电转气设备，并且将p2g设备作为风电机组的配套设备接入系统，以及s1和s2两个储气罐。系统电负荷和气负荷如图2，分时电价和气价如图3。气源最大出力1600m3/h，p2g售气价格为气源售气价的0.98倍，储气罐的最大储气量分别为2500m3、2500m3，最小储气量分别为200m3、250m3，风电机组容量分别为2mw、2.5mw，燃气轮机额定功率分别为1mw和1.2mw。配电网的节点1为购电节点，天然气系统的节点1为购气节点。调度总周期为24小时，以1小时为一个优化间隔。本算例在matlab2016a软件环境下进行。
[0073]
通过本发明所提模型，分别对含风电的确定性调度和考虑风电不确定性的风险运行对比分析。
[0074]
得到的确定性调度结果见下表所示：
[0075]
表1确定性调度结果
[0076][0077]