一种城市配电网-热网协同规划方法及系统

1.本公开属于电-热综合能源系统扩展规划技术领域，具体涉及一种城市配电网-热网协同规划方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.近年来，随着传统能源污染问题的逐渐显露以及节能减排压力的增长，大力发展可再生能源发电技术、代替传统发电方式已成为不可阻挡的趋势。城市配电网中分布式可再生能源发电渗透率的提高，导致配电网与输电网间传输的潮流更加复杂多变，二者物理耦合性增强。与此同时，热电联产机组以及热泵等能源耦合装置的应用，实现了城市配电网与城市热网的互联互通，提高了能源消费效率。据此，在城市能源网络规划设计过程中，合理计及输电网的耦合作用，实现考虑输电网影响的多个城市配电网-热网协同规划具有重要意义。
4.在对多个网络协同优化时，由于系统类型与规模的扩大，传统的集中式算法面临着计算压力大、集中决策者无法获得所有网络的具体信息等问题，分布式算法因可以较好地解决这些问题而逐渐兴起。交替方向乘子算法(alternative direction multiplier method,简称admm)作为分布式算法的一种，由于其较好的收敛特性，近年来在电力系统分布式规划、运行等领域逐渐引起研究人员重视。但是对于三个以上算子的优化问题，直接推广的admm至今没有给出收敛性证明。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本公开提出了一种城市配电网-热网协同规划方法及系统，建立了综合考虑输电网决策者、城市配电网决策者、城市热网决策者利益的的网络扩展规划模型，同时基于平行分裂加正则项的交替方向乘子法(admm with parallel splitting augmented lagrangian method,简称psalm-admm)为基础设计了不同网络决策者间的沟通、协同方案，保证各网络决策者在对内部网络进行规划设计的同时兼顾不同网络间的协同能力以及网络整体的发展需求。
6.根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种城市配电网-热网协同规划方法，采用如下技术方案：
7.一种城市配电网-热网协同规划方法，包括以下步骤：
8.获取基于同一输电网的城市配电网-热网模型；
9.考虑输电网、城市配电网和城市热网的决策者的不同需求，确定所述城市配电网-热网模型的目标函数；
10.基于平行分裂加正则项的交替方向乘子法求解所确定的目标函数，得到城市配电网-热网的协同规划方案。
11.作为进一步的技术限定，在所述获取基于同一输电网的城市配电网-热网模型的过程中，收集输电网、城市配电网、城市热网的网络拓扑结构、现有设备状况和历史运行数据信息，依据输电网、城市配电网和城市热网的网络节点功率平衡方程、潮流方程和设备出力上下限方程，构建基于同一输电网的多个城市配电网-热网数学模型。
12.作为进一步的技术限定，所述基于同一输电网的多个城市配电网-热网数学模型包括输电网模型、配电网模型和热网模型。
13.作为进一步的技术限定，所述城市配电网-热网模型的目标函数与输电网运行成本、配电网建设成本、配电网运行成本、热网建设成本和热网运行成本有关。
14.作为进一步的技术限定，在平行分裂增广拉格朗日的预测校正法的基础上加正则项进行限制，得到平行分裂加正则项的交替方向乘子法。
15.作为进一步的技术限定，在基于平行分裂加正则项的交替方向乘子法求解所确定的目标函数的过程中，迭代开始时初始化耦合变量、拉格朗日乘子，在迭代过程中更新耦合变量、拉格朗日乘子信息，计算迭代过程中的偏差，直到最大偏差小于允许偏差时迭代结束，输出多个城市内配电网-热网的协同规划方案。
16.作为进一步的技术限定，在配电网-热网协同规划过程中，输电网、城市配电网和城市热网的决策者交换迭代更新过程中网络耦合节点状态信息。
17.根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种城市配电网-热网协同规划系统，采用如下技术方案：
18.一种城市配电网-热网协同规划系统，包括：
19.获取模块，被配置为获取基于同一输电网的城市配电网-热网模型；
20.构建模块，被配置为考虑输电网、城市配电网和城市热网的决策者的不同需求，确定所述城市配电网-热网模型的目标函数；
21.规划模块，被配置为基于平行分裂加正则项的交替方向乘子法求解所确定的目标函数，得到城市配电网-热网的协同规划方案。
22.根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
23.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的城市配电网-热网协同规划方法中的步骤。
24.根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
25.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的城市配电网-热网协同规划方法中的步骤。
26.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
27.本公开所提出的基于psalm-admm的城市电-热网协同规划方法，实现了对具有耦合关系的多个城市内配电网、热网的协同规划。该方法综合考虑输电网、城市配电网、城市热网等多重网络内部的现有资源以及各网络发展需求，相较于常规的多网络独立规划，所提方法能够更有效的利用多重网络内部资源，降低多重网络内设备容量的冗余配置，提出经济性更优、资源利用率更高的协同规划方案。在多网络协同规划设计过程中，各网络决策者仅需交换迭代更新过程中网络耦合节点状态信息，这不仅减少了网络决策者间的通信负
担，同时保证了各网络内部信息的隐私性与安全性。
附图说明
28.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
29.图1是本公开实施例一中的城市配电网-热网协同规划方法的流程图；
30.图2是本公开实施例二中的城市配电网-热网结构图；
31.图3是本公开实施例一中的psalm-admm算法的流程图；
32.图4是本公开实施例一中的应用典型系统；
33.图5是本公开实施例二中的城市配电网-热网协同规划系统的结构框图。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
35.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
37.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例一
39.本公开实施例一介绍了一种城市配电网-热网协同规划方法。
40.如图1所示的一种城市配电网-热网协同规划方法，包括以下步骤：
41.获取基于同一输电网的城市配电网-热网模型；
42.考虑输电网、城市配电网和城市热网的决策者的不同需求，确定所述城市配电网-热网模型的目标函数；
43.基于平行分裂加正则项的交替方向乘子法求解所确定的目标函数，得到城市配电网-热网的协同规划方案。
44.如图2所示，构建连接于同一输电网的多个城市配电网-热网数学模型。其次，综合考虑各网络决策者需求构建系统整体目标函数。然后，引入平行分裂加正则项，构建psalm-admm算法。最后，各网络决策者根据所提基于psalm-admm的协同规划方案流程，相互传递耦合变量、拉格朗日乘子信息，迭代更新自身规划、运行方案直至收敛，获得多个城市内配电网与热网的协同规划方案。
45.数学模型
46.连接于同一输电网的多个城市配电网-热网数学模型包括输电网模型、配电网模型、热网模型等几个部分。
47.输电网模型为：
[0048][0049][0050][0051][0052][0053]
式中，p
l,i,s
为场景s中节点i处负荷的有功功率；p
ij,s
为场景s中线路ij流过的有功功率；θ
i,s
为场景s中节点i处电压的相角；b
ij
为线路ij的电纳；为节点i处发电机有功出力的最大值；为允许流过线路ij的有功功率最大值；为输电网与配电网q间交换有功功率的最大值；tb、t
l
、tg分别为输电网节点集合、线路集合、发电机集合；d
11
为与输电网相连的配电网序号集合。
[0054]
公式(1)为节点功率平衡方程，公式(2)为线路直流潮流方程；公式(3)、公式(4)和公式(5)分别代表发电机、线路、输配网间交换功率的上下限方程。
[0055]
配电网模型为：
[0056][0057][0058][0059][0060][0061]
[0062][0063][0064]vmin
≤v
i,s
≤v
max
ꢀꢀ
(14)
[0065][0066]
式中，db为配电网节点集合；dbs为配电网变电站节点，即与输电网相连的节点集合；v
i,s
表示节点i在典型场景s中的电压幅值；v
ref
为参考节点电压；分别表示在典型场景s中线路ij处流过的的有功、无功功率；分别表示场景s中节点i处分布式风机、光伏发出的有功以及变电站自输电网获取的有功功率，为相应的无功功率；表示场景s中节点i处耦合节点与热望交互的有功功率；分别表示节点i处负荷的的有功、无功功率基值；分别表示典型场景s中的归一化电负荷以及光伏最大出力、风电最大出力；z
f,ij
为0-1变量，表示规划后配电网线路ij处是否存在f类型馈线；分别表示f类型馈线、s类型变电站的最大容量；为配电网与热网间第c个耦合节点的最大功率；b
ij,s
为辅助松弛变量，当线路ij处线路不被建设时，b
ij,s
为在[(v
min-v
max
),(v
max-v
min
)]范围内随意变动的辅助变量，此时公式(18)被松弛；rf、xf分别表示f类型馈线单位长度的电阻值、电抗值；l
ij
表示线路ij的长度；v
max
、v
min
分别表示节点电压最大值与最小值；分别代表线路ij是否存在正向、反向虚拟潮流。
[0067]
公式(6)为线性distflow潮流方程,表征线路两端电压与线路潮流的关系。公式(7)和公式(8)分别为节点有功、无功功率平衡方程。公式(9)为辅助松弛变量b
ij,s
取值范围方程；公式(10)保证在线路ij处仅存在一种类型的馈线，在变电站节点仅存在一种类型的变电站。公式(11)、公式(12)、公式(13)和公式(14)分别为线路容量方程、变电站容量方程、新能源场站出力方程以及节点电压上下限方程，公式(15)为树状拓扑方程，保证规划后配电网为树状配电网。
[0068]
热网模型为：
[0069][0070][0071][0072][0073][0074][0075][0076]
式中，gb为热网节点集合；gbg为热网配热站站节点集合；分别表示场景s中由节点m处配热站、电-热耦合装置输入的热量；表示典型场景s中线路mn中m端流过的热量；δ为单位长度管道的热损率；表示节点m处热负荷基值；表示典型场景s中的归一化热负荷；z
p,mn
为0-1变量，表示规划后热网线路mn处是否存在p类型管道；分别表示p类型管道、g类型配热站的最大流量以及第c个耦合节点内热电联产装置、热泵的最大功率；分别为典型场景s中第c个耦合节点内热电联产装置消耗的天然气体积以及产生的有功功率、热量；分别为典型场景s中第c个耦合节点内热泵消耗的有功功率、产生的热量；分别为热电联产装置产电、产热效率；为热泵的产热效率；分别代表线路mn是否存在正向、反向虚拟热量。
[0077]
公式(16)为节点热量平衡方程。公式(17)为管道热量损失方程。公式(18)保证在
线路mn处仅存在一种类型的管道，在配气站节点仅存在一种类型的配气站；公式(19)为设备容量上下限方程；公式(20)和公式(21)为耦合节点内热电联产设备及热泵的运行方程；公式(22)为树状拓扑方程。
[0078]
目标函数
[0079]
系统整体目标函数包括输电网运行成本配电网建设成本配电网运行成本热网建设成本热网运行成本如公式(23)所示：
[0080][0081]
输电网运行成本可表示为：
[0082][0083]
式中，hs为典型场景s在一年中出现的小时数；c
g,i
(g)为节点i处发电机的发电成本函数；p
g,i,s
为场景s中节点i处发电机输出的有功功率；ce为单位购电成本；a
g,i
、b
g,i
、c
g,i
分别为节点i处发电机成本函数二次项、一次项系数以及常数项；z
on,i,s
为表征节点i处发电机在场景s中启停状态的0-1变量。
[0084]
配电网建设成本与配电网运行成本可表示为：
[0085][0086][0087]
式中，zn
f,ij
、zc
f,ij
为0-1变量，分别表示配电网线路ij处是否存在新建的、扩建的f类型馈线；zs为0-1变量，表示配电网变电站是否扩建为s类型；cnf、ccf、cs分别表示单位长度f类型馈线的新建、扩建成本以及s类型变电站的扩建成本；l
ij
为线路ij的长度；κ表示设备的年投资成本折算系数；r表示年利率；t表示规划年限；dl、df、ds、dc分别表示第q个配电网的线路集合、备选馈线类型集合、备选变电站类型集合、配电-热网耦合节点集合。
[0088]
热网建设成本与热网运行成本可表示为：
[0089][0090]
式中，zn
p,mn
、zc
p,mn
为0-1变量，分别表示热网线路mn处是否存在新建的、扩建的p类型管道；zg为0-1变量，表示热网配热站是否扩建为g类型；cn
p
、cc
p
、cg分别表示单位长度p类型管道的新建、扩建成本以及g类型配热站的扩建成本；c
ng
、cn分别为单位购气成本、购热成本；为典型场景s中第c个耦合节点内热电联产装置消耗的气体体积；f
g,s
为典型场景s中配热站购买的热量；l
mn
为线路mn的长度；gl、gp、gg分别表示第q个热网的线路集合、备选
管道类型集合、备选配气站类型集合；dc表示第q个配电网与热网间耦合节点集合。
[0091]
psalm-admm算法
[0092]
对于单算子问题，在变分不等式中x为原始变量，λ为对偶变量，在算法流程中，alm的k-th迭代从给定的λk开始，通过公式(28)完成，为下一次迭代提供一个新的λ
k 1
，x
k 1
是根据λk计算得来的结果，所以称x为算法的中间变量，λ为核心变量。
[0093][0094]
对三算子问题，不讲yz分离时，公式(29)所示方法是收敛的。而直接分离的时候(称作admm三算子直接推广形式)，因为核心变量包括y，z，λ。y，z为原始变量，λ为对偶变量。对两个原始变量，算法形式是不公平的，求解y子问题的时候，只能用xk 1，zk，λk的信息，因为zk尚未更新，求解z问题的时候，y更新了。存在计算成功的，但是也有不收敛的例子。
[0095][0096]
对(x，λ)问题，核心变量序列λk收缩的不等式条件如式(30)所示。该式保证了alm的收敛性。
[0097]
||λ
k 1-λ
*
||2≤||λ
k-λ
*
||
2-||λ
k-λ
k 1
||2ꢀꢀ
(30)
[0098]
对两算子问题，该条件对y，λ同时成立，所以两算子优化收敛。
[0099]
直接推广的交叉方向乘子法对三个以上算子的问题，计算效果也不错，但是至今没有给出收敛性证明。因此对三算子问题提出了一些修正算法。
[0100]
部分平行分裂alm的预测校正算法如下：
[0101][0102][0103]
该算法中y，z子问题得到平行，但是太自由，所以对其进行校正，在本实施例中取α＝0.55。
[0104]
直接推广形式松弛了核心变量中原始部分的求解，所以在总体找补的时候，加入适当的缩小量来保证收敛。在部分平行分裂alm的预测校正算法的基础上加正则项进行限制,得到平行分裂加正则项(psalm)的admm算法，如下式所示：
[0105][0106]
式中τ取值大于1。
[0107]
基于psalm-admm算法的协同规划方案流程，迭代更新自身规划、运行方案直至收敛，获得多个城市内配电网与热网的协同规划方案的具体过程包括：首先，初始化耦合变量、拉格朗日乘子等信息；其次，分别求解输电网子问题、配电网子问题与热网子问题；然后，更新拉格朗日乘子；最后，进行收敛判定，若收敛则返回配电网、热网规划方案，否则进行下一次迭代求解。
[0108]
如图3所示的基于psalm-admm算法的规划方法，具体过程为：
[0109]
步骤1：初始化变量p
t,k-1
＝p
t,0
，p
d,k
＝p
d,0
，p
h,k
＝p
h,0
，lagrange乘子λ
1,0
＝λ0，λ
2,0
＝λ0，λ
3,0
＝λ0，λ0为初始值，迭代次数k置为1。
[0110]
步骤2：将p
d,k-1
，p
h,k-1
带入输电网子问题，即公式(26)求解得p
t,k 1
。
[0111][0112]
步骤3：将p
t,k 1
，p
h,k-1
，带入配电网子问题，即公式(27)求解得p
d,k 1
。
[0113][0114]
步骤4：将p
t,k 1
，p
d,k-1
，带入热网子问题，即公式(28)求解得p
h,k 1
。
[0115][0116]
步骤5：根据公式(29)更新lagrange乘子λ
1,k 1
，λ
2,k 1
和λ
3,k 1
。
[0117]
λ
1,k 1
＝λ
1,k-β(p
t,k 1-ηep
d,k 1
)
[0118]
λ
2,k 1
＝λ
2,k-β(p
d,k 1-ηhp
h,k 1
)
ꢀꢀ
(37)
[0119]
λ
3,k 1
＝λ
3,k-β(p
h,k 1-ηqp
t,k 1
)
[0120]
步骤6：通过公式(30)计算k次迭代中的最大偏差，验证最大偏差是否小于允许偏差，满足条件结束迭代，否则更新迭代次数k并回到步骤2继续迭代计算。
[0121][0122]
本实施例中应用的典型系统如图4所示，输电网为双机六节点系统，连接有三个城市配电网以及一个恒定负载。三个待规划配电-热网拓扑结构相同，仅配电网中分布式电源不同，图中仅详细表示出1号待规划配电-热网的结构。待规划配电网为23节点系统，现存4条线路，用黑色实线表示；备选线路31条，用灰色虚线表示。待规划热网为30节点系统，现存10条管道，用黑色实线表示；备选线路27条，用灰色虚线表示。
[0123]
在各个城市能源网络耦合日益密切的背景下，本实施例提出了一种基于psalm-admm的城市电-热网协同规划系统和方法。基于psalm-admm设计了不同网络决策者间的沟通、协同方案，保证各网络决策者在对内部网络进行规划设计的同时兼顾不同网络间的协同能力以及网络整体的发展需求。
[0124]
实施例二
[0125]
本公开实施例二介绍了一种城市配电网-热网协同规划系统。
[0126]
如图5所示的一种城市配电网-热网协同规划系统，包括：
[0127]
获取模块，被配置为获取基于同一输电网的城市配电网-热网模型；
[0128]
构建模块，被配置为考虑输电网、城市配电网和城市热网的决策者的不同需求，确定所述城市配电网-热网模型的目标函数；
[0129]
规划模块，被配置为基于平行分裂加正则项的交替方向乘子法求解所确定的目标函数，得到城市配电网-热网的协同规划方案
[0130]
详细步骤与实施例一提供的城市配电网-热网协同规划方法相同，在此不再赘述。
[0131]
实施例三
[0132]
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
[0133]
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的城市配电网-热网协同规划方法中的步骤。
[0134]
详细步骤与实施例一提供的城市配电网-热网协同规划方法相同，在此不再赘述。
[0135]
实施例四
[0136]
本公开实施例四提供了一种电子设备。
[0137]
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的城市配电网-热网协同规划方法中的步骤。
[0138]
详细步骤与实施例一提供的城市配电网-热网协同规划方法相同，在此不再赘述。
[0139]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。