基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法

1.本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法。


背景技术：

2.气候变化已经成为21世纪的最大挑战之一。基于可再生能源的可持续能源供应是减少温室气体排放的重要手段。可再生能源具有可变性和不确定性，其大规模并网会提高电力系统的灵活性需求。为应对电力需求的快速增长和可再生能源的高渗透率，需求响应被认为是一种有前景的解决方案，通过负荷转移来提高系统的灵活性，而无需使用昂贵的储能系统。配备供暖、通风和空调(hvac)系统的建筑，作为主要的电力终端用户，在为电力系统提供灵活性方面具有很大的潜力，冷水机占据了建筑用电的主要部分。
3.为实现多冷水机hvac系统的需求响应，需要决策每台冷水机的启停状态，在hvac系统控制量较大的情况下，优化问题中大量的0/1变量将导致难以求解；另一方面，对于系统运营商来说，将所有hvac负荷的异构模型纳入其日常调度计划是不切实际的。
4.因此，如何灵活且简单地实现多hvac系统的调度，成为调度人员亟需解决的难题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法，其目的在于解决现有大规模多冷水机hvac系统调度策略难以求解的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法，包括：
7.基于异构hvac系统的聚合备用供应模型，求解考虑聚合hvac系统备用的连续时间随机机组组合模型，得到含多冷水机hvac电力系统的经济调度策略，实现源网荷储连续时间协调控制；
8.其中，在所述异构hvac系统的聚合备用供应模型中，采用每台hvac系统所供应室内的室内温度状态sot作为该台hvac系统的备用供应能力，且各hvac系统之间的sot相等以及各hvac系统之间的dsot/dt相等，所述室内温度状态sot具体为：室内实际温度偏离设定温度的实际偏离值，相对允许温度偏离值的相对值。
9.进一步，所述室内温度状态sot表示为：
[0010][0011]-1≤sotn(t)≤1；
[0012]
其中，sotn(t)表示t时刻第n个hvac系统的室内温度状态，εn表示第n个hvac系统所供应的室内的允许温度偏离值，表示t时刻第n个hvac系统所供应室内的室内实际温
度，表示第n个hvac系统所供应室内的设定温度。
[0013]
进一步，所述异构hvac系统的聚合备用供应模型为：
[0014][0015][0016][0017]-1≤sotn(t)≤1；
[0018]
式中，n(k)表示母线k处有n个hvac系统，表示场景s下t时刻母线k处第n个hvac系统的有功功率，表示t时刻各hvac系统之间的sot相等对应的sot值，表示母线k处第n个hvac系统有功功率与制冷需求关系式中制冷需求的系数，αn表示母线k处第n个hvac系统制冷需求与sot关系式中sot项的系数；表示t时刻各hvac系统之间的dsot/dt相等对应的dsot/dt取值，βn表示母线k处第n个hvac系统制冷需求与sot关系式中dsot/dt项的系数，γn(t)表示母线k处第n个hvac系统制冷需求与sot关系式中的常数项，表示母线k处第n个hvac系统有功功率与制冷需求关系式中的常数项；
[0019]
表示场景s下t时刻母线k处所有hvac系统的总上调部署备用，表示场景s下t时刻母线k处所有hvac系统的总下调部署备用，表示日前阶段预测的t时刻母线k处第n个hvac系统的用电基线，表示场景s下t时刻母线k处第n个hvac系统的有功功率，表示t时刻母线k处所有hvac系统的总上调备用容量，表示t时刻母线k处所有hvac系统的总下调备用容量。
[0020]
进一步，所述异构hvac系统的聚合备用供应模型中的为采用以下方式构建得到：
[0021]
将环境和室内温度的一阶等效热效应参数模型与所述室内温度状态sot的定义式联立，得到第n个hvac系统中制冷需求与所述室内温度状态sotn(t)之间的关系：
[0022][0023]
[0024]
式中，表示第n个hvac系统所处建筑的热阻，表示第n个hvac系统所处建筑的热容，表示第n个hvac系统所处建筑的室外温度，表示第n个hvac系统所处建筑的室内温度；
[0025]
根据第n个hvac系统的功耗：得到母线k处n个hvac系统的聚合功耗：式中，表示t时刻第n个hvac系统的dsot/dt，
[0026]
令各hvac系统之间的sot相等以及各hvac系统之间的dsot/dt相等，得到：式中，表示t时刻各hvac系统的sot，表示t时刻各hvac系统的dsot/dt。
[0027]
进一步，在所述求解考虑聚合hvac系统备用的连续时间随机机组组合模型之前，还包括：
[0028]
获取含多冷水机hvac电力系统中各元件的物理参数，所述含多冷水机hvac电力系统的元件包括：电网、火电机组和多冷水机hvac系统。
[0029]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如上所述的一种基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法。
[0030]
本发明还提供一种服务器，包括：处理器、收发机，以及如上所述的计算机可读存储介质，其中，
[0031]
所述收发机，用于在所述处理器的控制下收发数据；
[0032]
所述处理器执行所述计算机可读存储介质上的计算机程序时实现如上所述的一种基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法的步骤。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0034]
本发明提供的一种基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法，引入室内温度状态(sot)的概念，通过对海量多冷水机hvac系统下发统一的sot指令，能够实现海量hvac系统的统一调度。sot定义为室温与设定温度偏差除以用户允许的温度偏差范围的相对值，尽管各楼宇的室温设定值不同，用户能够忍受的温度偏差范围不同，各hvac系统之间存在差异，但sot的定义是相同的，通过下达统一sot指令，能够解决海量hvac系统决策变量过多，难以求解的问题。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例提供的一种基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法流程框图；
[0036]
图2为本发明实施例提供的hvac系统的上调/下调备用容量与上调/下调部署备用
对比图，其中，(a)为连续时间模型；(b)为离散时间模型；
[0037]
图3为本发明实施例提供的hvac系统的上/下爬坡备用容量与上/下部署爬坡对比图，其中，(a)连续时间模型；(b)离散时间模型。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0039]
实施例一
[0040]
一种基于电力终端泛在物联的源网荷储连续时间协调控制方法，包括：
[0041]
基于异构hvac系统的聚合备用供应模型，求解考虑聚合hvac系统备用的连续时间随机机组组合模型，得到含多冷水机hvac电力系统的经济调度策略，实现源网荷储连续时间协调控制；
[0042]
其中，在异构hvac系统的聚合备用供应模型中，采用每台hvac系统所供应室内的室内温度状态sot作为该台hvac系统的备用供应能力，且各hvac系统之间的sot相等以及各hvac系统之间的dsot/dt相等，所述室内温度状态sot具体为：室内实际温度偏离设定温度的实际偏离值，相对允许温度偏离值的相对值。
[0043]
需要说明的是，进行源网荷储连续时间协调控制之前，需要依次建立单个多冷水机hvac系统的备用供应模型和异构hvac系统的聚合备用供应模型；建立考虑聚合hvac系统备用的连续时间随机机组组合模型；建立基于函数空间的连续时间随机机组组合模型，在此基础上，进行源网荷储连续时间协调控制，具体：基于求解器，求解上述基于函数空间的连续时间随机机组组合模型，得到含多冷水机hvac电力系统的经济调度策略。其中，
[0044]
关于建立单个多冷水机hvac系统的备用供应模型和异构hvac系统的聚合备用供应模型。具体地，收集所在含多冷水机hvac电力系统中电网、火电机组和多冷水机hvac系统的常规参数，电负荷、风电场出力和环境温度曲线。
[0045]
所述电网的常规参数包括：功率转移分布系数g、输电线路容量f。
[0046]
所述火电机组的常规参数包括：最小技术出力g、最大技术出力最大上爬坡速率最大下爬坡速率最小开机时间t
on
、最小停机时间t
off
。
[0047]
所述多冷水机hvac系统的常规参数包括：室内温度设定值t
set
、建筑热阻cb、建筑热阻rb、用户允许的温度偏差ε。
[0048]
所述电负荷、风电场出力和环境温度曲线为：母线处的电负荷预测曲线lk(t)，风电场的有功出力曲线wk(t)和环境温度曲线to(t)，t为时间的连续变两个，取值范围为0到整个调度时间长度。
[0049]
关于建立单个多冷水机hvac系统的备用供应模型和异构hvac系统的聚合备用供应模型。
[0050]
具体地，建立单个多冷水机hvac系统的备用供应连续时间模型和异构hvac系统的聚合备用供应连续时间模型。
[0051]
建筑内的热力学动态可以用环境与室内温度的一阶关系来表示，其形式如下：
[0052][0053]
t
set-ε≤ti(t)≤t
set
ε
ꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
其中，ti和to分别为室内温度和环境温度；rb和cb分别为热阻和热容；q
de
表示制冷需求；t
set
为室内温度设定值；ε为用户所能接收的温度偏差。(1)为室内温度与环境温度的一节关系式；(2)为室内温度的上下限约束，将室内温度限定在设定值t
set
附近的特定区间，从而保证用户的舒适度。
[0055]
利用建筑的热惯性，单个hvac系统可提供的上调备用r
u,su
和下调备用容量r
d,su
可以表示为：
[0056][0057]
其中，p
base
表示日前阶段预测的hvac系统用电基线；p
su
为hvac系统的有功功率。
[0058]
假设母线k处有n(k)个hvac系统，则母线k的总上调/下调部署备用可以表示为：
[0059][0060]
其中，和分别表示第n个hvac系统的上调和下调部署备用。
[0061]
母线k处n(k)个hvac系统的总上调/下调备用容量应不小于各场景下的上调/下调部署备用。
[0062][0063]
其中，为场景s下的总上调/下调部署备用。
[0064]
为实现调度信号在多个hvac系统之间的自主分配，本发明定义了室内温度状态(state of the indoor temperature,sot)，表示备用供应能力。
[0065][0066]
根据(2)，sot应遵循如下约束：
[0067]-1≤sotn(t)≤1
ꢀꢀꢀ
(7)
[0068]
将(6)代入(1)，第n个hvac系统中制冷需求与室内温度状态sot之间的关系可以表示为：
[0069][0070]
[0071]
此外，第n个hvac系统的功耗如(9)所示。
[0072][0073]
对于母线k处的n(k)个hvac系统，聚合功耗可表示为：
[0074][0075]
对每个hvac系统，sot与0的偏差表示用户舒适度，偏差越大，用户舒适度越低。为保证用户舒适度的一致性，控制标准为各hvac系统之间的sot相等以及各hvac系统之间的dsot/dt相等。
[0076][0077]
聚合商将控制信号(sot,dsot/dt)发送给每个hvac系统，各hvac系统根据(8)调整功耗。因此，(10)可表示为：
[0078][0079]
于是，(4)中上调/下调部署备用可重构为：
[0080][0081]
综上所述，hvac系统的聚合备用供应模型表示为(5)，(7)和(12)-(13)。各母线的备用容量通过一致性sot设定的方式自动分配给各个hvac系统。其中提出室内温度状态sot的概念，忽略了个体hvac之间的差异，统一表示不同hvac系统下的室内温度状态，使得随机机组模型的求解较为快速且简单，保证在较好的求解精度下进行求解简单，实用价值高。
[0082]
关于建立考虑聚合hvac系统备用的连续时间随机机组组合模型。
[0083]
具体地，连续时间机组组合模型建立为两阶段优化问题，将火电机组和多冷水机hvac系统的日前调度和日内调度结合起来。目标函数为调度周期t内的两阶段决策总成本，如(14)所示。
[0084]
[0085][0086]
其中，cg为火电机组的煤耗成本；cu/cd为火电机组的开机/停机成本；u(t)/v(t)为火电机组在t时刻的开机/停机动作；μ
u,g
/μ
d,g
为火电机组单位上调/下调备用容量的价格；μ
u,h
/μ
d,h
为hvac系统单位上调/下调备用容量价格；ρ
u,g
/ρ
d,g
为火电机组单位上调/下调部署备用的价格；ρ
u,g
/ρ
d,g
为hvac系统单位上调/下调部署备用的价格；为场景s的概率；cm为火电机组最小出力对应的煤耗成本；i(t)为火电机组在t时刻的启停状态；y为火电机组有功出力的分段数；为分段y内的单位煤耗成本；γy(t)为火电机组的分段y在t时刻的有功出力；为火电机组在分段y的有功出力上限。一阶段运行成本包括火电机组的能量成本(第一项)、火电机组的备用成本(第二项)和hvac系统的备用成本(第三项)。(15)为火电机组的分段线性化煤耗成本。二阶段成本包括火电机组的部署备用成本(第四项)和hvac系统的部署备用成本(第五项)。所涉场景可采用场景生成方法或kernel函数等方法生成。
[0087]
一阶段连续时间约束如(16)-(21)所示。
[0088][0089][0090][0091][0092][0093][0094]
其中，(16)为日前功率平衡约束，根据负荷和风力发电情况的变化，安排火电机组的出力；(17)为火电机组的上调/下调备用容量约束；(18)为火电机组的上/下爬坡速率约束；(19)表示火电机组的启停状态约束；(20)为火电机组的最小启停时间约束；(21)为输电线路容量约束。
[0095]
二阶段连续时间约束与响应各场景下电负荷和风电出力的实时决策变量相关联，如下所示。
[0096][0097][0098][0099][0100][0101]
其中，(22)为实时功率平衡约束；(23)为火电机组的上调/下调部署备用约束；(5)，(7)和(12)-(13)为多冷水机hvac系统的上调/下调部署备用约束；(24)表示火电机组的实时出力；(25)为火电机组的实时爬坡约束；(26)为输电线路的实时容量约束。
[0102]
关于建立基于函数空间的连续时间随机机组组合模型。
[0103]
具体地，建立基于函数空间的连续时间随机机组组合模型。
[0104]
将调度周期t分为j个具有相同步长δt的时段：
[0105]
δt＝[t0,t1)＝[t1,t2)＝
…
＝[tj,t
j 1
)
ꢀꢀꢀ
(27)
[0106]
插值函数空间由m阶bernstein多项式构成，表示为。利用上述m 1个插值函数对各时段内时变的电负荷与风电出力进行建模。
[0107][0108]
根据系统灵活性需求，时段j内的随机机组组合一阶段决策由阶数较低的m1阶bernstein函数进行建模；二阶段决策由阶数较高的m2＝m1 α阶bernstein函数进行建模，分别表示为：
[0109][0110][0111]
其中，和分别表示bernstein系数行向量。利用bernstein多项式函数的凸包性质，可以保证连续时间的决策轨迹在bernstein系数内。插值函数空间b
m1
(τ)和b
m2
(τ)之间的关系可以表示为：
[0112]bm1
(τ)＝zb
m2
(τ),τ∈[0,1),z∈r
(m1 1)
×
(m2 1)
ꢀꢀꢀ
(31)
[0113]
为保证投影在函数空间上的时段j和时段j 1之间的连续性，对m阶bernstein系数约束如下：
[0114]fj
{m}＝f
j 1
{0}
ꢀꢀꢀ
(32)
[0115]
此外，bernstein函数对时间的导数可根据操作矩阵d表示为它本身的线性组合：
[0116][0117]
利用上述性质，二阶段决策对时间的导数可以表示为：
[0118][0119]
对于连续时间机组组合的目标函数，关于函数空间m阶决策的积分项可表示为：
[0120][0121]
其中，1
m 1
是全1向量。
[0122]
关于基于求解器求解所述连续时间模型，得到含多冷水机hvac电力系统的经济调度策略。
[0123]
具体地，使用现有求解器求解含多冷水机hvac电力系统的经济调度策略。
[0124]
调用相应求解器可以求解出含多冷水机hvac电力系统的经济调度策略，对于如图2所示的气电联合系统，采用本实施例提供的连续时间随机机组组合模型，对比离散时间随机机组组合模型，得到的运行结果对比如下表1所示，hvac系统的上调/下调备用容量与上调/下调部署备用对比如图2所示，hvac系统的上/下爬坡备用容量与上/下部署爬坡对比如图3所示，由图可知，相较于离散时间hvac备用模型，所提连续时间hvac备用模型可以提供更大的备用容量与爬坡备用容量。具体地，采用所提连续时间hvac备用模型，hvac系统可分别提供占总容量41.28％的备用容量与占总爬坡容量65.63％的备用爬坡容量；而采用离散时间hvac备用模型，hvac仅可分别提供占总容量31.36％的备用容量和占总爬坡容量52.17％的备用爬坡容量。仿真结果证明了所提连续时间hvac备用模型可以更有效地挖掘hvac系统的备用容量潜力，以满足电力系统的灵活性需求。
[0125]
表1
[0126][0127]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。