[發明專利]一種基于安全域辨識的綜合能源系統規劃方法

有效

• 申請號: 202010188141.6
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111415271B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 雍培;張寧;杜爾順;王毅;康重慶
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06Q50/06
• 分類號: G06Q50/06;G06Q10/04;G06Q10/06
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

1.一種基于安全域辨識的綜合能源系統規劃方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)建立描述綜合能源系統中能量轉換關系的矩陣模型：

設定綜合能源系統中共有N個能量轉換元件，并將能量轉換元件記為節點，每個能量轉換元件有K_i個端口，下標i為元件編號，設定綜合能源系統中共有M個能量傳輸通道，將能量傳輸通道記為支路，用下標b表示支路編號；

(1-1)建立第i個能量轉換元件的能量轉換關系矩陣，過程如下：

建立能量轉換元件i的“端口-支路”能量傳輸關系矩陣A_i(k,b)：

其中，A_i的維度為K_i×M；

設定第i個能量轉換元件的不同端口之間的能量轉換關系有L_i條，得到第i個能量轉換元件的端口能量轉換關系矩陣H_i，H_i的維度為L_i×K_i，端口能量轉換關系矩陣H_i中的每一行描述該能量轉換元件的一條能量轉換關系；

根據上述“端口-支路”能量傳輸關系矩陣A_i(k,b)和端口能量轉換關系矩陣H_i，得到該能量轉換元件的能量轉換關系矩陣Z_i：

Z_i＝H_i×A_i

(1-2)遍歷綜合能源系統中的N個能量轉換元件，重復步驟(1-1)，得到綜合能源系統中的所有N個能量轉換元件的能量轉換關系矩陣；

(1-3)建立綜合能源系統內部能量轉換關系矩陣：

聯立每一個元件的能量轉換關系矩陣，得到綜合能源系統內部能量轉換關系矩陣Z：

其中，上標T為矩陣轉置運算；

(1-4)建立綜合能源系統輸入輸出關系矩陣：

設定綜合能源系統有P個能源輸入端口和Q個負荷輸出端口，得到綜合能源系統的輸入關系矩陣C_in(p,b)，C_in(p,b)的維度為P×M，綜合能源系統的輸出關系矩陣C_out(q,b)，C_out(q,b)的維度為Q×M，矩陣中每個元素的值通過如下準則確定：

其中，端口p為P個能源輸入端口中的任意一個，端口q為Q個負荷輸出端口中的任意一個；

(1-5)運用(1-3)和(1-4)計算得到的矩陣，獲得綜合能源系統的能量轉換關系矩陣模型：

ZV＝0

C_inV＝V_in

C_outV＝V_out

其中，V是由綜合能源系統中支路上的能量流，維度為M×1，是綜合能源系統的狀態變量；V_in和V_out分別是綜合能源系統的輸入和輸出能量流，維度為P×1和Q×1；

(2)構建N-1運行場景下的綜合能源系統可行域，包括以下步驟：

(2-1)將第i個能量轉換元件退出運行時的綜合能源系統運行場景記為第i個N-1運行場景，建立N個與N-1運行場景相對應的支路可行約束集Φ_i(i＝1,2,...,N)，包括以下步驟：

對于第i個N-1運行場景，相應的支路可行約束集Φ_i建立方法如下：

(2-1-1)將支路可行約束集Φ_i置為空集；

(2-1-2)設與第i個能量轉換元件的K_i個端口相連的支路集合為分別對所有的K_i個端口，建立等式并將所有等式添加到支路可行約束集Φ_i中，其中V_b為綜合能源系統中支路b上的能量流；

(2-1-3)設與第j個能量轉換元件的k_j個端口相連的支路集合為j≠i，分別對中的所有端口k_j，建立不等式并將所有不等式添加到步驟(2-1-2)的支路可行約束集Φ_i中，其中為綜合能源系統中端口能量流的最大容量，遍歷所有j≠i的能量轉換元件，重復本步驟，得到與第i個能量轉換元件的N-1運行場景相對應的支路可行約束集Φ_i；

(2-1-4)遍歷綜合能源系統中的N個能量轉換元件，重復步驟(2-1-1)-步驟(2-1-3)，得到N個綜合能源系統的N-1運行場景相對應的支路可行約束集Φ_i(i＝1,2,...,N)；

(2-2)建立與每個N-1運行場景相對應的綜合能源系統可行域，其中第i個能量轉換元件的N-1運行場景下的綜合能源系統可行域的表達式為：

Ω_i＝{V_out|C_outV＝V_out,ZV＝0,V∈Φ_i}

其中，Ω_i為第i個N-1運行場景下的綜合能源系統可行域，Φ_i為步驟(2-1)中建立的該運行場景下的支路可行約束集，V是(1)中定義的綜合能源系統中支路上的能量流，V_out是(1)中定義的綜合能源系統的輸出能量流，Z是步驟(1)中定義的綜合能源系統能量轉換關系矩陣，C_out是步驟(1)中定義的綜合能源系統輸出關系矩陣；

(2-3)將綜合能源系統Q個輸出端口的輸出能量所張成的空間定義為輸出能量流空間，輸出能量流空間的維度為Q，每一個N-1運行場景下的綜合能源系統可行域Ω_i為輸出能量流空間中的一個凸多面體，用求解凸多面體頂點的方法，分別對步驟(2-2)的N個N-1運行場景下的綜合能源系統可行域Ω_i進行辨識，包括如下步驟：

(2-3-1)設e_q為輸出能量流空間中第q坐標的單位方向向量，求解下述線性優化問題，得到最優解即為第q坐標軸上的可行域頂點：

s.t.X_q＝C_outV

ZV＝0

V∈Φ_i

遍歷Q個坐標軸，得到Q個可行域頂點，該Q個頂點構成的集合Vert'組成已知可行域Ω_i'；

(2-3-2)記已知可行域Ω_i'的表面數量為R，設d_r為Ω_i'中第r個表面的單位法向向量，求解如下線性優化問題，得到最優解

s.t.X_r＝C_outV

ZV＝0

V∈Φ_i

其中上標T為矩陣轉置運算；

(2-3-3)對步驟(2-3-2)的最優解進行判斷，若最優解不屬于步驟(2-3-1)的集合Vert'，則將添加至Vert'中，并更新Vert'，若最優解屬于Vert'，則保持Vert'不變；

(2-3-4)遍歷已知可行域Ω_i'的R個表面，重復步驟(2-3-2)和步驟(2-3-3)，完成R次計算；

(2-3-5)對步驟(2-3-4)中的計算進行判斷，若在R次計算中，Vert'均沒有被更新過，則使Ω_i'＝Ω_i，進入(2-3-6)，若在R次計算中，Vert'被更新過，則用步驟(2-3-3)的最后更新得到的Vert'組成已知可行域Ω_i'，并返回至步驟(2-3-2)；

(2-3-6)遍歷綜合能源系統中的N個能量轉換元件，重復步驟(2-3-1)-步驟(2-3-6)，辨識得到綜合能源系統可行域Ω_i，i＝1,2,...,N；

(2-4)利用下式，對(2-3)獲得的N個綜合能源系統N-1運行場景下的可行域取交集，得到綜合能源系統安全域Ω：

Ω＝Ω₁∩Ω₂∩…∩Ω_N

(3)選擇最優綜合能源規劃方案，過程如下：

(3-1)設定綜合能源系統備選規劃方案有G個，遍歷G個綜合能源系統備選規劃方案中的每一個綜合能源系統備選規劃方案，重復步驟(1)和步驟(2)，分別得到相應備選規劃方案的安全域，將第g個綜合能源系統備選規劃方案的安全域記為Ω^g；

(3-2)設定待規劃綜合能源系統在規劃期內的負荷需求狀態共有Δ種，從綜合能源系統規劃部門獲取每一種負荷需求狀態的負荷需求向量的維度為Q×1，的每一個分量代表一個輸出端口的負荷需求量，同時從綜合能源系統規劃部門獲取每一種負荷需求狀態的出現概率Pro_δ(δ＝1,2,…,Δ)，利用下式，計算第g個綜合能源系統備選規劃方案相對每一個負荷需求向量的適應度Y_δ,g，計算方法如下：

根據Y_δ,g，計算第g個綜合能源系統備選規劃方案的負荷滿足率Fit_g：

(3-3)遍歷G個綜合能源系統備選規劃方案，重復步驟(3-2)，得到所有G個負荷滿足率，選擇與G個負荷滿足率中最高負荷滿足率相對應的綜合能源系統備選規劃方案，作為待綜合能源系統的規劃結果，實現基于安全域辨識的綜合能源系統規劃。