[發(fā)明專利]計(jì)及經(jīng)濟(jì)性和可靠性的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110264372.5
• 申請(qǐng)日: 2021-03-11
• 公開（公告）號(hào): CN113158547B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邊曉燕;史越奇;徐波;林順富;趙健;王小宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海電力大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/27
• 分類號(hào): G06F30/27;G06Q10/04;G06Q10/06;G06Q50/06;G06N3/12;G06F111/04;G06F111/06;G06F111/08;G06F119/02;G06F119/08
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 楊宏泰

1.一種計(jì)及經(jīng)濟(jì)性和可靠性的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型：對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行描述，并分別對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備建立線性化數(shù)學(xué)模型，所述的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中包含能量轉(zhuǎn)換設(shè)備、發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備，所述的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括熱電聯(lián)供系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t、電鍋爐、吸收式制冷機(jī)和壓縮式制冷機(jī)，所述的發(fā)電設(shè)備包括分布式光伏和風(fēng)機(jī)，所述的儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池、儲(chǔ)熱設(shè)備和儲(chǔ)冷設(shè)備，所述的熱電聯(lián)供系統(tǒng)通過消耗天然氣產(chǎn)生電能和熱能，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的熱能由熱電聯(lián)供系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t和/或電鍋爐提供，冷能由吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)分別從電能和熱能轉(zhuǎn)化提供，電能由向外部電網(wǎng)購(gòu)電、熱電聯(lián)供系統(tǒng)、光伏和/或風(fēng)機(jī)提供；

所述的熱電聯(lián)供系統(tǒng)包括燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐兩部分，其線性化數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為：

其中，N_GT為安裝的燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)量，γ_GT,iGT(t)、分別為第iGT臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)在t時(shí)刻消耗天然氣的速率和發(fā)電功率，為第iGT臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率，λ_gas為天然氣的熱值，N_RB為安裝的余熱回收鍋爐數(shù)量，為t時(shí)刻第iGT臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的熱功率，為第iRB臺(tái)余熱鍋爐的回收效率；

當(dāng)熱負(fù)荷的需求大于熱電聯(lián)供系統(tǒng)所能提供的最大熱負(fù)荷時(shí)，則由燃?xì)忮仩t和電鍋爐參與提供熱負(fù)荷，燃?xì)忮仩t和電鍋爐的線性化數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為：

其中，γ_GB,iGB(t)、分別為第iGB臺(tái)燃?xì)忮仩t在t時(shí)刻消耗天然氣的速率和輸出的熱功率，為第iGB臺(tái)燃?xì)忮仩t的熱轉(zhuǎn)換效率，分別為第iEB臺(tái)電鍋爐在t時(shí)刻消耗的電功率和輸出的熱功率，為第iEB臺(tái)電鍋爐的轉(zhuǎn)換效率；

所述的吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)的線性化數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為：

其中，分別為第iAC臺(tái)吸收式制冷機(jī)在t時(shí)刻消耗的熱功率和輸出的冷功率(kW)，分別為第iEC臺(tái)電制冷機(jī)在t時(shí)刻消耗的電功率和輸出的冷功率(kW)，分別為第iAC臺(tái)吸收式制冷機(jī)和第iEC臺(tái)電制冷機(jī)的熱-冷轉(zhuǎn)換效率和電-冷轉(zhuǎn)換效率；

所述的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，光伏和風(fēng)機(jī)等效為一種需求量為負(fù)值的可削減負(fù)荷，則其線性化數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為：

其中，分別為t時(shí)刻光伏和風(fēng)機(jī)的歸一化出力曲線值，c_PV,iPV、c_WT,iWT分別為第iPV臺(tái)光伏和第iWT臺(tái)風(fēng)機(jī)的安裝容量，分別為第iPV臺(tái)光伏和第iWT臺(tái)風(fēng)機(jī)在t時(shí)刻的實(shí)際出力；

在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，采用廣義儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)通用模型對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行建模，以儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)儲(chǔ)存的能量作為狀態(tài)變量，以儲(chǔ)能設(shè)備的充放能功率作為控制變量，通過各時(shí)段間的相互遞推獲取整個(gè)運(yùn)行過程中的狀態(tài)變化；

2)獲取設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)序性模型：在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，對(duì)于各能量轉(zhuǎn)換設(shè)備狀態(tài)變化的正常-故障-修復(fù)循環(huán)往復(fù)過程，分別建立基于馬爾可夫過程的設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)序性模型，并采用序貫蒙特卡洛抽樣生成設(shè)備故障狀態(tài)序列，具體包括以下步驟：

21)確定能量轉(zhuǎn)換設(shè)備i在初始時(shí)刻的設(shè)備狀態(tài)x_i(t₀)；

22)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間段的設(shè)備狀態(tài)x_i(t)，根據(jù)各狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑發(fā)生的概率進(jìn)行隨機(jī)抽樣，確定下一時(shí)間段的狀態(tài)x_i(t+Δt)，設(shè)備狀態(tài)按不同轉(zhuǎn)移路徑發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率具體為：

其中，π_i{·}表示事件{·}在能量轉(zhuǎn)換設(shè)備i上發(fā)生的概率，λ_i、μ_i分別為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備i的故障率和修復(fù)率，Δt為時(shí)間間隔；

23)對(duì)下一時(shí)間段執(zhí)行步驟22)，直到確定周期內(nèi)所有時(shí)間段能量轉(zhuǎn)換設(shè)備i的狀態(tài)，生成能量轉(zhuǎn)換設(shè)備i的狀態(tài)序列

24)對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)共計(jì)N臺(tái)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備重復(fù)步驟21)-23)，生成區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中所有能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的狀態(tài)序列集合

3)構(gòu)建雙層優(yōu)化配置模型：上層規(guī)劃模型根據(jù)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化配置，其確定的配置方案作為下層優(yōu)化運(yùn)行模型的輸入條件；下層優(yōu)化運(yùn)行模型在上層規(guī)劃模型確定的配置方案基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化運(yùn)行獲取系統(tǒng)的最優(yōu)可靠性和對(duì)應(yīng)的運(yùn)營(yíng)成本，為上層規(guī)劃模型規(guī)劃方案的迭代改進(jìn)提供依據(jù)，上層規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)由經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)f₁和可靠性目標(biāo)f₂兩個(gè)相互獨(dú)立的部分組成，經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)f₁的表達(dá)式為：

min f₁＝C_inv+C_op+C_main

C_main＝εC_inv

其中，C_inv為年化投資成本，C_op為運(yùn)營(yíng)成本期望值，C_main為設(shè)備維護(hù)成本，N為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備種類的數(shù)量，M_op為下層優(yōu)化運(yùn)行模型的運(yùn)行周期數(shù)量，即樣本數(shù)量，p_s為第s類設(shè)備的單價(jià)，n_s為第s類設(shè)備的安裝數(shù)量，y為規(guī)劃年限，m為最低預(yù)期資本回收率，C_j,op為樣本j的年運(yùn)營(yíng)成本，通過下層優(yōu)化運(yùn)行模型計(jì)算獲得，ε為維護(hù)成本系數(shù)；

可靠性目標(biāo)f₂的表達(dá)式為：

其中，E_j,EENS為樣本j的年供能不足期望值，通過下層優(yōu)化運(yùn)行模型計(jì)算獲得；

下層優(yōu)化運(yùn)行模型的目標(biāo)函數(shù)包括系統(tǒng)供能不足指標(biāo)E_j,EENS和運(yùn)營(yíng)成本C_j,op兩部分，具體為：

min f₃＝τ₁E_j,EENS+τ₂C_j,op

其中，τ₁、τ₂為權(quán)重系數(shù)，為體現(xiàn)以系統(tǒng)供能不足最小為主要目標(biāo)，且取值滿足τ₁＞＞τ₂，分別為t時(shí)刻電負(fù)荷、熱負(fù)荷和冷負(fù)荷的負(fù)荷削減量，τ^elec、τ^heat、τ^cold分別為電、熱、冷負(fù)荷可靠性的權(quán)重系數(shù)，γ_grid(t)分別為系統(tǒng)t時(shí)刻向上級(jí)電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的購(gòu)電功率和購(gòu)氣速率，p^elec(t)、p^gas(t)分別為t時(shí)刻購(gòu)電和購(gòu)氣的價(jià)格，Δt為時(shí)間間隔；

下層優(yōu)化運(yùn)行模型的約束條件包括供氣子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、供熱子系統(tǒng)和供冷子系統(tǒng)的能量平衡約束、各能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的出力上下限約束、區(qū)域綜合能源系統(tǒng)向外部電網(wǎng)的購(gòu)電功率和購(gòu)氣速率約束、各儲(chǔ)能設(shè)備的充放能功率和狀態(tài)變量間的等式約束、各儲(chǔ)能設(shè)備的存儲(chǔ)容量和充放能功率的上下限約束以及用戶電、熱、冷負(fù)荷的削減量的上下限約束；

4)對(duì)雙層優(yōu)化配置模型進(jìn)行多目標(biāo)求解：上層規(guī)劃模型采用NSGA-II算法進(jìn)行多目標(biāo)求解；下層優(yōu)化運(yùn)行模型以每天為一個(gè)運(yùn)行周期，將整個(gè)模擬周期劃分為多個(gè)階段，并采用線性規(guī)劃算法分別對(duì)各階段進(jìn)行求解，最終得到計(jì)及經(jīng)濟(jì)性和可靠性因素的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化配置方案并執(zhí)行。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種計(jì)及經(jīng)濟(jì)性和可靠性的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述的步驟4)中，對(duì)雙層優(yōu)化配置模型求解具體包括以下步驟：

41)輸入?yún)^(qū)域綜合能源系統(tǒng)中各設(shè)備型號(hào)的性能價(jià)格參數(shù)、NSGA-II算法參數(shù)、種群數(shù)量R、運(yùn)行周期數(shù)量M_op、抽樣次數(shù)M_s以及綜合能源負(fù)荷和可再生能源出力曲線的全場(chǎng)景數(shù)據(jù)；

42)產(chǎn)生2R個(gè)初始個(gè)體，并對(duì)不滿足約束條件的個(gè)體進(jìn)行修正；

43)針對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行M_s次系統(tǒng)狀態(tài)序列抽樣，并分解為M_op個(gè)運(yùn)行周期，基于多場(chǎng)景數(shù)據(jù)，采用線性規(guī)劃算法對(duì)由M_op個(gè)運(yùn)行周期組成的多階段優(yōu)化運(yùn)行問題進(jìn)行逐一求解，計(jì)算出每個(gè)個(gè)體的經(jīng)濟(jì)性和可靠性指標(biāo)；

44)采用錦標(biāo)賽法對(duì)種群進(jìn)行非支配排序，并通過精英保留策略淘汰R個(gè)非優(yōu)越個(gè)體；

45)對(duì)剩余個(gè)體進(jìn)行遺傳操作，并將子代與父代合并成一個(gè)數(shù)量為2R的新種群；

46)重復(fù)執(zhí)行步驟43)-45)，若達(dá)到收斂條件，則選取排名最前的非支配集中的所有個(gè)體作為Pareto最優(yōu)解集，輸出優(yōu)化配置結(jié)果。