[发明专利]一种基于安全域辨识的综合能源系统规划方法

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1.一种基于安全域辨识的综合能源系统规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)建立描述综合能源系统中能量转换关系的矩阵模型：

设定综合能源系统中共有N个能量转换元件，并将能量转换元件记为节点，每个能量转换元件有K_i个端口，下标i为元件编号，设定综合能源系统中共有M个能量传输通道，将能量传输通道记为支路，用下标b表示支路编号；

(1-1)建立第i个能量转换元件的能量转换关系矩阵，过程如下：

建立能量转换元件i的“端口-支路”能量传输关系矩阵A_i(k,b)：

其中，A_i的维度为K_i×M；

设定第i个能量转换元件的不同端口之间的能量转换关系有L_i条，得到第i个能量转换元件的端口能量转换关系矩阵H_i，H_i的维度为L_i×K_i，端口能量转换关系矩阵H_i中的每一行描述该能量转换元件的一条能量转换关系；

根据上述“端口-支路”能量传输关系矩阵A_i(k,b)和端口能量转换关系矩阵H_i，得到该能量转换元件的能量转换关系矩阵Z_i：

Z_i＝H_i×A_i

(1-2)遍历综合能源系统中的N个能量转换元件，重复步骤(1-1)，得到综合能源系统中的所有N个能量转换元件的能量转换关系矩阵；

(1-3)建立综合能源系统内部能量转换关系矩阵：

联立每一个元件的能量转换关系矩阵，得到综合能源系统内部能量转换关系矩阵Z：

其中，上标T为矩阵转置运算；

(1-4)建立综合能源系统输入输出关系矩阵：

设定综合能源系统有P个能源输入端口和Q个负荷输出端口，得到综合能源系统的输入关系矩阵C_in(p,b)，C_in(p,b)的维度为P×M，综合能源系统的输出关系矩阵C_out(q,b)，C_out(q,b)的维度为Q×M，矩阵中每个元素的值通过如下准则确定：

其中，端口p为P个能源输入端口中的任意一个，端口q为Q个负荷输出端口中的任意一个；

(1-5)运用(1-3)和(1-4)计算得到的矩阵，获得综合能源系统的能量转换关系矩阵模型：

ZV＝0

C_inV＝V_in

C_outV＝V_out

其中，V是由综合能源系统中支路上的能量流，维度为M×1，是综合能源系统的状态变量；V_in和V_out分别是综合能源系统的输入和输出能量流，维度为P×1和Q×1；

(2)构建N-1运行场景下的综合能源系统可行域，包括以下步骤：

(2-1)将第i个能量转换元件退出运行时的综合能源系统运行场景记为第i个N-1运行场景，建立N个与N-1运行场景相对应的支路可行约束集Φ_i(i＝1,2,...,N)，包括以下步骤：

对于第i个N-1运行场景，相应的支路可行约束集Φ_i建立方法如下：

(2-1-1)将支路可行约束集Φ_i置为空集；

(2-1-2)设与第i个能量转换元件的K_i个端口相连的支路集合为分别对所有的K_i个端口，建立等式并将所有等式添加到支路可行约束集Φ_i中，其中V_b为综合能源系统中支路b上的能量流；

(2-1-3)设与第j个能量转换元件的k_j个端口相连的支路集合为j≠i，分别对中的所有端口k_j，建立不等式并将所有不等式添加到步骤(2-1-2)的支路可行约束集Φ_i中，其中为综合能源系统中端口能量流的最大容量，遍历所有j≠i的能量转换元件，重复本步骤，得到与第i个能量转换元件的N-1运行场景相对应的支路可行约束集Φ_i；

(2-1-4)遍历综合能源系统中的N个能量转换元件，重复步骤(2-1-1)-步骤(2-1-3)，得到N个综合能源系统的N-1运行场景相对应的支路可行约束集Φ_i(i＝1,2,...,N)；

(2-2)建立与每个N-1运行场景相对应的综合能源系统可行域，其中第i个能量转换元件的N-1运行场景下的综合能源系统可行域的表达式为：

Ω_i＝{V_out|C_outV＝V_out,ZV＝0,V∈Φ_i}

其中，Ω_i为第i个N-1运行场景下的综合能源系统可行域，Φ_i为步骤(2-1)中建立的该运行场景下的支路可行约束集，V是(1)中定义的综合能源系统中支路上的能量流，V_out是(1)中定义的综合能源系统的输出能量流，Z是步骤(1)中定义的综合能源系统能量转换关系矩阵，C_out是步骤(1)中定义的综合能源系统输出关系矩阵；

(2-3)将综合能源系统Q个输出端口的输出能量所张成的空间定义为输出能量流空间，输出能量流空间的维度为Q，每一个N-1运行场景下的综合能源系统可行域Ω_i为输出能量流空间中的一个凸多面体，用求解凸多面体顶点的方法，分别对步骤(2-2)的N个N-1运行场景下的综合能源系统可行域Ω_i进行辨识，包括如下步骤：

(2-3-1)设e_q为输出能量流空间中第q坐标的单位方向向量，求解下述线性优化问题，得到最优解即为第q坐标轴上的可行域顶点：

s.t.X_q＝C_outV

ZV＝0

V∈Φ_i

遍历Q个坐标轴，得到Q个可行域顶点，该Q个顶点构成的集合Vert'组成已知可行域Ω_i'；

(2-3-2)记已知可行域Ω_i'的表面数量为R，设d_r为Ω_i'中第r个表面的单位法向向量，求解如下线性优化问题，得到最优解

s.t.X_r＝C_outV

ZV＝0

V∈Φ_i

其中上标T为矩阵转置运算；

(2-3-3)对步骤(2-3-2)的最优解进行判断，若最优解不属于步骤(2-3-1)的集合Vert'，则将添加至Vert'中，并更新Vert'，若最优解属于Vert'，则保持Vert'不变；

(2-3-4)遍历已知可行域Ω_i'的R个表面，重复步骤(2-3-2)和步骤(2-3-3)，完成R次计算；

(2-3-5)对步骤(2-3-4)中的计算进行判断，若在R次计算中，Vert'均没有被更新过，则使Ω_i'＝Ω_i，进入(2-3-6)，若在R次计算中，Vert'被更新过，则用步骤(2-3-3)的最后更新得到的Vert'组成已知可行域Ω_i'，并返回至步骤(2-3-2)；

(2-3-6)遍历综合能源系统中的N个能量转换元件，重复步骤(2-3-1)-步骤(2-3-6)，辨识得到综合能源系统可行域Ω_i，i＝1,2,...,N；

(2-4)利用下式，对(2-3)获得的N个综合能源系统N-1运行场景下的可行域取交集，得到综合能源系统安全域Ω：

Ω＝Ω₁∩Ω₂∩…∩Ω_N

(3)选择最优综合能源规划方案，过程如下：

(3-1)设定综合能源系统备选规划方案有G个，遍历G个综合能源系统备选规划方案中的每一个综合能源系统备选规划方案，重复步骤(1)和步骤(2)，分别得到相应备选规划方案的安全域，将第g个综合能源系统备选规划方案的安全域记为Ω^g；

(3-2)设定待规划综合能源系统在规划期内的负荷需求状态共有Δ种，从综合能源系统规划部门获取每一种负荷需求状态的负荷需求向量的维度为Q×1，的每一个分量代表一个输出端口的负荷需求量，同时从综合能源系统规划部门获取每一种负荷需求状态的出现概率Pro_δ(δ＝1,2,…,Δ)，利用下式，计算第g个综合能源系统备选规划方案相对每一个负荷需求向量的适应度Y_δ,g，计算方法如下：

根据Y_δ,g，计算第g个综合能源系统备选规划方案的负荷满足率Fit_g：

(3-3)遍历G个综合能源系统备选规划方案，重复步骤(3-2)，得到所有G个负荷满足率，选择与G个负荷满足率中最高负荷满足率相对应的综合能源系统备选规划方案，作为待综合能源系统的规划结果，实现基于安全域辨识的综合能源系统规划。