[发明专利]一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法

权利要求书

1.一种多能源网络与配水网耦合运行的优化方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据配水网络与多能源系统中的输电网络、输气网络和配热网络之间的耦合关系，搭建一个相互依赖和作用的水-能源联系运行模型；所搭建的模型为能源和资源的双目标运行模型；

其中，所建立的水-能源联系运行模型具体为输电网模型、输气网模型、配热网模型和配水网模型共同约束搭建的模型，具体包括：

在输电网模型中，电力系统全网平衡约束如式(1)所示；输电网络发电出力约束、弃风约束分别如式(2)、(3)所示；火电机组的爬坡约束如式(4)所示：

其中，Θ表示一系列接于节点e的设备；e_n/e_w/e_s/e_p2g分别表示火电机组节点、风电机组节点、燃气机组节点、电转气设备节点；表示发电机出力；表示管道上的输电功率；表示流入和流出节点e的输电管道；热网和水网水泵耗电量；和分别表示风力发电功率和弃风量；发电机组e_n的出力上下限；表示发电机组的爬坡约束值；电负荷；p_ct表示CHP机组出力；表示输电线路功率；θ_et表示电压相角；表示机组启停状态；表示线路传输功率极限；

加热站处CHP机组的产能关系式为式(5)-(8)所示：

输电网中线路功率限制表示为式(9)：

其中，分别为燃煤机组、燃气机组、CHP机组、风力机组、水网和热网水泵、电转气机组以及电力负荷的转移分布因子；

在输气网模型中，输气网节点平衡方程如式(10)所示：

其中，分别表示电转气机组和燃气机组产气量和耗气量与电能之间的比例；Λ表示一系列接于节点g的设备；表示CHP机组的耗气量；表示气网管道流量；表示储气装置储气量；表示向储气装置注入和从储气装置提取的天然气量；表示从气井取出的天然气量；表示电转气设备的产气量；表示气负荷；表示气井的取气量上下限；p_ct/h_ct表示CHP机组的产电/产热功率；

压缩机管道耗气量计算式为式(11)，气井的供气量约束为式(12)，CHP设备的耗气量计算式为式(13)：

其中，表示CHP机组的耗气系数；

输气网中管道压力和气流量的关系如Weymouth方程(14)所示，其中为了简便将气流量的平方值Π_gt来代替二次项；

对于装有压缩机的管道，管道始端节点的压力应比管道末端节点的压力要小，节点压力约束以及含有压缩机管道的节点压力关系如式(15)和(16)所示：

天然气系统中的储气装置容量约束如式(17)所示,其中储气装置的天然气注入和提取约束如(18)所示：

其中，表示接于节点g的储气装置；表示储气装置的进气和出气效率；表示气网管道压力平方值的上下限；表示储气装置注入和提取限制；Π_gt表示气网节点气压的平方值；表示气网管道中始节点和末节点气压的平方值；表示气网压缩机压力系数；

在配水网模型中，配水网中的节点平衡约束如式(19)所示，其中Ξ表示一系列接于节点_w的设备，管道中的流量约束以及水库取水量约束分别如式(20)和(21)所示：

其中，表示以节点_w为管道首节点和末节点的水网管道集合；表示水网负荷；表示水网管道流量；表示出水装置的提取和注入流量；表示水库的取水流量；表示管道流量的上限；表示水库取水量上限；

进一步的，考虑配水网中的水泵能耗与管道流量的关系，普通管道和装有水泵管道的水力特性分别如式(22)和(23)所示，水泵的水头压力表达式为式(24)，在式(23)中，假设该管道上的水泵处于打开的状态，那么它会在该管道上产生压头；但若该水泵处于关断的状态，则管道不可流通，整个配水网中节点压头约束为式(25)，水泵的耗能计算式为式(26)：

其中，表示水泵压力系数；表示管道压力损耗系数；表示水网节点压力上下限；表示水泵效率；表示水泵能耗；表示水泵所在管道流量；表示水泵产生的压头；π_wt表示水网节点压力；

在配热网模型中，供热管网和回热管网节点的平衡约束分别为式(27)和(28)：

其中，表示接在换热站h_e处的热负荷序数和集合；表示接在换热站h_e处的回热网节点序数和集合；表示接在加热站h_s处的回热网节点序数和集合；表示接在换热站h_e处的供热网节点序数和集合；表示接在加热站h_s处的供热网节点序数和集合；表示加热站h_s处水流提取和注入速率上限；表示加热站h_s处蓄热罐的容量上下限；表示加热站处蓄水罐从配水网引入的流量；表示换热站处的流量；表示换热站连接回热网的管道的流量；表示换热站连接供热网管道的流量；表示加热站的流量；表示加热站连接回热网管道的流量；表示加热站连接供热网管道的流量；表示热网负荷流量；表示热网管道流量；表示加热站处蓄水池对其注入的流量；表示加热站流入蓄水池的流量；

加热站中注入和提取的流量约束如式(29)和(30)所示，同时根据式(31)计算出蓄水池的每个时刻的水量：

加热站处安装水泵的管道水力特性由式(32)计算得到，管道的水头增益计算如式(33)所示，加热站与回热网相连接的管道并无安装水泵，因此其水力特性由式(34)计算得到：

供热网中水泵能耗如式(35)所示：

本模型中供热网仅在加热站处配有一台水泵，其耗电量以及整个网络的管道流量约束如式(36)和(37)所示：

其中，表示热网管道压力损耗系数；表示加热站的水泵能耗系数；表示加热站水泵能耗效率；表示热网管道流量上下限；表示加热站的水泵能耗限制；表示加热站水泵产生的压力；表示供热网管道始节点和末节点的压力；

加热站的供热平衡约束式为式(38)所示：

其中，T_in表示从配水网取出后注入至加热站的水流的温度；

同时换热站处流量以及换热平衡约束为式(39)-(40)所示：

其中，表示CHP机组运行区域顶点序数和集合；表示CHP机组运行区域顶点的线性组合常数；c表示水的比热容；表示CHP机组运行区域顶点值；表示CHP机组产热功率；表示换热站的交换热功率；表示表示CHP机组的产电功率；表示蓄热罐的温度；表示供热网温度；表示回热网温度；

上述每个模型之间并非独立，他们之间通过耦合元件进行耦合；

步骤2、采用双目标决策框架来实现能源和资源两个目标之间的公平权衡，将所述水-能源联系运行模型表示为一个混合整数非线性模型；

其中，所述双目标决策框架P-1表示为：

其中，Cost_e,Cost_w分别表示能源生产成本和水资源成本；x和分别是决策向量及其可行域；

Cost_e,Cost_w的详细表达式为下式(42)和(43)：

其中，和分别表示发电成本系数和气井气价；表示了水资源的价格；和分别表示储气装置中充气/放气成本和储水装置中蓄水和抽水成本；

步骤3、在利用双目标优化的纳什议价法来处理所述水-能源联系运行模型中的双目标竞争关系，实现多能源网络与配水网耦合运行的优化；

其中，所述双目标优化的纳什议价模型表示为：

其中，不同成本的计算过程为：

其中LP(0)和LP(1)通过式(46)进行计算，分别表示以水成本、能源成本为单目标时的优化结果；

上述纳什议价过程是在两个目标的帕累托前沿找到一个点，从而最大化交易矩形的面积；其中，帕累托前沿通过两个目标函数加权而得，具体为：

LP(λ):

2.根据权利要求1所述多能源网络与配水网耦合运行的优化方法，其特征在于，在步骤1中，所述配水网络与多能源系统中的输电网络、输气网络和配热网络之间的耦合关系具体为：

在输电网络中，将配水网络中的水泵和输气网络中的P2G装置接至电负荷节点处；

在输气网络中，将输电网络中的CHP接至气负荷节点处；

在配热网络中，将CHP设备放至加热站作为热源，并连接有储热罐用于补给水；

在配水网络中，将P2G耗水、火电、风电和CHP机组耗水接至配水网络的负荷节点处，以此构建具有紧密耦合关系的水-能源联系运行模型。