[发明专利]考虑气电联合需求响应的气电综合能源系统配网优化方法

权利要求书

1.一种考虑气电联合需求响应的气电综合能源系统配网优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立电力、天然气配网系统模型，包括电力交流潮流模型和天然气传输管道潮流模型；

步骤2：建立耦合设备运行模型，包括进行气转电的燃气机组运行模型和进行电转气的P2G设备运行模型；

步骤3：分别对可中断和可转移电、气负荷进行建模，引入气电联合需求响应；

步骤4：构建以最小化配网系统运行成本为目标函数，考虑配电网、配气网各种运行约束条件以及气电联合需求响应的气电综合能源系统配网优化运行模型；

步骤5：利用二阶锥松弛方法对非线性配电网潮流方程约束进行处理以及增强二阶锥规划与泰勒级数展开相结合的方法对天然气潮流方程约束进行处理，将非线性的气电综合能源系统配网优化调度模型转化为混合整数二阶锥规划问题；

步骤6：输入气电综合能源系统配网系统数据、设备参数、配网运行参数，采用商业求解器Gurobi对综合能源配网优化运行模型进行求解，得出配网经济调度优化结果；

在步骤1中：

电力交流潮流模型具体为：

式中：π(j)为配电网中以j为末端节点的支路首端节点集合；δ(j)为配电网中以j为首端节点的支路末端节点集合；R_ij、X_ij分别为配电线路ij段的电阻、电抗值；I_ij,t为配电线路ij段的电流；V_it为节点i的电压大小；P_gt、P_at分别为t时刻第g台燃气机组和第a台电转气设备的发电功率及耗电功率；P_tⁱⁿ为t时刻上级电网向配电网输送的有功功率；为t时刻上级电网向配电网输送的无功功率；P_ij指配电网配电线路ij段的有功功率；Q_ij指配电网配电线路ij段的无功功率；为t时刻的预测电负荷值；为t时刻负荷的功率因数；

天然气传输管道潮流模型具体为：

式中：和分别为天然气网络节点m最小和最大的气压限制；GL_mn,t为t时刻天然气管道所传输的潮流；π_mt和π_nt分别为天然气节点m和n的气压；K_mn为天然气管道的特性参数；

步骤2中：

电转气设备运行模型具体为：

式中：I_at为电转气设备的工作状态；G_at为电转气设备产生的天然气量；为电转气设备的最大消耗电量；φ为能量转换系数；HHV为高发热值；为电转气设备的工作效率；

燃气机组运行模型具体为：

SU_gt≥su_g·(I_gt-I_g(t-1)),SU_gt≥0

SD_gt≥sd_g·(I_g(t-1)-I_gt),SD_gt≥0

P_gt-P_g(t-1)≤ur_g·I_g(t-1)+P^min·(I_gt-I_g(t-1))+P^max·(1-I_gt)

P_g(t-1)-P_gt≤dr_g·I_gt+P^min·(I_g(t-1)-I_gt)+P^max·(1-I_g(t-1))

式中：I_gt为燃气机组的工作状态；P_gt为t时刻第g台燃气机组的发电功率；F(·)为热耗率曲线；和分别为燃气机组出力的最小和最大限制；和分别指燃气机组的开机和停机时间计数器；和分别指机组的最小开机和停机时间；su_g和sd_g分别为机组g在进行开启和关停一次时产生的热耗成本；SU_gt和SD_gt分别为燃气机组g在t时刻进行开、停机所产生的费用；ur_g和dr_g分别为机组的上爬坡率和下爬坡率；

约束条件：连接同一个电力系统节点上的燃气机组和电转气设备不能同时运行；

I_at+I_gt≤1,for g,a∈N(i)

式中：N(i)为一系列连接到节点i的设备集合；I_gt为燃气机组的工作状态；燃气机组g和电转气设备a是连接在同一电力系统节点i的设备；

所述步骤3中：

电负荷需求响应模型具体为：

式中：分别为t时刻需求响应后的电负荷值、参与需求响应的电负荷值及需求侧可转移电负荷值；分别为t时刻配网系统允许的最大电负荷及最大可中断电负荷量；分别为t时刻可中断及可平移的电负荷比例；其中，当为正时，表示转出可转移电负荷，反之表示转入可转移电负荷；

气负荷需求响应模型具体为：

式中：分别为t时刻需求响应后的气负荷值、需求响应气负荷值及需求侧可转移气负荷值；分别为t时刻配网系统允许的最大气负荷及最大可中断气负荷量；分别为t时刻可中断及可平移的气负荷比例；其中，当为正时，表示转出可转移气负荷，反之表示转入可转移气负荷；

所述步骤4中气电综合能源系统配网优化运行模型具体为：

目标函数：气电综合能源配网系统日前协调优化运行模型以最小化综合能源配网系统的总运行成本为优化目标；

其中：

式中：t为时间索引；d为负荷节点索引；NWT为风机的数量；分别为向上级电网购电费用、向上级天然气网购气费用；分别为需求侧响应中断电、气负荷的补偿成本；为风电运维费用；为失电负荷惩罚费用，为失气负荷惩罚费用；分别为单位购电、购气价格；分别为单位需求侧响应中断电、气负荷的补偿价格；c_WT为单位风力发电运维费用；分别为单位失电负荷、失气负荷的惩罚价格；P_tⁱⁿ、分别为购电、购气功率；为需求侧中断电、气负荷功率；为第w台风机在t时刻的实际并网功率；分别为失电、气负荷功率；

配气网节点能量平衡约束：

式中：π(n)为配气网中以n为末端节点的支路首端节点集合；δ(n)为配气网中以n为首端节点的支路末端节点集合；G_mn指配气网传输管道mn段的潮流；为t时刻的气负荷预测值；G_gt、G_at分别为燃气机组g的天然气消耗量和电转气设备a的天然气产生量；

配电网传输线路约束：

V_i^min≤V_it≤V_i^max

式中：指输电线路ij能够传输的最大电流限制；V_i^min和V_i^max分别为电力网络母线电压V_i幅值的最小及最大限制；

新能源出力约束：

式中：为第w台风机的预测发电功率；

配网系统与上级网络功率交换约束：

P^in,min≤P_tⁱⁿ≤P^in,max

式中：P^in,min、P^in,max分别为配电网与上级电网交换的最小和最大有功功率限制；Q^in,min、Q^in,max分别为配电网与上级电网交换的最小和最大无功功率限制；G^in,min、G^in,max分别为配气网与天然气供应商交换的最小和最大购气功率限制；

失负荷约束：

式中：α^P为最大可失电负荷比例；α^G为最大可失气负荷比例；

所述步骤5中非线性气电综合能源系统配网优化运行模型的处理方法具体为：

二阶锥松弛方法对配电网潮流方程约束进行处理，定义和这两个中间变量，结合支路电流与功率关系式对节点电压降落方程进行松弛处理：

增强二阶锥松弛方法对配气网潮流方程约束进行处理，在基础二阶锥松弛的前提下对目标函数进行处理，即加入有关节点气压差的惩罚项：

(GL_mn,t)²≤(K_mnπ_mt)²-(K_mnπ_nt)²

式中：φ_mn为配气网传输管道mn两端的气压差惩罚系数；

泰勒级数展开方法对配气网潮流方程约束进行处理，利用一阶泰勒级数展开将式表示为天然气管道两端任意固定气压节点附近的线性化方程：

π_m,t≥π_n,t

式中：为天然气管道在节点气压下的传输潮流；△GL_mn,t为一阶泰勒展开后的潮流余项；为内的第b个断点，其中b＝1,2,...,B且有

泰勒级数展开与增强二阶锥相结合方法对配气网潮流方程约束进行处理，在保证配气网二阶锥松弛高精度的基础上进一步提高计算效率。

2.根据权利要求1所述的考虑气电联合需求响应的气电综合能源系统配网优化方法，其特征在于，所述步骤6中综合能源系统配网系统数据包括配网系统拓扑结构以及输电线路/传输管道参数，所述设备参数包括燃气机组、电转气设备、风力发电机的数量、容量以及出力上下限，所述配网运行参数包括向上级网络购入能源的价格、设备的各种运行参数、负荷侧需求响应限值以及电、气负荷预测数据。