[发明专利]一种计及蒸汽网络动态特性的电热耦合系统优化调度方法

权利要求书

1.一种计及蒸汽网络动态特性的电热耦合系统优化调度方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)建立电热耦合系统优化调度的目标函数：

式中，t为调度时刻，T为所有调度时刻构成的集合，为电热耦合系统在t调度时刻的购电费用，i_CHP为电热耦合系统中热电联产机组的编号，S_CHP为电热耦合系统中所有热电联产机组构成的集合，为热电联产机组i_CHP在t调度时刻的运行成本，i_DREG为电热耦合系统中可再生能源机组的编号，S_DREG为电热耦合系统中所有再生能源机组构成的集合，为可再生能源机组i_DREG在t调度时刻的弃风/弃光成本，i_B为电热耦合系统中燃气锅炉的编号，S_B为电热耦合系统中所有燃气锅炉构成的集合，为燃气锅炉i_B在t调度时刻的运行成本，Δt为相邻调度时间的时间间隔；

和的计算公式分别如下：

式中，为t调度时刻的购电单价，为电网联络线在t调度时刻的有功功率，和分别为热电联产机组i_CHP成本函数中的系数，从电热耦合系统能量管理系统获取，为热电联产机组i_CHP在t调度时刻产生的有功功率，为热电联产机组i_CHP在t调度时刻产生的蒸汽质量流量，为弃风/弃光的惩罚系数，从电热耦合系统能量管理系统获取，为可再生能源机组i_DREG在t调度时刻有功功率的预测值，为可再生能源机组i_DREG在t调度时刻发出的有功功率，和为燃气锅炉i_B成本函数中的系数，从电热耦合系统能量管理系统获取，为燃气锅炉i_B在t调度时刻产生的蒸汽质量流量；

(2)建立电热耦合系统优化调度的约束条件：

电热耦合系统优化调度的约束条件由电力网络运行的约束条件和蒸汽网络运行的约束条件共同构成，包括以下步骤：

(2-1)建立电力网络运行的约束条件：

(2-1-1)建立电力网络的约束条件：

式中，i和j分别为电力网络中不同节点的编号，为电力网络中所有节点构成的集合，P_i^t为节点i在t调度时刻的有功功率，为节点j在t调度时刻的电压幅值，为节点j在t调度时刻的电压相角，G_ij为电力网络节点导纳矩阵中第i行、第j列元素的实部，B_ij为电力网络节点导纳矩阵中第i行、第j列元素的虚部，为节点i在t调度时刻的无功功率，ij为以节点i和节点j为端点的电力支路，为电力网络中所有电力支路构成的集合，为电力支路ij在t调度时刻的有功功率，g_ij为电力网络中电力支路ij的导纳的实部，b_ij为电力网络中电力支路ij的导纳的虚部，V_i^t为节点i在t调度时刻的电压幅值，为节点i在t调度时刻的电压相角，为电力支路ij在t调度时刻的无功功率，V_i和为节点i处电压幅值的上限和下限，电力支路ij的输电能力上限；

(2-1-2)建立电力网络中热电联产机组的约束条件：

式中，和分别为热电联产机组i_CHP输出特性曲线的斜率和截距，和分别为热电联产机组i_CHP产生的有功功率的上限和下限，为热电联产机组i_CHP在t调度时刻产生的无功功率，和分别为热电联产机组i_CHP产生的无功功率的上限和下限；

(2-1-3)建立电力网络与公共电网间联络线的约束条件：

式中，为联络线在t调度时刻的无功功率，θ_G和分别为联络线功率因数角的下限和上限，为联络线的输电容量上限；

(2-1-4)建立电力网络中可再生能源机组的约束条件：

式中，为可再生能源机组i_DREG在t调度时刻产生的无功功率，和分别为可再生能源机组i_DREG功率因数角的下限和上限；

(2-2)建立蒸汽网络运行的约束条件

(2-2-1)建立蒸汽网络中燃气锅炉的约束条件：

式中，和分别为燃气锅炉i_B产生的蒸汽质量流量的下限和上限；

(2-2-2)建立蒸汽网络的约束条件：

式中，m和n分别为蒸汽网络中不同的节点编号，为蒸汽网络中所有节点构成的集合，为蒸汽网络中所有与节点m相连的节点的集合，mn为以节点m和节点n为端点的蒸汽支路，为蒸汽网络中所有蒸汽支路构成的集合，为节点m在t调度时刻的蒸汽压力，R_g为气体常数，为节点m在t调度时刻的蒸汽密度，T_m为节点m的蒸汽温度，为蒸汽支路mn中在t调度时刻的首端蒸汽质量流量，为蒸汽支路mn中在t调度时刻的末端蒸汽质量流量，为蒸汽支路mn中的蒸汽流速，A_mn为蒸汽支路mn的横截面积，为节点m在t-1调度时刻的蒸汽密度，L_mn为蒸汽支路mn的长度，为蒸汽支路mn中在t-1调度时刻首段蒸汽质量流量，为节点n在t调度时刻的蒸汽密度，为蒸汽支路mn首端的蒸汽密度，T_mn为蒸汽支路mn首端的蒸汽温度，T_nm为蒸汽支路mn末端的蒸汽温度，λ_mn为蒸汽支路mn的阻力系数，D_mn为蒸汽支路mn的直径，g为重力加速度，α_mn为蒸汽支路mn的倾斜角度，DF_mn为蒸汽支路mn中流量的方向系数，当蒸汽由节点m流向节点n时DF_mn取值为1，当蒸汽由节点n流向节点m时DF_mn取值为-1，为节点m的热负荷消耗的蒸汽流量，为节点m处在t调度时刻注入的蒸汽流量，S_CHP→m为所有与节点m相连的热电联产机组构成的集合，S_B→m为所有与节点m相连的燃气锅炉构成的集合，pr_m和分别为节点m处蒸汽压力的下限和上限；

(3)建立一个由步骤(1)中建立的电热耦合系统优化调度的目标函数和步骤(2)中的电热耦合系统优化调度的约束条件共同构成的电热耦合系统优化调度模型，该电热耦合系统优化调度模型中的决策变量包括：电网系统中节点i处在t调度时刻的有功功率P_i^t、无功功率电压幅值V_i^t和电压相角电力支路ij在t调度时刻的有功功率和无功功率热电联产机组i_CHP在t调度时刻产生的有功功率和无功功率热电联产机组i_CHP在t调度时刻产生的蒸汽质量流量电力网络与公共电网间联络线在t调度时刻的有功功率和无功功率可再生能源机组i_DREG在t调度时刻接入电热耦合系统的有功功率和无功功率蒸汽网络中节点m处在t调度时刻的蒸汽压力和蒸汽密度蒸汽支路mn首端和末端在t调度时刻的蒸汽质量流量和节点m处在t调度时刻注入的蒸汽质量流量燃气锅炉i_B在t调度时刻产生的蒸汽质量流量

(4)将上述电力网络中的决策变量集合记为x_EPN，x_EPN由步骤(3)中的P_i^t、V_i^t、和共同构成；将蒸汽网络中的决策变量集合记为x_SHN，x_SHN由步骤(3)中的和共同构成；

(5)建立紧凑格式的电热耦合系统优化调度模型，包括以下步骤：

(5-1)根据步骤(1)中建立的电热耦合系统优化调度的目标函数和步骤(4)中定义的电力网络中的决策变量集合和蒸汽网络中的决策变量集合，建立紧凑格式的电热耦合系统优化调度的目标函数：

min f₁(x_EPN)+f₂(x_SHN)

式中，f₁(x_EPN)为电力网络的运行成本，f₂(x_SHN)为蒸汽网络的运行成本，具体表达式如下：

式中，和为热电联产机组i_CHP成本函数中的系数，从电热耦合系统能量管理系统获取；

(5-2)根据步骤(2)中建立的电热耦合系统优化调度的约束条件和步骤(4)中定义的电力网络中的决策变量集合和蒸汽网络中的决策变量集合，建立紧凑格式的电热耦合系统优化调度的约束条件：

h₁(x_EPN)+h₂(x_SHN)＝0

x_EPN∈Ψ_EPN

x_SHN∈Ψ_SHN

式中，第一个约束(h₁(x_EPN)+h₂(x_SHN)＝0)表示电力网络和蒸汽网络的耦合约束，即其中，h₁(x_EPN)表示含有电力网络运行变量的项，即h₂(x_SHN)表示含有蒸汽网络运行变量的项，即第二个约束(x_EPN∈Ψ_EPN)表示电力网络的集约束，具体包括以下约束：

第三个约束(x_SHN∈Ψ_SHN)表示蒸汽网络的集约束，具体包括以下约束：

(5-3)根据步骤(5-1)中建立的紧凑格式的电热耦合系统优化调度的目标函数和步骤(5-2)中建立的紧凑格式的电热耦合系统优化调度的约束条件，共同构成一个紧凑格式的电热耦合系统优化调度模型；

(6)利用改进奔德斯分解的方法，对步骤(5)的紧凑格式的电热耦合系统优化调度模型进行求解，包括以下步骤：

(6-1)蒸汽网络对x_SHN进行初始化，将初始化后的x_SHN记为蒸汽网络将发送给电力网络；

(6-2)电力网络接受到后建立子问题优化模型，具体过程如下：

(6-2-1)建立子问题优化模型的优化目标：

minf₁(x_EPN)

(6-2-2)建立子问题优化模型的约束条件：

x_EPN∈Ψ_EPN

(6-2-3)根据步骤(6-2-1)中建立的子问题优化模型的优化目标和步骤(6-2-2)中建立的子问题优化模型的约束条件，构成一个子问题优化模型；

(6-3)利用Cplex或Gurobi等求商业解器求解步骤(6-2)的子问题优化模型，得到求解结果，根据求解结果，建立相关的割约束，具体过程如下：

(6-3-1)若求解后显示步骤(6-2)中建立的子问题优化模型存在可行解，则生成线性最优割约束与二次最优割约束分别如下：

LBD≥1/2g(x_SHN)^TQg(x_SHN)+P^Tg(x_SHN)+r

式中，LBD为子问题优化模型目标函数的下界，为步骤(6-2)中建立的子问题优化模型的最优解，为步骤(6-2)中建立的子问题优化模型的最优拉格朗日乘子，g(x_SHN)为子问题优化模型以变量x_SHN为参数的参数规划问题的解，g(x_SHN)^T为g(x_SHN)的转置，Q为子问题优化模型目标函数的二次项系数矩阵，P^T为子问题优化模型目标函数的线性项系数向量的转置，r为子问题目标函数的常数项；

将线性最优割约束与二次最优割约束发送给蒸汽网络，并用取最小值的方式更新子问题优化模型目标函数的上界UBD，并进行步骤(6-4)；

(6-3-2)若求解后显示步骤(6-2)中建立的子问题优化模型不存在可行解，则建立并求解松弛后的子问题优化模型：

(6-3-2-1)建立松弛后的子问题优化模型的目标函数如下：

min||a||₁

式中，a为松弛后的子问题优化模型中的中间变量，||·||₁为一阶范数；

(6-3-2-2)建立松弛后的子问题优化模型的约束条件：

x_EPN∈Ψ_EPN

(6-3-2-3)根据步骤(6-3-2-1)中建立的松弛后的子问题优化模型的目标函数和步骤(6-3-2-2)中建立的松弛后的子问题优化模型的约束条件，共同构成一个松弛后的子问题优化模型，利用Cplex或Gurobi求解方法，求解该松弛后的子问题优化模型，获得R条可行割约束如下：

式中，r为可行割约束的序号，为r条可行割约束第最优拉格朗日乘子，

将以上R条可行割约束发送给蒸汽网络，并进行步骤(6-4)；

(6-4)蒸汽网络接受电力网络发送的线性最优割约束与二次最优割约束或可行割约束后，建立并求解主问题优化模型，具体步骤如下：

(6-4-1)给定x_SHN的初值，记为x_SHN¹，给定惩罚系数ρ初值，记为ρ₁，给定ρ的最大值为ρ_max，给定惩罚系数更新倍率τ、蒸汽网络运行的约束条件中非线性约束的松弛变量s的限值ε_r和主问题优化模型目标函数变化量限值ε_s的数值，设置主问题优化模型的迭代次数k＝1；

(6-4-2)建立主问题优化模型，具体过程如下：

(6-4-2-1)建立主问题优化模型的目标函数：

min LBD+f₂(x_SHN)+ρ_k||s||₁

式中，ρ_k为主问题优化模型第k轮迭代时的惩罚系数，s为蒸汽网络运行的约束条件中非线性约束的松弛变量；

(6-4-2-2)建立主问题优化模型的约束条件：

LBD≥1/2g(x_SHN)^TQg(x_SHN)+P^Tg(x_SHN)+r

x_SHN∈Ψ_SHN

并将步骤(2-2)中建立的蒸汽网络运行的约束条件中的非线性约束转换成以下形式：

式中，为蒸汽网络运行的约束条件中的非线性约束，为在处的梯度，为主问题在第k轮迭代中x_SHN的值；

(6-4-2-3)根据步骤(6-4-2-1)中建立主问题优化模型的目标函数和步骤(6-4-2-2)中建立主问题优化模型的约束条件，共同构成一个主问题优化模型；

(6-4-3)利用Cplex或Gurobi求解方法，求解步骤(6-4-2)中建立的主问题优化模型，将主问题优化模型第k轮迭代获得的目标函数值记为obj_k，将主问题优化模型第k轮迭代获得的松弛变量s的取值记为s_k，将主问题优化模型第k轮迭代获得的x_SHN的取值记为x_SHN,k；对obj_k和s_k的取值进行判断，如果||s_k||₁≤ε_r且obj_k-obj_k-1≤ε_s，则将x_SHN,k记为将LBD和发送至步骤(6-2)建立的子问题优化模型，并进行步骤(6-5)；如果||s_k||₁＞ε_r或obj_k-obj_k-1＞ε_s，则令ρ_k+1＝min(τρ_k,ρ_max)，令k＝k+1，更新(6-4-2-2)中建立的主问题优化模型的约束条件，并返回步骤(6-4-2)；

(6-5)对步骤(6-2)中定义的子问题优化模型的目标函数的下界LBD和上界UBD之间的关系进行判断，如果满足UBD-ε≤LBD≤UBD，则计算结束，本次迭代计算获得的和即为计及蒸汽网络动态特性的电热耦合系统优化调度模型的最优解，实现计及蒸汽网络动态特性的电热耦合系统的优化调度；如果不满足UBD-ε≤LBD≤UBD，则返回步骤(6-2)。