本發(fā)明涉及一種冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)報價方法。

背景技術(shù)：

近年來，由于運行效率優(yōu)、能源利用率高、經(jīng)濟效益好，熱電聯(lián)產(chǎn)和冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)得到快速發(fā)展。此外，冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)還可以靈活應(yīng)對能源成本的波動，并在很大程度上避免了輸電、配電過程中產(chǎn)生的能量損失?，F(xiàn)有研究大多聚焦于冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新與經(jīng)濟效益上，但沒有對電力公司的收益進行分析。通過優(yōu)化系統(tǒng)的電力出售價格和天然氣購入價格比例(下文稱能源價格)，可以更好地提高電力公司和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(combinedcoolingheatingandpower：cchp)的共同效益，因此，對于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)報價策略的研究變得越來越重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)報價方法，通過制定合理的電力和天然氣價格，提高能源利用效率，保障了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和電力公司的經(jīng)濟效益。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)報價方法，包括如下步驟：

s01、建立冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的雙層規(guī)劃模型，輸入冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和電力公司的運行數(shù)據(jù)，并設(shè)置雙層規(guī)劃模型的功率平衡約束和電力、天然氣的報價約束；

s02、初始化內(nèi)、外層粒子群：設(shè)置內(nèi)、外層粒子群的規(guī)模、每個粒子的速度和位置；

s03、更新粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)；

s04、對第k個粒子進行內(nèi)層粒子群優(yōu)化算法，得到內(nèi)層最優(yōu)局部個體值和全局值，更新內(nèi)層第k個粒子的速度和位置；

s05、判斷第k個粒子是否滿足約束條件，滿足則進入步驟s06；

s06、對第k個粒子進行外層粒子群優(yōu)化算法，得到外層最優(yōu)個體值和全局值，更新外層第k個粒子的速度和位置；

s07、判定第k個粒子是否滿足約束條件，滿足則進入步驟s08；

s08、得到滿足內(nèi)、外層粒子群優(yōu)化算法的最優(yōu)粒子速度和位置，并選取最優(yōu)位置作為最優(yōu)能源價格。

優(yōu)選，步驟s05中，若第k個粒子不滿足約束條件，則：

令k的數(shù)值加1，判定當前k值是否大于總粒子數(shù)，若是，則令k的數(shù)值加1并進入步驟s03；否則，直接進入步驟s03。

優(yōu)選，步驟s07中，若第k個粒子不滿足約束條件，則：

令k的數(shù)值加1，判定當前k值是否大于總粒子數(shù)，若是，則令k的數(shù)值加1并進入步驟s03；否則，直接進入步驟s03。

優(yōu)選，步驟s01中，雙層規(guī)劃模型的外層規(guī)劃模型為：

式中，表示冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總成本；分別為原動機、吸收式制冷機的投資成本；分別為原動機、輔助鍋爐的運行成本；為從電力公司處購電成本；為負荷用電成本；為售電收入。

優(yōu)選，步驟s01中，雙層規(guī)劃模型的內(nèi)層規(guī)劃模型為：

式中，為內(nèi)層目標函數(shù)；分別為電力公司出售電力、天然氣的收入；分別為電力公司從能源市場購買電力、天然氣的成本；為電力公司從冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)購電成本；losstot為配電網(wǎng)的功率損耗，w0是網(wǎng)損加權(quán)因子。

優(yōu)選，步驟s04中，內(nèi)層第k個粒子的速度、位置更新公式如下：

vk(t+1)＝ψ[ω0×vk(t)+c1×rand1(pk(t)-xk(t))

+c2×rand2×(pg(t)-xk(t))]

xk(t+1)＝xk(t)+vk(t+1)

式中，t代表迭代次數(shù)，vk(t)、xk(t)分別代表粒子k在第t次迭代時的速度、位置；rand2、rand1是0-1之間的隨機數(shù)；pk(t)、pg(t)分別表示粒子在第t次迭代時的局部和全局最優(yōu)位置；ω0是慣性權(quán)重系數(shù)，ψ代表收縮系數(shù)。

優(yōu)選，步驟s03中，更新的參數(shù)包括慣性權(quán)重系數(shù)ω0、收縮系數(shù)ψ和學(xué)習(xí)因子c1、c2，其中：

ω0的更新公式為：

其中，ω1和ω2分別是慣性權(quán)重系數(shù)的初始和最終值；t^max是最大迭代次數(shù)；

c1和c2的更新公式為：

式中，c1f、c2f、c1i和c2i分別是c1的終值、c2的終值、c1的初值和c2的初值；

ψ的更新公式為：

φ＝c1+c2

式中，φ是復(fù)合學(xué)習(xí)因子。

本發(fā)明的有益效果是：

第一、本發(fā)明通過建立雙層規(guī)劃模型，能夠同時保障冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和電力公司的經(jīng)濟效益。

第二、本發(fā)明通過粒子群優(yōu)劃算法能夠快速計算出最優(yōu)報價，縮短了優(yōu)化時間。

第三、本發(fā)明實現(xiàn)了能源的多級利用，大大提高了能源利用效率，提高了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)報價方法的流程圖；

圖3是本發(fā)明冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的雙層規(guī)劃模型圖；

圖4是修改的ieee-37節(jié)點測試系統(tǒng)示意圖；

圖5是電力工業(yè)用戶的負荷預(yù)測示意圖；

圖6是電力、天然氣的最優(yōu)能源報價結(jié)果示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步的詳細描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由原動機、輔助鍋爐、吸收式制冷機組成，并與配電網(wǎng)協(xié)同運作，來自原動機的余熱將被蒸汽發(fā)生器吸收，通過吸收式制冷機驅(qū)動冷負荷，這將大大減少負荷高峰期的系統(tǒng)用電量。本發(fā)明中，假定配電網(wǎng)用于傳輸能源，電力公司作為配電網(wǎng)的運營商，其通過從cchp(即冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng))處購買電力來減少和能源市場的電力交易量，當電力售價和天然氣購價處于合理的比例范圍時，系統(tǒng)會有很高的能源利用率，同時也會產(chǎn)生很好的經(jīng)濟收益。

如圖2所示，一種冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)報價方法，包括如下步驟：

步驟1、建立冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的雙層規(guī)劃模型，輸入冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和電力公司的運行數(shù)據(jù)，并設(shè)置雙層規(guī)劃模型的功率平衡約束和電力、天然氣的報價約束。

雙層規(guī)劃模型包括內(nèi)、外層規(guī)劃模型，下面進行詳細介紹：

外層規(guī)劃模型以冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的年總成本作為外層目標函數(shù)要實現(xiàn)最小化：

式中，表示冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總成本；分別為原動機、吸收式制冷機的投資成本；分別為原動機、輔助鍋爐的運行成本；為從電力公司處購電成本；為負荷用電成本；為售電收入。

本發(fā)明中，抽取全年中的具有代表性的7天進行系統(tǒng)運行分析，外層目標函數(shù)的成本和收入量以凈現(xiàn)值(netpresentvalue,npv)代表，表示為：

其中，ir表示利潤率，n表示系統(tǒng)運行時間(年)。

內(nèi)層規(guī)劃模型由電力公司的年總收入和配電網(wǎng)的年總網(wǎng)損組成，為：

式中，為內(nèi)層目標函數(shù)；分別為電力公司出售電力、天然氣的收入；分別為電力公司從能源市場購買電力、天然氣的成本；為電力公司從冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)購電成本；losstot為配電網(wǎng)的功率損耗，w0是網(wǎng)損加權(quán)因子。

電力的結(jié)算依據(jù)每時段電力的交易量和交易價格：

其中，每日d每時段h下，電力公司向負荷供電的功率為pd,d,h，價格為能源市場的售電量為pmarket,d,h，市場出清電價為冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)售電量為制定電價為λelec,d,h。

天然氣的結(jié)算依據(jù)每時段天然氣的交易量和交易價格：

其中，每日d每時段h下，輔助鍋爐的的產(chǎn)熱量為原動機輸出功率為輔助鍋爐、原動機的天然氣轉(zhuǎn)換率分別為hv為天然氣熱值；分別是電力公司、能源市場的天然氣價格。

配電網(wǎng)的功率損耗為：

其中，pl,d,h為每日d每時段h下的總網(wǎng)損。

能源價格的約束為：

其中，λelec,d,h表示冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的電力定價，分別表示最小、最大價格，只有當冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)電力定價合理時，電力公司才會從冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)處購電，因此λelec,d,h要略低于χgas,d,h表示冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)購買天然氣的協(xié)議價格，分別表示最小、最大協(xié)議價格，為促進冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展，χgas,d,h也要略低于市場出清價格

由于電力、天然氣的價格和需求量之間有相互依賴的關(guān)系，當配電網(wǎng)負荷量增加時，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)報出的電力和天然氣價格也會增加，如下式所示：

其中，ratioelec、ratiogas分別表示電力、天然氣的價格增長率，χgas,d,h表示冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)購買天然氣的協(xié)議價格。

單位時段下，有功功率需要維持平衡：

其中，pdi,d,h為每節(jié)點每時段的負荷功率。

電力公司和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)之間的經(jīng)濟關(guān)系如圖3所示?；陔p層規(guī)劃模型，其中外部優(yōu)化對應(yīng)cchp的最小年總成本，內(nèi)部優(yōu)化則要同時實現(xiàn)電力公司的最大收益和配電網(wǎng)最小網(wǎng)損。

步驟2、初始化內(nèi)、外層粒子群：包括設(shè)置內(nèi)、外層粒子群的規(guī)模、每個粒子的速度和位置。

步驟3、更新粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)：包括慣性權(quán)重系數(shù)ω0、收縮系數(shù)ψ和學(xué)習(xí)因子c1、c2，其中：

ω0的更新公式為：

其中，ω1和ω2分別是慣性權(quán)重系數(shù)的初始和最終值；t^max是最大迭代次數(shù)。比如，可選取ω1＝0.9，ω2＝0.4，整個迭代過程中ω0取值范圍為(ω2,ω1)。

c1和c2的更新公式為：

式中，c1f、c2f、c1i和c2i分別是c1的終值、c2的終值、c1的初值和c2的初值，本發(fā)明中，優(yōu)選，參數(shù)c1從2.5變化到0.5，c2從0.5變化到2.5。

ψ的更新公式為：

φ＝c1+c2

式中，φ是復(fù)合學(xué)習(xí)因子。

步驟4、對第k個粒子進行內(nèi)層粒子群優(yōu)化算法，得到內(nèi)層最優(yōu)局部個體值和全局值，更新內(nèi)層第k個粒子的速度和位置，內(nèi)層第k個粒子的速度、位置更新公式如下：

vk(t+1)＝ψ[ω0×vk(t)+c1×rand1(pk(t)-xk(t))

+c2×rand2×(pg(t)-xk(t))]

xk(t+1)＝xk(t)+vk(t+1)

式中，t代表迭代次數(shù)，vk(t)、xk(t)分別代表粒子k在第t次迭代時的速度、位置；rand2、rand1是0-1之間的隨機數(shù)；pk(t)、pg(t)分別表示粒子在第t次迭代時的局部和全局最優(yōu)位置；ω0是慣性權(quán)重系數(shù)，用來調(diào)整局部和全局搜索之間的平衡,并依據(jù)兩者的搜索能力確定取值，ψ代表收縮系數(shù)。本發(fā)明中，慣性權(quán)重系數(shù)初始值設(shè)置的比較高，以提高全局搜索能力，本發(fā)明中，慣性權(quán)重系數(shù)取值范圍為(0.4,0.9)。

由于種群多樣性不足，粒子群優(yōu)化算法在早期搜索階段收斂迅速。為了避免陷入局部最小并提高收斂速度，可引入變異算子u：當粒子的更新位置大于極限x^max，則設(shè)置更新位置為x^max·u；當粒子的更新速度大于極限v^max，則設(shè)置更新速度為v^max·u。

步驟5、判斷第k個粒子是否滿足約束條件，滿足則進入步驟6，否則進入步驟7。

步驟6、對第k個粒子進行外層粒子群優(yōu)化算法，得到外層最優(yōu)個體值和全局值，更新外層第k個粒子的速度和位置，此步驟中，粒子速度和位置的更新公式同步驟4。

步驟7、令k的數(shù)值加1(即進入下一個粒子的內(nèi)層優(yōu)化)，判定當前k值是否大于總粒子數(shù)，若是，則令k的數(shù)值加1(直接跳過該粒子)并進入步驟3；否則，直接進入步驟3。

步驟8、判定第k個粒子是否滿足約束條件，滿足則進入步驟9，否則進入步驟10。

步驟9、算法結(jié)束，得到滿足內(nèi)、外層粒子群優(yōu)化算法的最優(yōu)粒子速度和位置，并選取最優(yōu)位置作為最優(yōu)能源價格。最優(yōu)位置(二維)就代表最優(yōu)價格(電力、天然氣)。

步驟10、令k的數(shù)值加1(即進入下一個粒子的外層優(yōu)化)，判定當前k值是否大于總粒子數(shù)，若是，則令k的數(shù)值加1(直接跳過該粒子)并進入步驟3；否則，直接進入步驟3。

為了驗證本發(fā)明方法的可用性與穩(wěn)定性，以及可應(yīng)用于制定冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源報價之中，本實施例以下面數(shù)據(jù)為例說明。本發(fā)明所提出的基于雙層規(guī)劃粒子群優(yōu)化算法將應(yīng)用于修改的ieee-37節(jié)點測試系統(tǒng)，如圖4所示。節(jié)點33作為冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)接入點，其負荷(8.48mw)大于工業(yè)負荷(峰值3.33mw)。假定原動機有20年的使用壽命，投資利率6％。為了確保電力公司能從冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)處獲得售電收入，本發(fā)明假定售電價格低于市場結(jié)算價格。對加權(quán)因子w0取值從0.1到0.9進行測試，發(fā)現(xiàn)取0.1時電力公司可以得到最大的收入。

仿真中，配電網(wǎng)的每時段電力負荷以及天然氣量都是基于國內(nèi)能源市場數(shù)據(jù)。本發(fā)明從每個季節(jié)中選取具有代表性的一天代表整個季節(jié)的能源需求情況，如圖5所示，然后用這四天的情況組成具有代表性的一周，以表示一年中工業(yè)用戶對電力和天然氣需求的4個典型場景：一周的第一天(春季，5月4日)、一周第二天到第五天(夏季，7月13日)、一周第六天(秋季，11月2日)和周末(冬季，1月12日)。

圖6提供了4個典型場景下冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的電力和天然氣的全年最優(yōu)時段價格。如圖6可知，在非高峰時期時，最低價格出現(xiàn)在3點和4點，而高峰期的最大價格出現(xiàn)在時間17、19和21點。可以觀察到，峰谷和非峰谷最優(yōu)電價差在春，夏，秋和冬季分別是0.142元/kwh，0.163元/kwh，0.125元/kwh和0.161元/kwh。相應(yīng)最大和最小的最優(yōu)天然氣價格差分別是0.043元/m³，0.052元/m³，0.045元/m³和0.056元/m³。結(jié)合圖5可知，電力負荷不穩(wěn)定是產(chǎn)生最小、最大的電價的根本原因；比較每個季度電力和天然氣的最優(yōu)價格，可知，當配電網(wǎng)的電力負荷增加時，天然氣價格隨之增加，反之亦然，這表明，電力和天然氣每時段價格存在相當大的關(guān)聯(lián)性。

當達到每季度的電力和天然氣的最優(yōu)時段價格時，電力公司和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的收益可以得到有效保證。依據(jù)所建立的模型進行經(jīng)濟性計算后可知，原動機和吸收式制冷機的最佳容量分別為8.271mw和4.884mw，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)投資回收期是2.73年，電力公司的收入凈現(xiàn)值為31.97×10⁷元/年，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總收益凈現(xiàn)值為2.80×10⁷元/年。相比于冷熱電分離系統(tǒng)的27.06×10⁷元/年收益，應(yīng)用冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)會給電力公司帶來更高的凈現(xiàn)值收入。此外，與冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的全自動運行相比，若冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與配電網(wǎng)絡(luò)并行運行會使電力公司的凈現(xiàn)值收入增加約18.14％。上述分析結(jié)果已總結(jié)在表1中。

表1冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果

本發(fā)明采用基于雙層規(guī)劃模型的粒子群優(yōu)化算法制定出了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)每時段的最優(yōu)能源價格?；谝罁?jù)國內(nèi)能源市場價格，可以計算出以天然氣為原動機的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最佳容量、價格策略、運行成本和系統(tǒng)經(jīng)濟性，同時還可以對電力公司進行收益分析。在ieee‐37節(jié)點測試系統(tǒng)上進行算例仿真，結(jié)果表明，最優(yōu)峰谷電價和天然氣價格具有一定關(guān)聯(lián)性，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)依據(jù)這一關(guān)系進行最優(yōu)電力定價，可以保障電力公司和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的收益。

優(yōu)化模型中，外層目標函數(shù)為系統(tǒng)最小運行成本，包括基本投資和對外供電的成本，并著重分析能源價格對系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響；內(nèi)層研究電力公司與冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、電力市場的電力交易情況。此外，還將考慮冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一些約束條件，比如相關(guān)變量的上、下限約束、功率平衡約束。為分析冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對能源價格的依賴性，算例仿真從每季度中各抽取具有代表性的一天進行計算分析。對采用了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供電的醫(yī)院和公寓進行仿真測試，結(jié)果表明，當資金回收期低于2.8年，內(nèi)部收益率高于47％時，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟效益。此外，基于本發(fā)明采用的雙層規(guī)劃粒子群優(yōu)算法，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)還能夠同時對電力公司的收益進行深入的分析，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)容量和配置，保障了各方的經(jīng)濟效益。

本發(fā)明的有益效果是：

第一、本發(fā)明通過建立雙層規(guī)劃模型，能夠同時保障冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和電力公司的經(jīng)濟效益。

第二、本發(fā)明通過粒子群優(yōu)劃算法能夠快速計算出最優(yōu)報價，縮短了優(yōu)化時間。

第三、本發(fā)明實現(xiàn)了能源的多級利用，大大提高了能源利用效率，提高了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或者等效流程變換，或者直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。