本發(fā)明涉及綜合能源系統(tǒng)經濟調度技術領域，具體涉及一種多區(qū)域電熱綜合系統(tǒng)經濟環(huán)境聯合調度求解方法。

背景技術：

近年來，伴隨著經濟和社會的快速發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題已成為世界各國關注的主要問題。能源互聯網、綜合能源以及我國近期提出的“能源互聯網+”理念掀起了能源改革的浪潮。多類能源互聯和融合，有利于提高能源的利用率和可再生能源的接納能力。

風能是重要的清潔能源之一，我國的風電產業(yè)迅速發(fā)展，但棄風問題尤為突出。在中國的西北、華北和東北地區(qū)冬季供暖期存在嚴重的棄風問題，風電消納問題已成為可再生能源持續(xù)發(fā)展的關鍵問題。

如圖1所示，電熱綜合能源系統(tǒng)通過熱電聯產、電鍋爐以及熱儲等能源轉換設備促進了電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)的緊密耦合，同時為風電上網提供了更大空間，提高了能源的利用率，緩解了我國正在面臨的能源問題和環(huán)境問題。

綜上所述，有必要針對綜合能源系統(tǒng)調度發(fā)明一種新的調度求解方法，以解決綜合能源計算難度大的問題以及有效地保護電熱兩個系統(tǒng)信息的隱私性，同時達到促進風電消納、節(jié)能減排的目的。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種多區(qū)域電熱綜合系統(tǒng)經濟環(huán)境聯合調度的求解方法。

為了解決上述存在的技術問題，本發(fā)明所述方法是通過以下技術方案實現的：

一種多區(qū)域電熱綜合系統(tǒng)經濟環(huán)境聯合調度的求解方法，其內容包括如下步驟：

步驟1，建立多區(qū)域熱力系統(tǒng)模型，包括熱電聯產機組模型、一級熱網模型和換熱站模型，熱電聯產機組模型也稱為熱源模型；

1-1、熱電聯產機組模型

熱電聯產機組分為背壓式和抽汽式，其運行特性是供電功率和供熱功率的耦合關系，即電熱特性；其中背壓式熱電聯產機組運行特性為：

pchp＝ρqchp(1)

(1)式中pchp為熱電聯產機組的供電功率，qchp為熱電聯產機組的供熱功率，ρ為熱電聯產機組的熱電比；

抽汽式熱電聯產機組運行特性能夠在一定范圍內進行調節(jié)，數學模型可用一系列的線性表達式描述為：

αxpchp+βxqchp≥γx(2)

(2)式中αx、βx、γx分別為熱電聯產機組可行域不等式約束的系數；

將熱電聯產機組作為熱源接入熱網，其模型表示為：

cmj(ti,in-ti,out)＝qchp(3)

(3)式中qchp為熱電聯產的供熱功率，ti,in為流入管道節(jié)點i的溫度，ti,out為流出管道節(jié)點i的溫度，mj為管道j的流量；

1-2、一級熱網模型

管道傳輸過程中熱網網絡的管道容量限制為：

(4)—(5)式中ti,t為t時刻管道節(jié)點i的節(jié)點溫度，mj,t為t時刻管道j的流量，ti^min、ti^max分別為管道節(jié)點i的最小節(jié)點溫度和最大節(jié)點溫度，分別為管道j的最小流量和最大流量；

管道傳輸過程中單位長度的熱力網管道熱損失模型為：

(6)式中，為t時刻單位長度熱力管道j的熱量損失，tj,t為t時刻管道j的溫度，t0為管道外的環(huán)境溫度，rb為管道熱阻，r0為管道隔熱層熱阻；

管道傳輸過程中溫降模型為：

(7)式中，δtj,t為t時刻管道j的溫降，為t時刻單位長度熱力管道j的熱量損失，mj,t為t時刻管道j的流量，lj為管道j的長度，β為管道損失系數，c為管道熱媒的比熱容；

1-3、換熱站模型

在忽略二級管網的條件下，換熱站處等效為直接接熱負荷，換熱站模型為：

cmj(ti,in-ti,out)＝hl(8)

(8)式中，hl為熱力系統(tǒng)的供熱負荷，ti,in為流入管道節(jié)點i的溫度，ti,out為流出管道節(jié)點i的溫度，mj為管道j的流量；

步驟2，建立電熱綜合能源系統(tǒng)經濟環(huán)境聯合調度的目標函數；

以電熱聯合系統(tǒng)的總成本最小以及風電消納最大化為目標函數，其中風電消納以懲罰形式加入目標函數，建立電熱聯合系統(tǒng)經濟調度模型為：

minfa＝fg+fchp+fw(9)

(9)式中：

(9)—(12)式中，fa、fg、fchp、fw分別為電熱綜合能源系統(tǒng)的經濟成本、火電機組運行成本、熱電聯產機組運行成本和棄風懲罰成本，t為調度時間，ng為火電機組的臺數，nchp為熱電聯產機組的臺數，nw為風機的臺數，pn,t為在t時刻火電機組n的出力，pk,tqk,t分別為在t時刻熱電聯產機組k的電出力和熱出力，pw,t為在t時刻風機w的出力，為在t時刻風機w的最大出力，an、bn、cn為火電機組運行成本的二次擬合系數，ak、bk、ck為熱電聯產組運行成本的二次擬合系數，λ為棄風懲罰系數；

環(huán)境成本函數主要考慮火電廠和熱電廠排放的污染物so2、nox、co2和co對環(huán)境的影響，包括污染物的環(huán)境價值和環(huán)境懲罰，環(huán)境成本模型為：

(13)式中，fe、feg、fechp分別為電熱綜合能源系統(tǒng)環(huán)境成本、火電機組環(huán)境成本和熱電聯產機組環(huán)境成本，t為調度時間，ng為火電機組的臺數，nchp為熱電聯產機組的臺數，n為污染物的種類，veg為第g項污染物的環(huán)境價值，mg為第g項污染物的排放量，vg為第g項污染物所受罰款；

電熱聯合系統(tǒng)經濟環(huán)境調度目標函數為：

minf＝fa+fc(14)

(14)式中，fa、fc、f分別為電熱綜合能源系統(tǒng)的經濟成本、環(huán)境成本以及總成本；

步驟3，確立電熱綜合能源系統(tǒng)經濟環(huán)境聯合調度的約束條件；

3-1、電力系統(tǒng)約束條件：

(1)功率平衡

(15)式中ng為火電機組的臺數，nchp為熱電聯產機組的臺數，nw為風機的臺數，neb為電鍋爐的臺數，pn^g為火電機組n的出力，分別為熱電聯產機組k電出力，pw為風機w出力，為電鍋爐l消耗的電功率，pl為電力系統(tǒng)的負荷值；

(2)機組出力限制

(16)—(17)式中，分別為火電機組n的最小出力、最大出

力，分別為熱電聯產機組k的最小出力、最大出力，為

在t時刻火電機組n的出力，為在t時刻熱電聯產機組k的電出力；

(3)常規(guī)機組爬坡限制

(18)式中，為火電機組n的最大下調有功量，為火電機組n的最大上調有功量，在t時刻火電機組n的出力；

(4)電網支路潮流約束

(19)式中，分別為線路m的最大潮流、最小潮流，為t時刻線路m的潮流；

3-2、熱力系統(tǒng)約束條件：

(1)區(qū)域x內的熱功率平衡約束為：

(20)式中，nchp為熱電聯產機組組的臺數，neb為電鍋爐的臺數，nhs為儲熱裝置的臺數，npipe為熱力管道的個數，為熱電聯產機組k的熱出力，為電鍋爐z的供熱功率，為熱儲s的儲放熱，ql為系統(tǒng)的熱負荷，為管道j的熱損失；

矩陣hmn是熱源和區(qū)域的供應關系，表示為：

(21)式中，ha,b＝1表示區(qū)域內熱源b供熱，ha,b＝0表示區(qū)域內熱源b未供熱，熱源包括熱電聯產機組、電鍋爐以及儲熱裝置；

(2)電鍋爐運行約束為：

(22)—(23)式中，為t時刻電鍋爐z供熱功率，為t時刻電鍋爐z用電功率，ηz為電鍋爐z的制熱效率，為電鍋爐z的額定用電功率；

(3)儲熱裝置約束：

儲放熱過程模型為

st＝st-1+δt(qin,t-qout,t)(24)

(24)式中，st、st-1分別為t時刻和t-1時刻的儲熱裝置的儲熱量，qin,t和qout,t為t時刻儲熱裝置的儲熱速率和放熱速率；

容量約束和儲放熱速率約束為：

0≤st≤smax(25)

(25)—(26)式中，st為t時刻儲熱裝置的儲熱量，smax儲熱裝置的儲熱容量，qs,t為t時刻儲熱裝置的儲放熱速率，為儲熱裝置的最大儲放熱速率；

步驟4，采用benders分解算法將復雜的電熱聯合能源系統(tǒng)優(yōu)化問題分解為電力系統(tǒng)主問題和熱力系統(tǒng)主問題進行迭代求解，找到快速收斂的火電機組和熱電聯產機組的最優(yōu)出力；通過各個時刻的火電機組出力和熱電機組出力，計算電熱聯合系統(tǒng)的總成本、棄風成本和環(huán)境成本；

4-1、主子問題的界定

在應用benders分解法時，主問題和子問題界定的依據是：含有復雜約束的問題作為子問題，另一個則作為主問題；根據電熱聯合系統(tǒng)的模型，可分為電力系統(tǒng)主問題和熱力系統(tǒng)子問題；

模型結構為：

4-2、初始化

首先設定迭代次數v＝1，基于復雜變量p的可行域，給出p^v的初始值p0，則p^v＝p0，其中為目標函數在第v次迭代之后的下邊界值；

4-3、熱力系統(tǒng)子問題求解

子系統(tǒng)在第v次迭代的模型為：

其中，電力系統(tǒng)的變量p為上一次主問題優(yōu)化的結果；

雙向變量λ^v，也被稱為影子價格，用來增加目標函數的敏感度，形成benders割的約束條件；

熱力系統(tǒng)子問題求解得出了q^v值，以及目標函數f值，此時定義為目標函數f在第v次迭代之后的上邊界，更新值；

4-4、收斂檢驗

檢驗電力系統(tǒng)主問題目標函數下邊界與熱力系統(tǒng)子問題目標函數上邊界公差是否小于ε，關系如下：

其中ε值可以被設定；如果最終結果滿足上式，則

否則，算法繼續(xù)下一步；

4-5、電力系統(tǒng)主問題求解

電力系統(tǒng)主問題模型：

其中，迭代次數更新v＝v+1，γ(p)為輔助函數，表示原始電熱系統(tǒng)聯合調度問題的成本，每一次迭代過后，輔助函數更新；

電力系統(tǒng)主問題求解得出了p^v值，以及目標函數γ^v值，此時定義為目標函數在第v次迭代之后的下邊界，更新值，算法繼續(xù)進行步驟4-3，進行熱力系統(tǒng)子問題求解，直到滿足步驟4-4收斂判定條件，則算法結束，求得電熱綜合能源系統(tǒng)各個時刻的火電機組出力和熱電機組出力，并計算電熱聯合系統(tǒng)的經濟成本、棄風成本和環(huán)境成本。

由于采用上述技術方案，本發(fā)明提供的一種多區(qū)域電熱綜合系統(tǒng)經濟環(huán)境聯合調度求解方法，與現有技術相比具有這樣的有益效果：

1、詳細考慮了熱力系統(tǒng)模型，包括熱力系統(tǒng)損失和熱力系統(tǒng)的容量限制；

2、電熱綜合能源系統(tǒng)調度模型考慮了儲熱和電鍋爐對系統(tǒng)消納風電的影響；

3、電熱綜合能源系統(tǒng)調度考慮了經濟成本的同時兼顧了環(huán)境成本，達到了節(jié)能減排的作用；

4、電熱綜合能源系統(tǒng)是一個多維的、復雜的、非線性優(yōu)化問題，應用傳統(tǒng)的優(yōu)化算法計算難度較大，采用benders分解法將電熱聯合系統(tǒng)分解成主、子系統(tǒng)交替迭代求解，降低系統(tǒng)計算復雜度，能夠快速收斂到系統(tǒng)最優(yōu)值，可用于實際工程中大規(guī)模大系統(tǒng)的優(yōu)化問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的電熱綜合能源系統(tǒng)結構圖；

圖2是本發(fā)明方法的熱力系統(tǒng)結構圖；

圖3是本發(fā)明方法的benders分解法流程圖；

圖4是本發(fā)明方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

一種多區(qū)域電熱綜合系統(tǒng)經濟環(huán)境聯合調度的求解方法，如圖1、圖4所示，本發(fā)明所述方法的步驟如下：

步驟1，建立多區(qū)域熱力系統(tǒng)模型，所述多區(qū)域熱力系統(tǒng)模型包括熱電聯產模型(熱源模型)、一級熱網模型和換熱站模型，熱電聯產機組模型也稱為熱源模型，如圖2所示；

1-1、熱電聯產模型

熱電聯產機組分為背壓式和抽汽式，其運行特性是供電功率和供熱功率的耦合關系，即電熱特性；其中背壓式熱電聯產機組運行特性為：

pchp＝ρqchp(1a)

(1a)式中pchp為熱電聯產機組的供電功率，qchp為熱電聯產機組的供熱功率，ρ為熱電聯產機組的熱電比；

抽汽式熱電聯產機組運行特性能夠在一定范圍內進行調節(jié)，數學模型可用一系列的線性表達式描述為：

αxpchp+βxqchp≥γx(2a)

(2a)式中αx、βx、γx分別為熱電聯產機組可行域不等式約束的系數；

將熱電聯產機組作為熱源接入熱網，其模型表示為：

cmj(ti,in-ti,out)＝qchp(3a)

(3a)式中qchp為熱電聯產的供熱功率，ti,in為流入管道節(jié)點i的溫度，ti,out為流出管道節(jié)點i的溫度，mj為管道j的流量；

1-2、一級熱網模型

管道傳輸過程中熱網網絡的管道容量限制為：

(4a)—(5a)式中ti,t為t時刻管道節(jié)點i的節(jié)點溫度，mj,t為t時刻管道j的流量，ti^min、ti^max分別為管道節(jié)點i的最小節(jié)點溫度和最大節(jié)點溫度，分別為管道j的最小流量和最大流量；

管道傳輸過程中單位長度的熱力網管道熱損失模型為：

(6a)式中，為t時刻單位長度熱力管道j的熱量損失，tj,t為t時刻管道j的溫度，t0為管道外的環(huán)境溫度，rb為管道熱阻，r0為管道隔熱層熱阻；

管道傳輸過程中溫降模型為：

(7a)式中，δti,j為t時刻管道j的溫降，為t時刻單位長度熱力管道j的熱量損失，mj,t為t時刻管道j的流量，lj為管道j的長度，β為管道損失系數，c為管道熱媒的比熱容；

1-3、換熱站模型

在忽略二級管網的條件下，換熱站處等效為直接接熱負荷，換熱站模型為：

cmj(ti,in-ti,out)＝hl(8a)

(8a)式中，hl為熱力系統(tǒng)的供熱負荷，ti,in為流入管道節(jié)點i的溫度，ti,out為流出管道節(jié)點i的溫度，mj為管道j的流量。

步驟2，建立電熱綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經濟聯合調度目標函數；

以電熱聯合系統(tǒng)的煤耗成本最小以及風電消納最大化為目標函數，其中風電消納以懲罰形式加入目標函數，建立電熱聯合系統(tǒng)經濟調度模型為：

minfa＝fg+fchp+fw(9a)

(9a)式中：

(9a)—(12a)式中，fa、fg、fchp、fw分別為電熱綜合能源系統(tǒng)的經濟成本、火電機組運行成本、熱電聯產機組運行成本和棄風懲罰成本，t為調度時間，ng為火電機組的臺數，nchp為熱電聯產機組組的臺數，nw為風機的臺數，pn,t為在t時刻火電機組n的出力，pk,tqk,t分別為在t時刻熱電聯產機組k的電出力和熱出力，pw,t在t時刻為風機w的出力，為在t時刻風機w的最大出力，an、bn、cn為火電組運行成本的二次你和系數，ak、bk、ck為熱電聯產組運行成本二次擬合系數，λ為棄風懲罰系數；

環(huán)境成本函數主要考慮火電廠和熱電廠排放的污染物so2、nox、co2和co對環(huán)境的影響，包括污染物的環(huán)境價值和環(huán)境懲罰，環(huán)境成本的模型為：

(13a)式中，fe、feg、fechp分別為電熱綜合能源系統(tǒng)環(huán)境成本、火電機組環(huán)

為境成本和熱電聯產機組環(huán)境成本，t為調度時間，ng為火電機組的臺數，nchp熱電聯產機組的臺數，n為污染物的種類，veg為第g項污染物的環(huán)境價值，mg為第g項污染物的排放量，vg為第g項污染物所受罰款；

電熱聯合系統(tǒng)經濟環(huán)境調度目標函數為：

minf＝fa+fc(14a)

(14a)式中，fa、fc、f分別為電熱綜合能源系統(tǒng)的經濟成本、環(huán)境成本以及總成本。

步驟3，建立電熱綜合能源系統(tǒng)經濟環(huán)境聯合調度的約束條件；

3-1、電力系統(tǒng)約束條件：

(1)功率平衡

(15a)式中ng為火電機組的臺數，nchp為熱電聯產機組的臺數，nw為風機的臺數，neb為電鍋爐的臺數，pn^g為火電機組n的出力，分別為熱電聯產機組k電出力，pw為風機w出力，為電鍋爐l消耗的電功率，pl為電力系統(tǒng)的負荷值；

(5)機組出力限制

(16a)—(17)式中，分別為火電機組n的最小出力、最大出力，分別為熱電聯產機組k的最小出力、最大出力，為在t時刻火電機組n的出力，為在t時刻熱電聯產機組k的電出力；

(6)常規(guī)機組爬坡限制

(18a)式中，為火電機組n的最大下調有功量，為火電機組n的最大上調有功量，在t時刻火電機組n的出力；

(7)電網支路潮流約束

(19a)式中，分別為線路m的最大潮流、最小潮流，為t時刻線路m的潮流；

3-2、熱力系統(tǒng)約束條件：

(1)區(qū)域x內的熱功率平衡約束為：

(20a)式中，nchp為熱電聯產機組組的臺數，neb為電鍋爐的臺數，nhs為儲熱裝置的臺數，npipe為熱力管道的個數，為熱電聯產機組k的熱出力，為電鍋爐z的供熱功率，為熱儲s的儲放熱，ql為系統(tǒng)的熱負荷，為管道j的熱損失；

矩陣hmn是熱源和區(qū)域的供應關系，表示為：

(21a)式中，ha,b＝1表示區(qū)域內熱源b供熱，ha,b＝0表示區(qū)域內熱源b未供熱，熱源包括熱電聯產機組、電鍋爐以及儲熱裝置；

(3)電鍋爐運行約束為：

(22a)—(23a)式中，為t時刻電鍋爐z供熱功率，為t時刻電鍋爐z用電功率，ηz為電鍋爐z的制熱效率，為電鍋爐z的額定用電功率；

(3)儲熱裝置約束：

儲放熱過程模型為

st＝st-1+δt(qin,t-qout,t)(24a)

(24a)式中，st、st-1分別為t時刻和t-1時刻的儲熱裝置的儲熱量，qin,t和qout,t為t時刻儲熱裝置的儲熱速率和放熱速率；

容量約束和儲放熱速率約束為：

0≤st≤smax(25a)

(25a)—(26a)式中，st為t時刻儲熱裝置的儲熱量，smax儲熱裝置的儲熱容量smax，qs,t為t時刻儲熱裝置的儲放熱速率，為儲熱裝置的最大儲放熱速率；

步驟4，采用benders分解算法將復雜的電熱聯合能源系統(tǒng)優(yōu)化問題分解為電力系統(tǒng)主問題和熱力系統(tǒng)主問題進行迭代求解，如圖3所示，找到快速收斂的火電機組和熱電聯產機組的最優(yōu)出力；通過各個時刻的火電機組出力和熱電機組出力，計算電熱聯合系統(tǒng)的總成本、棄風成本和環(huán)境成本；

4-1、主子問題的界定

在應用benders分解法時，主問題和子問題界定的依據是含有復雜約束的問題作為子問題，另一個則作為主問題；根據電熱聯合系統(tǒng)的模型，可分為電力系統(tǒng)主問題和熱力系統(tǒng)子問題；

模型結構為：

4-2、初始化

首先設定迭代次數v＝1，基于電力系統(tǒng)變量p的可行域，給出p^v的初始值p0，則p^v＝p0，其中為目標函數在第v次迭代之后的下邊界值；

4-3、熱力系統(tǒng)子問題求解

子系統(tǒng)在第v次迭代的模型為：

其中，電力系統(tǒng)變量p為上一次主問題優(yōu)化的結果；

雙向變量λ^v，也被稱為影子價格，用來增加目標函數的敏感度，形成benders割的約束條件；

熱力系統(tǒng)子問題求解得出了q^v值，以及目標函數f值，此時定義為目標函數f在第v次迭代之后的上邊界，更新值；

4-4、收斂檢驗

檢驗電力系統(tǒng)主問題目標函數下邊界與熱力系統(tǒng)子問題目標函數上邊界公差是否小于ε，關系如下：

其中ε值可以被設定；如果最終結果滿足上式，則

否則，算法繼續(xù)下一步；

4-5、電力系統(tǒng)主問題求解

電力系統(tǒng)主問題模型：

其中，迭代次數更新v＝v+1，γ(p)為輔助函數，表示原始電熱系統(tǒng)聯合調度問題的成本，每一次迭代過后，輔助函數更新；

電力系統(tǒng)子問題求解得出了p^v值，以及目標函數γ^v值，此時定義為目標函數在第v次迭代之后的下邊界，更新值，算法繼續(xù)進行步驟4-3，進行熱力系統(tǒng)子問題求解。直到滿足步驟4-4收斂判定條件，將求解的每個時刻各個火電機組的電出力和每個時刻各個熱電聯產機組的電出力、熱出力出力代入到式(9a)-(14a)中，計算電熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行的總成本。

以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明權利要求書確定的保護范圍內。