本發(fā)明涉及一種輸電網(wǎng)規(guī)劃方法，尤其涉及含配電網(wǎng)重構(gòu)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算方法。

背景技術(shù)：

為解決能源供需關(guān)系日益緊張以及全球環(huán)境不斷惡化等問題，社會各界從開源和節(jié)流兩個方向開展了大量研究。通過電/氣/熱等多種能源系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)運行，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)(Integrated Community Energy System,ICES)一方面可促進(jìn)新能源的充分利用，提高可再生能源的滲透率；另一方面可實現(xiàn)不同能源之間的優(yōu)勢互補，是適應(yīng)人類社會用能領(lǐng)域變革，確保人類社會用能安全和長治久安的必由之路[1,2]。如今全球至少有70余個國家先后開展了與綜合能源系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)的研究[3]。我國已通過973、863、國家自然科學(xué)基金等研究計劃，啟動了眾多與綜合能源系統(tǒng)相關(guān)的項目，并與英國、德國、新加坡等國共同開展了這一領(lǐng)域的很多合作[4]-[12]。ICES涉及多種能源系統(tǒng)(如電力系統(tǒng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)、熱力管網(wǎng)和能量中心(Energy Center,EC)[13]等)以及形式特性各異的多種能源環(huán)節(jié)，既包含易于控制的能源環(huán)節(jié)(如常規(guī)可控發(fā)電機組、冷熱電聯(lián)供單元(combined heatand power,CHP)[14,15]、常規(guī)儲能系統(tǒng)等)，也包含具有間歇性和隨機性的能源環(huán)節(jié)(如新能源發(fā)電、電動汽車[16,17]以及需求響應(yīng)環(huán)節(jié)構(gòu)成的虛擬儲能系統(tǒng)[18]等)。文獻(xiàn)[18]針對含電力網(wǎng)絡(luò)和熱力網(wǎng)絡(luò)的ICES，提出了基于統(tǒng)一求解法和順序求解法的兩種混合潮流分析方法。文獻(xiàn)[20]在考慮ICES中電力網(wǎng)絡(luò)和燃?xì)夤芫W(wǎng)不同耦合形式和能源供應(yīng)模式下的相關(guān)約束，提出了ICES的多運行模式混合潮流算法。文獻(xiàn)[21][22]深入分析了天然氣與電力系統(tǒng)之間的交互影響。文獻(xiàn)[23]首先提出基于能源集線器(energy hub)模型的多能源系統(tǒng)最優(yōu)潮流算法數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[24]基于能源集線器模型提出了ICES日前優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[25]基于奇異攝動理論，提出了適用于包含電力網(wǎng)及天然氣管網(wǎng)的微型綜合能源系統(tǒng)的分層調(diào)度控制策略。文獻(xiàn)[26]針對ICES提出了一種多時間尺度的分層能量管理方法，可在不同時間尺度上對ICES中不同能源系統(tǒng)、用能單元及需求響應(yīng)資源進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度。文獻(xiàn)[27]基于能源集線器模型研究了考慮多種能源協(xié)調(diào)互動的ICES規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[28]基于改進(jìn)的能源集線器模型開展了ICES參與能源市場需求響應(yīng)的研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1]JIN H,HONG H,WANG B,et al.A new principle of synthetic cascade utilization of chemical energy and physical energy[J].Science in China Series E:Technological Sciences,2005,48(2):163-179。

[2]STANISLAV P,BRYAN K,TIHOMIR M.Smart Grids better with integrated energy system[C]//Electrical Power&Energy Conference(EPEC),IEEE,2009:1-8。

[3]European Commission,Intelligent energy-Europe:for a sustainable future,http://ec.europa.eu/energy/intelligent。

[4]余貽鑫,劉艷麗,智能電網(wǎng)的挑戰(zhàn)性問題[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(2):1-5。

[5]賈宏杰,王丹,徐憲東,等.區(qū)域綜合能源系統(tǒng)若干問題研究[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(7):198-207。

[6]吳建中.歐洲綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動與現(xiàn)狀[J].電力系統(tǒng)自動化,2016,40(5):1-7。

[7]孫宏斌,郭慶來,潘昭光.能源互聯(lián)網(wǎng):理念,架構(gòu)與前沿展望[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(19):1-8。

[8]賈宏杰,穆云飛,余曉丹.對我國綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的思考[J].電力建設(shè),2015,36(1):16-25。

[9]余曉丹,徐憲東,陳碩翼,等.綜合能源系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)簡述[J].電工技術(shù)學(xué)報,2016,31(1):1-13。

[10]KOIRALA B P,KOLIOU E,FRIEGE J,et al.Energetic communities for community energy:A review of key issues and trends shaping integrated community energy systems[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews,2016,56:722-744。

[11]LI G,BIE Z,KOU Y,et al.Reliability evaluation of integrated energy systems based on smart agent communication[J].Applied Energy,2016,167:397-406。

[12]PAN Z,GUO Q,SUN H.Interactions of district electricity and heating systems considering time-scale characteristics based on quasi-steady multi-energy flow[J].Applied Energy,2016,167:230-243。

[13]薛小代,梅生偉,林其友,等.面向能源互聯(lián)網(wǎng)的非補燃壓縮空氣儲能及應(yīng)用前景初探[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(1):164-171。

[14]徐憲東.電/氣/熱微型能源系統(tǒng)的建模、仿真與能量管理研究[D].天津大學(xué)博士論文,2014。

[15]XU X D,JIA H J,CHIANG H D,et al.Dynamic modeling and interaction of hybrid natural gas and electricity supply system in microgrid[J].IEEE Transactions on Power Systems,2015,30(3):1212-1221。

[16]MU Y,WU J,EKANAYAKE J,et al.Primary frequency response from electric vehicles in the Great Britain power system[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2013,4(2):1142-1150。

[17]MENG J,MU Y,JIA H,et al.Dynamic frequency response from electric vehicles considering travelling behavior in the Great Britain power system[J].Applied Energy,2016,162:966-979。

[18]靳小龍,穆云飛,賈宏杰,等.融合需求側(cè)虛擬儲能系統(tǒng)的冷熱電聯(lián)供樓宇微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法[J/OL].中國電機工程學(xué)報,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20160623.1509.007.html。

[19]LIU X,WU J,JENKINS N,et al.Combined analysis of electricity and heat networks[J].Applied Energy,2016,162:1238-1250。

[20]徐憲東,賈宏杰,靳小龍,等.區(qū)域綜合能源系統(tǒng)電/氣/熱混合潮流算法研究[J].中國電機工程學(xué)報,2015,35(14):3634-3642。

[21]SAHIN C,SHAHIDEHPOUR M,ERKMEN I.Generation risk assessment in volatile conditions with wind,hydro,and natural gas units[J].Applied Energy,2012,96:4-11。

[22]ALABDULWAHAB A,ABUSORRAH A,ZHANG X,et al.Coordination of interdependent natural gas and electricity infrastructures for firming the variability of wind energy in stochastic day-ahead scheduling[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy,2015,6(2):606-615。

[23]GEIDL M,ANDERSSON G.Optimal power flow of multiple energy carriers[J].IEEE Transactions on Power Systems,2007,22(1):145-155。

[24]BOZCHALUI M C,HASHMI S A,HASSEN H,et al.Optimal operation of residential energy hubs in smart grids[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2012,3(4):1755-1766。

[25]XU X,JIA H,WANG D,et al.Hierarchical energy management system for multi-source multi-product microgrids[J].Renewable Energy,2015,78:621-630。

[26]XU X,JIN X,JIA H,et al.Hierarchical management for integrated community energy systems[J].Applied Energy 2015,160:231-243。

[27]ZHANG X,SHAHIDEHPOUR M,ALABDULWAHAB A,et al.Optimal expansion planning of energy hub with multiple energy infrastructures[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2015,6(99):2302-2311。

[28]BAHRAMI S,SHEIKHI A.From demand response in smart grid toward integrated demand response in smart energy hub[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2016,7(2):650-658。

[29]靳小龍,穆云飛,賈宏杰,等.面向最大供電能力提升的配電網(wǎng)主動重構(gòu)策略[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014,29(12):137-147。

[30]KERSTING W H.Radial distribution test feeders[J].IEEE Transactions on Power Systems,1991,6(3):975-985。

[31](2015,Jan.)New York Independent System Operator[Online].Available:http://www.nyiso.com。

[32]薛美東,趙波,張雪松,等.并網(wǎng)型微網(wǎng)的優(yōu)化配置與評估[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(3):6-13。

[33]Pacific Gas&Electrc.Tariffs.A-10TOU,200-500kW,http://www.pge.com/tariffs/electric.shtml。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

目前關(guān)于ICES的最優(yōu)混合潮流算法的研究多從“源-荷”環(huán)節(jié)出發(fā)，忽略了網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)在多能源優(yōu)化利用中的影響。本文提出了融合配電網(wǎng)重構(gòu)的ICES最優(yōu)混合潮流算法。通過將配電網(wǎng)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥@一靈活可控元素作為控制變量集成到ICES最優(yōu)混合潮流算法中，進(jìn)一步降低區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的運行成本。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種含配電網(wǎng)重構(gòu)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算方法，包括以下步驟：

步驟一、建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，包括：

1-1)建立天然氣管道流量方程如下[20]：

式(1)中,p_k和p_n分別表示天然氣管道上游和下游的壓力，k_kn是表征天然氣管道和天然氣流體的參數(shù)；s_kn表征管道中氣體流動的方向，其中，

1-2)根據(jù)能源集線器的具體類型建立能源中心數(shù)學(xué)模型，包括：

一種是針對由電力變壓器、熱電聯(lián)產(chǎn)單元和中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成的第一類能源集線器，第一類能源集線器的輸入環(huán)節(jié)包括電能和天然氣，其中，電能同時輸入到電力變壓器和中央空調(diào)系統(tǒng)，天然氣輸入熱電聯(lián)產(chǎn)單元；第一類能源集線器的輸出環(huán)節(jié)包含了電能和冷熱能兩部分，其中所輸出的電能由電力變壓器和熱電聯(lián)產(chǎn)單元供給，所輸出的冷熱能則由中央空調(diào)系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)單元產(chǎn)生；基于第一類能源集線器的能源中心的能量耦合關(guān)系式如式(3)所示，其中，耦合矩陣C中的耦合系數(shù)與轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率及能源在不同轉(zhuǎn)換裝置中的分配比例有關(guān)，因此引入分配系數(shù)ν_e，0≤ν_e≤1，則ν_eP_e表示直接供應(yīng)電力負(fù)荷的電能，(1-ν_e)P_e則表示輸入到中央空調(diào)系統(tǒng)中的電能：

式(3)中，和分別為天然氣經(jīng)過熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化為電力和熱能的轉(zhuǎn)換效率；η^CAC為中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷和制熱的能效比；和分別為能源集線器與電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的能量交互值；和分別為能源集線器所供應(yīng)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷；

另一種是針對由電力變壓器、熱電聯(lián)產(chǎn)單元和燃?xì)忮仩t構(gòu)成的第二類能源集線器，第二類能源集線器的輸入環(huán)節(jié)包括電能和天然氣，其中，電能輸入到電力變壓器，天然氣同時輸入到熱電聯(lián)產(chǎn)單元和燃?xì)忮仩t兩部分；第二類能源集線器的輸出環(huán)節(jié)包含了電能和冷熱能兩部分，其中所輸出的電能由電力變壓器和熱電聯(lián)產(chǎn)單元供給，所輸出的冷熱能則由燃?xì)忮仩t和熱電聯(lián)產(chǎn)單元產(chǎn)生；基于第二類能源集線器的能源中心的能量耦合關(guān)系式如式(4)所示，

式(4)中,η^GB為GB的效率，ν_gP_g表示輸入到熱電聯(lián)產(chǎn)單元中的天然氣，(1-ν_g)P_g表示輸入到燃?xì)忮仩t中的天然氣；

步驟二、建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)混合潮流數(shù)學(xué)模型，包括

2-1)目標(biāo)函數(shù)，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)混合潮流模型的目標(biāo)函數(shù)是系統(tǒng)運行經(jīng)濟成本，目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如式(5)所示，

式(5)中，第一項為用電成本，第二項為用氣成本；目標(biāo)函數(shù)中的用電包括能源中心用電和常規(guī)電負(fù)荷，用氣包括能源中心用氣和常規(guī)氣負(fù)荷；x和u分別代表區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)變量和控制變量，狀態(tài)變量和控制變量的數(shù)學(xué)表達(dá)如式(6)至式(12)；為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)從變電站購電的價格；為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)向變電站售電的價格；C^g為天然氣的價格；

x＝[F_e,F_g,F_EC] (6)

u＝[P^grid,P^gas,RCS,v_e,v_g] (10)

上述式(6)至式(12)中，F(xiàn)_e、F_g和F_EC分別為配電網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)以及能源中心的的狀態(tài)變量；V和S為配電網(wǎng)節(jié)點電壓向量及視在功率向量；p和F_n為燃?xì)夤芫W(wǎng)節(jié)點壓力向量及管道流量向量；和為能源中心與配電網(wǎng)及燃?xì)夤芫W(wǎng)的能量交換向量；P^grid為ICES的用電量；P^gas為ICES的用氣量；RCS_r為配電網(wǎng)開關(guān)r的狀態(tài)，配電網(wǎng)開關(guān)包括聯(lián)絡(luò)開關(guān)和分段開關(guān)，所述配電網(wǎng)開關(guān)的狀態(tài)通過二進(jìn)制0和1來表示，0表示開關(guān)打開，1表示開關(guān)閉合；N_br為配電網(wǎng)開關(guān)中可操作開關(guān)的總數(shù)；v_e和v_g分別為EC的電力和天然氣的分配系數(shù)向量；N_EC，N_EC-I和N_EC-II分別代表區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中能源中心、基于第一類能源集線器的能源中心、基于第二類能源集線器的能源中心的數(shù)量；

2-2)約束條件，考慮的因素包括：三相配電系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)及能源中心；

2-2-1)三相配電系統(tǒng)約束：

三相配電系統(tǒng)的等式約束為三相電氣潮流方程，如式(13)所示；

三相配電系統(tǒng)的不等式約束由購電約束、節(jié)點電壓約束、電流約束以及輻射狀運行約束構(gòu)成；其中，購電約束如式(14)所示，節(jié)點電壓約束如式(15)所示，電流約束如式(16)所示，輻射狀運行約束如式(17)所示；

N_loop＝N_br-N_e-bus+1 (17)

2-2-2)燃?xì)庀到y(tǒng)約束：

燃?xì)庀到y(tǒng)的等式約束為燃?xì)夤芫W(wǎng)潮流方程，如式(18)所示，

燃?xì)庀到y(tǒng)的不等式約束由購氣約束和燃?xì)夤?jié)點壓力約束構(gòu)成，購氣約束如式(19)所示，燃?xì)夤?jié)點壓力約束如式(20)所示；

p_min≤p_n≤p_max (20)

2-2-3)能源中心約束：

能源中心的等式約束為能源中心潮流方程、基于第一類能源集線器的能源中心的能量 耦合關(guān)系式、基于第二類能源集線器的能源中心的能量耦合關(guān)系式、能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元和中央空調(diào)系統(tǒng)的運行約束、能源中心與配電網(wǎng)和燃?xì)饩W(wǎng)電/氣能量交換的值的上下界約束，能源中心潮流方程如式(21)所示，能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元和中央空調(diào)系統(tǒng)的運行約束如式(22)所示，能源中心與與配電網(wǎng)和燃?xì)饩W(wǎng)電/氣能量交換的值的上下界約束如式(23)所示；

根據(jù)能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元和中央空調(diào)系統(tǒng)或熱電聯(lián)產(chǎn)單元和燃?xì)忮仩t的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得出基于第一類能源集線器的能源中心電/氣能量交互的上下邊界如式(24)所示，基于第二類能源集線器的能源中心電/氣能量交互的上下邊界如式(25)所示；

L^EC-C^ECP^EC＝0 (21)

式(22)至式(25)中，和分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)單元最小和最大輸出功率；和 分別表示中央空調(diào)系統(tǒng)消耗電功率的最大和最小值；和分別表示能源中心與電力網(wǎng)絡(luò)交換功率的最小和最大值，和分別表示能源中心與天然氣網(wǎng)絡(luò)交換功率的最小和最大值；

步驟三、通過MATLAB軟件系統(tǒng)調(diào)用IBM ILOG CPLEX軟件并采用交替迭代求解法對由步驟二中建立的目標(biāo)函數(shù)及由式(13)至式(25)構(gòu)成的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)混合潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，最終生成各個能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元、中央空調(diào)系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t最優(yōu)運行功率指令，包括：

3-1)針對式(5)所示的目標(biāo)函數(shù)調(diào)用IBM ILOG CPLEX求解優(yōu)化問題，得到各個能源中心與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)交換功率值各個能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元、中央空調(diào)系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t的最優(yōu)運行功率指令及配電網(wǎng)最優(yōu)重構(gòu)拓?fù)洌?/p>

3-2)調(diào)用OpenDSS軟件求解步驟3-1)重構(gòu)拓?fù)湎碌呐潆娋W(wǎng)三相潮流；

3-3)判斷步驟3-2)求解得到的配電網(wǎng)三相潮流是否收斂，若潮流收斂，則繼續(xù)下一步；若潮流不收斂，則調(diào)整各個能源中心與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的電氣交換功率上/下限值，即并跳轉(zhuǎn)至步驟3-1)；其中，的調(diào)整方法為：若式(15)下界越限或者式(16)越限，則調(diào)整為若式(15)上界越限，則調(diào)整為其中，ΔP_e為電氣功率調(diào)整常數(shù)；

3-4)在MATLAB軟件環(huán)境下求解天然氣管網(wǎng)潮流；

3-5)判斷天然氣管網(wǎng)潮流是否收斂，若潮流收斂，則繼續(xù)下一步；若潮流不收斂，則調(diào)整各個能源中心與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的天然氣交換功率上/下限值，即并跳轉(zhuǎn)至步驟3-1)；其中，調(diào)整方法為：若式(20)下界越限，則調(diào)整為若若式(20)上界越限，則調(diào)整為其中ΔP_g為天然氣功率調(diào)整常數(shù)；

3-6)輸出區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)潮流計算結(jié)果并生成各個能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元、中央空調(diào)系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t最優(yōu)運行功率指令。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明中將配電網(wǎng)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥@一靈活可控元素作為控制變量加入到ICES最優(yōu)混合潮流模型中，從“源-網(wǎng)-荷”全環(huán)節(jié)出發(fā)，考慮了ICES中三相不平衡配電網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)以及EC的相關(guān)約束，充分挖掘了網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)在多能源供能成本降低中的潛力。并將配電網(wǎng)重構(gòu)能力融合到ICES的最優(yōu)混合潮流算法中，ICES可根據(jù)系統(tǒng)運行狀況及能源價格動態(tài)調(diào)整配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而改善了配電網(wǎng)絡(luò)的潮流分布并提高配電網(wǎng)絡(luò)的供電能力，有效降低了ICES的運行成本。通過包含IEEE 33節(jié)點配網(wǎng)系統(tǒng)，7節(jié)點天然氣管網(wǎng)，四個EC的ICES算例對比分析不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)和考慮配電網(wǎng)重構(gòu)兩種不同配電網(wǎng)拓?fù)淝闆r下的ICES中配電網(wǎng)的電壓分布、ICES的用能調(diào)度情況以及ICES的運行成本，驗證了本發(fā)明的有效性。

附圖說明

圖1是能源集線器的典型結(jié)構(gòu)；

圖2區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)混合潮流計算流程圖；

圖3(a)是不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)的配電網(wǎng)節(jié)點電壓分布；

圖3(b)是考慮配電網(wǎng)重構(gòu)的配電網(wǎng)節(jié)點電壓分布；

圖4是本發(fā)明中區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)混合潮流計算平臺示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。

本發(fā)明提出的一種含配電網(wǎng)重構(gòu)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算方法，包括以下步驟：

步驟一、建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，包括：

1-1)建立天然氣管道流量方程如下[20]：

式(1)中,p_k和p_n分別表示天然氣管道上游和下游的壓力，k_kn是表征天然氣管道和天然氣流體的參數(shù)；s_kn表征管道中氣體流動的方向，其中，

1-2)根據(jù)能源集線器的具體類型建立能源中心數(shù)學(xué)模型，包括：

一種是針對由電力變壓器、熱電聯(lián)產(chǎn)單元和中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成的第一類能源集線器，第一類能源集線器的輸入環(huán)節(jié)包括電能和天然氣，其中，電能同時輸入到電力變壓器和中央空調(diào)系統(tǒng)，天然氣輸入熱電聯(lián)產(chǎn)單元；第一類能源集線器的輸出環(huán)節(jié)包含了電能和冷熱能兩部分，其中所輸出的電能由電力變壓器和熱電聯(lián)產(chǎn)單元供給，所輸出的冷熱能則由中央空調(diào)系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)單元產(chǎn)生；基于第一類能源集線器的能源中心的能量耦合關(guān)系式如式(3)所示，其中，耦合矩陣C中的耦合系數(shù)與轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率及能源在不同轉(zhuǎn)換裝置中的分配比例有關(guān)，因此引入分配系數(shù)ν_e，0≤ν_e≤1，則ν_eP_e表示直接供應(yīng)電力負(fù)荷的電能，(1-ν_e)P_e則表示輸入到中央空調(diào)系統(tǒng)中的電能：

式(3)中，和分別為天然氣經(jīng)過熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化為電力和熱能的轉(zhuǎn)換效率；η^CAC為中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷和制熱的能效比；和分別為能源集線器與電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的能量交互值；和分別為能源集線器所供應(yīng)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷；

另一種是針對由電力變壓器、熱電聯(lián)產(chǎn)單元和燃?xì)忮仩t構(gòu)成的第二類能源集線器，第二類能源集線器的輸入環(huán)節(jié)包括電能和天然氣，其中，電能輸入到電力變壓器，天然氣同時輸入到熱電聯(lián)產(chǎn)單元和燃?xì)忮仩t兩部分；第二類能源集線器的輸出環(huán)節(jié)包含了電能和冷熱能兩部分，其中所輸出的電能由電力變壓器和熱電聯(lián)產(chǎn)單元供給，所輸出的冷熱能則由燃?xì)忮仩t和熱電聯(lián)產(chǎn)單元產(chǎn)生；基于第二類能源集線器的能源中心的能量耦合關(guān)系式如式(4)所示，

式(4)中,η^GB為GB的效率，ν_gP_g表示輸入到熱電聯(lián)產(chǎn)單元中的天然氣，(1-ν_g)P_g表示輸入到燃?xì)忮仩t中的天然氣；

步驟二、建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)混合潮流數(shù)學(xué)模型，包括

2-1)目標(biāo)函數(shù)，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)混合潮流模型的目標(biāo)函數(shù)是系統(tǒng)運行經(jīng)濟成本， 目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如式(5)所示，

式(5)中，第一項為用電成本，第二項為用氣成本；目標(biāo)函數(shù)中的用電包括能源中心用電和常規(guī)電負(fù)荷，用氣包括能源中心用氣和常規(guī)氣負(fù)荷；x和u分別代表區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)變量和控制變量，狀態(tài)變量和控制變量的數(shù)學(xué)表達(dá)如式(6)至式(12)；為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)從變電站購電的價格；為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)向變電站售電的價格；C^g為天然氣的價格；

x＝[F_e,F_g,F_EC] (6)

u＝[P^grid,P^gas,RCS,v_e,v_g] (10)

上述式(6)至式(12)中，F(xiàn)_e、F_g和F_EC分別為配電網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)以及能源中心的的狀態(tài)變量；V和S為配電網(wǎng)節(jié)點電壓向量及視在功率向量；p和F_n為燃?xì)夤芫W(wǎng)節(jié)點壓力向量及管道流量向量；和為能源中心與配電網(wǎng)及燃?xì)夤芫W(wǎng)的能量交換向量；P^grid為ICES的用電量；P^gas為ICES的用氣量；RCS_r為配電網(wǎng)開關(guān)r的狀態(tài)，配電網(wǎng)開關(guān)包括聯(lián)絡(luò)開關(guān)和分段開關(guān)，所述配電網(wǎng)開關(guān)的狀態(tài)通過二進(jìn)制0和1來表示，0表示開關(guān)打開，1表示開關(guān)閉合；N_br為配電網(wǎng)開關(guān)中可操作開關(guān)的總數(shù)；v_e和v_g分別為EC的電力和天然氣的分配系數(shù)向量；N_EC，N_EC-I和N_EC-II分別代表區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中能源中心、基于第一類能源集線器的能源中心、基于第二類能源集線器的能源中心的數(shù)量；

2-2)約束條件，考慮的因素包括：三相配電系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)及能源中心；

2-2-1)三相配電系統(tǒng)約束：

三相配電系統(tǒng)的等式約束為三相電氣潮流方程，如式(13)所示；

三相配電系統(tǒng)的不等式約束由購電約束、節(jié)點電壓約束、電流約束以及輻射狀運行約束構(gòu)成；其中，購電約束如式(14)所示，節(jié)點電壓約束如式(15)所示，電流約束如式(16)所示，輻射狀運行約束如式(17)所示；

N_loop＝N_br-N_e-bus+1 (17)

2-2-2)燃?xì)庀到y(tǒng)約束：

燃?xì)庀到y(tǒng)的等式約束為燃?xì)夤芫W(wǎng)潮流方程，如式(18)所示，

燃?xì)庀到y(tǒng)的不等式約束由購氣約束和燃?xì)夤?jié)點壓力約束構(gòu)成，購氣約束如式(19)所示，燃?xì)夤?jié)點壓力約束如式(20)所示；

p_min≤p_n≤p_max (20)

2-2-3)能源中心約束：

能源中心的等式約束為能源中心潮流方程、基于第一類能源集線器的能源中心的能量耦合關(guān)系式、基于第二類能源集線器的能源中心的能量耦合關(guān)系式、能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元和中央空調(diào)系統(tǒng)的運行約束、能源中心與配電網(wǎng)和燃?xì)饩W(wǎng)電/氣能量交換的值的上下界約束，能源中心潮流方程如式(21)所示，能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元和中央空調(diào)系統(tǒng)的運行約束如式(22)所示，能源中心與與配電網(wǎng)和燃?xì)饩W(wǎng)電/氣能量交換的值的上下界約束如式(23)所示；

根據(jù)能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元和中央空調(diào)系統(tǒng)或熱電聯(lián)產(chǎn)單元和燃?xì)忮仩t的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得出基于第一類能源集線器的能源中心電/氣能量交互的上下邊界如式(24)所示，基于第二類能源集線器的能源中心電/氣能量交互的上下邊界如式(25)所示；

L^EC-C^ECP^EC＝0 (21)

式(22)至式(25)中，和分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)單元最小和最大輸出功率；和 分別表示中央空調(diào)系統(tǒng)消耗電功率的最大和最小值；和分別表示能源中心與電力網(wǎng)絡(luò)交換功率的最小和最大值，和分別表示能源中心與天然氣網(wǎng)絡(luò)交換功率的最小和最大值；

步驟三、模型的求解，為了對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)ICES最優(yōu)混合潮流模型進(jìn)行有效求解，本發(fā)明中基于MATLAB、OpenDSS以及IBM ILOG CPLEX平臺搭建了計算平臺，如圖4所示。整個計算平臺主要包括三方面的計算：1)配電網(wǎng)三相潮流計算；2)燃?xì)夤芫W(wǎng)潮流計算及EC潮流計算分析；3)優(yōu)化計算。OpenDSS用來進(jìn)行配電網(wǎng)三相潮流的計算分析。燃?xì)夤芫W(wǎng)潮流計算分析、EC潮流計算分析以及最優(yōu)混合潮流數(shù)學(xué)建模均在MATLAB平臺實現(xiàn)。EC潮流計算分析模塊用于分析計算EC與電/氣網(wǎng)絡(luò)的交換功率大小、邊界以及EC內(nèi)部的功率分配及能量轉(zhuǎn)換。基于組件對象(OpenDSSEngine.DLL)可實現(xiàn)OpenDSS計算程序與MATLAB平臺其他計算分析模塊之間的數(shù)據(jù)通信。具體內(nèi)容如下：

如圖2所示，通過MATLAB軟件系統(tǒng)調(diào)用IBM ILOG CPLEX軟件并采用交替迭代求解法對由步驟二中建立的目標(biāo)函數(shù)及由式(13)至式(25)構(gòu)成的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)混合潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，最終生成各個能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元、中央空調(diào)系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t最優(yōu)運行功率指令，包括：

3-1)針對式(5)所示的目標(biāo)函數(shù)調(diào)用IBM ILOG CPLEX求解優(yōu)化問題，得到各個能源中心與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)交換功率值各個能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元、中央空調(diào)系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t的最優(yōu)運行功率指令及配電網(wǎng)最優(yōu)重構(gòu)拓?fù)洌?/p>

3-2)調(diào)用OpenDSS軟件求解步驟3-1)重構(gòu)拓?fù)湎碌呐潆娋W(wǎng)三相潮流；

3-3)判斷步驟3-2)求解得到的配電網(wǎng)三相潮流是否收斂，若潮流收斂，則繼續(xù)下一步；若潮流不收斂，則調(diào)整各個能源中心與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的電氣交換功率上/下限值，即并跳轉(zhuǎn)至步驟3-1)；其中，的調(diào)整方法為：若式(15)下界越限或者式(16)越限，則調(diào)整為若式(15)上界越限，則調(diào)整為其中，ΔP_e為電氣功率調(diào)整常數(shù)；

3-4)在MATLAB軟件環(huán)境下求解天然氣管網(wǎng)潮流；

3-5)判斷天然氣管網(wǎng)潮流是否收斂，若潮流收斂，則繼續(xù)下一步；若潮流不收斂，則調(diào)整各個能源中心與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的天然氣交換功率上/下限值，即并跳轉(zhuǎn)至步驟3-1)；其中，調(diào)整方法為：若式(20)下界越限，則調(diào)整為若若式(20)上界越限，則調(diào)整為其中ΔP_g為天然氣功率調(diào)整常數(shù)；

3-6)輸出區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)潮流計算結(jié)果并生成各個能源中心中熱電聯(lián)產(chǎn)單元、中央空調(diào)系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t最優(yōu)運行功率指令。

研究材料：

利用包含IEEE 33節(jié)點配網(wǎng)系統(tǒng)，7節(jié)點天然氣管網(wǎng)，四個EC的ICES算例，其具體數(shù)據(jù)為：IEEE 33節(jié)點配網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[29]和[30]，節(jié)點電壓滿足0.95≤V≤1.05；三組風(fēng)機分別接入電氣系統(tǒng)母線14，16和31，某一時刻的出力預(yù)測值分別為130kW(三相接入)，500kW(A相接入)和1000kW(A相接入)；三組光伏分別接入電氣系統(tǒng)母線19，27和32，某一時刻的出力預(yù)測值分別為100kW(三相接入)，600kW(A相接入)和500kW(C相接入)；7節(jié)點天然氣管網(wǎng)，管網(wǎng)數(shù)據(jù)見表1，管網(wǎng)節(jié)點壓力滿足0.2≤p≤1.3；氣源點壓力設(shè)為200kPa，其值為壓力基準(zhǔn)值；四個EC，其組成類型及在電氣系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)中的接入位置見表2，相關(guān)設(shè)備參數(shù)及熱/電負(fù)荷預(yù)測值見表3。各個設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換效率見表4。本文ICES從變電站購電價格設(shè)為59.21$/(MWh)[31]，售電價格設(shè)為47.37$/(MWh)[32]；本文天然氣價格設(shè)為42.5$/(MWh)[32]。

表1天然氣管網(wǎng)參數(shù)

表2四個EC接入位置及組成類型

表3四個EC參數(shù)及熱/電負(fù)荷

表4設(shè)備能源轉(zhuǎn)換效率

通過對不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)和考慮配電網(wǎng)重構(gòu)兩種情況下的的ICES中配電網(wǎng)的電壓分布、ICES的用能調(diào)度情況以及ICES的運行成本。

利用包含IEEE 33節(jié)點配網(wǎng)系統(tǒng)，7節(jié)點天然氣管網(wǎng)，四個EC的ICES算例對本發(fā)明含配電網(wǎng)重構(gòu)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算方法進(jìn)行驗證。在當(dāng)前能源價格下，考慮配電網(wǎng)重構(gòu)的ICES購電量大于不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)的購電量；而考慮配電網(wǎng)重構(gòu)的ICES購氣量小于不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)的購氣量。同時，由于將配電網(wǎng)重構(gòu)能力集成到ICES最優(yōu)混合潮流算法中，ICES運行成本從$184.32下降到了$169.62，運行成本下降了7.98％，效果明顯，如表5所示。

表5ICES用能調(diào)度結(jié)果

在不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)和考慮配電網(wǎng)重構(gòu)兩種配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r下的配電網(wǎng)節(jié)點電壓分布如圖3(a)和圖3(b)所示。從中可以看到，由于配電網(wǎng)電壓水平是限制其供電能力的主要因素，在不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)下的ICES用能優(yōu)化調(diào)度中，由于受到節(jié)點電壓的限制，使得ICES中配電網(wǎng)的供電能力受到限制，從而ICES購電量較少購氣量較大；將配電網(wǎng)重構(gòu)融合到ICES的用能優(yōu)化調(diào)度中，由于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)改善了配電網(wǎng)潮流分布，使得電壓水平得到改善，從而使得配電網(wǎng)供電能力提升，從而ICES可以在電壓不越限的情況下增大購電量并降低購氣量，最終降低運行成本。從圖3(a)和圖3(b)還可以發(fā)現(xiàn)，考慮配電網(wǎng)重構(gòu)下的ICES用能優(yōu)化調(diào)度不僅可以降低ICES的運行成本，同時還可以改善配電網(wǎng)電壓水平。

表6對比了考慮配電網(wǎng)重構(gòu)和不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)兩種配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r下的四個EC的 用能調(diào)度結(jié)果。從中可以看到，考慮配電網(wǎng)重構(gòu)時的四個EC用電量均大于不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)的EC用電量。另外，考慮配電網(wǎng)重構(gòu)時的EC2和EC3均不消耗天然氣，而不考慮配電網(wǎng)重構(gòu)時的EC2和EC3均有一定量的天然氣消耗。

表6四個EC用能調(diào)度結(jié)果

綜上，本發(fā)明提出了含配電網(wǎng)重構(gòu)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算方法。首先，采用了改進(jìn)的能源集線器模型描述ICES中的耦合單元—EC的數(shù)學(xué)模型，為負(fù)責(zé)綜合能源的轉(zhuǎn)換、分配和存儲的EC構(gòu)建了其適用的能量分析模型，從而構(gòu)建了考慮ICES中三相不平衡配電系統(tǒng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)以及EC的相關(guān)約束的最優(yōu)混合潮流算法，最后，以與電/氣/熱ICES相關(guān)的兩種能源集線器模型為例研究了融合配電網(wǎng)重構(gòu)能力的ICES最優(yōu)混合潮流模型及求解方法。

盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。