一种考虑需求侧响应的区域能源优化运行方法

摘要

本发明公开了一种考虑需求侧响应的区域能源优化运行方法，其主要步骤如下：构建考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型，建立所述区域能源优化调度模型的目标函数，同时，给定所述区域能源优化调度模型的约束条件，包括等式约束和不等式约束，最后利用多目标粒子群算法对所述区域能源优化调度模型进行求解，得到调度模型的最优解。本发明的优点在于：同时考虑了基于价格的需求侧响应和基于激励的需求侧响应，能有效“削峰填谷”，协调气电系统之间的机组出力，高效率地满足多种能源需求，实现区域能源的整体的经济性与环保性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种区域能源系统优化调度方法，尤其涉及一种考虑需求侧响应的区域能源优化运行方法，属于配电网优化调度领域。

背景技术

目前的区域能源系统，一般的负荷主要分为电负荷与气负荷，两者通过燃气轮机与P2G装置进行耦合，燃气轮机通过消耗天然气生成电能，而P2G装置通过消耗多余的电能生成天然气，供给气负荷。目前已将负荷需求侧响应加入区域能源系统的调度模型中，所考虑的需求侧响应一般都是价格型或者激励型，很少将两者同时考虑，例如，公告号为CN107807523的中国实用新型专利，公开日为2018年3月16日，其公开了一种考虑分时电价的区域能源互联网多元协调优化运行策略，其不足之处是仅考虑了基于价格的需求侧响应(分时电价)。

发明内容

技术目的

针对现有区域能源优化调度方法多局限于对发电侧或单一需求侧的考虑，本发明公开了一种考虑需求侧响应的区域能源优化运行方法，将需求侧响应分为价格型与激励型，在保证供需平衡的条件下，兼顾经济性与环保性，提高区域能源的利用效率。

技术方案

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种考虑需求侧响应的区域能源优化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.构建考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型，所述考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型综合考虑了各个机组的出力特性，还考虑了需求侧响应机制的影响；

S2.建立考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型的目标函数，建立所述目标函数的方法为——根据所述步骤S1中建立的调度模型考虑区域能源的运行成本和有害气体排放情况，给出所述目标函数；

S3.给定考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型的约束条件，考虑所述区域能源系统中电负荷之间的供需平衡和气负荷之间的供需平衡以及所述需求侧响应机制中一个调度周期内负荷总量的恒定，建立等式约束；考虑所述区域能源系统中各个机组的出力大小限制、蓄电池出力大小限制和蓄电池容量大小的限制，建立不等式约束；

S4.利用多目标粒子群算法对所述区域能源优化调度模型进行求解，得到调度模型的最优解，包括需求侧响应方案和各个机组的出力计划。

进一步地，所述步骤S1中的调度模型具体包括所述机组的出力特性的数学模型和所述需求侧响应机制的数学模型。

所述机组主要包括耦合机组，耦合机组主要指的是燃气轮机与P2G装置，燃气轮机通过消耗天然气生成电能，P2G装置通过消耗电能产生天然气，燃气轮机的数学模型为：

Q

式中,Q

所述P2G装置的数学模型为：

Q

式中，Q

所述步骤S1中的需求侧响应机制分成价格型需求侧响应机制与激励型需求侧响应机制，

价格型需求侧响应机制的数学模型为：

式中，P

此数学模型表明了电价牵引电量的关系。

激励型需求侧响应分为需求可替代的激励型需求侧响应与负荷可削减的激励型需求侧响应，调度机构根据用户的响应程度选择给予响应的经济补偿。

所述负荷可削减的激励型需求侧响应指的是调度中心在用电高峰时期减少负荷的需求量，即P

所述需求可替代的激励型需求侧响应指的是根据同一时间节点上能源需求的横向分散式分布情况，用户可以在同一时间维度下选择不同性价比的能源来满足自身的用能需求，即本发明中的电、气两种负荷可以用热值等效实现，数学模型为：

P

式中P

进一步地，所述步骤S2中的目标函数具体包括所述区域能源系统的运行成本的目标函数和所述区域能源系统的有害气体排放的目标函数。

所述步骤S2中的区域能源系统的运行成本包括发电机组的运行成本、购气成本、激励响应的补偿成本以及弃风成本。

所述区域能源系统运行成本的数学模型为：

F

式中，C

所述步骤S2中区域能源系统的有害气体排放包括二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮等有害气体气体的排放，所述区域能源系统有害气体排放的数学模型为：

式中，

进一步地，所述步骤S3中考虑需求侧响应的区域能源系统优化调度模型的约束条件包括不等式约束和等式约束。

所述不等式约束指的是能源系统中各个机组的出力大小限制、蓄电池的出力大小限制和蓄电池容量大小的限制，所述不等式约束如下：

P

P

E

式中，P

所述等式约束包括区域能源系统的供需之间的平衡和价格型需求侧响应机制中一个调度周期内负荷总量的恒定，所述区域能源系统的供需之间的平衡具体包括气负荷之间的供需平衡与电负荷之间的供需平衡。

所述等式约束如下：

Q

P

式中，Q

进一步地，所述步骤S4中多目标粒子群算法的调度周期为24小时，调度的尺度是1小时，变量主要如下：燃气轮机24小时的耗气量、燃气轮机的24小时出力、P2G装置24小时的产气量、P2G装置24小时的耗电量、风电机组的24小时的出力、常规机组的24小时出力、天然气24小时的购买量、蓄电池24小时的出力大小、蓄电池24小时的储能量、参与基于价格的需求侧响应的电力负荷的24小时出力、参与负荷可削减的激励型需求侧响应的电力负荷的24小时出力及参与需求可替代的激励型需求侧响应的电力负荷的24小时出力，因此一个粒子的维度即24*12。

将每一个粒子带入两个目标函数则得到这个粒子的两个目标函数值，不等式约束中包括风电机组的出力大小限制、蓄电池出力的大小限制、燃气轮机的出力大小限制、常规机组的大小出力限制、参与价格响应的电力负荷的大小限制、参与可削减的电力负荷限制及可替代的电力负荷的大小限制、气源的大小限制；而等式约束分别是电力负荷守恒、气负荷守恒和价格型需求侧响应机制中一个调度周期内负荷总量的恒定。

对于多个不等式、多个等式的寻优问题，本发明采用的是罚函数，即每一个粒子的任一维度必须要满足其大小限制，然后分别将其带到气、电的等式约束，判断每一个等式约束的左边与右边的差值，通过罚函数的形式将差值加入总的运行成本，差值越大，则总的运行成本越大。

将粒子种群分为支配解集与非支配解集；将非劣解集存放在外部解集中，每一次对支配解集进行速度与位置的更新，然后取出支配解集中的非支配解，将其与外部解集中的解进行比较，保留外部解集中的非劣解；最终当达到迭代次数或者搜索精度时，算法停止运行，取出外部解集中的解，即区域能源系统的调度方案。

有益效果

本发明通过同时考虑基于价格的需求侧响应和基于激励的需求侧响应，优化了区域能源系统模型，在保证供需平衡的条件下，兼顾经济性与环保性，提高区域能源的利用效率。

附图说明

图1为本发明的总方法流程图；

图2为本发明中电网与气网的耦合示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的一种考虑需求侧响应的区域能源优化运行方法做进一步的说明和解释，应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

实施例

如图1所示，一种考虑需求侧响应的区域能源优化运行方法，具体包括以下步骤：

步骤一，构建考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型，考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型综合考虑了各个机组的出力特性，还考虑了需求侧响应机制的影响。

调度模型具体包括机组的出力特性的数学模型和需求侧响应机制的数学模型；机组主要包括耦合机组，耦合机组主要指的是燃气轮机与P2G装置，燃气轮机通过消耗天然气生成电能，P2G装置通过消耗电能产生天然气。

燃气轮机的数学模型为：

Q

式中,Q

P2G装置的数学模型为：

Q

式中，Q

需求侧响应机制可以分成价格型需求侧响应机制与激励型需求侧响应机制。

价格型需求侧响应机制的数学模型为：

式中，P

激励型需求侧响应分为需求可替代的激励型需求侧响应与负荷可削减的激励型需求侧响应，调度机构根据用户的响应程度选择给予响应的经济补偿。

负荷可削减的激励型需求侧响应指的是调度中心在用电高峰时期减少负荷的需求量，即P

需求可替代的激励型需求侧响应指的是根据同一时间节点上能源需求的横向分散式分布情况，用户可以在同一时间维度下选择不同性价比的能源来满足自身的用能需求，即本发明中的电、气两种负荷可以用热值等效实现，数学模型为：

P

式中P

步骤二，建立考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型的目标函数，建立所述目标函数的方法为——根据所述步骤S1中建立的调度模型考虑区域能源的运行成本和有害气体排放情况，给出所述目标函数。

目标函数具体包括区域能源系统的运行成本的目标函数和区域能源系统的有害气体排放的目标函数，运行成本包括发电机组的运行成本、购气成本、激励响应的补偿成本以及弃风成本。

区域能源系统运行成本的数学模型为：

F

式中，C

当调度模型同时考虑价格型与激励型需求响应时，在负荷的低谷时段，价格型响应机制的存在会使高峰时段的电力负荷转移到低谷时段，激励型需求响应机制的存在会将气负荷的需求转化为电负荷，因此低谷时段的总的电力需求将增多，进而使得低谷时段的风电机组的出力增多，即提高了风电机组的消纳率，减轻机组的运行负担。

在负荷的高峰时段，一方面价格型机制的存在使得电力负荷减少，另一方面由于激励响应的存在会使高峰时段的负荷减少，同时电负荷转换成气负荷。

此外激励型需求侧响应机制还会提高经济补偿，降低系统的运行成本。因此当调度模型同时考虑两种需求响应之后，优化之后的负荷曲线相比于优化之前的更加平缓。

区域能源系统的有害气体排放包括二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮等有害气体的排放，区域能源系统有害气体排放的数学模型为：

式中，

步骤三，给定考虑需求侧响应的区域能源优化调度模型的约束条件，考虑所述区域能源系统中电负荷之间的供需平衡和气负荷之间的供需平衡以及所述需求侧响应机制中一个调度周期内负荷总量的恒定，建立等式约束；考虑所述区域能源系统中各个机组的出力大小限制、蓄电池出力大小限制和蓄电池容量大小的限制，建立不等式约束。

不等式约束指的是能源系统中各个机组的出力大小限制、蓄电池的出力大小限制和蓄电池容量大小的限制，不等式约束如下：

P

P

E

式中，P

等式约束包括区域能源系统的供需之间的平衡和价格型需求侧响应机制中一个调度周期内负荷总量的恒定，区域能源系统的供需之间的平衡具体包括气负荷之间的供需平衡与电负荷之间的供需平衡；

等式约束如下：

Q

P

式中，Q

步骤四，利用多目标粒子群算法对所述区域能源优化调度模型进行求解，得到调度模型的最优解，包括需求侧响应方案和各个机组的出力计划。

本发明采用的调度周期为24小时，调度的尺度是1小时，变量主要如下：燃气轮机24小时的耗气量、燃气轮机的24小时出力、P2G装置24小时的产气量、P2G装置24小时的耗电量、风电机组的24小时的出力、常规机组的24小时出力、天然气24小时的购买量、蓄电池24小时的出力大小、蓄电池24小时的储能量、参与基于价格的需求侧响应的电力负荷的24小时出力、参与负荷可削减的激励型需求侧响应的电力负荷的24小时出力及参与需求可替代的激励型需求侧响应的电力负荷的24小时出力，因此一个粒子的维度即24*12。

将每一个粒子带入两个目标函数则得到这个粒子的两个目标函数值，不等式约束中包括风电机组的出力大小限制、蓄电池出力的大小限制、燃气轮机的出力大小限制、常规机组的大小出力限制、参与价格响应的电力负荷的大小限制、参与可削减的电力负荷限制及可替代的电力负荷的大小限制、气源的大小限制；而等式约束分别是电力负荷守恒、气负荷守恒和价格型需求侧响应机制中一个调度周期内负荷总量的恒定。对于多个不等式、多个等式的寻优问题，本发明采用的是罚函数，即每一个粒子的任一维度必须要满足其大小限制，然后分别将其带到气、电的等式约束，判断每一个等式约束的左边与右边的差值，通过罚函数的形式将差值加入总的运行成本，差值越大，则总的运行成本越大。

将粒子种群分为支配解集与非支配解集；将非劣解集存放在外部解集中，每一次对支配解集进行速度与位置的更新，然后取出支配解集中的非支配解，将其与外部解集中的解进行比较，保留外部解集中的非劣解；最终当达到迭代次数或者搜索精度时，算法停止运行，取出外部解集中的解，即区域能源系统的调度方案。

如图2所示，风电机组、常规机组和电储装置接入电网输出电负荷，同时电网和气网通过燃气轮机与P2G装置实现耦合，基于价格的需求侧响应机制和基于激励的需求侧响应机制对区域能源系统产生影响，根据粒子群算法得出调度方案后，在气负荷过剩时通过燃气轮机的工作消耗多余天然气进行发电供给电负荷或通过储能装置完成储能，在电负荷过剩时通过P2G装置工作消耗多余电力产生甲烷、氢气等燃气供给气负荷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。