一种基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法

本发明涉及多能源系统运行以及规划的技术领域，尤其涉及一种基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法。

背景技术：

在向绿色可持续社会转型的过程中，可再生能源发电在全球得到迅速发展。然而，在供暖期，大量热电联产机组采用“以热定电”的方式运行，限制了其自身的调峰能力，导致电力系统需要深度调峰时，整个电力系统的调峰能力不足，只能压缩风电上网的空间，造成了大量的弃风。高比例可再生能源的消纳成为亟待解决的问题。

鉴于电能和热能两种能源的紧密联系，从整体能源消耗的角度来说，热力系统与电力系统的联合运行，是解决高比例可再生能源消纳问题的关键；电热综合能源系统增加了可再生能源的渗透率，促进了新能源的消纳，可以实现多种能源的优势互补，提高能源的利用效率。

在以往的研究中，热力系统大多采用定质量流量定温度、变质量流量定温度、定质量流量变温度的运行方式，鲜有采用变质量流量和变温度的运行方式，变质量流量和变温度的运行方式使系统运行更加灵活；同时，也引入了由质量流量速率和温度的乘积带来的非线性项，使得潮流的计算更加复杂。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：现有方案大多采用定质量流量定温度、变质量流量定温度、定质量流量变温度的运行方式，灵活性差，变质量流量和变温度在提升系统运行灵活性的同时而带来求解困难的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于传统配电网及运行方式为变质量流量和变温度的热力系统建立电热综合能源系统；获取所述电热综合能源系统的拓扑结构和基本元件信息并建立基本元件模型；基于所述基本元件模型构建系统目标函数及约束条件，根据麦考密克包络的线性化策略建立电热综合能源系统线性化的联合优化调度模型，实现所述电热综合能源系统的高速求解，完成线性建模。

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：所述电热综合能源系统的拓扑结构包括多个节点通过多条边连接构成，所述节点包括电力节点、热力节点、耦合节点，所述边包括电力线路、热力管道。

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：所述目标函数包括，

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：所述和的定义分别包括，

定义运行计量值为：

其中，h表示燃气机组的序号，表示燃气机组的输出热功率，表示第h个燃气机组的m阶计量值因子；

热电联产机组的运行计量值是关于它输出电功率和热功率的双变量函数，表示为：

其中，表示热电联产机组的m阶计量值因子；

电锅炉将电能转化为热能，产生一定数量的热蒸汽，热水等热媒，表示为：

其中，f表示电锅炉的序号，表示电锅炉的输出热功率，ηf表示电锅炉的输出效率，γ表示电价；

燃气锅炉运行计量值是关于其输出热功率的二次函数，表示为：

其中，g表示燃气锅炉的序号，表示燃气锅炉的输出热功率，表示第g个燃气锅炉的m阶计量值因子；

分布式风电的弃风计量值与弃风量成正比，表示为：

其中，n表示分布式风电的序号，wgn,t和分别表示分布式风电的实际输出电功率和预测发电功率，σ表示弃风的罚计量值。

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：所述约束条件包括热网管道约束、配电网约束、电源热源输出约束。

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：所述热网管道约束包括，

φi＝cmi(ts,i-tr,i)

βf·pl＝0

其中，φl表示热源/热负荷节点i的热功率，c表示管道工质的比热容，mi表示连接供热管网和回热管网的管道中的质量流量速率，ts,i和tr,i分别表示供热管网和回热管网的相对温度，ts,i≥tr,i恒成立，tin和tout分别表示管道的入口温度和出口温度，tam表示环境温度，λ表示管道单位长度的热传导系数，l表示管道的长度，ml表示管道的质量流量速率，和分别表示其入口和出口与节点i相连接的管道集合，表示管道k的质量流量速率，tk,out表示管道k的出口温度，tj,in表示管道j的入口温度，pl表示沿管道的压力损失，μ表示流量粘度，d表示管道的内径，和分别表示热源和热负荷的质量流量速率，βf表示基本回路矩阵，可以写作βf＝[bhk]，关联矩阵α＝[aik]定义如下：

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：所述配电网约束包括，

其中，pij和qij分别表示配电线路ij上传输的有功和无功功率，和分别表示节点j上由发电机组发出的有功和无功功率，和分别表示节点j上由负荷吸收的有功和无功功率，rij和xij分别表示配电线路ij上的电阻和电抗，uj和u0分别表示节点j和平衡节点上的电压，π(j)表示节点注入功率来自于节点j的节点集合。

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：所述电源热源输出约束包括，燃气机组输出约束：

热电联产机组输出约束：

其中，e表示chp机组的序号，cm,e表示chp机组背压运行状态的热电转换效率，cv,e表示chp机组运行在抽汽凝气运行状态的输出电功率，和分别表示chp机组最大和最小输出电功率，表示chp机组的最大输出热功率，和分别表示chp机组的输出电功率和输出热功率；

燃气锅炉的输出约束为：

分布式风电的输出约束为：

电锅炉的输出约束为：

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：采用所述麦考密克包络的线性化策略将非线性约束线性化包括，根据式定义沿管道的热损失为：

由于0＜λl/cml＜＜1.使用等价无穷小变换e^-x＝1-x，所述热损失近似为：

作为本发明所述的基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的一种优选方案，其中：采用所述麦考密克包络的线性化策略将非线性约束线性化进一步包括，基于所述麦考密克包络来保证凸性并且使得边界充分紧，则所述热管道模型中的φi式定义为：

φi＝c(ws,i-wr,i)

ws,i≥mits,i+mits,i-mits,i

wr,i≥mitr,i+mitr,i-mitr,i

同理，将式替换为线性约束。

本发明的有益效果：本发明通过基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性化建模方法，建立了线性化的联合优化调度模型，热力系统采用变质量流量和变温度运行方式，给整个系统带来了灵活性，同时模型通过麦考密克包络的线性化方法，保证了模型的高效求解；本发明可以用于给调度机构和系统规划提供参考，对于电热综合能源系统的经济运行具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的基本流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的基于麦考密克包络策略的原理图；

图3为本发明一个实施例提供的一种基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的电热综合能源系统结构的示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法的实验结果对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～2，为本发明的一个实施例，提供了一种基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性建模方法，包括：

s1：基于传统配电网及运行方式为变质量流量和变温度的热力系统建立电热综合能源系统；需要说明的是，

电热综合能源系统中的热力系统采用变质量流量和变温度的运行方式，以往的热力系统大多采用定质量流量定温度、变质量流量定温度、定质量流量变温度的运行方式，鲜有采用变质量流量和变温度的运行方式，变质量流量和变温度的运行方式使系统运行更加灵活的同时，也引入了由质量流量速率和温度的乘积带来的非线性项，使得潮流的计算更加复杂，在本实施例中，质量流量速率、温度均为未知的代求量。

s2：获取电热综合能源系统的拓扑结构和基本元件信息并建立基本元件模型；需要说明的是，

电热综合能源系统拓扑结构由多个节点通过多条边连接构成，节点包括电力节点、热力节点、耦合节点三类，边包括电力线路、热力管道的两类；

具体的，电力节点之间或者电力节点和耦合节点之间通过电力线路连接或者不连接，热力节点之间或者热力节点和耦合节点之间通过天然气管道连接或者不连接；节点上有设备和负荷，设备包含非热电联产机组、热电联产机组、电锅炉、燃气锅炉、热泵、分布式风电六类，非热电联产机组位于电力节点/耦合节点上，热电联产机组、电锅炉、热泵仅存在于耦合节点上，燃气锅炉位于热力节点/耦合节点上；负荷包括电力负荷和热力负荷，电力负荷位于电力节点/耦合节点上，热力负荷位于热力节点/耦合节点上。

基本元件模型主要包括机组、风电、锅炉、网络等。

s3：基于基本元件模型构建系统目标函数及约束条件，根据麦考密克包络的线性化策略建立电热综合能源系统线性化的联合优化调度模型，实现电热综合能源系统的高速求解，完成线性建模；需要说明的是，

建立电热综合能源系统联合优化调度模型，其特征在于，模型主要包括以下几部分：

建立以下的目标函数：

其中，和的定义分别包括，

非热电联产机组-燃气机组:非热电联产机组在本模型中主要是传统的火电机组，本实施例以燃气机组为例，其运行计量值为：

其中，h表示燃气机组的序号，表示燃气机组的输出热功率，表示第h个燃气机组的m阶计量值因子；

热电联产机组：热电联产机组的运行计量值是关于它输出电功率和热功率的双变量函数，表示为：

其中，表示热电联产机组的m阶计量值因子；

电锅炉：电锅炉将电能转化为热能，产生一定数量的热蒸汽，热水等热媒，表示为：

其中，f表示电锅炉的序号，表示电锅炉的输出热功率，ηf表示电锅炉的输出效率，γ表示电价；

燃气锅炉：燃气锅炉运行计量值是关于其输出热功率的二次函数，表示为：

其中，g表示燃气锅炉的序号，表示燃气锅炉的输出热功率，表示第g个燃气锅炉的m阶计量值因子；

分布式风电：分布式风电的弃风计量值与弃风量成正比，表示为：

其中，n表示分布式风电的序号，wgn,t和分别表示分布式风电的实际输出电功率和预测发电功率，σ表示弃风的罚计量值。

同时建立如下约束条件：

热网管道约束包括，

φi＝cmi(ts,i-tr,i)

βf·pl＝0

其中，φl表示热源/热负荷节点i的热功率，c表示管道工质的比热容，mi表示连接供热管网和回热管网的管道中的质量流量速率，ts,i和tr,i分别表示供热管网和回热管网的相对温度，ts,i≥tr,i恒成立，tin和tout分别表示管道的入口温度和出口温度，tam表示环境温度，λ表示管道单位长度的热传导系数，l表示管道的长度，ml表示管道的质量流量速率，和分别表示其入口和出口与节点i相连接的管道集合，表示管道k的质量流量速率，tk,out表示管道k的出口温度，tj,in表示管道j的入口温度，pl表示沿管道的压力损失，μ表示流量粘度，d表示管道的内径，和分别表示热源和热负荷的质量流量速率，关联矩阵α＝[aik]定义如下：

βf表示基本回路矩阵，可以写作βf＝[bhk]，当bhk＝1时表示管道k中的流速方向与回路h相一致；当bhk＝-1时表示管道k中的流速方向与回路h相反；在区域供热网络中，质量流量是由循环水泵来维持的，鉴于循环水泵只消耗很少的一部分电量，可以假设循环水泵的费用可以忽略不计。

配电网约束包括，

其中，pij和qij分别表示配电线路ij上传输的有功和无功功率，和分别表示节点j上由发电机组发出的有功和无功功率，和分别表示节点j上由负荷吸收的有功和无功功率，rij和xij分别表示配电线路ij上的电阻和电抗，uj和u0分别表示节点j和平衡节点上的电压，π(j)表示节点注入功率来自于节点j的节点集合。

电源热源输出约束包括，

燃气机组输出约束：

抽汽凝汽式机组从汽轮机中间级抽出一部分蒸汽，供给热负荷，实现在发电的同时还供热。抽汽凝汽式机组的电热耦合特性，热电联产机组输出约束：

其中，e表示chp机组的序号，cm,e表示chp机组背压运行状态的热电转换效率，cv,e表示chp机组运行在抽汽凝气运行状态的输出电功率，和分别表示chp机组最大和最小输出电功率，表示chp机组的最大输出热功率，和分别表示chp机组的输出电功率和输出热功率；

燃气锅炉的输出约束为：

分布式风电的输出约束为：

电锅炉的输出约束为：

进一步的，观察电热综合能源系统，目标函数是二次的，但约束条件中式φi＝cmi(ts,i-tr,i)和式中由质量流量和温度的乘积而引入了双线性函数项，式引入了指数项。因此，本发明采用麦考密克包络的线性化策略将非线性约束线性化。

具体包括，等价无穷小变换：根据式定义沿管道的热损失为：

在实践中，由于0＜λl/cml＜＜1.使用等价无穷小变换e^-x＝1-x，热损失近似为：

式φi＝cmi(ts,i-tr,i)和中的双线性函数项是由于热力系统采用了变质量流量和变温度的运行方式引起的，可以通过麦考密克包络来保证凸性并且使得边界充分紧，使用麦考密克包络,热管道模型中的φi式定义为：

φi＝c(ws,i-wr,i)

ws,i≥mits,i+mits,i-mits,i

wr,i≥mitr,i+mitr,i-mitr,i

同理，将式替换为线性约束。电热综合能源系统联合优化模型被改造成了二次规划问题，可以利用现有的成熟求解器对其进行求解。

本发明方法通过基于麦考密克包络的电热综合能源系统线性化建模方法，建立了线性化的联合优化调度模型，热力系统采用变质量流量和变温度运行方式，给整个系统带来了灵活性，同时模型通过麦考密克包络的线性化方法，保证了模型的高效求解。

实施例2

参照图3～4为本发明另一个实施例，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

结合实施案例及附图对本发明方法作进一步说明：如图3所示，电热综合能源系统主要由热力系统与电力系统通过热电联产机组和电锅炉耦合而成，热电联产机组采用抽汽凝汽式机组，同时生产电能和热能，输出热功率与输出电功率有强耦合特性。电锅炉将电能转化为热能，产生一定数量的热蒸汽，热水等热媒，其输入端连入电力系统作为电负荷，电锅炉的输出端连入热力系统作为热源。热力系统主要由热源、热网和热负荷3部分组成，分别承担着热力生产、传输配送和使用的职能，其中，热网将热源与热负荷连接起来，并将热源产生的热量通过管道工质输送到热用户。在我国目前最常用的管道工质是热水，热网一般分为输热网和配热网，中间以换热站连接，换热站作为连接输热网和配热网的接口，起到交换热能的作用，在输热网中它相当于是热负荷，在配热网中它相当于是热源。

按照本发明内容的完整方法实施的实施例情况如下：处理获得某测试案例中由ieee改造的电热综合能源测试系统。

首先，初始化该电热综合能源系统的参数。该电热综合能源测试结构示意图如图3所示，其中，浅色线表示热力网络，深色线表示电力网络，wg表示分布式风电，gt表示燃气机组，gb表示燃气锅炉，chp表示热电联产机组，eb表示电锅炉。包含的电力系统和热力系统的原始数据来源于公开文献，具体可以在liu,j.wu,n.jenkins,anda.bagdanavicius,"combinedanalysisofelectricityandheatnetworks,"appliedenergy,vol.162,pp.1238-1250,2016.的附录a中查到。在电力系统的3和12节点分别设置两个1.5mvar和2mvar的静止无功补偿器来补偿无功功率和维持电压，同时设置两个案例来进行分析比较，一种是电热综合能源系统运行在传统的定质量流量和变温度运行方式下，另外一种是本模型中电热综合能源系统所采用的变质量流量和变温度的运行方式。

实施过程具体如下：

1、建立电热综合能源系统所包含的基本元件模型，其中电力系统是传统的配电网，热力系统采用变质量流量和变温度的运行方式；

2、其次，建立电热综合能源系统联合优化调度模型；

3、最后，采用基于麦考密克包络的线性化方法来保证高速求解；

4、将数值结果与常规的定质量流量和变温度结果进行比较。

根据本实施例提出的方法得到该系统采用变质量流量和变温度运行方式与传统的采用定质量流量变温度运行方式的风电消纳率对比图如图4所示，可以看到，与定质量流量和变温度相比，变质量流量和变温度运行方式为系统带来了灵活性，使得系统可以更好的消纳弃风，带来高额的经济收益，同时，线性化建模使得高效求解得到保证，整个求解速度约0.8秒，传统的基于ipopt的非线性化求解方法在测试系统比本发明测试系统小的情况下，求解速度为96s，本发明方法相较于传统方法大大提升了求解速度，体现本发明方法的高效求解。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。