一种电热耦合系统的协同规划方法及终端

1.本发明涉及电热耦合系统规划技术领域，特别涉及一种电热耦合系统的协同规划方法及终端。


背景技术：

2.热电联产(chp)机组因其在节能降耗、改善环境的优势而被广泛应用，热电联产机组的广泛部署使电力和供热系统的互连更加紧密。
3.如何充分挖掘电热系统的协同潜力从而实现合理且经济的设备规划是许多研究者关注的重点之一。为了保证设备规划结果的合理性，通常需要对一年内多个具有典型特征的运行场景进行考虑，如热负荷较高的冬季场景与热负荷较低的夏季场景。然而，现有研究将各场景下的热网拓扑视作是固定的，热网拓扑必须通过适当切换管道来季节性地重构，以满足热负荷的季节性变化，这些管道通过手动操作进行季节性重构以满足调峰和风电消纳的需求。因此，如果在规划中忽略热网重构，将带来一些问题：一方面，规划不符合实际，会使得规划结果不合理；另一方面，无法充分挖掘热网灵活性资源，会导致不必要的规划和运行成本。
4.已有一些学者针对热网重构在系统经济安全运行方面做出研究。然而，在电热耦合系统协同规划问题上尚未有公开的成果。为了填补这一空白，亟需提出一种考虑热网重构的电热耦合系统协同规划方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种电热耦合系统的协同规划方法及终端，能够在规划中考虑热网重构为系统带来的灵活性资源，保证电热耦合多能流系统规划方案的经济、合理。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种电热耦合系统的协同规划方法，包括步骤：
8.获取电热耦合系统的投资数据，以所述投资数据最小为目标建立目标函数，将候选设备的状态和数量约束为约束条件，建立电热耦合系统的投资模型；
9.对电热耦合系统的历史负荷数据和历史风机数据进行聚类，得到聚类场景，基于所述聚类场景进行风机出力预测；
10.以运行成本最小为目标函数，建立电热耦合系统的稳态运行模型；
11.结合所述投资模型和所述稳态运行模型建立电热耦合系统协同规划的目标函数，并根据所述电热耦合系统协同规划的目标函数、所述风机出力预测的结果以及所述稳态运行模型的约束条件，求解电热耦合系统的协同规划方案。
12.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
13.一种电热耦合系统的协同规划终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种
电热耦合系统的协同规划方法的各个步骤。
14.本发明的有益效果在于：以投资数据最小为目标函数，将候选设备的状态和数量约束为约束条件，建立电热耦合系统的投资模型；聚类电热耦合系统的历史负荷数据和历史风机数据进行得到聚类场景，基于聚类场景进行风机出力预测；以运行成本最小为目标函数，建立电热耦合系统的稳态运行模型；结合投资模型和稳态运行模型建立电热耦合系统协同规划的目标函数，并根据目标函数和上述预测结果以及稳态运行模型的约束条件，求解电热耦合系统的协同规划方案。因此，通过对供热结构的优化调整，可以促进系统的风电消纳，增强电热耦合系统中的风机的接入能力，为以新能源为主体的新型电力系统建设提供支撑；并且，热网重构可以提供额外的灵活性以支撑热负荷的供需平衡，同时通过多能互补的方式辅助电网侧进行调峰，进而避免在规划周期内不必要的设备投资，有助于达到提质增效、节能减排的目的。
附图说明
15.图1为本发明实施例的一种电热耦合系统的协同规划方法的流程图；
16.图2为本发明实施例的一种电热耦合系统的协同规划终端的示意图；
17.标号说明：
18.1、一种电热耦合系统的协同规划终端；2、存储器；3、处理器。
具体实施方式
19.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
20.请参照图1，本发明实施例提供了一种电热耦合系统的协同规划方法，包括步骤：
21.获取电热耦合系统的投资数据，以所述投资数据最小为目标建立目标函数，将候选设备的状态和数量约束为约束条件，建立电热耦合系统的投资模型；
22.对电热耦合系统的历史负荷数据和历史风机数据进行聚类，得到聚类场景，基于所述聚类场景进行风机出力预测；
23.以运行成本最小为目标函数，建立电热耦合系统的稳态运行模型；
24.结合所述投资模型和所述稳态运行模型建立电热耦合系统协同规划的目标函数，并根据所述电热耦合系统协同规划的目标函数、所述风机出力预测的结果以及所述稳态运行模型的约束条件，求解电热耦合系统的协同规划方案。
25.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：以投资数据最小为目标函数，将候选设备的状态和数量约束为约束条件，建立电热耦合系统的投资模型；聚类电热耦合系统的历史负荷数据和历史风机数据进行得到聚类场景，基于聚类场景进行风机出力预测；以运行成本最小为目标函数，建立电热耦合系统的稳态运行模型；结合投资模型和稳态运行模型建立电热耦合系统协同规划的目标函数，并根据目标函数和上述预测结果以及稳态运行模型的约束条件，求解电热耦合系统的协同规划方案。因此，通过对供热结构的优化调整，可以促进系统的风电消纳，增强电热耦合系统中的风机的接入能力，为以新能源为主体的新型电力系统建设提供支撑；并且，热网重构可以提供额外的灵活性以支撑热负荷的供需平衡，同时通过多能互补的方式辅助电网侧进行调峰，进而避免在规划周期内不必要的设备
投资，有助于达到提质增效、节能减排的目的。
26.进一步地，以所述投资数据最小为目标建立目标函数包括：
27.建立电热耦合系统投资模型的目标函数：
[0028][0029]
式中，c
inv
表示整个规划周期的投资成本，表示第y年风机的投资成本，表示第y年热电联产机组的投资成本，表示第y年电锅炉的投资成本，ny表示规划周期。
[0030]
由上述描述可知，建立电热耦合系统投资模型的目标函数，便于后续生成电热耦合系统协同规划的目标函数。
[0031]
进一步地，将候选设备的状态和数量约束为约束条件包括：
[0032]
所述候选设备的状态约束为：
[0033][0034][0035][0036]
式中，表示第i台候选风电机组第y年在第a个候选安装位置的规划状态，表示第i台候选热电联产机组第y年在第a个候选安装位置的规划状态，表示第i台候选电锅炉第y年在第a个候选安装位置的规划状态，wc表示候选风电机组的集合，cgc表示候选热电联产机组的集合，εc表示候选电锅炉的集合，ai表示第i个候选设备的候选规划位置的集合；
[0037]
所述候选设备的数量约束为：
[0038][0039][0040][0041]
由上述描述可知，根据候选设备的状态和数量设置对应的约束条件，便于后续电热耦合系统的协同规划方案的生成。
[0042]
进一步地，所述以运行成本最小为目标函数包括：
[0043]
建立电热耦合系统运行模型的目标函数：
[0044][0045]
式中，表示系统在t时段的运行成本，为第i台热电联产发电机组在t时段的发电成本，为第i台非热电联产发电机组在t时段的发电成本，为第i台
风电机组在t时段的发电成本，表示第i台热电联产机组在t时段的有功功率，表示第i台热电联产机组在t时段的热功率，表示第i台风电机组在t时段的电出力，表示第i台非热电联产机组在t时段的电出力。
[0046]
由上述描述可知，建立电热耦合系统运行模型的目标函数，便于后续生成电热耦合系统协同规划的目标函数。
[0047]
进一步地，所述以运行成本最小为目标函数之后还包括：
[0048]
确定电热耦合系统稳态运行模型的约束条件：
[0049]
确定电热耦合系统的非热电联产机组有功功率约束、风电机组有功功率约束、热电联产机组的运行特性方程约束、电锅炉的运行特性方程约束、非热电联产机组和热电联产机组有功功率的爬坡约束、电力系统约束、供热系统约束、热网拓扑约束。
[0050]
由上述描述可知，确定电热耦合系统稳态运行模型的约束条件，便于后续生成电热耦合系统协同规划的目标函数。
[0051]
进一步地，结合所述投资模型和所述稳态运行模型建立电热耦合系统协同规划的目标函数包括：
[0052]
建立电热耦合系统协同规划的目标函数：
[0053][0054]
式中，sy表示第y年选取典型日的集合，φs表示典型场景s的天数。
[0055]
进一步地，根据所述电热耦合系统协同规划的目标函数、所述风机出力预测的结果以及所述稳态运行模型的约束条件，求解电热耦合系统的协同规划方案包括：
[0056]
利用分支定界法，在所述电热耦合系统协同规划的目标函数的基础下，根据所述风机出力预测的结果以及所述稳态运行模型的约束条件，求解得到电热耦合系统协同规划方案；
[0057]
所述电热耦合系统协同规划方案包括电热耦合系统内的风机、热电联产机组、电锅炉的规划型号、规划位置及规划时间。
[0058]
由上述描述可知，利用分支定界法能够求解得到电-热综合能源系统协同规划方案，保证电热耦合多能流系统规划方案的经济、合理。
[0059]
请参照图2，本发明另一实施例提供了一种电热耦合系统的协同规划终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种电热耦合系统的协同规划方法的各个步骤。
[0060]
本发明上述的一种电热耦合系统的协同规划方法及终端，能够在规划中考虑热网重构为系统带来的灵活性资源，保证电热耦合多能流系统规划方案的经济、合理，以下通过具体的实施方式进行说明：
[0061]
实施例一
[0062]
请参照图1，一种电热耦合系统的协同规划方法，包括步骤：
[0063]
s1、获取电热耦合系统的投资数据，以所述投资数据最小为目标建立目标函数，将候选设备的状态和数量约束为约束条件，建立电热耦合系统的投资模型。
[0064]
s11、建立电热耦合系统投资模型的目标函数：
[0065][0066]
其中：
[0067][0068][0069][0070]
式中，c
inv
表示整个规划周期的投资成本，表示第y年风机的投资成本，表示第y年热电联产机组的投资成本，表示第y年电锅炉的投资成本，ny表示规划周期。ai表示第i个候选设备的候选规划位置的集合，表示第i个候选设备的投资价格，δy表示第y年的贴现系数(δ
ny
表示第ny年的贴现系数)，满足δy＝1/(1+d)y-1(d为贴现率，可从银行获取)，γ
i,y
表示第i个设备在第y年进行规划到规划期末的折旧率。
[0071]
s12、将候选设备的状态和数量约束为约束条件包括：
[0072]
所述候选设备的状态约束为：
[0073][0074][0075][0076]
式中，表示第i台候选风电机组第y年在第a个候选安装位置的规划状态，表示第i台候选热电联产机组第y年在第a个候选安装位置的规划状态，表示第i台候选电锅炉第y年在第a个候选安装位置的规划状态，wc表示候选风电机组的集合，cgc表示候选热电联产机组的集合，εc表示候选电锅炉的集合，ai表示第i个候选设备的候选规划位置的集合；
[0077]
所述候选设备的数量约束为：
[0078][0079][0080][0081]
s2、对电热耦合系统的历史负荷数据和历史风机数据进行聚类，得到聚类场景，基于所述聚类场景进行风机出力预测。
[0082]
s3、以运行成本最小为目标函数，建立电热耦合系统的稳态运行模型。
[0083]
s31、建立电热耦合系统运行模型的目标函数：
[0084][0085]
式中，表示系统在t时段的运行成本，为第i台热电联产发电机组在t时段的发电成本，为第i台非热电联产发电机组在t时段的发电成本，为第i台风电机组在t时段的发电成本(实质为弃风成本)，表示第i台热电联产机组在t时段的有功功率，表示第i台热电联产机组在t时段的热功率，表示第i台风电机组在t时段的电出力，表示第i台非热电联产机组在t时段的电出力。
[0086]
其中：其中：
[0087][0088]
式中，a
0,g
、a
1,g
、a
2,g
表示第g台chp机组的成本系数，可从该机组出厂说明书中获得；b
0,i
、b
1,i
分别为第i台非chp发电机组的成本常数项系数，一次项系数和二次项系数，可从非chp发电机组的出厂说明书中获得，表示t时段风电i的预测功率上限，从风电预测模块获得，σi表示第i台风电机组的成本系数(罚成本因子)，可从电力市场规定价格中获得。
[0089]
s32、确定电热耦合系统稳态运行模型的约束条件：
[0090]
确定电热耦合系统的非热电联产机组有功功率约束、风电机组有功功率约束、热电联产机组的运行特性方程约束、电锅炉的运行特性方程约束、非热电联产机组和热电联产机组有功功率的爬坡约束、电力系统约束、供热系统约束、热网拓扑约束。
[0091]
具体的，确定电-热耦合系统调度模型的约束条件，包括：
[0092]
电-热耦合系统的非chp机组有功功率约束：
[0093][0094]
式中，tg表示所有非chp机组的集合；表示第i台非chp机组的有功功率下限，表示第i台非chp机组的有功功率上限；
[0095]
电-热耦合系统的风电机组有功功率约束：
[0096]
电力系统中t时段第i台风电机组的有功功率不超过风电的预测功率上限
[0097][0098][0099]
式中，w表示所有风电机组的集合；wc表示候选风电机组的集合，表示第i台候选风电机组第y年在第a个候选安装位置的规划状态。
[0100]
电-热耦合系统中耦合元件—热电联产机组(chp)的运行特性方程约束：
[0101][0102][0103][0104]
式中，cg表示所有chp机组的集合，cgc表示候选chp机组的集合；表示第i台chp机组在t时段的有功功率，表示第i台chp机组在t时段的热功率，表示第i台chp机组运行可行域近似多边形的第k个顶点的横坐标，表示第i台chp机组运行可行域近似多边形的第k个顶点的纵坐标，表示第i台chp机组在t时段的组合系数，nki表示第i台chp机组的运行可行域近似多边形的顶点个数，chp机组运行可行域近似多边形从chp机组的出厂说明书中获取，取值为0-1，表示第i台候选chp机组第y年在第a个候选安装位置的规划状态；
[0105]
电-热耦合系统中耦合元件—电锅炉的运行特性方程约束：
[0106][0107][0108][0109]
式中，ε表示所有电锅炉的集合，εc表示候选电锅炉的集合，表示第i台电锅炉在t时段的电功率消耗，表示第i台电锅炉在t时段的热出力，表示第i台电锅炉额定功率从电锅炉机组的出厂说明书中获取，表示第i台热电比，额定功率及热电比从电锅炉的出厂说明书中获取，取值为0-1，表示第i台候选电锅炉第y年在第a个候选安装位置的规划状态；
[0110]
电-热耦合系统中非chp机组有功功率的爬坡约束：
[0111][0112][0113][0114][0115]
式中，和分别表示第i台非chp发电机组在t时段有功功率的向上爬坡速率和向下爬坡速率，和分别表示第i台非chp发电机组有功功率的最大允许向上爬坡速率和最大允许向下爬坡速率，可从非chp发电机组的出厂说明书中获得，δt为
相邻两个调度时段的时间间隔，和分别表示第i台非chp发电机组在t时段的有功功率和t-1时的有功功率；
[0116]
电-热耦合系统中chp机组有功功率的爬坡约束：
[0117][0118][0119][0120][0121]
式中，和分别表示第i台chp发电机组在t时段有功功率的向上爬坡速率和向下爬坡速率，和分别表示第i台chp发电机组有功功率的最大允许向上爬坡速率和最大允许向下爬坡速率，可从chp发电机组的出厂说明书中获得，δt表示相邻两个调度时段的时间间隔，和分别表示第i台chp发电机组在t时段的有功功率和t-1时的有功功率；
[0122]
电-热耦合系统的电力系统功率平衡方程约束，表达式如下：
[0123][0124][0125]
式中，表示与电网母线b相连的非chp发电机组集合，表示与电网母线b相连的chp发电机组集合，表示与电网母线b相连的风电机组集合，表示与电网母线b相连的电锅炉集合，表示电力系统线路集合，表示第i台非chp机组在t时段的电出力，表示第i台chp机组在t时段的电出力，表示第i台风电机组在t时段的电出力，表示第i台电锅炉组在t时段的电能消耗，f
l,t
为流过线路l的功率潮流，d
b,t
为t时段电网母线b的负荷，bs(l)表示线路l的送出母线，br(l)表示线路l的接收母线，b
l
为线路l的导纳，θ
b,t
电网母线b在t时段的相角；
[0126]
电-热耦合系统的电力系统功率潮流约束，表达式如下：
[0127][0128]
式中，f
l
表示线路l的功率上限；
[0129]
电-热耦合系统中电力系统备用约束：
[0130][0131]
式中，sru和srd分别表示电-热耦合系统中为保证电力系统安全运行所需的上旋、下旋备用容量，可从电力市场获取；
[0132]
电-热耦合系统的供热系统热站出力约束：
[0133]
供热系统热站以chp机组、电锅炉等为热源进行供热：
[0134][0135]
式中，表示热站j中chp机组的集合，表示热站j中电锅炉的集合，h热站的集合，表示热站j在t时段的热出力。
[0136]
电-热耦合系统的供热系统节点热功率平衡约束：
[0137][0138]
式中，表示与供热节点n相连的热站集合，表示管道中热能从节点n流出的管道集合，表示管道中热能流入节点n的管道集合，表示与供热节点n相连的换热站集合，表示第i个换热站在t时段的所需热量，和分别表示在t时段流入和流出第p个管道热量；
[0139]
电-热耦合系统的供热系统管道输热约束：
[0140][0141][0142]
式中，u
p,t
表示管道p在t时段的通断状态，0为断开，1为连通，表示管道p允许流过的最大热量；
[0143]
电-热耦合系统的供热系统网损约束：
[0144][0145][0146]
式中，表示管道p在t时段的热损，λ
p
表示管道p的单位长度的传热系数，可从电-热耦合系统的能量管理系统中获取，管道p的长度，a
p
管道p的横截面积，l
p
、a
p
可经测量获得，ρ表示水的密度，取值为1000kg/m3，为t时段的环境温度，通过测量获取，和分别为供水管道p、回水管道p在t时段流入管道的水的温度，为了减少热损和应尽可能的小，因此用其下界和(可从供热守则获取)进行近似替代：
[0147][0148]
电-热耦合系统的热网拓扑约束：
[0149][0150][0151]
[0152]
式中，n
p
表示与管道p相连供热节点的集合，n表示供热节点的集合，n
hs
表示热站所连供热节点的集合，n(i)表示与节点i相连的节点的集合，z
ij,t
表征管道中热量流向，1表示管道中的热量是由节点i流向节点j，0表示管道热量不是由节点i流向节点j。
[0153]
s4、结合所述投资模型和所述稳态运行模型建立电热耦合系统协同规划的目标函数，并根据所述电热耦合系统协同规划的目标函数、所述风机出力预测的结果以及所述稳态运行模型的约束条件，求解电热耦合系统的协同规划方案。
[0154]
建立电热耦合系统协同规划的目标函数：
[0155][0156]
式中，sy表示第y年选取典型日的集合，φs表示典型场景s的天数。
[0157]
利用分支定界法，在所述电热耦合系统协同规划的目标函数的基础下，根据所述风机出力预测的结果以及所述稳态运行模型的约束条件，求解得到电热耦合系统协同规划方案；
[0158]
所述电热耦合系统协同规划方案包括电热耦合系统内的风机、热电联产机组、电锅炉的规划型号、规划位置及规划时间。
[0159]
实施例二
[0160]
请参照图2，一种电热耦合系统的协同规划终端1，包括存储器2、处理器3以及存储在所述存储器2上并可在处理器3上运行的计算机程序，所述处理器3执行所述计算机程序时实现实施例一的一种电热耦合系统的协同规划方法的各个步骤。
[0161]
综上所述，本发明提供的一种电热耦合系统的协同规划方法及终端，以投资数据最小为目标函数，将候选设备的状态和数量约束为约束条件，建立电热耦合系统的投资模型；聚类电热耦合系统的历史负荷数据和历史风机数据进行得到聚类场景，基于聚类场景进行风机出力预测；以运行成本最小为目标函数，建立电热耦合系统的稳态运行模型；结合投资模型和稳态运行模型建立电热耦合系统协同规划的目标函数，并根据目标函数和上述预测结果以及稳态运行模型的约束条件，求解电热耦合系统的协同规划方案。因此，通过对供热结构的优化调整，可以促进系统的风电消纳，增强电热耦合系统中的风机的接入能力，为以新能源为主体的新型电力系统建设提供支撑；并且，热网重构可以提供额外的灵活性以支撑热负荷的供需平衡，同时通过多能互补的方式辅助电网侧进行调峰，进而避免在规划周期内不必要的设备投资，有助于达到提质增效、节能减排的目的。
[0162]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。