一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法

摘要

本发明涉及互联综合能源系统规划领域，具体涉及一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法，包括，S1：对城市电与气综合能源系统按照三个评价指标分成三个受灾等级；S2：建立城市电与气综合能源系统基本元件的受灾故障不确定集合；S3：建立弹性提升的城市电与气综合能源系统扩展规划鲁棒优化模型；S4:上述所建立的鲁棒优化模型具有max‑min‑max三层结构，将建立的鲁棒优化模型进行转化，并利用列和约束算法进行求解；S5：用IEEE33节点电力系统和比利时20节点天然气系统作为仿真算例对模型进行验证说明，使用MATLAB语言对模型编程，调用CPLEX工具箱进行求解；本发明结果更加准确合理，在最优扩展规划情况下提升系统弹性的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及互联综合能源系统规划领域，具体涉及一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步和环境友好型社会的提出，能源系统朝着更加综合更加环保的方向发展。其中，电与气综合能源系统作为综合能源系统的主要组成成分，发挥着不可小觑的作用。近年来，自然灾害频频发生，无论是台风、海啸亦或是地震、洪水，都会对能源的基础设施造成巨大的破坏。如果一旦产生大量的供能问题，不仅会造成巨大的经济损失，还会给救灾工作造成严重的影响，无法正常开展灾后修缮及重建工作。据此有专家提出综合能源系统弹性问题，即为综合能源系统抵抗自然灾害并快速恢复的能力。综上所述，有必要针对城市电与气综合能源系统，提出新的扩展规划方法。该扩展规划方法能够确保在进行最优规划之后，最大程度上提高城市电与气综合能源系统应对自然灾害时的弹性。

发明内容

本发明目的是提高城市电与气综合能源系统在进行最优规划之后，还能应对自然灾害时的弹性。

为实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案：

一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法，包括如下步骤：

步骤S1：对于城市电与气综合能源系统的基本构成单元电力线路和输气管道通过熵权决策法按照三个评价指标分成三个受灾等级；

步骤S2：建立自然灾害情况下，城市电与气综合能源系统基本元件的受灾故障不确定集合；

步骤S3：建立考虑弹性提升的城市电与气综合能源系统扩展规划鲁棒优化模型；

步骤S4：由于上步所建立的鲁棒优化模型具有max-min-max三层结构，无法直接求得最终结果。因此将所建立的鲁棒优化模型进行转化，并利用列和约束算法进行求解；

步骤S5：使用IEEE33节点电力系统和比利时20节点天然气系统作为仿真算例对模型进行验证说明。使用MATLAB语言对模型编程，调用CPLEX工具箱进行求解。

进一步的，步骤S1中的利用熵权决策法对城市电与气综合能源系统的基本构成单元电力线路和输气管道进行受灾等级划分，具体为：系统中的电力线路个数用I表示，为被评价对象；每个被评价对象的评价指标有3个，分别为灾害传播时空路径、线路所带负荷的重要程度和线路是否主干部分；由于自然灾害，例如：台风、地震、海啸的破坏力会随着时间和空间的变化逐渐减弱，会对位于不同区域的元件产生不同的破坏水平，因此有必要将受灾区域按照灾害传播的时空路径进行等级划分；同时，线路所带负荷的重要程度也是划分线路元件在自然灾害来临时抗灾性能的重要指标之一；在基本电网规划设计阶段，对一些重要负荷开展了保护措施，因此如果线路所带负荷等级高，那么该线路的抗灾性越强；同理，如果一条线路是城市中的主要干线，也会在设计之初进行硬化保护。为便于表达，在以下公式中用J表示评价指标；

步骤S101：将被评价对象进行标准化处理：

式中：x

步骤S102：进行归一化处理：

步骤S103：计算各评价指标的熵：

步骤S104：计算第j个评价指标的熵权：

步骤S105：第i个元件的灾害风险值：

通过对各元件灾害风险值的划分，将所有元件分成三个受灾等级；同理，进行天然气系统中的基础元件，输气管道受灾等级的划分；

进一步的，步骤S2中的所建立的故障不确定性集合如下：

式中：l

进一步的，步骤S3中考虑弹性提升的城市电与气综合能源系统扩展规划步骤如下：

步骤S3101：目的是投资成本和最坏灾害情况下运行的失负荷成本之和最小。

Q(x,u)＝minc

式(8)为考虑弹性提升的城市电与气综合能源系统的扩展规划鲁棒优化模型，式(9)为自然灾害故障最坏情况下发生的最小化失电负荷和失气负荷成本之和；式(10)和式(11)分别为具体表达式；其中，X表示新增元件决策变量集合；U为故障集合；c

步骤S3102：各元器件具体投资维护成本表示如下：

式(12)-(17)分别为新增储能蓄电池投资成本，新增燃气分布发电机投机成本，新增电转气设备投资成本、新增储气罐投资成本、新增电力线路成本和新增输气管道成本；其中，i,m分别为电力线路节点和输气管道节点；Ω

步骤S3103：新增设备的数量约束：

式(18)-(21)分别表示储能蓄电池、燃气分布式发电机、电转气装置、储气罐的新增数量约束；式(22)保证每个在天然气网络中新增的为电转气装置通过电力线路连接到相匹配的电力系统节点；同理式(23)保证每个在电力网络中新增的分布式燃气轮机通过输气管道连接到相匹配的天然气系统节点；其中，N

进一步的，步骤S3中考虑弹性提升的城市电与气综合能源系统扩展规划鲁棒优化模型约束条件，具体包括如下步骤：

步骤S3201：电力系统功率平衡约束：

式中，P

步骤S3202：分支功率流约束：

式中，

步骤S3203：燃气分布式发电机的输出功率约束：

式中，

步骤S3204：P2G装置的转化效率及最大出力约束：

式中，η

步骤S3205：储能蓄电池约束：

式中，c

步骤S3206：失负荷约束：

步骤S3207：天然气系统运行时天然气流量平衡约束：

式中，G

步骤S3208：天然气与燃气轮机的耦合关系：

式中，η

步骤S3209：管道气流流量约束：

式中，

步骤S3210：储气设施约束：

式中，c

步骤S3211：失气负荷约束：

进一步的，步骤S4中由于上步所建立的二阶段鲁棒优化模型具有max-min-max三层结构，无法直接求得最终结果。因此将所建立的鲁棒优化模型进行转化，使之成为可以便于求解的形式，具体步骤为：

步骤S401：将所述二阶段鲁棒优化问题转化为主问题与子问题的形式进行迭代求解；

步骤S402：主问题对应第一阶段扩展规划的新增设备的选址定容决策问题；

步骤S403：子问题对应第二阶段自然灾害对电与气城市系统的影响，是在灾害引起系统故障的最坏情况后，通过调整电网和气网潮流分布减少失负荷量，从而保证系统运行的经济性；

步骤S404：由于上述子问题具有max-min两层结构，因而无法直接求解，将采用拉格朗日对偶理论将内层min问题转化为其对偶问题对应的max问题，并与外层max问题合并求解。

与现有技术相比，本发明提供一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法有益效果如下：

1.本发明提供一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法，相比于单一系统规划，更加体现出现有的综合能源系统之间具有紧密耦合的特性。

2.本发明提供一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法，与普通的扩展规划相比，本发明的规划方法能够保证在电与气综合能源经受极端自然灾害时有较高的弹性恢复力；这无论对灾害期间确保供能损失最小，还是对灾后重建工作都有很大的作用。

3.本发明提供一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法，所提到的规划方法模型是一个难以直接求解的三层鲁棒优化模型，将其进行转化采用列和约束算法能够高效求解此问题；同时可以在不同的场景下使用此方法用求解大规模规划问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供仿真所使用的电力系统结构图和天然气系统结构图；

图2为本发明提供一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法流程图。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，图1是本发明仿真所使用的电力系统结构图和天然气系统结构图：采用改进的IEEE33节点的电力系统和比利时20节点天然气系统，该IEEE33节点系统一共有33个节点(除节点0外均为有负荷节点)，32条配电线路；比利时20节点天然气系统一共有20个节点(其中节点3、6、7、10、15、16、19、20为有负荷节点，节点1、8为气源节点)，19条输气管道。

如图2所示，所述一种弹性提升城市电与气综合能源系统扩展规划方法，包括如下步骤：

步骤S1：对于城市电与气综合能源系统的基本构成单元电力线路和输气管道通过熵权决策法按照三个评价指标分成三个受灾等级；

所述步骤S1，具体为：系统中的电力线路个数用I表示，为被评价对象，J表示评价指标；

步骤S101：将被评价对象进行标准化处理：

式中：x

步骤S102：进行归一化处理：

步骤S103：计算各评价指标的熵：

步骤S104：计算第j个评价指标的熵权：

步骤S105：第i个元件的灾害风险值：

通过对各元件灾害风险值的划分，将所有元件分成三个受灾等级；同理，进行天然气系统中的基础元件，输气管道受灾等级的划分；

步骤S2：建立自然灾害情况下，城市电与气综合能源系统基本元件的受灾故障不确定集合；

所述步骤S2中的所建立的故障不确定性集合如下：

式中：l

步骤S3：建立考虑弹性提升的城市电与气综合能源系统扩展规划鲁棒优化模型；所述步骤S3，具体为:

步骤S3101：目的是投资成本和最坏灾害情况下运行的失负荷成本之和最小。

Q(x,u)＝minc

其中，X表示新增元件决策变量集合；U为故障集合；c

步骤S3102：各元器件具体投资维护成本表示如下：

式(12)-(17)分别为新增储能蓄电池投资成本，新增燃气分布发电机投机成本，新增电转气设备投资成本、新增储气罐投资成本、新增电力线路成本和新增输气管道成本。其中，i,m分别为电力线路节点和输气管道节点；Ω

步骤S3103：新增设备的数量约束：

式(18)-(21)分别表示储能蓄电池、燃气分布式发电机、电转气装置、储气罐的新增数量约束。式(22)保证每个在天然气网络中新增的为电转气装置通过电力线路连接到相匹配的电力系统节点。同理式(23)保证每个在电力网络中新增的分布式燃气轮机通过输气管道连接到相匹配的天然气系统节点；其中，N

步骤S3中考虑弹性提升的城市电与气综合能源系统扩展规划鲁棒优化模型约束条件，具体包括如下步骤：

步骤S3201：电力系统功率平衡约束：

式中，P

步骤S3202：分支功率流约束：

式中，

步骤S3203：燃气分布式发电机的输出功率约束：

式中，

步骤S3204：P2G装置的转化效率及最大出力约束：

式中，η

步骤S3205：储能蓄电池约束：

式中，c

步骤S3206：失负荷约束：

步骤S3207：天然气系统运行时天然气流量平衡约束：

式中，G

步骤S3208：天然气与燃气轮机的耦合关系：

式中，η

步骤S3209：管道气流流量约束：

式中，

步骤S3210：储气设施约束：

式中，c

步骤S3211：失气负荷约束：

步骤S4：由于上述所建立的鲁棒优化模型具有max-min-max三层结构，无法直接求得最终结果。因此将所建立的鲁棒优化模型进行转化，并利用列和约束算法进行求解；

所述步骤S4，具体步骤为：

步骤S401：将所述二阶段鲁棒优化问题转化为主问题与子问题的形式进行迭代求解；

步骤S402：主问题对应第一阶段扩展规划的新增设备的选址定容决策问题；

步骤S403：子问题对应第二阶段自然灾害对电与气城市系统的影响，是在灾害引起系统故障的最坏情况后，通过调整电网和气网潮流分布减少失负荷量，从而保证系统运行的经济性；

步骤S5：使用IEEE33节点电力系统和比利时20节点天然气系统作为仿真算例对模型进行验证说明；使用MATLAB语言对模型编程，调用CPLEX工具箱进行求解。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。