基于大數(shù)據(jù)與雙向耦合的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

張章, 張麗潔, 李光毅, 李津

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,河北,石家莊 050081;2.國網(wǎng)雄安綜合能源服務(wù)有限公司,河北,雄安 071700)

0 引言

隨著可再生能源的規(guī)?；l(fā)展,其發(fā)電固有的不確定性為綜合能源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)[1-3]。因此,如何協(xié)調(diào)區(qū)域綜合能源系統(tǒng),使其高效可靠地運(yùn)行是目前的難題。

文獻(xiàn)[4]以整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和主網(wǎng)功率波動(dòng)量最小為目標(biāo)進(jìn)行能源系統(tǒng)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合多種限制條件,轉(zhuǎn)變模型規(guī)劃形式。算例結(jié)果表明,該方案可以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,但是該系統(tǒng)運(yùn)行中消耗的成本較高。文獻(xiàn)[5]通過分析用戶需求響應(yīng)能力,結(jié)合價(jià)格型負(fù)荷和替代型負(fù)荷,對(duì)負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化。經(jīng)測(cè)試得出,該方案能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的靈活性,保障體系的安全性,但是不能滿足環(huán)保性需求,系統(tǒng)優(yōu)化后仍會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放量。文獻(xiàn)[6]提出了一種計(jì)及多能轉(zhuǎn)化效率的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型設(shè)計(jì)方法,構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),利用多目標(biāo)粒子群求解目標(biāo)函數(shù),得出系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果。通過實(shí)例計(jì)算,證明了該方案可以有效地改善碳減排率,但是由于該方法僅建立了單一的目標(biāo)函數(shù),不能全面地反映區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的實(shí)際情況,因此,在標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量方面仍然存在一定的問題。

針對(duì)上述問題,以提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為目標(biāo),探究區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化問題。

1 能源數(shù)據(jù)預(yù)處理及電-氣雙向耦合建模分析

1.1 區(qū)域綜合能源數(shù)據(jù)處理

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)和能源數(shù)據(jù),為了提高系統(tǒng)優(yōu)化效率,在綜合能源系統(tǒng)的開發(fā)利用過程中,必須對(duì)各種不同的能量數(shù)據(jù)展開綜合處理,因此,在數(shù)據(jù)采集階段可以通過壓縮、傳輸?shù)确绞浇档蛿?shù)據(jù)處理復(fù)雜度,提升數(shù)據(jù)傳輸效率,方便后續(xù)的區(qū)域綜合能量系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化[7]。

在綜合能源數(shù)據(jù)的具體分析與處理過程中,選取了水、電、氣3種綜合能源資料作為參考。水、電、氣數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 區(qū)域綜合能源數(shù)據(jù)處理流程

由圖1可知,區(qū)域綜合能源數(shù)據(jù)處理步驟分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)中繼和數(shù)據(jù)分析3個(gè)環(huán)節(jié)。由于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),因此,通過壓縮感知方法對(duì)采集得到的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理,該方法能夠降低數(shù)據(jù)傳輸壓力,為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 電-氣雙向耦合建模

以氣、電能源為例,分析二者的耦合關(guān)系,構(gòu)建雙向耦合模型,具體可分為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行模型和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備運(yùn)行模型。

(1) 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行模型:

PGT=δGTQGTLg

(1)

(2) 電轉(zhuǎn)氣設(shè)備運(yùn)行模型:

θP→G=δP→GPP→G/Lg

(2)

其中,PGT表示燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率,δGT表示燃?xì)廨啓C(jī)天然氣發(fā)電能量轉(zhuǎn)化率,QGT表示燃?xì)廨啓C(jī)的儲(chǔ)存熱能,P→G表示電轉(zhuǎn)氣裝置,P→G輸出天然氣的能量轉(zhuǎn)化率用δP→G描述,θP→G表示電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的能量傳遞效率,PP→G表示電轉(zhuǎn)氣設(shè)備功率,Lg表示單位換算系數(shù)。

通過上述公式能夠得到氣-電能源之間的雙向耦合關(guān)系,上述耦合關(guān)系同樣適用于其他能源,分析區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)冷熱電氣不同能源之間的耦合與協(xié)調(diào),促進(jìn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)、穩(wěn)定發(fā)展。

2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化

在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中,主要分為3個(gè)部分,分別為供能側(cè)、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和需求側(cè)[8-9]。根據(jù)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型的基本結(jié)構(gòu),給出模型表達(dá)式:

(3)

其中,νi表示多能互補(bǔ)系數(shù),i=1,2,3,CES表示區(qū)域綜合能源系統(tǒng),n表示能源類型數(shù)量。

接下來針對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型建立多目標(biāo)函數(shù),對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。單一目標(biāo)函數(shù)僅關(guān)注系統(tǒng)優(yōu)化中的某一個(gè)具體指標(biāo)或目標(biāo),與單一目標(biāo)函數(shù)相比,多目標(biāo)函數(shù)考慮了多個(gè)指標(biāo)或目標(biāo)的綜合性,可以平衡不同目標(biāo)之間的權(quán)衡關(guān)系。這意味著使用多目標(biāo)函數(shù)可以更全面地反映實(shí)際情況,并將多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。因此,本文建立多目標(biāo)函數(shù),具體目標(biāo)函數(shù)包括運(yùn)行成本最小化、碳排放量最低以及標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量最小化。

(1) 運(yùn)行成本目標(biāo)函數(shù)

運(yùn)行成本主要由購買和收益兩部分組成。將運(yùn)行成本作為目標(biāo)函數(shù)即降低購買成本,提高經(jīng)濟(jì)收益,具體表達(dá)式為

minC=Cgas-Cgird-Cs

(4)

其中,Cgas表示天然氣購買成本,Cgird表示電力購買成本,Cs表示向電網(wǎng)賣電所得收益。

(2) 碳排放目標(biāo)函數(shù)

在碳排放優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)中,充分考慮能源系統(tǒng)中燃?xì)忮仩t與燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放量,具體表達(dá)式為

minE=EGB+EGT+Egird

(5)

其中,燃?xì)忮仩t用GB描述,GB和GT的碳排放量用EGB和EGT描述,電網(wǎng)的碳排放量用Egird描述。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)煤消耗目標(biāo)函數(shù)

除了運(yùn)行成本與碳排放量等優(yōu)化目標(biāo)之外,將標(biāo)準(zhǔn)煤消耗作為另一個(gè)優(yōu)化目標(biāo):

minS=SGB+SGT+Sgird

(6)

其中,SGB用于GB運(yùn)行過程中消耗的煤炭當(dāng)量,SGT用于描述GT運(yùn)行過程中消耗的煤炭當(dāng)量,Sgird用于描述電網(wǎng)產(chǎn)生的煤炭當(dāng)量。

針對(duì)上述建立的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),設(shè)置相應(yīng)的約束條件。

功率平衡約束:

PGT+PGB+Pgird=Pload-Pbess

(7)

其中,Pload表示用戶負(fù)荷功率,Pbess表示儲(chǔ)能設(shè)備出力。

設(shè)備出力約束:

(8)

設(shè)備運(yùn)行約束:

(9)

粒子群算法[10-12]具備的高效、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被逐漸發(fā)現(xiàn),然而,使用單個(gè)PSO對(duì)所建模型進(jìn)行求解時(shí),其收斂性較差。為兼顧區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化問題,設(shè)計(jì)啟發(fā)式規(guī)則,在所得解中得到折中解。具體求解過程如下:

(10)

(11)

針對(duì)設(shè)置的約束條件,引入啟發(fā)式規(guī)則,獲取冷熱電氣設(shè)備的出力范圍大小,并得到設(shè)備的開機(jī)優(yōu)先順序:

zn=(Pw>A1) or (Pw>A2)

(12)

其中,zn表示設(shè)備啟停次數(shù),Pw表示設(shè)備實(shí)際開機(jī)概率,A1和A2均表示隨機(jī)數(shù),二者在(0,1)區(qū)間取值。

綜上,給出區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型的求解流程圖,如圖2所示。

圖2 模型求解流程圖

3 算例分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)與雙向耦合的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型的應(yīng)用效果,進(jìn)行算例分析。

3.1 參數(shù)設(shè)置

首先,給出某地區(qū)綜合能源系統(tǒng)中的主要設(shè)備及其具體參數(shù),如表1所示。

表1 系統(tǒng)中各項(xiàng)設(shè)備及其具體參數(shù)

在上述參數(shù)設(shè)置下,結(jié)合設(shè)定的目標(biāo)函數(shù),測(cè)試區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的成本、碳排放量以及標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量,根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出相關(guān)結(jié)論。

3.2 結(jié)果及其分析

(1) 運(yùn)行成本測(cè)試結(jié)果

以分供系統(tǒng)成本作為參考,測(cè)試4個(gè)季節(jié)典型日中分供系統(tǒng)與綜合能源系統(tǒng)的成本,在分供系統(tǒng)中,能源資源主要來自于一種或有限幾種能源形式,例如燃煤、天然氣等化石燃料。綜合能源系統(tǒng)將多種能源資源進(jìn)行整合,包括可再生能源如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?以及傳統(tǒng)的化石燃料等,實(shí)現(xiàn)了能源資源的多樣化利用。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出,由于負(fù)荷不同,不同典型日下綜合能源系統(tǒng)與分供系統(tǒng)的成本不同,其中,夏季的運(yùn)行成本可節(jié)省27.12%,是在4個(gè)季節(jié)中節(jié)約率最高的。由此看來,無論何種負(fù)荷下的綜合能源系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ),多能協(xié)調(diào),驗(yàn)證了所提方法的經(jīng)濟(jì)性。

(2) 碳排放測(cè)試結(jié)果

將文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法作為對(duì)比方法,測(cè)試應(yīng)用3種方法后該地區(qū)不同時(shí)段綜合能源系統(tǒng)的碳排放量,結(jié)果如表3所示。

表3 不同方法在不同時(shí)段的碳排放量對(duì)比結(jié)果

由表3可知,與文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法相比,所提方法的碳排放量大幅度下降,說明該方法能夠使綜合能源系統(tǒng)具有更佳的低碳性,可提高能源系統(tǒng)的環(huán)保性。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量測(cè)試結(jié)果

最后,測(cè)試2020年和2021年應(yīng)用所提方法之前該地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量和應(yīng)用該方法之后對(duì)應(yīng)的消耗量,對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

(a) 2020年

由圖3可知,該地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗特點(diǎn)呈現(xiàn)出春秋季節(jié)較低,夏冬季節(jié)較高的特點(diǎn),其中,2021年的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量較2020年有所減少,且應(yīng)用所提方法之后標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量明顯低于應(yīng)用該方法之前,說明應(yīng)用該方法之后,區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的能源消耗量得到了降低,再次驗(yàn)證了該方法的經(jīng)濟(jì)性。

4 總結(jié)

本文將提升綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性作為研究目標(biāo),提出一種基于大數(shù)據(jù)與雙向耦合的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型設(shè)計(jì)方法。將碳排放、標(biāo)準(zhǔn)煤消耗等方面設(shè)定為目標(biāo)函數(shù),并通過粒子群算法得到模型的解,獲取多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果。算例結(jié)果表明,應(yīng)用該方法后成本節(jié)約率得到了明顯提升,碳排放和標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量明顯降低,驗(yàn)證了該方法的應(yīng)用價(jià)值。