基于IPSO算法的并网型综合能源系统调度方法_叶雨.pdf

基于 算法的并网型综合能源系统调度方法叶雨，马锦荣（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 ）摘要：为了提高并网型综合能源系统调度性能，增强消纳弃风能力，提高新能源的利用率，提出基于 算法的并网型综合能源系统调度方法。根据电负荷的转移与中断情况建立其数学模型，基于热网的水力特性与热力特性建立一次管网数学模型，通过 拟合建立燃气热电联供机组数学模型，利用 算法求解系统调度模型。通过调度模型的求解对比测试能够证明，所提方法在获取最优解的质量与收敛速度方面性能较优，并通过电功率调度结果验证了经过所提方法调度后，运行能源成本较低，并且弃风消纳效果较好。关键词：算法；并网型综合能源系统；系统调度；弃风消纳中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：叶雨（），从事电力系统工程设计，变电、配电、新能源、综合能源系统设计等工作；马锦荣（），从事发电厂、变电站、风电场、光伏电站建筑设计等工作。引言随着现代社会环境压力的剧增与可再生能源的兴起，世界各国为了减少对化石能源的依赖，诞生了并网型综合能源的理念，综合能源系统可以更高效地利用新能源并且减少环境的污染，而综合能源系统的调度对提高供热与供电的可靠性具有重要的现实意义。有学者提出，综合能源系统调度的安全性与稳定性极低，而通过分散式调度方法可以提高调度的可靠性。还有学者提出，可以通过改进的小生境 算法，来降低综合能源系统运行成本，并可以提升可再生能源利用率，进行综合能源系统调度模型的求解。还有学者指出可再生能源的不稳定性严重影响了能源系统的调度，提出利用区间线性随机生成的机会约束规划模型来优化调度方法。但是以上方法在实际应用过程中消纳弃风能力较弱，不能降低运行能源成本，无法提高新能源的利用率，不能满足风电场实际应用需求。为了解决上述问题，本文通过对大量优化调度策略的研究，结合 算法，进一步探讨并网型综合能源系统调度方法，对综合能源的利用具有一定促进作用。综合能源系统数学模型并网型综合能源系统利用新能源发电装置、储能装置及燃气热电联供机组等多个装置实现热、电、气等多种形式的能量转化。电负荷本文将综合能源系统中的电负荷根据其转移与中断情况划分为三种类型。基础的负荷是不可以转移并不可以中断的负荷，例如电灯用电；当负荷可以进行转移但不可以被中断时，此类电负荷可以用于洗衣机、空调等；当负荷既可以进行转移也可以被中断时，此类电负荷可以用于电电工技术电力自动化动车等。设有个用户使用可转移但不可中断负荷，电荷输出时长为，转移电荷的范围为，。因为此电负荷为不可中断负荷，所以转移电荷的范围可以是个时间段，以向量 ，来代表划分时段参数，并且向量数据的大小数值可以代表这个时间段中此类电负荷输送的用户数：，（），（），（），（），.（），（），（）（）式中，为向量 ，中的第个元素；为此类电负荷输送到的第个装置；为此类电负荷输送到的所有装置集合；为自然数集合；为第个装置的使用功率；本文所提调度方法中的分辨率是 ，为第个小时；，（）为时 间 点 的 装 置使 用 的 电 负 荷 参 数；，（）为时间点的全部进行转移不可被中断的电负荷。当电负荷既可以进行转移又可以被中断时，其建模思路与可以进行转移、不可被中断的电负荷相似。热网并网型的能源网络中的热能系统首先生成热能量，然后将此能量送入下一个管线修筑中，通过换热站传输能量至下二级管线修筑中，随后输送能量给热负荷，最后对热媒进行降温处理并通过水管网返回，从而形成闭合传输电路。一般情况下，热力系统中的二次管网比较小，所以在对热网进行建模时，可以将二次管网造成的能源损失忽略。所以本文可以只构建热力系统中的单一次管网数学模型，将发电锅炉的热电联产所在的位置视为热量节点，并把换热站所在位置看作负荷节点。水力支路与热力支路构成了热网模型支路，关于水力支路的特点，系统工作时会产生水汽蒸发、管网渗漏等损失问题，但因为其损失较少，所以建模时可以将这些损失忽略不计，那么水力特性的支路模型由平衡节点的流量与回路的压降组成：（）：（），（，）（，）（），（）（）式中，为热力系统全部支路的集合；，为水性支路中的管道 在时的流量参数；，为水性支路中的管道 在时的压降参数；为水性支路中的水泵在时的扬程参数；为水性支路中的管道 的阻力系数数据；为水性支路中的管道 的利用雷诺数获得的摩擦系数数据；为水性支路中的管道 的长度数据；为水性支路中水的密度；为水性支路中水的重力加速度；为水性支路中的管道 的直径数据；为热力系统全部回路的集合，根据热力系统拓扑结构，在相邻矩阵内生成的任意树利用回路矩阵获取此回路集合。关于热网内热力支路的特点，基于热力系统中管道的节点温度平衡函数与热能量损失函数，热力特性的支路模型由热量输送延时和温度损失组成：（）（，）（），：（）（，（），），（），（），），（）（）式中，为比热容数据；（），为热力支路中管道 在时的首端温度数据，并且此参数与节点处输出的参数值一致，所以也可以称为节点温度；，为节点处在时被加入的热功率；（），为热力支路中管道 在时的末端温度数据；为时间的外界环境温度数据；为热力支路中管道的热导率参数；为热量在热力支路中管道输送的延迟时间数据，并且此参数一般采用单位调度时间的整倍数；为热力支路中以管道的长度与横截面积确定的特征量数据。电网能量传播速度极快，而热网能量与之相比较为缓慢。电网能量传播的时间尺度接近光速，而热网内热媒的惯性较大，且流速较为缓慢，导致热网能量传播的时间尺度为小时级别。燃气热电联供机组热电联供系统中的核心气体燃料就是天然气，因为天然气具有环保、热量高、传输方便等特点，而基于天然气的热电联供系统搭建简单且技术精进、对可再生能源的利用率极高且成本相对较低，所以并网型综合能源系统在当今社会得到了迅速发展。发电动力装置与余热回收等装置构成了燃气热电联供机组，而燃气热电联供机组中最重要的装置就是发电动力装置，发电动力装置共有蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机、斯特林发动机与燃料电池个类型，各装置特点见表。表各发电动力装置特点装置类型蒸汽轮机燃气轮机内燃机斯特林发动机燃料电池启动时间 以上 以上 以上使用燃料气体燃料、燃油、煤气体燃料以及燃油气体燃料以及燃油气体燃料以及燃油各类气体燃料热回收形式热水、高低压蒸汽热水、高低压蒸汽热水、高低压蒸汽热水、低压蒸汽热水、高低压蒸汽发电效率 以上 以上 以上 以下 以上热点总效率 以内 以内 以内 以内 以内电力自动化电工技术 热电联供机组中的燃气轮机的原理是通过天然气燃烧生成的能量使机组发电，再通过余热锅炉将天然气燃烧过后剩下的热量收集到一起，继续为用户供热，此工作原理是为了完成能量的梯级利用。本文所提调度方法基于热电联供机组的现实运行情况，着重注意供电机组的功率数据与燃料损失数据，基于此建立热电联供机组的工作数学模型：，（），（）式中，为燃气热电联供机组输出的电功率数据；，为燃气热电联供机组输出的热功率数据；为燃气热电联供机组的发电效率数据；，为燃气热电联供机组在单位时间内燃烧的天然气的体积参数；为燃气热电联供机组输入的天然气的低热值参数，通常情况取 ；为燃气热电联供机组中的热电比参数，此参数是燃气热电联供机组功能的重要指标数据，在进行综合能源系统的调度工作时，要整体考虑范围内全部热电比的实际分散情况，并且挑选最适合的燃气热电联供机组实现调度需求。不同负载运行条件下的热电联供机组，其发电的效率大不相同，按照实际测量的发电效率数据，通过 进行拟合，可以获得燃气热电联供机组的负荷率和其发电效率间的关系：.（，）（，）（，）（）并网型综合能源系统调度模型求解算法粒子群算法就是一项利用群体作为基础的计算，以对动物群体捕食活动的研究来模拟单一的社会关系，并且在多维区域范围内建立粒子群体，而群中的每个单独粒子找出自己本身的最佳数据，并通过提高自己的前进方向和速率来达到最佳值。上文所提综合能源系统调度模型的求解算法主要是对基础粒子群计算进行优化，并由此得出随机权重粒群计算（），此计算把基本粒子群计算中的权重值设计为一种可以随意分配的随机参数，从而能够从某些方面减少权重的线性递减性质带来的缺陷。但是在此算法的进行前期，如果能够实现最优值，那么随机的权重应该会得到一个较小的权重参数，此参数会使基础粒子群算法的收敛速率变快；而如果没有实现最优值，那么权重的线性递减性质会使基础粒子群算法最后收敛速度达不到最佳值，但是权重数值的随意产生就会突破这种约束。利用 技术对并网型的综合能源系统调度模式进行了求解，所获取粒子的运动速率和位移计算公式为：，（），（），（），（）（），（），（），（），d（）式中，为惯性权重因子数据；与为学习因子参数；与为随机分布的随机数值，其范围为，；，为粒子群中第个粒子的最佳位置数据；，为整个群中的全部粒子的最佳位置数据。本文所提方法基于 进行系统调度的求解，可以更好地搜索到全局最优解，更快地收敛数据。算例分析 性能对比为了验证本文所提基于 算法的并网型综合能源系统调度方法的有效性，设计性能对比试验。选择某电力企业风力电厂作为研究对象，采集该企业蓄热电锅炉储能联合系统的运行数据作为试验数据。利用文献 提出的基于改进的小生境 （）算法的综合能源系统调度方法与本文提出的基于 算法的综合能源系统调度方法，分别对并网型综合能源系统调度模型同时求解，获取电储能机会成本和热储能惩罚成本，表现情况如图所示。图两种算法的调度性能对比由图可知，综合能源系统调度属于高维非线性问题，算法容易陷入局部最优，很难搜索到全局数据最优解，而本文所提的 算法，在获取最优解的质量与收敛速度方面均优于 算法，验证了本文所提方法的有效性。电功率调度结果本次仿真中储能电功率、电锅炉电功率以及电转气电功率的调度结果如图所示。图 电功率调度结果由图可知，：到第二天凌 晨：是 弃 风 时段，从：弃风时段开始，电储能设备开始工作，因为此时电储能设备的效率最高，并且其经济性最佳，所以电储能设备被优先调度，与此同时，电储能设备的功率没有达到最大 值，只通过电储能设备就可以消纳全部（下转第 页）电工技术电力自动化 （）（，）（，）（，）（）（）（）（）；上述文本中，表示遥控对象；表 示 全 自 动 加 触 发 式 逻 辑 段 开 始，段紧跟着的是遥控判断条件；是段结束。调试与应用使用工具将做好的五防文本下装入装置，在地刀接地的前提下，对隔离刀闸 进行遥控。遥控后发现，有五防遥控闭锁显示，由此便验证了五防文本的正确性。结语间隔层防误系统是变电站防误的重要组成部分。本文基于某 变电站建设工程，对间隔层防误进行了分析，设计了针对该变电站的测控五防文本，并应用于变电站工作中。通过现场试验和调试表明，本文所设计的间隔层测控五防文本能有效地进行变电站间隔层防误，对变电站的防误具有重要的作用。参考文献 梁健波变电站综合自动化五防系统功能应用武汉工业学院学报，（）：袁彬，张勇，肖启露关于水电站防误操作系统的思考与实践 水电与新能源，（）：刘易珠，廖丽萍 新一代智能变电站五防结构及其逻辑设计湖南电力，（）：，文博，陈宏，黎恒烜，等 基于智能变电站间隔层设备顺序控制功能实现电网与清洁能源，（）：，胡斌，郭亚飞，杨彬，等 智能变电站技术的现状与发展趋势研究 智慧电力，（）：樊陈，倪益民，窦仁晖，等智能变电站顺序控制功能模块化设计 电力系统自动化，（）：高正，田嘉，李晨曦基于优化组网的间隔层五防系统的通信网络研究智慧电力，（）：汤义勤，方家麟，沈君智能变电站一体化五防系统农村电气化，（）：（上接第 页）弃风；凌晨：时，弃风量变大，只通过电储能设备无法消纳全部弃风，那么此时就需要电锅炉开始工作，一边增加电负荷谷值，一边降低热电机组“以热定电”生成的电功率，并且提高风电消纳空间容量，这个期间电锅炉无需成为满风状态就可以完全消纳弃风；随着时间推移，弃风量的值逐渐升高，凌晨：时，电储能设备与电锅炉的电功率值均达到最大值，尽管如此，也不能完全消纳弃风，此时储热罐开始储热；凌晨：时，电锅炉、电储能设备和储热罐一起工作，但是还不能完全消纳弃风，这时电转气设备开始工作，将产生的天然气传