鄂志君，張長志，楊幫宇，趙 毅，劉 偉

（1.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384）

隨著綜合能源技術(shù)的發(fā)展，城市電網(wǎng)由單純供電逐步轉(zhuǎn)向以電為主，同時包含水、熱、氣等的多能源供應(yīng)形態(tài)，不同能源在生產(chǎn)和消費(fèi)之間具有耦合關(guān)系[1]。如何對這些能量耦合元件進(jìn)行調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益、最大環(huán)境效益、最大新能源消納等目標(biāo)，成為大家廣泛關(guān)注的問題。

在考慮能源互聯(lián)的綜合能源調(diào)度方面，已有相關(guān)研究成果。如文獻(xiàn)[2]在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中考慮電熱氣冷子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行多場景優(yōu)化，建立多時段、多場景運(yùn)行模式的優(yōu)化分析模型和求解方法。文獻(xiàn)[3]建立了基于IBM模型的綜合能源系統(tǒng)仿真方法，并對綜合能源系統(tǒng)中的各種故障進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)[4]基于對熱、電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組CHP（combined heat and power）的建模，以在電力市場管制放松的情況下，將供熱和電力凈收購的總成本降至最低為優(yōu)化目標(biāo)，建立了由能量平衡和約束組成的系統(tǒng)控制與運(yùn)行規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[5]基于“電網(wǎng)公司-售電公司-用戶”的三層市場結(jié)構(gòu)，考慮多類型能源供應(yīng)形勢，提出基于多代理服務(wù)的售電公司日前小時電價風(fēng)險決策方法。文獻(xiàn)[6]則以風(fēng)電最大消納為目標(biāo)函數(shù)，分析了傳統(tǒng)“以熱定電”和熱、電綜合調(diào)度兩種模式下綜合能源系統(tǒng)對風(fēng)電的消納能力，并對我國北方如何減少棄風(fēng)量提出建議。

目前，學(xué)者主要研究的綜合能源系統(tǒng)為范圍相對較小的區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)，對于更大范圍的城市級綜合能源系統(tǒng)管理策略則缺少針對性的研究。本文從能源互聯(lián)網(wǎng)角度出發(fā)，針對可再生能源滲透率較高的城市電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度問題開展研究，提出一種城市電網(wǎng)多能協(xié)調(diào)智的能管理方法。該方法考慮系統(tǒng)中各類設(shè)備的運(yùn)行約束和供能網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行約束，以對綜合能源系統(tǒng)中的負(fù)荷和可再生能源等不確定性元件的出力預(yù)測為基礎(chǔ)，建立了城市級綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，并利用基于交替方向乘子算法進(jìn)行模型求解。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)下城市電網(wǎng)的綜合管理結(jié)構(gòu)

城市能源互聯(lián)網(wǎng)是以高級量測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及新型管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，多種能源通過各種耦合元件進(jìn)行縱向和橫向交互，各類設(shè)備之間的信息交互頻繁進(jìn)行的區(qū)域性的能源管理平臺[7]。在城市能源互聯(lián)網(wǎng)將各類能源通過功能系統(tǒng)，即供冷網(wǎng)絡(luò)、供熱網(wǎng)絡(luò)、供電網(wǎng)絡(luò)、燃料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)以及交通系統(tǒng)匯集在一起，構(gòu)成了城市能源的基本架構(gòu)。本文主要以供熱和供電系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

在含有大量間歇性可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)中，如繼續(xù)采用傳統(tǒng)的僅依靠發(fā)電側(cè)的自上而下的電網(wǎng)調(diào)度方式，難以實(shí)現(xiàn)新能源的充分合理消納，也會降低發(fā)電設(shè)備運(yùn)行效率。因此，本文提出了多種能源在輸配電網(wǎng)間的縱向互動調(diào)度模式，基于智能電網(wǎng)高級量測與控制體系，在電網(wǎng)各層調(diào)度機(jī)構(gòu)間協(xié)調(diào)分布式電源和集中式電源的可調(diào)度資源，實(shí)現(xiàn)分布廣域的輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間的縱向互動，以取得安全、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的最優(yōu)。這種輸配電網(wǎng)間的縱向互動調(diào)度模式如圖1所示。

圖1 輸配電網(wǎng)間的縱向互動調(diào)度模式Fig.1 Vertical interactive dispatching mode between transmission and distribution networks

城市電網(wǎng)分層交互是通過負(fù)荷曲線的上報(bào)和下達(dá)來實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)自身的負(fù)荷和分布式電源發(fā)電情況內(nèi)部進(jìn)行平衡，以達(dá)到平滑負(fù)荷曲線的目的。根據(jù)平滑結(jié)果將負(fù)荷曲線上報(bào)給電網(wǎng)調(diào)度中心，電網(wǎng)調(diào)度中心在輸電網(wǎng)層面上，依據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)決定是否采納各區(qū)域電網(wǎng)申報(bào)的負(fù)荷曲線。如果不采納，則需對負(fù)荷曲線進(jìn)行修正并重新傳輸?shù)秸{(diào)度中心進(jìn)行復(fù)核；直至調(diào)度中心采納，負(fù)荷曲線才可以發(fā)布。

2 城市電網(wǎng)多能源協(xié)調(diào)調(diào)度策略

2.1 含間歇性能源的熱、電日前協(xié)調(diào)調(diào)度模型

在含高比例可再生能源發(fā)電機(jī)組的電力系統(tǒng)中，由于可再生能源固有的不確定性，需要其他能源來彌補(bǔ)[8]。電力系統(tǒng)中的儲能裝置、熱泵、蓄熱鍋爐等設(shè)備可以通過蓄能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)[9]。不同于傳統(tǒng)增加旋轉(zhuǎn)備用容量來消納新能源的方法，本文充分利用可調(diào)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力和儲能設(shè)備減小可再生能源波動對于電網(wǎng)的沖擊，通過合理的資源配置滿足魯棒性和各種極端場景的要求。

1）目標(biāo)函數(shù)

本文構(gòu)建的考慮多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型以預(yù)測場景下系統(tǒng)滿足熱、電供應(yīng)的成本最小作為目標(biāo)函數(shù)為

（1）系統(tǒng)購電和購熱成本為

（2）系統(tǒng)發(fā)電和發(fā)熱成本為

式中：m為發(fā)電設(shè)備的編號，包括火電及可再生能源發(fā)電等類型的設(shè)備；為發(fā)電設(shè)備i的發(fā)電成本，ai、bi和ci分別為該機(jī)組的發(fā)電成本系數(shù)，本模型用二次函數(shù)表示，為第i個發(fā)電設(shè)備在第t時段的發(fā)電量；CPss,i為第i個發(fā)電設(shè)備啟停成本，對于可再生能源等發(fā)電設(shè)備，其值為0；為發(fā)電設(shè)備i在時段t的啟停狀態(tài)，0表示設(shè)備停機(jī)，1表示設(shè)備正在運(yùn)行。

式中：n為發(fā)熱設(shè)備的編號，包括微燃?xì)廨啓C(jī)、熱泵、蓄熱鍋爐、燃?xì)忮仩t等類型的設(shè)備；CHss,i為第i個發(fā)熱設(shè)備的開停機(jī)成本；為第i個發(fā)熱設(shè)備在時段t的啟停狀態(tài)，為布爾型數(shù)據(jù)，0表示停機(jī)，1表示運(yùn)行；為第i個發(fā)熱設(shè)備的發(fā)熱成本，di，ei和fi分別為該機(jī)組的成本系數(shù)，為第i個發(fā)熱設(shè)備在第t時段的發(fā)熱量。

2）模型約束條件

在模型中僅考慮熱網(wǎng)與電網(wǎng)之間的耦合互補(bǔ)。因此對設(shè)備的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型及電和熱能量平衡做如下修正。

（1）系統(tǒng)任意時段的電和熱平衡約束為

（2）由于考慮可再生能源的充分利用，需要一定的旋轉(zhuǎn)備約束，其表達(dá)式為

式中：Gcon為除了可再生能源機(jī)組之外的所有機(jī)組；Gren為可再生能源機(jī)組，如風(fēng)機(jī)等；Rt為系統(tǒng)時段t的旋轉(zhuǎn)備用需求。

（3）輸電線路容量約束為

式中：Gall為系統(tǒng)內(nèi)所有機(jī)組的集合；為機(jī)組g的發(fā)電功率；γgj為機(jī)組g在線路j上的功率分布因子；Lj為線路輸電流量限制。

（4）機(jī)組出力和爬坡約束為

式中：Qgmin和Qgmax分別為系統(tǒng)中機(jī)組g的最小、最大發(fā)電功率；rg,up和rg,down分別為機(jī)組g的向上和向下爬坡率。

（5）蓄熱鍋爐儲熱量約束為

（6）電鍋爐功率約束為

（7）儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)也應(yīng)在合適的范圍之內(nèi)，即：

式中：SOC為儲能裝置荷電狀態(tài)；SOCmax和SOCmin分別為儲能裝置荷電狀態(tài)的上、下限。

2.2 基于交替方向乘子算法的模型求解

由于綜合能源調(diào)度模型約束較多，在用二次懲罰來近似約束時在最優(yōu)點(diǎn)附近需要懲罰項(xiàng)的系數(shù)趨近于無窮，會使得海森矩陣很大，目標(biāo)函數(shù)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。為了解決上述問題，本文引入交替方向乘子ADMM（alternating direction method of multipliers）算法[10]，將城市多能源協(xié)調(diào)調(diào)度問題分解為電力系統(tǒng)優(yōu)化和供熱系統(tǒng)優(yōu)化兩個子問題，通過兩個子問題之間的信息交換，最終實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)和熱力網(wǎng)絡(luò)的整體協(xié)調(diào)優(yōu)化。其中兩個子問題的目標(biāo)函數(shù)仍為總運(yùn)行成本最低，不進(jìn)行信息交換的時段電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)分開調(diào)度，分開調(diào)度與信息交換不斷迭代，最終實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化。

在電力系統(tǒng)優(yōu)化子問題中，還應(yīng)考慮燃?xì)廨啓C(jī)等電熱耦合元件的約束。電網(wǎng)優(yōu)化子問題的目標(biāo)函數(shù)可以表示為

在熱力系統(tǒng)優(yōu)化子問題中，同樣也應(yīng)考慮各類電熱耦合元件的約束。則熱力系統(tǒng)優(yōu)化子問題的目標(biāo)函數(shù)可以為

以式（15）和式（16）組成子問題的多目標(biāo)函數(shù)，將式（6）～（14）作為約束條件，可將多能源調(diào)度問題轉(zhuǎn)換為典型的ADMM優(yōu)化問題，表現(xiàn)形式如下：

采用ADMM算法求解過程中，兩個子問題的求解是分開求解的，子問題之間的信息交互則發(fā)生在某一個子問題求解結(jié)束之后。子問題之間交換的信息為兩個子問題耦合的部分，對于城市綜合能源系統(tǒng)一般則是熱、電耦合元件的運(yùn)行狀態(tài)，一個子問題求解結(jié)束后將得到的電熱耦合元件的運(yùn)行狀態(tài)信息傳遞到另一個子問題中作為已知量，如此不斷循環(huán)迭代直至收斂。具體求解方法詳見文獻(xiàn)[10-11]，本文所述模型的求解流程如圖2所示。

圖2 基于交替方向乘子算法求解多能源協(xié)調(diào)問題流程Fig.2 Flow chart of solving the multi-energy coordinated dispatching problem based on ADMM algorithm

3 算例分析

以某城市2019年電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)如表1所示，具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見文獻(xiàn)[12]，通過上文所述熱、電日前綜合調(diào)度模型，并應(yīng)用交替方向乘子算法進(jìn)行求解。

表1 電網(wǎng)各類電源容量占比Tab.1 Power supply capacity ratios of power grid

首先基于文獻(xiàn)[13]所給方法進(jìn)行日前負(fù)荷預(yù)測，并基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析新能源出力變化及各時段新能源出力占比，得到各個時段各類能源機(jī)組出力情況?？紤]各類電源的發(fā)電成本，風(fēng)電和光伏將實(shí)行最大發(fā)電，負(fù)荷的規(guī)律性變化主要由火電機(jī)組和水電承擔(dān)，其中火電機(jī)組中燃?xì)庥捎诎l(fā)電成本較高，作為主要調(diào)峰機(jī)組。

隨著可再生能源裝機(jī)的增加，以及購電價格的市場機(jī)制變化，系統(tǒng)源網(wǎng)荷多方面的不確定性均將對運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生影響。當(dāng)可再生能源增加50%，系統(tǒng)負(fù)荷波動增加30%但所有供熱均可由熱電設(shè)備供應(yīng)時，城市電網(wǎng)可再生能源發(fā)電預(yù)測及負(fù)荷需求曲線如圖3所示。其中由于可再生能源的增加，導(dǎo)致火電和水電均參與電源波動的調(diào)節(jié)，同時通過蓄電和蓄熱等減緩負(fù)荷的波動。充分考慮能源互聯(lián)情況下電源的合理匹配及不同類型能源之間的轉(zhuǎn)換，可最大化的減少調(diào)度成本。

圖3 不同類型綜合能源設(shè)備的出力情況Fig.3 Output from different kinds of integrated energy equipment

表2為不同滲透率下基于交替方向乘子算法的風(fēng)險備用率及各種運(yùn)行成本分析。由表可知，隨著可再生能源的增加，新能源波動更強(qiáng)烈，所需系統(tǒng)預(yù)留備用率更高，風(fēng)險成本效益隨滲透率增加而顯著增加。在調(diào)度過程中若不充分考慮新能源波動的影響，將導(dǎo)致棄風(fēng)∕光量和切負(fù)荷量發(fā)生幾率增加，風(fēng)險成本劇增。由于可再生能源的發(fā)電成本遠(yuǎn)小于火電及燃?xì)鈾C(jī)組，新能源出力上升，在負(fù)荷保持恒定時代替部分常規(guī)機(jī)組出力，導(dǎo)致煤耗、氣耗量同步下降，綜合效益隨滲透率上升而明顯上升。

表2 不同滲透率情況下的電網(wǎng)調(diào)度效果對比Tab.2 Comparison of power grid dispatching effects under different permeabilities

圖4 不同可再生能源供電比例的社會購能成本Fig.4 Cost of power and heat purchased by the society at different renewable energy supply ratios

4 結(jié)語

本文從能源互聯(lián)網(wǎng)的角度出發(fā)，建立了含大規(guī)模間歇性能源的熱、電日前協(xié)調(diào)調(diào)度模型。該方法以多種能源在輸配電網(wǎng)間的縱向互動調(diào)度模式，充分利用了電網(wǎng)中可調(diào)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力和儲能設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并通過交替方向乘子算法對模型進(jìn)行求解；為綜合能源調(diào)度問題提供了一種新的思路。不同的電源類型結(jié)構(gòu)，將會對調(diào)度及風(fēng)險成本產(chǎn)生較大影響，多能源協(xié)調(diào)調(diào)度，可以減少城市電網(wǎng)的運(yùn)行成本。