考虑动态时间间隔的综合能源系统双层优化调度

　　摘要：由于多种能源动态特性存在快慢差异，在含电气热冷多种能源的综合能源系统中，调度指令周期是影响调度性能的关键因素之一。针对能量特性差异，提出了一种考虑日内动态时间间隔的双层优化调度方法。首先，在日前尺度中，以系统运行总成本最小为目标，对电、冷、热、气能以相同的调度时间间隔进行优化调度。其次，针对冷热气能的慢动态特性和电能的快动态特性，在日内调度中，提出基于模型预测控制的快慢层动态滚动优化调度模型，快慢层采用不同的调度时间间隔长度，并在慢层建立指令周期时间间隔决策指标，实现对慢层指令周期时间的动态修正。算例分析表明，考虑日内动态时间间隔的双层优化调度模型能够充分挖掘能源网络特性差异，确定最优调度指令间隔，降低调整成本并提高系统运行性能，从而实现IES网络与多能设备的协调运行。

　　关键词：综合能源系统;多时间尺度;动态时间间隔;能量特性

　　引言

　　为实现“碳达峰、碳中和”目标，多能耦合、协同供应的综合能源系统(IntegratedEnergySystem，IES)成为缓解能源供需矛盾、促进低碳化的关键技术方向，是能源领域的重要发展趋势之一[1]。ES是由多种异质能源耦合而成的复杂网络，根据多种能源类型的互补特性以及能量梯级利用原则，对多能系统进行统一规划和协调优化运行[2,3]。IES包括电气冷热等多个子系统，供电子系统要求电能实时平衡，其调度时间间隔为秒级或分钟级，为快动态系统;而供热和供气子系统由于燃气管道的管存特性、热网和建筑群的热惯性，使得其调度时间间隔常为小时级，为慢动态系统。

　　IES中各设备的调度时间间隔因各自的运行特性差异及所起的作用不同而有所差异[4]，从而使得IES调度优化问题成为一个复杂的多时间尺度多能流的优化问题。解决IES运行优化调度问题，对于进一步提升能源系统整体能效和新能源利用率、服务双碳目标的实现具有非常重要的意义。多时间尺度双层优化模型主要针对日前和日内调度计划，目前常采用静态优化方法[5–7]和动态优化方法[8。其中模型预测控制(ModelPredictiveControl，MPC)引入了状态量反馈校正环节，通过闭环动态优化，能够修正预测误差等因素造成的优化调度偏差，逐渐被应用于IES日内优化调度中。

　　文献[8,9]采用基于MPC的微网多时间尺度协调调度方法，日内MPC以风电、光伏及用户冷热电需求的超短期滚动预测值为基准，每隔固定时间间隔启动一次;文献[10]结合多场景随机规划方法，更大限度地消除不确定性因素的影响;文献[11]计及天然气管网的慢动态特性，考虑暂态天然气系统变量时段耦合的特性，提出了基于MPC的多时间尺度优化调度策略;文献[12]日内每4h修正日前反弹负荷曲线，并每min实时细化日内反弹负荷曲线，反馈校正和滚动优化调整微源出力;文献[13]提出了基于分布式模型预测控制的综合能源系统多时间尺度优化调度方法，日前优化以1h为时间间隔确定出力计划，日内滚动优化以15min为间隔，实时调整以5min为间隔调整出力计划。

　　以上文献在上层日前调度均为小时级调度，在日内调度阶段通常先基于大时间尺度滚动优化日前调度计划，后基于分钟级的实时运行状态对系统的调度策略进行调整，但所有能源层均采用统一时间尺度，并未考虑各能源层的时滞特性影响。由于IES电、气、热各子系统动态时间尺度不同，若采取相同的调度指令间隔，快动态系统如电力系统能迅速达到稳定状态，而慢动态系统如冷、热、气系统仍然处于动态过程[14,15]。

　　当系统中耦合的快模态与慢模态同时进行调度时，若调度间隔时长较小，可以准确的捕捉到电等快动态系统的动态过程，然而，对于热气等慢动态系统来说，极大的增加了系统冗余调度，浪费资源;而调度间隔时长较大时，虽然减少了冗余调度，但是会难以捕捉到快动态系统准确的动态过程性;调度时间间隔的选择是影响调度策略优劣的重要因素。因此，充分考虑IES中慢变系统和快变系统能量差异特性和各设备的控制特性差异，计及系统实时和预测运行状态影响，建立计及动态时间间隔的日内双层调度模型，动态修正各子系统中设备的调度指令周期，对于优化IES调度策略具有非常重要的意义。

　　本文提出IES动态时间间隔决策指标，并基于此建立了考虑动态时间间隔的双层MPC滚动优化调度模型。在日前调度中，以系统运行总成本最小为目标确定调度计划;在日内调度中，建立了考虑了电气冷热能量特性差异的双层滚动优化模型，提出了计及实时状态及MPC调度策略的动态时间间隔决策模型，上层慢动态层根据系统运行状态动态修正调度时间间隔，进一步减小上层调整成本，下层快动态层基于MPC方法采用固定时间间隔修正调度指令。最后，通过算例分析了动态时间间隔指标确定方法，验证了本文所提方法的有效性。

　　1含电热冷气的IES系统模型

　　EH包含能源转换装置、燃气轮机和储能设备，能够实现多种形式能源之间的转化、存储、传输等。能量产生装置包括风机、光伏和微型燃气轮机(Microgasurbine，MT);能量转换装置包括电转气(owertoas)、余热锅炉(Wasteeatoiler，WHB、电制冷机lectricChilleronditioning，EC、吸收式制冷机(Absorptionefrigerator，AR、电锅炉(lectricoiler，EB);储能设备包括ESPS、冰蓄冷、储热罐和储气罐;负荷包括电负荷、热负荷、冷负荷和气负荷。

　　能源集线器是一种描述多能源系统中能源、负荷、网络之间交换、耦合关系的输入输出端口模型，涉及电、热、气、冷等多种能源的相互转化、分配和储存，具有很强的灵活性。分别为能量枢纽的输出与输入;为耦合矩阵。EH内部的能量转换设备作为能源转换器，通过其内部的电、气、热多种能流互补共济，可以满足多种负荷的用能需求。典型的能量转换设备包括EB、EC和热电联产(ombinedHeatandPower，CHP)机组等。

　　2考虑动态时间间隔的IES调度策略

　　2.1IES经济调度模型包括日前优化与日内校正个阶段。日前尺度以24小时为调度周期，针对开环调度在抗干扰能力和鲁棒性上的不足，在日内调度引入MPC方法。MPC方法于滚动时域的思想，结合系统当前运行状态与将来的预测状态，获得优化控制序列，并将控制序列的第一项用于系统的实际控制。然后，重复执行上述控制过程。MPC核心特征是通过在线求解一个约束优化问题，做出系统下一时刻的控制决策，并使得预测时域内的某一性能指标达到最小[18]。根据异质能源时间尺度快慢特性，提出将日内调度分为快速控制子层和慢速控制子层的双层滚动优化模型，并在慢速控制子层引入动态时间间隔。

　　(1)慢速控制子层上层：用于优化慢动态特性的冷热气系统。基于MPC滚动优化方法及动态时间间隔计算方法，获得预测域和控制域内系统调度计划，根据优化结果执行控制域的调度计划，并将其下发至快速控制层，等待其调度结束指令;预测域和控制域滚动优化至下一个时间间隔，重复上述过程; (2)快速控制子层下层：等待慢速控制子层控制域调度计划指令，并根据其确定本层快动态电系统的优化调度策略。快控制子层调度时间窗口较短，经多个时间窗动态滚动优化后，当下层调度时间窗口与上层时间窗口结束时间重叠后，则停止滚动优化，并向上层发送调度结束指令，进入慢速控制层的下一个时间窗重复调度和执行。

　　2.2动态时间间隔的日内双层调度

　　2.2.1慢速层(上层)调度模型冷热气系统具有慢响应特性，通常天然气只需依靠日前调度决策、热(冷)依靠日前调度决策和日内滚动调度即可满足运行需求，频繁控制并不会提高其运行效率和经济性，反而会增大其调度成本;但考虑到IE中随机性和不确定因素的影响，在日内调度时又需要根据实际运行状态对日前调度策略进行修正。由于冷热气系统实时运行状态和预测状态之间的偏差通常较小，日内调度慢动态层应根据调整调度成本与调度偏差之间的相关性，动态决策其是否需要执行调度指令，即依据MPC实时结果判定动态调度时间间隔，以有效减少冗余调度，节省调度成本。

　　2.3动态时间间隔

　　现有基于MPC的调度时间间隔往往固定，而实际系统调度时，当参考轨迹与实际预测轨迹相差不大时或对全局运行的调度结果影响较小时，无需下发调度指令，只有当预测轨迹与参考轨迹存在较大偏差时才下发调度指令，以减小冗余调节，在PC方法中考虑对调度性能的影响，采用动态调度时间间隔，将可以更好的提升调度性能。本文基于传统PC的调度方法，在指令下发前首先计算动态间隔时间决策指标，判断预测轨迹与参考轨迹偏差，以确定调度指令。

　　3算例分析

　　1)2:00到06:00电价和天然气价格虽然都处于低谷时段，但使用电比天然气经济性更优。系统向大电网购电满足电负荷需求、电能通过EB转化为热能，通过P2G转化为气能，通过转化为冷能，BESPS在电价低谷时段进行充电。由EB、CHP机组和蓄热槽放热承担热负荷需求，气负荷主要由购气和P2G设备运行来满足需求，同时储气罐储气;

　　2 )当电价处于高峰段时，购电量减少，BESPS放电满足电负荷的缺额，EB、P2G减少出力，如时段16:00到21:00，P2G不出力，气负荷由气网购气满足，10:00—15:00，EB不出力，热负荷主要由CHP机组和储热罐放热满足;3)在天然气价格和电价均处于高峰时期时，如时段9:00—11:00时，购电购气量均减少，热负荷主要由气能转化满足，同时蓄能装置均放能;4)当电价处于平时段时，电制冷机依然承担主要冷负荷，天然气承担主要负荷;5)当天然气价格处于高峰时期，CHP出力较高电价低气价时段出力有所减小。

　　3.1动态时间间隔决策指标的选取

　　动态时间间隔决策指标阈值的选取对调度结果具有较大的影响。选取本算例IES系统的日前运行数据，日内运行数据设定为组数据，从数据至数据，预测偏差逐步增大。可见，条曲线变化趋势基本相同，随着从逐步增大的过程中性能成本逐渐减小，在到0.09附近时达到最小值后，性能成本又逐渐增大;这是因为随着增大，慢动态系统调整时间增大，减小了调整成本，而随着的进一步增大，使得系统轨迹偏差大大增加，使得性能成本开始逐步增大。而条轨迹变化趋势基本相同，则证明当日前运行方式确定时，日内的动态时间间隔的最优阈值在某一固定值附近波动，故在实际运行过程中，可以根据该系统的日前调度计划，参照历史统计数据确定日内动态时间间隔阈值。

　　3.2不同模型下日内调度结果对比

　　为验证本文所提考虑动态时间尺度的调度策略的有效性，分别对比以下三种策略下调度次数和调度成本。策略1：本文所提考虑动态时间间隔的快慢层调度模型;策略2：不考虑动态时间间隔的快慢层调度模型;策略3：考虑动态时间间隔的所有能源层统一调度模型.

　　对比两种策略出力结果可见：①由于电能变化对实时平衡要求高，策略会提高调整次数占比，降低电能运行平衡度。②策略调整次数与调整占比整体高于策略，主要是因为前者统一优化，电气热冷四个子层耦合，在优化周期内参与的变量多，调整量将根据调整成本系数差别平摊到各个变量，导致各设备均或多或少参与到了调整计划中。

　　③策略先进行慢动态层优化，在保证机组出力平衡的约束下，尽量减少慢速层机组的调整，将负荷差额由快动态层调整平衡，极大减少了冷热相关设备的调整次数。尽管快动态层的电力设备调整占比普遍高于慢动态层，但由于其具有快速响应特性，并不会降低系统的运行性能，相对于策略，策略设备的调整占比总体减小.9，同时，考虑到气网交互、与外电网交互频率的总调整占比也减小了5.3，由电网购售电和电池充放电满足负荷差额。

　　综上所述，本文所提日内计及动态时间间隔的快慢双层调度模型可以根据能量的快慢特性设定不同调度时间间隔，同时针对慢动态系统根据动态时间间隔决策指标动态调整调度周期，充分挖掘和利用能量差异特性，提升系统运行性能。

　　4结论

　　针对综合能源系统能量耦合复杂的特点，建立一种基于MPC动态时间间隔的双层快慢动态时间尺度经济调度模型。在日前尺度中，对电、冷、热、气能以相同的调度时间间隔进行协调优化。在日内调度时采用能量分层优化的调度策略，在慢动态层加入动态时间间隔，充分挖掘能量特性差异，实现可靠、灵活、高效的调度。本文主要结论如下：

　　1)动态时间间隔的决策指标可以根据系统状态判断系统是否需要下发调整指令，当系统偏差较大时，可以帮助实时调度，当系统偏差较小时，可以减少不必要的调度，减少调整成本。2)采取上层尺度优化冷热气能、下层尺度优化电能的顺序，实现能量的分层管理，解决了多模态异质系统时间尺度选择的难题。3)最大化利用能量差异特性，上层以小时为调度时间基准并加入动态时间间隔，下层以15min为调度时间间隔以满足电气对能量实时平衡的高要求，可以同时兼顾供需平衡和设备调整次数的优化，使得调整次数减少50%。

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　　作者：马紫嫣，贾燕冰，韩肖清，康丽虹，任海泉

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