电-气综合能源系统的随机优化和分布式调度研究

电-气综合能源系统(Integrated Electricity-Gas System,IEGS)是现代智能电网的表现形式和发展方向,亦是支撑能源互联网的核心技术。电力与天然气系统的能量交互和多能互补在提高系统运行安全水平的同时,也对复杂系统的分析和调度提出挑战。综合能源系统主流采用确定性和集中式的调度方式。确定性方法由于未考虑实际运行中存在的多重随机因素,在态势感知和风险控制方面存在不足。集中式方法受统一调控模式影响,不可避免地存在信息保护和自治决策能力较弱的问题。在此背景下,本文从传统电力系统的分散协调风险调度方法出发,进而对输配一体化综合能源系统多指标评估、含储能设备的电-气互联系统鲁棒优化以及多区互联电-气系统分布式调度等方面展开理论研究,主要总结如下:(1)面向电力市场改革背景,提出了一种计及经济性、安全性和风险性的互联电力系统分散协调调度方法。在传统节点电价中引入风险价格以反映电力系统的运行风险水平,提出了一种改进风险节点电价模型(Risk-based Locational Marginal Price,RLMP)。基于区域系统的产消属性,设计了无需上级调度中心参与的互联电力系统分布式风险调度框架,并提出了相应的分散协调调度方法。各区域调度中心通过“自治决策-协调优化”机制调整联络线传输功率,以实现风险约束下整个互联电力系统经济效益的最大化。(2)以能源枢纽为纽带,建立了计及输网级能源系统和配网级终端单元的输配一体化综合能源系统模型,提出了相应的可靠性评估方法,并设计了含运行经济性、系统可靠性、环境友好性、新能源消纳在内的多维度指标体系。在评估过程中,考虑了输网层设备故障和新能源波动等随机场景,并采用混合等分散蒙特卡洛(Mix Scattered Monte-Carlo,MS-MC)方法提升抽样效率。采用增量线性化方法对复杂天然气潮流进行处理,有效提升了评估速度。(3)为应对多重随机故障对电-气综合能源系统的影响,提出了一种考虑最恶劣故障场景的日前鲁棒调度方法,以提高风险防御的深度和广度。在模型上,建立了三层两阶段的min-max-min数学优化框架,第一阶段制定日前正常态调度计划,第二阶段根据实际故障场景对日前计划进行调整;在算法上,采用约束列生成技术(Column and Constraint Generation,C&CG)筛选天然气系统调整量最大的故障场景,并通过Big-M法求解下层双线性对偶问题;在调控手段上,引入了分布式储气设备提升调控的灵活性,辅助系统削峰填谷。(4)面向具有多个平级主体的多区互联电-气综合能源系统环境,提出了一种多能流分布式优化模型和算法,并给出了相应的调度框架和区域解耦方法。在系统建模上,提出基于连续锥优化方法(Sequential Cone Programming,SCP)的天然气稳态潮流二阶锥模型,并保证了潮流凸松弛为紧;在算法上,提出嵌套式交替方向乘子算法(Nested Alternating Direction Method of Multipliers,N-ADMM)实现了含整数非凸问题分布式优化的严格收敛。最后通过测试系统仿真,验证了多区互联系统分布式多能流优化的可行性和有效性。