1.本发明属于综合能源系统规划技术领域，具体涉及一种计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法及系统。
背景技术：2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在资源和环境日趋严峻的形式下，发展高效清洁的能源系统成为各国能源政策的核心。随着电转气技术的逐渐成熟和商业化应用，以燃气机组和电转气机组构成的电-气综合能源系统使能量的双向流动成为可能，进一步加强了电力系统和天然气系统之间的联系。对电-气综合能源系统进行合理建模是电-气综合能源系统优化规划的基础，由于电力系统运行与天然气系统运行属于两个不同的时间尺度，因此电-气综合能源系统建模必须考虑这一因素的影响。
4.在中长期规划中，电-气综合能源系统的负荷并不是一成不变的，因此在规划周期初一次性配置设备的单阶段规划容易造成系统运营初期超前建设、设备闲置，运营后期设备老化、容量短缺等问题，影响规划的经济效益。而多阶段规划将规划周期分成多个阶段，随着系统负荷水平的不断提升，在每个规划阶段期初新增设备投入，有利于提高规划的经济性。
5.近年来我国提出的“双碳”战略目标加快降低碳排放步伐，推进能源结构调整，大力发展可再生能源，努力兼顾经济发展和绿色转型同步进行。因此在电-气综合能源系统规划中不仅要追求经济成本最低，也应重视规划的环保性。
6.据发明人了解，目前，电-气综合能源系统规划方法存在以下问题：
7.(1)在现有的电-气综合能源系统优化规划研究中，天然气网络模型往往采用稳态潮流模型，忽略了天然气系统中的管存，理论上在规划中充分考虑天然气系统的管存能够实现更好的经济性。
8.(2)目前电-气综合能源系统规划以单阶段规划为主，较少考虑规划周期内的负荷增长，对电-气综合能源系统多阶段规划方法研究不足。
9.(3)目前电-气综合能源系统优化规划虽然考虑电转气机组配置对系统过剩风电的消纳作用，但对规划的环保性目标考虑不足。
技术实现要素：10.为了解决上述问题，本发明提出了一种计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法及系统，本发明通过多阶段燃气轮机和电转气机组协同优化配置，消纳系统过剩风电，提高规划的经济性，兼顾规划的环保性。
11.根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，采用如下技术方案：
12.计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，包括：
13.根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并采用wendroff差分化方法进行离散化处理；
14.根据规划周期内负荷的增长情况，将整个规划周期划分为n个规划阶段，在每个规划阶段期初新增燃气轮机和电转气机组配置；
15.以电-气综合能源系统规划的全寿命周期成本最小为第一优化目标，以规划周期内二氧化碳排放总量最小为第二优化目标；
16.以基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流方程、差分化后的天然气系统动态潮流方程、天然气系统节点气流量平衡方程、气压连续性方程、燃气轮机和电转气机组能量转换方程及出力限制、风电出力限制为约束条件构建规划模型；
17.基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，然后进行求解。
18.进一步地，所述根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并采用wendroff差分化方法对偏微分方程进行离散化处理，包括：
19.根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程；
20.对天然气系统动态潮流方法进行简化得到描述气网动态特性的偏微分方程；
21.采用wendroff差分化方法对偏微分方程进行离散化处理，得到差分化后的天然气系统动态潮流方程。
22.进一步地，所述燃气轮机和电转气机组配置是将电-气综合能源系统的耦合节点作为燃气轮机和电转气机组的待选规划位置。
23.进一步地，所述全寿命周期成本包括规划周期发生的所有投资费用、运行费用和维护费用，并且要减去规划周期末的设备残值；其中，所有的费用都要折算成规划周期期初的现值。
24.进一步地，所述基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，包括：
25.基于第一优化目标和第二优化目标确定对应的隶属度函数；
26.根据模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，将第一优化目标和第二优化目标的满意度加权求和，构造整体满意度目标函数，得到多目标加权模糊规划模型；
27.实现将多目标规划到单目标规划问题的转化。
28.进一步地，所述第一优化目标和第二优化目标的隶属度越大，则满意度越高。
29.进一步地，所述天然气系统动态潮流方程由动量方程、物质平衡方程和状态方程构成。
30.根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划系统，采用如下技术方案：
31.计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划系统，包括：
32.气网动态潮流方程构建模块，被配置为根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并采用wendroff差分化方法进行离散化处理；
33.规划周期划分模块，被配置为根据规划周期内负荷的增长情况，将整个规划周期划分为n个规划阶段，在每个规划阶段期初新增燃气轮机和电转气机组配置；
34.多优化目标构建模块，被配置为以电-气综合能源系统规划的全寿命周期成本最小为第一优化目标，以规划周期内二氧化碳排放总量最小为第二优化目标；
35.多目标规划模型构建模块，被配置为以基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流方程、差分化后的天然气系统动态潮流方程、天然气系统节点气流量平衡方程、气压连续性方程、燃气轮机和电转气机组能量转换方程及出力限制、风电出力限制为约束条件构建规划模型；
36.多目标转化求解模块，被配置为基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，然后进行求解。
37.根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种计算机可读存储介质。
38.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法中的步骤。
39.根据一些实施例，本发明的第四方案提供了一种计算机设备。
40.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法中的步骤。
41.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
42.1、本发明为计及气网动态特性的电-气综合能源系统规划，对天然气系统进行精细化建模，能够利用天然气动态过程中的管存，从而能够缓冲天然气负荷的波动、有效减小购气成本、提高规划的经济性；综合考虑规划的经济性和环保性目标，通过多阶段燃气轮机和电转气机组协同优化配置，消纳系统过剩风电，提高能源利用效率，减少二氧化碳排放量，得到兼顾经济性与环保性的规划结果。
43.2、本发明为电-气综合能源系统多阶段规划，与单阶段规划相比，该规划方法避免了在规划周期初一次性投入设备，从而有效避免了规划前期超前投资、设备闲置，规划后期设备容量不足、供能质量下降等问题，提高规划的经济性。
44.3、本发明综合考虑规划的经济性与环保性目标，进行电-气综合能源系统多目标优化规划，在保证规划经济性的前提下能够最大限度地减少系统二氧化碳排放量，提高规划的环保性。
附图说明
45.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
46.图1是本发明实施例所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法流程图；
47.图2是本发明实施例所述的电-气综合能源系统结构图；
48.图3是本发明实施例所述的多阶段规划示意图；
49.图4(a)是本发明实施例所述的规划目标1对应的隶属度函数；
50.图4(b)是本发明实施例所述的规划目标2对应的隶属度函数。
具体实施方式
51.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
52.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
53.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
54.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
55.实施例一
56.如图1所示，本实施例提供了一种计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务cdn、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本技术在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：
57.根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并采用wendroff差分化方法进行离散化处理；
58.根据规划周期内负荷的增长情况，将整个规划周期划分为n个规划阶段，在每个规划阶段期初新增燃气轮机和电转气机组配置；
59.以电-气综合能源系统规划的全寿命周期成本最小为第一优化目标，以规划周期内二氧化碳排放总量最小为第二优化目标；
60.以基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流方程、天然气系统节点气流量平衡方程、差分化后的天然气系统动态潮流方程、气压连续性方程、燃气轮机和电转气机组能量转换方程及出力限制、风电出力限制为约束条件构建规划模型；
61.基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，然后进行求解。
62.如图1所示，本实施例提供的计及气网动态特性的电-气综合能源系统多阶段规划与求解方法包括以下步骤：
63.(1)将天然气的流速、压力和密度作为状态变量，根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并进一步采用wendroff差分化方法对偏微分方程进行离散化处理。
64.(2)根据规划周期内负荷的增长情况，将整个规划周期划分为n个规划阶段，在每个规划阶段期初为燃气轮机和电转气机组选址定容。
65.(3)以电-气综合能源系统规划的全寿命周期成本最小为优化目标1，以规划周期
内二氧化碳排放总量最小为优化目标2。
66.(4)以基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流模型、天然气系统节点气流量平衡方程、气压连续性方程、燃气轮机和电转气机组能量转换方程及出力限制、风电出力限制等为约束条件构建规划模型。
67.(5)基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，然后利用加权满意度指标法实现多目标到单目标的转化。通过matlab调用cplex求解器对转化后的单目标规划模型进行求解。
68.前述步骤(1)中天然气系统动态潮流方程包括动量方程、物质平衡方程和状态方程。
69.1)描述天然气动量传输的动量方程：
[0070][0071]
式中，x和t分别代表空间距离和时间；ρ和ρ
α
分别表示水平面和与之成α角处的气体密度，单位为kg/m3；p表示气体压力，单位为pa；ω表示气体流速，单位为m/s；g表示重力加速度，单位为m/s2；d表示管道直径，单位为m；λ表示管道摩擦系数。
[0072]
动量方程式中各项的物理意义分别为：第一项表示天然气流动的加速度效应；第二项表示天然气的对流效应；第三项表示天然气的流体静力学效应；第四项表示管道的水平高度对动量的影响；第五项表示二阶偏应力张量分量。在实际分析中，通常假设天然气管道位于同一水平位置，即α＝0，同时忽略只有在气体流速接近音速时才存在的对流效应，则动量方程式可简化为：
[0073][0074]
2)描述天然气在管道中质量守恒的物质平衡方程：
[0075][0076]
3)描述天然气压力和密度间关系的状态方程：
[0077]
p＝c2ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0078]
式中，c表示声速，单位为m/s。
[0079]
为使模型线性化，采用天然气的平均气体流速来近似代替动量方程式第三项中气体流速二次项的一个因子。并且定义质量流量m＝ρωa，将其代入动量方程式和物质平衡方程式。
[0080]
最终得到一组简化的描述气网动态特性的偏微分方程：
[0081][0082]
式中，m为管道中天然气的质量流量，单位为kg/s；a为管道截面积，单位为m2。
[0083]
利用wendroff差分法将简化后的偏微分方程式在时间和空间上进行离散化处理，
获取在后续优化问题中可以直接使用的线性代数方程。wendroff差分法的具体差分格式为：
[0084][0085]
其中，δt表示时间步长，δx表示空间步长。
[0086]
利用这种差分格式，管道被分为几段，每段长度为δx，并对其运用动量方程和物质平衡方程进行分析。采用可变空间步长δx，观察点设置在管道两端i,j。因此，wendroff差分格式中的i+1被管道另一端j替代，同时δx被管道长度l替代，则对于每段管道ij，应用wendroff差分格式于简化后的偏微分方程组，可得差分化后的天然气系统动态潮流方程如下：
[0087][0088]
式中，m
i,t
和m
j,t
分别为t时刻管道ij首端和末端处天然气的质量流量；p
i,t
和p
j,t
分别为t时刻管道ij首端和末端处的气压；ρ
i,t
和ρ
j,t
分别为t时刻管道ij首端和末端处的气体密度；l
ij
、a
ij
、d
ij
分别为天然气管道ij的长度、截面积、管道直径；为管道ij中天然气的平均流速；λ为天然气管道的摩擦系数。
[0089]
前述步骤(2)中电-气综合能源系统多阶段规划示意图如图3所示。si表示第i个规划阶段，si中燃气轮机和电转气机组的新增容量配置矩阵q
gt,i
和q
p2g,i
的表达式如下：
[0090][0091][0092]
式中，和分别表示si中第m个待选位置上燃气轮机和电转气机组的新增配置容量；m表示燃气轮机和电转气机组的规划待选位置总数。
[0093]
si中燃气轮机和电转气机组在第m个待选位置上的新增容量配置上下限：
[0094][0095][0096]
式中，和分别表示各待选位置新增燃气轮机和电转气机组容量上限值；和分别为si中第m个待选位置上是否配置燃气轮机和电转气机组的0-1整数变量。
[0097]
si中燃气轮机和电转气机组的累计容量配置矩阵w
gt,i
和w
p2g,i
的表达式及计算公式如下：
[0098][0099][0100][0101][0102]
式中，和分别表示si中第m个待选位置上燃气轮机和电转气机组的累计配置容量。
[0103]
前述步骤(3)中目标1全寿命周期成本的计算式如下：
[0104][0105]
式中，n为规划周期所划分的阶段数；n为规划周期总年数；si表示第i个规划阶段，i＝1,2,
…
,n；为si起始年的现值系数；rk为第k年的现值系数；rn为规划周期末的现值系数；为si的设备投资费用；和分别为规划周期第k年的系统运行费用和设备维护费用；f
rv
为规划周期末的设备残值。
[0106]
现值系数将各年产生的费用折算成规划周期期初的现值，现值系数计算公式为：
[0107]rk
＝(1+r)-k
[0108]
式中，k表示费用发生的时间距离规划周期期初的年数；r表示折现率。
[0109]
1)si的设备投资费用计算公式为：
[0110][0111]
式中，分别为燃气轮机和电转气机组的单位容量投资费用；q
gt,i
和q
p2g,i
分别表示第i个规划阶段在电-气综合能源系统各个耦合节点上新增配置的燃气轮机和电转气机组容量矩阵。
[0112]
2)第k年的系统运行费用计算公式为：
[0113][0114]
式中，c
grid
(t)为t时刻电价；c
gas
为天然气价格；p
grid
(t)表示购电功率；m
gas
(t)表示购气质量流量。
[0115]
3)第k年的设备维护费用计算公式为：
[0116][0117]
式中，和分别为燃气轮机和电转气机组的单位出力维护费用；p
gt
(t)和p
p2g
(t)分别为t时刻燃气轮机发出的有功功率和电转气机组消耗的有功功率。
[0118]
4)采用年限平均法计提设备折旧，并计算所配置的每台设备在规划周期末经过累计折旧后的设备残值。
[0119]
第j台设备在寿命期内各年的折旧费用c
dep,j
为：
[0120]cdep,j
＝c
inv,j
(1-δj)/tjꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0121]cinv,j
＝c
inv,j
*qjꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0122]
式中，δj为第j台设备的净残值率；tj为第j台设备的寿命；(1-δj)/tj为第j台设备在其寿命期内各年的折旧率；c
inv,j
为第j台设备的投资费用；c
inv,j
为第j台设备单位容量投资费用；qj为第j台设备的配置容量。
[0123]
规划周期末设备的总残值为：
[0124][0125]
式中，j
x
为规划周期末拥有的设备总数量；yj为第j台设备从配置到规划周期末运行的总年数。
[0126]
前述步骤(3)中目标2规划周期内二氧化碳排放总量的计算式如下：
[0127][0128]
式中，n为规划周期划分的阶段数；yi为规划阶段i持续的年数；为t时刻的购电功率；为t时刻的购气功率；αe为电网购电的二氧化碳排放系数；α
gas
为气源购气的二氧化碳排放系数。
[0129]
前述步骤(4)中基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流方程如下：
[0130][0131]
式中，ω(i)为配电网中以节点i为末节点的支路集合；ψ(i)为配电网中以节点i为首节点的支路集合；p
i,t
和q
i,t
分别为t时刻节点i的有功和无功功率；p
ji,t
和q
ji,t
分别为支路ji首端的有功和无功功率；u
i,t
为节点电压；i
ji,t
为支路电流；r
ji
和x
ji
分别为支路电阻和电抗。
[0132]
配电网从上级电网购电约束、节点电压约束、线路容量约束如下：
[0133][0134]
式中，p
grid
(t)表示t时刻的购电功率；u
imin
和u
imax
分别为节点i电压下限和上限；p
ji,min
和p
ji,max
分别为线路有功功率下限和上限；q
ji,min
和q
ji,max
分别为线路无功功率下限和上限。
[0135]
天然气系统节点气流量平衡方程、气压连续性方程、气体状态方程、节点气压限制、管道首端和末端流量限制、气源购气量限制如下：
[0136][0137]
式中，为t时刻节点i处气源的输出气流量；为t时刻燃气机组在天然气系统节点i处消耗的燃气量；为t时刻电转气机组在天然气系统节点i的输出气流量；为t时刻节点i的气负荷；和分别为t时刻以节点i为末端节点的管道末端气流量和压强；和分别为t时刻以节点i为首端节点的管道首端气流量和压强；ω(i)为气网中以节点i为末端节点的管道集合；ψ(i)为气网中以节点i为首端节点的管道集合；p
i,t
和ρ
i,t
分别为t时刻节点i处的气压和气体密度；c为音速；p
imin
和p
imax
分别为节点i气压的下限和上限；和分别为管道首端气流量下限和上限；和分别为管道末端气流量下限和上限。
[0138]
燃气机组能量转换约束和出力限制约束如下：
[0139][0140]
式中，为t时刻燃气机组在电力系统节点n发出的有功功率；η
gt
为燃气轮机转换效率；为电力系统节点n处燃气机组累计配置容量。
[0141]
电转气机组能量转换约束和出力限制约束如下：
[0142][0143]
式中，为t时刻电转气机组在电力系统节点k消耗的有功功率；η
p2g
为电转气机组的能量转换效率。为电力系统节点k处电转气机组累计配置容量。
[0144]
风电场每个时刻的消纳功率不大于其预测功率。风电场出力限制如下：
[0145][0146]
式中，p
wfc
(t)为t时刻风电场的消纳功率；为t时刻风电场的最大预测功率。
[0147]
如图4(a)、图4(b)所示，前述步骤(5)中优化目标1和优化目标2所对应的隶属度函数为：
[0148][0149][0150]
式中：μ(fg)和μ(fc)分别为全寿命周期成本最小目标和规划周期内二氧化碳排放总量最小目标的隶属度函数；f
g,min
和f
c,min
为各单目标规划的最优解，分别表示了理论上系统全寿命周期成本最小值和规划周期内二氧化碳排放总量最小值；βg和βc为弹性满意程度；β
gfg,min
和βcf
c,min
分别代表了决策者允许的全寿命周期成本增加值与规划周期内二氧化碳排放总量增加值。
[0151]
通过将目标1和目标2的满意度加权求和，构造整体满意度目标函数，从而实现多目标到单目标的转化。所建立的多目标加权模糊规划模型如下：
[0152][0153]
式中，μ为整体满意度；和分别为全寿命周期成本最小目标的满意度和规划
周期内二氧化碳排放总量最小目标的满意度；a1和a2分别为目标1和目标2的权重系数，根据决策者对经济性与环保性的不同要求设定；h(x)代表了模型中所有的等式约束，包括差分化后的天然气系统动态潮流方程(7)，基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流方程(24)，以及(26)-(28)中的等式约束；g(x)代表了(25)-(29)中所有的不等式约束。
[0154]
最终构造的优化问题(32)为单目标线性规划问题，通过matlab进行优化问题的构建，并调用cplex求解器进行求解。
[0155]
本实施例公开了一种计及气网动态特性的电-气综合能源系统多阶段规划方法。根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并进一步采用wendroff差分化方法对偏微分方程进行离散化处理。天然气动态模型能够计及“管存”，从而减少购气成本和系统运行成本，提高规划的经济性。考虑规划周期内负荷的增长，将规划周期分为多个规划阶段，在每个规划阶段期初进行新增燃气轮机和电转气机组的选址定容。电-气综合能源系统多阶段规划方法避免在规划周期初一次性投入设备，从而避免造成系统运营初期超前建设、设备闲置，运营后期设备老化、容量短缺等问题，能够提高规划的经济效益。该规划方法综合考虑全寿命周期成本最小目标和规划周期内二氧化碳排放总量最小目标，基于模糊隶属度函数，对多目标进行加权模糊化处理，将多目标规划转化为以综合满意度最大为目标的单目标规划，有效兼顾规划的经济性和环保性。因此，本发明提出的计及气网动态特性的电-气综合能源系统多阶段规划方法能够实现更好的经济性，并且兼顾规划的环保性，达到经济性和环保性综合最优。
[0156]
采用ieee33节点配电网络和7节点天然气网络构成的电-气综合能源系统进行仿真计算。电-气综合能源系统结构如图2所示，在耦合节点上配置燃气轮机和电转气机组，在电网8、27节点上接入风电场wf1、wf2，容量分别为4mw、5mw。
[0157]
规划目标1和目标2涉及到的参数：燃气轮机的单位容量投资费用为7*106元/mw，电转气机组的单位容量投资费用为8*106元/mw；燃气轮机和电转气机组的寿命均为25年；燃气轮机和电转气机组的净残值率δ取6％；燃气轮机和电转气机组的维护费用为0.05元/kw；天然气价格系数为0.4元/kg；燃气机组效率参数η
gt
为1.8mw
·
s/kg，电转气机组效率参数η
p2g
为0.11kg/(s
·
mw)；电网购电的co2排放系数αe为968g/kwh；气网购气的co2排放系数α
gas
为220g/kwh；目标1与目标2的权重系数a1和a2各取0.5；目标1和目标2的弹性满意程度βg和βc各取0.5。
[0158]
将8年的规划周期分为两个阶段，s1持续3年，s2持续5年，阶段2的电负荷和气负荷大小均为阶段1的2倍。
[0159]
表1给出考虑气网weymouth稳态模型与气网动态模型的电-气综合能源系统多阶段规划结果对比。由表1可知，考虑气网动态模型时规划的全寿命周期成本更低。原因一是气网动态模型能够计及管道存储的天然气，从而减少购气成本；原因二是考虑气网动态模型时配置更大容量的电气耦合设备，减少系统运行成本，从而提高规划的经济性。
[0160]
表2给出考虑气网动态特性的电-气综合能源系统单阶段规划与多阶段规划结果对比。由表2可知，多阶段规划的全寿命周期成本低于单阶段规划。原因一为多阶段规划的设备总投资费用更低；原因二为多阶段规划到规划周期末的设备总残值更高；因此，电-气综合能源系统多阶段规划的经济性更好。
[0161]
表3给出考虑气网动态特性的电-气综合能源系统单目标规划与多目标规划结果对比。由表3可知，综合考虑全寿命周期成本目标和二氧化碳排放量目标可以有效兼顾规划的经济性和环保性，求取各子目标满意度以及综合满意度最大的折衷解，实现规划的经济性和环保性综合最优。表4给出各子目标满意度和综合满意度取值。
[0162]
表1考虑气网稳态模型与动态模型的多阶段规划结果对比
[0163][0164][0165]
表2单阶段规划与多阶段规划结果对比
[0166]
费用(千万元)单阶段规划多阶段规划设备总投资费用3.93643.4069规划周期总的运行和维护费用30.17830.417设备总残值1.60601.9776全寿命周期成本32.50931.846
[0167]
表3单目标规划与多目标规划结果对比
[0168]
规划目标全寿命周期成本/千万元二氧化碳排放总量/kg全寿命周期成本最小31.8461.4245
×
108二氧化碳排放总量最小92.3861.2672
×
108综合满意度最大32.1611.3551
×
108[0169]
表4各子目标满意度和综合满意度取值
[0170][0171]
实施例二
[0172]
本实施例提供了一种计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划系统，包括：
[0173]
气网动态潮流方程构建模块，被配置为根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并采用wendroff差分化方法进行离散化处理；
[0174]
规划周期划分模块，被配置为根据规划周期内负荷的增长情况，将整个规划周期划分为n个规划阶段，在每个规划阶段期初新增燃气轮机和电转气机组配置；
[0175]
多优化目标构建模块，被配置为以电-气综合能源系统规划的全寿命周期成本最
小为第一优化目标，以规划周期内二氧化碳排放总量最小为第二优化目标；
[0176]
多目标规划模型构建模块，被配置为以基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流方程、差分化后的天然气系统动态潮流方程、天然气系统节点气流量平衡方程、气压连续性方程、燃气轮机和电转气机组能量转换方程及出力限制、风电出力限制为约束条件构建规划模型；
[0177]
多目标转化求解模块，被配置为基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，然后进行求解。
[0178]
上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
[0179]
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
[0180]
所提出的系统，可以通过其他的方式实现。例如以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时，可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0181]
实施例三
[0182]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法中的步骤。
[0183]
实施例四
[0184]
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法中的步骤。
[0185]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0186]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0187]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0188]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0189]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0190]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
技术特征：1.计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，其特征在于，包括：根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并采用wendroff差分化方法进行离散化处理；根据规划周期内负荷的增长情况，将整个规划周期划分为n个规划阶段，在每个规划阶段期初新增燃气轮机和电转气机组配置；以电-气综合能源系统规划的全寿命周期成本最小为第一优化目标，以规划周期内二氧化碳排放总量最小为第二优化目标；以基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流方程、差分化后的天然气系统动态潮流方程、天然气系统节点气流量平衡方程、气压连续性方程、燃气轮机和电转气机组能量转换方程及出力限制、风电出力限制为约束条件构建规划模型；基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，然后进行求解。2.如权利要求1所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，其特征在于，所述根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并采用wendroff差分化方法进行离散化处理，包括：根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程；对天然气系统动态潮流方法进行简化得到描述气网动态特性的偏微分方程；采用wendroff差分化方法对偏微分方程进行离散化处理，得到差分化后的天然气系统动态潮流方程。3.如权利要求1所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，其特征在于，所述燃气轮机和电转气机组配置是将电-气综合能源系统的耦合节点作为燃气轮机和电转气机组的待选规划位置。4.如权利要求1所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，其特征在于，所述全寿命周期成本包括规划周期发生的所有投资费用、运行费用和维护费用，并且要减去规划周期末的设备残值；其中，所有的费用都要折算成规划周期期初的现值。5.如权利要求1所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，其特征在于，所述基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，包括：基于第一优化目标和第二优化目标确定对应的隶属度函数；根据模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，将第一优化目标和第二优化目标的满意度加权求和，构造整体满意度目标函数，得到多目标加权模糊规划模型；实现将多目标规划到单目标规划问题的转化。6.如权利要求5所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，其特征在于，所述第一优化目标和第二优化目标的隶属度越大，则满意度越高。7.如权利要求1所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法，其特征在于，所述天然气系统动态潮流方程由动量方程、物质平衡方程和状态方程构成。8.计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划系统，其特征在于，包括：气网动态潮流方程构建模块，被配置为根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并采用wendroff差分化方法进行离散化处理；
规划周期划分模块，被配置为根据规划周期内负荷的增长情况，将整个规划周期划分为n个规划阶段，在每个规划阶段期初新增燃气轮机和电转气机组配置；多优化目标构建模块，被配置为以电-气综合能源系统规划的全寿命周期成本最小为第一优化目标，以规划周期内二氧化碳排放总量最小为第二优化目标；多目标规划模型构建模块，被配置为以基于二阶锥松弛的配电网distflow潮流方程、差分化后的天然气系统动态潮流方程、天然气系统节点气流量平衡方程、气压连续性方程、燃气轮机和电转气机组能量转换方程及出力限制、风电出力限制为约束条件构建规划模型；多目标转化求解模块，被配置为基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，然后进行求解。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法中的步骤。10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法中的步骤。
技术总结本发明属于综合能源系统规划领域，提供了一种计及气网动态特性的综合能源系统多阶段规划方法及系统，包括根据气体流动的流体动力学模型推导天然气系统动态潮流方程，并对其进行差分化处理；根据规划周期内负荷的增长情况，将整个规划周期划分为N个规划阶段；以电-气综合能源系统规划的全寿命周期成本最小为第一优化目标，以规划周期内二氧化碳排放总量最小为第二优化目标；以电力与天然气系统的潮流方程、节点能量流平衡、节点出力限制、耦合设备出力为约束条件构建规划模型；基于模糊隶属度函数将各优化目标模糊化，采用加权满意度指标法将多目标规划转化成单目标规划问题，然后进行求解。进行求解。进行求解。
技术研发人员：王春义 季金豹 杨小婷 张乐乐 刘磊 卢兴旺 陈淼 马文华 杜善慧 马晓强 黄庆强
受保护的技术使用者：国网山东省电力公司日照供电公司
技术研发日：2022.07.26
技术公布日：2022/11/1
