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申请/专利权人：国网湖南省电力有限公司;国网湖南省电力有限公司电力科学研究院;国家电网有限公司

摘要：本发明公开了配电网‑天然气联合系统双层多时间尺度运行优化方法，通过对所述多个风电场景的风电出力数据进行降维处理，得到多个风电场景的关键特征数据；基于所述多个风电场景的关键特征数据，对所述多个风电场景进行分层聚类，得到配电网‑天然气联合系统的聚类场景类别；基于配电网‑天然气联合系统的聚类场景类别，构建配电网‑天然气联合系统的双层多时间尺度随机运行优化模型，求解所述双层多时间尺度随机运行优化模型，得到所述配电网‑天然气联合系统的最优运行策略。本发明综合多个时间尺度，得到配电网和天然气网多时间尺度双层多时间尺度运行优化策略，可充分利用风电在不同时间尺度的预测精度，实现多时间尺度下的风电充分消纳。

主权项：1.一种配电网-天然气联合系统双层多时间尺度运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：从历史数据中获取配电网-天然气联合系统在多个风电场景中的风电出力数据；分别对所述多个风电场景的风电出力数据进行降维处理，得到多个风电场景的关键特征数据；基于所述多个风电场景的关键特征数据，对所述多个风电场景进行分层聚类，得到配电网-天然气联合系统的聚类场景类别；基于配电网-天然气联合系统的聚类场景类别，构建配电网-天然气联合系统的双层多时间尺度随机运行优化模型，所述双层多时间尺度随机运行优化模型以配电网-天然气联合系统的运行策略为变量，以所述配电网-天然气联合系统的整体成本最低为优化目标；求解所述双层多时间尺度随机运行优化模型，得到所述配电网-天然气联合系统的最优运行策略；所述配电网-天然气联合系统的双层多时间尺度随机运行优化模型包括上层优化模型和下层优化模型，所述上层优化模型采用中长期时间尺度，优化目标为最小化配电网-天然气网的运行成本，所述下层优化模型为包括日前、日内两阶段的随机经济调度模型，所述随机经济调度模型在日前阶段采用日前时间尺度，通过优化配电网中火电机组和燃气机组的日前出力以及天然气网中天然气生产机组的产气变量以应对日前风电不确定性，同时使得配电网系统发电成本和天然气网系统产气成本最小；日内实时阶段则采用实时时间尺度，在给定配电网和天然气网各个时段各机组日前出力的前提下，通过优化配电网中火电机组、燃气机组和天然气生产机组的实时调度变量以应对日内实时风电不确定性，同时使得联合系统实时再调度成本最小；所述上层优化模型为： 式中，T为调度时段集合，采用中长期时间尺度；I、K分别为火电机组和天然气生产机组集合；Ω为聚类场景集合；Ci、Ck分别为火电机组i和天然气生产机组k的运行成本系数；pi,t为火电机组i在t时段的发电出力；gk,t为天然气生产机组k在t时段的产气功率；εs为风电场景s发生的概率；分别为火电机组i的向上、向下调整功率成本系数；分别为火电机组i在风电场景s下t时段的向上、向下调整功率；分别为天然气生产机组k的向上、向下调整产气功率成本系数；分别为天然气生产机组k在风电场景s下t时段的向上、向下调整产气功率；C1s,E、C1s,G、Cwpc分别为切电负荷成本系数、切气负荷成本系数和弃风成本系数；分别为在s场景下t时段切电负荷功率、切气负荷功率和弃风功率；所述的上层优化模型的约束包括：天然气电厂的气电价格可变约束、收益平衡约束、燃气机组日前发电成本系数约束以及燃气机组功率调整成本系数约束；其中，天然气电厂的气电价格可变约束为： 式中，为天然气t时段的可变价格变量；CAmin、CAmax分别为天然气可变价格的最大和最小值；收益平衡约束为： 式中，G为燃气机组集合；φg为燃气机组g的功率换算系数；pg,t为燃气机组g在日前调度t时段的发电功率；燃气机组日前发电成本系数约束为： 式中，Cg,t为燃气机组g在t时段的发电成本系数；为t时段天然气网日前阶段功率平衡约束的拉格朗日变量；燃气机组功率调整成本系数约束为： 式中，为s风电场景下t时段天然气网实时阶段功率平衡约束的拉格朗日变量；所述下层优化模型为： 式中，T为调度时段集合，采用日前和实时两个时间尺度；I、K分别为火电机组和天然气生产机组集合；Ω为聚类场景集合；Ci、Ck分别为火电机组i和天然气生产机组k的运行成本系数；pi,t为火电机组i在t时段的发电出力；gk,t为天然气生产机组k在t时段的产气功率；εs为风电场景s发生的概率；分别为火电机组i的向上、向下调整功率成本系数；分别为火电机组i在风电场景s下t时段的向上、向下调整功率；分别为天然气生产机组k的向上、向下调整产气功率成本系数；分别为天然气生产机组k在风电场景s下t时段的向上、向下调整产气功率；C1s,E、C1s,G、Cwpc分别为切电负荷成本系数、切气负荷成本系数和弃风成本系数；分别为在s场景下t时段切电负荷功率、切气负荷功率和弃风功率；所述的下层优化模型的约束包括：可调度电力机组的出力、风电机组的出力、配电网日前阶段功率平衡、天然气网管道容量、天然气网管道合同可传输、天然气产气机组容量、天然气网日前阶段功率平衡、可调度机组的功率调节范围、弃风、配电网切电负荷、配电网实时功率平衡、天然气网管道实时容量、天然气网管道合同实时可传输、天然气生产机组的功率调节范围、天然气网切气负荷以及天然气网实时产气耗气平衡约束；其中，可调度电力机组的出力约束为： 式中，pu,t为可调度电力机组u在t时段的出力；为可调度电力机组u的出力上限值；其中，风电机组的出力约束为： 式中，pw,t为风电机组w在日前调度t时段的发电功率；为风电机组w在日前调度t时段的预测出力功率；其中，配电网日前阶段功率平衡约束为： 式中，为配电网负荷在t时段的用电需求；其中，天然气网管道容量约束为： 式中，Alg表示与天然气管道l相连的燃气机组g集合；为天然气管道l在t时段的最大可传输容量上限；其中，天然气网管道合同可传输约束为： 式中，FlA为天然气管道l的每日合同可传输容量上限；天然气产气机组容量约束： 式中，为天然气产气机组k的最大产气功率；天然气网日前阶段功率平衡约束： 式中，为天然气网用气负荷在t时段的用气需求；其中，可调度机组的功率调节范围约束： 式中，分别为可调度电力机组u在t时段的上调、下调功率最大值；分别为可调度电力机组u在s风电出力场景下t时段的上调、下调功率；为第二层模型所确定的可调度电力机组u在日前调度t时段的发电功率；其中，弃风约束为： 式中，为风电机组w在s场景下t时段的弃风电功率，受到实际风电机组发电的限制Pw,s,t；其中，配电网切电负荷约束为： 式中，为配电网负荷在s场景下t时段的切电负荷功率，其最大值受到实际用电需求的限制其中，配电网实时功率平衡约束为： 式中，Δpu,s,t为可调度电力机组u在s风电出力场景下t时段的调节功率，可表示为： 其中，天然气网管道实时容量约束为： 其中，天然气网管道合同实时可传输约束为： 其中，天然气生产机组的功率调节范围约束为： 式中，分别为天然气生产机组k的上调、下调功率最大值；分别为天然气生产机组k在s风电出力场景下t时段的上调、下调产气功率；为第二层模型所确定的天然气生产机组k在日前调度t时段的产气功率；其中，天然气网切气负荷约束为： 式中，为天然气网在s场景下t时段的切气负荷功率，受到实际用气需求的限制其中，天然气网实时产气耗气平衡约束为： 求解所述双层多时间尺度随机运行优化模型，包括以下步骤：将所述双层多时间尺度随机运行优化模型转化为以下格式： 式中：x、y分别对应于上层优化模型和下层优化模型的决策变量；f主·对应于上层优化模型的优化目标，g主·、h主·分别对应于上层优化模型的不等式约束和等式约束；f次·为下层优化模型的优化目标，g次·、h次·对应于下层优化模型的不等式约束和等式约束；用γ、α分别表示斯塔科尔伯格博弈双层优化模型的下层优化模型不等式约束和等式约束的对偶变量；根据KKT最优性条件，下层模型的最优解等价于以下方程解： 式中，γ⊥g次x*,y表示γg次x*,y＝0，当γ＝0时，则g次x*,y≤0；当g次x*,y＝0时，则γ≥0；将KKT等价的表达式带入上层模型，进而合并为单层模型，如下： 通过引入朗格朗日因子和利用KKT条件，所提的斯塔科尔伯格博弈优化模型转为为单层数学规划问题，进而可调用数学优化求解器求解。

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