研究多目标建模和优化海外微能源系统综合考虑负荷的不确定性和风能

文摘

海外微综合能源系统(OMIESs)近海石油和天然气的基础工程和发挥重要作用在开发和利用海洋资源。通过引入海上风力发电、离岸微的碳排放综合能源系统可以有效地减少;然而,更大的挑战已经发布可靠运行的不确定性。为了减少这种不确定性带来的影响,提出了一种多目标优化模型基于机会约束规划(CCP);操作成本和惩罚成本的天然气排放被选为目标。然后,改进混合约束处理策略基于nondominated第二排序遗传算法(IHCHS-NSGAII)介绍了有效地解决模型。最后,数值研究验证了该算法的效率,以及该模型的有效性和可行性在提高战略性的经济不确定性。

1。介绍

目前,全世界有6500近海石油和天然气平台(1],它有望成为解决能源和环境问题的一个重要方法在世界范围内通过开发和利用海洋的石油和天然气资源2- - - - - -4]。这些近海石油和天然气平台远离土地,可以归类为离岸微观综合能源系统(5]。它包含各种各样的能源,如电力、天然气、和热,并协调和优化通过能源经济和能源利用效率耦合设备(如气体的权力(P2G)和直燃式锅炉(GB))。传统上,这种力量是由燃气轮机(GTs)耦合发电机,安装在平台上,通过燃烧天然气和操作;然而,为了安全考虑,冗余GTs通常运行较低的操作效率和高污染排放(6,7]。通过引入海上风力发电,离岸微综合能源系统的碳排放(OMIESs)可以有效地减少。然而,受复杂的海洋环境,更大的挑战已经发布到运行可靠由于负载的不确定性和海上风力发电(8]。因此,进行经济优化调度具有重要意义考虑战略性的不确定因素。

目前,学者们进行了许多前辈们的优化调度模型的研究(综合能源系统)9- - - - - -12]。在[9),光伏的不确定性被一系列的场景;然后,该模型提出了基于需求反应实现多种能源系统协调优化。在[10),所有设备的建模提出了前辈们指定的物理操作限制,和一个优化模型建立以最小化总成本,考虑不同等级的热能。文献[11)研究了影响运营成本和区域IES可控负载时的稳定性包括电动汽车和空调负荷被认为是一个虚拟的能量存储系统(ESS)。文献[12)提出了一种两阶段随机调度综合multienergy系统的方案,认为风电的不确定性达到最小的最优经济运行风力发电的缩减。上面列出的文献提出了不同模型的优化调度,考虑到可再生能源的间歇性,不同等级的热能,ESS带来的灵活性。然而,其中的一些专注于近海石油和天然气平台的优化,结合战略性海上风力发电以及考虑不确定性的影响。

一般来说,主要有三种不同的方式来处理海上风能的不确定性,即鲁棒优化(13,14),间隔优化(15),和随机优化(16,17]。其中,随机优化调度使用更精确的概率分布信息不确定的变量参与调度模型的建模和求解。机会约束规划(CCP)模型允许一些约束包含不确定变量在优化过程中失败,但成立的概率水平必须满足置信度要求。文献[18探索低碳和经济规划的战略性考虑生产过程的影响或外部环境的不确定性。随着海上风力发电的发展,有必要研究系统的经济运行下的不确定性。

本文改进的混合约束处理策略基于nondominated第二排序遗传算法(IHCHS-NSGAII)介绍了解决biobjective优化模型基于CCP尽量减少操作成本和天然气排放。本文主要有以下贡献:(我)提出了一种基于CCP biobjective优化模型来处理负载的不确定性和风能。风能穿透最大化,风缩减惩罚项添加到成本目标函数。此外,天然气排放被选为其他目标考虑现状,存在大量的天然气排放实际的战略性(2)NSGAII基础上,介绍了混合约束处理策略和修改通过三个方面,即降维,个人修复、标准化提高NSGAII的性能在处理复杂的约束(3)天然气排放和风能利用率之间的关系进行了分析通过实现一个战略性的例子在渤海近海石油和天然气平台提供方案或建议

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了战略性。部分3制定中国共产党biobjective优化问题。部分4礼物IHCHS-NSGAII。部分5显示了数值结果分析和结论部分6。

2。引入战略性

战略性的能量流图所示1主要包括电力,天然气,和热。同时,不同的能量加上转换设备;例如,GTs燃烧整个系统利用天然气供应电力,同时利用燃烧产生的高温烟气加热系统(19]。战略性是由多个离岸石油和天然气中心平台通过海底电缆和传输管道相互连接。

通常,战略性不同于一般。首先,对海上平台的容量的限制,能源设备放置相对集中在海上平台;之间的物理距离“源”和“负载”是相对较短。同时,传输网络并不是那么复杂的陆地电力系统。其次,确保稳定和安全生产是最的近海石油和天然气工程,从而导致GTs的冗余配置。此外,利用天然气不能传播将燃烧的火炬在平台由于限制管道的传输容量,这被称为天然的气体排放。因此,有必要基于战略性的特点做一些研究。

3所示。中国共产党优化模型

挑战已经发布到战略性的操作由于负载的不确定性和海上风力发电:一方面,为了减少污染排放和能源浪费,员工希望减少GTs的输出和利用尽可能多的风能;另一方面,应对不确定性,确保系统的安全稳定运行,电力系统需要储备一定数量的备用容量尽量避免生产关闭由于甩负荷,但它也将增加系统的运营成本。因此,有必要建立一个多目标优化调度模型,考虑系统的运营成本和风力发电的消费。

3.1。目标函数

3.1.1。目标函数1

五个部分都包含在操作成本,即GTs的污染成本和GBs,气井生产的成本,天然气排放的惩罚成本,缩减。

3.1.2。目标函数2

天然气体排放不仅造成能源浪费,还污染了环境,所以目标函数2旨在减少排放的天然气。

3.2。操作约束

OMIESs包含各种各样的能源和设备,和以下四种约束应当符合安全操作。

3.2.1之上。决策变量的约束

一般来说,实际的最优调度问题的解决方案包括各种设备的输出在整个系统中,因此,运营商可以在适当的时间做出调整来实现目标。战略性的调度问题提出本文决策变量的约束可以表示如下:

方程(3)- (8)描述GTs的上界和下界,海上风力发电、天然气井,GBs, EBs,P2克,分别。方程(9)和(10)是天使的节点和节点压力的限制。方程(11)描述了坡道GTs的极限。

3.2.2。系统平衡约束

每个系统的能量流,在每个总线一律平等。

3.2.3。设备运行的约束

设备在战略性受到节能约束。

方程(15)描述实际风力发电和预测价值之间的关系。方程(16)- (20.)每个设备的输入和输出之间的关系。战略性的功率流约束可以在找到20.]。之间的关系流流经管道的天然气和管道的两端的压力可以在找到21]。

3.2.4。机会约束

近海石油和天然气平台面临着复杂多变的环境。摘要电力负荷的不确定性和海上风力发电是由随机建模的变量。海上风力发电和电力负荷的预测误差正态分布可以表示如下:

因此,功率平衡约束转化为(22考虑到不确定性。

方程(22)表明,功率流系数下应当符合一定的信心。

以确保系统的安全运行,防止风力发电和负荷的不确定性影响了权力平衡,储备能力应满足和down-reserve能力约束。

3.3。转换的机会约束

机会约束方程(22)- (24)是很难处理。它可以解决通过转换成等效类型(22]。

4所示。IHCHS-NSGAII

尽管NSGAII [23)被公认为最有效的方法之一处理等multiconstrained问题,提出模型部分3仍难以解决由于变量向量的复杂性和不同种类的限制,特别是当可能存在耦合和非线性。因此,一个高效优化方法需要处理复杂的multiconstrained多目标优化问题。在本节中,混合约束处理策略(HCHS) [24]介绍和修改提高NSGAII的性能在处理复杂的约束。

4.1。降维方法

通常,等式约束,如电力和天然气平衡约束、NSGAII处理起来并不容易,所以有必要等式约束转移到自己不平等的限制;同时,向量维数可以减少和解决算法的效率将会提高。以功率平衡约束为例,具体转换过程如下。

方程(12)可以等价转换

另一方面,方程(26)应当符合描述的约束方程(3)。因此,等式约束等价转换为一个不平等的。和另一个等式约束可以以同样的方式转换。

4.2。修复过程后生成新个体

违反了一些约束生成过程相关的变量,如斜坡率限制,不能总是减少的个人。由于个人使用一些heuristic-based随机方法生成NSGAII,约束处理方法(23)不能减少一些约束的违反,如斜坡率约束和额定功率限制,相关变量生成过程。因此,需要一个修复过程将不可行个体转化为可行的。摘要修复过程是用来修复变量对应的有功功率输出GT,这违反了斜坡率约束。斜坡率约束违反以来出现的变量之间亲密的时间间隔,强耦合,很难优化算法,以减少他们在进化过程中。因此,有必要“修复”人口时生成的变量。斜坡率约束违反时,所有的变量调度时间内从一开始就应该修理相关的GT的时间间隔,所以斜坡速率限制和额定功率的要求可以满足,同时进行。很明显,修复过程可能需要太多的计算资源和时间。此外,考虑到不可行个体的比例是动态计算整个期间;修复的概率不可行可能的解决方案被设计成基于当前阶段的算法更新,如下所示:

它可以看到从方程(27)的价值小初优化接受更多潜在的不可行个体,这样可以保证人口的多样性。当足够大,所有的个人违反斜坡率约束应该修好了。但与微型智能电网"调度问题(24],战略性调度问题更加复杂,主要目标是找到可行的解决方案。因此,解决约束多目标问题的战略性安排本文方程(27)修改如下: 在哪里 。通过这种方式,平均价值增加的价格相比方程(27),大多数的人群中个体可以在优化过程中修复。

4.3。标准化过程中选择

考虑模型的类型和数量的限制,这是有效的规范化的每个约束违反加起来之前,具体细节可以发现在24]。它可以看到从一节2提出了战略性的调度问题,有各种类型的限制,和不同类型的约束违反不能相比或直接添加。因此,在本文中,不同类型的违反约束的数量也被认为是作为一个因素来评估不可行个体水平。归一化法是本文的修改

它可以看到从方程(29日),通过引入正常化过程可以更合理和违反约束的数量可以考虑约束条件的处理过程。因此,该算法可以找到可能的解决方案和较低的规范化的违规行为,和较低的数量的进化过程中违反了约束是首选。因此,违反约束的平均数量的人口将迅速下降,和可行的区域可以有效地找到。

5。模拟

在本节中,提出了数值研究和分析的结果,进行基于修改战略性位于中国渤海(25)如图2。优化模型在MATLAB环境下解决。此外,计算机与英特尔i5 - 8700 CPU@3.20 GHz和8 GB内存用于运行优化模型。

5.1。战略性的参数

这种情况下由6-node电力系统,6-node天然气系统和热力系统。EBs位于节点1、4和5的电力系统容量为1.2兆瓦,0.95兆瓦,分别和1.1兆瓦。GTs相关参数表中列出1。天然气系统包括3气井节点和3天然气负荷节点。GBs位于节点1和2和3 MW和4千瓦的最大热权力,分别。气井中列出相关参数表2。和天然气热值是9.7千瓦时/ m³。离岸风力涡轮机位于节点5 9兆瓦的电力系统发电能力。海上风力发电成本系数和惩罚是50美元/瓦。天然气系统中的节点2和节点4的电力系统由一个连接P2G容量为0.6兆瓦。信心系数都设置为0.95。其他参数可以在表中找到3。顺便说一句,本文中使用的数据收集从一个实际的近海石油和天然气工程,和上面提到的参数是通过拟合或计算这些数据。

预测曲线的电力、煤气和热负荷是如图3。

5.2。结果和讨论

人口的数量等参数个体,突变率,计算精度选择用于IHCHS-NSGAII指(24]。最大的代名设置为20000代和人口规模是50。

除此之外,在这一节中,惩罚函数法(PFM),约束统治原则(CDP),介绍了和原始HCHS HCHS比较的性能改善。烤瓷的参数设置和HCHS可以在找到24]。每个算法结合NSGAII和运行10次。平均可行解决方案使用不同的约束处理方法在进化过程中被记录。

从表可以看出41000代之前,可行解决方案的数量获得很低的约束处理方法,这表明战略性调度与各种类型的约束问题是非常复杂的。随着世代的增加,可行的解决方案变得更加CDP, HCHS HCHS和改善。但是,通过使用烤瓷,NSGAII不能找到足够的可行的解决方案。即使20000次迭代,NSGAII只发现15可行的解决方案。CDP, 27的情况更好的解决方案,这意味着CDP更有效处理比烤瓷multiconstrained多目标优化问题。然而,将近一半的获得解决方案仍不可行。HCHS基于CDP,但混合约束处理方法,它可以找到更可行的解决方案。HCHS被修改时,本文提出的方法可以看出,它能找到类似的可行的解决方案与10000代20000代后的原始HCHS。此外,在18000次迭代,所有的解决方案提出了改进HCHS人口是可行的。结果表明,与现有的约束处理方法相比,提出的改进HCHS更适应的复杂性multiconstrained战略性调度问题,这会让NSGAII侵犯减少整体考虑不同约束类型和收敛于可行地区更快。 Therefore, more computational resources can be applied to find better Pareto solutions.

最优解集如图4。

从帕累托分布的角度设置,操作成本和天然气排放不能完全优化的同时。员工需要权衡环保、经济,根据实际需要和稳定性。最后的帕累托最优解并不是连续的。在不连续的解决方案,一个目标函数可能有细微差别,但是其他可以大大优化目标函数。因此,特别要注意在不连续的解决方案的选择。

更重要的是,在帕累托最优解集的两个目标函数选为两个方案。方案一。运营成本的最优解决方案(操作成本809.4448美元)和天然气排放400.00米³)。方案2。的最优天然气排放解决方案(操作成本877.844美元)和天然气排放21.00米³)。

操作成本比较的两个方案如图5和特定的操作成本值如表所示4。

从图可以看出5和表5GBs的污染成本的两个方案基本上是相同的。GTs的污染成本和GBs,气井的成本,和风力的惩罚成本缩减计划在一个较低比方案二,而气体排放的违约成本相反,因为这两个计划的目标函数是不同的。计划一个更低的运营成本比方案二,降低约10.5%。可以看出,消耗更多的海上风力发电时,可以有效地降低运营成本的污染成本和天然气生产成本;然而,这也会增加天然气排放。

从数据可以看出6和7在海上风力发电的实际利用率,方案一是略优于方案二。两个方案表明,本文中所使用的优化策略使减少海上风力发电在非常低的水平,大部分的调度周期和减少权力的顶峰发生只有大约12 - 15小时。

6。结论

而海上风力发电可以减少环境污染,还影响战略性的安全稳定运行。摘要biobjective优化模型的基础上,中国共产党提出了提高战略性的经济和减少排放的天然气;因此,天然气排放和操作成本包含的污染成本和风力缩减选择违约成本,分别作为目标函数。此外,IHCHS-NSGAII提出了解决multiconstrained biobjective模型快速、有效地从三个方面,即降维,个人修复过程,标准化和加权和的过程中选择。然后,它是应用于一个战略性的问题,结果表明,该方法可以使NSGAII收敛于可行区域更快;因此,更多的计算资源可以应用于找到更好的帕累托的解决方案。此外,操作成本和天然气排放不能完全优化的同时自帕累托集是不连续的。同时,海上风能的利用率提高了战略性的经济,但增加天然气排放。需要开展进一步的研究的影响能量存储系统,如电池和天然气/蓄热设备。

缩写

战略性:	海外微能源系统集成
会议记录:	综合能源系统
中国共产党:	机会约束规划
GT:	燃气轮机
GB:	燃气锅炉
海尔哥哥:	电热锅炉
ESS:	能量存储系统
NSGA II:	Nondominated排序遗传算法
件:	罚函数法
CDP:	约束统治原则
HCHS-NSGAII:	NSGAII混合约束的处理策略
IHCHS-NSGAII:	改进的混合约束处理策略基于nondominated排序遗传算法。

数学符号

t:	索引数小时
我:	指数GTs
j:	指数GBs
k:	指数为核心平台
:	索引用于电力系统节点
(米,n):	指数气体系统节点
e:	EBs的指数。

集

Ωgt:	组GTs
Ωcp:	的中央平台
Ωgb:	GBs组
Ω海尔哥哥:	EBs的集合。

变量

:	GT的有功功率输出我时期t
:	气体被GBj时期t
:	气体排放的中央平台k时期t
:	电力系统的电压天使节点时期t
:	权力被EBe时期t
:	压力的气体系统节点n时期t
:	气体所产生的气体k时期t
:	气体被GT我时期t
:	减少海上风力发电的时期t
:	实际的海上风力发电t
:	海上风能预测时期t
:	处罚限制海上风力发电的成本
:	最大和最小GT的输出我
:	GT的污染系数我
:	排放系数GBj
:	天然气产量系数中央平台k
:	气体排放系数的中央平台k
:	输电线路的电抗
:	输电线路的能力
:	增加和坡道GT的极限我
:	电力负荷在节点h时期t
:	常数与温度、长度、直径、摩擦等管(米,n)
:	最大和最小气井的生产k
:	最大和最小压力的节点n
:	气体负荷节点n时期t
:	热负荷时期t
:	最大输出热能的GBj
:	GT的效率
:	GT的热损失系数
:	WHRB热回收效率
:	天然气热值
:	EB的效率
:	电力传输之间的线和h时期t
:	天然气管道之间的传播米和n时期t
:	所提供的热功率WHRB与GT我时期t
:	所提供的热功率GBj时期t
:	EB提供的热功率k时期t
:	气体转换P2G时期t
:	最大的输出P2G
:	的转换效率P2G
, :	随机变量描述海上风力发电的预测误差和电力负荷
, :	预测误差的方差的海上风力发电和电力负荷
, :	海上风力发电输出误差系数和能力
:	错误电力负荷系数
, , :	置信系数的功率平衡约束,up-reserve能力约束,down-reserve容量约束
:	存款准备金的系数
, :	海上风力发电输出,down-reserve需求系数
, , :	正态分布函数的反函数
, :	电流和开关代
:	修复的概率
, :	最小和最大违反
:	- - - - - -约束违反 - - - - - -th个人
:	违反了数量kth类型的约束。

数据可用性

表数据和建模数据用于支持本研究的发现包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

确认

这项工作是国家重点支持的研究和发展项目,中国(2018号yfb0904800)。

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