[发明专利]一种区域能源互联网全自动站网布局优化方法

权利要求书

1.一种区域能源互联网全自动站网布局优化方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，建立区域能源互联网能源站与管网图，记做G＝(V,E,W)，V代表顶点的集合，E代表边的集合，W代表边的权的集合，其中，V＝V₁∪V₂∪V₃，且两两不相交，并有V₁＝{v_1i|i＝1,2,…,m}，表示候选的能源站和储能中心集合，V₂＝{v_2j|j＝1,2,…,n}，表示路网节点，包括交叉点、拐点、接入点集合，V₃＝{v_3k|k＝1,2,…,q}，表示负荷区集合；E＝{e(v,v’)|v,v’∈V}，表示顶点间的直接连通情况；

第二步，建立能距定义，W＝{D(e)＝D_v,v’|e(v,v’)∈E}，表示边e的权集，这里定义为能距，表示管线费用，包括建设费和运行维护费；

在站网图G＝(V,E,W)中，且v≠v’，用表示能源站v至负荷区v’的最小能距，S(v)表示v到所有v’的最小能距与v’的负荷需求之积的总和，并加上能源站建设与维护的费用年值，即：

于是，在所有v中使S(v)取最小值的顶点z称为图G的中位点，可表示为：

此时，使得S(v)最小的点z与所有v’之间的最短路径所构成的子图，称为z相对于V₃的最小生成树；

能源站建设与维护的费用年值计算公式为：

能源站初投资费用

能源站初投资包括土建费用、设备投资和安装费用，根据设备容量进行非线性最小二乘法拟合得到如下公式：

其中，

——能源站初投资，元；

V^ES——设备容量，kW；

C^ES——设备的单位容量投资成本，元/kW，且假设所有配套设备的投资已经折算其中；

能源站年维护管理费用

主要包括人工费和维护费，按下式计算：

其中，

——年维护管理费用，元；

μ₁——人工费用比例系数；

μ₂——维护费用比例系数；

在站网图G中，若V₁中存在一个顶点集合P，使V₃中所有顶点至集合P的能距之和最小，则称集合P为该图的P中位，在站网图G的候选能源站集合V₁中找出子集P，为负荷区集合V₃中的负荷需求点提供服务，使得所选|P|个能源站和全部负荷区的最小能距与负荷需求之积的总和最小，因此，模型可表述为求解集合P＝{v|v∈V₁}，使得：

且满足以下条件：

公式(1)表示对于V₁的全部子集X来说，P中位是使得S(v)之和最小的集合X；公式(2)给出了S(v)的实现，并且使得S(v)之和最小的点v_i与中所有之间的最短路径所构成的子图，称为v_i相对于的最小生成树；公式(3)表明所有负荷区都享受能源站的服务；公式(4)表明每个负荷区只能由一个能源站提供服务；

第三步，基于能距的定址布网算法，在已知所有负荷区的负荷预测值和供能系统容量的前提下，根据P中位的数学模型，确定能源站的数量和位置、储能中心的位置以及管网的布局走向,在站网图G＝(V,E,W)中，v’∈V，且v≠v’，顶点v至顶点v’路线的费用年值用能距D来表示，即：

其中，

PL——表示管线；

r——利率；

L——项目寿命年限；

管线初投资包含了管线建设所有投资，包括管材、管路附件、保温以及施工的费用，按照下面的公式计算：

其中，

——管线初投资，元；

d_i——管段i的管径，m；

l_i——管段i的长度，m；

K——管线节点数；

C(d_i)——管段i的单位造价，元/m；

循环水泵运行电费计算公式如下：

其中，

——循环水泵年运行费用，元；

F_p——循环水泵的设计流量，m³/s；

P_p——循环水泵的工作压力，Pa；

C_e——电价，元/kW·h；

η_p——水泵的机电效率；

T_p——循环水泵的年最大工作时间，h；

输水管道冷热量损失费用的计算公式如下：

其中，

——输水管道冷热量损失费用，元；

λ——保温材料的导热系数，W/(m·℃)；

t_c——输水管道内外平均温度差，℃；

δ_i——管道的厚度，m；

δ_ti——管道保温层的厚度，m；

COP——系统的能效比；

管线的折旧、维护费用按下式计算：

其中，

——管线的年折旧、维护费用，元；

——折旧率；

——维护费用比例系数；

所述的第三步中，基于能距的定址布网算法包括以下步骤：

对于站网图G＝(V,E,W)，假定X是V₁的子集，k＝|X|表示集合X的元素个数，k＝1,2,…,m，m是V₁的元素个数；用X^k表示含有k个元素的集合，表示V₁幂集的子集，是由只含有k个元素的V₁的子集组成的，

初始时，令k＝1，中位点集合P＝φ，经济成本f(P)＝0，更新标志变量flag＝0，

步骤1：采用Floyd最短路径计算法建立站网图G各顶点间的最小能距矩阵M，即：

i，j＝1，2，...，J，J＝|V|＝m+n+q

且有

步骤2：如果km，跳转至步骤8，否则，执行步骤3；

步骤3：如果当flag＝1时跳转至步骤7，否则执行步骤8；如果则对于所有的给定v_j∈V₃，若则将v_j放入集合中；重复该过程，直至V₃中的全部元素均得到分配；

步骤4：对于所有的计算S(v_i)，即：

然后求和，得到：

步骤5：若则更新f(P)和P，即并保存集合中顶点到V₃的所有最小生成树，且置flag＝1；

步骤6：r＝r+1，转到步骤3；

步骤7：k＝k+1，r＝1，转到步骤2；

步骤8：输出最小经济成本f(P)、中位点集合P以及相应的最小生成树集合，其中，P中位点即为规划能源站的位置，数量为|P|，最小生成树即为管网布局方案；

步骤9：对于V₁中去掉P中位点后剩余的所有候选顶点v_i，找出与全部P中位点v_j能距之和最小的点v，即计算g(v)：

并将v作为储能中心的位置，其与P之间的最短路径作为储能中心与能源站间的管线走向，至此，算法结束。

2.根据权利要求1所述的一种区域能源互联网全自动站网布局优化方法，其特征在于：所述的第二步中，

其中，

PL——表示管线；

r——利率，取6％；

L——项目寿命年限，设为20年；

管线初投资包含了管线建设所有投资，包括管材、管路附件、保温以及施工的费用，按照下面的公式计算：

其中，

——管线初投资，元；

d_i——管段i的管径，m，取0.5m；

l_i——管段i的长度，m；

K——管线节点数；

C(d_i)——管段i的单位造价，元/m，取C(d_i)＝9.4868+4.942d_i；

循环水泵运行电费计算公式如下：

其中，

——循环水泵年运行费用，元；

F_p——循环水泵的设计流量，m³/s，取1.8-3m/s；

P_p——循环水泵的工作压力，Pa，取150kPa；

C_e——电价，元/kW·h，取0.60元/kW·h；

η_p——水泵的机电效率，取0.5-0.7；

T_p——循环水泵的年最大工作时间，h，取3360h；

输水管道冷热量损失费用的计算公式如下：

其中，

——输水管道冷热量损失费用，元；

λ——保温材料的导热系数，W/(m·℃)，取0.06W/(m·℃)；

t_c——输水管道内外平均温度差，℃，取10℃；

δ_i——管道的厚度，m，取0.5m；

δ_ti——管道保温层的厚度，m，取0.09m；

COP——系统的能效比，取4.2；

管线的折旧、维护费用按下式计算：

其中，

——管线的年折旧、维护费用，元；

——折旧率，取3％；

——维护费用比例系数，取0.015。