具有多能源耦合特性的能源互联网分布式节能优化方法研究

For solving the problem of energy-saving optimized operation of Energy Internet with multi-kinds of energy coupling characteristic, a consensus-based distributed coupled optimization method is presented in this project, which overcomes the deficiency of existing distributed optimization methods to solve multivariable coupling and handle global constraints in a distributed way, achieve the optimize coordination between multi-kinds of energy, and guarantee the safe, economic, stable operation of Energy Internet. The main research content include: research the description method of the topology structure and energy flow of Energy Internet, construct its optimal operation model; propose a method to transform the global constraints into local constraints and design a coupled consensus protocol to handle the global constraints with coupled multi-variables in a distributed way; present a consensus-based sub-gradient algorithm with multi-dimensional domain decomposition to handle the couplings existed in the objective function and inequality constraints， and finally obtain the optimal solution. Design experiments on the energy internet semi-physical simulation platform which has been already built up to illustrate the effectiveness of the obtained results.

本项目针对具有多能源耦合特性的能源互联网节能优化运行问题，提出一种基于多智能体一致性的分布式耦合优化算法，克服现有分布式算法难以处理多类型变量交叉耦合和分布式处理全局约束的不足，实现能源互联网所含多种能源间的自主优化协调，保障能源网络的安全、经济、稳定运行。主要研究内容包括：研究可准确反映能源互联网结构组成和能量流动的系统描述方式，建立能源互联网节能优化运行模型，为后续优化算法的设计提供依据；提出一种将全局约束转化为局部约束的转换方法，进而结合一致性分析方法，设计一种多一致性耦合协调策略，实现以分布式方式处理带有多变量交叉耦合的全局约束；提出一种基于多智能体一致性的次梯度多维区域分解优化算法，进一步处理目标函数和局部不等式约束上的多变量耦合关系，并最终得到所研究问题的分布式求解方案；结合实际对象，在已构建的能源互联网半实物仿真平台上，对所得理论进行仿真和应用验证。

带有多能耦合特性的能源互联网（ENERGY INTERNET, 简称EI）的节能优化运行问题，近年来一直是能源领域与自动控制领域的热点和难点问题。本项目旨在基于多智能体一致性理论与最优化理论，开展了对能源互联网节能优化运行的最优目标建模与分布式运行优化控制算法设计的研究。① 提出了基于能源总线思想EI结构组成和能量流动的稳态系统描述方式，并结合标准EI的实际特征，充分考虑了各个设备与EI内外运行特征与多种外界环境因数，建立集成多元能源一体化的标准能源互联网系统节能优化运行目标模型；②针对以电能传输为基础的EI，同时计及通信网络时延特性、络传输损耗特性、需求响应特性，设计了两种同时考虑网络传输时延和输入时延的分布式优化运行算法，并分别依据频域稳定性分析方法和李雅普诺夫稳定性分析方法给出了分布式算法的收敛条件；③针对一类单区域电-热能源集成EI，计及多能传输损耗、潮流约束特性和负荷时变特性，基于拉格朗日乘子法建立了系统与之对应的非线性、多约束、耦合优化问题的最优协调方程，并提出了一种基于一致性的双Lamda迭代的分布式优化算法实现电热能源的最优分配；④针对一类具有电、热两种能源形式的区域级EI，提出了两种两一致性分布式优化算法，分别可以在半分布式和全分布式框架下，实现并网与孤岛模式下的IE优化运行；⑤针对一类多区域互联的EI系统，考虑市场能源价格波动与新能源波动特性，提出了两种含有和不含有事件触发机制的分布式交替乘子分布式优化算法，所提出方法可以有效应对多能耦合、全局约束和非线性目标函数的优化求解，实现了多区域互联的EI系统的协同优化运行。⑥搭建了EI半实物仿真平台，对所提算法进行了实验与测试，验证了所提理论与技术的正确性与有效性。.项目组共发表论文14篇，其中SCI论文10篇（IEEE期刊长文4篇），EI论文4篇，申请发明专利11项，获省部级科技奖励1项，超额完成项目预期目标。项目研究所的成果对推动分布式协同优化理论的发展和促进我国智慧能源网络建设都具有积极意义。