備戰(zhàn)條件下能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化配置方法

鄭曉坤，牛延莉，孫 輝

（中國人民解放軍78111部隊，四川 成都 610000）

0 引 言

目前，已有能源互聯(lián)網(wǎng)的研究都未考慮軍事應用和戰(zhàn)爭因素。在非和平時期，骨干網(wǎng)電力系統(tǒng)將變得不可靠，軍事和民用設施的電力供應將是大問題。因此，考慮備戰(zhàn)條件下的軍事能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化配置很必要[1]。本文通過合理配置城市中可再生能源發(fā)電設備、燃油的存儲量以及戰(zhàn)時能量供應原則，使軍事能源互聯(lián)網(wǎng)在和平時期運行符合經(jīng)濟運行原則，在非和平時期能給軍事需求提供穩(wěn)定充足的能量供給，實現(xiàn)“和平和戰(zhàn)爭相結(jié)合、供能可靠、來源廣泛”的戰(zhàn)爭供能原則。

1 軍事能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行準則

備戰(zhàn)條件下的軍事能源互聯(lián)網(wǎng)（Military Energy Internet，MEI）是圍繞著重要的軍事單位建立的能源互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及能量供應關(guān)系如圖1所示。

在和平時期，外網(wǎng)供電穩(wěn)定，系統(tǒng)的優(yōu)化目標是使經(jīng)濟效益最大化。通過合理控制系統(tǒng)運行策略，使MEI系統(tǒng)與外電網(wǎng)的交互過程既能滿足負荷需求，又能使經(jīng)濟效益最大化。在非和平時期，外網(wǎng)供電不穩(wěn)定、不可靠，系統(tǒng)內(nèi)部的軍用負荷需要內(nèi)部的發(fā)電單元及民用微電網(wǎng)的支持。在非和平時期，確保軍用載荷的供電是首要目標。

備戰(zhàn)條件下，能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置的目標是綜合考慮內(nèi)部、外部環(huán)境因素，協(xié)調(diào)控制MEI和CV的供應關(guān)系，優(yōu)化系統(tǒng)中各發(fā)電單元容量、儲能設備容量等，使得系統(tǒng)建設和運行的經(jīng)濟性以及非和平時期的供電穩(wěn)定性達到最優(yōu)。

2 MEI系統(tǒng)優(yōu)化優(yōu)化配置模型

軍事能源互聯(lián)網(wǎng)中，各發(fā)電單元模型（風、光、儲、柴發(fā)電機模型）可參考文獻[2]。

2.1 MEI年化成本

考慮MEI系統(tǒng)的建設成本時，一般用各部件的年化成本（ACS）來衡量。廣義電源年化成本可以用式（1）進行計算：

其中，Cx為MEI系統(tǒng)中電源x的固有成本的年化成本。

2.2 MEI運行成本

MEI的運行成本主要指在和平時期系統(tǒng)滿足負荷需求與外電網(wǎng)發(fā)生交易時總的經(jīng)濟付出。以一天為運行優(yōu)化時長，以4 h為步長，根據(jù)優(yōu)化做出每天的運行策略，計算總的周期T內(nèi)系統(tǒng)的運行成本：

圖1 MEI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

假設規(guī)劃期為T，di,i∈(0,1,2,…,T)為規(guī)劃期內(nèi)的第i天。在規(guī)劃期內(nèi)，非和平時期的開始時間為T0，結(jié)束時間為T1。Cdi為MEI在第i天內(nèi)按優(yōu)化策略運行一天的成本。根據(jù)圖1中MEI系統(tǒng)的能量供應關(guān)系，第i天的運行成本為：

第i天的運行優(yōu)化策略為使經(jīng)濟最大化，優(yōu)化結(jié)果是MEI一天的運行成本，決策變量的取值是每一步長系統(tǒng)的運行策略。

2.3 MEI負荷切除代價

非和平時期外電網(wǎng)供電不穩(wěn)定，增加的軍用負載增大系統(tǒng)負荷需求，在電力供應不足時將導致部分載荷從系統(tǒng)切除，由此造成的影響可以用代價函數(shù)表示（可靠性目標為最小化切除代價），則非和平時期代價函數(shù)可以表示為：

3 算例分析

為驗證本文提出的優(yōu)化配置MEI方法的有效性，以實際數(shù)據(jù)為參考，通過構(gòu)建一個包含一個軍事微網(wǎng)和兩個民用微網(wǎng)的MEI算例來驗證模型。仿真一個規(guī)劃時間為5年，假設非和平期持續(xù)2個月，優(yōu)化單位時長為4 h，以此計算MEI的優(yōu)化配置方案。

3.1 參數(shù)設置

風速、光照強度以及載荷需求等環(huán)境數(shù)據(jù)參考 GEF Com 2014 Data（Global Energy Forecasting Competition 2014 Data）中提供的標準數(shù)據(jù)[3]。

MEI系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電模型參考文獻[1]，其中各部件的參數(shù)設置如表1所示。

3.2 算法求解結(jié)果

利用PICEA-g算法進行求解，根據(jù)算法參數(shù)設置，算法的進化代數(shù)設為100。以系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和非和平時期負荷切除代價為收斂目標，得到能綜合協(xié)調(diào)這兩個目標的結(jié)果。利用PICEA-g算法得到的收斂結(jié)果如圖2所示。

表1 MEI系統(tǒng)各部件參數(shù)

圖2 MEI系統(tǒng)多目標優(yōu)化帕雷托前沿

算法運行結(jié)果的最后一代帕雷托前沿中共有50個解，表示50種MEI優(yōu)化配置方案。選擇一個配置結(jié)果：光伏板裝機容量380 kW，風機裝機容量510 kW，蓄電池容量4 200 Ah，柴油存儲量15 248.48 kg，計算求得MEI系統(tǒng)總成本為1 695 731 $，在為期兩個月的非和平期負荷總切除代價為45.75，軍用核心負荷持續(xù)工作時間為24天（大于20天），滿足軍方對作戰(zhàn)條件下需要持續(xù)供應最低時限的要求[4]。

4 結(jié) 論

本文對MEI系統(tǒng)配置優(yōu)化做了初步研究，但仍有很多問題值得深入研究，如MEI系統(tǒng)在運行時內(nèi)部的能量供應優(yōu)化問題和在非和平時期設備的毀傷問題，都具有重要的現(xiàn)實意義。綜上所述，MEI系統(tǒng)是在軍民融合戰(zhàn)略背景下，結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在備戰(zhàn)條件下為軍事負載提供可靠能源支撐的可靠解決方案。