贾宏杰,汪晗忱,靳小龙,穆云飞,陈盛,张家郡/集成差异化建筑集群的微网系统分层分布式优化调度/2024,48(22):96-107.
针对差异化绝热性能建筑集群与微网系统间的协同互动，本文提出一种基于交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers，ADMM）的分层分布式优化调度策略，在实现微网高效、经济运行的同时，充分考虑不同建筑集群的差异化利益诉求和隐私保护需求。
研究背景
对智能建筑（intelligent building，IB）进行用电策略优化是挖掘其灵活用电潜力和节能减排的关键，而微网能量管理为此提供了可行的解决思路。集成建筑集群的微网系统是集成了微网系统运营商（microgrid system operator，MSO）和以建筑集群为单位的建筑用户以及分布式电源、能量转换和保护装置等多种不同形式发配电资源的能源网络，对建筑节能降耗及参与需求响应（demand response，DR）具有重要意义。
解决的问题及意义
本文提出了一种基于ADMM的分层分布式微网系统优化调度方法。该方法建立了一种微网系统的分层分布式优化调度框架，有效解决了传统集中式方法存在的用户隐私数据泄露和算力负担较大问题。此外，本文考虑了建筑用户和MSO利益诉求的冲突，且进一步兼顾了绝热性能不同的建筑集群DR能力的差异，充分挖掘了建筑集群微网系统供需两端的灵活性。结论如下：
1) 建筑围护结构的热惯性使建筑物具有一定的蓄热能力，绝热性能较好的建筑用户会通过多次提高建筑暖通空调（heating, ventilation, and air conditioning，HVAC）送风温度提前蓄热，从而降低一天内HVAC的整体用电负荷，降低用能成本，同时保证室内温度维持在舒适范围内。
2) MSO和建筑用户是具有供需关系和利益冲突的不同主体，两者利益相关，互相影响对方决策。本文所提基于ADMM构建的分层分布式优化模型使双方共同参与用电规划和电价制定过程，实现了多主体利益均衡。同时，MSO具有与绝热性能不同的建筑集群进行差异化协同互动的能力。
3) 本文提出的基于ADMM的分层分布式协同优化方法可以实现在用户仅上报非隐私的边界信息时，得到合理且准确的电能调度和电价制定结果，同时收敛速度理想。此外，分层分布式计算由多主体并行参与，上层MSO的算力负担部分被转移至下层用户侧能量管理系统（energy management system，EMS）。因此，设计分层分布式微网优化调度方法具有现实意义。
重点内容
1）建筑侧模型
本文利用热阻-热容（resistance-capacitance，RC）网络描述建筑围护结构热动态过程，并构建建筑灰箱等效热参数（equivalent thermal parameter，ETP）模型。单墙体RC网络模型如图1所示，其中得热点1为墙体中点，得热点2为该墙体所围制热区域的室内空气节点。单制热区域RC网络模型如图2所示，其中制热区域1空气节点为温度节点1，温度节点2、3、4、5分别为制热区域2、3、4和室外空气节点。
图1 单墙体RC网络模型
图2 单制热区域RC网络模型
2）基于ADMM的分层分布式优化数学模型
本文考虑数据隐私性需求，采用ADMM进行分层分布式求解。通过引入虚拟变量拆分上层MSO和下层建筑集群用户子问题，并耦合上下层优化变量，根据ADMM进行局部更新和交替迭代，得到全局优化解。为确保算法的收敛性，利用McCormick包络松弛方法将子问题转化为凸优化，从而高效求解。ADMM求解过程的流程如图3所示。
图3 ADMM求解过程流程图
上述基于ADMM的微网分层分布式优化调度模型计算过程如下。
步骤1：参数初始化。
步骤2：子问题求解，由此可得各优化变量第k+1次迭代的对应的值。
步骤3：参数更新。
为提高ADMM算法性能，加快收敛速度，本文采用一种两阶段自适应动态调整方法来更新惩罚因子。
第1阶段：定义残差变化量和对偶残差变化量并计算。
第2阶段——更新惩罚因子的值。
步骤4：收敛判定条件。
检查残差和对偶残差是否均满足收敛判定条件，若满足，则判定算法收敛，停止迭代，输出结果。否则，令迭代次数k=k+1，回到步骤2。
3）仿真结果
本文采用原文图1所示算例场景来验证所提分层分布式微网优化调度方法的合理性和有效性。算例中的微网系统集成了3个具有不同蓄热特性的建筑集群和两个相同的光伏系统。
不同集群建筑室内温度和HVAC送风温度的关系如图4所示。HVAC送风温度根据室外温度和电能调度的优化结果在上下限范围内调节。由于建筑围护结构具有热惯性，HVAC送风温度的突然升高或降低会导致室内温度经过延迟后在舒适范围内升高或降低。HVAC送风温度的变化与室外温度呈现相反的趋势：在04:00—08:00时段室外温度较低，导致室内外温差增大，室内空气热量流失较快，此时需要较高的送风温度以维持室内温度在舒适范围内；同理，在12:00—16:00时段室外温度较高，可以适当使送风温度维持在较低水平，降低供热成本。从24 h的时间尺度观察，3个建筑集群的HVAC送风温度变化均满足上述趋势，但是整体送风温度排序为建筑集群C≻B≻A（≻表示优于）。该结果与绝热性能高低的顺序相反，这是由于绝热性能较好的建筑集群在HVAC供热时蓄热更多，在室外温度较低时散热更慢，因此送风温度更低，节能效果更好。
图4 室内温度和HVAC送风温度的关系
MSO会根据3个建筑集群的用电量和光伏系统的发电量向配电网购买电能，如图5所示。由于售电价格完全由配电网决定，MSO的购电行为会受到该电价的引导，购电量变化趋势与电价相反：上午和夜间的电价较低，此时MSO选择提高购电功率；相反，中午和下午配电网提供的电价骤升，此时MSO的购电量最低。
图5 MSO向配电网购电功率和每kW·h购电价格关系
本文提出的分层分布式算法和集中式算法下一日MSO运营收益对比如图6所示。可以看出，MSO运营收益与集中式方案基本相同，验证了分层分布式算法的准确性。本文所提分层分布式算法的残差和对偶残差收敛曲线如图7所示。该算法经过290次迭代后满足收敛条件，得到均衡解。
图6 目标函数值收敛曲线
图7 残差与对偶残差收敛曲线
结论
本文提出了一种基于ADMM的分层分布式微网系统优化调度方法。该方法建立了一种微网系统的分层分布式优化调度框架，有效解决了传统集中式方法存在的用户隐私数据泄露和算力负担较大问题。此外，本文考虑了建筑用户和MSO利益诉求的冲突，且进一步兼顾了绝热性能不同的建筑集群DR能力的差异，充分挖掘了建筑集群微网系统供需两端的灵活性。
/ 引文信息
贾宏杰,汪晗忱,靳小龙,等.集成差异化建筑集群的微网系统分层分布式优化调度[J].电力系统自动化,2024,48(22):96-107.
JIA Hongjie, WANG Hanchen, JIN Xiaolong, et al. Hierarchical and Distributed Optimal Scheduling for Microgrid System Integrating Differentiated Building Clusters[J]. Automation of Electric Power Systems, 2024, 48(22): 96-107.
作者简介
Introduction to the Main Authors
贾宏杰
博士，天津大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，长江学者特聘教授，主要从事综合能源系统及智能电网领域的建模、优化、分析及控制工作。贾宏杰教授在电力系统安全性与稳定性方向上取得的研究成果曾获全国百篇优秀博士论文奖，2012年国家技术发明二等奖和2009年高校十大科技进展奖励（均第二），及省部级一等奖2项。在综合能源系统方向上，先后主持973前期研究专项项目“节能减排和新能源探索基础研究”和863项目“智能用电与综合能源利用技术”等多项国家级课题；所领导的“智能电网及智能能源系统”入选天津市131创新型人才团队。E-mail：hjjia@tju.edu.cn
汪晗忱
硕士研究生，现就职于国网浙江省电力有限公司建设分公司，主要研究方向：配电网能量管理和灵活性交易。E-mail：enthusiasm_chen@163.com
靳小龙
博士，天津大学英才副教授，特聘研究员，博士生导师。主要研究方向：负荷侧灵活资源调控及市场机制。E-mail：xljin@tju.edu.cn
穆云飞
博士，天津大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。主要研究方向：电力系统安全性与稳定性、综合能源集成与应用及电动汽车并网规划与运行控制。E-mail：yunfeimu@tju.edu.cn
陈 盛
硕士，中国电力科学研究院有限公司主任工程师，高级工程师。主要研究方向：人工智能在微网群运行优化领域应用。E-mail：chensheng@epri.sgcc.com.cn
张家郡
硕士，工程师，国网吉林省电力有限公司电力科学研究院优秀专家。主要研究方向：灵活性资源调控及微电网优化运行。E-mail：15004300630@163.com
天津大学贾宏杰团队长期从事电力系统与综合能源系统稳定性分析与运行优化方面的研究。在电力系统安全性与稳定性方面，系统地构建了电力系统小扰动稳定域、广域电力系统时滞稳定性和时滞稳定域的基础理论与分析方法体系，丰富发展了电力系统综合安全域理论，主持研发了大电网安全分析、预警、监控和风险评价系统，成功应用于国家电网有限公司、中国南方电网有限责任公司和美国Tri-State公司等企业，创造了显著的经济和社会效益。在综合能源系统稳定性分析与运行优化方面，构建了电/气/冷/热微型综合能源系统的通用仿真模型，建立了适用的分层优化协调控制策略及实现框架，研发了多种综合能源系统运行优化和安全调控技术。团队先后承担包括国家863项目、国家973前期研究专项项目、国家自然科学基金项目及国家重点研发计划等在内的多项重要科研项目，在国内外学术期刊发表学论文200余篇。相关研究成果曾获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步二等奖2项，中国高校十大科技进展1项，省部级科技奖励一等奖4项。
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