- 頭條減輕大氣污染的新思路：電網與天然氣網的能量流協同優化方法2021-02-28 作者：史守圓 瞿凱平 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語華南理工大學電力學院的研究人員史守圓、瞿凱平、余濤、劉前進、王文睿，在2019年第23期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“計及大氣污染物時空擴散的電-氣能流分散協同優化”），針對傳統大氣污染物排放總量控制對降低發電活動污染危害效率不高的問題，提出一種計及大氣污染物時空擴散和地區容忍能力差異的電-氣互聯系統最優能流分散求解算法，同時提出一種不含整數變量的天然氣管道氣流方向描述方法。 基于高斯煙團模型描述污染物時空擴散過程，建立發電活動對空氣污染的評價指標和環境附加約束。用若干僅含二次方項的等價約束替代含有絕對值符號的Weymouth氣流方程，并通過罰凸凹過程將模型凸化。最后基于廣義Benders分解將最優電-氣能流問題分解為可獨立求解的電力網絡主問題和天然氣網絡子問題，兩者只需交換少量信息便可實現協同優化。 仿真算例驗證了該方法減輕大氣污染的有效性及所提氣流方向處理方法的準確性和優越性。
大氣污染是影響人類生活的重要環境問題。作為主要能源消耗行業之一，電力行業在發電過程中排放的污染物對大氣環境和人的健康造成危害。近年來，為提高能源利用效率并減少對環境的污染，電力系統逐漸向多種能源網絡耦合的能源互聯網轉型。
而得益于天然氣熱值高、排放低且儲量大等優點，電力網絡和天然氣網絡耦合的電-氣互聯系統（Integrated Power and Gas System, IPGS）已過渡成為能源互聯網下的一種基礎形式，而考慮經濟、環境因素的最優電氣能流（Optimal Power-Gas Flow, OPGF）也有望成為一種在保障能源可靠供應的同時降低大氣污染的新途徑。
盡管能量載體已從電力潮流過渡到電-氣能量流，但對大氣污染物的控制方式依然維持著原有的排放總量控制模式。由于不同地區的人口密度和植被覆蓋情況不盡相同，其對大氣污染物的容忍能力和自凈能力也不一樣。而排放總量控制模式忽視了這些因素，往往不能將大氣污染物的危害降至最低。
事實上，大氣污染物的地面濃度是危害人們健康的直接因素，而考慮大氣污染物濃度以及不同地區對大氣污染物容忍能力的控制模式才是一種更為直接有效的方式。大氣污染物濃度主要是由于污染源排放污染物的擴散所造成，而影響大氣污染物擴散的因素主要包括污染源位置、高度以及排放量等污染源因素，以及風速、風向、大氣穩定度等大氣環境因素。因此，構建大氣污染物時空擴散模型是控制IPGS大氣污染物危害的基礎。
目前關于IPGS運行的許多研究依然采用集中統一優化調度的方式。這要求調度中心對電網和氣網運行機制都有充分了解，對調度中心的業務能力要求很高。另一方面也意味著電網和氣網都要將自己內部信息完全暴露出來。作為獨立的能源供應網絡，電力網絡和天然氣網絡往往不愿意將自己的信息都上傳到一個調度中心。同時，天然氣網絡和電力網絡負荷情況和內部網絡結構經常發生變動，調度中心的數據更新難度也比較大。
為此，國內外學者提出了許多電-氣互聯系統分散協同優化的方法，其中分散協同的核心算法以交替方向乘子法（Alternating Direction Method of Multipliers, ADMM）為主。
如有學者面向有協調中心和無協調中心兩種系統分別提出了相應的分散協同優化方法，有學者將協同優化的主體擴展為多個區域電-氣互聯系統；有學者提出了一種電-氣互聯系統的協同魯棒優化方法；有學者在ADMM分散優化框架上重點介紹了天然氣非凸約束的罰凸凹過程（Penalty Convex-Concave Procedure, PCCP）。
上述研究解決了電-氣互聯系統的協同優化問題，但都沒有考慮發電污染問題，限制了燃氣發電環保優勢的體現。
此外，廣義Benders分解（Generalized Benders Decomposition, GBD）也是分散求解的一種可行方法，它通過迭代生成一系列線性約束割不斷地對可行域和值域進行逼近，求解速度快。目前GBD在IPGS分散協同優化中運用較少。
電-氣互聯系統優化模型的求解難度主要來自于天然氣網絡管道氣流方程約束的非凸問題。對于電力網絡，可采用已廣泛應用的線性直流潮流進行建模，以保證模型的凸性。而天然氣網絡則比較復雜。由于氣流在管道中傳輸受到的摩擦力大小與氣流二次方成正比但方向與氣流方向相反，使得目前各種描述管道氣流的模型都帶有在優化問題中難以處理的絕對值符號。
目前針對管道氣流方向的處理方法主要有兩種：①假定氣流方向提前確定且在一天內保持不變，這會造成可行域減小，進而影響調度的可行性和最優性；②引入整數變量來表示管道氣流方向，大量整數變量的存在給模型處理和求解帶來困難。
針對上述問題，作者提出了計及大氣污染物時空擴散的分散電-氣能流協同優化方法。具體而言，論文的貢獻可總結如下：
1）基于高斯擴散模型，建立了IPGS大氣污染物排放的時空擴散模型，并提出了考慮區域大氣污染物容忍能力的標幺化大氣污染物濃度貢獻指標和環境附加約束，按照大氣污染物容忍能力區別對待各地區。為了保證擴散模型的精度，本文將一個調度時段等分為多個分段來描述大氣污染物擴散，并對合適的分段數量進行了討論。
2）以Weymouth穩態氣流模型為例，改進文獻[21]的方法，提出了一種不含整數變量的氣流方程等價形式，消去式中絕對值符號的同時仍可描述氣流方向的變化。由于本文提出的氣流方程形式上只含有決策變量的二次方項，在優化過程中易于處理。
3）使用PCCP對天然氣模型進行凸化，并在PCCP每一步迭代中采用GBD將OPGF分解為可獨立求解的電網主問題和氣網子問題。不設上層協調中心，電力網絡和天然氣網絡通過燃氣機組直接耦合，只需交換少許參數便可達到協同優化的目的。
圖1 高斯煙團模型
圖3 模型求解算法結構結論
本文提出了一種計及大氣污染物時空分布的電-氣互聯系統分散協同優化方法，建立了大氣污染物濃度貢獻指標和環境相關附加約束，提出了天然氣管道氣流方向處理方法及其凸化方法，并利用廣義Benders分解方法實現電-氣系統分散協調優化。綜合算例分析結果，所得結論如下：
1）與傳統的污染總量控制方法相比，本文提出的考慮大氣污染物時空分布的調度方法根據環境容忍能力區別對待不同地區，使得IPGS能以較低的成本犧牲，顯著降低發電活動對低環境容忍力地區大氣污染物濃度的貢獻，減小對居民生活的影響。
2）從理論和仿真結果中驗證了本文提出的天然氣管道氣流方向處理方法和等價約束的正確性。由于沒有使用整數變量，本文提出的等價約束更加便于處理，求解速度快且準確性高。
3）本文采用的基于PCCP-Benders的分散協同優化方法可以在保持電-氣兩個系統信息相互獨立的基礎上，通過少量參數交換便可實現兩個系統的協同優化，優化結果與集中式方法基本一致，算法效率相對集中式內點法有大幅提高。
