[论文解读] Modeling A Micro-Nexus of Water and Energy for Smart Villages/Cities/Buildings

Qifeng Li, Suhyoun Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Water-Energy-Food Nexus Studies参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文提出了一种高保真度的混合整数非线性规划模型，用于集成交流潮流、电池储能和可再生能源发电的微水能互联网络（micro-WEN），并结合了管道网络中泵启停状态的非线性水力建模。在结合IEEE 13节点配电网与8节点水网的测试案例中，协同优化框架相较于独立优化水系统与能源系统的方案展现出更优的成本效率。

ABSTRACT

This paper introduces a micro-nexus of water and energy which can be considered as one of the physical infrastructures of the future building/city/village systems. For the electricity side, an alternating current (AC) power flow model integrated with battery energy storage and renewable generation is adopted. The nonlinear hydraulic characteristics in pipe networks is also considered in the proposed micro water-energy nexus (WEN) model. Integer variables are involved to represent the on/off state of pumps. Base on the proposed nexus model, a co-optimization framework of water and energy networks is developed. The overall co-optimization model is a mixed-integer nonlinear programming problem which is tested on a waterenergy nexus which consists of the IEEE 13-bus distribution system and a 8-node water distribution network. The simulation results demonstrate that the cost-efficiency of the co-optimization framework is higher than optimizing two systems independently.

研究动机与目标

• 应对智能乡村、城市及建筑中日益增强的水能系统相互依赖性。
• 在配电网层面开发物理上准确的水能互联网络（WEN）模型，以弥补以往模型常依赖简化假设的不足。
• 通过协同优化水能网络提升系统整体效率与韧性。
• 通过智能水泵调度支持需求响应与电网灵活性。
• 为紧急情况下微水能互联网络的协同孤岛运行、安全与可靠性奠定基础。

提出的方法

• 构建混合整数非线性规划（MINLP）模型以表征耦合的水能系统。
• 在电力侧采用交流潮流模型，集成电池储能与可再生能源发电。
• 引入非线性水力方程（如达西-韦斯巴赫或哈森-威廉姆斯公式）以模拟管道网络中的压力与流量。
• 引入二值变量表示水泵的启停状态，实现离散控制决策。
• 通过共享的网络物理基础设施将水网与电网集成，实现实时协调。
• 采用协同优化框架，同时最小化两个网络的总系统成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在配电网层面开发一种高保真度、物理上准确的水能互联网络模型？
• RQ2 与独立优化相比，协同优化水能系统会产生何种影响？
• RQ3 通过可控的水泵运行，水分配系统能在多大程度上提供电网灵活性？
• RQ4 引入非线性水力模型与交流潮流模型对互联网络模型的准确性与性能有何影响？
• RQ5 所提出的微水能互联网络模型能否支持在停电期间的协同孤岛运行与韧性提升？

主要发现

• 协同优化框架的成本效率优于独立优化水系统与能源系统的方案。
• 非线性水力建模与交流潮流建模的集成，使现实系统动态的表征更加准确。
• 通过二值启停变量实现的水泵调度，可有效实现需求响应并降低能源成本。
• 该模型支持并网与孤岛运行模式，增强了偏远或离网社区的韧性。
• 该框架证明了可利用水系统作为电网灵活性的来源，以平衡间歇性可再生能源发电。
• 在IEEE 13节点系统与8节点水网的测试案例中，验证了模型的可扩展性与实际应用价值。