本发明属于城市能源互联网优化调控,多能源协同运行优化的技术领域，特别是一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法。
背景技术：
城市能源互联网由配电子系统、配气子系统、供冷/热子系统等供能子网络耦合形成，并以冷热电三联供机组为核心耦合环节，完成城市电气冷热多种能源的分配、转换和平衡。城市能源互联网可以分为配气系统，配电系统，供热系统及多能源系统耦合环节。其中，配气系统又包括城镇天然气门站，配气网络，储气装置，调压站，各类城镇燃气用户等等；配电系统包括配电变压器、架空线路或者城市电缆、各类电力用户；供热系统包括供热源、供热管网、用户、热转换设备；耦合环节包括冷热电三联供系统，电锅炉，燃气锅炉，热泵，燃气轮机等。城市能源互联网的发展和应用对于提高能源利用效率具有重要的意义。考虑到城市能源互联网所包含的能源体系多样，涉及的能源环节复杂，针对城市能源互联网的优化潮流分析研究极具价值。
最优潮流(optimalpowerflow，opf)是指当城市能源互联网的网络拓扑，源-荷信息，网络参数等信息给定时，通过对控制变量的调整同时满足系统的约束条件，通过优化算法使城市能源互联网的某一个目标函数(比如燃料费用最小，网损最小，用户费用最小，能源供应商收益最大等等)达到最大或者最小时的最优潮流分布。针对能源互联网的最优潮流计算方法，已有诸多前期研究，如文献martinez-maresa,fuerte-esquivelcr.aunifiedgasandpowerflowanalysisinnaturalgasandelectricitycouplednetworks[j].ieeetransactionsonpowersystems,2012,27(4):2156-2166.和文献
然而，上述研究未充分考虑城市能源互联网不同能源系统之间的复杂交互作用机理，在进行潮流计算时往往采用分立方法，系统整体全局优化能力较弱，导致运行成本依旧居高不下。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法，包括步骤如下：
(1)配气系统数学模型
①稳态流动方程
配气系统模型是管道的稳态流动方程，对于k节点到m节点的配气网稳态流量fkm，采用下式描述：
其中：pn为标况下的天然气压力基准；ta为管道中天然气的平均温度；dkm为管道直径；l为管道的长度；tn为温度基准；pk为节点k的天然气压力；pm为节点m的天然气压力；γg，za，f为和天然气有关的系数，可以查表获取；pk＞pm，sg(pk,pm)＝1，若pk＜pm，sg(pk,pm)＝-1；
根据式子(1)，将配气系统稳态流量f改写为与配气网天然气气压压力差δπ有关的函数，表示为：
f＝φ(δπ)(2)
其中：
②连续方程
天然气流量在某一节点处代数和为零，表示如下：
a1f＝l(4)
其中：a1为天然气管网的支路-节点矩阵，l为负荷；
同时规定符号如下：对于支路而言，如果流量顺着支路流入某一节点，则f为正，如果流量顺着支路流出某一节点，则f为负，对于负荷节点而言，l为正，对气源节点而言，l为负；
根据式(3)，将配气网气压平方改写为与配气网天然气气压压力差δπ有关的函数，表示为：
δπ＝-atπ(5)
其中a为天然气管网的支路-节点矩阵，
③回路方程
根据基尔霍夫第二定律，对于一个回路而言，回路中的管道压力降为零，表示为：
bδπ＝0(6)
其中：b为天然气网络中的回路-支路矩阵，
(2)供热系统模型
①水动力模型
供热系统中对于某一节点，流入的热水质量等于流出的热水质量；对于某一回路，热水在网络中运动，由于摩擦的原因，水头压力会下降，因此对于一个热水回路而言，回路的压力降为0，表示为：
asm＝mq(7)
bhhf＝0(8)
式中：as为热力管网的支路-节点矩阵；m为管道流量；mq为热力负荷的负荷需求；bh为热力管网的支路-回路矩阵；hf为压力降，表示为
hf＝km|m|(9)
式中：k为管道的阻力系数参量，由管道的材质决定，
②热动力模型
热动力模型描述的是供热系统的热平衡行为，用户的热负荷需求取决于供热的供热温度ts，供热的输出温度to，以及单位时间内流入该热用户的热水质量mq，热力模型为：
φ＝cpmq(ts-to)(10)
热水在网络的流动过程中，假设管道的始端温度为tstart，末端温度为tend，环境温度ta，管道与温降有关的系数为λ，管道的长度为l，那么温降方程表示为：
热水在网络中发生混合须满足能量守恒定律，因此混合方程表述为：
(∑mout)tout＝∑mintin(12)
(3)配电系统模型
配电系统的模型为反映节点功率与节点电压之间关系的节点功率方程：
其中：
其中：vi，vj为节点i,j的电压，gij为节点导纳矩阵的电导，bij为节点导纳矩阵的电纳；
(4)多能源耦合环节建模
将城市能源互联网耦合环节概括为一个包括输入-输出二端口的网络，并利用一个耦合矩阵来描述输入能源同输出能源之间的关系，称为能源集线器模型，在能源集线器内部，不同耦合模式的设备根据需要任意组合，输入的能源和输出的能源形式也根据需要进行指定，
能源集线器的输入为p输出为l，整个能源集线器表示为：
l＝f(p)(15)
式中，cij为耦合因子，表示第j种形式能源输出与第i种形式能源输入的比值；
(5)城市能互联网统一潮流模型
城市能源互联网的统一潮流计算模型为：
式中：psp、qsp、φsp和lsp为初始状态下系统给定的参数，分别代表有功功率、无功功率、热功率和天然气负荷；第1、2行代表电力系统的模型，含义为系统的有功和无功差值，第3、4、5、6行代表热力系统的模型，含义为系统的节点热功率、供热力管网络回路压力降、供热温度及回热温度差值，第7行代表配气网模型，含义是天然气系统节点负荷差值；asl、agl分别为供热力管网络和天然气网络参数，根据网络拓扑形成的矩阵；cs、cr为根据热力管网、回热管网求得的矩阵，bs、br为根据供热温度和输出温度计算的矩阵，x＝[θ，u，m，ts.load,，tr.load，π]t为城市能源互联网的状态量；
将牛顿拉夫逊法运用到城市能源互联网联合潮流计算中，其迭代形式如下：
城市能源互联网潮流方程雅克比矩阵j表示为：
式中：δfe＝[δp，δq]t表示和配电系统有关的差值；δfh＝[(δφ，δp)，(δts，δtr)]t表示和供热系统有关的差值；δfg＝δf表示和配气系统有关的差值；xe＝[θ，u]t表示和配电系统有关的状态变量；xh＝[m，(ts.load，tr.load)]t表示和供热系统有关的状态变量；xg＝π表示和配气系统有关的状态变量；jee表示配电系统自身潮流同自身状态变量之间的关系；jhh供热系统自身潮流和自身状态变量之间的关系；jgg表示配气系统自身潮流与自身状态量之间的关系,
在配气系统中，平衡节点设置在气源节点，因此配气网络状态的变化所产生的供需波动将会由气源节点的波动变化来承担，不会传导到热力系统和电力系统因此jeg、jhg均为0；对于配电系统，配电系统内部的网路状态或者负荷情况发生变化时，由于配电系统根节点为变压器，因此其网络内部的波动会由变压器的功率变化来承担，波动所产生的影响不会顺延到供热系统和配气系统，因此jge、jhe为0；对于供热系统来说，由于其平衡节点实际上是配电系统和配气系统的负荷，具体依赖于能源集线器内部的设备形式，所以供热系统网络状态的改变以及负荷情况的变化，会导致供热系统平衡节点出力的变化而影响到配电系统和配气系统，因此jeh、jgh不为0，jeh、jgh的表达式依赖于能源集线器的形态，需要按照具体的情况去分析；
(6)城市能源互联网优化潮流
所述能源集线器由热电联供机组和燃气锅炉组成，通过调整流向燃气锅炉和流向热电联产机组的天然气比例，实现能源集线器热电比的调节，能源集线器的耦合矩阵系数为，
式中，v代表天然气的分配比例；
城市能源互联网的目标函数为综合能源运营商的运营成本最低，运营成本主要包括两块，分别是购电成本和购气成本，设综合能源运营商从大电网购买的电量为pgrid，从城镇天然气门站购买的天然气总量为pgas,，定义目标函数为：
minf＝cepgrid+cgpgas(29)
其中，ce表示的是电价；cg表示的是天然气价格，决策变量为能源集线器的分配比v，
①等式约束
对于城市能源互联网，等式约束由城市能源互联网潮流计算模型得知：
②不等式约束
约束条件由配电网，配气网，供热系统以及能源集线器四部分的约束组成，对于配电网而言，节点电压必须在某一范围内；
umin＜ui＜umax(31)
对于配气系统而言，配气系统的节点压力在一个范围内；
πmin＜πi＜πmax(32)
对于供热系统，管道流量在一个范围内；
fheat.min＜fheat.i＜fheat.max(33)
考虑到能源集线器中不同设备的运行约束，能源集线器的分配比存在一个上下限，表示为：
0＜v＜1(34)
城市能源互联网潮流优化模型由式(27)式-(34)式组成。
而且，所述步骤(4)中能源集线器模型具体由热电联供机组和燃气锅炉组成，能源集线器模型的热电比通过调整流向燃气锅炉和流向热电联产机组的天然气比例实现。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明提出一种基于热电比调节的城市能源互联网统一优化潮流计算方法，以能源互联网综合能源运营商的运营成本最低为目标，以热电比作为调节手段，建立了考虑配电网，配气网，供热系统以及能源集线器四部分约束的优化潮流模型并进行求解，可有效提高城市能源互联网运行的经济性；
2、本发明通过仿真表明，本发明应用简单、快速，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明中能源集线器原理示意图；
图2是本发明中一种典型能源集线器；
图3是本发明中城市能源互联网系统结构图；
图4是本发明中配电系统潮流计算结果示意图；
图5是本发明中供热系统各支路稳态流量示意图；
图6是本发明中供热系统各节点稳态温度示意图；
图7是本发明中天然气系统稳态流量示意图；
图8是本发明中天然气系统各节点天然气压力示意图；
图9是本发明中能源集线器输出功率示意图；
图10是本发明中配电系统潮流计算结果示意图；
图11是本发明中供热系统各支路稳态流量示意图；
图12是本发明中供热系统各节点稳态温度示意图；
图13是本发明中天然气系统稳态流量示意图；
图14是本发明中天然气系统各节点天然气压力示意图；
图15是本发明中能源集线器计算结果a示意图；
图16是本发明中能源集线器计算结果b示意图。
具体实施方式
以下对本发明实施例做进一步详述：需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它实施方式，同样属于本发明保护的范围。
一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法，包括步骤如下：
(1)配气系统数学模型
①稳态流动方程
配气系统模型是管道的稳态流动方程，对于k节点到m节点的配气网稳态流量fkm，可以采用下式描述：
其中：pn为标况下的天然气压力基准；ta为管道中天然气的平均温度；dkm为管道直径；l为管道的长度；tn为温度基准；pk为节点k的天然气压力；pm为节点m的天然气压力；γg，za，f为和天然气有关的系数，可以查表获取；pk＞pm，sg(pk,pm)＝1，若pk＜pm，sg(pk,pm)＝-1；
根据式子(1)，将配气系统稳态流量f改写为与配气网天然气气压压力差δπ有关的函数，表示为：
f＝φ(δπ)(2)
其中：
②连续方程
天然气流量在某一节点处代数和为零，表示如下：
a1f＝l(4)
其中：a1为天然气管网的支路-节点矩阵，l为负荷；
同时规定符号如下：对于支路而言，如果流量顺着支路流入某一节点，则f为正，如果流量顺着支路流出某一节点，则f为负，对于负荷节点而言，l为正，对气源节点而言，l为负；
根据式(3)，将配气网气压平方π改写为与配气网天然气气压压力差δπ有关的函数，可以表示为：
δπ＝-atπ(5)
其中a为天然气管网的支路-节点矩阵
③回路方程
根据基尔霍夫第二定律，对于一个回路而言，回路中的管道压力降为零，表示为：
bδπ＝0(6)
其中：b为天然气网络中的回路-支路矩阵
(2)供热系统模型
①水动力模型
供热系统本质上是流体场，需要满足流体运动规律，主要是节点流量连续和回路压损规律，具体地说，就是对于处于网络中的热水，对于某一节点，流入的热水质量等于流出的热水质量；对于某一回路，热水在网络中运动，由于摩擦的原因，水头压力会下降，因此对于一个热水回路而言，回路的压力降是为0，可以表示为：
asm＝mq(7)
bhhf＝0(8)
式中：as为热力管网的支路-节点矩阵；m为管道流量；mq为热力负荷的负荷需求；bh为热力管网的支路-回路矩阵；hf为压力降，表示为
hf＝km|m|(9)
式中：k为管道的阻力系数参量，由管道的材质决定，
②热动力模型
热动力模型描述的是供热系统的热平衡行为，对于热用户，用户的热负荷需求取决于供热的供热温度ts，供热的输出温度to，以及单位时间内流入该热用户的热水质量mq，热力模型为：
φ＝cpmq(ts-to)(10)
热水在网络的流动过程中由于各类损耗，温度会有一定程度的下降，称之为温降，假设管道的始端温度为tstart，末端温度为tend，环境温度ta，管道与温降有关的系数为λ，管道的长度为l，那么温降方程可以表示为：
热水在网络中发生混合须满足能量守恒定律，因此混合方程表述为：
(∑mout)tout＝∑mintin(12)
(3)配电系统模型
配电系统的模型为反映节点功率与节点电压之间关系的节点功率方程：
其中：
其中：vi，vj为节点i,j的电压，gij为节点导纳矩阵的电导，bij为节点导纳矩阵的电纳；
(4)多能源耦合环节建模
考虑到城市能源互联网内电气冷热之间耦合特性与交互机理相当复杂，一方面耦合设备繁多，能源形式多样，因此通用的建模显得尤为重要，对一个能源互联网而言，无论其中电、热、气之间的耦合关系是多么的复杂，都可以概括为需要各种形式能源的输入，最终有其他形式的能源输出，于是可将耦合环节概括为如图1所示的输入-输出二端口网络，并利用一个耦合矩阵来描述输入能源同输出能源之间的关系，可称为能源集线器模型，在能源集线器内部，不同耦合模式的设备可以根据需要任意组合，输入的能源和输出的能源形式也可以根据需要进行指定，实际上能源集线器成了一个灵活的接口。
能源集线器的输入为p输出为l，整个能源集线器表示为：
l＝f(p)(15)
式中，cij为耦合因子，表示第j种形式能源输出与第i种形式能源输入的比值；
(5)城市能互联网统一潮流模型
城市能源互联网的统一潮流计算模型为：
式中：psp、qsp、φsp和lsp为初始状态下系统给定的参数，分别代表有功功率、无功功率、热功率和天然气负荷；第1、2行代表电力系统的模型，含义为系统的有功和无功差值，第3、4、5、6行代表热力系统的模型，含义为系统的节点热功率、供热力管网络回路压力降、供热温度及回热温度差值，第7行代表配气网模型，含义是天然气系统节点负荷差值；asl、agl分别为供热力管网络和天然气网络参数，根据网络拓扑形成的矩阵；cs、cr为根据热力管网、回热管网求得的矩阵，bs、br为根据供热温度和输出温度计算的矩阵，x＝[θ，u，m，ts.load,，tr.load，π]t为城市能源互联网的状态量；
本发明将牛顿拉夫逊法运用到城市能源互联网联合潮流计算中，其迭代形式如下：
城市能源互联网潮流方程雅克比矩阵j可表示为：
式中：δfe＝[δp，δq]t表示和配电系统有关的差值；δfh＝[(δφ，δp)，(δts，δtr)]t表示和供热系统有关的差值；δfg＝δf表示和配气系统有关的差值；xe＝[θ，u]t表示和配电系统有关的状态变量；xh＝[m，(ts.load，tr.load)]t表示和供热系统有关的状态变量；xg＝π表示和配气系统有关的状态变量；jee表示配电系统自身潮流同自身状态变量之间的关系；jhh供热系统自身潮流和自身状态变量之间的关系；jgg表示配气系统自身潮流与自身状态量之间的关系,
在配气系统中，平衡节点设置在气源节点，因此天然气网络状态的变化所产生的供需波动将会由气源节点的波动变化来承担，不会传导到热力系统和电力系统因此jeg、jhg均为0；对于配电系统，配电系统内部的网路状态或者负荷情况发生变化时，由于配电系统根节点为变压器，因此其网络内部的波动会由变压器(平衡节点)的功率变化来承担，波动所产生的影响不会顺延到供热系统和配气系统，因此jge、jhe为0；对于供热系统来说，由于其平衡节点实际上是配电系统和配气系统的负荷，具体依赖于能源集线器内部的设备形式，所以供热系统网络状态的改变以及负荷情况的变化，会导致供热系统平衡节点(供热源)出力的变化而影响到配电系统和配气系统，因此jeh、jgh不为0，jeh、jgh的表达式依赖于能源集线器的形态，需要按照具体的情况去分析；
(6)城市能源互联网优化潮流模型
以图2所示的典型能源集线器为例，介绍其调节热电比的过程，图中的能源集线器改为由热电联供机组和燃气锅炉组成，调节热电比的方法有两种，第一种方法是通过向热电联产机组通入补燃燃油来改变热电联产机组的热电比进而影响能源集线器的热电比，另外一种方法是直接通过影响天然气的分配系数改变热电联产机组和燃气锅炉的出力而改变能源集线器的热电比，本文采用后一种方法，即通过调整流向燃气锅炉和流向热电联产机组的天然气比例，实现能源集线器热电比的调节，从建模的角度出发，相当于改变了能源集线器的耦合矩阵系数，
式中，v代表天然气的分配比例；
城市能源互联网的目标函数为综合能源运营商的运营成本最低，运营成本主要包括两块，分别是购电成本和购气成本，设综合能源运营商从大电网购买的电量为pgrid，从城镇天然气门站购买的天然气总量为pgas,，定义目标函数为：
minf＝cepgrid+cgpgas(29)
其中，ce表示的是电价；cg表示的是天然气价格，决策变量为能源集线器的分配比v，
①等式约束
对于城市能源互联网，等式约束由城市能源互联网潮流计算模型得知：
②不等式约束
约束条件由配电网，配气网，供热系统以及能源集线器四部分的约束组成，对于配电网而言，节点电压必须在某一范围内；
umin＜ui＜umax(31)
对于配气系统而言，配气系统的节点压力在一个范围内；
πmin＜πi＜πmax(32)
对于供热系统，管道流量在一个范围内；
fheat.min＜fheat.i＜fheat.max(33)
考虑到能源集线器中不同设备的运行约束，能源集线器的分配比存在一个上下限，表示为：
0＜v＜1(34)
城市能源互联网潮流优化模型由式(27)式-(34)式组成。
具体实例的原理分析
如图3所示的城市能源互联网算例中配电系统为一个有13个节点的系统，eb13是配电系统的根节点，因此设节点eb13为配电系统的平衡节点，节点eb1连接了分布式风力发电机，节点eb12与节点gb4、节点eb11与节点gb11同为配电系统与配气系统通过能源集线器连接的节点，因此节点eb11，节点eb12可认为是pv节点，余下的配电系统节点视为pq节点。两个能源集线器，如图3所示，对于eh1，可以认为处于“以电定热”模式，输入为配电系统的电力和天然气系统的天然气，来自配电系统的电力进入电锅炉中，与来自热电联产机组产生的热量，汇合形成供热力管网络的供热源之一。eh1中发出的电量，优先考虑满足电负荷，根据电负荷确定发出的热量。对于eh2，可以认为处于“以热定电”模式，输入为配天然气系统的天然气，eh2中设备有热电联供机组以及燃气锅炉，作为供热系统的平衡节点。eh2中发出的热量，优先考虑满足热负荷，根据热负荷确定发出的电量。系统整体的结构如图3所示。
潮流计算结果如图4-9图所示：
在进行优化潮流计算时，配电网电压上下限为[0.95,1.06]，天然气节点气压上下限为[0，75]mbar，供热管道流量上下限为[0,10]kg/s，分配比上下限为[0,1]，热电联供机组的热电比为1。气价为2元/方，上游电网购电电价为1元/度，系统结构如图10所示。
通过计算不同分配比(热电比)情况下城市综合能源系统的运营成本如下表1所示：
表1不同分配比情况下系统的运营成本
当分配比v为0.6时，系统稳态分析结果如图11-图14所示。
可见，当分配比为0.6时，整个城市综合能源系统的运营成本最低。如图15-图16所示，对于能源集线器1来说，优化后电功率不变，热功率减少，而能源集线器2的电功率和热功率相应增加，相应的能源集线器1的天然气耗量不变，能源集线器2的天然气耗量上升。能源集线器2所接入的位置，相当于配气网的上游部分，因此整个网络的燃气损耗会相应降低。结果表明，系统的优化潮流你结果严重依赖于天然气价格和电力价格。算例是针对某一城市的，因此天然气的价格是固定的，实际上在我国，天然气的价格是因地不同的。某些地方，天然气的价格能到达1-2块，如西宁，呼和浩特等城市，同时，某些城市的天然气价格也居高不下，比如北京，上海，广州，天津等城市。因此在不同的天然气价格下，运算的结果会有较大的变化，因此热电比的调整，依赖于天然气价格以及当地的热电负荷比例。