一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，属于电-气互联能 源系统分析、优化、市场技术领域。
【背景技术】
[0002] 以不可再生的化石燃料作为一次能源的传统发电机组环境污染大，难以适应现代 智能电网、低碳社会的发展需求。相比而言，天然气储量丰富，且以天然气为一次能源的燃 气轮机（natural-gasfiredpowerplants，NGFPP)有如下优点：1)发电效率高；2)碳排放 量小；3)动作响应块。因而近年来NGFPP发电比例显著提高，电力系统与天然气系统的耦 合不断增加。同时，随着电转气技术的成熟，有望实现电能的大规模存储，从而为风能、太阳 能等可再生能源的消纳提供了保障，更深层次地加深电力系统与天然气系统之间的耦合。
[0003] 传统意义上，电力系统与天然气系统是相互独立、高度自治的系统，二者的规划、 运行、控制等方面均由各自的运营机构独立执行。但随着二者之间的高度融合，相互独立的 运营方式未必适用。例如，当电力系统可再生能源出力、电负荷功率波动时，部分功率波动 需要由天然气系统平衡。另一方面，天然气的市场价格直接决定了NGFPP的运行成本，继而 影响了电力系统的优化调度；同时，当天然气系统发生大扰动或故障时，直接影响了NGFPP 的天然气供应，进一步威胁到电力系统的安全性与可靠性。因而，迫切需要从统一、协调的 方式的视角去分析电力系统与天然气系统。
[0004] 电力系统可用输电能力（availabletransfercapacity，ATC)衡量了在满足电力 系统安全约束的基础上互联电网不同区域间的功率交换能力。ATC的计算结果对于电力市 场的买卖双方至关重要，同时也可用于电力系统的规划、安全稳定评估。ATC的求解方法主 要包括直流潮流法、重复潮流法、最优潮流法、连续潮流法。值得引起注意的是，现有ATC求 解方法仅仅计及了电力系统的安全约束，并没有考虑一次能源系统-天然气系统的运行约 束。特别是当NGFPP发电比重较大时，NGFPP输出功率的大额度增长可能会迫使天然气系 统的运行状态超出安全约束（例如节点压力越限、管道流量越限），从而影响NGFPP的一次 能源供应。因而NGFPP的出力约束不仅仅取决于自身的装机容量，天然气系统的安全约束 也是不可忽略的。
[0005] 本发明研宄了计及电-气互联能源系统静态安全约束的ATC计算。并采用线性预 测法求解，首先基于灵敏度因子辨识制约ATC的关键约束，然后联立求解能量流方程与关 键约束，实现了ATC的快速、准确计算，同时线性预测提供的关键约束信息恰好为天然气系 统运行状态的调整提供了参考。最后，实际系统的算例测试验证了本发明所提方法的有效 性。
【发明内容】
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[0006] 发明目的：本发明提出一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，利用线 性预测法考虑了天然气系统的运行约束，计算快速准确，而且为天然气系统运行状态的调 整提供了参考。
[0007] 技术方案：本发明提出一种基于线性预测法的电-气互联能源系统可用输电能力 计算方法，包括以下步骤：
[0008] 1)输入电力系统的实时运行参数，包括网络参数、拓扑、发电机实时出力、电负荷 功率以及电力系统静态安全约束，包括发电机有功出力约束、节点电压幅值约束、支路功率 约束；
[0009] 2)输入天然气系统的实时运行参数，包括网络参数、拓扑、储气点流量供应、气负 荷流量以及天然气系统静态安全约束，包括气源流量供应约束、节点压力约束、管道流量约 束；
[0010] 3)根据当前运行状态，分别求解电力系统、天然气系统状态量对负荷参数的灵敏 度因子；
[0011] 4)基于灵敏度因子，辨识制约电-气互联能源系统ATC的关键约束；
[0012] 5)联立求解关键约束与稳态能量流方程，得互联能源系统的运行状态；
[0013] 6)判断当前运行状态是否满足互联能源系统的静态安全约束（包括电力系统、天 然气系统的静态安全约束），是则转下一步，否则在当前运行状态重新计算灵敏度因子，重 复线性预测法的步骤；
[0014] 7)判断是否需要调整天然气系统的运行状态，是则调整天然气系统的初始运行状 态，否则转下一步；
[0015] 8)输出两区域间的ATC信息。
[0016] 优选地，所述电力系统静态安全约束包括：
[0018] 式中：V分别为节点电压幅值；|S^为支路视在功率；匕为发电机输出功率；Vmax、 vmin分别为节点电压幅值约束的上下限U""为支路视在功率约束上限；/Tx、Pf分别 为发电机有功出力约束的上下限。
[0019] 优选地，所述天然气系统静态安全约束包括：
[0021] 式中：Fmn为管道流量；分别为节点压力；Fsup为流量供应量；；Cax、分别为 节点压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量供 应约束的上下限。
[0022] 优选地，所述灵敏度因子包括电力系统状态量对负荷参数入的偏 导，即
以及天然气系统状态量对负荷参数A的偏导，即
[0023] 优选地，所述基于线性预测法的ATC计算方法的数学模型为：
[0024] 定义Ae对应的约束即为电力系统静态安全约束下制约ATC的关键约束，Ag对应 的约束即为天然气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。比较Ae与Xg的大小，基于 线性预测的ATC计算可分为两种情况：
[0025] 1)人 e< 入g
[0026] 若Ae<Xg，则可不考虑天然气系统的静态安全约束，直接联立求解电力潮流方 程与\对应的关键约束：
[0028] 式中：fe(V，9，A) = 〇为电力系统等式约束，0为节点电压相角；he(V，9，A)= 〇为电力系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。
[0029] 2)入6>入8
[0030] 在这类情况下，ATC计算有必要计及天然气系统的静态安全约束。即统一求解互 联能源系统的能量流方程与A8对应的关键约束：
[0032] 式中：f(V，0，JT，A) = 〇互联能源系统稳态能量流方程；hg(JT，A) = 〇为天然 气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。
[0033] 优选地，所述天然气系统初始运行的调整为：
[0034]当制约ATC的关键约束为天然气系统静态安全约束时（即Ae>Ag)，可通过调 整天然气系统的初始运行状态，例如增加关键约束附近的储气量、提高加压站升压比，扩大 天然气系统的静态安全域，以增强电力系统不同区域间的输电能力。
[0035] 有益效果：1)当研宄二次能源系统_电力系统不同区域间的输电能力时，有必要 计及一次能源系统-天然气系统的静态安全约束，以保证NGFPP-次能源供应的安全性与 可靠性；2)线性预测法既实现了ATC的快速、准确计算，同时又为天然气系统运行状态的调 整提供了参考；3)ATC信息对于电力、天然气市场参与者同等重要。以统一的能源市场分析 不同区域间的ATC，在保证互联能源系统安全性的基础上，有望给整个能源市场的参与者带 来更大的经济收益。
【附图说明】：
[0036] 图1 :本发明流程图；
[0037] 图2 :修改的比利时输气系统结构图；
[0038] 图3 :IEEE39节点系统结构图。
【具体实施方式】：
[0039] 下面结合附图对发明的技术流程进行详细说明：
[0040] 1电-气混联能源系统ATC计算数学模型
[0041]同时计及电力系统、天然气系统静态安全约束的ATC数学模型为：
[0042] obj. max入
[0043] s. t. f (V, 0 , 3i , A) =〇
[0044] gmin^g(V, 0 , 3i,A) ^gmax
[0045] 式中：f(V, 9,it,A)= 〇为互联能源系统稳态能量流方程； 0，31，A)彡gmax为不等式约束，包括电力系统静态安全约束，天然气系统静态 安全约束。
[0046] 基于连续潮流法计算ATC，从当前运行状态出发，逐步增大A，求解稳态能量流， 直至静态安全约束越限。连续潮流法的优点在于易于处理各种约束，计算精度高，但由于需 要求解多次潮流，计算复杂度高，一般仅用于离线分析。
[0047] 2混联能源系统状态量对ATC的灵敏度因子计算
[0048] 电力系统状态量对A的灵敏度计算：
[0049] 1)发电机有功出力：
[0051] 式中：Ke为发电机功率增长方向。
[0052] 2)节点电压幅值：
[0054] 3)支路功率：
[0056]天然气系统状态量对X的灵敏度计算：
[0057] 1)节点流量注入：
[0059] 2)节点压力：
[0061] 3)管道流量：
[0063] 3关键约束的辨识
[0064] 基于电力系统状态量与X的灵敏度关系，分别可得各约束下X的预测值：
[0068] 式中分别为发电机出力、节点电压幅值、支路视在功率约束下入 的预测值。
[0069] 定义
，则\对应的约束即为电力系统静态安全约束下制约 ATC的关键