一种电-气耦合多能流系统联合静态安全分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种利电?气耦合多能流系统的联合静态安全分析方法，属于含多种能源形式的运行和控制技术领域。本方法突破电力系统安全分析只考虑电网本身的局限，考虑了电力供应和天然气供应的相互影响，实现了电?气耦合多能流系统的联合静态安全分析，从而能够同时分析电力供应和天然气供应中各种可能的预想事故对两个系统的影响，相比现有分别对力供应和天然气供应进行独立安全分析的方法，提高了安全分析的精确性，减少了误判和漏判。该方法可以应用于电?气耦合多能流系统的在线运行中，在电?气耦合多能流能量管理中工作，当系统存在安全问题或潜在风险时给出安全警告，有助于提高电?气耦合多能流系统运行的安全性。
【专利说明】
一种电-气耦合多能流系统联合静态安全分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电-气耦合多能流系统联合静态安全分析方法，属于含多种能源 形式的电力系统运行和控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 能源综合利用是提高综合能源利用效率、促进可再生能源消纳的重要途径，通过 打破原来电、热、冷、气、交通等能流子系统相对割裂的状态，实现多类型能源开放互联，构 建多能流系统。多能流是指多种类型的能量流，表示电、热、冷、气、交通等能量流的相互耦 合、转换和传输。多能流系统相比传统相互割裂的能源系统，其带来的效益包括：1)通过多 类型能源的梯级开发利用和智能管理，可以降低能源消耗和浪费，提高综合能源利用效率， 并有助于减少总的用能成本;2)利用不同能源的特性差异和互补、转换，有助于提高消纳间 歇式可再生能源的能力；3)通过多能源的转供、互补和协调控制，有助于提高供能的可靠 性，并为电网的运行提供更多可调控资源;4)通过多能流系统的协同规划和建设，可以减少 基础设施的重复建设和浪费，提高资产利用率。
[0003] 多能流系统一方面具有可观的效益，另一方面也使原本复杂的能源系统更加复 杂。多能流系统由多个能流子系统组成，这些能流子系统之间相互作用和影响，使得多能流 系统复杂度显著增加，体现出许多新的特性，传统各个能流单独分析的方法已经难以适应 新的要求，亟需发展出新的多能流分析方法。在我国，越来越多的燃气轮机、电制氢等耦合 元件客观上增强了电_气之间的互联，促进了电-气耦合多能流系统的发展，也对电-气耦合 多能流系统的运行控制和能量管理提出了新的要求。
[0004] 安全是多能流系统正常运行的基础，随着系统的复杂化，多能流的安全问题也更 加突出。多能流系统在运行过程中会受到各种扰动的影响，包括元件故障、发电（如风电)变 化、负荷变化等。为了保障多能流系统的安全运行，在绝大部分扰动下仍然可以持续传输能 量，需要对系统的运行状态进行安全分析。安全分析是能量管理的核心功能之一，可以在线 发现多能流系统实时运行中的薄弱环节，有助于提高多能流系统运行的安全水平。现有的 安全分析技术主要集中在电力系统中，尚未扩展到多能流系统中，目前尚无电-气耦合多能 流系统静态安全分析的方法。因此，需要研究电-气耦合多能流系统静态安全分析方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种电-气耦合多能流系统静态安全分析方法，考虑电力供 应和天然气供应的相互影响和各种可能的预想事故，建立电-气耦合多能流系统静态安全 分析的框架和方法，实现电-气耦合多能流系统的联合静态安全分析。
[0006] 本发明提出的电-气耦合多能流系统联合静态安全分析方法，包括以下步骤：
[0007] (1)从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-气耦合多能流系统 的状态估计结果W%，包括：电-气耦合多能流系统中电网节点的电压幅值和电网支路的有 功功率，电-气耦合多能流系统中气网节点压力和气网支路流量；
[0008] (2)从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-气耦合多能流系统中电 网、气网的安全运行约束Ws。，包括：电-气耦合多能流系统中电网节点电压幅值允许最大 值、电网节点电压幅值允许最小值、电网支路有功功率允许最大值和电网支路有功功率允 许最小值，电-气耦合多能流系统中气网节点压力允许最大值、气网节点压力允许最小值、 气网支路流量允许最大值和气网支路流量允许最小值；
[0009] (3)根据上述步骤（1)的当前状态估计结果Wse，对上述步骤（2)的安全运行约束 WS。进行判断：
[0010] (3-1)若所有当前状态估计结果wse均满足安全运行约束Ws。，转步骤(4);
[0011] (3-2)若当前状态估计结果中存在不满足安全运行约束Ws。的状态，则判定该 电-气耦合多能流系统处于紧急状态，给出安全警告，并给出不满足安全运行的具体信息， 安全分析方法结束；
[0012] (4)从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取预想事故集Q ;
[0013] (5)对上述预想事故集Q进行判断，若预想事故集Q为空集，则转步骤(7)，若预想 事故集Q为非空集合，则从预想事故集Q中取出一个预想事故，形成该预想事故下的电-气 耦合多能流方程组，包括：
[0014] (5-1)电-气耦合多能流系统中的电网潮流方程：
[0015] pi=U!'ZUl(G，lco^，-〇l) + Bi；s\n(Oi-Oi)],(i = lZ3,--,n)
[0016] Q' = sin(^ cos<^ -^))，(/ = K2,3,-??,?) j包
[0017] 其中：pi为电网中节点i的注入有功功率，Q1为电网中节点i的注入无功功率，0i、0j 分别为节点i、节点j的电压相角，Ui、Uj分别为节点i、节点j的电压幅值，Gij为电网节点导纳 矩阵Y第i行、第j列元素的实部，为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节 点导纳矩阵Y从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
[0018] (5-2)电-气耦合多能流系统中的天然气网水力方程：
[0020] 其中：fkm为天然气网中的第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量， pk，pm*别为第k个节点和第m个节点的压强，Dkm、Lkm*别为第k个节点和第m个节点之间管道 km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式
.计算 得到，Ef为管道的效率系数，Ef取值0.92，此为雷诺数，由公式此=97(1/^计算得到4为天然 气密度，V为天然气流速，y为天然气黏性系数，d为特征长度，Y G为天然气比重，取值为0-1， Ta为天然气平均温度，Tn、pn分别为天然气标准状态下的温度和压力，T n、pn取值分别为288K、 0.1 Mpa，Zg为天然气平均可压缩系数，28的取值为0-1，天然气网水力方程中，当(ft 2 - ) & 0 时，上式中的88111)(口1^111) = 1，当(/^-凡丨,）<〇时，88111)(口1^111)=-1;
[0021] (5-3)电-气耦合多能流系统中的天然气网压缩机能量消耗方程：
[0023]其中：pf、P(3分别为天然气网中压缩机首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的 能耗，./?为该压缩机入口的体积流量，化为压缩机的总效率，Ck为压缩机的多变系数，化和Ck 从压缩机的出厂说明书获取；
[0024] (5-4)电-气耦合多能流系统中的通过燃气轮机耦合的电力系统与天然气网之间 的耦合方程：
[0025] PTll,-CJt + C2fl + CJTw
[0026] 其中：fTur为燃气轮机的燃气体积流量，PTur为燃气轮机的有功功率，&、(： 2和(：3为燃 气轮机的燃气系数，从燃气轮机的出厂说明书获取；
[0027] (5-5)电-气耦合多能流系统中天然气网的节点体积流量平衡方程：
[0028] Acf = L,
[0029] 其中：AC为天然气网的节点-支路关联矩阵，从电-气耦合多能流系统的能量管理 系统获取，f为天然气网的支路体积流量，L为天然气网的节点注入体积流量；
[0030] (6)利用牛顿拉夫逊方法，求解上述电-气耦合多能流方程组，得到该预想事故下 的电-气耦合多能流系统的多能流计算结果W。，包括电网节点电压幅值、电网支路有功功 率、气网节点压力和气网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Q中删除；
[0031] (7)根据步骤(5)的多能流计算结果W。，对上述步骤(2)的安全运行约束^^。进行 判断：
[0032] (7-1)若Wc满足所有安全运行约束Wsc，则返回步骤(5);
[0033] (7-2)若中存在不满足状态安全运行约束Wsc的状态，给出违反安全运行约束 的警告，则返回步骤(5);
[0034] (8)判断电-气耦合多能流系统当前的安全运行状态：
[0035] (8-1)若步骤(7)中没有给违反安全运行约束的警告，则判定该电-气耦合多能流 系统处于安全正常状态；
[0036] (8-2)若步骤(7)中给出违反安全运行约束的警告，则判定该电-气耦合多能流系 统处于安全预警状态。
[0037] 本发明提出的电-气耦合多能流系统的联合静态安全分析方法，其特点和优点是： 本方法突破电力系统安全分析只考虑电网本身的局限，考虑了考虑电力供应和天然气供应 的相互影响，实现了电-气耦合多能流系统的联合静态安全分析，从而能够同时分析考虑电 力供应和天然气供应中各种可能的预想事故对两个系统的影响，相比现有分别对考虑电力 供应和天然气供应进行独立安全分析的方法，提高了安全分析的精确性，减少了误判和漏 判。该方法可以应用于电-气耦合多能流系统的在线运行中，在电-气耦合多能流能量管理 中工作，当系统存在安全问题或潜在风险时给出安全警告，有助于提高电-气耦合多能流系 统运行的安全性。
【具体实施方式】
[0038] 本发明提出的电-气耦合多能流系统联合静态安全分析方法，包括以下步骤：
[0039] (1)从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-气耦合多能流系统 的状态估计结果W%，包括：电-气耦合多能流系统中电网节点的电压幅值和电网支路的有 功功率，电-气耦合多能流系统中气网节点压力和气网支路流量；
[0040] (2)从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-气耦合多能流系统中电 网、气网的安全运行约束W s。，包括：电-气耦合多能流系统中电网节点电压幅值允许最大 值、电网节点电压幅值允许最小值、电网支路有功功率允许最大值和电网支路有功功率允 许最小值，电-气耦合多能流系统中气网节点压力允许最大值、气网节点压力允许最小值、 气网支路流量允许最大值和气网支路流量允许最小值；
[0041] (3)根据上述步骤（1)的当前状态估计结果Wse，对上述步骤（2)的安全运行约束 WS。进行判断：
[0042] (3-1)若所有当前状态估计结果W se均满足安全运行约束W sc，转步骤(4);
[0043] (3-2)若当前状态估计结果Wse中存在不满足安全运行约束Wsc的状态，则判定该 电-气耦合多能流系统处于紧急状态，给出安全警告，并给出不满足安全运行的具体信息， 安全分析方法结束；
[0044] (4)从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取预想事故集Q ;
[0045] (5)对上述预想事故集Q进行判断，若预想事故集Q为空集，则转步骤(7)，若预想 事故集Q为非空集合，则从预想事故集Q中取出一个预想事故，形成该预想事故下的电-气 耦合多能流方程组，包括：
[0046] (5-1)电-气耦合多能流系统中的电网潮流方程：
[0047] 户=lJ丨⑶於㈧+ B丨丨婦,-6= '二），…々
[0048] Q' = cos(6/ -^. )),(/ = 1,2,3,??,/?) jei
[0049] 其中：pi为电网中节点i的注入有功功率，Q1为电网中节点i的注入无功功率，0i、0j 分别为节点i、节点j的电压相角，Ui、Uj分别为节点i、节点j的电压幅值，Gij为电网节点导纳 矩阵Y第i行、第j列元素的实部，为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节 点导纳矩阵Y从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
[0050] (5-2)电-气耦合多能流系统中的天然气网水力方程：
[0052]其中：fkm为天然气网中的第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量， pk，pm*别为第k个节点和第m个节点的压强，Dkm、Lkm*别为第k个节点和第m个节点之间管道 km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式
计算 得到，Ef为管道的效率系数，Ef取值0.92，此为雷诺数，由公式此=97(1/^计算得到4为天然 气密度，V为天然气流速，y为天然气黏性系数，d为特征长度，Y G为天然气比重，取值为0-1， Ta为天然气平均温度，Tn、pn分别为天然气标准状态下的温度和压力，T n、pn取值分别为288K、 0.1 Mpa，Zg为天然气平均可压缩系数，28的取值为0-1，天然气网水力方程中，当(Y - /<) 2 0 时，上式中的sgnp (Pk，Pm) = 1，当(/，Y - /，,丨,）< ()时，sgnp (Pk，Pm) = -1;
[0053] (5-3)电-气耦合多能流系统中的天然气网压缩机能量消耗方程：
[0055] 其中：pf、pe分别为天然气网中压缩机首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的 能耗，乂?为该压缩机入口的体积流量，n。为压缩机的总效率， Ck为压缩机的多变系数，n。和Ck 从压缩机的出厂说明书获取；
[0056] (5-4)电-气耦合多能流系统中的通过燃气轮机耦合的电力系统与天然气网之间 的耦合方程：
[0057] H+CJl + CJTlir
[0058]其中：fTur为燃气轮机的燃气体积流量，PTur为燃气轮机的有功功率，&、(： 2和(：3为燃 气轮机的燃气系数，从燃气轮机的出厂说明书获取；
[0059] (5-5)电-气耦合多能流系统中天然气网的节点体积流量平衡方程：
[0060] Acf = L,
[0061]其中：AC为天然气网的节点-支路关联矩阵，从电-气耦合多能流系统的能量管理 系统获取，f为天然气网的支路体积流量，L为天然气网的节点注入体积流量；
[0062] (6)利用牛顿拉夫逊方法，求解上述电-气耦合多能流方程组，得到该预想事故下 的电-气耦合多能流系统的多能流计算结果W。，包括电网节点电压幅值、电网支路有功功 率、气网节点压力和气网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Q中删除；
[0063] (7)根据步骤(5)的多能流计算结果W。，对上述步骤(2)的安全运行约束^^。进行 判断：
[0064] (7-1)若W。满足所有安全运行约束W s。，则返回步骤(5);
[0065] (7-2)若中存在不满足状态安全运行约束Wsc的状态，给出违反安全运行约束 的警告，则返回步骤(5);
[0066] (8)判断电-气耦合多能流系统当前的安全运行状态：
[0067] (8-1)若步骤(7)中没有给违反安全运行约束的警告，则判定该电-气耦合多能流 系统处于安全正常状态；
[0068] (8-2)若步骤(7)中给出违反安全运行约束的警告，则判定该电-气耦合多能流系 统处于安全预警状态。
【主权项】
1. 一种电-气耦合多能流系统联合静态安全分析方法，其特征在于该方法包括以下步 骤： (1) 从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-气耦合多能流系统的状 态估计结果Ψ %，包括：电-气耦合多能流系统中电网节点的电压幅值和电网支路的有功功 率，电-气耦合多能流系统中气网节点压力和气网支路流量； (2) 从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-气耦合多能流系统中电网、气 网的安全运行约束Ψ%，包括:电-气耦合多能流系统中电网节点电压幅值允许最大值、电网 节点电压幅值允许最小值、电网支路有功功率允许最大值和电网支路有功功率允许最小 值，电-气耦合多能流系统中气网节点压力允许最大值、气网节点压力允许最小值、气网支 路流量允许最大值和气网支路流量允许最小值； (3) 根据上述步骤（1)的当前状态估计结果Ψ%，对上述步骤(2)的安全运行约束Ψ%进 行判断： (3-1)若所有当前状态估计结果Ψ%均满足安全运行约束Ψ8。，转步骤(4); (3-2)若当前状态估计结果Ψ%中存在不满足安全运行约束。的状态，则判定该电-气 耦合多能流系统处于紧急状态，给出安全警告，并给出不满足安全运行的具体信息，安全分 析方法结束； (4) 从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取预想事故集Ω ; (5) 对上述预想事故集Ω进行判断，若预想事故集Ω为空集，则转步骤(7)，若预想事故 集Ω为非空集合，则从预想事故集Ω中取出一个预想事故，形成该预想事故下的电-气耦合 多能流方程组，包括： (5-1)电-气耦合多能流系统中的电网潮流方程：其中：pi为电网中节点i的注入有功功率，Qi为电网中节点i的注入无功功率，分别 为节点i、节点j的电压相角，Ui、Uj分别为节点i、节点j的电压幅值，Gij为电网节点导纳矩阵 Y第i行、第j列元素的实部，为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节点导 纳矩阵Y从电-气耦合多能流系统的能量管理系统中获取； (5-2)电-气耦合多能流系统中的天然气网水力方程：其中：fkm为天然气网中的第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量，pk，p m 分别为第k个节点和第m个节点的压强，Dkm、Lkm*别为第k个节点和第m个节点之间管道km的 管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式计算得到， Ef为管道的效率系数，Ef取值0.92，Re为雷诺数，由公式Re = ρν(1/μ计算得到，P为天然气密 度，v为天然气流速，μ为天然气黏性系数，d为特征长度，γ g为天然气比重，取值为0-1，1为 天然气平均温度，Τη、ρη分别为天然气标准状态下的温度和压力，Τ η、ρη取值分别为288Κ、 0. lMpa，Zg为天然气平均可压缩系数，取值为o-l，天然气网水力方程中，当(A2 -圮)Μ 时，上式中的sgnp(pk，Pm) = l，当(/< -/<)<〇时，sgnp(pk，Pm)=_l; (5-3)电-气耦合多能流系统中的天然气网压缩机能量消耗方程：其中：pf、pe分别为天然气网中压缩机首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的能 耗，f为该压缩机入口的体积流量，1为压缩机的总效率，ck为压缩机的多变系数，η。和ck从 压缩机的出厂说明书获取； (5-4)电-气耦合多能流系统中的通过燃气轮机耦合的电力系统与天然气网之间的耦 合方程：其中：fTUr为燃气轮机的燃气体积流量，PTur为燃气轮机的有功功率，&、C4PC 3为燃气轮 机的燃气系数，从燃气轮机的出厂说明书获取； (5-5)电-气耦合多能流系统中天然气网的节点体积流量平衡方程： Acf = L, 其中:AC为天然气网的节点-支路关联矩阵，从电-气耦合多能流系统的能量管理系统获 取，f为天然气网的支路体积流量，L为天然气网的节点注入体积流量； (6) 利用牛顿拉夫逊方法，求解上述电-气耦合多能流方程组，得到该预想事故下的电-气耦合多能流系统的多能流计算结果Ψ。，包括电网节点电压幅值、电网支路有功功率、气 网节点压力和气网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Ω中删除； (7) 根据步骤(5)的多能流计算结果Ψ。，对上述步骤(2)的安全运行约束$8。进行判断： (7-1)若Ψ。满足所有安全运行约束Ψs。，则返回步骤(5); (7-2)若Ψ。中存在不满足状态安全运行约束Ψ%的状态，给出违反安全运行约束的警 告，则返回步骤(5); (8) 判断电-气耦合多能流系统当前的安全运行状态： (8-1)若步骤(7)中没有给违反安全运行约束的警告，则判定该电-气耦合多能流系统 处于安全正常状态； (8-2)若步骤(7)中给出违反安全运行约束的警告，则判定该电-气耦合多能流系统处 于安全预警状态。
【文档编号】H02J3/00GK105958480SQ201610364719
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】孙宏斌, 郭庆来, 王彬, 潘昭光, 陈瑜玮
【申请人】清华大学