一种电-气耦合多能流网络状态估计方法
【专利摘要】本发明涉及一种电?气耦合多能流网络估计方法，属于综合能源系统的运行和控制技术领域。本方法弥补了气网在状态估计方面的空白，形成了一种考虑电网和气网间耦合关系的电?气耦合多能流状态估计。与单独状态估计相比，本方法有利于提高网络的估计效果，尤其在电?气耦合多能流网络端口量测不准确的情况下，本方法具有明显的优越性。目前气网的自动化水平尚且不能满足本方法的需求，本方法的应用需要在气网安装更多的量测设施。成功在电?气耦合多能流网络应用本方法后，可以得到精度更高的全局一致基态潮流解，为后续的电?气耦合多能流网络在线安全评估、优化调度打下基础。
【专利说明】
一种电-气耦合多能流网络状态估计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电-气耦合多能流网络估计方法，属于综合能源系统的运行和控 制技术领域。
【背景技术】
[0002] 由于燃气发电机的成本较低，对环境的影响较小，燃气站的建造周期较短等优势， 在世界范围内，天然气应用中用于发电的比例逐渐上升，在电力系统能源供给中也占据了 越来越重要的地位，因此，电力网络与天然气网络之间的耦合程度逐渐加深，相互之间的影 响与依赖性也愈来愈强。鉴于能源资源条件的限制，我国的能源消费结构在未来相当长的 一段时间内仍然以煤炭为主，但是环境保护及可持续发展战略都要求我国必须加快改善能 源结构的步伐。在一次能源消费结构中，提高天然气等可再生的清洁能源的比重，而降低煤 炭的比重。
[0003] 目前，对于电-气耦合多能流网络的建模和潮流计算已经有了一系列的研究成果。 然而，由于气网自动化水平低，实现像电网一样自动化运行还有很长一段距离。为实现电-气耦合多能流网络的自动化，状态估计是一项基础技术，而气网在状态估计方面的研究还 非常空白。
[0004] 状态估计可以充分利用系统的量测冗余，更准确地了解网络的运行状态，是系统 运行中的基础部分。在电力系统中，很早就已经引入了状态估计，目前有关电力系统状态估 计的研究已趋于成熟，不论是计算速度还是坏数据辨识等方面都有相应的解决措施。对电-气耦合多能流网络引入电-气联合状态估计，可以得到精度更高的全局一致基态潮流解，为 后续的电-气耦合多能流网络在线安全评估、优化调度打下基础。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种电_气耦合多能流网络估计方法，弥补现有领域研究的 空白，实现对电-气耦合多能流网络运行状态更准确的监控，得到的全局一致基态潮流解， 为后续的电-气耦合多能流网络在线安全评估、优化调度打下基础。
[0006] 本发明提出的电-气耦合多能流网络估计方法，包括以下步骤：
[0007] (1)建立一个电-气耦合多能流状态估计的目标函数，如下： -? 「弋⑷、、
[0008] mm(( - ,) R { -,,、）） Lzd LW」 LZJ LM~)」
[0009] 其中：Z(5为电网量测值，包括电-气耦合多能流网络的电网中第i个节点的电压幅 值Vi、有功功率Pi和无功功率Qi以及电网第i个节点和第j个节点间支路ij的有功功率Pij和 无功功率QU，上述电网量测值从电-气耦合多能流网络的电网的数据采集与监视控制系统 中采集 ;Zg为气网量测值，包括电-气耦合多能流网络的气网中第k个节点的压强pk和注出流 量L k以及气网中第k个节点和第1个节点间管道kl的流量fkl，上述气网量测值从电-气耦合 多能流网络的气网的数据采集与监视控制系统中采集;^为电网状态量，ejT，％、 I分别为电网第i个节点的电压幅值和相角，Xg为气网状态量，xg=[pk]T，pk为气网第k个节 点的压强，R为量测值的协方差矩阵，T为矩阵转置，为电网潮流计算方程： 'd 唞- % + 5".如说-
[0010] Q^V^V^niO^O^-B^om-OS) 4 cos(4 ―沒,.）十 5" sin(6^..-沒,..).） Qli=yr(Bli-h) + sin(6? - - 5 cos(6> -Oj))
[0011]上述电网潮流计算方程中，Gl伪电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，Bu 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从电网调度中心获取； b。为电网支路的等效对地电纳，从电网调度中心获取，
[0012] hg为气网潮流计算方程：
[0014] 上述气网潮流计算方程中
，妒1为第k个节点 和第1个节点之间管道kl的管道直径，Lkl为第k个节点和第1个节点之间管道kl的管道长 度，y C为天然气比重，Ta为天然气平均温度，Tn为天然气标准状态下的温度，取值为288开尔 文，Pn为天然气标准状态下的压力，Pn的取值为〇. IMpa，Zg为天然气平均可压缩系数，Zg的取 值范围为〇~1，F为管道内壁的摩擦系数
》Re为雷诺数，Re的取值范 围在3500以上，Ef为管道的效率系数，Ef的取值为0.92,当（/<-/，）20时，气网潮流计算方 程中的sgnP (pk，pi) = 1，当(ft2 -内2) < 〇时，气网潮流计算方程中的sgnP (pk，pi) = -1;
[0015] (2)建立电-气耦合多能流网络状态估计的约束条件，包括：
[0016] (2-1)电-气耦合多能流网络中气网的压缩机耗能约束：
[0018] 其中：Pf、Pt分别为气网中压缩机的首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的能 耗，压缩机耗能由电动机或燃气轮机提供，为压缩机的入口流量，n。为压缩机的总效率， 取值范围为〇~l，c k为该压缩机的多变系数，与压缩机中的气体压缩过程有关，取值范围为 1.2 ~1.5;
[0019] 若由电动机提供气网中的压缩机耗能，则电动机消耗电-气耦合多能流网络中电 网节点的有功功率满足以下关系：
[0020] Pcomp = Kc〇mPBHP
[0021] 其中：？。。_为电动机消耗电网节点的有功功率，1(。。_为压缩机电能消耗系数，由压 缩机的出厂说明书获得；
[0022]若由燃气轮机提供气网中的压缩机耗能，则将该约束放入步骤（1)中气网潮流计 算方程中，燃气轮机消耗电-气耦合多能流网络中气网节点的燃气满足以下关系：
[0023] fc = ac+PcBHP+y c(BHP)2
[0024] 其中：fc为燃气轮机消耗气网节点的燃气，ac、&和y c分别为气网中压缩机的气体 消耗系数，由压缩机的出厂说明书获得；
[0025] (2-2)电-气耦合多能流网络中的燃气轮机约束：
[0026] PTl，Chfl-CJ;-u，CjTur
[0027] 其中，fTur为燃气轮机的燃气流量，PTur为燃气轮机的有功功率输出，&、(： 2和(：3分别 为燃气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；
[0028] (3)利用拉格朗日乘子法将步骤(2)中的约束条件和步骤(1)中的目标函数构成一 个拉格朗日函数，拉格朗日函数的构造方法已在数学界的最优化理论中有了详细说明，利 用牛顿-拉夫逊法，求解该拉格朗日函数，得到电-气耦合多能流网络状态估计的结果。
[0029] 本发明提出的电-气耦合多能流网络状态估计方法，其特点和效果是:本方法弥补 了气网在状态估计方面的空白，形成了一种考虑电网和气网间耦合关系的电-气耦合多能 流状态估计。与单独状态估计相比，本方法有利于提高网络的估计效果，尤其在电-气耦合 多能流网络端口量测不准确的情况下，本方法具有明显的优越性。目前气网的自动化水平 尚且不能满足本方法的需求，本方法的应用需要在气网安装更多的量测设施。成功在电-气 耦合多能流网络应用本方法后，可以得到精度更高的全局一致基态潮流解，为后续的电-气 耦合多能流网络在线安全评估、优化调度打下基础。
【具体实施方式】
[0030] 本发明提出的电-气耦合多能流网络估计方法，包括以下步骤：
[0031 ] (1)建立一个电-气耦合多能流状态估计的目标函数，如下：
[0032] mm((-,,、）及（一"、）） W L~」lAh)」
[0033] 其中：Z(5为电网量测值，包括电-气耦合多能流网络的电网中第i个节点的电压幅 值Vi、有功功率Pi和无功功率Qi以及电网第i个节点和第j个节点间支路ij的有功功率Pij和 无功功率QU，上述电网量测值从电-气耦合多能流网络的电网的数据采集与监视控制系统 中采集 ;Zg为气网量测值，包括电-气耦合多能流网络的气网中第k个节点的压强pk和注出流 量L k以及气网中第k个节点和第1个节点间管道kl的流量fkl，上述气网量测值从电-气耦合 多能流网络的气网的数据采集与监视控制系统中采集;为电网状态量，ejT，％、 I分别为电网第i个节点的电压幅值和相角，xg为气网状态量，xg=[Pk]T，p k为气网第k个节 点的压强，R为量测值的协方差矩阵，T为矩阵转置，为电网潮流计算方程： ^ ^Zcos^-O^ + B^mW-e^)
[0034] cos(^ - ^,)) p" = f (i?" - A )十!//,.(G〃. sin⑷一) - /i". c〇S(6 -弋））
[0035]上述电网潮流计算方程中，Gi伪电网节点导纳矩阵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从电网调度中心获取； b。为电网支路的等效对地电纳，从电网调度中心获取，
[0036] hg为气网潮流计算方程：
[0038] 上述气网潮流计算方程中：
，妒1为第k个节点 和第1个节点之间管道kl的管道直径，Lkl为第k个节点和第1个节点之间管道kl的管道长度， y C为天然气比重，Ta为天然气平均温度，Tn为天然气标准状态下的温度，取值为288开尔文， Pn为天然气标准状态下的压力，Pn的取值为〇. IMpa，Zg为天然气平均可压缩系数，Zg的取值 范围为〇~1，F为管道内壁的摩擦系数，
，Re为雷诺数，Re的取值范围 在3500以上，Ef为管道的效率系数，Ef的取值为0.92，当（凡:2 〇时，气网潮流计算方程 中的sgnP(pk，pi) = 1，当(八-仍2) <_ 〇时，气网潮流计算方程中的sgnP(pk，pi) = -1;
[0039] (2)建立电-气耦合多能流网络状态估计的约束条件，包括：
[0040] (2-1)电-气耦合多能流网络中气网的压缩机耗能约束：
[0042]其中：pf、pt分别为气网中压缩机的首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的 能耗，压缩机耗能由电动机或燃气轮机提供，为压缩机的入口流量，n。为压缩机的总效 率，取值范围为〇~i，ck为该压缩机的多变系数，与压缩机中的气体压缩过程有关，取值范 围为1.2~1.5;
[0043] 若由电动机提供气网中的压缩机耗能，则电动机消耗电-气耦合多能流网络中电 网节点的有功功率满足以下关系：
[0044] Pcomp = Kc〇mPBHP
[0045] 其中：P_PS电动机消耗电网节点的有功功率，1(。。_为压缩机电能消耗系数，由压 缩机的出厂说明书获得；
[0046] 若由燃气轮机提供气网中的压缩机耗能，则将该约束放入步骤（1)中气网潮流计 算方程中，燃气轮机消耗电-气耦合多能流网络中气网节点的燃气满足以下关系：
[0047] fc = ac+PcBHP+y c(BHP)2
[0048]其中：fc为燃气轮机消耗气网节点的燃气，ac、&和Y c分别为气网中压缩机的气体 消耗系数，由压缩机的出厂说明书获得；
[0049] (2-2)电-气耦合多能流网络中的燃气轮机约束：
[0050]
[0051] 其中，fTur为燃气轮机的燃气流量，PTur为燃气轮机的有功功率输出，&、(： 2和(：3分别 为燃气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；
[0052] (3)利用拉格朗日乘子法将步骤(2)中的约束条件和步骤(1)中的目标函数构成一 个拉格朗日函数，拉格朗日函数的构造方法已在数学界的最优化理论中有了详细说明，利 用牛顿-拉夫逊法，求解该拉格朗日函数，得到电-气耦合多能流网络状态估计的结果。
【主权项】
1. 一种电-气耦合多能流网络状态估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤： (1) 建立一个电-气耦合多能流状态估计的目标函数，如下：其中：Ze为电网量测值，包括电-气耦合多能流网络的电网中第i个节点的电压幅值Vi、 有功功率Pi和无功功率Qi以及电网第i个节点和第j个节点间支路ij的有功功率Pij和无功 功率QU，上述电网量测值从电-气耦合多能流网络的电网的数据采集与监视控制系统中采 集;z g为气网量测值，包括电-气耦合多能流网络的气网中第k个节点的压强pk和注出流量Lk 以及气网中第k个节点和第1个节点间管道kl的流量fkl，上述气网量测值从电-气耦合多能 流网络的气网的数据采集与监视控制系统中采集; Xe3为电网状态量，Xe3=[Vl 别为电网第i个节点的电压幅值和相角，xg为气网状态量，xg=[Pk]T，pk为气网第k个节点的 压强，R为量测值的协方差矩阵，T为矩阵转置，为电网潮流计算方程：上述电网潮流计算方程中，Gi伪电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部几伪电 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从电网调度中心获取;b。为 电网支路的等效对地电纳，从电网调度中心获取， hg为气网潮流计算方程：上述气网潮流计算方程中：Dkl为第k个节点和第1 个节点之间管道kl的管道直径，Lkl为第k个节点和第1个节点之间管道kl的管道长度，丫^为 天然气比重，Ta为天然气平均温度，Tn为天然气标准状态下的温度，取值为288开尔文，？"为 天然气标准状态下的压力，p n的取值为〇. IMpa，Zg为天然气平均可压缩系数，Zg的取值范围 为0~1，F为管道内壁的摩擦系勠Re为雷诺数，Re的取值范围在 3500以上，Ef为管道的效率系数，Ef的取值为0.92，当(么2 - 0时，气网潮流计算方程中 的sgnp (pk，pi) = 1，当) _< _〇时，气网潮流计算方程中的sgnp (pk，pi) = -1; (2) 建立电-气耦合多能流网络状态估计的约束条件，包括： (2-1)电-气耦合多能流网络中气网的压缩机耗能约束：其中：pf、pt分别为气网中压缩机的首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的能耗， 压缩机耗能由电动机或燃气轮机提供，於为压缩机的入口流量，η。为压缩机的总效率，取值 范围为0~l，Ck为该压缩机的多变系数，与压缩机中的气体压缩过程有关，取值范围为1.2 ~1 · 5; 若由电动机提供气网中的压缩机耗能，则电动机消耗电-气耦合多能流网络中电网节 点的有功功率满足以下关系： Pcomp 一 KcompBHP 其中：p_PS电动机消耗电网节点的有功功率，1(。。_为压缩机电能消耗系数，由压缩机 的出厂说明书获得； 若由燃气轮机提供气网中的压缩机耗能，则将该约束放入步骤（1)中气网潮流计算方 程中，燃气轮机消耗电-气耦合多能流网络中气网节点的燃气满足以下关系： fc = ac+0cBHP+yc(BHP)2 其中：fc为燃气轮机消耗气网节点的燃气，ac、说和γ c分别为气网中压缩机的气体消耗 系数，由压缩机的出厂说明书获得； (2 - 2)电-气耦合多能流网络中的燃气轮机约束：其中，fTUr为燃气轮机的燃气流量，PTur为燃气轮机的有功功率输出，&、(： 2和(：3分别为燃 气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取； (3)利用拉格朗日乘子法将步骤(2)中的约束条件和步骤（1)中的目标函数构成一个拉 格朗日函数，拉格朗日函数的构造方法已在数学界的最优化理论中有了详细说明，利用牛 顿-拉夫逊法，求解该拉格朗日函数，得到电-气耦合多能流网络状态估计的结果。
【文档编号】H02J3/06GK105958531SQ201610364751
【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, 董今妮, 潘昭光
【申请人】清华大学