一种电?热耦合多能流系统静态安全分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种利电?热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，考虑了供电、供热系统的相互影响，实现了电?热耦合多能流系统的联合静态安全分析，从而能够同时分析供电、供热系统中各种可能的预想事故对两个系统的影响，相比现有分别对供电、供热系统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?热耦合多能流系统的在线运行中，在电?热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?热耦合多能流系统运行的安全性。
【专利说明】
一种电-热耦合多能流系统静态安全分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电-热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，越来越多的热电联产机组、热栗、电锅 炉等耦合元件客观上增强了电-热之间的互联，促进了电-热耦合多能流系统的发展，也对 电-热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-热耦合多能 流系统静态安全分析的方法。因此，需要研究电-热耦合多能流系统静态安全分析方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为适应上述新要求，提出一种电-热耦合多能流系统静态安全分 析方法，考虑供电、供热系统的相互影响和各种可能的预想事故，建立电-热耦合多能流系 统静态安全分析的框架和方法，实现电-热耦合多能流系统的联合静态安全分析。
[0006] 本发明提出的电-热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-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-热耦合多能流系统 的状态估计结果Ψ%，包括：电-热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-热耦合多能流系统中热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量；
[0008] (2)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-热耦合多能流系统中电 网、热网的安全运行约束Ψ%，包括：电-热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-热耦合多能流系统中热网节点压力允许最大值、热网节点压力允许最小值、 热网节点温度允许最大值、热网节点温度允许最小值、热网支路流量允许最大值和热网支 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Ψ%，对上述步骤（2)的安全运行约束 Ψ5。进行判断：
[0010] (3-1)若所有当前状态估计结果Ψ%均满足安全运行约束ψ3。，转步骤(4);
[0011] (3-2)若当前状态估计结果Ψ%中存在不满足安全运行约束Ws。的状态，则判定该 电-热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-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取预想事故集Ω ;
[0013] (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(8)，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-热 耦合多能流方程组，包括：
[0014] (5-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程：
[0015]
[0016]
[0017] 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，、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，B lj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-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
[0018] (5-2)电-热耦合多能流系统中的热网水力方程：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 其中：A为热网中的节点-支路关联矩阵，B为热网中基本回路-支路关联矩阵，A和B 从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，力为热网支路的质量流量，4为热网节点 的注入的质量流量，hf为热网支路的压降，K为热网支路的阻抗系数，K的取值范围为10-500 帕·秒平方/千克平方，11为绝对值；
[0023] (5-3)电-热耦合多能流系统中的热网热力方程：
[0024:
[0025:
[0026: _ _
[0027]其中：Φ为热网节点的注入热功率，Cp为热网介质水的比热容，取值为4182焦耳/ (千克?摄氏度），Ts为热网中节点供水侧的温度，To为节点回水侧的温度，Tstart为热网支路 起点处的温度，Tend为热网支路终点处的温度，1为热网支路所在的环境温度，L为热网支路 管道长度，λ为热网支路管道单位长度的传热系数，电-热耦合多能流系统的能量管理系统 中获取，为流出节点的介质水质量流量，A?为流入节点的介质水质量流量，Tcmt为流出节 点的介质水温度，1^为流入节点的介质水的温度；
[0028] (5-4)电-热耦合多能流系统中背压式热电联产机组出力特性方程：
[0029]
[0030] 其中：Cchp为背压式热电联产机组的热电比，该热电比从背压式热电联产机组的产 品铭牌中获取，Φμρ为背压式热电联产机组的热功率，Pchp为背压式热电联产机组的有功 功率；
[0031] (5-5)电-热耦合多能流系统中抽凝式热电联产机组出力特性方程：
[0032]
[0033] 其中：Fin为抽凝式热电联产机组的燃料输入速率，％为抽凝式热电联产机组的效 率，取值范围为〇到1，Ζ为抽凝式热电联产机组的电热比，该电热比从抽凝式热电联产机组 的产品铭牌中获取，Φ off为抽凝式热电联产机组的热功率，Pchp为抽凝式热电联产机组的有 功功率；
[0034] (5-6)电-热耦合多能流系统中热栗电热转换方程：
[0035]
[0036] 其中：Ch,p为热栗的电热转换效率，?h,p为热栗的热功率，Ph,p为热栗消耗的有功功 率；
[0037] (5-7)电-热耦合多能流系统中电锅炉电热转换方程：
[0038]
[0039] 其中：Ch,b为电锅炉的电热转换效率，?h,b为电锅炉的热功率，Ph,b为电锅炉消耗的 有功功率；
[0040] (6)利用牛顿拉夫逊法，求解上述电-热耦合多能流方程组，得到该预想事故下的 电-热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、 热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Ω中删除；
[0041] (7)根据步骤(6)的多能流计算结果Ψ。，对上述步骤(2)的安全运行约束屯8。进行 判断：
[0042] (7-1)若Ψc满足所有安全运行约束Ψsc，则返回步骤(5);
[0043] (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);
[0044] (8)判断电-热耦合多能流系统当前的安全运行状态：
[0045] (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-热耦合多能流 系统处于安全正常状态；
[0046] (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-热耦合多能流系 统处于安全预警状态。
[0047] 本发明提出的电-热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，考虑了供电、供热系统的相互影响， 实现了电-热耦合多能流系统的联合静态安全分析，从而能够同时分析供电、供热系统中各 种可能的预想事故对两个系统的影响，相比现有分别对供电、供热系统进行独立安全分析 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-热耦合多能 流系统的在线运行中，在电-热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-热耦合多能流系统运行的安全性。
【具体实施方式】
[0048] 本发明提出的电-热耦合多能流系统的联合静态安全分析方法，包括以下步骤：
[0049] 本发明提出的电-热耦合多能流系统联合静态安全分析方法，包括以下步骤：
[0050] (1)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-热耦合多能流系统 的状态估计结果Ψ%，包括：电-热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-热耦合多能流系统中热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量；
[0051] (2)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-热耦合多能流系统中电 网、热网的安全运行约束Ψ%，包括：电-热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-热耦合多能流系统中热网节点压力允许最大值、热网节点压力允许最小值、 热网节点温度允许最大值、热网节点温度允许最小值、热网支路流量允许最大值和热网支 路流量允许最小值；
[0052] (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 Ψ5。进行判断：
[0053] (3-1)若所有当前状态估计结果ψ se均满足安全运行约束ψ SC，转步骤(4);
[0054] (3-2)若当前状态估计结果Ψ%中存在不满足安全运行约束Ψ%的状态，则判定该 电-热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；
[0055] (4)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取预想事故集Ω ;
[0056] (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(8)，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-热 耦合多能流方程组，包括：
[0057] (5-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程：
[0060] 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，Si、θ」 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
[0058]
[0059] 矩阵Y第i行、第j列元素的实部，Blj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-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
[0061 ] (5-2)电-热耦合多能流系统中的热网水力方程：
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 其中:A为热网中的节点-支路关联矩阵，B为热网中基本回路-支路关联矩阵，A和B 从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，m为热网支路的质量流量，<为热网节点 的注入的质量流量，hf为热网支路的压降，K为热网支路的阻抗系数，K的取值范围为10-500 帕·秒平方/千克平方，I I为绝对值；
[0066] (5-3)电-热耦合多能流系统中的热网热力方程：
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]其中：Φ为热网节点的注入热功率，Cp为热网介质水的比热容，取值为4182焦耳/ (千克?摄氏度），Ts为热网中节点供水侧的温度，To为节点回水侧的温度，Tstart为热网支路 起点处的温度，T end为热网支路终点处的温度，1为热网支路所在的环境温度，L为热网支 路管道长度，λ为热网支路管道单位长度的传热系数，电-热耦合多能流系统的能量管理系 统中获取，也《为流出节点的介质水质量流量，也为流入节点的介质水质量流量，T ciut为流出 节点的介质水温度，Tin为流入节点的介质水的温度；
[0071] (5-4)电-热耦合多能流系统中背压式热电联产机组出力特性方程：
[0072]
[0073] 其中：CCHP为背压式热电联产机组的热电比，该热电比从背压式热电联产机组的产 品铭牌中获取，Φ CHP为背压式热电联产机组的热功率，Pchp为背压式热电联产机组的有功功 率；
[0074] (5-5)电-热耦合多能流系统中抽凝式热电联产机组出力特性方程：
[0075]
[0076]其中：Fin为抽凝式热电联产机组的燃料输入速率，％为抽凝式热电联产机组的效 率，取值范围为〇到l，z为抽凝式热电联产机组的电热比，该电热比从抽凝式热电联产机组 的产品铭牌中获取，φ Off为抽凝式热电联产机组的热功率，Pchp为抽凝式热电联产机组的有 功功率；
[0077] (5-6)电-热耦合多能流系统中热栗电热转换方程：
[0078]
[0079] 其中：Ch,p为热栗的电热转换效率，?h,p为热栗的热功率，Ph,p为热栗消耗的有功功 率；
[0080] (5-7)电-热耦合多能流系统中电锅炉电热转换方程：
[0081]
[0082]其中：Ch,b为电锅炉的电热转换效率，?h,b为电锅炉的热功率，Ph,b为电锅炉消耗的 有功功率；
[0083] (6)利用牛顿拉夫逊法，求解上述电-热耦合多能流方程组，得到该预想事故下的 电-热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、热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Ω中删 除；
[0084] (7)根据步骤(6)的多能流计算结果Ψ。，对上述步骤(2)的安全运行约束屯8。进行 判断：
[0085] (7-1)若Ψ。满足所有安全运行约束Ψs。，则返回步骤(5);
[0086] (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);
[0087] (8)判断电-热耦合多能流系统当前的安全运行状态：
[0088] (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-热耦合多能流 系统处于安全正常状态；
[0089] (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-热耦合多能流系 统处于安全预警状态。
【主权项】
1. 一种电-热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-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-热耦合多能流系统的状 态估计结果Ψ %，包括：电-热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-热耦合多能流系统中热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量； (2) 从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-热耦合多能流系统中电网、热 网的安全运行约束Ψ%，包括:电-热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-热耦合多能流系统中热网节点压力允许最大值、热网节点压力允许最小值、热网节 点温度允许最大值、热网节点温度允许最小值、热网支路流量允许最大值和热网支路流量 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-热 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-热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(8)，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-热耦合 多能流方程组，包括： (5-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程： 尸! = Κ Σ % (G". cos消-&)十 Δ'.Α明-A))，(i = U. 3.… 0. RΣ% (A A c〇s闲-$)),(/= 1,2,3,…，《) Μ 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-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取； (5-2)电-热耦合多能流系统中的热网水力方程： Afk = Bhf = 0 hy = Km 其中：A为热网中的节点-支路关联矩阵，B为热网中基本回路-支路关联矩阵，A和B从 电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，^为热网支路的质量流量，乂为热网节点的 注入的质量流量，hf为热网支路的压降，Κ为热网支路的阻抗系数，Κ的取值范围为10-500 帕·秒平方/千克平方，11为绝对值； (5-3)电-热耦合多能流系统中的热网热力方程： Φ = ?,Λ, [ts-t0) Tmd=[T_,-Ta)e'c，+Ta 其中：Φ为热网节点的注入热功率，Cp为热网介质水的比热容，取值为4182焦耳/(千 克·摄氏度），Ts为热网中节点供水侧的温度，Το为节点回水侧的温度，Tstart为热网支路起 点处的温度，T end为热网支路终点处的温度，1为热网支路所在的环境温度，L为热网支路管 道长度，λ为热网支路管道单位长度的传热系数，电-热耦合多能流系统的能量管理系统中 获取，也《为流出节点的介质水质量流量，九为流入节点的介质水质量流量，Tcmt为流出节点 的介质水温度，Τ ιη为流入节点的介质水的温度； (5-4)电-热耦合多能流系统中背压式热电联产机组出力特性方程：其中：CCHP为背压式热电联产机组的热电比，该热电比从背压式热电联产机组的产品铭 牌中获取，Φ CHP为背压式热电联产机组的热功率，PCHP为背压式热电联产机组的有功功率； (5-5)电-热耦合多能流系统中抽凝式热电联产机组出力特性方程：其中：Fin为抽凝式热电联产机组的燃料输入速率，％为抽凝式热电联产机组的效率，取 值范围为〇到1，Z为抽凝式热电联产机组的电热比，该电热比从抽凝式热电联产机组的产品 铭牌中获取，φ CHP为抽凝式热电联产机组的热功率，PCHP为抽凝式热电联产机组的有功功 率； (5-6)电-热耦合多能流系统中热栗电热转换方程：其中：ch,P为热栗的电热转换效率，Φh,P为热栗的热功率，Ph, P为热栗消耗的有功功率； (5-7)电-热耦合多能流系统中电锅炉电热转换方程：其中：Ch,b为电锅炉的电热转换效率，φh,b为电锅炉的热功率，Ph,b为电锅炉消耗的有功 功率； (6) 利用牛顿拉夫逊法，求解上述电-热耦合多能流方程组，得到该预想事故下的电-热 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、热网 节点压力、热网节点温度和热网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Ω中删除； (7) 根据步骤(6)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-热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-热耦合多能流系统 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-热耦合多能流系统处 于安全预警状态。
【文档编号】G06Q10/06GK106067677SQ201610364747
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月27日 公开号201610364747.4, CN 106067677 A, CN 106067677A, CN 201610364747, CN-A-106067677, CN106067677 A, CN106067677A, CN201610364747, CN201610364747.4
【发明人】孙宏斌, 郭庆来, 王彬, 潘昭光, 陈瑜玮
【申请人】清华大学