一种电-气互联综合能源系统混合控制方法与流程

本发明属于电力系统技术领域，尤其涉及一种电-气互联综合能源系统混合控制方法。

背景技术

当今社会，能源需求增长与能源短缺、能源消耗与环境保护之间的矛盾日益凸显，能源问题逐渐成为学术界与工业界讨论的热点，天然气因其环保高效、储量丰富等优点而受到广泛关注，燃气发电越来越受到重视。随着燃气轮机的大规模并网，电网与气网之间的联系日益紧密。一方面，燃气轮机和p2g技术的能量转换、气网中管存的时空平移特性为消纳可再生能源以及平抑电网峰谷差提供了新途径；另一方面，电力系统安全性也受到了燃气轮机天然气供应影响，电网运行受限。因此，开展电-气互联综合能源系统安全性分析研究可为未来能源系统的实际运行与进一步发展奠定基础。

电网与气网的耦合意味着电-气互联综合能源系统各子系统间相关性增强，其安全性分析不可忽略。而实际工程运用中，为确保系统安全稳定运行，通常需要校验系统是否满足n-1原则。最优潮流作为系统运行和规划的重要工具，考虑n-1安全事故时，问题转化为安全约束最优潮流。事实上，由于电力系统与天然气系统之间的深度耦合，单个系统的故障易通过耦合元件传播至耦合系统，进一步造成系统间的连锁故障，因此，电力系统与天然气系统间的协同调度与互补控制对于保证电-气互联综合能源系统安全稳定至关重要。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有电-气互联综合能源系统故障控制方法存在的问题，即当前电力系统预防与校正控制领域研究相对成熟，然而缺少电-气互联综合能源系统的预防/校正控制相关研究，同时，预想故障集靠人为经验确定，可能存在非必要故障，计算复杂度提高，经济效益降低，提出一种预防-校正协同控制的电-气互联综合能源系统混合控制方法，其中通过混合控制框架筛选关键故障并计算预防控制和校正控制，有效提高了电-气互联综合能源系统故障控制的安全性与经济性。

技术方案：

一种电-气互联综合能源系统混合控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，基于天然气慢动态特性及管存建立电-气互联综合能源系统优化模型；

步骤2，根据预想故障集中的关键故障建立电-气互联综合能源系统预防控制优化调度模型；

步骤3，基于预防控制策略，考虑预想故障集中关键故障集外的其它故障，建立故障后校正控制模型；

步骤4，结合预防控制模型和校正控制模型建立电-气互联综合能源系统混合控制框架；

步骤5，在综合能源系统中测试混合控制方法的性能。

作为本发明电-气互联综合能源系统混合控制方法的进一步优选方案，在步骤1中，建立电-气互联综合能源系统优化模型具体步骤如下：

步骤1.1，电力系统暂态时间常数小于气网，采用电网稳态模型，如下：

pg,u,t-pg,u,t-1≤ruu

pg,u,t-1-pg,u,t≤rdu

其中：pg,u,t和qg,u,t为t时刻发电机组u有功、无功出力；pl,m,t和ql,m,t为t时刻节点m有功、无功负荷；ensgm,t为t时刻节点m上的切负荷；pp2g,p,t为t时刻第p处p2g的消耗有功；um,t和un,t为t时刻节点m和n电压幅值；θmn,t为t时刻节点m、n之间的相角差。gmn和bmn为节点m、n之间的电导和电纳；pg，u，和qg，u，分别为发电机组u有功出力上限、下限和无功出力上限、下限；um和为节点m电压幅值上下限；ruu和rdu分别为发电机组u上、下爬坡的上限；pl,mn,t为t时刻线路mn功率；pl，mn和为线路mn容量上下限；

步骤1.2，建立天然气系统暂态模型，

步骤1.3：建立耦合约束模型。

作为本发明电-气互联综合能源系统混合控制方法的进一步优选方案，所述步骤1.2具体包含如下步骤：

步骤1.2.1，建立气源和储气设施模型，包括节点注入天然气上下限约束；储气设施注入和提取流量上下限约束；储气设施相邻时段动态耦合约束；

步骤1.2.2，建立管道模型。对于天然气管道jk，暂态模型下描述气网慢动态特性的偏微分方程表达式为：和其中：fl,t和πl,t分别为t时刻管道长度为l处的管道流量和压力；d为管道内径；r为气体常数；t为气体温度；z为气体压缩因子；ρ0为标准状态下天然气密度；f为管道摩擦系数。对上述两式隐式差分近似得：

其中：mjk,t为t时刻管道jk的管存；和πj,t，πk,t分别为t时刻管道jk两端的流量以及压力；和为t时刻管道两端压力、流量的均值；ljk为管道jk的长度；此时，节点k压力也存在上下限约束：

步骤1.2.3，建立加压站模型，包括加压比上下限约束；天然气消耗约束；

步骤1.2.4，建立节点流量平衡，保证节点流量流入与流出满足平衡关系；

作为本发明电-气互联综合能源系统混合控制方法的进一步优选方案，所述步骤1.3具体包含如下步骤：

步骤1.3.1，建立燃气轮机模型，包括能量转化约束和发电出力上下限约束；

步骤1.3.2，建立p2g模型，包括能量转化约束和产气上下限约束。

作为本发明电-气互联综合能源系统混合控制方法的进一步优选方案，在步骤2中，建立电-气互联综合能源系统预防控制优化调度模型，具体步骤如下：

步骤2.1：建立电-气互联综合能源系统预防控制优化目标：

其中：cunit,u、cwell,w、cstor,s和cp2g,p分别为机组u的出力成本、气源w的产气成本、储气设施s的提取成本和p处p2g的产气成本；t为仿真时间长度；u、w、s和p分别为机组、气源、储气设施、p2g集合；pg,u,t、wf,w,t、ss,t、fp2g,p,t分别为t时刻机组u出力、气源w产气、储气设施s提取天然气流量、p2g产气量；

步骤2.2：根据电-气互联综合能源系统优化模型及预防控制优化目标，建立电-气互联综合能源系统预防控制优化调度模型。

作为本发明电-气互联综合能源系统混合控制方法的进一步优选方案，在步骤3中，建立电-气互联综合能源系统校正控制模型具体步骤如下：

步骤3.1，建立电-气互联综合能源系统校正控制优化目标：

其中：t为仿真时间长度；ensgm,t和gnsgk,t分别为t时刻电力节点m、天然气节点k上的切负荷；hg为天然气热值；

步骤3.2，基于预防控制中机组、气源、储气设施和p2g出力策略设置预防控制和校正控制耦合关系：

其中：p′g,u,t、w′f,w,t、s′s,t和f′p2g,p,t分别为故障后机组、气源、储气设施、p2g出力；s′s和分别为机组、气源、储气设施和p2g调整上限；

步骤3.3，根据电-气互联综合能源系统优化模型和校正控制优化目标，建立电-气互联综合能源系统预防控制优化调度模型。

作为本发明电-气互联综合能源系统混合控制方法的进一步优选方案，在步骤4中，电-气互联综合能源系统混合控制具体步骤如下：

步骤4.1，设置预想故障集，初始化关键故障集为空，设置切负荷指标；

步骤4.2，针对预想故障集中的关键故障集进行电-气互联综合能源系统预防控制优化计算；

步骤4.3，基于预防控制策略，针对预想故障集中关键故障集外的其它故障进行电-气互联综合能源系统校正控制优化计算；

步骤4.4，寻找步骤4.3校正过程中切负荷最多对应的故障，定义为最严重故障；

步骤4.5，判断最严重故障是否满足指标，是则转至步骤4.6，否则转至步骤4.7；

步骤4.6，将最严重故障添加至关键故障集，转至步骤4.2；

步骤4.7，输出预防控制策略、校正控制策略和关键故障集。

有益效果：本发明的电-气互联综合能源系统混合控制方法采用基于电力系统稳态模型、天然气系统暂态模型和耦合元件模型的电-气互联综合能源系统优化模型，建立预防控制和校正控制模型，最后构建电-气互联综合能源系统混合控制框架对系统进行故障控制。本发明结合了电-气互联综合能源系统预防控制和校正控制的优势，缩减了预想故障集的规模，减少了校正过程中的切负荷，其仿真结果可以更安全经济地进行电-气互联综合能源系统故障控制。

附图说明

图1为本发明故障分类图；

图2为本发明电-气互联综合能源系统混合控制流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的思路是首先建立电力系统和天然气系统耦合后的系统优化模型，再分别以成本最小和切负荷最少为目标，基于耦合系统优化模型分别建立电-气互联综合能源系统的预防控制优化模型和校正控制优化模型，考虑电力系统与天然气系统间的协同调度与互补控制对于保证电-气互联综合能源系统安全稳定运行的重要性，构建预防-校正协同的电-气互联综合能源系统混合控制框架，用于电-气互联综合能源系统故障控制及分析。

考虑到电力系统暂态时间常数远小于气网，本发明在构建电-气互联综合能源系统模型时，电网采用稳态模型，其运行约束如下：

pg,u,t-pg,u,t-1≤ruu

pg,u,t-1-pg,u,t≤rdu

其中：pg,u,t和qg,u,t为t时刻发电机组u有功、无功出力；pl,m,t和ql,m,t为t时刻节点m有功、无功负荷；ensgm,t为t时刻节点m上的切负荷；pp2g,p,t为t时刻第p处p2g的消耗有功；um,t和un,t为t时刻节点m和n电压幅值；θmn,t为t时刻节点m、n之间的相角差。gmn和bmn为节点m、n之间的电导和电纳；pg，u，和qg，u，分别为发电机组u有功出力上限、下限和无功出力上限、下限；um和为节点m电压幅值上下限；ruu和rdu分别为发电机组u上、下爬坡的上限；pl,mn,t为t时刻线路mn功率；pl，mn和为线路mn容量上下限。

同时，气网元件包括气源、管道、加压站、储气设施等，本发明考虑以管存(linepack)为特征的气网暂态特性对气网建模。

气源作为气网主要供气设施，其节点注入天然气受其上下限约束，如所示。而储气设施在不同时段可等效为气源或负荷以调节天然气负荷峰谷差，其注入和提取流量受到一定限制，如和所示。同时，储气设施相邻时段还存在动态耦合关系，如所示。其中：wf,w,t为t时刻气源w的流量；和wf，w为气源w流量的上下限；和为t时刻储气设施s注入、提取流量；和为储气设施s注入、提取流量的上限；ss,t为t时刻储气设施s的储气量；和ss为储气设施s储气量上下限；δt为时间步长。

对于天然气管道jk，暂态模型下描述气网慢动态特性的偏微分方程如下：

其中：fl,t和πl,t分别为t时刻管道长度为l处的管道流量和压力；d为管道内径；r为气体常数；t为气体温度；z为气体压缩因子；ρ0为标准状态下天然气密度；f为管道摩擦系数。

对上述两式隐式差分近似得：

其中：mjk,t为t时刻管道jk的管存；和πj,t，πk,t分别为t时刻管道jk两端的流量以及压力；和为t时刻管道两端压力、流量的均值；ljk为管道jk的长度。同时，节点k压力也存在上下限约束，如所示。

天然气传输过程中存在能量损耗，安装加压站可以提高压力水平，增加天然气传输可靠性。对于首端节点为j、末端节点为k的加压站，加压比以及天然气消耗如下所示：

其中：为t时刻流经加压站c的流量；为t时刻加压站c消耗的天然气流量，本文设定为从首端汲取；η为加压站消耗系数，一般为2％左右；和cjk为加压站加压比上下限。

对于节点k，其流量流入与流出满足平衡关系，表述如下：

其中：(i)为节点气源与负荷；(ii)为储气设施注入与提取；(iii)为耦合元件注入或提取天然气；(iv)为加压站流量及消耗；(v)为管道天然气流入与流出；fl,k,t为t时刻节点k上的负荷流量；gnsgk,t为t时刻节点k上的切负荷；fp2g,p,t为t时刻p处p2g注入的天然气流量；fgf,g,t为t时刻燃气轮机g消耗的天然气流量。

另外，电-气互联综合能源系统中的耦合部分主要有燃气轮机和p2g技术，两部分协调运行使电网与气网之间能量流的双向流动成为可能。燃气轮机消耗天然气为其中μgf为燃气轮机转化效率；hg为天然气热值；p2g技术产生天然气为上下限约束为其中：μp为p2g转换效率。

结合预防控制与校正控制的优点(安全性与经济性)，本发明就电-气互联综合能源系统故障控制提出预防-校正协同混合控制这一迭代方法。主问题针对预想故障集c中的关键故障集ω制定预防控制策略；子问题基于上述预防控制策略，针对预想故障集c中的其它故障集c\ω进行故障后校正，并根据切负荷指标筛选出c\ω中未寻找到的关键故障，添加至关键故障集ω。其中，故障分类如图1所示。

本发明提出的混合控制模型包括主问题和子问题两个部分。主问题计及关键故障集ω，以经济最优为目标，计算预防控制安全约束最优潮流，目标函数如下：

子问题针对预想故障集c中的其它故障，在主问题预防控制策略的基础上进行校正，以切负荷最小为目标进行求解，目标函数如下：

其中：cunit,u、cwell,w、cstor,s和cp2g,p分别为机组u的出力成本、气源w的产气成本、储气设施s的提取成本和p处p2g的产气成本；t为仿真时间长度；u、w、s和p分别为机组、气源、储气设施、p2g集合。

事实上，故障发生后，校正控制在原有调度策略的基础上具有故障后再调整的过程，本发明设置子问题针对预防控制中机组、气源、储气设施和p2g出力策略进行校正，如下所示：

其中：p′g,u,t、w′f,w,t、s′s,t和f′p2g,p,t分别为故障后机组、气源、储气设施、p2g出力；s′s和分别为机组、气源、储气设施和p2g调整上限。

混合控制方法主要通过主问题与子问题交替求解筛选关键故障。主问题仅计及有限的关键故障，以控制成本最低为目标制定考虑预防控制的调度策略。子问题以切负荷最小为目标，针对除关键故障外的预想故障，采用切负荷最小为优化目标的校正控制策略为主问题筛选关键故障。具体流程如图2所示。

对于给定预想故障集c，其关键故障集ω初始为空，因而首次预防控制安全约束最优潮流为计算正常运行时电-气互联综合能源系统的最优潮流。子问题基于主问题控制策略，即发电机组出力和气源产气量，得到其余故障集c\ω中各故障发生时校正过程中的切负荷，并定义切负荷量最多对应的故障为最严重故障，判断其切负荷量是否满足切负荷指标，若不满足则添加至关键故障集ω并进行下一轮循环。随着关键故障增多，对于其它故障，基于主问题预防控制策略的校正策略更易寻找，直至满足切负荷指标。

为验证本发明方法的有效性，进行以下实验：由ieee24节点电力系统和25节点天然气系统构建电-气互联综合能源系统测试算例。其中，电力系统包括10台发电机组、24节点和38条支路；天然气系统包括35条管道、25节点、3个加压站、3个储气设施和2处气源。假定电网节点7和21发电机为燃气轮机组，分别与气网节点4和7连接；电网节点6接入p2g，并与气网节点17相连接。

本发明设定所有故障均为断线形式，校正控制切负荷指标为0，预想故障集c＝{c1，c2}，其中天然气系统预想故障集c1＝{19,25,20,13,9,30}，电力系统预想故障集c2＝{23,21,22,28,25}。运行时间为1h，时间间隔为15min，通过本发明混合控制方法，寻找到关键故障为c1＝{19，9}，c2＝{25}。

迭代过程中预防控制成本逐渐增加。同时，随着关键故障集排除，计及非关键故障的校正控制切负荷减少。