一种电热气互联多能源系统矩阵化运算模型建模方法与流程

1.本发明涉及一种电热气互联多能源系统矩阵化运算模型建模方法，属于电热互联多能源系统技术领域。


背景技术：

2.近年来能源系统的发展呈现多样化、智能化、信息化趋势，多种或多台能源转换耦合设备的组合协调运行为电热气互联多能源系统的运行管控、调节等提供了丰富的可能性。能源利用向着多能协调、多能互补利用、能源协调深度梯级利用、多源耦合集成的方向发展。为进一步提升综合能效等级，培育能源供销新模式业态，降低运维运营经济成本实现多方共赢，加强多种能源的源、网、荷、储深度协调互动与融合，构建互联多能源系统是未来新型能源系统实现多方面互联互通、能量流互补互济、多类型能源开放互联的重要技术手段之一，开展电热气互联多能源系统通用性强和适用范围广建模是构建互联多能源系统的基础前提。
3.在能量的生产、传输、转换、配给、存储、利用和市场交易等多个方面，都需要综合考虑运用耦合互联、统一集成、协同调度、优化管理的策略和方法来分析、研究整个互联多能源系统，加强多能源间的耦合互联与集成、促进多种能源协调互补、协同优化成为未来新型能源系统发展的必然趋势。需要注意的是，具有多能协调互补特性的多异构能源互联系统成为解决单一能源系统运行经济成本高、污染排放大、综合能效水平低等问题的有效方案。特别地，电、热、气互联能源系统将多种能源协调互补，有助于实现经济和低碳目标，有助于实现多种能源双向互补互动与协同优化，是提高系统运行调度与资源协调配置灵活性的有效手段之一。
4.然而，电热气互联多能源系统中能源转换设备类型复杂多样、异质能源子系统耦合互联方式复杂等使得通用建模较为复杂。因此，在能源子系统层次上提出通用性强和适用范围广电热气互联多能源系统通用矩阵化建模方法是十分必要和迫切的。


技术实现要素：

5.目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电热气互联多能源系统矩阵化运算模型建模方法，以期实现系统层次上快速拓扑结构分析、快捷数据整理和归纳、建立通用性强和适用范围广的矩阵化运算模型、进而达到节约工程服务现场时间和人力物力并为电热气互联多能源系统建模与运行提供理论指导与借鉴的目的。
6.技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种电热气互联多能源系统矩阵化运算模型建模方法，包括以下步骤：
8.(1)获取电热气互联多能源系统数据信息，包括电热气互联多能源系统的耦合互联架构、能源转换耦合设备、电源、热源及天然气源的输出功率上下限、电力系统拓扑结构、热力系统拓扑结构、天然气系统拓扑结构、电力系统线路参数、热力系统管道支路参数、天然气系统管道支路参数数据信息。
9.(2)建立电力系统的矩阵化运算模型，包括直流潮流矩阵化运算模型和交流潮流矩阵化运算模型。
10.(3)建立热力系统的矩阵化运算模型，包括水力模型矩阵化运算模型、节点压强与压降矩阵化运算模型、流量与温度矩阵化运算模型。
11.(4)建立天然气系统的矩阵化运算模型，包括流量平衡矩阵化运算模型、压强分布矩阵化运算模型。
12.(5)获取所有电力系统、热力系统、和天然气系统的矩阵化运算模型输出的数据信息，包括电力系统电源出力、节点电功率、节点无功功率、节点电压相角、节点电压数据信息；热力系统的热源出力、节点质量流量、节点热功率、节点压强、管道压强损耗数据信息；天然气系统的气源出力、节点压强、管道天然气流量、节点天然气流量、压缩机消耗流量、压缩机压缩比数据信息。
13.进一步，步骤(2)建立电力系统的矩阵化运算模型包括：
14.直流潮流矩阵化运算模型，具体表达式如下：
[0015][0016]
式中：为在时间t节点注入功率向量，其中元素这里和分别为在时间t节点i的发电机出力和负荷，为电纳矩阵，电纳矩阵的元素b
ij
＝-1/x
ij
、b
ij
、x
ij
分别为电力网络线路或支路ij的电纳、电抗，ij为线路或支路，其首末端节点编号分别为i、j；为在时间t节点电压相角向量；下标i、j均为电力网络不同节点编号。
[0017]
交流潮流矩阵化运算模型，具体表达式如下：
[0018][0019]
式中：p
t
、q
t
分别为在时间t电力系统中节点的有功功率、无功功率向量；u
t
为在时间t电力系统中节点电压向量；y为节点导纳矩阵；re、im分别为取向量的实部、虚部运算；*为取向量共轭运算。
[0020]
进一步，所述热力系统，基于图论思想，其节点编号从1到node，即热力系统的节点总数为node；热力系统的管道或支路编号从1到b，即热力系统的支路总数为b。
[0021]
进一步，步骤(3)建立热力系统的矩阵化运算模型包括：
[0022]
水力模型矩阵化运算模型，具体表达式如下：
[0023][0024]
式中：为与热力系统节点和热力管道相关的完全关联矩阵；为热力管道热工质质量流量向量；0为零矩阵向量；为与热力系统闭合回路相关的基本回路矩阵；为
在时间t热力管道压强损耗向量；为在时间t压力循环泵pump所抬高的热工质压头向量。
[0025]
节点压强与压降矩阵化运算模型，具体表达式如下：
[0026][0027]
其中：
[0028][0029]
式中：为与热力系统节点和热力管道相关的完全关联矩阵；为在时间t热力系统中节点压强向量；为在时间t热力管道压强损耗向量；为在时间t压力循环泵pump所抬高的热工质压头向量；上标b为热力系统的支路总数；上标
′
为向量转置运算；为在时间t热力系统中节点node处的压强；为在时间t热力系统中热力管道b的压强损耗；为在时间t热力系统中压力循环泵pump所抬高的热工质压头。
[0030]
流量与温度矩阵化运算模型，具体表达式如下：
[0031][0032]
式中：分别为在时间t热力系统中热力管道输入、输出热功率向量；为在时间t热力系统中节点热负荷向量；c
p
为热工质的比热容；为在时间t热力系统管道终端节点热工质质量流量向量；分别为在时间t热力管道与热力管道交汇节点处的入端口、出端口温度向量；分别为在时间t热力系统中节点-质量流量流入管道起点关联矩阵、节点-质量流量流出管道终点关联矩阵。
[0033]
进一步，所述天然气系统包括中、高压传输天然气系统，天然气管道中气流量与管道两侧节点的压强大小以及管道传输物理条件密切相关，其数学关系如下式：
[0034][0035]
式中：下标i、j、ij分别为天然气管道首端节点、管道末端节点、管道编号；分别为在时间t天然气系统节点i、j处的天然气压强；为在时间t天然气系统天然气流量方向变量；为管道特征常数；为在时间t管道中的气流量；k
ij
为管道支路等效特征物理参数，也称为天然气管道支路阻抗；为支路首末端等效压强平方差。
[0036]
基于图论思想，对中、高压天然气系统拓扑关系中节点进行编号，节点数从1到
node，即节点总数为node；对天然气管道或拓扑支路进行编号，支路数从1到b，即支路总数为b。那么，各个支路的压缩机的压缩比可以分别对应支路编号为到天然气系统管道流量方向变量可以分别对应支路编号为到支路等效特征参数可以分别对应支路编号为k1到kb；支路首末端等效压强平方差可以分别对应支路编号为到各个节点的注入天然气流量可以分别对应节点编号为到各个支路的天然气流量可以分别对应支路编号为到各个支路上压缩机消耗的天然气流量可以分别对应支路编号为到
[0037]
进一步，步骤(4)建立天然气系统的矩阵化运算模型包括：流量平衡矩阵化运算模型、压强分布矩阵化运算模型，包括：
[0038]
流量平衡矩阵化运算模型，具体表达式如下：
[0039][0040]
其中：
[0041][0042]
式中：为天然气系统节点-支路完全关联矩阵；f
t
为在时间t天然气网络中流过管道的天然气流量向量；为天然气网络中与网络节点和管道支路相关的完全起点关联矩阵；为在时间t天然气网络中输入到支路压缩机中的天然气流量向量；q
t
为在时间t天然气系统中节点注入流量向量；上标b为天然气管道支路总数；下标node为天然气系统拓扑节点总数；上标
′
为向量转置运算；为在时间t天然气系统中支路b的天然气流量；为在时间t支路b上压缩机消耗的天然气流量；为在时间t节点node的注入天然气流量。
[0043]
压强分布矩阵化运算模型，具体表达式如下：
[0044][0045]
其中：
[0046][0047]
式中：为天然气网络中与网络节点和管道支路相关的完全起点关联矩阵；为在时间t天然气网络中与支路压缩机的压缩比有关的对角矩阵；为天然气系统节点-支路完全终点关联矩阵；为在时间t天然气系统中节点压强平方向量；π
t
为在时间t天然气系统中支路首末端等效压强平方差向量；上标
′
为向量转置运算；为在时间t支路b的压缩机压缩比；为在时间t天然气系统中节点node处压强的平方；为在时间t天然气系统中支路b的天然气流量方向；kb为管道支路b的物理参数；为在时间t管道b中流过的天然气流量。
[0048]
进一步的，所述天然气系统还包括：
[0049]
①
第i条支路中无压缩机时，此时设置压缩比且设置压缩机消耗的天然气流量特别地，对于电压缩机，始终设置
[0050]
②
天然气系统的气流量方向通常为确定的，尤其在高压天然气传输系统中，各种调节阀门及实际工程应用中气流量方向都不会轻易改变，因此天然气拓扑关系通常是确定的，即天然气系统管道流量方向变量通常是已知量。
[0051]
③
第i个节点为气源节点时取值为正，为气负荷节点时取值为负，为中间节点时取值为0。
[0052]
④
中高压传输天然气系统矩阵化方程同样适用于低压配气系统中，此时中高压传输天然气系统矩阵化方程同样适用于低压配气系统中，此时
[0053]
有益效果：本发明提供的一种电热气互联多能源系统矩阵化运算模型建模方法，与现有技术相比，本发明同时综合考虑了电热气异构能源子系统，可为多能源系统建模与运行提供理论指导；本发明提供电力系统、热力系统和天然气系统的矩阵化运算模型，通用性强、适用范围广；本发明可有效为电热气互联多能源系统在系统层次上快速拓扑结构分析、快捷数据整理和归纳提供理论指导与借鉴，节约工程服务现场时间和人力物力。
附图说明
[0054]
图1为本发明的方法实施流程图。
具体实施方式
[0055]
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
[0056]
实施例1：
[0057]
一种电热气互联多能源系统矩阵化运算模型建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0058]
(1)获取电热气互联多能源系统数据信息
[0059]
获取电热气互联多能源系统数据信息，包括电热气互联多能源系统的耦合互联架构、能源转换耦合设备、电源、热源及天然气源的输出功率上下限、电力系统拓扑结构、热力系统拓扑结构、天然气系统拓扑结构、电力系统线路参数、热力系统管道支路参数、天然气系统管道支路参数等数据等信息。
[0060]
(2)建立电力系统矩阵化运算模型
[0061]
对电力系统建立直流潮流方程，其矩阵形式具体表达式如下：
[0062][0063]
式中：为在时间t节点注入功率向量，其中元素这里和分别为在时间t节点i的发电机出力和负荷，下标i、j均为电力网络不同节点编号；为电纳矩阵，其中的元素b
ij
＝-1/x
ij
、b、x分别为电力网络线路或支路的电纳、电抗，ij为线路或支路，其首末端节点编号分别为i、j；为在时间t节点电压相角向量。
[0064]
电力系统中经典的交流潮流模型通过矩阵化形式描述的数学模型具体如下：
[0065][0066]
式中：p
t
、q
t
分别为在时间t电力系统中节点的有功功率、无功功率向量；u
t
为在时间t电力系统中节点电压向量；y为节点导纳矩阵；re、im分别为取向量的实部、虚部运算；*为取向量共轭运算。
[0067]
(3)建立热力系统矩阵化运算模型
[0068]
针对一个热力系统，基于图论思想，其节点编号从1到node，即热力系统的节点总数为node；热力系统的管道或支路编号从1到b，即热力系统的支路总数为b。
[0069]
热力系统的水力模型矩阵化运算具体表达式如下：
[0070][0071]
式中：为与热力系统节点和热力管道相关的完全关联矩阵；为热力管道热工质质量流量向量；0为零矩阵向量；为与热力系统闭合回路相关的基本回路矩阵；为在时间t热力管道压强损耗向量；为在时间t压力循环泵pump所抬高的热工质压头向
量。
[0072]
热力系统中的节点压强与压降进行矩阵化运算时，其具体表达式如下：
[0073][0074]
其中：
[0075][0076]
式中：为与热力系统节点和热力管道相关的完全关联矩阵；为在时间t热力系统中节点压强向量；为在时间t热力管道压强损耗向量；为在时间t压力循环泵pump所抬高的热工质压头向量；上标b为热力系统的支路总数；为在时间t热力系统中节点node处的压强；为在时间t热力系统中热力管道b的压强损耗；为在时间t热力系统中压力循环泵pump所抬高的热工质压头。
[0077]
用矩阵方程组表述热力系统流量与温度的矩阵化运算模型具体如下：
[0078][0079]
式中：分别为在时间t热力系统中热力管道输入、输出热功率向量；为在时间t热力系统中节点热负荷向量；c
p
为热工质的比热容；为在时间t热力系统管道终端节点热工质质量流量向量；分别为在时间t热力管道与热力管道交汇节点处的入端口、出端口温度向量；分别为在时间t热力系统中节点-质量流量流入管道起点关联矩阵、节点-质量流量流出管道终点关联矩阵。
[0080]
(4)建立天然气系统矩阵化运算模型
[0081]
对于中高压传输天然气系统，天然气管道中气流量与管道两侧节点的压强大小以及管道传输物理条件密切相关，其数学关系如下式：
[0082][0083]
式中：下标i、j、ij分别为天然气管道首端节点、管道末端节点、管道编号；分别为在时间t天然气系统节点i、j处的天然气压强；为在时间t天然气系统天然气流量方向变量；为管道特征常数；为在时间t管道中的气流量；k
ij
为管道支路等效特征物理参数，也称为天然气管道支路阻抗；为支路首末端等效压强平方差。
[0084]
基于图论思想，对中高压传输天然气系统拓扑关系进行分析，对天然气系统拓扑
节点进行编号，节点数从1到node，即节点总数为node；对天然气管道或拓扑支路进行编号，支路数从1到b，即支路总数为b。那么，各个支路的压缩机的压缩比可以分别对应支路编号为到天然气系统管道流量方向变量可以分别对应支路编号为到支路等效特征参数可以分别对应支路编号为k1到kb；支路首末端等效压强平方差可以分别对应支路编号为到各个节点的注入天然气流量可以分别对应节点编号为到各个支路的天然气流量可以分别对应支路编号为到各个支路上压缩机消耗的天然气流量可以分别对应支路编号为到
[0085]
天然气系统流量平衡矩阵化方程表达式如下：
[0086][0087]
其中：
[0088][0089]
式中：为天然气系统节点-支路完全关联矩阵；f
t
为在时间t天然气网络中流过管道的天然气流量向量；为天然气网络中与网络节点和管道支路相关的完全起点关联矩阵；为在时间t天然气网络中输入到支路压缩机中的天然气流量向量；q
t
为在时间t天然气系统中节点注入流量向量；上标b为天然气管道支路总数；下标node为天然气系统拓扑节点总数；上标
′
为向量转置运算；为在时间t天然气系统中支路b的天然气流量；为在时间t支路b上压缩机消耗的天然气流量；为在时间t节点node的注入天然气流量。
[0090]
天然气系统压强分布矩阵化方程表达式如下：
[0091][0092]
其中：
[0093][0094]
式中：为天然气网络中与网络节点和管道支路相关的完全起点关联矩阵；
为在时间t天然气网络中与支路压缩机的压缩比有关的对角矩阵；为天然气系统节点-支路完全终点关联矩阵；为在时间t天然气系统中节点压强平方向量；π
t
为在时间t天然气系统中支路首末端等效压强平方差向量；上标
′
为向量转置运算；为在时间t支路b的压缩机压缩比；为在时间t天然气系统中节点node处压强的平方；为在时间t天然气系统中支路b的天然气流量方向；kb为管道支路b的物理参数；为在时间t管道b中流过的天然气流量。
[0095]
对于天然气系统矩阵化模型有如下说明：
[0096]
①
第i条支路中无压缩机时，此时设置压缩比且设置压缩机消耗的天然气流量特别地，对于电压缩机，始终设置
[0097]
②
天然气系统的气流量方向通常为确定的，尤其在高压天然气传输系统中，各种调节阀门及实际工程应用中气流量方向都不会轻易改变，因此天然气拓扑关系通常是确定的，即天然气系统管道流量方向变量通常是已知量。
[0098]
③
第i个节点为气源节点时取值为正，为气负荷节点时取值为负，为中间节点时取值为0。
[0099]
④
中高压传输天然气系统矩阵化方程同样适用于低压配气系统中，此时中高压传输天然气系统矩阵化方程同样适用于低压配气系统中，此时
[0100]
(5)输出矩阵化模型数据信息
[0101]
输出矩阵化模型数据信息，包括电力系统电源出力、节点电功率、节点无功功率、节点电压相角、节点电压等数据信息；热力系统的热源出力、节点质量流量、节点热功率、节点压强、管道压强损耗等数据信息；天然气系统的气源出力、节点压强、管道天然气流量、节点天然气流量、压缩机消耗流量、压缩机压缩比等数据信息。
[0102]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。