[發明專利]一種考慮管道動態特性的電-熱耦合系統狀態估計方法

有效

• 申請號: 201710927795.4
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN107563674B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 孫宏斌;郭慶來;王彬;盛同天;張伯明;吳文傳;張明曄
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/08
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

1.一種考慮管道動態特性的電-熱耦合系統狀態估計方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

(1)設定電-熱耦合系統狀態估計的精度δ及預設最大循環次數d，初始化時設循環次數a為0；

(2)實時測量t時刻電-熱耦合系統的運行參數，包括電力系統中所有節點i的電壓幅值V_i、注入的有功功率P_i及無功功率Q_i，節點i和與節點i相連的節點j之間傳輸線輸送的有功功率P_ij及無功功率Q_ij，熱力系統中所有節點k的壓強h_k、注入流量L_k，供水溫度T_k，in、回水溫度T_k，out、熱源或熱負荷節點所供給或消耗的熱量Φ_k，節點k和與節點k相連的節點l之間的連接管道中的流量m_kl，上述測量值構成列向量z；

電-熱耦合系統的所有待估計的狀態變量構成列向量x，x＝[x_e x_h]^T，其中x_e＝[V_i θ_i]^T，即由電力系統中所有節點i的電壓幅值V_i及相位θ_i組成的列向量，x_h＝[h_k T_k，in T_k，out]^T，為熱力系統中所有節點k的壓強h_k和溫度T_k，in、T_k，out組成的列向量；

構建一個量測函數f(x)描述電-熱耦合系統狀態變量與測量值之間的關系，f(x)＝[f_e(x) f_h(x)]^T，上標T表示矩陣轉置，

f_e(x)為電力系統潮流方程：

P_ij＝-V_i²G_ij+V_iV_j(G_ijcosθ_ij+B_ijsinθ_ij)

Q_ij＝V_i²(B_ij-b_c)+V_iV_j(G_ijsinθ_ij-B_ijcosθ_ij)

其中，θ_ij為節點i和節點j的相位差，即θ_ij＝θ_i-θ_j，G_ij、B_ij為電力系統節點導納矩陣Y第i行、第j列元素的實部和虛部，b_c為電網支路的等效對地電納，上述數據從電力系統調度中心獲取；

f_h(x)為熱力系統潮流方程：

Φ_k＝C_pL_k(T_k，in-T_k，out)

其中K_kl為管道阻力系數，取值為10～500帕/(千克/秒)²，C_p為管道中流體的定壓比熱容，由流體的物性參數表獲取；

(3)根據上述步驟(2)的測量值，建立一個電-熱耦合系統狀態估計的目標函數如下：

minJ(x)＝[z-f(x)]^TW[z-f(x)]

其中W為測量值的協方差矩陣，上標T表示矩陣轉置；

(4)建立電-熱耦合系統穩態運行階段下的約束條件，包括：

(4-1)電力系統的潮流約束：

其中，θ_ij為節點i和節點j的相位差，即θ_ij＝θ_i-θ_j，G_ij、B_ij為電力系統節點導納矩陣Y的第i行、第j列元素的實部和虛部，由電網調度中心獲取；

(4-2)熱力系統管道的穩態水力約束為：

h_pu＝a₀·m²+a₁·m+a₂

h_pi＝K·m·|m|

A·m＝m^q

B·h＝0

其中h表示流體流過元件時，該元件提供的壓力或流體損失的壓力，m表示流體流過該元件的流量，下標表示元件種類，即pu表示循環泵，pi表示管道，va表示閥門，ex表示換熱器；a₀，a₁，a₂分別是循環泵參數，由循環泵的產品銘牌或出廠水力試驗報告得到，K表示熱力系統管道的沿程阻力，Kv是閥門的參數，由閥門銘牌得到，Re是雷諾數，ρ是熱力系統管道中流體的密度，b，c，ζ分別是換熱器參數，由換熱器設備銘牌或出廠水力試驗報告得到，A為熱力系統的節點-支路關聯矩陣，m、m^q分別為由熱力系統中各支路流量及各節點注入流量組成的列向量，B為熱力系統的回路-支路關聯矩陣，h為各個節點壓力差組成的列向量；

(4-3)熱力系統管道的熱力穩態約束為：

(∑m_out)T_out＝∑(m_inT_in)

其中，m表示流體流過該元件的流量，下標ex表示換熱器，表示內能做功功率，T為流體溫度，下標out表示流出節點，下標in表示流入節點，下標h表示換熱器熱水側，下標c表示換熱器冷水側，C_p為熱力系統管道中流體的定壓比熱容，由流體的物性參數表獲取；

(4-4)當電-熱耦合系統以燃氣輪機或往復式活塞內燃機為聯產機組時，聯產機組的約束條件為：

k_CHP＝Φ^CHP/P^CHP

其中，k_CHP為聯產機組產電產熱比，由燃氣輪機或往復式活塞內燃機的產品說明書中獲取，Φ^CHP為聯產機組產出的熱量，P^CHP為聯產機組發出的電功率；

當電-熱耦合系統以蒸汽輪機為聯產機組時，聯產機組的約束條件為：

其中，Z_CHP為蒸汽輪機單位產電改變量引起的產熱改變量，Z_CHP從蒸汽輪機的產品說明書獲取，P^Con為蒸汽輪機的最大產電功率，P^Con從蒸汽輪機的產品說明書獲取，Φ^CHP為電-熱聯產機組產出的熱量，P^CHP為電-熱聯產機組發出的電功率，從蒸汽輪機的產品說明書獲取；

(5)利用拉格朗日乘數法，將上述步驟(3)的目標函數和上述步驟(4)的約束條件構成一個拉格朗日函數如下：

L(x，ω)＝J(x)+ω^Tc(x)

對上述拉格朗日函數進行修正，得到管道系統穩態運行時的電-熱耦合系統狀態估計模型為：

利用最優化理論中的牛頓-拉夫遜法，求解該模型，得到管道系統穩態運行時的電-熱耦合系統狀態估計結果；

(6)根據電-熱耦合網絡的動態特性和上述步驟(5)的管道系統穩態運行時的電-熱耦合系統狀態估計結果，進行管道系統動態運行時的電-熱耦合系統狀態估計，包括以下步驟：

(6-1)利用下式，計算熱力系統中每個管道產生的能量傳輸時間延遲s：

其中，為上述步驟(5)得到的狀態估計值中熱力系統管道中的流體流量，ρ為與管道系統穩態運行時電-熱耦合系統狀態估計結果中的溫度相對應的流體密度，下標t-γΔt表示時刻t-γΔt經過兩階段狀態估計得到的估計值，下標t-kΔt代表時刻t-kΔt經過兩階段狀態估計所得的估計值，為對集合中所有符合條件的n取最小值，s.t.是subject to的縮寫，意為符合條件，Z為整數集，即找到最小的正整數n，使得成立，并將滿足條件的n賦值給γ，Δt為步驟(2)中測量電-熱耦合系統運行參數的采樣時間間隔，S為管道橫截面積，L為管道長度；

(6-2)選擇能量傳輸時間的延遲時間s之前的t-s的一個狀態估計結果，根據該結果中的流體溫度平均值求得該狀態估計時刻的流體密度以及定壓比熱容：

即

其中代表流體在(t-s)到t時間段中的平均溫度；

建立熱力系統中每個管道的動態約束方程如下：

其中，T_out(t)代表時刻t時的某管道的回水溫度，T_k，in(t-s)代表時刻(t-s)時的管道的供水溫度，T_a為管道所處的環境溫度，由管道周邊環境的測溫裝置獲得，λ為管道單位長度散熱系數，由管道銘牌獲得，S為管道橫截面積，L為管道長度，s為(6-1)算得的能量傳輸時間延遲；

(6-3)將上述步驟(4)的穩態約束條件作為上述步驟(3)目標函數的約束條件，與上述步驟(6-2)的所有管道的動態約束方程一起，構成一個拉格朗日函數如下：

L(x，ω)＝J(x)+ω^Tc(x)

利用牛頓-拉夫遜法求解該拉格朗日函數，求解得到熱力系統動態運行時的電-熱耦合系統狀態估計結果；

(7)對上述步驟(6)的狀態估計結果進行收斂性判斷：

若循環次數a達到預設循環次數d，即a≥d，則將本次狀態估計結果作為t時刻考慮管道動態特性的電-熱耦合系統狀態估計結果；

若循環次數a未達到預設循環次數d，即a＜d，則進一步根據電-熱耦合系統狀態估計的精度δ對狀態估計結果收斂性進行判斷：若最近相鄰兩次狀態估計結果中的狀態變量估計值x_a和x_a-1的差值的絕對值的最大值小于狀態估計精度δ，即max|x_a-x_a-1|＜δ，則將本次狀態估計結果作為t時刻考慮管道動態特性的電-熱耦合系統狀態估計結果，若最近兩次狀態估計結果中的狀態變量估計值x_a和x_a-1的差值的絕對值的最大值大于或等于狀態估計精度δ，即max|x_a-x_a-1|≥δ，則更新狀態變量，并根據本次狀態估計所得的溫度值更新流體密度和定壓比熱容，同時使a＝a+1，并返回步驟(4)，繼續本次狀態估計過程。