[發明專利]基于熱電比調節的城市能源互聯網潮流計算方法

在審

• 申請號: 201711005289.6
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107808218A
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 梁剛;穆云飛;郭鐵軍;劉日堂;梁程;王琳;張超雄;曹旌;郝毅;王中榮;陳文福;馬占軍;田圳;李海科;蔚鑫棟;韓濤;王鈺;田中亮;王政;黨旭鑫;段偉潤;張雪佼;任肖久
• 申請（專利權）人: 國網天津市電力公司;國家電網公司
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/06
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司12209
• 代理人: 王來佳

1.一種基于熱電比調節的城市能源互聯網潮流計算方法，其特征在于包括步驟如下：

(1)配氣系統數學模型

①穩態流動方程

配氣系統模型是管道的穩態流動方程，對于k節點到m節點的配氣網穩態流量f_km，采用下式描述：

fkm=sg(pk,pm)(7.6×10-4·Tnpn)Dkm5/2×(pk2-pm2LkmγgTaZaF)1/2---(1)]]>

其中：p_n為標況下的天然氣壓力基準；T_a為管道中天然氣的平均溫度；D_km為管道直徑；L為管道的長度；T_n為溫度基準；p_k為節點k的天然氣壓力；p_m為節點m的天然氣壓力；γ_g，Z_a，F為和天然氣有關的系數，可以查表獲取；p_k＞p_m，sg(p_k,p_m)＝1，若p_k＜p_m，sg(p_k,p_m)＝-1；

根據式子(1)，將配氣系統穩態流量f改寫為與配氣網天然氣氣壓壓力差ΔΠ有關的函數，表示為：

f＝φ(ΔΠ)(2)

其中：

ΔΠkm=pk2-pm2---(3)]]>

②連續方程

天然氣流量在某一節點處代數和為零，表示如下：

A₁f＝L (4)

其中：A₁為天然氣管網的支路-節點矩陣，L為負荷；

同時規定符號如下：對于支路而言，如果流量順著支路流入某一節點，則f為正，如果流量順著支路流出某一節點，則f為負，對于負荷節點而言，L為正，對氣源節點而言，L為負；

根據式(3)，將配氣網氣壓平方改寫為與配氣網天然氣氣壓壓力差ΔΠ有關的函數，表示為：

ΔΠ＝-A^TΠ (5)

其中A為天然氣管網的支路-節點矩陣，

③回路方程

根據基爾霍夫第二定律，對于一個回路而言，回路中的管道壓力降為零，表示為：

BΔΠ＝0 (6)

其中：B為天然氣網絡中的回路-支路矩陣，

(2)供熱系統模型

①水動力模型

供熱系統中對于某一節點，流入的熱水質量等于流出的熱水質量；對于某一回路，熱水在網絡中運動，由于摩擦的原因，水頭壓力會下降，因此對于一個熱水回路而言，回路的壓力降為0，表示為：

A_sm＝m_q(7)

B_hh_f＝0(8)

式中：A_s為熱力管網的支路-節點矩陣；m為管道流量；m_q為熱力負荷的負荷需求；B_h為熱力管網的支路-回路矩陣；h_f為壓力降，表示為

h_f＝Km|m| (9)

式中：K為管道的阻力系數參量，由管道的材質決定，

②熱動力模型

熱動力模型描述的是供熱系統的熱平衡行為，用戶的熱負荷需求取決于供熱的供熱溫度T_s，供熱的輸出溫度To，以及單位時間內流入該熱用戶的熱水質量m_q，熱力模型為：

Φ＝C_pm_q(T_s-T_o) (10)

熱水在網絡的流動過程中，假設管道的始端溫度為T_start，末端溫度為T_end，環境溫度T_a，管道與溫降有關的系數為λ，管道的長度為L，那么溫降方程表示為：

Tend=(Tstart-Ta)e-λLCpm+Ta---(11)]]>

熱水在網絡中發生混合須滿足能量守恒定律，因此混合方程表述為：

(∑m_out)T_out＝∑m_inT_in (12)

(3)配電系統模型

配電系統的模型為反映節點功率與節點電壓之間關系的節點功率方程：

Pi=Pgi-PliQi=Qgi-Qli∀i=1,...,(Ne-NPV)---(13)]]>

其中：為發電機發電有功功率，為發電機發電無功功率，P_lⁱ負荷有功功率，負荷無功功率，

Pi=ViΣj∈iVj(Gijcos(θi-θj)+Bijcos(θi-θj)),(i=1,2,3,...,n)Qi=ViΣj∈iVj(Gijsin(θi-θj)-Bijcos(θi-θj)),(i=1,2,3,...,n)---(14)]]>

其中：V_i，V_j為節點i,j的電壓，G_ij為節點導納矩陣的電導，B_ij為節點導納矩陣的電納；

(4)多能源耦合環節建模

將城市能源互聯網耦合環節概括為一個包括輸入-輸出二端口的網絡，并利用一個耦合矩陣來描述輸入能源同輸出能源之間的關系，稱為能源集線器模型，在能源集線器內部，不同耦合模式的設備根據需要任意組合，輸入的能源和輸出的能源形式也根據需要進行指定，

能源集線器的輸入為P輸出為L，整個能源集線器表示為：

L＝f(P)(15)

式中，c_ij為耦合因子，表示第j種形式能源輸出與第i種形式能源輸入的比值；

(5)城市能互聯網統一潮流模型

城市能源互聯網的統一潮流計算模型為：

F(x)=ΔPΔQΔΦΔpΔTsΔTrΔf=Psp-Re{U·(YU)}=0Qsp-Im{U·(YU)}=0CpAs1m(Ts-To)-Φsp=0BhKm|m|=0CsTs.load-bs=0CrTr.load-br=0Ag1φ(-AgTΠ)-Lsp=0---(17)]]>

式中：P^SP、Q^SP、Φ^SP和L^SP為初始狀態下系統給定的參數，分別代表有功功率、無功功率、熱功率和天然氣負荷；第1、2行代表電力系統的模型，含義為系統的有功和無功差值，第3、4、5、6行代表熱力系統的模型，含義為系統的節點熱功率、供熱力管網絡回路壓力降、供熱溫度及回熱溫度差值，第7行代表配氣網模型，含義是天然氣系統節點負荷差值；A_sl、A_gl分別為供熱力管網絡和天然氣網絡參數，根據網絡拓撲形成的矩陣；C_s、C_r為根據熱力管網、回熱管網求得的矩陣，b_s、b_r為根據供熱溫度和輸出溫度計算的矩陣，x＝[θ，U，m，T_s.load,，T_r.load，Π]^T為城市能源互聯網的狀態量；

將牛頓拉夫遜法運用到城市能源互聯網聯合潮流計算中，其迭代形式如下：

{Δx(k+1)=(J(k))-1ΔF(k)x(k+1)=x(k)-Δx(k)---(18)]]>

城市能源互聯網潮流方程雅克比矩陣J表示為：

J=JeeJehJegJheJhhJhgJgeJghJgg=∂Fe∂xeT∂Fe∂xhT∂Fe∂xgT∂Fh∂xeT∂Fh∂xhT∂Fh∂xgT∂Fg∂xeT∂Fg∂xhT∂Fg∂xgT---(19)]]>

式中：ΔF_e＝[ΔP，ΔQ]^T表示和配電系統有關的差值；ΔF_h＝[(ΔΦ，Δp)，(ΔT_s，ΔT_r)]^T表示和供熱系統有關的差值；ΔF_g＝Δf表示和配氣系統有關的差值；x_e＝[θ，U]^T表示和配電系統有關的狀態變量；x_h＝[m，(T_s.load，T_r.load)]T表示和供熱系統有關的狀態變量；x_g＝Π表示和配氣系統有關的狀態變量；J_ee表示配電系統自身潮流同自身狀態變量之間的關系；J_hh供熱系統自身潮流和自身狀態變量之間的關系；J_gg表示配氣系統自身潮流與自身狀態量之間的關系,

Jhh=∂Δ[Φ,p]T∂mT∂Δ[Φ,p]T∂[Ts.load,Tr.load]T∂Δ[Ts,Tr]T∂mT∂Δ[Ts,Tr]T∂[Ts.load,Tr.load]T=Jh11Jh12Jh21Jh22---(20)]]>

Jh11=∂ΔΦ∂mT∂Δp∂mT=Cpdiag{(Ts-Tr)}As12BK|m|---(21)]]>

Jh12=Cpdiag{As1m}000---(22)]]>

Jh21=∂ΔTs∂mT∂ΔTr∂mT=-∂bs∂mT∂br∂mT---(23)]]>

Jh22=∂ΔTs∂Ts.loadT∂ΔTs∂Tr.loadT∂ΔTr∂Ts.loadT∂ΔTr∂Tr.loadT=Cs00Cr---(24)]]>

Jgg=Ag1DAg1T---(25)]]>

dii=fi2ΔΠi---(26)]]>

在配氣系統中，平衡節點設置在氣源節點，因此配氣網絡狀態的變化所產生的供需波動將會由氣源節點的波動變化來承擔，不會傳導到熱力系統和電力系統因此J_eg、J_hg均為0；對于配電系統，配電系統內部的網路狀態或者負荷情況發生變化時，由于配電系統根節點為變壓器，因此其網絡內部的波動會由變壓器的功率變化來承擔，波動所產生的影響不會順延到供熱系統和配氣系統，因此J_ge、J_he為0；對于供熱系統來說，由于其平衡節點實際上是配電系統和配氣系統的負荷，具體依賴于能源集線器內部的設備形式，所以供熱系統網絡狀態的改變以及負荷情況的變化，會導致供熱系統平衡節點出力的變化而影響到配電系統和配氣系統，因此J_eh、J_gh不為0，J_eh、J_gh的表達式依賴于能源集線器的形態，需要按照具體的情況去分析；

(6)城市能源互聯網優化潮流

所述能源集線器由熱電聯供機組和燃氣鍋爐組成，通過調整流向燃氣鍋爐和流向熱電聯產機組的天然氣比例，實現能源集線器熱電比的調節，能源集線器的耦合矩陣系數為，

Le=11+cmvdgeCHPPg---(27)]]>

Lh=[(1-v)dghGB+cm1+cmvdghCHP]Pg---(28)]]>

式中，v代表天然氣的分配比例；代表燃氣鍋爐的轉化效率；cm代表熱電聯產機組的熱電比；代表熱電聯產機組中天然氣向電能的轉化效率；代表熱電聯產機組中天然氣向熱能的轉化效率；

城市能源互聯網的目標函數為綜合能源運營商的運營成本最低，運營成本主要包括兩塊，分別是購電成本和購氣成本，設綜合能源運營商從大電網購買的電量為P_grid，從城鎮天然氣門站購買的天然氣總量為P_gas,，定義目標函數為：

minf＝c_eP_grid+c_gP_gas (29)

其中，c_e表示的是電價；c_g表示的是天然氣價格，決策變量為能源集線器的分配比v，

①等式約束

對于城市能源互聯網，等式約束由城市能源互聯網潮流計算模型得知：

Psp-Re{U·(YU)}=0Qsp-Im{U·(YU)}=0CpAs1m(Ts-To)-Φsp=0BhKm|m|=0CsTs.load-bs=0CrTr.load-br=0Ag1φ(-AgTΠ)-Lsp=0---(30)]]>

②不等式約束

約束條件由配電網，配氣網，供熱系統以及能源集線器四部分的約束組成，對于配電網而言，節點電壓必須在某一范圍內；

U_min＜U_i＜U_max(31)

對于配氣系統而言，配氣系統的節點壓力在一個范圍內；

Π_min＜Π_i＜Π_max(32)

對于供熱系統，管道流量在一個范圍內；

f_heat.min＜f_heat.i＜f_heat.max(33)

考慮到能源集線器中不同設備的運行約束，能源集線器的分配比存在一個上下限，表示為：

0＜v＜1 (34)

城市能源互聯網潮流優化模型由式(27)式-(34)式組成。

2.根據權利要求1所述的基于熱電比調節的城市能源互聯網潮流計算方法，其特征在于：所述步驟(4)中能源集線器模型具體由熱電聯供機組和燃氣鍋爐組成，能源集線器模型的熱電比通過調整流向燃氣鍋爐和流向熱電聯產機組的天然氣比例實現。