[發(fā)明專利]基于熱電比調(diào)節(jié)的城市能源互聯(lián)網(wǎng)潮流計(jì)算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711005289.6
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107808218A
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(quán)）人: 國網(wǎng)天津市電力公司;國家電網(wǎng)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(chǎn)權(quán)代理有限公司12209
• 代理人: 王來佳

1.一種基于熱電比調(diào)節(jié)的城市能源互聯(lián)網(wǎng)潮流計(jì)算方法，其特征在于包括步驟如下：

(1)配氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

①穩(wěn)態(tài)流動(dòng)方程

配氣系統(tǒng)模型是管道的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)方程，對于k節(jié)點(diǎn)到m節(jié)點(diǎn)的配氣網(wǎng)穩(wěn)態(tài)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(biāo)況下的天然氣壓力基準(zhǔn)；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(zhǔn)；p_k為節(jié)點(diǎn)k的天然氣壓力；p_m為節(jié)點(diǎn)m的天然氣壓力；γ_g，Z_a，F(xiàn)為和天然氣有關(guān)的系數(shù)，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(jù)式子(1)，將配氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流量f改寫為與配氣網(wǎng)天然氣氣壓壓力差ΔΠ有關(guān)的函數(shù)，表示為：

f＝φ(ΔΠ)(2)

其中：

ΔΠkm=pk2-pm2---(3)]]>

②連續(xù)方程

天然氣流量在某一節(jié)點(diǎn)處代數(shù)和為零，表示如下：

A₁f＝L (4)

其中：A₁為天然氣管網(wǎng)的支路-節(jié)點(diǎn)矩陣，L為負(fù)荷；

同時(shí)規(guī)定符號如下：對于支路而言，如果流量順著支路流入某一節(jié)點(diǎn)，則f為正，如果流量順著支路流出某一節(jié)點(diǎn)，則f為負(fù)，對于負(fù)荷節(jié)點(diǎn)而言，L為正，對氣源節(jié)點(diǎn)而言，L為負(fù)；

根據(jù)式(3)，將配氣網(wǎng)氣壓平方改寫為與配氣網(wǎng)天然氣氣壓壓力差ΔΠ有關(guān)的函數(shù)，表示為：

ΔΠ＝-A^TΠ (5)

其中A為天然氣管網(wǎng)的支路-節(jié)點(diǎn)矩陣，

③回路方程

根據(jù)基爾霍夫第二定律，對于一個(gè)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(wǎng)絡(luò)中的回路-支路矩陣，

(2)供熱系統(tǒng)模型

①水動(dòng)力模型

供熱系統(tǒng)中對于某一節(jié)點(diǎn)，流入的熱水質(zhì)量等于流出的熱水質(zhì)量；對于某一回路，熱水在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)，由于摩擦的原因，水頭壓力會下降，因此對于一個(gè)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(wǎng)的支路-節(jié)點(diǎn)矩陣；m為管道流量；m_q為熱力負(fù)荷的負(fù)荷需求；B_h為熱力管網(wǎng)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(shù)參量，由管道的材質(zhì)決定，

②熱動(dòng)力模型

熱動(dòng)力模型描述的是供熱系統(tǒng)的熱平衡行為，用戶的熱負(fù)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(shí)間內(nèi)流入該熱用戶的熱水質(zhì)量m_q，熱力模型為：

Φ＝C_pm_q(T_s-T_o) (10)

熱水在網(wǎng)絡(luò)的流動(dòng)過程中，假設(shè)管道的始端溫度為T_start，末端溫度為T_end，環(huán)境溫度T_a，管道與溫降有關(guān)的系數(shù)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(wǎng)絡(luò)中發(fā)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(tǒng)模型

配電系統(tǒng)的模型為反映節(jié)點(diǎn)功率與節(jié)點(diǎn)電壓之間關(guān)系的節(jié)點(diǎn)功率方程：

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

其中：為發(fā)電機(jī)發(fā)電有功功率，為發(fā)電機(jī)發(fā)電無功功率，P_lⁱ負(fù)荷有功功率，負(fù)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(jié)點(diǎn)i,j的電壓，G_ij為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的電導(dǎo)，B_ij為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的電納；

(4)多能源耦合環(huán)節(jié)建模

將城市能源互聯(lián)網(wǎng)耦合環(huán)節(jié)概括為一個(gè)包括輸入-輸出二端口的網(wǎng)絡(luò)，并利用一個(gè)耦合矩陣來描述輸入能源同輸出能源之間的關(guān)系，稱為能源集線器模型，在能源集線器內(nèi)部，不同耦合模式的設(shè)備根據(jù)需要任意組合，輸入的能源和輸出的能源形式也根據(jù)需要進(jìn)行指定，

能源集線器的輸入為P輸出為L，整個(gè)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(lián)網(wǎng)統(tǒng)一潮流模型

城市能源互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一潮流計(jì)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(tài)下系統(tǒng)給定的參數(shù)，分別代表有功功率、無功功率、熱功率和天然氣負(fù)荷；第1、2行代表電力系統(tǒng)的模型，含義為系統(tǒng)的有功和無功差值，第3、4、5、6行代表熱力系統(tǒng)的模型，含義為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)熱功率、供熱力管網(wǎng)絡(luò)回路壓力降、供熱溫度及回?zé)釡囟炔钪担?行代表配氣網(wǎng)模型，含義是天然氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷差值；A_sl、A_gl分別為供熱力管網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬傻木仃嚕籆_s、C_r為根據(jù)熱力管網(wǎng)、回?zé)峁芫W(wǎng)求得的矩陣，b_s、b_r為根據(jù)供熱溫度和輸出溫度計(jì)算的矩陣，x＝[θ，U，m，T_s.load,，T_r.load，Π]^T為城市能源互聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)量；

將牛頓拉夫遜法運(yùn)用到城市能源互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合潮流計(jì)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(lián)網(wǎng)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(tǒng)有關(guān)的差值；ΔF_h＝[(ΔΦ，Δp)，(ΔT_s，ΔT_r)]^T表示和供熱系統(tǒng)有關(guān)的差值；ΔF_g＝Δf表示和配氣系統(tǒng)有關(guān)的差值；x_e＝[θ，U]^T表示和配電系統(tǒng)有關(guān)的狀態(tài)變量；x_h＝[m，(T_s.load，T_r.load)]T表示和供熱系統(tǒng)有關(guān)的狀態(tài)變量；x_g＝Π表示和配氣系統(tǒng)有關(guān)的狀態(tài)變量；J_ee表示配電系統(tǒng)自身潮流同自身狀態(tài)變量之間的關(guān)系；J_hh供熱系統(tǒng)自身潮流和自身狀態(tài)變量之間的關(guān)系；J_gg表示配氣系統(tǒng)自身潮流與自身狀態(tài)量之間的關(guān)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(tǒng)中，平衡節(jié)點(diǎn)設(shè)置在氣源節(jié)點(diǎn)，因此配氣網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化所產(chǎn)生的供需波動(dòng)將會由氣源節(jié)點(diǎn)的波動(dòng)變化來承擔(dān)，不會傳導(dǎo)到熱力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)因此J_eg、J_hg均為0；對于配電系統(tǒng)，配電系統(tǒng)內(nèi)部的網(wǎng)路狀態(tài)或者負(fù)荷情況發(fā)生變化時(shí)，由于配電系統(tǒng)根節(jié)點(diǎn)為變壓器，因此其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的波動(dòng)會由變壓器的功率變化來承擔(dān)，波動(dòng)所產(chǎn)生的影響不會順延到供熱系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)，因此J_ge、J_he為0；對于供熱系統(tǒng)來說，由于其平衡節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是配電系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)的負(fù)荷，具體依賴于能源集線器內(nèi)部的設(shè)備形式，所以供熱系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的改變以及負(fù)荷情況的變化，會導(dǎo)致供熱系統(tǒng)平衡節(jié)點(diǎn)出力的變化而影響到配電系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)，因此J_eh、J_gh不為0，J_eh、J_gh的表達(dá)式依賴于能源集線器的形態(tài)，需要按照具體的情況去分析；

(6)城市能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化潮流

所述能源集線器由熱電聯(lián)供機(jī)組和燃?xì)忮仩t組成，通過調(diào)整流向燃?xì)忮仩t和流向熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的天然氣比例，實(shí)現(xiàn)能源集線器熱電比的調(diào)節(jié)，能源集線器的耦合矩陣系數(shù)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?xì)忮仩t的轉(zhuǎn)化效率；cm代表熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電比；代表熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中天然氣向電能的轉(zhuǎn)化效率；代表熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中天然氣向熱能的轉(zhuǎn)化效率；

城市能源互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)函數(shù)為綜合能源運(yùn)營商的運(yùn)營成本最低，運(yùn)營成本主要包括兩塊，分別是購電成本和購氣成本，設(shè)綜合能源運(yùn)營商從大電網(wǎng)購買的電量為P_grid，從城鎮(zhèn)天然氣門站購買的天然氣總量為P_gas,，定義目標(biāo)函數(shù)為：

minf＝c_eP_grid+c_gP_gas (29)

其中，c_e表示的是電價(jià)；c_g表示的是天然氣價(jià)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(lián)網(wǎng)，等式約束由城市能源互聯(lián)網(wǎng)潮流計(jì)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(wǎng)，配氣網(wǎng)，供熱系統(tǒng)以及能源集線器四部分的約束組成，對于配電網(wǎng)而言，節(jié)點(diǎn)電壓必須在某一范圍內(nèi)；

U_min＜U_i＜U_max(31)

對于配氣系統(tǒng)而言，配氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)壓力在一個(gè)范圍內(nèi)；

Π_min＜Π_i＜Π_max(32)

對于供熱系統(tǒng)，管道流量在一個(gè)范圍內(nèi)；

f_heat.min＜f_heat.i＜f_heat.max(33)

考慮到能源集線器中不同設(shè)備的運(yùn)行約束，能源集線器的分配比存在一個(gè)上下限，表示為：

0＜v＜1 (34)

城市能源互聯(lián)網(wǎng)潮流優(yōu)化模型由式(27)式-(34)式組成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱電比調(diào)節(jié)的城市能源互聯(lián)網(wǎng)潮流計(jì)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(lián)供機(jī)組和燃?xì)忮仩t組成，能源集線器模型的熱電比通過調(diào)整流向燃?xì)忮仩t和流向熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的天然氣比例實(shí)現(xiàn)。