CN104734155B - 一种获取电‑气互联能源系统可用输电能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取电‑气互联能源系统可用输电能力的方法，提出了电‑气互联能源系统静态安全域的概念，采用连续潮流法求解，解决了传统的可用输电能力获取方法没有考虑NGFPP的一次能源供应以及天然气系统的运行约束可能会迫使天然气系统的运行状态超出安全约束，从而影响NGFPP的一次能源供应的问题，通过IEEE39节点输电系统与20节点的比利时输气系统构成的互联能源系统验证，本发明所提方法具有普遍适用性保证了NGFPP一次能源供应的安全性与可靠性，同时，以统一的能源市场分析不同区域间的ATC，在保证互联能源系统安全性的基础上，能够给整个能源市场的参与者带来更大的经济收益。

Description

一种获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法

技术领域

本发明涉及一种获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法，属于电-气互联能源系统分析、优化、市场技术领域。

背景技术

以不可再生的化石燃料作为一次能源的传统发电机组环境污染大，难以适应现代智能电网、低碳社会的发展需求。相比而言，天然气储量丰富，且以天然气为一次能源的燃气轮机(natural-gas fired power plants，NGFPP)有如下优点：1)发电效率高；2)碳排放量小；3)动作响应块。因而近年来NGFPP发电比例显著提高，电力系统与天然气系统的耦合不断增加。同时，随着电转气技术的成熟，有望实现电能的大规模存储，从而为风能、太阳能等可再生能源的消纳提供了保障，更深层次地加深电力系统与天然气系统之间的耦合。

传统意义上，电力系统与天然气系统是相互独立、高度自治的系统，二者的规划、运行、控制等方面均由各自的运营机构独立执行。但随着二者之间的高度融合，相互独立的运营方式未必适用。例如，当电力系统可再生能源出力、电负荷功率波动时，部分功率波动需要由天然气系统平衡。另一方面，天然气的市场价格直接决定了NGFPP的运行成本，继而影响了电力系统的优化调度；同时，当天然气系统发生大扰动或故障时，直接影响了NGFPP的天然气供应，进一步威胁到电力系统的安全性与可靠性。因而，迫切需要从统一、协调的方式的视角去分析电力系统与天然气系统。

电力系统可用输电能力(available transfer capacity，ATC)衡量了在满足电力系统安全约束的基础上互联电网不同区域间的功率交换能力。ATC的计算结果对于电力市场的买卖双方至关重要，同时也可用于电力系统的规划、安全稳定评估。ATC的获取方法主要包括直流潮流法、重复潮流法、最优潮流法、连续潮流法。值得引起注意的是，现有ATC获取方法仅仅计及了电力系统的安全约束，并没有考虑一次能源系统-天然气系统的运行约束。特别是当NGFPP发电比重较大时，NGFPP输出功率的大额度增长可能会迫使天然气系统的运行状态超出安全约束(例如节点压力越限、管道流量越限)，从而影响NGFPP的一次能源供应。因而NGFPP的出力约束不仅仅取决于自身的装机容量，天然气系统的安全约束也是不可忽略的。

本发明研究了计及电-气互联能源系统静态安全约束的ATC计算。为易于处理电力系统、天然气系统的各类约束，本发明提出了电-气互联能源系统的静态安全域的概念，基于连续潮流法计算ATC。最后，实际系统的算例测试验证了本发明所提方法的有效性。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法，从互联能源系统的角度出发，更合理的评估不同区域间的功率交换能力，从而为整个能源市场的参与者带来更大的经济利益。

技术方案：本发明提出一种获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法，包括以下步骤：

根据电力系统的实时运行参数建立电力系统稳态潮流方程和电力系统静态安全约束方程，所述电力系统的实时运行参数包括网络参数、拓扑、发电机实时出力、电负荷功率；

根据天然气系统的实时运行参数建立天然气系统稳态能量流方程和天然气系统静态安全约束方程，所述天然气系统的实时运行参数包括网络参数、拓扑、储气点流量供应、气负荷流量；

利用燃气轮机消耗的天然气流量与输出电功率关系建立电力系统与天然气系统的耦合约束方程；

利用连续潮流法，引入负荷参数λ取最大值作为优化目标，以所述电力系统稳态潮流方程、电力系统静态安全约束方程、天然气系统稳态能量流方程、天然气系统静态安全约束方程和耦合约束方程为约束条件建立优化方程；

求解所述优化方程，所求得的负荷参数λ的最大值为电-气互联能源系统的电力系统可用输电能力。

其中，所述电力系统静态安全约束包括：

式中：V分别为节点电压幅值；|S_ij|为支路视在功率；P_G为发电机输出功率；V^max、V^min分别为节点电压幅值约束的上下限；为支路视在功率约束上限；分别为发电机有功出力约束的上下限。

其中，所述天然气系统静态安全约束包括：

式中：F_mn为管道流量；π分别为节点压力；F_sup为流量供应量；分别为节点压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量供应约束的上下限。

其中，所述连续潮流法引入负荷参数后，电力系统的注入功率增长为：

式中：λ为连续潮流法引入的负荷参数；K_G、K_P、K_Q分别为发电机有功出力、负荷有功、无功的功率增长方向；P_G为发电机输出功率，P_L、Q_L分别为负荷有功、无功功率；上标0表示初始值；

其中，所述电力系统稳态潮流方程的表达式为：

式中：θ分别为节点电压相角；G_ij、B_ij分别为支路ij的电导、电纳。

对于天然气系统中连接节点m、n的输气管道mn，管道mn流量为：

式中：T₀、π₀分别为标准温度、标准压力；D_mn、L_mn分别为输气管道内径和长度；T_mn为管道内温度；G为天然气重力；Z_a为天然气平均压缩因子。

对于天然气系统连接节点m、n的加压站k，加压站通过压缩机升高压力，需要消耗额外的能量。当压缩机由燃气轮机驱动时，燃气轮机消耗的流量可等效为加压站的气负荷，且主要由升压比以及流过加压站的流量决定：

式中：H_k为加压站需要消耗的电能；f_k为流过加压站的流量；Z_k为加压站入口的压缩因子；ε为热力系数；T_k为加压站温度；η_k为加压站效率α、β、γ为能量转化效率常数；τ_k为燃气轮机消耗的流量。

因此，得到所述天然气流量平衡方程为：

(A+U)f-Tτ+F_sup-F_load＝0

式中：A为管道-节点关联矩阵；U为加压站-节点关联矩阵；T为压缩机-节点关联矩阵；F_sup为流量供应量，F_load为负荷吸收的流量。

NGFPP连接了一次能源(天然气)网络与二次能源(电力)网络，NGFPP通过消耗天然气，输出电功率。因而对于天然气系统而言，NGFPP是负荷；而对于电力系统而言，它是电源。在电-气互联能源系统中，NGFPP充当了能源转换器的角色。NGFPP消耗的天然气流量与输出电功率呈如下关系，得到所述电力系统与天然气系统的耦合约束方程，表达式为：

式中：为天然气系统节点m等效负荷(对NGFPP输入天然气)；H_g,i为NGFPP输入热量值；GHV为高热值；α_g,i、β_g,i、γ_g,i由NGFPP的耗热率曲线决定。

最终得到的优化方程为：

优化目标：

max λ

等式约束：

(A+U)f-Tτ+F_sup-F_load＝0

不等式约束：

其中，所述求解优化方程包括以下步骤：

给定所述负荷参数λ的初始值，确定功率增加方向，功率注入区域按发电机出力计划增大发电机出力，功率接收区域按负荷比例增大负荷功率，其余区域发电机出力、负荷功率保持不变；

基于当前网络注入能量流，求解电-气互联能源系统稳态能量流，得到电力系统的运行状态和天然气系统的运行状态；

判断电-气互联能源系统当前运行状态是否满足静态安全约束，所述静态安全约束包括电力系统、天然气系统的静态安全约束，是则以一定步长增大所述负荷参数λ，否则结束计算；

输出当前负荷参数λ作为两区域间的电力系统可用输电能力。

有益效果：1)本发明方法在获取二次能源系统-电力系统不同区域间的输电能力时，计及一次能源系统-天然气系统的静态安全约束，以保证NGFPP一次能源供应的安全性与可靠性；2)ATC信息对于电力、天然气市场参与者同等重要。以统一的能源市场分析不同区域间的ATC，在保证互联能源系统安全性的基础上，能够给整个能源市场的参与者带来更大的经济收益。

附图说明

图1为本发明获取电-气互联能源系统可用输电能力方法的流程图；

图2为电-气互联能源系统静态安全域；

图3为修改的比利时输气系统结构图；

图4为IEEE39节点系统结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的获取电-气互联能源系统可用输电能力方法包括以下步骤：步骤1：天然气系统稳态建模

天然气系统与电力系统有一定的相似之处：

1)能源由供应者，经远距离输送(输电、输气)，最终配送(配电、配气)至能源的消费者；

2)能源输送的方向，即为节点状态量(电压或压力)下降方向；

3)输电(气)线路(管道)的电压(压力)等级越高，能够输送的容量也就越大；

4)网络中每个节点流入与流出的能量相等。

鉴于上述二者之间的相似性，可采用求解电力潮流的方法分析天然气系统潮流。天然气系统主要由三部分组成：

1)节点，包括压力恒定节点(即为平衡节点)，以及流量恒定节点；

2)输气管道；

3)加压站，加压站通过升高节点压力，提高了天然气系统的输气容量。

当获知天然气系统各节点的压力时，即可确定整个天然气系统的潮流分布，因而本发明选取节点压力为状态变量。

对于天然气系统中连接节点m、n的输气管道mn，管道mn流量为

式中：F_mn为管道流量；π_m、π_n分别为节点m、n压力；T₀、π₀分别为标准温度、标准压力；D_mn、L_mn分别为输气管道内径和长度；T_mn为管道内温度；G为天然气重力；Z_a为天然气平均压缩因子；C_mn为管道内的摩擦因子。

对于天然气系统连接节点m、n的加压站k，加压站通过压缩机升高压力，需要消耗额外的能量。当压缩机由燃气轮机驱动时，燃气轮机消耗的流量可等效为加压站的气负荷，且主要由升压比以及流过加压站的流量决定：

式中：H_k为加压站需要消耗的电能；f_k为流过加压站的流量；Z_k为加压站入口的压缩因子；ε为热力系数；T_k为加压站温度；η_k为加压站效率α、β、γ为能量转化效率常数；τ_k为燃气轮机消耗的流量。

天然气流量平衡方程为：

(A+U)f-Tτ+F_sup-F_load＝0

式中：A为管道-节点关联矩阵；U为加压站-节点关联矩阵；T为压缩机-节点关联矩阵；F_sup为流量供应量，F_load为负荷吸收的流量。

步骤2：计及天然气系统约束的ATC计算

2.1基于连续潮流法的ATC计算

在满足网络安全约束的条件下，ATC为不同区域间功率交换的最大值。基于连续潮流法求解，ATC数学模型可表示为：

(1)优化目标：

max λ

(2)等式约束：

(3)不等式约束：

式中：λ为连续潮流法引入的负荷参数；等式约束分别为电力系统稳态潮流方程和引入负荷参数λ后，电力系统的注入功率增长表达式，为连续潮流法引入的负荷参数；K_G、K_P、K_Q分别为发电机有功出力、负荷有功、无功的功率增长方向；P_G、Q_G分别为发电机有功、无功输出功率，P_L、Q_L分别为负荷有功、无功功率，上标0表示初始值；V、θ分别为节点电压幅值与相角；G_ij、B_ij分别为支路ij的电导、电纳；V^max、V^min分别为节点电压幅值约束的上下限；为支路视在功率约束上限；分别为发电机有功出力约束的上下限；i为电力系统第i个节点。

2.2电力系统与天然气系统的耦合

NGFPP连接了一次能源(天然气)网络与二次能源(电力)网络，NGFPP通过消耗天然气，输出电功率。因而对于天然气系统而言，NGFPP是负荷；而对于电力系统而言，它是电源。在电-气互联能源系统中，NGFPP充当了能源转换器的角色。NGFPP消耗的天然气流量与输出电功率的关系记作电力系统与天然气系统的耦合约束方程，表达式如下:

式中：为天然气系统节点m的等效负荷(对NGFPP输入天然气)；H_g,i为NGFPP输入热量值；GHV为高热值；α_g,i、β_g,i、γ_g,i由NGFPP的耗热率曲线决定。

2.3天然气系统静态安全约束

类似于电力系统，天然气系统的实时运行状态也需处于某个稳定安全域内。天然气系统的静态安全约束主要包括节点压力约束、管道流量约束、节点供应约束，即：

式中：分别为节点压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量供应约束的上下限；m为天然气系统第m个节点。

2.4电-气互联能源系统静态安全域

电力系统静态安全域可定义为：一组满足潮流约束以及元件、设备安全约束的节点注入功率集合。如图2所示，该定义可推广至天然气系统，以及电-气互联能源系统中。

现有的ATC计算仅计及了电力系统的安全约束，即图2中区域A+B代表电力系统的静态安全域；对于天然气系统而言，即图2中区域B+C表示。从图中可以看出，从统一的电-气互联能源系统而言，电力系统与天然气系统静态安全域的交集才是为整个能源系统的静态安全域，即图2中区域B才是安全域。换句话说，为保证整个能源系统的安全稳定，仅区域B为ATC优化的可行域。

综合上述分析可知，电-气混联能源系统的ATC计算数学模型为：

优化目标：

max λ

等式约束：

(A+U)f-Tτ+F_sup-F_load＝0

不等式约束：

给定所述负荷参数λ的初始值，连续潮流法以一定步长增大负荷参数λ，通过求解等式约束方程，即互联能源系统的稳态能量流，然后判断不等式约束，即互联系统能源系统的安全约束，是否满足，满足则继续增大λ，不满足则输出ATC的计算信息。

为验证所提方法的有效性，本发明电-气互联能源系统由图3中的中比利时输气系统以及Matpower5.0软件中IEEE39节点系统构成，如图4所示。将所有发电机有功出力上限提高50％，且假定节点30、31、32、34、37所连发电机为NGFPP，分别与附录图4中天然气系统的节点13、7、6、20、12相连。

定义场景1为仅计及电力系统静态安全域的ATC，场景2为计及电-气互联能源系统静态安全域的ATC。基于传统连续潮流法求解，步长取1MW，场景1、场景2下IEEE39节点系统不同区域间ATC计算结果比较如表1所示。

由表1可知，对于区域1到区域2、3的ATC，场景1与场景2计算结果相同，说明制约ATC的关键约束为电力系统静态安全约束。其余情况下，场景2的ATC明显小于场景1，说明场景1的ATC对应的运行状态处于非安全域内。以区域3到区域1的ATC为例，逐步增加负荷参数λ，直至λ达312MW，场景1支路16-19功率越限，即λ＜312MW对应的功率注入集合为电力系统静态安全域；而λ＝184MW时，场景2节点20压力越限，λ＜184MW对应的能量流注入集合为天然气系统静态安全域。当184MW＜λ＜312MW，NGFPP的天然气供应是难以保障的，从互联能源系统的角度出发，此时系统的运行状态处于非安全域(即图2中域A)内。

此外，对于区域1到区域2、3的ATC，当电力系统或天然气系统运行状态发生变化，场景1的天然气供应约束未必能够满足。

综合上述分析可知，电力系统的ATC计算有必要计及天然气系统的静态安全约束。

表1 场景1与场景2的ATC计算结果比较

Tab.1 ATC calculation results comparison for scenario 1 and scenario2

Claims (5)

1.一种获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法，其特征在于,该方法包括以下步骤：

根据电力系统的实时运行参数建立电力系统稳态潮流方程和电力系统静态安全约束方程，所述电力系统的实时运行参数包括网络参数、拓扑、发电机实时出力、电负荷功率；

根据天然气系统的实时运行参数建立天然气系统稳态能量流方程和天然气系统静态安全约束方程，所述天然气系统的实时运行参数包括网络参数、拓扑、储气点流量供应、气负荷流量；

利用燃气轮机消耗的天然气流量与输出电功率关系建立电力系统与天然气系统的耦合约束方程；

利用连续潮流法，引入负荷参数λ取最大值作为优化目标，以所述电力系统稳态潮流方程、电力系统静态安全约束方程、天然气系统稳态能量流方程、天然气系统静态安全约束方程和耦合约束方程为约束条件建立优化方程；

求解所述优化方程，所求得的负荷参数λ的最大值为电-气互联能源系统的电力系统可用输电能力。

2.根据权利要求1所述的获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法，其特征在于，所述电力系统静态安全约束方程的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{max}\\ \left|S_{ij}\right|\≤S_{ij}^{\max }\\ P_{G,i}^{\min }\≤P_{G,i}\≤P_{G,i}^{\max }\end{array}\right.$

式中，V分别为节点电压幅值；S_ij为支路视在功率；P_G为发电机输出功率；V^max、V^min分别为节点电压幅值约束的上下限；为支路视在功率约束上限；分别为发电机有功出力约束的上下限；i表示电力系统中第i个节点。

3.根据权利要求1所述的获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法，其特征在于，所述天然气系统静态安全约束方程的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\π}}_m^{\min }\≤{\mathrm{\π}}_m\≤{\mathrm{\π}}_m^{\max }\\ \left|F_{mn}\right|\≤F_{mn}^{\max }\\ F_{\sup ,m}^{\min }\≤F_{\sup ,m}\≤F_{\sup ,m}^{\max }\end{array}\right.$

式中，π为节点压力；F_mn为管道流量；F_sup为流量供应量；分别为节点压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量供应约束的上下限；m为天然气系统中第m个节点。

4.根据权利要求1所述的获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法，其特征在于，所述连续潮流法引入负荷参数λ后，电力系统的注入功率增长表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{G,i}=P_{G,i}^0+K_{G,i}\mathrm{\λ}\\ P_{L,i}=P_{L,i}^0+K_{P,i}\mathrm{\λ}\\ Q_{L,i}=Q_{L,i}^0+K_{Q,i}\mathrm{\λ}\end{array}\right.$

式中，λ为连续潮流法引入的负荷参数；K_G,i、K_P,i、K_Q,i分别为第i个节点发电机有功出力、第i个节点负荷有功、第i个节点无功的功率增长方向；P_G,i为第i个节点发电机输出功率，为第i个节点发电机输出功率初始值，P_L,i、Q_L,i分别为第i个节点负荷有功、无功功率；分别为第i个节点负荷有功初始值和无功功率初始值。

5.根据权利要求1所述的获取电-气互联能源系统可用输电能力的方法，其特征在于，所述求解优化方程包括以下步骤：

给定所述负荷参数λ的初始值，确定功率增加方向，功率注入区域按发电机出力计划增大发电机出力，功率接收区域按负荷比例增大负荷功率，其余区域发电机出力、负荷功率保持不变；

基于当前网络注入能量流，求解电-气互联能源系统稳态能量流，得到电力系统的运行状态和天然气系统的运行状态；

判断电-气互联能源系统当前运行状态是否满足静态安全约束，所述静态安全约束包括电力系统、天然气系统的静态安全约束，是则以一定步长增大所述负荷参数λ，否则结束计算；

输出当前负荷参数λ作为两区域间的电力系统可用输电能力。