CN105576657B - 主动配电网与输电网集成系统随机模糊连续潮流建模方法 - Google Patents

主动配电网与输电网集成系统随机模糊连续潮流建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及能源互联下主动配网与输电网集成系统的随机模糊连续潮流建模方法，属于电力系统静态安全稳定运行方面，包括以下步骤：通过历史数据，挖掘规模化风电、多能源负荷的随机模糊时空序列模型；建立天然气网连续潮流模型，再通过能量枢纽能量转换公式获取主动配电网的供给给EH随机模糊负荷的有功功率；然后通过计算多能耦合主动配电网中有功功率供应与消耗净差额来决定主动配电网以电源、负荷或孤岛运行模式来构建与输电网的随机模糊连续潮流模型。本发明适应能源互联发展趋势，为获取主动配电网和输电网集成系统静态安全稳定运行的负荷承载裕度提供了一种方法。

Description

主动配电网与输电网集成系统随机模糊连续潮流建模方法
技术领域
本发明属于电力系统安全稳定运行领域，涉及能源互联网下主动配网与输电网集成系统的随机模糊连续潮流求取其联络线处安全稳定运行裕度的方法。
背景技术
我国近期提出了“互联网+”智慧能源的计划，指出考虑电、热、气等不同能源之间耦合是构建能源互联网的基础。在能源互联背景下，主动配电网(Active DistributionNetwork，ADN) 中能源枢纽(Energy Hub，EH)将担当能源综合管理的重要形式，为实现产能用能高效性作保证，而其EH稳定运行的安全性尚未有见报道。加之多能耦合的主动配电网中接有大量风电具有不确定性和明显的时空差异，其可通过联络线与输电网(Transmission System，TS)的相连，将使得风电将被消纳，提高风电利用率；对多能耦合下的AND与TS集成系统的安全性的研究，提供将对新能源利用有一定意义。
现有研究多是针对EH侧能量交互的运行状况进行分析，且较多的研究侧重从电气热的综合能源系统的混合潮流模型、算法和优化规划进行，文献《计及电—气互联能源系统安全约束的可用输电能力计算》考虑了天然气网通过NGFPP与输电网相连的混合系统的静态安全域交互，其侧重从天然气网静态安全约束与输电网安全域的耦合进行研究，未见以安全域方法对主动配网安全域与天然气网安全域耦合的安全特征进行研究而对于与输电网安全域的交互方面，《Continuation power flow considering area net interchangeconstraint》考虑了输电网区域间净有功功率交互通过连续潮流算法对分区网络交互特征进行研究，文献《A Stochastic Optimal Power Flow Problem With StabilityConstraints—Part I:Approximating the Stability Boundary》从极限诱导分岔、Hopf分岔和热稳定极限所围成的安全域进行研究，尚未发现有考虑主动配网与输电网耦合安全域求取的报道，这在应对能源互联网框架下保证能源互联的安全稳定运行提出了新挑战。
综上，构建能源互联网下AND与TS集成系统的随机模糊连续潮流模型及算法来获得多能耦合集成系统静态安全稳定运行的负荷承载能力，为耦合集成系统的安全域求取提供基础，具有重要意义。
发明内容
(一)拟解决的技术问题
针对现有研究的不足，本发明“主动配网与输电网集成系统随机模糊连续潮流建模方法”，提出在能源互联电力系统源荷侧多重不确定现象，基于体系工程理念(System ofSystems，SOS)，以多能耦合主动配电网与输电网联络线支路功率、电压为关联特征，求取该集成系统的静态安全稳定有功裕度。
技术方案：能源互联下主动配网与输电网集成系统的随机模糊连续潮流建模及算法，该方法包括如下几步：
步骤1：建立主动配电网中源、荷侧随机模糊时空序列模型；源侧以主动配电网中分布式发电为研究对象，荷侧以EH下层电/热负荷为研究对象。
步骤2：建立天然气网与主动配电网通过EH耦合的随机模糊连续潮流模型及算法；建立天然气网连续潮流模型，对应天然气网与主动配电网通过EH耦合系统依据EH能量转换方程进行连续潮流建模，求取主动配电网供给给EH的有功功率。
步骤3：建立多能耦合主动配电网与输电网集成系统的随机模糊连续潮流模型及算法；先通过随机模糊潮流算得主动配电网所有变压器承载的有功负荷，再通过随机模糊潮流求得主动配电网中所有负荷功率值，并求取主动配电网内部总发出有功功率与总消耗有功功率差额来决定主动配电网运行模式，最后来求取主动配电网与输电网耦合的最大负荷承载能力。
有益效果：本发明为适应能源互联网发展趋势，来获取AND和TS集成系统静态安全稳定运行的负荷承载裕度，为多能耦合集成系统稳定运行作参考。
附图说明
图1为能源互联下主动配电网与输电网集成系统图；
图2为集成系统的随机模糊连续潮流算法总流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方案及附图做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
首先对模型中出现的主要指代、变量及下标等进行说明如下：
T 输电网(TS)；
D 主动配网(ADN)；
H 能源枢纽(EH)；
i TS节点编号；
j ADN内部节点编号；
k 天然气网节点编号；
ΦT TS节点集合；
ΦT-G TS中与火电机组的节点集合，
Figure GDA0002388117110000021
ΦT-tD TS中与传统配网相连节点集合，
Figure GDA0002388117110000022
ΦT-D TS中与ADN相连节点集合，
Figure GDA0002388117110000023
ΦD、ΓD ADN内部节点集合；
ΦD-H ADN内部与天然气网相连节点，即EH节点集合；
本发明包括以下步骤：
1)建立主动配电网中源、荷的随机模糊时空序列模型
⑴主动配电网中分布式风电随机模糊建模
根据不同时间/不同地域的大量风速历史数据，考虑风速季节和日变化特征，用单峰威布尔分布来模拟多年同月多时段和多年同月同日风速概率分布的形状参数k和尺度参数c，多次模拟得到多组k和c，对k和c分布的模糊特性进行挖掘，从而得到风速用随机模糊变量表示的方法，进而可得到风电出力大小，用随机模糊变量RW来表示风电出力值。
⑵EH下层负荷的随机模糊建模
通过历史数据挖掘获取EH下层负荷的随机模糊时空序列模型。依据电/热负荷的历史数据挖掘其服从的概率分布函数的系数，并多次拟合得到其概率分布函数拟合系数的模糊特性，以此获取电/热负荷的随机模糊时空序列模型。
2)建立天然气网与主动配电网通过EH耦合的随机模糊连续潮流模型及算法
⑴主动配电网运行点到安全距离的计算：
任一安全边界都是欧式空间的超平面，根据n维欧式空间中的点到超平面的距离公式，可得到当前工作点距离安全边界Bi的安全距离Di为：
Figure GDA0002388117110000031
式中：Rl为主变l的额定容量；Tl为主变l的负载率；Bi为安全域的第i个边界；Ui为联络单元，主变i为的联络中心。含n台主变的配电网安全域所围成的超平面，其由n个安全边界围成。当Di为正值时，工作点在安全边界Bi内；当Di为负，工作点在安全边界Bi之外。每一个Di表示工作点距离安全边界Bi的安全裕度。下面，我们将用Di来度量主动配电网的安全域。
⑵天然气网与主动配电网通过EH的耦合：
在区域综合能源系统中，电气热耦合是基于天然气的热电联产机组实现的，其能量转换模型采用如下方程描述：
Figure GDA0002388117110000032
上式中Le,s、Lh,s分别为通过与主动配电网第s个节点相连的EH电、热能源输出；Pe,s、
Figure GDA0002388117110000033
分别为通过与主动配电网第s个节点相连的EH电、气能源输入，其中
Figure GDA0002388117110000034
表示输入该EH的天然气与天然气网节点j相连；C矩阵为输入、输出间关系的耦合矩阵，当能量转化效率、调度系数为常数时，C为常数矩阵；当要获得不同转化效率或者调度效率时，可以对C矩阵进行调整以协调天然气网与主动配电网的能量供给。λe,s,λh,s分别为负荷增长因子；其中M矩阵为C 矩阵的逆，即M＝C-1。上划波浪线“～”用来表示该参量是一个随机模糊变量。
EH的稳态能量平衡方程，把EH下层电负荷考虑成恒功率因数模型，可表述为：
Figure GDA0002388117110000041
式中，
Figure GDA0002388117110000042
表示所有与主动配网s节点相连的电机驱动压缩机所消耗的电能。
⑶天然气网层安全裕度求取的连续潮流模型：
Figure GDA0002388117110000043
求解天然气网静态气压安全域，还要满足如下不等式约束：
Figure GDA0002388117110000044
上式中：：
Figure GDA0002388117110000045
ε为管道效率，
Figure GDA0002388117110000046
Figure GDA0002388117110000047
Figure GDA0002388117110000048
其中：πi、πj分别为节点i、j压力(psia)；π0为标准压力(psia)；T0为标准温度(°R)；Za为天然气平均压缩因子；G为气体比重(air＝1.0，gas＝0.6)；Dk为节点之间管道的内径(inch)； Lk为节点间管道长度(miles)；Tka为平均气体温度(°R)。αTk、βTk、γTk分别为第k个压气机的能量转化效率常数。
Figure GDA0002388117110000049
分别为天然气系统稳定运行供气节点i的初始注入流量和燃气负荷节点j的初始耗气量；λgG,i、λgL,j分别为供气节点i和耗气节点j的负荷因子；FG,i、FL,j分别为供气节点i和耗气节点j的增长方向向量；其中
Figure GDA00023881171100000410
分别为天然气系统节点i的压力约束上、下限；
Figure GDA00023881171100000411
为管道输送流量的最大值；
Figure GDA00023881171100000412
分别为天然气系统第n个供气节点的气源流量供应约束上、下限。
Figure GDA00023881171100000413
其中：
Figure GDA00023881171100000414
fk为通过第k个压气机的流量(SCF/hr)；πi、πj分别为压气机吸气、出气节点的压力(psia)；Zki为该压气机进口处的气体压缩系数；Tki为该压气机吸入气体温度(°R)；α为比热比(cp/cV)；ηk为该压气机效率。
可以类似电力系统采用连续潮流计算方法求取天然气网络的气压崩溃点，为静态气压安全性分析作参考。
⑷天然气网与主动配电网耦合的连续潮流算法
天然气网与主动配电网耦合的混合连续潮流算法主要是为在EH负荷不断增长的情形下，找到主动配电网所能提供有功功率的裕度，其算法步骤如下所示：
①选取合适的负荷状态量初值
Figure GDA0002388117110000051
使EH能正常供应电负荷与热负荷，并根据EH耦合公式，算出EH所需的天然气网燃气供应值F0 L,j与主动配电网有功供应值
Figure GDA0002388117110000052
②根据建立的天然气网连续潮流模型，依据求得的初始状态供气值
Figure GDA0002388117110000053
计算天然气网节点 j的气压崩溃点，找出该气压崩溃点的气压大小以及供气量
Figure GDA0002388117110000054
依据求得的初始状态的有功功率供应值
Figure GDA0002388117110000055
计算主动配电网的初始运行点到安全边界的距离
Figure GDA0002388117110000056
若
Figure GDA0002388117110000057
则继续下一步，否则返回步骤⑴重新选择初值；
③建立EH下层负荷增长的连续潮流模型：其关键是确定λe,s,λh,s的增长方向及选择合适的步长Δλe,s,Δλh,s来连续计算；
④计算该运行状态下的主动配电网有功出力到安全边界的距离
Figure GDA0002388117110000058
及主动配电网有功供应值
Figure GDA0002388117110000059
若
Figure GDA00023881171100000510
则继续下一步；若
Figure GDA00023881171100000511
则转至步骤⑹；
⑤若
Figure GDA00023881171100000512
则m＝m+1，然后返回步骤⑶；若否，则继续；
⑥计算结束，找出
Figure GDA00023881171100000513
的最大值Rs,max，作为主动配网变压器节点在第s个EH的最大有功供应值。
⑸天然气网与主动配电网耦合的随机模糊连续潮流算法
考虑EH下层负荷的随机模糊性，及EH下层电负荷、热负荷都是随机模糊变量。重新用天然气网与主动配网耦合的连续能量流算法求取主动配网变压器节点s的最大有功功率供应能力，此时，其最大有功功率供应能力也是一个随机变量，用Rs,max来表示。
3)建立多能耦合主动配电网与输电网集成系统的随机模糊连续潮流模型及算法：
⑴主动配电网运行模式的判别
根据主动配电网与输电网通过联络线相连的共联节点，可根据该传输线的功率交互特征判断主动配电网的运行模式：
Figure GDA00023881171100000514
其中PESSj为储能装置的功率，其作为负荷充电状态时为正。则式(7)的意为：主动配电网中所有电功率负荷之和加所有储能装置功率与所有网损，扣除所有分布式能源出力，得到主动配电网通过联络线与输电网的交换功率PLi，根据求得的交换功率正负值决定主动配电网的运行模式。若PLi＜0，表明AND内部分布式发电有剩余，为了充分消纳多余发出的风电，应让AND向TS输电，即AND此时相当于TS的电源。若PLi＞0，表明AND内部分布式发电不够，还需要从TS吸收电能，即AND此时相当于TS的负荷。若PLi＝0，则AND与TS没有进行功率交互，AND工作在孤岛运行模式。
⑵输电网连续潮流模型
输电网故障型连续潮流模型
Figure GDA0002388117110000061
输电网负荷型连续潮流模型
Figure GDA0002388117110000062
⑶多能耦合主动配电网与输电网集成系统的随机模糊连续潮流算法
①考虑EH负荷的随机模糊特性，计算天然气网与主动配电网耦合的随机模糊混合连续潮流模型，得到Rs,max的②考虑主动配电网中分布式发电出力的随机模糊性，对主动配电网采用随机模糊潮流计算，得到每台变压器的负载功率，同时也计算出主动配电网与输电网交换功率RLi的值，并判断主动配电网的运行模式；
③根据主动配电网的运行模式，采用不同的算法流程来计算主动配电网与输电网集成系统的稳定运行联络线路的功率交极限值。
当max(PLi,t)＜0，即主动配电网工作在电源模式，此时输电网相当于主动配电网的负荷，对输电网进行连续潮流计算，得到输电网通过联络线传输功率到主动配电网的极限值Rij,max，再对主动配电网在此运行状况下该工作点到安全边界的距离Dj，若min(Dj)＞0，则逐步增加主动配电网通过联络线传输到输电网的功率PLi,t，并判断是否有PLi≤PLi,max，直到min(Dj)≤0，计算结束，得到主动配电网向输电网传输的最大功率值PLi,max；
当min(PLi)＞0，即主动配电网工作在负荷模式，此时输电网相当于主动配电网的电源，对输电网进行连续潮流计算，得到输电网通过联络线传输功率到主动配电网的极限值Rij,max，再对主动配电网在此运行状况下该工作点到安全边界的距离Dj，若min(Dj)＞0，则逐步增加主动配电网通过联络线传输到输电网的功率，直到min(Dj)≤0，计算结束；
当max(PLij)＞0且min(PLij)＜0，即主动配电网工作在孤岛模式，此时主动配电网与输电网独立进行计算来获取各自最大负荷安全裕度。
④获得ADN三种运行模式下与TS通过联络线进行有功传输的安全裕度值。
以上实施方案仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (3)

1.主动配电网与输电网集成系统随机模糊连续潮流建模方法，其特征是该方法包括如下步骤：
步骤1：通过历史数据挖掘建立主动配电网中分布式风电、能量枢纽中电负荷与热负荷随机模糊时空序列模型；
步骤2：通过能量枢纽能量转换公式，通过建立天然气网连续潮流模型，构建天然气网与主动配电网随机模糊连续潮流模型，并求得主动配电网供给能量枢纽负荷的随机模糊有功功率；
步骤3：建立多能耦合主动配电网与输电网集成系统的随机模糊连续潮流模型及算法；先通过随机模糊潮流算得主动配电网所有变压器承载的有功负荷，再通过随机模糊潮流求得主动配电网中所有负荷功率值，并求取主动配电网内部总发出有功功率与总消耗有功功率差额来决定主动配电网运行模式，最后来求取主动配电网与输电网耦合的最大负荷承载能力。
2.根据权利要求1中所述方法，其特征是，步骤1要获取主动配电网中分布式风电机组、能量枢纽中负荷的基本信息和数据；并根据获得的数据，挖掘出风速、电负荷与热负荷数据的分布拟合参数，获取随机模糊时空序列模型及机会测度函数来描述风电出力、电负荷与热负荷的随机模糊模型。
3.根据权利要求1中所述方法，其特征是，步骤3建立多能耦合主动配电网与输电网集成系统的随机模糊连续潮流模型及算法；先通过随机模糊潮流算得主动配电网所有变压器承载的有功负荷，再通过随机模糊潮流求得主动配电网中所有负荷功率值，并求取主动配电网内部总发出有功功率与总消耗有功功率差额来决定主动配电网以电源、负荷或孤岛运行模式运行，并以
Figure FDA0002388117100000011
主动配电网工作在电源运行模式，以
Figure FDA0002388117100000012
主动配电网工作在负荷运行模式，以
Figure FDA0002388117100000013
且
Figure FDA0002388117100000014
主动配电网工作在孤岛运行模式来进行区分，其中
Figure FDA0002388117100000015
为主动配电网通过联络线传输到输电网的功率，最后分别针对电源、负荷和孤岛三种运行模式采用不同算法流程获取主动配电网与输电网耦合的最大负荷承载能力。
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