CN105958531B - 一种电-气耦合多能流网络状态估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电‑气耦合多能流网络估计方法，属于综合能源系统的运行和控制技术领域。本方法弥补了气网在状态估计方面的空白，形成了一种考虑电网和气网间耦合关系的电‑气耦合多能流状态估计。与单独状态估计相比，本方法有利于提高网络的估计效果，尤其在电‑气耦合多能流网络端口量测不准确的情况下，本方法具有明显的优越性。目前气网的自动化水平尚且不能满足本方法的需求，本方法的应用需要在气网安装更多的量测设施。成功在电‑气耦合多能流网络应用本方法后，可以得到精度更高的全局一致基态潮流解，为后续的电‑气耦合多能流网络在线安全评估、优化调度打下基础。

Description

一种电-气耦合多能流网络状态估计方法

技术领域

本发明涉及一种电‐气耦合多能流网络估计方法，属于综合能源系统的运行和控制技术领域。

背景技术

由于燃气发电机的成本较低，对环境的影响较小，燃气站的建造周期较短等优势，在世界范围内，天然气应用中用于发电的比例逐渐上升，在电力系统能源供给中也占据了越来越重要的地位，因此，电力网络与天然气网络之间的耦合程度逐渐加深，相互之间的影响与依赖性也愈来愈强。鉴于能源资源条件的限制，我国的能源消费结构在未来相当长的一段时间内仍然以煤炭为主，但是环境保护及可持续发展战略都要求我国必须加快改善能源结构的步伐。在一次能源消费结构中，提高天然气等可再生的清洁能源的比重，而降低煤炭的比重。

目前，对于电-气耦合多能流网络的建模和潮流计算已经有了一系列的研究成果。然而，由于气网自动化水平低，实现像电网一样自动化运行还有很长一段距离。为实现电-气耦合多能流网络的自动化，状态估计是一项基础技术，而气网在状态估计方面的研究还非常空白。

状态估计可以充分利用系统的量测冗余，更准确地了解网络的运行状态，是系统运行中的基础部分。在电力系统中，很早就已经引入了状态估计，目前有关电力系统状态估计的研究已趋于成熟，不论是计算速度还是坏数据辨识等方面都有相应的解决措施。对电-气耦合多能流网络引入电-气联合状态估计，可以得到精度更高的全局一致基态潮流解，为后续的电-气耦合多能流网络在线安全评估、优化调度打下基础。

发明内容

本发明的目的是提出一种电‐气耦合多能流网络估计方法，弥补现有领域研究的空白，实现对电-气耦合多能流网络运行状态更准确的监控，得到的全局一致基态潮流解，为后续的电-气耦合多能流网络在线安全评估、优化调度打下基础。

本发明提出的电‐气耦合多能流网络估计方法，包括以下步骤：

(1)建立一个电-气耦合多能流状态估计的目标函数，如下：

其中：z_e为电网量测值，包括电‐气耦合多能流网络的电网中第i个节点的电压幅值V_i、有功功率P_i和无功功率Q_i以及电网第i个节点和第j个节点间支路ij的有功功率P_ij和无功功率Q_ij，上述电网量测值从电‐气耦合多能流网络的电网的数据采集与监视控制系统中采集；z_g为气网量测值，包括电‐气耦合多能流网络的气网中第k个节点的压强p_k和注出流量L_k以及气网中第k个节点和第l个节点间管道kl的流量f_kl，上述气网量测值从电‐气耦合多能流网络的气网的数据采集与监视控制系统中采集；x_e为电网状态量，x_e＝[V_i θ_i]^T，V_i、θ_i分别为电网第i个节点的电压幅值和相角，x_g为气网状态量，x_g＝[p_k]^T，p_k为气网第k个节点的压强，R为量测值的协方差矩阵，T为矩阵转置，h_e为电网潮流计算方程：

上述电网潮流计算方程中，G_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，B_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节点导纳矩阵Y从电网调度中心获取；b_c为电网支路的等效对地电纳，从电网调度中心获取，

h_g为气网潮流计算方程：

上述气网潮流计算方程中，D^kl为第k个节点和第l个节点之间管道kl的管道直径，L^kl为第k个节点和第l个节点之间管道kl的管道长度，γ_G为天然气比重，T_a为天然气平均温度，T_n为天然气标准状态下的温度，取值为288开尔文，p_n为天然气标准状态下的压力，p_n的取值为0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，Z_g的取值范围为0～1，F为管道内壁的摩擦系数，Re为雷诺数，Re的取值范围在3500以上，E_f为管道的效率系数，E_f的取值为0.92，当 时，气网潮流计算方程中的sgn_p(p_k,p_l)＝1，当时，气网潮流计算方程中的sgn_p(p_k,p_l)＝-1；

(2)建立电‐气耦合多能流网络状态估计的约束条件，包括：

(2‐1)电‐气耦合多能流网络中气网的压缩机耗能约束：

其中：p_f、p_t分别为气网中压缩机的首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的能耗，压缩机耗能由电动机或燃气轮机提供，为压缩机的入口流量，η_c为压缩机的总效率，取值范围为0～1，c_k为该压缩机的多变系数，与压缩机中的气体压缩过程有关，取值范围为1.2～1.5；

若由电动机提供气网中的压缩机耗能，则电动机消耗电‐气耦合多能流网络中电网节点的有功功率满足以下关系：

P_comp＝K_compBHP

其中：P_comp为电动机消耗电网节点的有功功率，K_comp为压缩机电能消耗系数，由压缩机的出厂说明书获得；

若由燃气轮机提供气网中的压缩机耗能，则将该约束放入步骤(1)中气网潮流计算方程中，燃气轮机消耗电‐气耦合多能流网络中气网节点的燃气满足以下关系：

f_C＝α_C+β_CBHP+γ_C(BHP)²

其中：f_C为燃气轮机消耗气网节点的燃气，α_C、β_C和γ_C分别为气网中压缩机的气体消耗系数，由压缩机的出厂说明书获得；

(2‐2)电‐气耦合多能流网络中的燃气轮机约束：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气流量，P_Tur为燃气轮机的有功功率输出，C₁、C₂和C₃分别为燃气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；

(3)利用拉格朗日乘子法将步骤(2)中的约束条件和步骤(1)中的目标函数构成一个拉格朗日函数，拉格朗日函数的构造方法已在数学界的最优化理论中有了详细说明，利用牛顿‐拉夫逊法，求解该拉格朗日函数，得到电‐气耦合多能流网络状态估计的结果。

本发明提出的电-气耦合多能流网络状态估计方法，其特点和效果是：本方法弥补了气网在状态估计方面的空白，形成了一种考虑电网和气网间耦合关系的电-气耦合多能流状态估计。与单独状态估计相比，本方法有利于提高网络的估计效果，尤其在电-气耦合多能流网络端口量测不准确的情况下，本方法具有明显的优越性。目前气网的自动化水平尚且不能满足本方法的需求，本方法的应用需要在气网安装更多的量测设施。成功在电-气耦合多能流网络应用本方法后，可以得到精度更高的全局一致基态潮流解，为后续的电-气耦合多能流网络在线安全评估、优化调度打下基础。

具体实施方式

本发明提出的电‐气耦合多能流网络估计方法，包括以下步骤：

(1)建立一个电-气耦合多能流状态估计的目标函数，如下：

其中：z_e为电网量测值，包括电‐气耦合多能流网络的电网中第i个节点的电压幅值V_i、有功功率P_i和无功功率Q_i以及电网第i个节点和第j个节点间支路ij的有功功率P_ij和无功功率Q_ij，上述电网量测值从电‐气耦合多能流网络的电网的数据采集与监视控制系统中采集；z_g为气网量测值，包括电‐气耦合多能流网络的气网中第k个节点的压强p_k和注出流量L_k以及气网中第k个节点和第l个节点间管道kl的流量f_kl，上述气网量测值从电‐气耦合多能流网络的气网的数据采集与监视控制系统中采集；x_e为电网状态量，x_e＝[V_i θ_i]^T，V_i、θ_i分别为电网第i个节点的电压幅值和相角，x_g为气网状态量，x_g＝[p_k]^T，p_k为气网第k个节点的压强，R为量测值的协方差矩阵，T为矩阵转置，h_e为 电网潮流计算方程：

上述电网潮流计算方程中，G_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，B_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节点导纳矩阵Y从电网调度中心获取；b_c为电网支路的等效对地电纳，从电网调度中心获取，

h_g为气网潮流计算方程：

上述气网潮流计算方程中，D^kl为第k个节点和第l个节点之间管道kl的管道直径，L^kl为第k个节点和第l个节点之间管道kl的管道长度，γ_G为天然气比重，T_a为天然气平均温度，T_n为天然气标准状态下的温度，取值为288开尔文，p_n为天然气标准状态下的压力，p_n的取值为0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，Z_g的取值范围为0～1，F为管道内壁的摩擦系数，Re为雷诺数，Re的取值范围在3500以上，E_f为管道的效率系数，E_f的取值为0.92，当 时，气网潮流计算方程中的sgn_p(p_k,p_l)＝1，当时，气网潮流计算方程中的sgn_p(p_k,p_l)＝-1；

(2)建立电‐气耦合多能流网络状态估计的约束条件，包括：

(2‐1)电‐气耦合多能流网络中气网的压缩机耗能约束：

其中：p_f、p_t分别为气网中压缩机的首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的能耗，压缩机耗能由电动机或燃气轮机提供，为压缩机的入口流量，η_c为压缩机的总效率，取值范围为0～1，c_k为该压缩机的多变系数，与压缩机中的气体压缩过程有关，取值范围为1.2～1.5；

若由电动机提供气网中的压缩机耗能，则电动机消耗电‐气耦合多能流网络中电网节点的有功功率满足以下关系：

P_comp＝K_compBHP

其中：P_comp为电动机消耗电网节点的有功功率，K_comp为压缩机电能消耗系数，由压缩机的出厂说明书获得；

若由燃气轮机提供气网中的压缩机耗能，则将该约束放入步骤(1)中气网潮流计算方程中，燃气轮机消耗电‐气耦合多能流网络中气网节点的燃气满足以下关系：

f_C＝α_C+β_CBHP+γ_C(BHP)²

其中：f_C为燃气轮机消耗气网节点的燃气，α_C、β_C和γ_C分别为气网中压缩机的气体消耗系数，由压缩机的出厂说明书获得；

(2‐2)电‐气耦合多能流网络中的燃气轮机约束：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气流量，P_Tur为燃气轮机的有功功率输出，C₁、C₂和C₃分别为燃气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；

(3)利用拉格朗日乘子法将步骤(2)中的约束条件和步骤(1)中的目标函数构成一个拉格朗日函数，拉格朗日函数的构造方法已在数学界的最优化理论中有了详细说明，利用牛顿‐拉夫逊法，求解该拉格朗日函数，得到电‐气耦合多能流网络状态估计的结果。

Claims (1)

1.一种电‐气耦合多能流网络状态估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)建立一个电-气耦合多能流状态估计的目标函数，如下：

其中：z_e为电网量测值，包括电‐气耦合多能流网络的电网中第i个节点的电压幅值V_i、有功功率P_i和无功功率Q_i以及电网第i个节点和第j个节点间支路ij的有功功率P_ij和无功功率Q_ij，上述电网量测值从电‐气耦合多能流网络的电网的数据采集与监视控制系统中采集；z_g为气网量测值，包括电‐气耦合多能流网络的气网中第k个节点的压强p_k和注出流量L_k以及气网中第k个节点和第l个节点间管道kl的流量f_kl，上述气网量测值从电‐气耦合多能流网络的气网的数据采集与监视控制系统中采集；x_e为电网状态量，x_e＝[V_i θ_i]^T，V_i、θ_i分别为电网第i个节点的电压幅值和相角，x_g为气网状态量，x_g＝[p_k]^T，p_k为气网第k个节点的压强，R为量测值的协方差矩阵，T为矩阵转置，h_e为电网潮流计算方程：

上述电网潮流计算方程中，G_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，B_ij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的虚部，电网节点导纳矩阵Y从电网调度中心获取；b_c为电网支路的等效对地电纳，从电网调度中心获取，

h_g为气网潮流计算方程：

上述气网潮流计算方程中，D^kl为第k个节点和第l个节点之间管道kl的管道直径，L^kl为第k个节点和第l个节点之间管道kl的管道长度，γ_G为天然气比重，T_a为天然气平均温度，T_n为天然气标准状态下的温度，取值为288开尔文，p_n为天然气标准状态下的压力，p_n的取值为0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，Z_g的取值范围为0～1，F为管道内壁的摩擦系数，Re为雷诺数，Re的取值范围在3500以上，E_f为管道的效率系数，E_f的取值为0.92，当时，气网潮流计算方程中的sgn_p(p_k,p_l)＝1，当时，气网潮流计算方程中的sgn_p(p_k,p_l)＝-1；

(2)建立电‐气耦合多能流网络状态估计的约束条件，包括：

(2‐1)电‐气耦合多能流网络中气网的压缩机耗能约束：

其中：p_f、p_t分别为气网中压缩机的首端节点和末端节点的压强，BHP为压缩机的能耗，压缩机耗能由电动机或燃气轮机提供，为压缩机的入口流量，η_c为压缩机的总效率，取值范围为0～1，c_k为该压缩机的多变系数，与压缩机中的气体压缩过程有关，取值范围为1.2～1.5；

若由电动机提供气网中的压缩机耗能，则电动机消耗电‐气耦合多能流网络中电网节点的有功功率满足以下关系：

P_comp＝K_compBHP

其中：P_comp为电动机消耗电网节点的有功功率，K_comp为压缩机电能消耗系数，由压缩机的出厂说明书获得；

若由燃气轮机提供气网中的压缩机耗能，则将该约束放入步骤(1)中气网潮流计算方程中，燃气轮机消耗电‐气耦合多能流网络中气网节点的燃气满足以下关系：

f_C＝α_C+β_CBHP+γ_C(BHP)²

其中：f_C为燃气轮机消耗气网节点的燃气，α_C、β_C和γ_C分别为气网中压缩机的气体消耗系数，由压缩机的出厂说明书获得；

(2‐2)电‐气耦合多能流网络中的燃气轮机约束：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气流量，P_Tur为燃气轮机的有功功率输出，C₁、C₂和C₃分别为燃气轮机的燃气系数，由燃气轮机的出厂说明书获取；

(3)利用拉格朗日乘子法将步骤(2)中的约束条件和步骤(1)中的目标函数构成一个拉格朗日函数，拉格朗日函数的构造方法已在数学界的最优化理论中有了详细说明，利用牛顿‐拉夫逊法，求解该拉格朗日函数，得到电‐气耦合多能流网络状态估计的结果。