CN106067677B - 一种电-热耦合多能流系统静态安全分析方法 - Google Patents

一种电-热耦合多能流系统静态安全分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利电‑热耦合多能流系统的联合静态安全分析方法，属于含多种能源形式的运行和控制技术领域。本方法突破电力系统安全分析只考虑电网本身的局限，考虑了供电、供热系统的相互影响，实现了电‑热耦合多能流系统的联合静态安全分析，从而能够同时分析供电、供热系统中各种可能的预想事故对两个系统的影响，相比现有分别对供电、供热系统进行独立安全分析的方法，提高了安全分析的精确性，减少了误判和漏判。该方法可以应用于电‑热耦合多能流系统的在线运行中，在电‑热耦合多能流能量管理中工作，当系统存在安全问题或潜在风险时给出安全警告，有助于提高电‑热耦合多能流系统运行的安全性。

Description

一种电-热耦合多能流系统静态安全分析方法
技术领域
本发明涉及电-热耦合多能流系统联合静态安全分析方法，属于含多种能源形式的电力系统运行和控制技术领域。
背景技术
能源综合利用是提高综合能源利用效率、促进可再生能源消纳的重要途径，通过打破原来电、热、冷、气、交通等能流子系统相对割裂的状态，实现多类型能源开放互联，构建多能流系统。多能流是指多种类型的能量流，表示电、热、冷、气、交通等能量流的相互耦合、转换和传输。多能流系统相比传统相互割裂的能源系统，其带来的效益包括：1)通过多类型能源的梯级开发利用和智能管理，可以降低能源消耗和浪费，提高综合能源利用效率，并有助于减少总的用能成本；2)利用不同能源的特性差异和互补、转换，有助于提高消纳间歇式可再生能源的能力；3)通过多能源的转供、互补和协调控制，有助于提高供能的可靠性，并为电网的运行提供更多可调控资源；4)通过多能流系统的协同规划和建设，可以减少基础设施的重复建设和浪费，提高资产利用率。
多能流系统一方面具有可观的效益，另一方面也使原本复杂的能源系统更加复杂。多能流系统由多个能流子系统组成，这些能流子系统之间相互作用和影响，使得多能流系统复杂度显著增加，体现出许多新的特性，传统各个能流单独分析的方法已经难以适应新的要求，亟需发展出新的多能流分析方法。在我国，越来越多的热电联产机组、热泵、电锅炉等耦合元件客观上增强了电-热之间的互联，促进了电-热耦合多能流系统的发展，也对电-热耦合多能流系统的运行控制和能量管理提出了新的要求。
安全是多能流系统正常运行的基础，随着系统的复杂化，多能流的安全问题也更加突出。多能流系统在运行过程中会受到各种扰动的影响，包括元件故障、发电(如风电)变化、负荷变化等。为了保障多能流系统的安全运行，在绝大部分扰动下仍然可以持续传输能量，需要对系统的运行状态进行安全分析。安全分析是能量管理的核心功能之一，可以在线发现多能流系统实时运行中的薄弱环节，有助于提高多能流系统运行的安全水平。现有的安全分析技术主要集中在电力系统中，尚未扩展到多能流系统中，目前尚无电-热耦合多能流系统静态安全分析的方法。因此，需要研究电-热耦合多能流系统静态安全分析方法。
发明内容
本发明的目的是为适应上述新要求，提出一种电-热耦合多能流系统静态安全分析方法，考虑供电、供热系统的相互影响和各种可能的预想事故，建立电-热耦合多能流系统静态安全分析的框架和方法，实现电-热耦合多能流系统的联合静态安全分析。
本发明提出的电-热耦合多能流系统联合静态安全分析方法，包括以下步骤：
(1)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-热耦合多能流系统的状态估计结果Ψse，包括：电-热耦合多能流系统中电网节点的电压幅值和电网支路的有功功率，电-热耦合多能流系统中热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量；
(2)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-热耦合多能流系统中电网、热网的安全运行约束Ψsc，包括：电-热耦合多能流系统中电网节点电压幅值允许最大值、电网节点电压幅值允许最小值、电网支路有功功率允许最大值和电网支路有功功率允许最小值，电-热耦合多能流系统中热网节点压力允许最大值、热网节点压力允许最小值、热网节点温度允许最大值、热网节点温度允许最小值、热网支路流量允许最大值和热网支路流量允许最小值；
(3)根据上述步骤(1)的当前状态估计结果Ψse，对上述步骤(2)的安全运行约束Ψsc进行判断：
(3-1)若所有当前状态估计结果Ψse均满足安全运行约束Ψsc，转步骤(4)；
(3-2)若当前状态估计结果Ψse中存在不满足安全运行约束Ψsc的状态，则判定该电-热耦合多能流系统处于紧急状态，给出安全警告，并给出不满足安全运行的具体信息，安全分析方法结束；
(4)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取预想事故集Ω；
(5)对上述预想事故集Ω进行判断，若预想事故集Ω为空集，则转步骤(8)，若预想事故集Ω为非空集合，则从预想事故集Ω中取出一个预想事故，形成该预想事故下的电-热耦合多能流方程组，包括：
(5-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程：
其中：Pi为电网中节点i的注入有功功率，Qi为电网中节点i的注入无功功率，θi、θj分别为节点i、节点j的电压相角，Ui、Uj分别为节点i、节点j的电压幅值，Gij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，Bij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-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
(5-2)电-热耦合多能流系统中的热网水力方程：
Bhf＝0
其中：A为热网中的节点-支路关联矩阵，B为热网中基本回路-支路关联矩阵，A和B从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，为热网支路的质量流量，为热网节点的注入的质量流量，hf为热网支路的压降，K为热网支路的阻抗系数，K的取值范围为10-500帕·秒平方/千克平方，||为绝对值；
(5-3)电-热耦合多能流系统中的热网热力方程：
其中：Φ为热网节点的注入热功率，Cp为热网介质水的比热容，取值为4182焦耳/(千克·摄氏度)，TS为热网中节点供水侧的温度，TO为节点回水侧的温度，Tstart为热网支路起点处的温度，Tend为热网支路终点处的温度，Ta为热网支路所在的环境温度，L为热网支路管道长度，λ为热网支路管道单位长度的传热系数，电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，为流出节点的介质水质量流量，为流入节点的介质水质量流量，Tout为流出节点的介质水温度，Tin为流入节点的介质水的温度；
(5-4)电-热耦合多能流系统中背压式热电联产机组出力特性方程：
其中：cCHP为背压式热电联产机组的热电比，该热电比从背压式热电联产机组的产品 铭牌中获取，ΦCHP为背压式热电联产机组的热功率，PCHP为背压式热电联产机组的有功功率；
(5-5)电-热耦合多能流系统中抽凝式热电联产机组出力特性方程：
其中：Fin为抽凝式热电联产机组的燃料输入速率，ηe为抽凝式热电联产机组的效率，取值范围为0到1，Z为抽凝式热电联产机组的电热比，该电热比从抽凝式热电联产机组的产品铭牌中获取，ΦCHP为抽凝式热电联产机组的热功率，PCHP为抽凝式热电联产机组的有功功率；
(5-6)电-热耦合多能流系统中热泵电热转换方程：
其中：ch,p为热泵的电热转换效率，Φh,p为热泵的热功率，Ph,p为热泵消耗的有功功率；
(5-7)电-热耦合多能流系统中电锅炉电热转换方程：
其中：ch,b为电锅炉的电热转换效率，Φh,b为电锅炉的热功率，Ph,b为电锅炉消耗的有功功率；
(6)利用牛顿拉夫逊法，求解上述电-热耦合多能流方程组，得到该预想事故下的电-热耦合多能流系统的多能流计算结果Ψc，包括电网节点电压幅值、电网支路有功功率、热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Ω中删除；
(7)根据步骤(6)的多能流计算结果Ψc，对上述步骤(2)的安全运行约束Ψsc进行判断：
(7-1)若Ψc满足所有安全运行约束Ψsc，则返回步骤(5)；
(7-2)若Ψc中存在不满足状态安全运行约束Ψsc的状态，给出违反安全运行约束的警告，则返回步骤(5)；
(8)判断电-热耦合多能流系统当前的安全运行状态：
(8-1)若步骤(7)中没有给违反安全运行约束的警告，则判定该电-热耦合多能流系统处于安全正常状态；
(8-2)若步骤(7)中给出违反安全运行约束的警告，则判定该电-热耦合多能流系统处于安全预警状态。
本发明提出的电-热耦合多能流系统的联合静态安全分析方法，其特点和优点是：本方法突破电力系统安全分析只考虑电网本身的局限，考虑了供电、供热系统的相互影响，实现了电-热耦合多能流系统的联合静态安全分析，从而能够同时分析供电、供热系统中各种可能的预想事故对两个系统的影响，相比现有分别对供电、供热系统进行独立安全分析的方法，提高了安全分析的精确性，减少了误判和漏判。该方法可以应用于电-热耦合多能流系统的在线运行中，在电-热耦合多能流能量管理中工作，当系统存在安全问题或潜在风险时给出安全警告，有助于提高电-热耦合多能流系统运行的安全性。
具体实施方式
本发明提出的电-热耦合多能流系统的联合静态安全分析方法，包括以下步骤：
本发明提出的电-热耦合多能流系统联合静态安全分析方法，包括以下步骤：
(1)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-热耦合多能流系统的状态估计结果Ψse，包括：电-热耦合多能流系统中电网节点的电压幅值和电网支路的有功功率，电-热耦合多能流系统中热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量；
(2)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-热耦合多能流系统中电网、热网的安全运行约束Ψsc，包括：电-热耦合多能流系统中电网节点电压幅值允许最大值、电网节点电压幅值允许最小值、电网支路有功功率允许最大值和电网支路有功功率允许最小值，电-热耦合多能流系统中热网节点压力允许最大值、热网节点压力允许最小值、热网节点温度允许最大值、热网节点温度允许最小值、热网支路流量允许最大值和热网支路流量允许最小值；
(3)根据上述步骤(1)的当前状态估计结果Ψse，对上述步骤(2)的安全运行约束Ψsc进行判断：
(3-1)若所有当前状态估计结果Ψse均满足安全运行约束Ψsc，转步骤(4)；
(3-2)若当前状态估计结果Ψse中存在不满足安全运行约束Ψsc的状态，则判定该电-热耦合多能流系统处于紧急状态，给出安全警告，并给出不满足安全运行的具体信息，安全分析方法结束；
(4)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取预想事故集Ω；
(5)对上述预想事故集Ω进行判断，若预想事故集Ω为空集，则转步骤(8)，若预想事故集Ω为非空集合，则从预想事故集Ω中取出一个预想事故，形成该预想事故下的电-热耦合多能流方程组，包括：
(5-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程：
其中：Pi为电网中节点i的注入有功功率，Qi为电网中节点i的注入无功功率，θi、θj分别为节点i、节点j的电压相角，Ui、Uj分别为节点i、节点j的电压幅值，Gij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，Bij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-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
(5-2)电-热耦合多能流系统中的热网水力方程：
Bhf＝0
其中：A为热网中的节点-支路关联矩阵，B为热网中基本回路-支路关联矩阵，A和B从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，为热网支路的质量流量，为热网节点的注入的质量流量，hf为热网支路的压降，K为热网支路的阻抗系数，K的取值范围为10-500帕·秒平方/千克平方，||为绝对值；
(5-3)电-热耦合多能流系统中的热网热力方程：
其中：Φ为热网节点的注入热功率，Cp为热网介质水的比热容，取值为4182焦耳/(千克·摄氏度)，TS为热网中节点供水侧的温度，TO为节点回水侧的温度，Tstart为热网支路起 点处的温度，Tend为热网支路终点处的温度，Ta为热网支路所在的环境温度，L为热网支路管道长度，λ为热网支路管道单位长度的传热系数，电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，为流出节点的介质水质量流量，为流入节点的介质水质量流量，Tout为流出节点的介质水温度，Tin为流入节点的介质水的温度；
(5-4)电-热耦合多能流系统中背压式热电联产机组出力特性方程：
其中：cCHP为背压式热电联产机组的热电比，该热电比从背压式热电联产机组的产品铭牌中获取，ΦCHP为背压式热电联产机组的热功率，PCHP为背压式热电联产机组的有功功率；
(5-5)电-热耦合多能流系统中抽凝式热电联产机组出力特性方程：
其中：Fin为抽凝式热电联产机组的燃料输入速率，ηe为抽凝式热电联产机组的效率，取值范围为0到1，Z为抽凝式热电联产机组的电热比，该电热比从抽凝式热电联产机组的产品铭牌中获取，ΦCHP为抽凝式热电联产机组的热功率，PCHP为抽凝式热电联产机组的有功功率；
(5-6)电-热耦合多能流系统中热泵电热转换方程：
其中：ch,p为热泵的电热转换效率，Φh,p为热泵的热功率，Ph,p为热泵消耗的有功功率；
(5-7)电-热耦合多能流系统中电锅炉电热转换方程：
其中：ch,b为电锅炉的电热转换效率，Φh,b为电锅炉的热功率，Ph,b为电锅炉消耗的有功功率；
(6)利用牛顿拉夫逊法，求解上述电-热耦合多能流方程组，得到该预想事故下的电 -热耦合多能流系统的多能流计算结果Ψc，包括电网节点电压幅值、电网支路有功功率、热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Ω中删除；
(7)根据步骤(6)的多能流计算结果Ψc，对上述步骤(2)的安全运行约束Ψsc进行判断：
(7-1)若Ψc满足所有安全运行约束Ψsc，则返回步骤(5)；
(7-2)若Ψc中存在不满足状态安全运行约束Ψsc的状态，给出违反安全运行约束的警告，则返回步骤(5)；
(8)判断电-热耦合多能流系统当前的安全运行状态：
(8-1)若步骤(7)中没有给违反安全运行约束的警告，则判定该电-热耦合多能流系统处于安全正常状态；
(8-2)若步骤(7)中给出违反安全运行约束的警告，则判定该电-热耦合多能流系统处于安全预警状态。

Claims (1)

1.一种电-热耦合多能流系统联合静态安全分析方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得当前电-热耦合多能流系统的状态估计结果Ψse，包括：电-热耦合多能流系统中电网节点的电压幅值和电网支路的有功功率，电-热耦合多能流系统中热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量；
(2)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中，获得电-热耦合多能流系统中电网、热网的安全运行约束Ψsc，包括：电-热耦合多能流系统中电网节点电压幅值允许最大值、电网节点电压幅值允许最小值、电网支路有功功率允许最大值和电网支路有功功率允许最小值，电-热耦合多能流系统中热网节点压力允许最大值、热网节点压力允许最小值、热网节点温度允许最大值、热网节点温度允许最小值、热网支路流量允许最大值和热网支路流量允许最小值；
(3)根据上述步骤(1)的当前状态估计结果Ψse，对上述步骤(2)的安全运行约束Ψsc进行判断：
(3-1)若所有当前状态估计结果Ψse均满足安全运行约束Ψsc，转步骤(4)；
(3-2)若当前状态估计结果Ψse中存在不满足安全运行约束Ψsc的状态，则判定该电-热耦合多能流系统处于紧急状态，给出安全警告，并给出不满足安全运行的具体信息，安全分析方法结束；
(4)从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取预想事故集Ω；
(5)对上述预想事故集Ω进行判断，若预想事故集Ω为空集，则转步骤(8)，若预想事故集Ω为非空集合，则从预想事故集Ω中取出一个预想事故，形成该预想事故下的电-热耦合多能流方程组，包括：
(5-1)电-热耦合多能流系统中的电网潮流方程：
其中：Pi为电网中节点i的注入有功功率，Qi为电网中节点i的注入无功功率，θi、θj分别为节点i、节点j的电压相角，Ui、Uj分别为节点i、节点j的电压幅值，Gij为电网节点导纳矩阵Y第i行、第j列元素的实部，Bij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-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取；
(5-2)电-热耦合多能流系统中的热网水力方程：
Bhf＝0
其中：A为热网中的节点-支路关联矩阵，B为热网中基本回路-支路关联矩阵，A和B从电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，为热网支路的质量流量，为热网节点的注入的质量流量，hf为热网支路的压降，K为热网支路的阻抗系数，K的取值范围为10-500帕·秒平方/千克平方，||为绝对值；
(5-3)电-热耦合多能流系统中的热网热力方程：
其中：Φ为热网节点的注入热功率，Cp为热网介质水的比热容，取值为4182焦耳/(千克·摄氏度)，TS为热网中节点供水侧的温度，TO为节点回水侧的温度，Tstart为热网支路起点处的温度，Tend为热网支路终点处的温度，Ta为热网支路所在的环境温度，L为热网支路管道长度，λ为热网支路管道单位长度的传热系数，电-热耦合多能流系统的能量管理系统中获取，为流出节点的介质水质量流量，为流入节点的介质水质量流量，Tout为流出节点的介质水温度，Tin为流入节点的介质水的温度；
(5-4)电-热耦合多能流系统中背压式热电联产机组出力特性方程：
其中：cCHP为背压式热电联产机组的热电比，该热电比从背压式热电联产机组的产品铭牌中获取，ΦCHP,b为背压式热电联产机组的热功率，PCHP,b为背压式热电联产机组的有功功率；
(5-5)电-热耦合多能流系统中抽凝式热电联产机组出力特性方程：
其中：Fin为抽凝式热电联产机组的燃料输入速率，ηe为抽凝式热电联产机组的效率，取值范围为0到1，Z为抽凝式热电联产机组的电热比，该电热比从抽凝式热电联产机组的产品铭牌中获取，ΦCHP,e为抽凝式热电联产机组的热功率，PCHP,e为抽凝式热电联产机组的有功功率；
(5-6)电-热耦合多能流系统中热泵电热转换方程：
其中：ch,p为热泵的电热转换效率，Φh,p为热泵的热功率，Ph,p为热泵消耗的有功功率；
(5-7)电-热耦合多能流系统中电锅炉电热转换方程：
其中：ch,b为电锅炉的电热转换效率，Φh,b为电锅炉的热功率，Ph,b为电锅炉消耗的有功功率；
(6)利用牛顿拉夫逊法，求解上述电-热耦合多能流方程组，得到该预想事故下的电-热耦合多能流系统的多能流计算结果Ψc，包括电网节点电压幅值、电网支路有功功率、热网节点压力、热网节点温度和热网支路流量，并将该预想事故从预想事故集Ω中删除；
(7)根据步骤(6)的多能流计算结果Ψc，对上述步骤(2)的安全运行约束Ψsc进行判断：
(7-1)若Ψc满足所有安全运行约束Ψsc，则返回步骤(5)；
(7-2)若Ψc中存在不满足状态安全运行约束Ψsc的状态，给出违反安全运行约束的警告，则返回步骤(5)；
(8)判断电-热耦合多能流系统当前的安全运行状态：
(8-1)若步骤(7)中没有给违反安全运行约束的警告，则判定该电-热耦合多能流系统处于安全正常状态；
(8-2)若步骤(7)中给出违反安全运行约束的警告，则判定该电-热耦合多能流系统处于安全预警状态。
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