CN106096269A - 一种电‑气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电‑气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法，属于多能流耦合系统的运行安全分析技术领域。本方法采取区间潮流的分析方法，在多种能源系统耦合运行的发展趋势下，考虑了风电不确定性对其他与电网相耦合的能源系统(天然气管网系统)稳态运行的影响，为耦合能源系统的安全稳定控制提供了依据；另一方面避免了大量的数据统计和复杂的数学模型及计算，同时该方法只需要区间信息，不需要估计隶属度信息等，避免了因人为假设的主观性带来的误差。该方法可以应用于电‑气耦合多能流能量管理中，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‑气耦合多能流系统运行的安全性。

Description

一种电-气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法

技术领域

本发明涉及一种电-气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法，尤其涉及一种基于风电不确定的电-气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法，属于多能流耦合系统的运行安全分析技术领域。

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。

另一方面，由于能源紧缺和环境污染的问题日益突出，风能因其环境友好、技术成熟、零燃料成本且可持续等优势，成为了最具竞争力的能源形式之一。近些年来风电在我国得到了快速的发展，各种能源在发电中的融合成为电力系统未来发展的必然趋势。然而，风力发电机的出力会受到实时的风力资源随机变化的限制，无法提供连续稳定的功率，因此风电是一种具有波动性、随机性、间歇性和难以调度性的不可靠电源。在如今多能源耦合系统统一运行模式的趋势下，各种能源之间的相互联系和交互作用更加紧密，迫切需要研究风力发电机组并网后其不确定性对其他能源网络安全性的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑风电不确定性的电-气耦合系统天然气网区间潮流分析方法，避免了大量的数据统计、复杂的计算以及过多人为假设造成的偏差，分析风电接入后的电-气耦合系统中天然气网的稳态运行区间。

本发明提出的电-气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法，包括以下步骤：

(1)建立电-气耦合系统中耦合运行的稳态数学模型，包括：

(1-1)一个电-气耦合系统中的电力系统潮流方程如下：

$\begin{array}{cc}{P}^i=U_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}{U}_j\left(G_{ij}\cos \left({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j\right)+B_{ij}\sin \left({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j\right)\right),& i,j=1,2,...n\\ Q^i=U_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}{U}_j\left(G_{ij}\sin \left({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j\right)-B_{ij}\cos \left({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j\right)\right),& i,j=1,2,...n\end{array},$

其中，Pⁱ为电力系统中第i个节点的注入有功功率，Qⁱ为电力系统中第i个节点的注入无功功率，G_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电导，B_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电纳，电力系统节点导纳矩阵Y从电力系统调度中心获取；

(1-2)一个电-气耦合系统的天然气网中管道的水力方程如下：

$f_{km}={\mathrm{sgn}}_p(p_k,p_m)\×\left(\frac{77.54T_n}{p_n}\right){\left(D^{km}\right)}^{2.5}{\left(\frac{1}{L^{km}{\mathrm{\γ}}_G{T}_a^{km}{\mathrm{FZ}}_g}\right)}^{0.5}\sqrt{(p_k^2-p_m^2)},$

其中，f_km为天然气网中第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量，p_k，p_m分别为第k个节点和第m个节点的压强，D^km、L^km分别为第k个节点和第m个节点之间管道km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式计算得到，E_f为管道的效率系数，E_f取值0.92，Re为雷诺数，由公式Re＝ρvd/μ计算得到，ρ为天然气密度，v为天然气流速，μ为天然气黏性系数，d为天然气管道直径，γ_G为天然气比重，0＜γ_G＜1，T_a为天然气平均温度，T_n、p_n分别为标准状态下天然气的温度和压力，T_n、p_n的取值分别为288K、0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，0.9＜Z_g＜1.5，天然气网水力方程中，当时，上式中的sgn_p(p_k,p_m)＝1，当时，sgn_p(p_k,p_m)＝-1；

(1-3)一个电-气耦合系统中的天然气网中压缩机的能量消耗方程如下：

${\mathrm{BHP}}^{km}=\frac{f_C^{in}{c}_k}{{\mathrm{\η}}_C(c_k-1)}\[{\left(\frac{p_m}{p_k}\right)}^{\frac{c_k-1}{c_k}}-1\],$

其中，p_k，p_m分别为天然气网中第k个节点和第m个节点的压强，BHP^km为第k个节点和第m个节点之间的压缩机的能量消耗，为该压缩机的入口体积流量，η_c为该压缩机的总效率，c_k为该压缩机的多变系数，η_c和c_k从压缩机的出厂说明书获取；

(1-4)一个通过燃气轮机耦合的电力系统与天然气网之间的耦合方程如下：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气的体积流量，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；

(1-5)一个电-气耦合系统中的天然气网的节点气流平衡方程如下：

A_Gf＝L，

其中：A_G为天然气网的节点-支路矩阵，f为天然气网的支路体积流量，L为天然气网的节点气体负荷，L根据天然气网历史运行数据得到；

(2)通过电力系统中风电场的历史纪录数据，获取风电场的历史最小风速v和最大风速的风速变化区间

(3)比对电力系统中风电场的风力涡轮机的功率曲线和上述风速的变化区间得到风电功率的变化区间

$P_{min}^w\≤P_l^w\≤P_{max}^w,$

其中，P_l ^w为风电场第l个风电机组的有功功率，风力涡轮机的功率曲线由风力涡轮机的出厂说明书获取；

(4)设定电力系统和天然气网稳态安全运行的约束条件，包括：

(4-1)电力系统中非风力发电机组的输出功率P_i ^gen小于或等于该非风力发电机组出厂铭牌上给出的最大功率

$P_i^{gen}\≤P_{max}^{gen};$

(4-2)电力系统第i个节点的电压幅值U_i在设定的电力系统安全运行电压的上、下限值U _i、之间运行，U _i为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍：

${\underset{\‾}{U}}_i\≤U_i\≤{\stackrel{\‾}{U}}_i;$

(4-3)电力系统中第l条线路的传输容量S_l小于或等于设定的电力系统安全运行传输容量的最大值

$S_l\≤{\stackrel{\‾}{S}}_l;$

(4-4)天然气网中第k个节点的压强p_k在设定的管道安全运行气压的上、下限值p _k、内：

${\underset{\‾}{p}}_k\≤p_k\≤{\stackrel{\‾}{p}}_k;$

(4-5)天然气网中第b个管道的流量f_b在设定的管道安全运行流量的上、下限值f _b、内：

$0\≤f_b\≤{\stackrel{\‾}{f}}_b;$

(4-6)天然气网中气源供气量f_s小于或等于该气源能提供天然气流的最大值f_s,max：

f_s≤f_s,max；

(4-7)天然气网中的压缩机安全运行时需要满足以下约束：

$1<S<S_{max}(S=\frac{p^{out}}{p^{in}}),f_{comp}^{in}\&le;f_{c,max}^{in},p^{out}\&le;p_{c,max},$

其中：S是该压缩机的升压比，S_max是该压缩机的最大升压比，S_max由压缩机的出厂铭牌获取，为该压缩机的入口的体积流量，为该压缩机的入口最大允许体积流量，由压缩机的出厂铭牌获取，p^out为压缩机的出口压力，p_c,max为压缩机的出口最大允许压力，p_c,max由压缩机的出厂铭牌获取；

(5)利用内点法，在上述步骤(3)给定的风电功率的变化区间内，根据上述步骤(1)的电-气耦合系统耦合运行的稳态方程和上述步骤(4)的电力系统与天然气网稳态约束方程，求解得到天然气网区间潮流，即得到电-气耦合系统中天然气网各节点的压强p、各支路的体积流量f以及气源供气量f_s的运行范围。

本发明提出的电-气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法，其特点和效果是：本发明采取区间潮流的分析方法，一方面在多种能源系统耦合运行的发展趋势下，考虑了风电不确定性对其他能源网(天然气管网系统)稳态运行的影响，为耦合能源系统的安全稳定控制提供了依据；另一方面避免了大量的数据统计和复杂的数学模型及计算，同时该方法只需要区间信息，不需要估计隶属度信息等，避免了因人为假设的主观性带来的误差。该方法可以应用于电-气耦合多能流能量管理中，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-气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-气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法，包括以下步骤：

(1)建立电-气耦合系统中耦合运行的稳态数学模型，包括：

(1-1)一个电-气耦合系统中的电力系统潮流方程如下：

$\begin{array}{cc}{P}^i=U_i\underset{j\&Element;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{U}_j\left(G_{ij}\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j\right)+B_{ij}\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j\right)\right),& i,j=1,2,...n\\ Q^i=U_i\underset{j\&Element;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{U}_j\left(G_{ij}\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j\right)-B_{ij}\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j\right)\right),& i,j=1,2,...n\end{array},$

其中，Pⁱ为电力系统中第i个节点的注入有功功率，Qⁱ为电力系统中第i个节点的注入无功功率，G_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电导，B_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电纳，电力系统节点导纳矩阵Y从电力系统调度中心获取；

(1-2)一个电-气耦合系统的天然气网中管道的水力方程如下：

$f_{km}={\mathrm{sgn}}_p(p_k,p_m)\&times;\left(\frac{77.54T_n}{p_n}\right){\left(D^{km}\right)}^{2.5}{\left(\frac{1}{L^{km}{\mathrm{\&gamma;}}_G{T}_a^{km}{\mathrm{FZ}}_g}\right)}^{0.5}\sqrt{(p_k^2-p_m^2)},$

其中，f_km为天然气网中第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量，p_k，p_m分别为第k个节点和第m个节点的压强，D^km、L^km分别为第k个节点和第m个节点之间管道km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式计算得到，E_f为管道的效率系数，E_f取值0.92，Re为雷诺数，由公式Re＝ρvd/μ计算得到，ρ为天然气密度，v为天然气流速，μ为天然气黏性系数，d为天然气管道直径，γ_G为天然气比重，0＜γ_G＜1，T_a为天然气平均温度，T_n、p_n分别为标准状态下天然气的温度和压力，T_n、p_n的取值分别为288K、0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，0.9＜Z_g＜1.5，天然气网水力方程中，当时，上式中的sgn_p(p_k,p_m)＝1，当时，sgn_p(p_k,p_m)＝-1；

(1-3)一个电-气耦合系统中的天然气网中压缩机的能量消耗方程如下：

${\mathrm{BHP}}^{km}=\frac{f_C^{in}{c}_k}{{\mathrm{\&eta;}}_C(c_k-1)}\&lsqb;{\left(\frac{p_m}{p_k}\right)}^{\frac{c_k-1}{c_k}}-1\&rsqb;,$

其中，p_k，p_m分别为天然气网中第k个节点和第m个节点的压强，BHP^km为第k个节点和第m个节点之间的压缩机的能量消耗，为该压缩机的入口体积流量，η_c为该压缩机的总效率，c_k为该压缩机的多变系数，η_c和c_k从压缩机的出厂说明书获取；

(1-4)一个通过燃气轮机耦合的电力系统与天然气网之间的耦合方程如下：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气的体积流量，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；

(1-5)一个电-气耦合系统中的天然气网的节点气流平衡方程如下：

A_Gf＝L，

其中：A_G为天然气网的节点-支路矩阵，f为天然气网的支路体积流量，L为天然气网的节点气体负荷，L根据天然气网历史运行数据得到；

(2)通过电力系统中风电场的历史纪录数据，获取风电场的历史最小风速v和最大风速的风速变化区间

(3)比对电力系统中风电场的风力涡轮机的功率曲线和上述风速的变化区间得到风电功率的变化区间

$P_{min}^w\&le;P_l^w\&le;P_{max}^w,$

其中，P_l ^w为风电场第l个风电机组的有功功率，风力涡轮机的功率曲线由风力涡轮机的出厂说明书获取；

(4)设定电力系统和天然气网稳态安全运行的约束条件，包括：

(4-1)电力系统中非风力发电机组的输出功率P_i ^gen小于或等于该非风力发电机组出厂铭牌上给出的最大功率

$P_i^{gen}\&le;P_{max}^{gen};$

(4-2)电力系统第i个节点的电压幅值U_i在设定的电力系统安全运行电压的上、下限值U _i、之间运行，U _i为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍：

${\underset{\&OverBar;}{U}}_i\&le;U_i\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{U}}_i;$

(4-3)电力系统中第l条线路的传输容量S_l小于或等于设定的电力系统安全运行传输容量的最大值

$S_l\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_l;$

(4-4)天然气网中第k个节点的压强p_k在设定的管道安全运行气压的上、下限值p _k、内：

${\underset{\&OverBar;}{p}}_k\&le;p_k\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_k;$

(4-5)天然气网中第b个管道的流量f_b在设定的管道安全运行流量的上、下限值f _b、内：

$0\&le;f_b\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_b;$

(4-6)天然气网中气源供气量f_s小于或等于该气源能提供天然气流的最大值f_s,max：

f_s≤f_s,max；

(4-7)天然气网中的压缩机安全运行时需要满足以下约束：

$1<S<S_{max}(S=\frac{p^{out}}{p^{in}}),f_{comp}^{in}\&le;f_{c,max}^{in},p^{out}\&le;p_{c,max},$

其中：S是该压缩机的升压比，S_max是该压缩机的最大升压比，S_max由压缩机的出厂铭牌获取，为该压缩机的入口的体积流量，为该压缩机的入口最大允许体积流量，由压缩机的出厂铭牌获取，p^out为压缩机的出口压力，p_c,max为压缩机的出口最大允许压力，p_c,max由压缩机的出厂铭牌获取；

(5)利用内点法，在上述步骤(3)给定的风电功率的变化区间内，根据上述步骤(1)的电-气耦合系统耦合运行的稳态方程和上述步骤(4)的电力系统与天然气网稳态约束方程，求解得到天然气网区间潮流，即得到电-气耦合系统中天然气网各节点的压强p、各支路的体积流量f以及气源供气量f_s的运行范围。

Claims (1)

1.一种电-气耦合系统中天然气网的区间潮流计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)建立电-气耦合系统中耦合运行的稳态数学模型，包括：

(1-1)一个电-气耦合系统中的电力系统潮流方程如下：

$\begin{array}{cc}{P}^i=U_i\underset{j\&Element;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{U}_j\left(G_{ij}\cos \right({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j)+B_{ij}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j\left)\right),& i,j=1,2,...n\\ Q^i=U_i\underset{j\&Element;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{U}_j\left(G_{ij}\sin \right({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j)-B_{ij}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_i-{\mathrm{\&theta;}}_j\left)\right),& i,j=1,2,...n\end{array},$

其中，Pⁱ为电力系统中第i个节点的注入有功功率，Qⁱ为电力系统中第i个节点的注入无功功率，G_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电导，B_ij为与电力系统的节点导纳矩阵Y中第i行、第j列相对应的电纳，电力系统节点导纳矩阵Y从电力系统调度中心获取；

(1-2)一个电-气耦合系统的天然气网中管道的水力方程如下：

$f_{km}={\mathrm{sgn}}_p(p_k,p_m)\&times;\left(\frac{77.54T_n}{p_n}\right){\left(D^{km}\right)}^{2.5}{\left(\frac{1}{L^{km}{\mathrm{\&gamma;}}_G{T}_a^{km}{\mathrm{FZ}}_g}\right)}^{0.5}\sqrt{(p_k^2-p_m^2)},$

其中，f_km为天然气网中第k个节点和第m个节点之间的管道中天然气体积流量，p_k，p_m分别为第k个节点和第m个节点的压强，D^km、L^km分别为第k个节点和第m个节点之间管道km的管道直径和管道长度，F为管道内壁的摩擦系数，F由公式计算得到，E_f为管道的效率系数，E_f取值0.92，Re为雷诺数，由公式Re＝ρvd/μ计算得到，ρ为天然气密度，v为天然气流速，μ为天然气黏性系数，d为天然气管道直径，γ_G为天然气比重，0＜γ_G＜1，T_a为天然气平均温度，T_n、p_n分别为标准状态下天然气的温度和压力，T_n、p_n的取值分别为288K、0.1Mpa，Z_g为天然气平均可压缩系数，0.9＜Z_g＜1.5，天然气网水力方程中，当时，上式中的sgn_p(p_k,p_m)＝1，当时，sgn_p(p_k,p_m)＝-1；

(1-3)一个电-气耦合系统中的天然气网中压缩机的能量消耗方程如下：

${\mathrm{BHP}}^{km}=\frac{f_C^{in}{c}_k}{{\mathrm{\&eta;}}_C(c_k-1)}\&lsqb;{\left(\frac{p_m}{p_k}\right)}^{\frac{c_k-1}{c_k}}-1\&rsqb;,$

其中，p_k，p_m分别为天然气网中第k个节点和第m个节点的压强，BHP^km为第k个节点和第m个节点之间的压缩机的能量消耗，为该压缩机的入口体积流量，η_c为该压缩机的总效率，c_k为该压缩机的多变系数，η_c和c_k从压缩机的出厂说明书获取；

(1-4)一个通过燃气轮机耦合的电力系统与天然气网之间的耦合方程如下：

其中，f_Tur为燃气轮机的燃气的体积流量，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；

(1-5)一个电-气耦合系统中的天然气网的节点气流平衡方程如下：

A_Gf＝L，

其中：A_G为天然气网的节点-支路矩阵，f为天然气网的支路体积流量，L为天然气网的节点气体负荷，L根据天然气网历史运行数据得到；

(2)通过电力系统中风电场的历史纪录数据，获取风电场的历史最小风速v和最大风速的风速变化区间

(3)比对电力系统中风电场的风力涡轮机的功率曲线和上述风速的变化区间得到风电功率的变化区间

$P_{min}^w\&le;P_l^w\&le;P_{max}^w,$

其中，P_l ^w为风电场第l个风电机组的有功功率，风力涡轮机的功率曲线由风力涡轮机的出厂说明书获取；

(4)设定电力系统和天然气网稳态安全运行的约束条件，包括：

(4-1)电力系统中非风力发电机组的输出功率P_i ^gen小于或等于该非风力发电机组出厂铭牌上给出的最大功率

$P_i^{gen}\&le;P_{max}^{gen};$

(4-2)电力系统第i个节点的电压幅值U_i在设定的电力系统安全运行电压的上、下限值U _i、之间运行，U _i为第i个节点额定电压的0.95倍，为第i个节点额定电压的1.05倍：

${\underset{\&OverBar;}{U}}_i\&le;U_i\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{U}}_i;$

(4-3)电力系统中第l条线路的传输容量S_l小于或等于设定的电力系统安全运行传输容量的最大值

$S_l\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{S}}_l;$

(4-4)天然气网中第k个节点的压强p_k在设定的管道安全运行气压的上、下限值p _k、内：

${\underset{\&OverBar;}{p}}_k\&le;p_k\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_k;$

(4-5)天然气网中第b个管道的流量f_b在设定的管道安全运行流量的上、下限值f _b、内：

$0\&le;f_b\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_b;$

(4-6)天然气网中气源供气量f_s小于或等于该气源能提供天然气流的最大值f_s,max：

f_s≤f_s,max；

(4-7)天然气网中的压缩机安全运行时需要满足以下约束：

$1<S<S_{max}(S=\frac{p^{out}}{p^{in}}),f_{comp}^{in}\&le;f_{c,max}^{in},p^{out}\&le;p_{c,max},$

其中：S是该压缩机的升压比，S_max是该压缩机的最大升压比，S_max由压缩机的出厂铭牌获取，为该压缩机的入口的体积流量，为该压缩机的入口最大允许体积流量，由压缩机的出厂铭牌获取，p^out为压缩机的出口压力，p_c,max为压缩机的出口最大允许压力，p_c,max由压缩机的出厂铭牌获取；

(5)利用内点法，在上述步骤(3)给定的风电功率的变化区间内，根据上述步骤(1)的电-气耦合系统耦合运行的稳态方程和上述步骤(4)的电力系统与天然气网稳态约束方程，求解得到天然气网区间潮流，即得到电-气耦合系统中天然气网各节点的压强p、各支路的体积流量f以及气源供气量f_s的运行范围。