CN108241782A - 一种混合暂态分析方法及混合暂态分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法及混合暂态分析系统，通过构建多能互补综合能源系统的混合暂态模型及采用混合步长暂态分析方法对多能耦合系统进行网络分析，能够有效支撑系统级的分析计算，并从时域角度进行非电系统中长期暂态‑电力系统机电暂态的混合暂态仿真，提高对系统全过程仿真模拟的精度。
Description
技术领域
本发明属于能源互联网领域，涉及一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法及混合暂态分析系统。
背景技术
近年来，以能源互联网为特征的第三次工业革命已蓄势待发。能源互联网的特征是以电网为主干和平台，进行多种能源形式的耦合互补。多能耦合系统的网络分析是能源互联网领域的重要研究内容之一，是进行系统规划、运行调控、能源交易的计算依据与基础，这里不仅要考虑系统中供能侧、用能侧各自的能量转换互补，更要考虑多能系统的网络平衡。目前，在传统的电、热、气等各自领域，各系统分析方法相对成熟，例如，电力系统采用潮流计算；热力系统遵循流体和热力学定律，通过联立水力(或蒸汽)和热力两组方程计算；天然气系统遵循流体力学定律，用流体力学方程表征计算。此外，随着风机、光伏和CHP/CCHP等可再生能源/清洁能源的大量建设以及主动性配网、智能微网的兴起，也提出了较多针对单个设备和小型电力网络的建模及仿真方法，部分微网系统由于存在多种能源形式的综合利用，也提出了相应的数学模型。上述大部分模型主要从设备角度出发，考虑了能量、动量以及质量等“点”平衡，但均没有考虑网络平衡，并不适于系统级的分析计算。
相比而言，文献[1]和[2]分别研究了电网与天然气网络、热网的联合潮流分析，文献[3]、[4]使用网络流模型对美国的煤、天然气和电网进行了仿真分析，这些文献从系统角度出发，考虑了网络平衡以及系统的多能特性，其中的电网部分，考虑的主要是传统交流电网中的一些典型设备，计算方法也是以传统的牛顿-拉夫逊法为主，对于电网设备种类多样(如新能源电场、FACTS器件等)或采用交直流混联电网结构等复杂情况，上述方法未见说明，此外，现有技术也未提及用户可以自己开发模型并接入计算的方法。
另一方面，目前在电、热各自的领域都有专业的仿真软件进行辅助分析，例如电领域中的PSASP、BPA、PSCAD等，热领域中的Thermoflow、Ansys、Cycle-Tempo等，然而这些软件并未考虑除自身领域以外的多能之间的耦合。
[1]Martinez-Mares A,Fuerte-Esquivel C R.A Unified Gas and Power FlowAnalysis in Natural Gas and Electricity Coupled Networks[J].IEEE Transactionson Power Systems,2012,27(4):2156-2166.
[2]X Liu,N Jenkins,J Wu,et al.Combined Analysis of Electricity andHeat Networks.Energy Procedia,2014,61:155-159.Liu X.Combined AnalysisofElectricity and Heat Networks[D].CardiffUniversity Institute of Energy,2013.
[3]Quelhas A,Gil E,McCalley J D,et al.A Multiperiod GeneralizedNetwork Flow Model ofthe U.S.Integrated Energy System:Part I—ModelDescription[J].IEEE Transactions on Power Systems,2007,22(2):829-836.
[4]Quelhas A,McCalley J D.A Multiperiod Generalized Network FlowModel of the U.S.Integrated Energy System:Part II—Simulation Results[J].IEEETransactions onPower Systems,2007,22(2):837-844.
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法及混合暂态分析系统，通过构建多能互补综合能源系统的混合暂态分析模型及采用混合步长暂态分析方法对多能耦合系统进行网络分析，能够有效支撑系统级的分析计算。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，如下步骤：
步骤一，基于图论将非电系统抽象成图进行网络拓扑分析，构建非电系统动态潮流模型；所述非电系统动态潮流模型由非电系统静态潮流模型和非电系统暂态模型构成；
步骤二，构建电力系统暂态模型；
步骤三，构建非电系统与电力系统之间的耦合设备细化动态模型，所述耦合设备细化动态模型包括供电设备动态模型和用电设备动态模型，所述供电设备动态模型采用发电控制-CCS-锅炉-调速器-发电机全过程动态模型，所述用电设备动态模型采用感应电动机负荷动态模型；
步骤四，联立步骤一非电系统动态潮流模型、步骤二电力系统暂态模型以及步骤三耦合设备细化动态模型，构建多能互补综合能源系统的混合暂态模型；
步骤五，通过电力系统采用机电暂态步长、非电系统采用中长期暂态步长的混合步长暂态分析方法求解步骤四多能互补综合能源系统混合暂态模型。
进一步的，步骤一中将非电系统中管道对应图的有向边，连接件对应图的顶点，每个管段定义流量正方向，用图矩阵描述非电系统拓扑结构，并将阀门作为管道的附属属性进行计算。
进一步的，所述非电系统动态潮流模型中非电系统节点采用稳态方程描述，非电系统管道采用针对温度、热量状态量的动态方程描述。
进一步的，非电系统静态潮流模型为：
其中，A为关联矩阵，Au、Ad分别是上关联矩阵与下关联矩阵，Bf为回路矩阵。M*为B阶管道流量列向量，Q*为N阶节点流入流量列向量，ΔH*为B阶管道压差列向量，Z*为B阶管道首末端节点高度差列向量，Te为B阶管道末端温度列向量(℃)，Tn为N阶节点温度列向量(℃)，QJ*为N阶节点热负荷列向量，Ta为B阶环境温度列向量(℃)，E为B阶温度衰减系数对角阵，S为B阶管道阻力系数列向量，Hp*为泵扬程列向量，Hv*为阀门两侧压差列向量。
进一步的，非电系统暂态模型为：
其中，A为关联矩阵，为上关联矩阵，为下关联矩阵，Bf为回路矩阵。M(t)*为t时刻B阶管道流量列向量(标幺值)，Q(t)*为t时刻N阶节点流入流量列向量(标幺值)，ΔH(t)*为t时刻B阶管道压差列向量(标幺值)，Te(t)为t时刻B阶管道末端温度列向量(℃)，Tn(t)为t时刻N阶节点温度列向量(℃)，Ts(t-γ)为t-γ时刻的管道首端温度列向量(℃)，λ为管道单位长度导热率列向量(W/m·K)，A为管道截面积列向量(m2)，ρ为流体密度列向量(kg/m3)，L为管道长度列向量(m)，Cp为流体比热容列向量(J/kg·℃)，QJ(t)*为t时刻N阶节点热负荷列向量(标幺值)，Ta(t)为t时刻B阶环境温度列向量(℃)，S(t)为t时刻B阶管道阻力系数列向量，Z*为B阶管道首末端节点高度差列向量(标幺值)，H0*为B阶泵静扬程列向量(标幺值)，Sp为B阶泵阻力系数列向量。
进一步的，作为本发明的具体实施例，供电设备包括热联联产或冷热电三联供机组，所述用电设备包括电动泵。。
进一步的，耦合设备细化动态模型为：
其中，PGref*为发电机发电指令，QJG*(t)为t时刻CCHP热功率，PpM*为马达机械功率，m(t)*为t时刻管道流量，Hp(t)*为t时刻泵扬程，η为泵效率，PG*为发电机输出电功率，Pp*为泵消耗电功率，x为电网网络方程状态量；
G＝(g1,g2,......,gn)T，Y＝(y1,y2,......,yn)T为步骤二电力系统暂态模型中电网设备模型的微分方程求解变量；QJ(t)*为步骤一非电系统动态潮流模型中t时刻N阶节点热负荷列向量。
进一步的，混合步长暂态分析方法以电力系统电网计算时步为计算基础，每时步电网计算开始时判断该时步是否进行非电系统暂态计算，若电网仿真时刻等于非电系统仿真时刻，则非电系统暂态计算与电力系统暂态计算交替进行直至收敛，否则本时步只进行电力系统暂态计算，且在计算时沿用上一个非电系统暂态计算时步下算出的非电系统状态量。
进一步的，混合步长暂态分析方法包含如下步骤：
(1)设定电力系统机电暂态步长，非电系统中长期暂态步长；
(2)判断当前电网仿真时刻te是否等于当前热网仿真时刻th，若等于则跳转至步骤(3)非电系统暂态计算过程，若不等，则进入步骤(6)电网暂态计算过程；
(3)非电系统暂态计算过程
(31)判断是否存在扰动，若存在则处理扰动信息，将扰动量经过换算计入非电系统动态潮流模型中，更新耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)，然后跳转至步骤(32)；若不存在则直接跳转至步骤(32)；
(32)根据耦合器件当前时刻电功率Pe(t)，通过耦合设备细化动态模型修正耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)，跳转至步骤(33)；
(33)初始化耦合器件热网状态量Xh(t) (k)＝Xh(t)，其中迭代次数k＝0；
(34)进行热网暂态模型迭代计算，然后判断是否|Xh(t) (k-1)-Xh(t) (k)|＜ε或k＞kmax，其中ε，kmax取经验值，若是，则非电系统时步加1，th＝th+dth，进入步骤(4)电网暂态计算过程；若否，则k＝k+1，继续迭代；
(4)电网暂态计算过程
(41)将收敛标识符Mark置1，其中1表示收敛，并将上一时刻电网数学模型计算收敛值Xn-1和电网设备数学模型计算收敛值Yn-1分别赋给本时刻电网数学模型待求解变量Xn和电网设备数学模型的待求解变量Yn；
(42)将收敛标识符Mark置-1，-1表示不收敛，初始化迭代次数k＝0，然后根据耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)通过耦合设备细化动态模型修正发电机负荷指令PGref*，马达机械功率PpM*；
(43)将发电机负荷指令PGref*，马达机械功率PpM*引入电力系统暂态模型进行收敛性迭代计算；若达到收敛，则当前电网仿真时刻时步加1，进入下一时步计算；若未收敛，则迭代次数加1继续迭代。
本发明还提供一种多能互补综合能源系统混合暂态分析系统，包括电力分析模块、非电力分析模块和耦合分析模块，非电力分析模块用于实现步骤一非电系统动态潮流模型，电力分析模块用于实现步骤二电力模块暂态模型计算，耦合分析模块用于实现步骤三耦合设备细化动态模型计算；电力分析模块、非电力分析模块和耦合分析模块数据交互实现步骤四和步骤五多能互补综合能源系统的混合暂态模型的求解。
进一步的，非电力分析模块包括管道及节点两个基类，在此基础上设计包含依赖于上述两基类的设备模型类，用于指代同一类设备，然后设计设备模型类的子类模型实例类，指代实际设备，设计模型实例类的子类模型实例集合类，实现各实际设备模型对象的集合，从而形成非电力分析模块。
进一步的，将非电力分析模块以及耦合分析模块的模型计算单独编译成为动态链接库文件，通过现有电力系统仿真分析软件通过其用户程序接口调用该文件以实现联合计算；现有电力系统仿真分析软件作为电力分析模块。
进一步的，将现有电力系统仿真分析软件作为电力分析模块单独编译成可执行程序，通过嵌入到非电力分析系统以及耦合分析系统的模型计算程序中，执行该程序以完成联合计算。
进一步的，用户通过图形化界面建立设备的自定义模型，系统自动生成模型文件，动态链接库程序解析模型文件并内置算法，并通过与系统主程序的接口实现数据的相互传递与协同计算。
进一步的，系统主程序接入用户自定义模型的接入程序计算流程包括：
(1)模型初始化
读取用户自定义模型信息描述文件，对自定义模型程序中的数据结构进行初始化，然后通过对用户自定义模型信息描述文件信息进行分析，形成各功能模块的计算顺序，最后计算用户自定义模型各运算函数功能模块状态量的初值；
(2)模型接入运行
(21)设主程序运行第T时步，主程序形成用户自定义模型T时步输入变量数组，并输入到用户自定义模型仿真程序；
(22)用户自定义模型仿真程序根据T时步各输入变量的值，按照图初始化形成的计算顺序，依次执行该时步各功能模块的值，然后判断存在反馈环，若不存在，跳转至步骤(24)，若存在跳转至步骤(23)；
(23)判断反馈环中各个功能模块T时步值是否收敛，若是则跳转至步骤(24)，若否，则判断迭代次数是否超限，若超限则提示用户自定义模型该步不收敛信息并继续计算跳入步骤(24)，若未超限则继续执行模型求解迭代过程；
(24)主程序形成用户自定义模型T时步输出变量数组，并输出到仿真主程序，然后T＝T+1进行下一时步计算。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过构建多能互补综合能源系统的混合暂态模型及采用混合步长暂态分析方法对多能耦合系统进行网络分析，能够有效支撑系统级的分析计算，并从时域角度进行非电系统中长期暂态-电力系统机电暂态的混合暂态仿真，提高对系统全过程仿真模拟的精度
(2)本发明采用嵌入式程序开发方法，具有开放性和可扩展性，将其他能源形式网络以及耦合设备的潮流计算单独编译成为动态链接库文件，电力系统仿真分析软件通过其用户程序接口调用该文件以实现联合计算，或将电力系统仿真分析软件单独编译成可执行程序，通过嵌入到其他能源形式网络以及耦合设备的静态潮流计算程序中，执行完成联合计算。
(3)本发明采用调用动态链接库文件的方式外接用户自定义建模，具有开放性和可扩展性，用户通过图形化界面建立设备的自定义传递函数数学模型，程序自动生成模型文件，动态链接库程序解析模型文件并内置算法，并通过与主程序的接口实现数据的相互传递与协同计算；用户自定义建模采用面向对象的程序架构，本身也具有开放性和可扩展性。
(4)本发明中一方面利用现有成熟电力系统仿真软件计算功能，可以进行包括直流系统、新能源电场、FACTS器件等在内的多种电网设备仿真，减少了程序开发的工作量，同时可以采用更为先进的计算方法，保证了计算的收敛性和可靠性；另一方面，拓展了电力系统仿真软件功能，使其能够进行多能耦合系统的仿真计算；再一方面，可以依托电力系统仿真软件强大的模型库，在联合潮流计算基础上对多能耦合系统进行进一步的稳态或动态分析，而且具备开放性和可扩展性，本领域技术人员可以在此基础上进一步开发自定义模型参与仿真计算，极大地扩展了针对综合能源系统的仿真分析能力。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为现有耦合设备CCHP的暂态模型结构；
图2为本发明提供的多能互补综合能源系统混合暂态计算时序；
图3为本发明提供的非电系统暂态计算流程(一个时步)；
图4为本发明提供的电力系统机电暂态计算流程(一个时步)；
图5为本发明提供的基于面向对象程序架构的类及关系；
图6为本发明提供的接入自定义模型情况下的计算流程(一个时步)；
图7为本发明实施例提供的6母线电力系统拓扑结构图；
图8为本发明实施例提供的冷网系统拓扑结构图；
图9为本发明实施例提供的热网系统拓扑结构图；
图10本发明实施例提供的CCHP2节点温度(扰动信号)变化图；
图11为热网节点温度分布图；
图12为CCHP2输出电功率变化图；
图13为CCHP1、2输出热功率变化图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。
本发明提供了一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，通过联立热、气、冷等非电系统和电力系统的动态潮流模型，以及耦合设备细化动态模型，构建多能互补综合能源系统暂态分析模型，并基于时域响应特性进行多能互补综合能源系统暂态分析模型在一定时长内的求解，实现多能耦合系统的网络分析。具体包含如下步骤：
步骤一：构建非电系统动态潮流模型
为便于描述，本发明静态潮流分析方法实施例仅以热网为例描述本发明提供的非电系统潮流模型，气、冷网等非电系统与热网结构相似，本领域技术人员容易将本发明提供的非电系统潮流模型扩展至气网、冷网等其他非电系统。
本发明所述的非电系统准稳态模型指网络系统中的节点采用稳态方程，而管道采用针对温度、热量状态量的动态方程。
热力管网主要由热力管道和连接件构成，本发明基于图论将热力系统抽象成图进行网络拓扑分析，其中热力管道对应图的有向边，连接件(热源、热负荷、管道连接件)对应图的顶点，将阀门作为管道的附属属性，每个管段定义流量正方向，例如取为热网设计时的流体流向，从而可用图的矩阵描述热力系统拓扑结构。设热力系统拓扑结构共包含N个节点及B条管道，热网抽象后，可得到热网关联矩阵，上关联矩阵，下关联矩阵和回路矩阵。
(1)静态潮流模型
分别对热网进行流体力学建模和热力工况建模，分别构建热力系统流体力学稳态方程热力工况稳态方程，两者联立获得热网静态潮流模型，如公式1所示。
其中，A为热网关联矩阵，为上关联矩阵，为下关联矩阵，Bf为回路矩阵。M*为B阶管道流量列向量，Q*为N阶节点流入流量列向量，ΔH*为B阶管道压差列向量，Z*为B阶管道首末端节点高度差列向量，Te为B阶管道末端温度列向量(℃)，Tn为N阶节点温度列向量(℃)，QJ*为N阶节点热负荷列向量，Ta为B阶环境温度列向量(℃)，E为B阶温度衰减系数对角阵，S为B阶管道阻力系数列向量，H0*为B阶泵静扬程列向量，Sp为B阶泵阻力系数列向量。Te、Tn、Ta为有名值，其他状态量都为标幺值。
其中表达式1、5用于计算非电系统节点，表达式2-4管道用于计算管道公式(2)暂态模型第0时刻起始值。本发明静态模型用于计算下面暂态模型t＝0初始值。
(2)暂态模型
针对温度、热量状态量的暂态模型如下所示：
A为热网关联矩阵，为上关联矩阵，为下关联矩阵，Bf为回路矩阵。M(t)*为t时刻B阶管道流量列向量(标幺值)，Q(t)*为t时刻N阶节点流入流量列向量(标幺值)，ΔH(t)*为t时刻B阶管道压差列向量(标幺值)，Te(t)为t时刻B阶管道末端温度列向量(℃)，Tn(t)为t时刻N阶节点温度列向量(℃)，Ts(t-γ)为t-γ时刻的管道首端温度列向量(℃)，λ为管道单位长度导热率列向量(W/m·K)，A为管道截面积列向量(m2)，ρ为流体密度列向量(kg/m3)，L为管道长度列向量(m)，Cp为流体比热容列向量(J/kg·℃)，QJ(t)*为t时刻N阶节点热负荷列向量(标幺值)，Ta(t)为t时刻B阶环境温度列向量(℃)，S(t)为t时刻B阶管道阻力系数列向量，Z*为B阶管道首末端节点高度差列向量(标幺值)，H0*为B阶泵静扬程列向量(标幺值)，Sp为B阶泵阻力系数列向量。
步骤二：构建电力系统暂态模型
本发明采用的电力系统暂态模型为现有技术，当今电力系统暂态模型及计算比较成熟，并出现很多成熟的电力系统仿真软件，比如中国电科院开发的PSASP软件、美国EPRI开发BPA软件等，因此在此不再赘述，仅列出常用电力系统暂态模型公式。
其中，X＝F(X,Y)为电网的数学模型，即网络方程式，F＝(f1,f2,......,fn)T为描述电网网络和设备的网络方程式，X＝(x1,x2,......,xn)T为网络方程式待求解变量。
Y＝G(X,Y)为发电机、负荷等一次设备和二次自动装置的电网设备数学模型，G＝(g1,g2,......,gn)T为描述电网设备动态过程的微分方程，Y＝(y1,y2,......,yn)T为微分方程待求解变量。
步骤三：构建非电系统与电力系统之间进行耦合的设备的细化动态模型
非电系统与电力系统之间进行耦合的耦合设备模型构建是本发明进行潮流统一计算的前提和基础，电热系统、电冷系统、电气系统相互耦合的元件主要包括CCHP机组以及各种泵，因此公式(4)中的前两个公式为由非热系统的状态量根据运行外特性等效模型计算电系统的功率参考值。公式(4)中的第三、四个公式分别为耦合设备--发电机、感应电动机负荷的数学模型。
其中第三个公式为CCHP机组中的供电设备动态模型，基于发电控制-CCS-锅炉-调速器-发电机全过程动态模型，热、冷系统通过改变AGC(自动发电控制)指令最终影响发电机的电出力；第四个公式为用电设备动态模型，采用感应电动机负荷动态模型，通过轴转速的变化，一方面改变热、冷、气系统的管道流量和泵扬程，另一方面改变了泵的转矩，并进一步改变泵的电功率。
其中，PGref*为发电机发电指令，QJG*(t)为t时刻CCHP热功率，PpM*为马达机械功率，m(t)*为t时刻管道流量，Hp(t)*为t时刻泵扬程，η为泵效率，PG*为发电机输出电功率，Pp*为泵消耗电功率，x为电网网络方程状态量，包括电压幅值、电压相角、节点有功功率、节点无功功率、线路有功功率/电流、无功功率/电流等。
G＝(g1,g2,......,gn)T、Y＝(y1,y2,......,yn)T分别为步骤二所述电力系统暂态模型中描述电网设备动态过程的微分方程及该微分方程待求解变量。QJ(t)*为公式(2)t时刻N阶节点热负荷列向量。
作为例示，本发明耦合设备CCHP暂态模型可采用如图1现有模型结构，但不限于此。PGref*为发电机发电指令，对应图1现有耦合设备CCHP暂态模型的输入电功率Pe0，相对于现有技术中人为指定耦合设备CCHP暂态模型的Pe0，本发明由公式(2)动态潮流计算得到的QJG*(t)计算得出，进一步增强热电系统的耦合效果。基于输入电功率Pe0，耦合设备CCHP暂态模型计算获取CCHP输出电功率Pe，该电功率值被引入电力系统机电暂态计算，并参与每时步(电力系统仿真时步)的仿真计算。
图1中，Pe0为跟踪负荷的发电机发电指令，PT0为主汽压力指令，PB为燃料燃烧功率，PT为主汽压力，Pref为电磁功率参考值，PM为机械功率，Pe为电磁功率，ω为电网频率，ω0为频率参考值，μeT为阀门开度。以上均为标幺值。
作为例示，本发明感应电动机负荷动态模型可采用如下所示现有感应电动机负荷动态模型，但不限于此。
其中，sL为有载情况下的转子滑差，TjL为转子惯性时间常数(秒)，TM为机械转矩，TE为电磁转矩，为负载电动势矢量，Td0L’为定子开路转子回路时间常数(秒)，X1为定子电抗，X2为转子电抗，R2为转子电阻，f0为初始频率，KL为感应电动机负荷率系数，KP为将系统基值标幺值转换为电动机本身基值标幺值的系数，KZ为等值电路中将机组本身基值的阻抗转换为系统基值阻抗的系数，为输出电流矢量，α为与转速无关的阻力矩系数，P为与转速有关的阻力矩方次。
X，X'，Xμ为模型中间变量，s为转子滑差，为电流矢量，Re为复数实部表示符号，为并网侧电势矢量，et'R为并网侧电势实部，ItR为并网侧电流实部，ItI为并网侧电流虚部，
公式(4)中PpM*为马达机械功率，与公式(5)中的机械转矩TM相关，PpM*＝TM*ω，ω为转速。以上均为标幺值。相对于现有技术耦合设备感应电动机暂态模型计算中，将机械转矩TM认定是恒定的或认为改变的，本发明将机械转矩TM的改变通过热网动态潮流计算PpM*获取，由热网中泵轴转速的改变引起。通过公式(5)计算获取电磁转矩TE后，将电磁转矩TE乘以电网频率得到公式(4)中泵消耗电功率Pp*。
步骤四：联立步骤一非电系统暂态模型、步骤二电力系统暂态模型以及步骤三耦合设备细化动态模型，构建多能互补综合能源系统的混合暂态模型。
步骤五：采用电力系统机电暂态、非电系统中长期暂态的混合步长暂态分析方法求解多能互补综合能源系统混合暂态模型
基于时域响应特性进行综合能源系统暂态分析模型在一定时长内的求解，同时根据电、热/冷、气各系统不同时间尺度的响应特性，提出电力系统采用机电暂态、非电系统采用中长期暂态的混合步长暂态分析方法。
图2为本发明所述混合步长暂态分析方法时序图，非电系统，如热/冷/气等，采用中长期暂态步长，比如1s或更长，电网采用机电暂态步长，比如0.01s。热网计算时步和电网计算时步均由人为指定。计算时可以电网计算为基础，每时步电网计算开始时判断该时步是否该进行非电系统计算，若电网仿真时刻te等于非电系统仿真时刻th则进行非电系统计算，否则继续电网计算。图2中虚线表示如果不进行热网计算，热网的状态量在电网计算每时步时都沿用上一个热网计算时步下算出的热网状态量。
基于图2混合暂态计算时序图，本发明提供的混合步长暂态分析方法，以热网为例，如图3、4所示，还包括如下步骤：
(1)判断当前电网仿真时刻te是否等于当前热网仿真时刻th，若等于则跳转至步骤(2)，若不等，则进入步骤(6)电网暂态计算过程；
(2)判断是否存在扰动，若存在则处理扰动信息，将扰动量经过换算计入非电系统动态潮流模型中，更新耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)＝[M*T,Q*T,ΔH*T,Te T,Tn T,QJ*T]T(字符定义见步骤一)，然后跳转至步骤(3)；若不存在则直接跳转至步骤(3)；
(3)根据耦合器件当前时刻电功率Pe(t)＝[PG*T,Pp*T,Php*T,Peb*T,Pc*T]T，其中PG*为联供机组电功率，Pp*为泵电功率，Php*、Peb*、Pc*分别为热泵、电锅炉、制冷机的电功率；通过耦合设备细化动态模型修正耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)，跳转至步骤(4)；
(4)初始化耦合器件热网状态量Xh(t) (k)＝Xh(t)，其中迭代次数k＝0；
(5)进行热网暂态模型迭代计算，然后判断是否|Xh(t) (k-1)-Xh(t) (k)|＜ε或k＞kmax，其中ε，kmax取经验值，若是，则非电系统时步加1，th＝th+dth，进入步骤(6)电网暂态计算过程；若否，则k＝k+1，继续迭代；
(6)将收敛标识符Mark置1，其中1表示收敛，并将上一时刻电网数学模型计算收敛值Xn-1和电网设备数学模型计算收敛值Yn-1分别赋给本时刻电网数学模型待求解变量Xn和电网设备数学模型的待求解变量Yn。
(7)将收敛标识符Mark置-1，-1表示不收敛，初始化迭代次数k＝0，然后根据耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)通过耦合设备细化动态模型修正发电机负荷指令PGref*，马达机械功率PpM*。
(8)将发电机负荷指令PGref*，马达机械功率PpM*引入电力系统暂态模型进行收敛性迭代计算，如步骤二所述，图4中Y＝G(X)为电网设备动态过程微分方程，X＝F(X)为电网网络和设备的网络方程式；若||Xn (k+1)-Xn (k)||＜ε达到收敛，则当前电网仿真时刻时步加1，即te＝te+dte，进入下一时步计算；若未收敛，则迭代次数加1，即k＝k+1。
为便于数据交互，同时也为简化计算、提高收敛性及便于进行结果分析，本发明计算如上述均采用标幺值，但本发明不仅限于采用标幺值，还包括本领域技术人员容易想到的其他单位制。
本发明还提供了一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态潮流分析系统，包括电力分析模块、非电力分析模块和耦合分析模块，其中非电力分析模块用于实现步骤一非电模块潮流模型的动态潮流计算，电力分析模块用于实现步骤二电力模块暂态模型的潮流计算，耦合分析模块用于实现非电模块与电力模块之间耦合设备细化动态模型的计算。
本发明非电力分析模块基于C++面向对象程序架构的设计理念，如图3所示，包括管道(pipe)及节点(node)两个基类，在此基础上设计包含依赖于上述两基类的设备模型类，用于指代同一类设备，然后设计设备模型类的子类模型实例类，指代实际设备，设计模型实例类的子类模型实例集合类，实现各实际设备模型对象的集合，从而形成非电力分析模块。
本发明采用嵌入式程序开发方法，将非电力分析模块以及耦合分析模块的潮流计算单独编译成为动态链接库文件，电力系统仿真分析软件通过其用户程序接口调用该文件以实现联合计算，此时可采用现有成熟仿真分析软件；也可以将现有电力系统仿真分析软件单独编译成可执行程序，通过嵌入到非电力分析系统以及耦合分析系统的计算程序中，执行该程序以完成联合计算。
通过上述采用调用动态链接库文件的方式，可以实现用户自定义建模外接，具有开放性和可扩展性，用户通过图形化界面建立设备的自定义传递函数数学模型，程序自动生成模型文件，动态链接库程序解析模型文件并内置算法，并通过与主程序的接口实现数据的相互传递与协同计算。
以电力系统仿真分析软件通过其用户程序接口调用动态链接库文件实现联合计算为例，比如PSASP电力系统仿真分析，本发明可以利用PSASP用户程序接口(UPI)功能，实现PSASP与用户自定义非电力分析系统以及耦合分析系统的计算程序模块兼容，使PSASP变成一个开放的软件包。其中的潮流计算用户程序接口(LF/UPI)即实现电力潮流计算模块和上述用户程序模块交替运行，共同完成一项基于潮流计算的新的任务。
如图6所示，用户自定义模型的初始化和仿真计算与主程序的初始化和仿真计算过程相一致。实现主程序接入用户自定义模型的计算流程包括：
(1)模型初始化
读取用户自定义模型信息描述文件，对自定义模型程序中的数据结构进行初始化，然后通过对用户自定义模型信息描述文件信息进行分析，形成各功能模块的计算顺序，最后计算用户自定义模型各运算函数功能模块状态量的初值。
(2)模型接入运行
(21)设主程序运行第T时步，主程序形成用户自定义模型T时步输入变量数组，并输入到用户自定义模型仿真程序；
(22)用户自定义模型仿真程序根据T时步各输入变量的值，按照图初始化形成的计算顺序，依次执行该时步各功能模块的值，然后判断存在反馈环，若不存在，跳转至步骤(24)，若存在跳转至步骤(23)；
(23)判断反馈环中各个功能模块T时步值是否收敛，若是则跳转至步骤(24)，若否，则判断迭代次数是否超限，若超限则提示用户自定义模型该步不收敛信息并继续计算跳入步骤(24)，若未超限则继续执行模型求解迭代过程；
(24)主程序形成用户自定义模型T时步输出变量数组，并输出到仿真主程序，然后T＝T+1进行下一时步计算。
本发明的实施例：
以6母线电力系统接冷网、热网为例，如图5所示，母线1接外部大电网，母线2、6分别接两个冷热电三联供机组(以下简称CCHP机组)，母线3、4、5接负荷；此外，母线3可接风电场，母线4可接光伏电站。电力系统网络拓扑参数如表1和表2所示：
表1电力系统线路参数
表2变压器参数
如图6和图7所示，冷、热网均为5节点系统，其中节点5、4分别接图5两个CCHP机组供冷、热，节点1、2、3接冷、热负荷。管道参数如表3所示(回水管道参数与供水管道对称)：
表3冷/热网管道参数
CCHP机组热电比：
设CCHP1热电比满足：
CCHP2热电比满足：
其中Φ1，Φ2表示CCHP机组热功率，P1，P2表示CCHP机组电功率。
冷热比取COP＝1.2。
设负荷1为商用负荷，负荷2为工业负荷，负荷3为民用负荷。取负荷的功率因数为0.95，风电、光伏的功率因数为0.8。
将e1设为平衡节点，e3、e4、e5(即负荷1、负荷2、负荷3)设为PQ节点，e2、e6(即CCHP1、CCHP2)设为PV-PQ节点，根据上述参数，列出步骤二所表述的电力系统暂态模型，其中n＝6，Gij、Bij分别为表1、表2中各线路/变压器的电阻、电抗的倒数，即线路、变压器的电导和电纳标幺值，也即步骤四中的方程Fe＝0。
然后根据表3中的管道首末节点连接关系，利用图论得到冷/热网关联矩阵，即步骤一关联矩阵A，上关联矩阵Au，下关联矩阵Ad和回路矩阵Bf，假设冷/热网系统无泄露，则Q*＝0，假设各管道在同一水平面内，则Z*＝0，H0*、Sp根据泵的铭牌参数换算，为给定值；Ta即耦合设备所在的当地环境温度，也为给定值，M*,ΔH*,Te*,Tn*,QJ*为待求的冷/热网状态量，则可以列出步骤一所表述的冷/热网静态潮流模型或步骤一所表述的每一时刻的冷/热网暂态模型，即公式步骤四中的方程Fh＝0。其中密度、管长、管截面积、比热容、导热率在传输工质确定的情况下均为给定值。
本实施例中的电热冷耦合设备只有CCHP1、CCHP2，根据上述CCHP机组热电比公式和冷热比公式，可以建立运行外特性稳态模型P*＝f(QJ*)，其中QJ*为非电系统状态量Xh中的耦合设备热功率(热负荷，对于CCHP为负值)标幺值，通过每时步(非电系统仿真时步te)求解步骤一的非电系统暂态模型得到，P*为电力系统状态量Xe(同步骤三中x)中的CCHP机组负荷指令标幺值，相当于图1中的Pe0，得到该值后，再根据步骤三耦合设备CCHP暂态模型计算得到CCHP输出的电磁功率Pe，该电磁功率值被引入电力系统机电暂态计算，并参与每时步(电力系统仿真时步te)的仿真计算。由此可以得到多能互补综合能源混合暂态模型。
然后对上述多能互补综合能源混合暂态模型进行混合步长暂态分析方法求解，以较小时步仿真的系统为基础，即以电力系统仿真为基础，在电力系统的每时步仿真过程中进行判断，如果此时的时刻与热网仿真计算时刻相重合，那么在该时刻同样要进行非电系统暂态计算，如果此时时刻与热网仿真计算时刻不重合，那么本时刻只计算电力系统机电暂态计算。
其中，电力系统潮流计算交与现有电力系统仿真软件计算；冷/热网系统潮流计算及耦合设备潮流计算根据客户自定义生成对应模型的动态链接库，由电力系统仿真分析软件通过其用户程序接口调用动态链接库文件实现联合计算，计算结果为Xh以及Xe的最终收敛数值解。
本实施例的扰动信号是CCHP2的节点温度在10s时刻由80度缓慢变化为100度，如图10所示，计算时间域为24分钟。以电热耦合系统为例，CCHP2节点温度变化，带来的对热力系统、电力系统后续设备状态的影响，由于管道的传热延迟，其他节点的温度变化根据与该节点距离的不同，相继发生温度的变化，冷热电联供机组出力变化根据其节点温度的变化而变化的，因为温度上升所有出力随之增加，但因为燃料供应没有变化，最终还是回到了初始水平附近。如图11表示热网节点温度，图12表示CCHP2的输出电功率变化曲线，图13表示CCHP1、2的输出热功率变化曲线图。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，另外，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，基于图论将非电系统抽象成图进行网络拓扑分析，构建非电系统动态潮流模型；所述非电系统动态潮流模型由非电系统静态潮流模型和非电系统暂态模型构成；
步骤二，构建电力系统暂态模型；
步骤三，构建非电系统与电力系统之间的耦合设备细化动态模型，所述耦合设备细化动态模型包括供电设备动态模型和用电设备动态模型，所述供电设备动态模型采用发电控制-CCS-锅炉-调速器-发电机全过程动态模型，所述用电设备动态模型采用感应电动机负荷动态模型；
步骤四，联立步骤一非电系统暂态模型、步骤二电力系统暂态模型以及步骤三耦合设备细化动态模型，构建多能互补综合能源系统的混合暂态模型；
步骤五，通过电力系统采用机电暂态步长、非电系统采用中长期暂态步长的混合步长暂态分析方法求解步骤四多能互补综合能源系统混合暂态模型。
2.根据权利要求1所述的一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于：步骤一中将非电系统中管道对应图的有向边，连接件对应图的顶点，每个管段定义流量正方向，用图矩阵描述非电系统拓扑结构，并将阀门作为管道的附属属性进行计算。
3.根据权利要求1所述的一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于：所述非电系统中非电系统节点采用稳态方程描述，非电系统管道采用针对温度、热量状态量的动态方程描述。
4.根据权利要求3所述的一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于：所述非电系统静态潮流模型为：
其中，A为关联矩阵，Au、Ad分别是上关联矩阵与下关联矩阵，Bf为回路矩阵；M*为B阶管道流量列向量，Q*为N阶节点流入流量列向量，ΔH*为B阶管道压差列向量，Z*为B阶管道首末端节点高度差列向量，Te为B阶管道末端温度列向量(℃)，Tn为N阶节点温度列向量(℃)，QJ*为N阶节点热负荷列向量，Ta为B阶环境温度列向量(℃)，E为B阶温度衰减系数对角阵，S为B阶管道阻力系数列向量，Hp*为泵扬程列向量，Hv*为阀门两侧压差列向量。
5.根据权利要求1所述的一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于：所述非电系统暂态模型为：
其中，A为关联矩阵，为上关联矩阵，为下关联矩阵，Bf为回路矩阵；M(t)*为t时刻B阶管道流量列向量(标幺值)，Q(t)*为t时刻N阶节点流入流量列向量(标幺值)，ΔH(t)*为t时刻B阶管道压差列向量(标幺值)，Te(t)为t时刻B阶管道末端温度列向量(℃)，Tn(t)为t时刻N阶节点温度列向量(℃)，Ts(t-γ)为t-γ时刻的管道首端温度列向量(℃)，λ为管道单位长度导热率列向量(W/m·K)，A为管道截面积列向量(m2)，ρ为流体密度列向量(kg/m3)，L为管道长度列向量(m)，Cp为流体比热容列向量(J/kg·℃)，QJ(t)*为t时刻N阶节点热负荷列向量(标幺值)，Ta(t)为t时刻B阶环境温度列向量(℃)，S(t)为t时刻B阶管道阻力系数列向量，Z*为B阶管道首末端节点高度差列向量(标幺值)，H0*为B阶泵静扬程列向量(标幺值)，Sp为B阶泵阻力系数列向量。
6.根据权利要求1所述的一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于：所述供电设备包括热联联产或冷热电三联供机组，所述用电设备包括电动泵。
7.根据权利要求1所述的一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于所述耦合设备细化动态模型为：
其中，PGref*为发电机发电指令，QJG*(t)为t时刻CCHP热功率，PpM*为马达机械功率，m(t)*为t时刻管道流量，Hp(t)*为t时刻泵扬程，η为泵效率，PG*为发电机输出电功率，Pp*为泵消耗电功率，x为电网网络方程状态量；
G＝(g1,g2,......,gn)T、Y＝(y1,y2,......,yn)T分别为步骤二所述电力系统暂态模型中描述电网设备动态过程微分方程和电网设备模型微分方程待求解变量；QJ(t)*为步骤一非电系统动态潮流模型中t时刻N阶节点热负荷列向量。
8.根据权利要求1所述的一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于：所述混合步长暂态分析方法以电力系统电网计算时步为计算基础，每时步电网计算开始时判断该时步是否进行非电系统暂态计算，若电网仿真时刻等于非电系统仿真时刻，则非电系统暂态计算与电力系统暂态计算交替进行直至收敛，否则本时步只进行电力系统暂态计算，且在计算时沿用上一个非电系统暂态计算时步下算出的非电系统状态量。
9.根据权利要求1所述的一种用于多能互补综合能源系统的混合暂态分析方法，其特征在于混合步长暂态分析方法包含如下步骤：
(1)设定电力系统机电暂态步长，非电系统中长期暂态步长；
(2)判断当前电网仿真时刻te是否等于当前热网仿真时刻th，若等于则跳转至步骤(3)非电系统暂态计算过程，若不等，则进入步骤(6)电网暂态计算过程；
(3)非电系统暂态计算过程
(31)判断是否存在扰动，若存在则处理扰动信息，将扰动量经过换算计入非电系统动态潮流模型中，更新耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)，然后跳转至步骤(32)；若不存在则直接跳转至步骤(32)；
(32)根据耦合器件当前时刻电功率Pe(t)，通过耦合设备细化动态模型修正耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)，跳转至步骤(33)；
(33)初始化耦合器件热网状态量Xh(t) (k)＝Xh(t)，其中迭代次数k＝0；
(34)进行热网暂态模型迭代计算，然后判断是否|Xh(t) (k-1)-Xh(t) (k)|＜ε或k＞kmax，其中ε，kmax取经验值，若是，则非电系统时步加1，th＝th+dth，进入步骤(4)电网暂态计算过程；若否，则k＝k+1，继续迭代；
(4)电网暂态计算过程
(41)将收敛标识符Mark置1，其中1表示收敛，并将上一时刻电网数学模型计算收敛值Xn-1和电网设备数学模型计算收敛值Yn-1分别赋给本时刻电网数学模型待求解变量Xn和电网设备数学模型的待求解变量Yn；
(42)将收敛标识符Mark置-1，-1表示不收敛，初始化迭代次数k＝0，然后根据耦合器件当前时刻热网状态量Xh(t)通过耦合设备细化动态模型修正发电机负荷指令PGref*，马达机械功率PpM*；
(43)将发电机负荷指令PGref*，马达机械功率PpM*引入电力系统暂态模型进行收敛性迭代计算；若达到收敛，则当前电网仿真时刻时步加1，进入下一时步计算；若未收敛，则迭代次数加1继续迭代。
10.一种采用如权利要求1-9所述的混合暂态分析方法的多能互补综合能源系统混合暂态分析系统，其特征在于：包括电力分析模块、非电力分析模块和耦合分析模块，所述非电力分析模块用于实现步骤一非电系统动态潮流模型，所述电力分析模块用于实现步骤二电力模块暂态模型计算，所述耦合分析模块用于实现步骤三耦合设备细化动态模型计算；所述电力分析模块、非电力分析模块和耦合分析模块数据交互实现步骤四和步骤五多能互补综合能源系统的混合暂态模型的求解。
11.根据权利要求10所述的一种多能互补综合能源系统混合暂态分析系统，其特征在于：所述非电力分析模块包括管道及节点两个基类，在此基础上设计包含依赖于上述两基类的设备模型类，用于指代同一类设备，然后设计设备模型类的子类模型实例类，指代实际设备，设计模型实例类的子类模型实例集合类，实现各实际设备模型对象的集合，从而形成非电力分析模块。
12.根据权利要求10所述的一种多能互补综合能源系统混合暂态分析系统，其特征在于：将所述非电力分析模块以及耦合分析模块的模型计算单独编译成为动态链接库文件，通过现有电力系统仿真分析软件通过其用户程序接口调用该文件以实现联合计算；所述现有电力系统仿真分析软件作为电力分析模块。
13.根据权利要求12所述的一种多能互补综合能源系统混合暂态分析系统，其特征在于：将现有电力系统仿真分析软件作为电力分析模块单独编译成可执行程序，通过嵌入到非电力分析系统以及耦合分析系统的模型计算程序中，执行该程序以完成联合计算。
14.根据权利要求12或13所述的一种多能互补综合能源系统混合暂态分析系统，其特征在于：用户通过图形化界面建立设备的自定义模型，系统自动生成模型文件，动态链接库程序解析模型文件并内置算法，并通过与系统主程序的接口实现数据的相互传递与协同计算。
15.根据权利要求14所述的一种多能互补综合能源系统混合暂态分析系统，其特征在于所述系统主程序接入用户自定义模型的接入程序计算流程包括：
(1)模型初始化
读取用户自定义模型信息描述文件，对自定义模型程序中的数据结构进行初始化，然后通过对用户自定义模型信息描述文件信息进行分析，形成各功能模块的计算顺序，最后计算用户自定义模型各运算函数功能模块状态量的初值；
(2)模型接入运行
(21)设主程序运行第T时步，主程序形成用户自定义模型T时步输入变量数组，并输入到用户自定义模型仿真程序；
(22)用户自定义模型仿真程序根据T时步各输入变量的值，按照图初始化形成的计算顺序，依次执行该时步各功能模块的值，然后判断存在反馈环，若不存在，跳转至步骤(24)，若存在跳转至步骤(23)；
(23)判断反馈环中各个功能模块T时步值是否收敛，若是则跳转至步骤(24)，若否，则判断迭代次数是否超限，若超限则提示用户自定义模型该步不收敛信息并继续计算跳入步骤(24)，若未超限则继续执行模型求解迭代过程；
(24)主程序形成用户自定义模型T时步输出变量数组，并输出到仿真主程序，然后T＝T+1进行下一时步计算。
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