CN109255550A - 一种综合能源系统的n-1静态安全分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合能源系统的N‑1静态安全分析方法，包括：构建电‑气‑热‑耦合元件组成的综合能源系统的静态模型，计算综合能源系统多能流方程，进而通过解耦算法计算综合能源系统多能流，获取综合能源系统的运行状态；基于综合能源系统的运行状态构建综合能源系统的N‑1预想事故集，计算预想事故集中的综合能源系统多能流，并对每个预想事故集下的元件状态分别进行安全校核；再对安全校核结果进行分析，对比不同控制模式下的静态安全分析结果，实现综合能源系统的N‑1静态安全分析。本发明对综合能源系统的安全性进行了充分研究，综合考虑能源系统中元件的出力变化对能源系统运行点的影响，对综合能源系统的安全性与稳定性进行评估。

Description

一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法

技术领域

本发明涉及综合能源系统领域，尤其涉及一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法。

背景技术

能源互联网背景下，电、气、热等多种能源越来越紧密的耦合在一起。随着耦合设备的不断加入，各能源子系统之间打破了传统割裂的状态，形成了综合能源系统(Integrated energy system,IES)。多能流协同运行在提高经济效益同时，也对综合能源系统的安全运行带来全新的挑战。综合能源系统中子系统间的能量交互频繁，耦合关系复杂，因此需要对综合能源系统重新建模计算以及安全性分析来确保其安全稳定运行。子系统间复杂的静态交互耦合机理使传统单一能源子系统的分析方法不再适用，需要在以往的能源网络分析基础上，开展综合能源系统安全分析方法的相关研究。综合能源系统模型涵盖多个子系统物理模型和多种耦合元件模型，因此综合能源系统的安全问题比传统各能源子系统更为复杂，探究子系统间复杂的耦合机理是确保综合能源系统安全运行的基础。

传统的电、气、热系统的建模研究相对较为成熟，综合能源系统能源间的建模与安全分析方面的研究还在起步阶段，电、气、热互联系统的静态安全分析是对综合能源系统稳态的安全性的研究，而综合能源系统在国内发展较缓，系统的运行都要以其静态安全为依托，在此基础上进行规划，以及后期的优化运行，而这其中的关键在于充当能量转化设备的耦合元件。一方面，耦合元件的加入使多个能流子系统得以互联；另一方面，系统的安全分析变得更为复杂。耦合元件的出力变化，所影响的范围以及受影响的程度有很大程度上的不同，是综合能源系统安全分析研究的重点。

发明内容

本发明提供了一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，本发明构建了电-气-热综合能源系统模型，计算综合能源系统的多能流方程得到系统的运行状态；在此基础上，对不同工况下综合能源系统的元件进行N-1校核，并判断系统运行状态，分析系统的安全性，详见下文描述：

一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，所述方法包括以下步骤：

构建电-气-热-耦合元件组成的综合能源系统的静态模型，计算综合能源系统多能流方程，进而通过解耦算法计算综合能源系统多能流，获取综合能源系统的运行状态；

基于综合能源系统的运行状态构建综合能源系统的N-1预想事故集，计算预想事故集中的综合能源系统多能流，并对每个预想事故集下的元件状态分别进行安全校核；

再对安全校核结果进行分析，对比不同控制模式下的静态安全分析结果，实现综合能源系统的N-1静态安全分析。

进一步地，所述综合能源系统的静态模型中的耦合元件数学模型包括：CHP机组数学模型、P2G模型、燃气锅炉模型、以及燃气轮机模型。

其中，所述P2G模型具体为：

0≤P_P2G,n≤P_N,P2G

其中：G_P2G,m为天然气系统节点m输入的天然气量；H_g为天然气高热值；P_P2G,n为P2G在电力系统节点n消耗的电功率，β为P2G效率，P_N,P2G为P2G的额定功率。

其中，所述燃气锅炉模型具体为：

P_MT,r＝α·H_g·l_MT,l

0≤P_MT,r≤P_N,MT

其中：l_MT,l为天然气系统节点l消耗的天然气量，P_MT,r为热力系统节点r注入的热功率；α表示燃气锅炉效率；H_g为天然气高热值；P_N,MT为燃气锅炉额定功率。

其中，所述燃气轮机模型具体为：

P_GD,t＝γ·H_g·l_GD,u

0≤P_GD,t≤P_N,GD

其中：l_GD,u为天然气系统节点u消耗的天然气量，P_GD,t为电力系统节点t注入的电功率；γ表示燃气轮机效率；H_g为天然气高热值，P_N,GD为燃气轮机额定功率。

进一步地，所述基于综合能源系统的运行状态构建综合能源系统的N-1预想事故集具体为：

选择耦合元件作为综合能源系统的关键点，预想事故集围绕耦合元件进行展开。

进一步地，所述对每个预想事故集下的元件状态分别进行安全校核具体为：

对不同工况下的综合能源系统进行N-1校核，确定综合能源系统当前运行状态，综合能源系统中的元件是否越限，以及判断其属于哪种运行状态。

其中，所述确定综合能源系统中的元件是否越限具体为：

判断电力系统支路潮流以及节点电压，热力系统水流量，天然气系统节点压力以及管道流量是否越限。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明对综合能源系统的安全性进行了充分研究，综合考虑能源系统中元件的出力变化对能源系统运行点的影响，对综合能源系统的安全性与稳定性进行评估；

2、本发明为调度人员提供控制依据，当能源系统处于不安全状态时，可通过对综合能源系统中相对关键的耦合元件控制模式进行调整从而减小不安全因素的影响范围。

附图说明

图1是综合能源系统静态安全分析的流程图；

图2是14-14-14节点综合能源系统的拓扑图；

图3是CHP(热电联产机组)退出运行的安全校核结果图；

其中，(a)为CHP退出运行时热网流量越限图；(b)为CHP退出运行时电网电压越限图；(c)为CHP退出运行时电网支路潮流越限图；

图4是燃气锅炉、P2G(电制气机组)退出运行的安全校核结果图；

其中，(a)为燃气锅炉退出运行时热网管道流量图；(b)为P2G退出运行时气网节点压力越限图；(c)为P2G退出运行时气网支路越限图；

图5是耦合元件近端支路退出运行功率变化图。

其中，(a)为CHP1功率图；(b)为CHP2功率图；(c)为燃气锅炉功率图；(d)为P2G功率图；(e)为燃气轮机功率图。

表1是CHP近端支路退出运行的安全校核结果图；

表2是燃气锅炉近端支路退出运行的安全校核结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例公开了一种综合能源系统N-1静态安全分析方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：构建电-气-热-耦合元件组成的综合能源系统的静态模型(即综合能源系统中的各类节点以及支路的能流方程)，计算综合能源系统多能流方程，进而通过解耦算法计算综合能源系统多能流，获取综合能源系统的运行状态；

其中，上述运行状态具体为：综合能源系统中电力系统的电压、相角、功率等，热力系统管道水流量、节点温度等，天然气系统节点压力以及管道天然气流量等。

102：基于综合能源系统的运行状态构建综合能源系统的N-1预想事故集，计算预想事故集中的综合能源系统多能流，并对每个预想事故集下的元件状态分别进行安全校核；

103：再对步骤102中的综合能源系统的N-1静态校核结果进行分析，对比不同控制模式下的静态安全分析结果，实现综合能源系统的N-1静态安全分析。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103对综合能源系统的安全性进行了充分研究，综合考虑能源系统中元件的出力变化对能源系统运行点的影响，对综合能源系统的安全性与稳定性进行了评估。

实施例2

下面结合图1、以及具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

一、建立含电-气-热-耦合元件的综合能源系统的静态模型：

首先应分别建立电力系统、热力系统、天然气系统以及耦合元件模型，然后再通过解耦算法计算综合能源系统多能流，以此得到综合能源系统的运行状态，即得到综合能源系统中各元件的功率及表征元件状态的电压、气压、温度等量值。

步骤1-1：建立电力系统数学模型，该数学模型采用传统电力系统交流模型，每个节点主要包括四个状态量：有功功率、无功功率、电压幅值以及电压相角，四者之间的关系为：

式中：P_i，Q_i表示节点i的有功功率和无功功率；G_ij，B_ij分别为电力系统中节点i和节点j之间的电导和电纳；U_i，U_j分别表示节点i和节点j的电压幅值；δ_ij表示节点i与节点j之间的相角差。

步骤1-2：建立天然气系统数学模型，该天然气系统数学模型主要采用Weymouth模型，主要表征天然气节点的状态量为流量以及节点压力，天然气还包括压缩机，模型如下：

式中：f_ij为管道内天然气流量；k_ij为管道常数；p_i、p_j分别为节点i和节点j的气压值；sgn_ij为符号函数，表示天然气在管道内的传输方向；f_cp为压缩机消耗的天然气流量；k_cp为压缩机内部支路的管道常数；f_com为压缩机消耗的天然气流量；T_gas为天然气温度；q_gas为天然气热值；a为多变指数。

步骤1-3：建立热力系统数学模型，热力系统数学模型采用静态热力系统模型，主要包括水力模型和热力模型：

1)水力模型

式中：A_h为热力系统的节点-支路关联矩阵；为管道内热流体的流量；m_q为流出各节点的热流体流量。B为热力系统回路-支路关联矩阵；K为管道的阻力系数矩阵；h_f为压头损失。

2)热力模型

φ＝C_pm_q(T_s-T_o) (7)

式中：C_p是水的比热容；T_s为热流体流入负荷前的温度；T_o为热流体流出负荷节点时的温度；为节点负荷。T_end表示管道末端热流体温度；T_start表示管道首端热流体温度；T_a为环境温度；λ为管道的热传导系数；L为管道的长度；为流出节点的水流量；T_out为流出节点的水温；为流入节点的水流量；T_in为流入节点的水温。

步骤1-4：建立耦合元件数学模型：

1)CHP机组数学模型

P_CHP＝P_CHP,e+P_CHP,h (10)

P_CHP,min≤P_CHP≤P_CHP,max (12)

式中：P_CHP为CHP机组的总功率；P_CHP,e表示CHP机组发出的电功率；P_CHP,h表示CHP机组发出的热功率。C_eh为电热比。P_CHP,min，P_CHP,max分别为CHP机组运行的最小和最大功率。

2)P2G模型：

0≤P_P2G,n≤P_N,P2G (14)

式中：G_P2G,m为天然气系统节点m输入的天然气量；H_g为天然气高热值；P_P2G,n为P2G在电力系统节点n消耗的电功率，β为P2G效率。P_N,P2G为P2G的额定功率。

3)燃气锅炉模型

P_MT,r＝α·H_g·l_MT,l (15)

0≤P_MT,r≤P_N,MT (16)

式中：l_MT,l为天然气系统节点l消耗的天然气量，P_MT,r为热力系统节点r注入的热功率；α表示燃气锅炉效率；H_g为天然气高热值。P_N,MT为燃气锅炉额定功率。

4)燃气轮机模型

P_GD,t＝γ·H_g·l_GD,u (17)

0≤P_GD,t≤P_N,GD (18)

式中：l_GD,u为天然气系统节点u消耗的天然气量，P_GD,t为电力系统节点t注入的电功率；γ表示燃气轮机效率；H_g为天然气高热值。P_N,GD为燃气轮机额定功率。

二、构建综合能源系统预想事故集以及N-1安全校核：

其中，N-1安全校核过程主要包括以下两步：

第一步、建立预想事故集：

针对综合能源系统的关键环节选取预想事故集，综合能源系统中的耦合元件作为能量转化环节对于子网络之间的连接起到至关重要的作用，故选择耦合元件作为综合能源系统的关键点，预想事故集围绕耦合元件进行展开。

第二步、N-1校核：

在确定预想事故集后，对不同工况下的综合能源系统进行N-1校核，即确定综合能源系统当前运行状态，综合能源系统中的元件是否越限，以及判断其属于哪种运行状态。

步骤2-1：构建综合能源系统的预想事故集：

1.针对耦合元件(燃气轮机、P2G、CHP机组以及燃气锅炉等)的开断设置预想事故集，耦合元件的开断会影响两个或多个子系统的运行点发生改变，从而影响综合能源系统的运行状态，多个元件会出现越限的情况。

2.针对耦合元件近端支路(电力线路、热力管道、天然气管道)的开断设置预想事故集，耦合元件近端支路退出运行会影响耦合元件出力发生变化，影响到一个或多个子系统的运行点发生变化，进而影响综合能源系统中的元件越限。

步骤2-2：综合能源系统N-1安全校核，校验元件是否满足约束条件：

求解不同工况下的综合能源系统多能流方程，得到综合能源系统的运行状态，即可证明综合能源系统元件均满足等式约束条件，故主要针对综合能源系统的不等式约束条件进行校验，即判断电力系统支路潮流以及节点电压，热力系统水流量，天然气系统节点压力以及管道流量是否越限。为了判断元件越限与否，需先设定元件的约束条件，详见下文描述：

1)电力系统安全运行约束

电力系统运行时的安全约束主要包括：线路热稳定安全运行约束以及电压安全运行约束。

其中，线路热稳定安全运行约束为：

P_min≤P_ij≤P_max (19)

Q_min≤Q_ij≤Q_max (20)

式中：P_ij为节点i至节点j线路传输的有功功率；Q_ij为节点i至节点j线路传输的无功功率；P_min和P_max分别为线路传输有功功率的上下限；Q_min和Q_max分别为线路传输无功功率的上下限。

其中，电压安全运行约束为：

U_min≤U_i≤U_max (21)

式中：U_i为节点i电压幅值；U_min和U_max分别为节点电压幅值的上下限。

2)天然气系统安全运行约束

天然气系统运行安全运行约束包括：天然气管道传输流量安全运行约束、节点气压安全运行约束、以及气源进气量安全运行约束。

天然气传输流量安全运行约束为：

f_min≤f_ij≤f_max (22)

式中：f_ij为节点i至节点j线路传输的天然气流量；f_min和f_max分别为天然气管道传输流量的上下限。

节点气压安全运行约束为：

p_min≤p_i≤p_max (23)

式中：p_i为节点i气压，p_min和p_max分别为天然气节点气压的上下限。

气源进气量安全运行约束：

S_min≤S_sorce≤S_max (24)

式中：S_sorce为天然气平衡节点的进气量，S_min和S_max分别为天然气气源进气量的上下限。

综合能源系统中天然气系统的进气量满足安全运行约束，故本发明实施例主要针对支路流量以及节点气压变化进行校核。

3)热力系统安全运行约束

热力系统运行时的安全运行约束包括：管道水流量安全运行约束、节点供回水温度安全运行约束。

管道水流量安全运行约束：

m_min≤m_ij≤m_max (25)

式中：m_ij为节点i至节点j管道内水流量，m_min和m_max分别为管道水流量的上下限。

节点供回水温度安全运行约束：

T_s，min≤T_s,i≥T_s，max (26)

T_r,min≤T_r,i≤T_r,max (27)

式中：T_s,i为节点i进水温度，T_r,i为节点i回水温度，T_s,min和T_s,max分别为节点进水温度的上下限；T_r,min和T_r,min分别为节点回水温度的上下限。

综合能源系统中的热力系统节点温度变化量小，进回水温度均满足安全运行约束，故本发明实施例主要针对管道水流量的变化进行校核。

步骤3：综合能源系统的N-1静态安全分析：

针对综合能源系统N-1安全校核，分析元件越限的原因。

汇总N-1校核结果，包括：综合能源系统中元件的越限程度，越限范围与综合能源系统当前运行状态的关系；并分析元件越限的原因，以及两种模式的优劣势，同时找出了系统中的薄弱环节。

耦合元件退出运行，造成的功率缺额由系统中的平衡节点增发，导致系统的多条支路及管道出现越限情况，同时影响节点的状态量出现了电压越限、气压越限的情况。

耦合元件近端支路退出运行，两种模式下的IES均进入到了紧急状态，但越限程度及影响范围不同。对比得到两种控制模式下N-1对于IES的影响：耦合元件近端支路退出运行，保护控制模式可以对扰动进行一定范围内的隔离；而互济控制模式下，扰动可能通过耦合元件扩散到其他子系统，扩大IES受影响的范围，不确定性更强。对比了两种控制模式的优劣，保护控制模式的优势显而易见，在实际运行时，当负荷不断加重使IES进入到警戒状态时，耦合元件应调整为保护控制模式，保持其运行点不发生变化，最大限度的保护IES。

通过对IES进行N-1安全性分析可知：耦合元件运行点的变化往往会影响到子系统能流平衡，出现了多种复杂的元件越限情况。其中电力系统支路e1-e2，e1-e5；电力系统节点e4和e5；热力系统管道h1-h2；天然气系统节点g9，g10，g12为IES中的薄弱环节，多个扰动都会使其越限，需要重点关注或者加以改造。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤可以实现综合能源系统的N-1静态安全分析，满足了实际应用中的多种需要。

实施例3

本发明实施例以14-14-14的电-气-热综合能源系统为例，验证N-1静态安全分析方法的有效性，其拓扑结构如图2所示。

首先，研究耦合元件退出运行对综合能源系统的影响，CHP退出运行的N-1校核结果如图3所示，CHP退出运行出现了电力系统节点电压，支路潮流以及热力系统流量越限的情况。

同样地，燃气锅炉以及P2G机组退出运行也出现了元件安全运行越限的情况，如图4所示。

其次，为了对比说明不同控制模式下的综合能源系统的安全情况的影响，给定不同耦合元件的初始条件，计算其多能流方程，耦合元件的出力如图5所示。

最后对比量汇总控制模式的N-1校核结果，表1、表2，分析得出结论：耦合元件近端支路退出运行通过改变耦合元件出力可以影响一个或多个子系统，耦合元件出力保持原始状态，扰动只影响到一个子系统，耦合元件改变出力将会影响到多个子系统，出现了扰动加剧，扰动转移以及多系统受到影响的情况。

表1

表2

综上所述，本发明实施例提供的方法可以在考虑耦合元件出力变化的综合能源系统中进行N-1静态安全分析。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (8)

1.一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

构建电-气-热-耦合元件组成的综合能源系统的静态模型，计算综合能源系统多能流方程，进而通过解耦算法计算综合能源系统多能流，获取综合能源系统的运行状态；

基于综合能源系统的运行状态构建综合能源系统的N-1预想事故集，计算预想事故集中的综合能源系统多能流，并对每个预想事故集下的元件状态分别进行安全校核；

再对安全校核结果进行分析，对比不同控制模式下的静态安全分析结果，实现综合能源系统的N-1静态安全分析。

2.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，其特征在于，所述综合能源系统的静态模型中的耦合元件数学模型包括：CHP机组数学模型、P2G模型、燃气锅炉模型、以及燃气轮机模型。

3.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，其特征在于，所述P2G模型具体为：

0≤P_P2G,n≤P_N,P2G

其中：G_P2G,m为天然气系统节点m输入的天然气量；H_g为天然气高热值；P_P2G,n为P2G在电力系统节点n消耗的电功率，β为P2G效率，P_N,P2G为P2G的额定功率。

4.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，其特征在于，所述燃气锅炉模型具体为：

P_MT,r＝α·H_g·l_MT,l

0≤P_MT,r≤P_N,MT

其中：l_MT,l为天然气系统节点l消耗的天然气量，P_MT,r为热力系统节点r注入的热功率；α表示燃气锅炉效率；H_g为天然气高热值；P_N,MT为燃气锅炉额定功率。

5.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，其特征在于，所述燃气轮机模型具体为：

P_GD,t＝γ·H_g·l_GD,u

0≤P_GD,t≤P_N,GD

其中：l_GD,u为天然气系统节点u消耗的天然气量，P_GD,t为电力系统节点t注入的电功率；γ表示燃气轮机效率；H_g为天然气高热值，P_N,GD为燃气轮机额定功率。

6.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，其特征在于，所述基于综合能源系统的运行状态构建综合能源系统的N-1预想事故集具体为：

选择耦合元件作为综合能源系统的关键点，预想事故集围绕耦合元件进行展开。

7.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，其特征在于，所述对每个预想事故集下的元件状态分别进行安全校核具体为：

对不同工况下的综合能源系统进行N-1校核，确定综合能源系统当前运行状态，综合能源系统中的元件是否越限，以及判断其属于哪种运行状态。

8.根据权利要求7所述的一种综合能源系统的N-1静态安全分析方法，其特征在于，所述确定综合能源系统中的元件是否越限具体为：

判断电力系统支路潮流以及节点电压，热力系统水流量，天然气系统节点压力以及管道流量是否越限。