CN110232217B - 一种综合能源配电系统运行域建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合能源配电系统运行域建模方法，所述方法包括以下步骤：基于能量枢纽的地理分隔与能源调控，定义安装有自动化控制装置的能量枢纽输入侧联络线功率集合为工作点，提出综合能源配电系统运行域模型；根据安全运行要求设置运行域求解过程中的多能网络与能量枢纽运行约束条件；以能量枢纽为调控手段，设置边界点判定依据对运行域模型进行求解。本发明实现了综合能源配电系统最大运行边界的可视化展示与工作点运行状态的判断，可应用于综合能源配电系统运行状态的监视、评估与调控，辅助调度员制定控制方案。

Description

一种综合能源配电系统运行域建模方法

技术领域

本发明涉及能源互联网、综合能源配电系统领域，尤其涉及一种综合能源配电系统运行域建模方法。

背景技术

近年来，能源需求的持续增长以及由此引发的气候环境问题日益突出，传统能源结构亟待提质升级。另一方面，以冷热电三联供、燃气锅炉等为代表的能源转换技术发展迅速，其为新型能源供给方式的提出奠定了技术基础。能源互联网、综合能源系统等概念的提出，揭示了多能源系统之间具有协同优化的可调潜力；而配电系统(electric powerdistribution system，EPS)在区域级和用户级层面，对可再生能源集成、能量交互利用以及“源-网-荷-储”运行优化等方面具有“承上启下”作用，故基于多源协同利用的综合能源配电系统(integrated energy distribution system,IEDS)受到普遍关注，其可视为传统配电系统一种可行的发展形态，是近年来国内外在能源/电气领域发展的重点。

多能源耦合一方面为配电系统带来经济性、环保性、能效性等方面的诸多好处，但另一方面，由于各能源子系统的结构、特性、组成各异，耦合形式多样复杂，也为多能系统的规划、运行、潮流、保护等方面带来新的挑战。能量枢纽(energy hub,EH)作为IEDS中耦合不同能源子系统的重要环节，可抽象为描述多能源系统中不同能源、多种耦合关系以及供能负荷之间的输入-输出多端口模型，具有较好的通用性，是运行调度人员监控的重点。因此，可将EH与能源网络耦合处的联络线作为运行域观测对象，其可视为能源网络节点负荷空间中的注入负荷集合，反映系统运行状态，用于运行域的建模与求解。

在传统能源系统相关研究中，往往利用最优潮流法保障系统的静态安全，对系统运行特性的分析也仅停留在扰动对多能系统的相互作用，忽视了对综合能源配电系统的整体全面衡量，无法获取系统的最大可行边界，运行点距边界的距离、可调裕量等信息。“域”方法可为调控人员提供一种可视化工具，通过量化系统的最大可行边界，提供可行裕度与最优控制信息，使系统的运行监视、评估更为科学、有效。因此，综合能源配电系统运行域模型亟待构建，不同工况下的EH对运行域的影响也亟待分析。

发明内容

本发明提供了一种综合能源配电系统运行域建模方法，通过刻画系统的最大可行边界，提供工作点相对位置、可行裕度等信息，解决了综合能源配电系统中工作点运行评估片面、调控手段单一等技术问题。本发明实现了综合能源配电系统最大运行边界的可视化展示与工作点运行状态的判断，可应用于综合能源配电系统运行状态的监视、评估与调控，辅助调度员制定控制方案，本发明的技术方案详见下文描述：

一种综合能源配电系统运行域建模方法，所述方法包括以下步骤：

基于能量枢纽的地理分隔与能源调控，定义安装有自动化控制装置的EH输入侧联络线功率集合为工作点，提出综合能源配电系统运行域模型；

根据安全运行要求设置运行域求解过程中的多能网络与EH运行约束条件；

以EH为调控手段，设置边界点判定依据，对运行域模型进行求解。

其中，所述EH输入侧联络线功率集合为工作点P＝[P₁…P_i…P_n]^T，其中P_i(i＝1,2,…,n)为第i个可观可测可调的EH输入功率，n为EH可观测可调控输入端总数。基于工作点集合，运行域模型具体为：

Ω_IEDS-OR＝{P|f(P)＝0,g(P)≤0}

其中，f(P)＝0表示IEDS中的能量平衡等式约束集合；g(P)≤0表示IEDS中电力、天然气、热力等系统的能源网络约束及耦合设备运行不等式约束集合。

进一步地，所述综合能源配电系统运行域边界的模型具体为：

其中，BD_j为BD_IEDS-OR的第j个边界；g_j(P)＝0为EH输入功率使得第j个不等式约束g_j(P)≤0变为等式约束。

其中，所述方法还包括：获取安全工作点模型，具体为：

EH共有n个可观可测可调输入端，任意一端用i表示，

则g(p_sec,i)≤0,g(p_insec,i)＞0,i∈{1,2,…,n}；向量P_sec表示运行域中所有安全工作点集合，向量P_insec表示运行域中所有不安全工作点集合。

进一步地，所述多能网络的能量平衡方程具体为：

I型EH：

II型EH：

其中：L_EH、P_EH、C_EH分别表示EH的能源需求功率矩阵、能源输入功率矩阵与能源耦合系数矩阵；v₁、v₂分别表示I型EH与II型EH的分配系数；η^PEC表示PEC的能源转换效率；η^CAC表示CAC的电转热效率；η^GB表示GB的气转热效率；η^CHP_ge、η^CHP_gh分别表示CHP气转电、气转热效率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明构建了基于能量枢纽的综合能源配电系统运行域模型，对其设计了合理的运行域工作点电压边界遍历仿真求解算法，通过电压下限遍历仿真、电压上限遍历仿真筛选边界点，对其拟合获取运行域最大可行边界，形成了一套完整的运行域建模求解；

2、本发明可以量化系统最大可行边界，界定系统运行的“红线”，同时可依据提供的工作点位置，帮助调度人员直观判断系统运行状态与可行域量，有助于保障IEDS在正常工况下的安全运行。

附图说明

图1为两种典型能量枢纽示意图；

其中，(a)为I型EH；(b)为II型EH。

图2为综合能源配电系统运行域电压边界求解流程图；

图3为一种典型电力-天然气耦合综合能源配电系统示意图；

图4为电力可观测运行域示意图；

图5为天然气可观测运行域示意图；

图6为电力-天然气可观测运行域示意图；

图7为未考虑配气系统不等式约束的运行域示意图；

图8为考虑配气系统约束前后的运行域比较示意图；

图9为测试点A运行约束校验结果示意图；

图10为测试点B运行约束校验结果示意图。

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。

为了实现综合能源配电系统最大运行边界的可视化展示与工作点运行状态的判断，本发明实施例提供了一种综合能源配电系统运行域建模方法，详见下文描述：

101：基于能量枢纽的地理分隔与能源调控，定义安装有自动化控制装置的EH输入侧联络线功率集合为工作点，并提出综合能源配电系统运行域概念与模型；

其中，EH作为不同能源系统耦合交互的核心，是调度人员调控与关注的重点，与多能网络状态关联紧密。考虑到不同类型能源系统的自动化水平具有差异性，本发明实施例将EH输入侧安装有自动化控制装置的联络线功率集合定义为工作点，即工作点具有可观测可调控能力。假设EH中的工作点共有n个，工作点通过n维欧式空间中的向量用P表示，即P＝[P₁,…,P_i,…,P_n]^T,i＝1,2,…,n，其中P_i为第i个可观可测可调的EH输入功率。

本发明实施例将综合能源配电系统运行域定义为综合能源配电系统背景下，所有满足安全运行约束条件(能量平衡、能源网络约束、耦合设备出力约束)的工作点P所构成的集合，其模型构建如下：

Ω_IEDS-OR＝{P|f(P)＝0,g(P)≤0}  (1)

其中，f(P)＝0表示IEDS中的能量平衡等式约束集合，包含：电力潮流等式约束、天然气、热力等系统能量流连续等式约束；g(P)≤0表示IEDS中电力、天然气、热力等系统的能源网络约束及耦合设备运行不等式约束集合。

其中，IEDS-OR运行边界用于划分安全工作点与不安全工作点，由满足IEDS安全运行约束条件的所有临界工作点集合所构成，运行边界模型BD_IEDS-OR可表示为：

其中，BD_j为BD_IEDS-OR的第j个边界；g_j(P)＝0为EH输入功率使得第j个不等式约束g_j(P)≤0(例如：EPS中节点电压或线路容量约束等)变为等式约束时的临界边界，此时g_j(P)外的其他不等式约束均保持在运行约束范围内。

基于上述运行域及运行边界模型，可进一步定义安全工作点模型，令向量P_sec表示运行域中所有安全工作点集合，向量P_insec表示运行域中所有不安全工作点集合，假设EH共有n个可观可测可调输入端，其中的任意一端用i表示，则

102：依据安全运行要求，设置运行域求解过程中的多能网络与EH运行约束条件；

本案例实施分析过程中，针对IEDS耦合环节设计了2种典型的EH，如图1所示。I型EH包含电力电子转换器(power-electronic converter,PEC)、中央空调(central airconditioning,CAC)与热电联产(combined heat and power,CHP)，其电负荷由PEC与CHP共同供应，其热负荷由CAC与CHP共同供应；II型EH包含PEC、CHP与燃气锅炉(gas boiler,GB)，其电负荷由PEC与CHP共同供应，其热负荷由CHP与GB共同供应。由能量守恒关系可得两种类型EH的能量平衡方程为：

I型EH：

II型EH：

其中：L_EH、P_EH、C_EH分别表示EH的能源需求功率矩阵、能源输入功率矩阵与能源耦合系数矩阵；v₁、v₂分别表示I型EH与II型EH的分配系数；η^PEC表示PEC的能源转换效率；η^CAC表示CAC的电转热效率；η^GB表示GB的气转热效率；η^CHP_ge、η^CHP_gh分别表示CHP气转电、气转热效率。

IEDS中配电系统潮流约束为：

其中，

分别表示节点q的p相有功功率、无功功率；

分别表示节点q与节点w之间的电导、电纳；

表示节点q与节点w的p相与m相相角差；Ω_m表示与节点q直接相连的所有负荷节点集合；Ω_n表示所有负荷节点集合。

IEDS中配气系统能量平衡约束包括管道流量与节点压力两部分。考虑到IEDS中配气系统压力等级往往不高，因此一般采用Lacey方程计算低压场景(0～75mbar)的管道流量：

其中，Q_xy表示流经管道xy的流量；p_x、p_y表示管道xy始、末两端节点压力值；D_xy、L_xy表示管道xy直径、长度；f_xy表示管道xy的摩擦系数；S表示天然气的相对密度。

NGS中支路压力可由下式计算：

ΔP_NGS＝-Α^TP_NGS  (7)

其中，ΔP_NGS表示支路压力降矩阵；Α表示配气系统的节点-管道关联矩阵；P_NGS表示节点压力矩阵。

流体力学质量守恒定律可由下式计算：

AQ+ω_s-ω_l＝0  (8)

其中，Q表示NGS中管道流量矩阵；ω_s表示节点天然气供应矩阵；ω_l表示节点天然气负荷需求矩阵。

耦合节点处天然气热量与功率的对应关系计算如下：

其中，P_g表示EH输入侧天然气功率矩阵；GHV表示天然气总热值(gross heatingvalue,GHV)；

表示接入EH后的NGS耦合节点天然气负荷需求矩阵；

表示接入EH前的NGS耦合节点天然气负荷需求矩阵。

运行域求解首先需满足上述能量平衡关系，其次为了保障IEDS处于安全稳定状态供应能源，能源子系统中关键变量与耦合设备出力还需满足相应的运行约束，具体包括：EPS中电压偏移与馈线容量不等式约束；NGS中节点压力与管道流量不等式约束；EH中耦合设备出力不等式约束。考虑到该部分运行约束为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

103：设置边界点判定依据，以EH为调控手段，对综合能源配电系统运行域进行求解。

具体实现时，本发明实施例以电压约束为例，提出运行域工作点电压边界遍历仿真求解算法，该方法同样适用于其他类型运行域计算(如以线路功率约束为判定依据等)；

本发明实施例以运行域电压边界为例，选取节点电压是否越限为边界点判定依据，计及电压约束外的其他多能流约束，筛选IEDS中使得电压临界的系统运行边界点。值得说明的是，多能流约束中的其他不等式约束如馈线容量约束等，也可作为边界点判定依据，不同判定依据下的运行域均可通过遍历仿真方法获取，具体为：

本实施例的综合能源配电系统运行域建模方法主要包含：工作点初始化、工作点电压下限遍历、工作点电压上限遍历与电压边界拟合四部分。遍历仿真的基础为IEDS多能流计算获取系统关键运行参数，即基于步骤102中的能源网络与能量枢纽运行约束，通过步骤101中的运行边界模型筛选出临近电压上、下限的边界点集合，对其进行拟合处理获取电压边界曲线。

其中，IEDS-OR的建模求解主要分为以下四个步骤，如图2所示。

1)工作点初始化：根据能量枢纽负荷及能源转换设备参数，按照公式(3)与(4)确定工作点初始运行边界，将工作点初始化为其下限；

2)工作点电压下限遍历：在当值的I型EH输入功率P_e1，令II型EH输入功率P_e2变化，求解IEDS能量流，判断此时工作点是否在满足多能流约束(不含电压约束)的同时满足电压下限约束；若满足则通过增加步长更新P_e2，继续进行电压下限遍历仿真，直至找到违反约束的工作点，并记录上次迭代工作点数值；

3)工作点电压上限遍历：工作点电压下限遍历完成后，将P_e1初始化为初值，仿照步骤2)流程进行工作点电压上限遍历，此时边界点判定条件为节点电压是否满足上限及多能流约束；

4)运行域电压边界拟合：在P_e1约束范围内增加步长更新P_e1，遍历搜寻各个P_e1对应的P_e2使得电压临近上下限，对一系列电压临界的工作点进行仿真拟合处理，获得运行域电压边界。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103构建了基于能量枢纽的综合能源配电系统运行域模型，对其设计了合理的运行域工作点电压边界遍历仿真求解算法，通过电压下限遍历仿真、电压上限遍历仿真筛选边界点，对其拟合获取运行域最大可行边界，形成了一套完整的运行域建模求解方案。

实施例2

下面以具体的实验来验证本发明实施例1提供的综合能源配电系统运行域建模方法的可行性，详见下文描述：

以修改的IEEE37节点配电系统、11节点低压配气系统、I型与II型能量枢纽为例构建典型电力-天然气耦合综合能源配电系统，选用步骤102所述两类能量枢纽构成多能耦合环节，系统拓扑如图3所示，验证综合能源配电系统运行域建模方法的有效性。其中，运行域模型与步骤101相同，系统运行约束表达式与步骤102相同，运行域电压边界求解算法与步骤103、0步骤104相同。

根据EH输入侧不同能源观测水平差异性，分别选取P_e1与P_e2，P_g1与P_g2，P_g1与P_e2为观测对象，并假定其他变量为常数，绘制由电-电、气-气、电-气不同观测变量构成的运行域体系。运行域计算结果如图4-图6所示，浅灰色虚线区为工作点的初始运行边界，其设定尚未考虑能源网络安全约束，而是依据EH负荷及能源转换设备参数，人为预先设置的可操作边界。考虑IEDS多能流约束后，不同观测变量计算的运行域边界为L1-L4，B1-B4及G1-G3，其具体含义详述如下。

假定仅有EPS侧安装有自动化控制系统，此时运行域可通过P_e1与P_e2表示，如图4所示。图4中，L1与L2分别代表EPS节点电压临近下限与上限时，EH输入侧电功率边界；L3与L4代表工作点临近初始运行域边界时，EH输入侧电功率边界。这是由于当P_e1与P_e2过大时，EPS负载较高，此时节点电压易接近下限边界，故较高的L1为电压临近下限边界；而当P_e1与P_e2为负时，EH向EPS输送功率，相当于在EPS加入“负的负荷”补充无功，此时节点电压易接近上限边界，故较低的L2为电压临近上限边界。

假定仅有NGS侧安装有自动化控制系统，此时运行域可通过P_g1与P_g2表示，如图5所示。当EH吸收的天然气功率较高时，其可以在满足自身负荷需求的同时，通过PEC将富余电力输送回EPS，由此可能导致节点电压越上限，故B1代表节点电压临近上限时的EH天然气功率边界；而当其吸收的天然气功率较低时，EH负荷需求主要依靠电力供应，此时EH吸收的电力较多，EPS负荷增加易导致节点电压越下限，故B2代表节点电压临近下限时的EH天然气功率边界。B3与B4则代表工作点临近初始运行域边界时的EH天然气功率边界。

假定仅有I型EH吸收的气功率与II型EH吸收的电功率联络线处安装有自动化控制装置，此时运行域可由P_g1与P_e2构成，计算结果如图6所示。与前文运行域边界说明类似，G1与G2分别代表节点电压临近上限与下限时的工作点边界，G3代表临近运行域可行边界时的工作点边界。

三类运行域可以在多能源自动化控制水平不同情况下，帮助调度人员多角度全方面直观地判断系统的运行状态，并提供针对EH联络线功率的多种调控手段。若工作点在运行域内，则系统处于安全稳定运行状态；若工作点临近运行域边界，则说明此时系统的安全裕量较小，系统应发出预警信号，督促调度人员及时实施校正控制措施，使系统保持在具有较充裕安全裕量的运行范围内；若工作点在运行域外，则此时系统已越过安全边界，处于不安全运行状态，调度人员应根据工作点位置，适量增大或减小EH输入侧功率，紧急情况下，可选取工作点与运行域边界最近点的连线为EH功率调整方向，使不安全工作点较快的调整至IEDS-OR范围内。

IEDS中能量交互会使能源子系统的负荷产生一定变化，进而影响系统的运行状态，如CHP输入的气功率较高时，一方面，产生的电力可以注入至EPS，可能造成节点电压抬升越限现象；另一方面，相当于NGS耦合节点处的负荷需求增多，系统处于重载运行状态，可能造成节点气压低于运行下限。因此，多能流约束对运行域影响深远，这同时也是IEDS区别于传统配电系统的重要特征。

以电力安装有自动化控制装置的二维运行域为例，获取未考虑NGS不等式约束的运行域如图7所示，其与考虑NGS多能流约束后的二维运行域比较如图8所示。由对比图可知，考虑NGS不等式约束的运行域范围Ω₁相较于Ω₂，在左下角处有了明显的收缩。这是由于左下角EH电功率均为较大负值，此时EH吸收的气功率较高不满足NGS运行约束。

选取运行域边界上测试点A与边界外测试点B分别进行多能流运行约束校验，校验结果如图9与图10所示。其中，测试点A、B处EPS节点电压均保持在相应的运行约束范围内；测试点A处NGS节点压力均满足运行约束，而测试点B由于气功率较高，使得NGS中11节点压力低于运行下限，系统处于不安全运行状态。此时为了实现系统的安全运行，调度人员应根据工作点在运行域所处位置，适当增加EH输入侧功率，将测试点B调整至运行域Ω₁内。

与一般技术相比，本发明实施例提供的综合能源配电系统运行域建模方法首先基于能量枢纽定义了工作点，然后构建IEDS-OR模型，设置多能网络与EH的运行约束条件，最后以电压约束为例，提出运行域工作点电压边界遍历仿真求解算法，该方法同样适用于其他类型运行域计算(如以线路功率约束为判定依据等)。这样的设计可以为调度人员提供一种全局可视化方法，通过表征系统运行的“红线”，界定系统最大可行边界；同时可提供工作点位置，帮助调度人员直观地判断系统运行状态与可行域量，有助于保障综合能源配电系统正常工况下的安全运行。

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 (1)

1.一种综合能源配电系统运行域建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于能量枢纽的地理分隔与能源调控，定义安装有自动化控制装置的能量枢纽EH输入侧联络线功率集合为工作点，提出综合能源配电系统运行域模型；

根据安全运行要求，设置运行域求解过程中的多能网络与EH运行约束条件；

设置边界点判定依据，以EH为调控手段，对运行域模型进行求解；

所述EH输入侧联络线功率集合为工作点P＝[P₁…P_i…P_n]^T，其中P_i(i＝1,2,…,n)为第i个可观可测可调的EH输入功率，n为EH可观测可调控输入端总数，基于工作点集合，运行域模型具体为：

Ω_IEDS-OR＝{P|f(P)＝0,g(P)≤0}

其中，f(P)＝0表示IEDS中的能量平衡等式约束集合；g(P)≤0表示IEDS中电力、天然气、热力等系统的能源网络约束及耦合设备运行不等式约束集合；

所述综合能源配电系统运行域模型边界，具体为：

其中，BD_j为BD_IEDS-OR的第j个边界；g_j(P)＝0为EH输入功率使得第j个不等式约束g_j(P)≤0变为等式约束；

所述方法还包括：获取安全工作点模型，具体为：

EH共有n个可观可测可调输入端，任意一端用i表示，

则g(p_sec,i)≤0,g(p_insec,i)>0,i∈{1,2,…,n}；向量P_sec表示运行域中所有安全工作点集合，向量P_insec表示运行域中所有不安全工作点集合；

所述多能网络的能量平衡方程具体为：

I型EH：

II型EH：

其中：L_EH、P_EH、C_EH分别表示EH的能源需求功率矩阵、能源输入功率矩阵与能源耦合系数矩阵；v₁、v₂分别表示I型EH与II型EH的分配系数；η^PEC表示PEC的能源转换效率；η^CAC表示CAC的电转热效率；η^GB表示GB的气转热效率；η^CHP_^ge、η^CHP_^gh分别表示CHP气转电、气转热效率。

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