CN110647040B - 一种综合能源系统的安全控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合能源系统的安全控制方法及装置，方法包括：构建电‑气‑耦合元件组成的综合能源系统的静态模型，通过解耦计算综合能源系统多能流，获取综合能源系统的运行状态；基于多能流计算过程中的雅克比矩阵以及变量间的非线性关系，计算综合能源系统的交互耦合矩阵；再针对越限元件，利用交互耦合矩阵中的信息计算控制元件的变化量，通过调整控制元件的运行状态改变系统中越限元件的运行状态，实现综合能源系统安全控制。装置包括：存储器及处理器。本发明可将存在安全隐患的元件通过定量控制将其运行状态调整至安全范围内，提高系统的安全性。

Description

一种综合能源系统的安全控制方法及装置

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安全控制方法及装置。

背景技术

综合能源系统(Integrated Energy System,IES)打破了人类原有供能系统的运行模式，能够实现电/气/热能源系统的协同规划、建设及运行控制，是一个高维度、强非线性的复杂动力系统^[1-2]。

IES多能源环节的深度耦合带来诸多益处同时，也使能源子系统的安全性分析与优化运行更加复杂，不同能源子系统具有不同构成方式和响应特性，且子系统间相互作用和交互耦合紧密^[3-6]。相比于传统单一能源子系统的安全控制，IES具有更多的系统变量以及复杂的变量关系，亟需突破原有方法，研究IES安全控制的新方法^[7-9]。

传统的电、气子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，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，在此基础上进行安全控制，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，系统的安全分析及协调控制变得更为复杂。综合能源系统的安全控制策略，是综合能源系统安全分析研究的重点。

现阶段对综合能源系统调控方面的研究主要集中于优化多个元件的运行状态等方法，通过优化的方法进行调控会直接得出另一种系统的运行方式，易出现多个元件运行状态的调整情况，调控过程复杂且难以反映子系统间的交互耦合机理，而从子系统交互耦合机理角度研究综合能源系统控制方法更是鲜有文章。

发明内容

本发明提供了一种综合能源系统的安全控制方法，本发明在构建电-气综合能源系统模型的基础上，计算综合能源系统的运行状态，进而探究综合能源系统的交互耦合机理，针对越限元件提出安全控制措施，并针对控制措施提出控制元件变化量的计算方法，对综合能源系统进行安全调控，详见下文描述：

一种综合能源系统的安全控制方法，所述方法包括以下步骤：

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

基于多能流计算过程中的雅克比矩阵以及变量间的非线性关系，计算综合能源系统的交互耦合矩阵；

再针对越限元件，利用交互耦合矩阵中的信息计算控制元件的变化量，通过调整控制元件的运行状态改变系统中越限元件的运行状态，实现对综合能源系统的安全控制。

所述利用交互耦合矩阵中的信息计算控制元件的变化量具体为：

通过对参数灵敏度及IES子系统交互耦合机理的分析，计算压缩机出口压力-节点压力的变化量、压缩机出口压力-管道流量的变化量、燃气轮机有功出力-节点电压的变化量、燃气轮机有功出力-支路潮流的变化量。

所述压缩机出口压力-节点压力的变化量具体为：

当前节点天然气压力值和天然气压力安全限额的差值、与气压裕量求和；求和结果与天然气负荷压力对压缩机出口压力的参数灵敏度矩阵做商。

所述压缩机出口压力-管道流量的变化量具体为：

当前状态的管道流量和管道流量安全限额的差值、与管道流量裕量求和；求和结果与天然气管道流量与压缩机出口压力的灵敏度关系矩阵做商。

所述燃气轮机有功出力-节点电压的变化量具体为：

当前电压和电压安全限额的差值、与电压裕量求和；节点电压幅值、相角对天然气负荷的灵敏度关系矩阵、与燃气轮机效率、天然气高热值做乘；求和结果与乘积做商。

所述燃气轮机有功出力-支路潮流的变化量具体为：

当前状态有功潮流和有功潮流安全限额的差值、与有功潮流裕量求和；天然气节点压力对电力系统有功功率的灵敏度关系矩阵、与燃气轮机效率、天然气高热值做乘；求和结果与乘积做商。

一种综合能源系统的安全控制装置，所述装置包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求所述的方法步骤。

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控制进行了充分研究，综合考虑能源系统中元件的出力变化对能源系统元件运行状态的定量影响，对综合能源系统元件的安全性进行定量研究；

2、本发明提出了两种较为实用的控制措施，并计算了控制元件的变化量，可将存在安全隐患的元件通过定量控制将其运行状态调整至安全范围内，提高系统的安全性；

3、本发明为调度人员提供控制依据，当能源系统元件处于不安全状态时，可通过对综合能源系统中控制变量进行调整从而减小不安全因素的影响范围。

附图说明

图1是综合能源系统的安全控制方法的流程图；

图2是IES 4-12系统拓扑图；

图3是IES 4-12系统多能流计算结果示意图；

其中，(a)为IES 4-12电压幅值图；(b)为IES 4-12支路潮流图；(c)为IES 4-12节点气压图；(d)为IES 4-12管道流量图。

图4是IES 4-12管道流量—天然气负荷灵敏度示意图；

图5是IES 4-12控制前后电压示意图；

图6是IES 4-12控制前后有功潮流示意图；

图7是IES 4-12节点气压—天然气负荷灵敏度示意图；

图8是IES 4-12节点气压—压缩机出口压力灵敏度示意图；

图9是IES 4-12控制前后节点气压示意图；

图10是IES 4-12管道流量—压缩机出口压力灵敏度示意图；

图11是IES 4-12控制前后管道流量示意图。

表1是电力系统参数灵敏度矩阵。

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的安全控制方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：构建电-气-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，天然气系统节点压力以及管道天然气流量等。

102：基于多能流计算过程中的雅克比矩阵以及变量间的非线性关系，计算综合能源系统的交互耦合矩阵，探究交互耦合机理；

103：再针对越限元件，利用交互耦合矩阵中的信息计算控制元件的变化量，调整控制变量，改变系统中越限元件的运行状态，实现综合能源系统安全控制。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103对综合能源系统的越限元件进行安全控制，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，对综合能源系统的运行安全性进行提升。

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-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、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、等量值。

步骤1-1建立的电力系统模型具体为^[8]：

其中：P_i和Q_i分别为节点i的有功功率和无功功率；G_ij为系统中节点i和节点j之间的电导；B_ij表示系统中节点i和节点j之间的电纳；U_i和U_j分别为节点i和节点j的电压幅值；θ_ij表示节点i与节点j之间的相角差，i，j＝1，2…，n_e，n_e为电力系统节点数。

其中，P_ij为流过节点i和节点j之间支路的有功功率；Q_ij为流过节点i和节点j之间支路的无功功率；t_ij为变压器变比标幺值；b_ij0为支路电纳标幺值的1/2。

步骤1-2天然气系统模型具体为^[8]：

其中，f_i为管道节点注入的天然气流量；k_ij为管道常数，根据管道长度、直径以及传输效率等计算得到；pa_i和pa_j为节点i和节点j的气压值；(i，j＝1，2…，n_g)；s_ij为符号函数，管道内天然气流向与设定方向一致时为正，相反时为负。

符号函数s_ij可表示为：

天然气输气管道能流稳态方程可描述为：

其中，f_ij为管道内天然气流量。

压缩机的气体损耗方程为：

f_in＝f_com+f_cp (6)

其中，f_com为通过压缩机增压后继续传输的天然气流量；f_cp为压缩机消耗的天然气流量；f_in表示进入压缩机的总天然气流量。

压缩机增压方程可描述为：

其中，k_cp为压缩机变比；a为多变指数；T_gas为天然气温度；q_gas为天然气热值。

步骤1-3建立的耦合元件模型具体为：

P2G功率方程描述为：

其中，L_s,P2G,m为天然气系统节点m注入的天然气流量；H_g为天然气高热值；P_d,P2G,n为P2G在电力系统节点n消耗的电功率，β为P2G效率，d表示负荷，s表示源。

燃气轮机功率方程可描述为：

P_s,MT,w＝α·H_g·L_d,MT,u (9)

其中，L_d,MT,u为天然气系统节点u消耗的天然气流量，P_s,MT,w为电力系统节点w注入的有功功率；α表示燃气轮机效率；H_g为天然气高热值。

二、综合能源系统交互耦合机理研究：

其中，综合能源系统的交互耦合机理的研究主要包括以下两步：

第一步、IES子系统灵敏度分析：

IES子系统参数灵敏度矩阵表示电力系统节点注入功率对电压、潮流以及节点天然气量对气压、流量的线性化数量关系，研究IES子系统参数灵敏度可为IES子系统间交互耦合机理分析及安全控制过程中控制元件的变化量的计算奠定基础。

步骤2-1IES子系统状态变量^[10]控制变量灵敏度关系

IES单一子系统状态变量对控制变量的参数灵敏度关系可表示为：

式中，S_xu表示控制变量与状态变量间的参数灵敏度矩阵；x表示系统中的状态变量； u表示系统中的控制变量；F表示物理量间的非线性关系。

S_xu反应了IES中控制变量变化引起状态变量变化的敏感程度。当电力负荷或天然气负荷增大时，灵敏度越大的节点气压或电压的变化越大。

1)节点电压、相角-电力系统负荷灵敏度

电力系统节点电压幅值U及相角θ受到电力系统中节点功率P、Q的影响，电压、相角对有功负荷、无功负荷的参数灵敏度矩阵可利用潮流计算过程中的雅可比矩阵变形求取，可表示为：

式中，

表示电压幅值、相角对有功功率、无功功率的参数灵敏度矩阵，可利用雅可比矩阵求得，H'为有功功率对相角的偏导数，N'为无功功率对相角的偏导数，M'为有功功率对电压幅值的偏导数，R'为无功功率对电压幅值的偏导数，J_e为电力系统雅克比矩阵。

2)节点气压-天然气系统负荷灵敏度

相似地，天然气节点压力pa对天然气负荷L的参数灵敏度矩阵也可利用天然气系统的雅可比矩阵变形求取，其关系表示为：

式中，

表示天然气系统压力对天然气负荷的参数灵敏度关系矩阵，J_g为天然气系统雅克比矩阵，D为节点压力对节点负荷的偏导数。

3)节点气压-压缩机气压灵敏度关系

进一步，天然气系统负荷节点压力pa对压缩机节点压力pa_com之间的灵敏度矩阵关系可在

的基础上求取，其关系表示为：

式中，

表示天然气负荷压力对压缩机出口压力的参数灵敏度矩阵。其中D_com表示雅可比矩阵中关于压缩机的列向量。

步骤2-2IES子系统依从变量^[10]控制变量灵敏度关系

IES的依从变量可通过状态变量计算求得，故可利用依从变量和状态变量间的非线性函数关系计算可推导依从变量和控制变量间的灵敏度矩阵。

IES单一子系统依从变量对控制变量的参数灵敏度关系可表示为：

式中，S_yu表示依从变量对控制变量的参数灵敏度矩阵；y表示系统中的依从变量。

S_yu反应了IES中控制变量变化引起依从变量变化的敏感程度。负荷的注入量增加或减少，直接影响到系统的状态变量进而影响到依从变量。灵敏度越大的节点，意味着电力或天然气负荷增加对支路潮流、管道流量变化越大。

1)支路有功潮流-电力系统负荷灵敏度关系

通过电力系统支路有功潮流P_l的计算方法推导支路有功潮流P_l对电力负荷l的灵敏度关系表示为：

式中，

表示有功潮流对电力系统节点有功功率的灵敏度矩阵。

支路潮流对节点电压及相角的微分关系为：

2)管道流量-天然气负荷灵敏度关系

通过天然气系统管道流量推导天然气系统管道流量f_l与天然气负荷L之间的灵敏度关系为：

式中，

表示天然气管道流量对节点注入天然气流量的灵敏度矩阵。

管道天然气流量对节点i与节点j气压的微分关系可表示为：

3)管道流量-压缩机气压灵敏度关系

天然气管道流量f_l对压缩机节点压力pa_com的灵敏度关系也可推导得到，其关系可表示为：

式中，

表示天然气管道流量与压缩机出口压力的灵敏度关系矩阵。

第二步、IES交互耦合机理分析

IES交互耦合机理针对节点注入有功功率对天然气压力、管道流量以及节点天然气负荷对电压、有功潮流的数量关系进行定量分析，为IES安全控制过程中控制元件的变化量计算提供理论依据。

步骤2-3 IES状态变量-控制变量交互灵敏度关系

1)气压-有功功率灵敏度关系

天然气节点压力pa对电力系统节点有功功率P的灵敏度关系可表示为：

式中，

表示压力对有功功率的灵敏度矩阵。

天然气系统微分环节可表示为：

式中，D` _MT,j表示天然气雅可比矩阵求逆后对应燃气轮机的列向量。

气转电环节可利用燃气轮机特性求得：

电力系统微分环节可表示为：

其中，V_s为节点s的电压幅值，V_j为节点j的电压幅值，G_sj为节点s与节点j之间的电纳，B_sj为节点s与节点j之间的电导，θ_sj为节点s与节点j之间的相角，t_sj为节点s与节点j之间的变压器变比。

上式表示燃气轮机对节点注入有功功率的灵敏度，利用节点边界条件计算得到。

2)电压-天然气负荷灵敏度关系

类似地，电力系统节点U、θ对天然气系统负荷L的灵敏度关系可表示为：

式中，

表示节点电压幅值、相角对天然气负荷的灵敏度关系矩阵，L_s,P2G为P2G所连接的节点s发出的天然气量。

电力系统微分环节可表示为：

上式表示电力系统电压相角对P2G负荷的微分关系，可利用

的P2G列向量计算得到。

其中，电转气环节可利用P2G特性求得：

天然气系统微分环节可表示为：

上式表示天然气负荷增加导致P2G功率增量，可利用边界条件计算得到，k_sj为管道常数。

步骤2-4IES依从变量-控制变量交互灵敏度关系

电力系统支路有功潮流P_l以及天然气系统管道流量f_l对控制变量l(即电力负荷)、L_d之间的关系可通过求取的灵敏度矩阵进行求取：

式中各项在上文中均已求取。

三、综合能源系统控制元件变化量的计算方法：

通过对参数灵敏度及IES子系统交互耦合机理的分析，可以定量描述控制变量增大或减小对电压、气压、有功潮流、管道流量等的数量影响。利用参数灵敏度矩阵计算控制元件的变化量存在误差，主要是由线性化过程与实际函数之间的近似所致，故在控制过程中应留有一定裕量。

步骤3-1IES压缩机变化量计算方法

1)压缩机出口压力-节点压力的变化量计算

针对IES气压越限以及管道流量越限采用改变压缩机出口压力的方式进行安全控制，变化量的计算方法为：

式中，pa^status、pa^limit分别为当前压力值和压力安全限额；Δpa为计算时留有的气压裕量；

为调整压缩机出口压力的变化量。

2)压缩机出口压力-管道流量的变化量计算

式中，

分别为当前状态的管道流量和管道流量安全限额，Δf_l为计算时留有的管道流量裕量；

为调整压缩机出口压力的变化量。

步骤3-2IES燃气轮机变化量计算方法

3)燃气轮机有功出力-节点电压的变化量计算

针对IES电压越限以及潮流越限采用改变燃气轮机出力的方式进行安全控制，变化量的计算方法为：

式中，U^status、U^limit分别为当前电压和电压安全限额；ΔU为计算时留有的电压裕量；

为燃气轮机有功出力的变化量。

4)燃气轮机有功出力-支路潮流的变化量计算

式中，

分别为当前状态有功潮流和有功潮流安全限额，ΔP为计算时留有有功潮流的裕量；

为燃气轮机有功出力的变化量。

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安全控制，满足了实际应用中的多种需要。

四、综合能源系统安全控制方法：

IES的安全控制方法如下：

第一步、计算IES多能流，得到系统运行状态，汇总IES当前状态中已越限的节点、支路、管道等元件信息，若IES所有元件均处于安全状态，IES安全控制结束；否则，执行下一步；

第二步、计算IES雅可比矩阵，以及IES子系统间交互耦合灵敏度矩阵；

第三步、针对IES越限元件进行分析，选取合适的控制措施(调整燃气轮机出力或调整压缩机出口压力)，同时选择灵敏度较大的控制环节，利用计算控制元件的变化量；

第四步、调整控制元件的运行状态，返回第一步。

实施例3

一种综合能源系统的安全控制装置，装置包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现实施例1和2所述的方法步骤。

实施例4

本发明实施例以IES 4-12的电-气综合能源系统为例，验证安全控制策略的有效性，其拓扑结构如图2所示。

首先，求解IES 4-12多能流方程，得到IES 4-12综合能源系统运行状态如图3所示，发现当前运行状态出现电压、气压、电力潮流以及管道流量越限的情况。

其次，求取电力系统灵敏度矩阵如表1所示以及天然气系统灵敏度矩阵如图4所示，利用步骤3-2中的公式求取变化量，得到调节前后的IES 4-12电压如图5所示。

同样地，对支路潮流进行调控，调控前后的潮流如图6所示。

为进行天然气系统节点气压的安全控制，求取IES 4-12节点气压-天然气负荷灵敏度如图7所示，其次求取节点气压-压缩机出口压力灵敏度如图8所示，利用步骤3-1方法求取变化量进行安全控制，控制前后节点气压如图9所示。

同样地，先求取管道流量-压缩机出口压力灵敏度如图10所示，再对支路潮流进行安全调控，调控前后的潮流如图11所示。

表1

综上所述，本发明实施例可以对综合能源系统进行安全控制。

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。

参考文献

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[10]张伯明，陈寿孙，严正，等.高等电力网络分析[M].清华大学出版社，2007。

Claims (7)

1.一种综合能源系统的安全控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

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

基于多能流计算过程中的雅克比矩阵以及变量间的非线性关系，计算综合能源系统的交互耦合矩阵；

再针对越限元件，利用交互耦合矩阵中的信息计算控制元件的变化量，通过调整控制元件的运行状态改变系统中越限元件的运行状态，实现对综合能源系统的安全控制；

综合能源系统的状态变量-控制变量交互灵敏度关系包括：

1)气压-有功功率灵敏度关系

天然气节点压力pa对电力系统节点有功功率P的灵敏度关系表示为：

式中，

表示压力对有功功率的灵敏度矩阵；

天然气系统微分环节表示为：

式中，D`_MT,j表示天然气雅可比矩阵求逆后对应燃气轮机的列向量；

气转电环节可利用燃气轮机特性求得：

电力系统微分环节表示为：

其中，V_s为节点s的电压幅值，V_j为节点j的电压幅值，G_sj为节点s与节点j之间的电纳，B_sj为节点s与节点j之间的电导，θ_sj为节点s与节点j之间的相角，t_sj为节点s与节点j之间的变压器变比；

2)电压-天然气负荷灵敏度关系

电力系统节点U、θ对天然气系统负荷L的灵敏度关系表示为：

式中，

表示节点电压幅值、相角对天然气负荷的灵敏度关系矩阵，L_s,P2G为P2G所连接的节点s发出的天然气量；电力系统微分环节表示为：

上式表示电力系统电压相角对P2G负荷的微分关系，利用

的P2G列向量计算得到；

其中，电转气环节利用P2G特性求得：

天然气系统微分环节表示为：

上式表示天然气负荷增加导致P2G功率增量，利用边界条件计算得到，k_sj为管道常数；

IES依从变量-控制变量交互灵敏度关系

电力系统支路有功潮流P_l以及天然气系统管道流量f_l对控制变量l，即电力负荷、L_d之间的关系通过求取的灵敏度矩阵进行求取：

综合能源系统的安全控制方法如下：

第一步、计算综合能源系统IES多能流，得到运行状态，汇总IES当前状态中已越限的节点、支路、管道元件信息，若IES所有元件均处于安全状态，IES安全控制结束；否则，执行下一步；

第二步、计算IES雅可比矩阵，以及IES子系统间交互耦合灵敏度矩阵；

第三步、针对IES越限元件进行分析，调整燃气轮机出力或调整压缩机出口压力，选择灵敏度大的控制环节，利用计算控制元件的变化量；

第四步、调整控制元件的运行状态，返回第一步。

2.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的安全控制方法，其特征在于，所述利用交互耦合矩阵中的信息计算控制元件的变化量具体为：

通过对参数灵敏度及IES子系统交互耦合机理的分析，计算压缩机出口压力-节点压力的变化量、压缩机出口压力-管道流量的变化量、燃气轮机有功出力-节点电压的变化量、燃气轮机有功出力-支路潮流的变化量。

3.根据权利要求2所述的一种综合能源系统的安全控制方法，其特征在于，所述压缩机出口压力-节点压力的变化量具体为：

当前节点天然气压力值和天然气压力安全限额的差值、与气压裕量求和；求和结果与天然气负荷压力对压缩机出口压力的参数灵敏度矩阵做商。

4.根据权利要求2所述的一种综合能源系统的安全控制方法，其特征在于，所述压缩机出口压力-管道流量的变化量具体为：

当前状态的管道流量和管道流量安全限额的差值、与管道流量裕量求和；求和结果与天然气管道流量与压缩机出口压力的灵敏度关系矩阵做商。

5.根据权利要求2所述的一种综合能源系统的安全控制方法，其特征在于，所述燃气轮机有功出力-节点电压的变化量具体为：

当前电压和电压安全限额的差值、与电压裕量求和；节点电压幅值、相角对天然气负荷的灵敏度关系矩阵、与燃气轮机效率、天然气高热值做乘；求和结果与乘积做商。

6.根据权利要求2所述的一种综合能源系统的安全控制方法，其特征在于，所述燃气轮机有功出力-支路潮流的变化量具体为：

当前状态有功潮流和有功潮流安全限额的差值、与有功潮流裕量求和；天然气节点压力对电力系统有功功率的灵敏度关系矩阵、与燃气轮机效率、天然气高热值做乘；求和结果与乘积做商。

7.一种综合能源系统的安全控制装置，所述装置包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1所述的方法步骤。

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