CN112054535A - 一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减少电压暂降对电‑气综合能源系统造成切除负荷的方法，包括以下步骤：步骤S1：进行储气装置位置的选取；步骤S2：建立目标函数；步骤S3：设置约束条件并进行求解。本发明利用在气网合理安装储气装置可以等效缩短电压暂降的时间的原理，从而减短切除负荷的时间，进而会减少电压暂降对电‑气综合能源系统造成的损失；通过建立的目标函数可以获得安装完储气装置以后减少的负荷。

Description

一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的 方法

技术领域

本发明涉及配电网领域，特别是一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法。

背景技术

电-气综合能源系统对促进可再生能源大量开发、提升能源利用效率、提高社会基础设施利用率和能源安全供应，以及对实现节能减排具有重大意义，现已成为国际能源领域的热点研究方向。

由于目前电压暂降已经成为最严重的电能质量问题，给用户带来了极大的经济损失。且电-气综合能源系统中存在电压敏感型设备(包括压缩机等)，发生电压暂降事件时，设备的工作状态会受到影响甚至停止工作，从而会导致系统进行切除负荷造成损失，所以迫切需要一种解决电-气综合能源系统在电压暂降时减少切负荷的方法。

目前有很多关于电-气综合能源系统的研究，包括研究电-气综合能源系统的稳态运行、可靠性、潮流分析、优化调度、经济调度等，也有很多关于电压暂降的研究，涵盖电压暂降源识别、电压暂降评估、电压暂降治理等。就目前情况来看，对电-气综合能源系统和电压暂降分别研究的较多，但目前还没有将电压暂降与电-气综合能源结合在一起，更没有研究如何能够减少电压暂降使电-气综合能源系统切负荷的文章，针对此背景，需要研究一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切负荷的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法，通过将恰当容量的储气装置安装在气网最合适位置，可以在发生电压暂降时减少天然气的缺供时间，进而减少切气负荷、电负荷的损失。

本发明采用以下方案实现：一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成经济损失的方法，包括以下步骤：

步骤S1：对天然气网各个节点进行灵敏度分析，选出灵敏度较高的几个节点作为储气装置安装位置的待选点；

步骤S2：建立以切除电、气负荷量最少为目的的目标函数；

步骤S3：设定约束条件；

步骤S4：利用粒子群算法对各待选节点进行求解，对比各个节点的结果，选出储气装置最优的容量和安装位置。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：建立天然气网络平衡方程：

稳态通过管道的流量取决于为管道两端压力及管道属性，对于输气管道(i,j)为天然气网络管道的两端，其流量f_k即：

式中：f_k为第k条天然气管道的流量；M_k为第k条天然气管道常数；S_ij为管道中气体流动的向；p_i、p_j为节点压强，i、j分别为管道始端和末端节点；

考虑加压站通过压缩机升高压力，需消耗额外的能量，压缩机消耗的流量方程近似为:

f_Qc＝k_cQf(p_i-p_j)

(2)

式中：k_c为压缩机常数；Q_f为流过压缩机的流量率；Q_c为流过压缩机流量；

步骤S12：进行天然气网络灵敏度分析：

灵敏度分析反映系统节点压强的变化对系统节点负荷即天然气系统节点流量的影响，天然气管道的流量将会随着管道压强的改变而发生变化，对于天然气系统的负荷节点来说，即为天然气压强–负荷灵敏度；根据式(1)、(2)得：

θ为天然气压强-负荷灵敏度，f_g为流量，p为压强；

采用灵敏度分析的方法，得到天然气网节点的灵敏度，将各节点的灵敏度从高到低进行排序，由于不同情况所需储气装置个数不同，根据实际情况从灵敏度由高到低进行选取储气装置待安装点。

进一步地，所述步骤S2的具体内容为：

将电负荷损失、气负荷损失最少、储气装置安装容量小为目标函数，为减少目标函数的组成参数，将这些参数写成求和的形式，即：

F＝min(f₁+f₂+f₃)

(4)

具体参数介绍如下：

切除电负荷损失：

式中：a为权重系数，根据实际情况进行取值；f₁为切除负荷损失；N₁为电网节点数；p_bi、p_ai分别为负荷削减前后节点i处的电负荷；t_k1为安装储气装置以后的缺供时间；t_k1表达式为：

式中：t_k为电压暂降导致天然气缺供时间，β为缺供系数；β受储气装置接入点和储气装置容量影响，其表达式为：

式中：λ为储气装置容量影响参数；n为储气装置个数，w_k为单个储气装置容量，w_base为气源供给值；

切除气负荷损失：

式中：b为权重系数，根据实际情况进行取值；f₂为气负荷损失；N₂为天然气节点数；p_Bi、p_Ai分别为负荷削减前后节点i处的气负荷；

储气装置安装容量：

式中：c_k为相应的权重系数，根据实际情况进行取值；W_k为储气装置容量；n为储气装置个数；

将(5)、(9)、(10)三个系数进行规格化处理；具体运算如下:

进一步地，所述步骤S3的约束设置的具体内容为：

容量约束：

安装储气装置的总容量不能超过天然气网所需负荷容量；

w ki≤w loadi

(13)

式中：w_load为负荷所需容量；

负荷约束：

0≤(p_bi-p_ai)≤p_di

(14)

0≤(p_Bi-p_Ai)≤p_Di

(15)

式(14)为电网节点i处负荷削减约束，p_di为电网节点i处的负荷；式(15)为天然气网节点i处负荷削减约束，p_Di为天然气节点i处的负荷。

进一步地，步骤S4中所述求解过程的具体内容为：

以储气装置在天然气网节点安装容量为基本粒子，其具体形式为：

式中，P为粒子群，X_MN为矩阵中第M行、第N列元素，表示储气装置第M个粒子在第N个节点安装的容量；W_M(N+1)为矩阵中的第M个粒子的适应值大小；

步骤Sa：种群初始化：令各粒子的初始位置为

初始速度为V_i ⁰；

步骤Sb：根据粒子初始位置即初始气网各节点容量计算粒子的适应值fitness[i],并以此为初始化Pbest_fitness[i]；将目标函数作为其适应度，即为式(4)；

步骤Sc：对每个粒子将其当前适应值与其个体历史最佳位置pbest对应的适应值比较，如果当前高，则将用当前值更新为历史最佳位置；

步骤Sd：对每个粒子将其当前适应值与其全局最佳位置gbest对应的适应值比较，如果当前高，则将用当前值更新全局最佳位置；

步骤Se：根据公式(17)(18)更新粒子的位置和速度；

速度更新：更新每个个体的速度

位置更新：更新每个个体的位置速度

公式中c₁、c₂为学习因子，为常数，r₁、r₂是[0,1]区间内均匀分布的随机数；

步骤Sf：终止条件判断：判断当迭代次数达到最大迭代次数时，是否满足，如果满足则输出最优解，否则跳至步骤Sb；

所述最优解为将最优容量的储气罐安装在最优位置后，使发生暂降时会切除最少的负荷量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过将恰当容量的储气装置安装在气网最合适位置，可以在发生电压暂降时减少天然气的缺供时间，进而减少切气负荷、电负荷的损失。

附图说明

图1为本发明实施例的。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法，包括以下步骤：

步骤S1：对天然气网各个节点进行灵敏度分析，选出灵敏度较高的几个节点作为储气装置安装位置的待选点；

步骤S2：建立以切除电、气负荷量最少为目的的目标函数；

步骤S3：设定约束条件；

步骤S4：利用粒子群算法对各待选节点进行求解，对比各个节点的结果，选出储气装置最优的容量和安装位置。

在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：建立天然气网络平衡方程：

稳态通过管道的流量取决于为管道两端压力及管道属性，对于输气管道(i,j)为天然气网络管道的两端，其流量f_k即：

式中：f_k为第k条天然气管道的流量；M_k为第k条天然气管道常数；S_ij为管道中气体流动的向；p_i、p_j为节点压强，i、j分别为管道始端和末端节点；

考虑加压站通过压缩机升高压力，需消耗额外的能量，压缩机消耗的流量方程近似为:

f_Qc＝k_cQf(p_i-p_j)

(2)

式中：k_c为压缩机常数；Q_f为流过压缩机的流量率；Q_c为流过压缩机流量；

步骤S12：进行天然气网络灵敏度分析：

灵敏度分析反映系统节点压强的变化对系统节点负荷即天然气系统节点流量的影响，天然气管道的流量将会随着管道压强的改变而发生变化，对于天然气系统的负荷节点来说，即为天然气压强–负荷灵敏度；根据式(1)、(2)得：

θ为天然气压强-负荷灵敏度，f_g为流量，p为压强；

采用灵敏度分析的方法，得到天然气网节点的灵敏度，将各节点的灵敏度从高到低进行排序，由于不同情况所需储气装置个数不同，根据实际情况从灵敏度由高到低进行选取储气装置待安装点。

在本实施例中，所述步骤S2的具体内容为：

储气装置的合理安装是多目标、多约束的多维问题，该方法在不改变电气综合能源系统原有配置的前提下研究储气装置的接入点以及相应的接入容量，将电负荷损失、气负荷损失最少、储气装置安装容量小为目标函数，为减少目标函数的组成参数，将这些参数写成求和的形式，即：

F＝min(f₁+f₂+f₃)

(4)

具体参数介绍如下：

切除电负荷损失：

式中：a为权重系数，根据实际情况进行取值；f₁为切除负荷损失；N₁为电网节点数；p_bi、p_ai分别为负荷削减前后节点i处的电负荷；t_k1为安装储气装置以后的缺供时间；t_k1表达式为：

式中：t_k为电压暂降导致天然气缺供时间，β为缺供系数；β受储气装置接入点和储气装置容量影响，其表达式为：

式中：λ为储气装置容量影响参数；n为储气装置个数，w_k为单个储气装置容量，w_base为气源供给值；

切除气负荷损失：

式中：b为权重系数，根据实际情况进行取值；f₂为气负荷损失；N₂为天然气节点数；p_Bi、p_Ai分别为负荷削减前后节点i处的气负荷；

储气装置安装容量：

式中：c_k为相应的权重系数，根据实际情况进行取值；W_k为储气装置容量；n为储气装置个数；

将(5)、(9)、(10)三个系数进行规格化处理；具体运算如下:

在本实施例中，所述步骤S3的约束设置的具体内容为：

容量约束：

安装储气装置的总容量不能超过天然气网所需负荷容量；

w ki≤w loadi

(13)

式中：w_load为负荷所需容量；

负荷约束：

0≤(p_bi-p_ai)≤p_di

(14)

0≤(p_Bi-p_Ai)≤p_Di

(15)

式(14)为电网节点i处负荷削减约束，p_di为电网节点i处的负荷；式(15)为天然气网节点i处负荷削减约束，p_Di为天然气节点i处的负荷。

在本实施例中，步骤S4中所述求解过程的具体内容为：

利用粒子群算法进行求解，在算法中，用粒子群代替鸟群，鸟类与食物之间的距离用适应值函数表示，粒子在搜索空间中以一定的速度飞行。根据个体和群体的飞行经验对该飞行速度进行动态调整，不断优化直到得到一个最优值得适应值。最终得到储气装置安装在天然气网以后负荷损失的最优解。以储气装置在天然气网节点安装容量为基本粒子，其具体形式为：

式中，P为粒子群，X_MN为矩阵中第M行、第N列元素，表示储气装置第M个粒子在第N个节点安装的容量；W_M(N+1)为矩阵中的第M个粒子的适应值大小；

步骤Sa：种群初始化：令各粒子的初始位置为

初始速度为V_i ⁰；

步骤Sb：根据粒子初始位置即初始气网各节点容量计算粒子的适应值fitness[i],并以此为初始化Pbest_fitness[i]；将目标函数作为其适应度，即为式(4)；

步骤Sc：对每个粒子将其当前适应值与其个体历史最佳位置pbest对应的适应值比较，如果当前高，则将用当前值更新为历史最佳位置；

步骤Sd：对每个粒子将其当前适应值与其全局最佳位置gbest对应的适应值比较，如果当前高，则将用当前值更新全局最佳位置；

步骤Se：根据公式(17)(18)更新粒子的位置和速度；

速度更新：更新每个个体的速度

位置更新：更新每个个体的位置速度

公式中c₁、c₂为学习因子，为常数，r₁、r₂是[0,1]区间内均匀分布的随机数；

步骤Sf：终止条件判断：判断当迭代次数达到最大迭代次数时，是否满足，如果满足则输出最优解，否则跳至步骤Sb；所述最优解为将最优容量的储气罐安装在最优位置后，使发生暂降时会切除最少的负荷量。与位置有关，整个过程的第一步是进行储气装置位置的选取，即根据敏感度选出几个储气装置安装的待选点，然后对待选点位置分别进行粒子群优化，对比不同位置的优化结果，选出最优位置与容量。

较佳的，本实施例利用在气网合理安装储气装置可以等效缩短电压暂降的时间的原理，从而减短切除负荷的时间，进而会减少电压暂降对电-气综合能源系统造成的损失；通过建立的目标函数可以获得安装完储气装置以后减少的负荷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：对天然气网各个节点进行灵敏度分析，选出灵敏度较高的几个节点作为储气装置安装位置的待选点；

步骤S2：建立以切除电、气负荷量最少为目的的目标函数；

步骤S3：设定约束条件；

步骤S4：利用粒子群算法对各待选节点进行求解，对比各个节点的结果，选出储气装置最优的容量和安装位置。

2.根据权利要求1所述的一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：建立天然气网络平衡方程：

稳态通过管道的流量取决于为管道两端压力及管道属性，对于输气管道(i,j)为天然气网络管道的两端，其流量f_k即：

式中：f_k为第k条天然气管道的流量；M_k为第k条天然气管道常数；S_ij为管道中气体流动的向；p_i、p_j为节点压强，i、j分别为管道始端和末端节点；

考虑加压站通过压缩机升高压力，需消耗额外的能量，压缩机消耗的流量方程近似为:

式中：k_c为压缩机常数；Q_f为流过压缩机的流量率；Q_c为流过压缩机流量；

步骤S12：进行天然气网络灵敏度分析：

灵敏度分析反映系统节点压强的变化对系统节点负荷即天然气系统节点流量的影响，天然气管道的流量将会随着管道压强的改变而发生变化，对于天然气系统的负荷节点来说，即为天然气压强–负荷灵敏度；根据式(1)、(2)得：

θ为天然气压强-负荷灵敏度，f_g为流量，p为压强；

采用灵敏度分析的方法，得到天然气网节点的灵敏度，将各节点的灵敏度从高到低进行排序，由于不同情况所需储气装置个数不同，根据实际情况从灵敏度由高到低进行选取储气装置待安装点。

3.根据权利要求1所述的一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法，其特征在于：所述步骤S2的具体内容为：

将电负荷损失、气负荷损失最少、储气装置安装容量小为目标函数，为减少目标函数的组成参数，将这些参数写成求和的形式，即：

F＝min(f₁+f₂+f₃)

(4)

具体参数介绍如下：

切除电负荷损失：

式中：a为权重系数，根据实际情况进行取值；f₁为切除负荷损失；N₁为电网节点数；p_bi、p_ai分别为负荷削减前后节点i处的电负荷；t_k1为安装储气装置以后的缺供时间；t_k1表达式为：

式中：t_k为电压暂降导致天然气缺供时间，β为缺供系数；β受储气装置接入点和储气装置容量影响，其表达式为：

式中：λ为储气装置容量影响参数；n为储气装置个数，w_k为单个储气装置容量，w_base为气源供给值；

切除气负荷损失：

式中：b为权重系数，根据实际情况进行取值；f₂为气负荷损失；N₂为天然气节点数；p_Bi、p_Ai分别为负荷削减前后节点i处的气负荷；

储气装置安装容量：

式中：c为相应的权重系数，根据实际情况进行取值；W_k为储气装置容量；n为储气装置个数；

将(5)、(9)、(10)三个系数进行规格化处理；具体运算如下:

4.根据权利要求1所述的一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法，其特征在于：所述步骤S3的约束设置的具体内容为：

容量约束：

安装储气装置的总容量不能超过天然气网所需负荷容量；

w_ki≤w_loadi

(13)

式中：w_load为负荷所需容量；

负荷约束：

0≤(p_bi-p_ai)≤p_di

(14)

0≤(p_Bi-p_Ai)≤p_Di

(15)

式(14)为电网节点i处负荷削减约束，p_di为电网节点i处的负荷；式(15)为天然气网节点i处负荷削减约束，p_Di为天然气节点i处的负荷。

5.根据权利要求1所述的一种减少电压暂降对电-气综合能源系统造成切除负荷的方法，其特征在于：步骤S4中所述求解过程的具体内容为：

以储气装置在天然气网节点安装容量为基本粒子，其具体形式为：

式中，P为粒子群，X_MN为矩阵中第M行、第N列元素，表示储气装置第M个粒子在第N个节点安装的容量；W_M(N+1)为矩阵中的第M个粒子的适应值大小；

步骤Sa：种群初始化：令各粒子的初始位置为

初始速度为V_i ⁰；

步骤Sb：根据粒子初始位置即初始气网各节点容量计算粒子的适应值fitness[i],并以此为初始化Pbest_fitness[i]；将目标函数作为其适应度，即为式(4)；

步骤Sc：对每个粒子将其当前适应值与其个体历史最佳位置pbest对应的适应值比较，如果当前高，则将用当前值更新为历史最佳位置；

步骤Sd：对每个粒子将其当前适应值与其全局最佳位置gbest对应的适应值比较，如果当前高，则将用当前值更新全局最佳位置；

步骤Se：根据公式(17)(18)更新粒子的位置和速度；

速度更新：更新每个个体的速度

位置更新：更新每个个体的位置速度

公式中c₁、c₂为学习因子，为常数，r₁、r₂是[0,1]区间内均匀分布的随机数；

步骤Sf：终止条件判断：判断当迭代次数达到最大迭代次数时，是否满足，如果满足则输出最优解，否则跳至步骤Sb；所述最优解为将最优容量的储气罐安装在最优位置后，使发生暂降时会切除最少的负荷量。

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