CN112531716A - 电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开电‑水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,包括以下步骤:1)获取电‑水互联系统基础数据并进行初始化;2)建立电力系统潮流模型;3)建立配水系统稳态模型;4)建立耦合环节稳态模型;5)基于电力系统潮流模型、配水系统稳态模型和耦合环节稳态模型,建立统一标幺的电‑水互联系统能流模型;6)利用牛顿法对统一标幺的电‑水互联系统能流模型进行解算,得到电‑水混合能流。本发明针对电网和配水网中有名值计算出现数值差异过大,以及转换关系复杂的情况,提出了电‑水联合系统的统一标幺方法,以简化系统描述并提高计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及能流计算领域,具体是电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法。
背景技术
能流计算作为电-水互联系统的基本运算,是电-水互联系统规划与优化运行的基础。此前电网与水网的耦合元件主要是水泵,水泵通过电网输入电功率来提升水头,从而保证水网的正常运行。目前已有文献考虑电-水系统的双向耦合,例如以发电设备的耗水量模型为基础,实现电-水互联系统物质-能量的双向流动。
现有关于电-水混合能流计算的文献中,对于配水网的水力分析大多数采用软件EPANET进行求解或者讨论不同的水力计算方法对配水网水力计算的影响,在配水网模型部分没有考虑对水网进行标幺。电网一般运用牛顿-拉夫逊法,并对电力系统标幺之后进行求解。在综合能源系统,诸如电-水、电-气、电-热或电-气-热等联合系统中由于各子系统参数差异很大,如果采用统一求解法系统的收敛性将难以保证,这在实际求解过程中确实如此。其中,配水网的水力计算中管道方程的管道系数过大,在运用牛顿-拉夫逊方法求解的过程中会出现雅克比矩阵条件数过大的问题,如果与电网进行统一能流求解,将主导雅克比矩阵条件数,导致复合雅克比矩阵条件数过大,系统容易出现病态。
发明内容
本发明的目的是提供电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,包括以下步骤:
1)获取电-水互联系统基础数据并进行初始化。
所述电-水互联系统包括电力系统基础数据、配水系统基础数据、耦合环节参数、电-水互联系统的基准功率、电力系统电压基准值、配水系统水头基准值和牛顿-拉夫逊法收敛精度ε。所述电力系统基础数据包括支路参数、变压器参数、发电机参数、负荷参数和节点类型。所述配水系统基础数据包括水源参数、输水管道参数、负荷节点参数、水泵支路参数、负荷节点类型和蓄水池参数。所述耦合环节参数包括燃气机组参数、水泵参数和电锅炉参数。
对系统基础数据进行初始化的步骤为:
1.1)设定电力系统中有Ne个节点,其中,平衡节点的数目为1,PQ节点的数目为ne,PV节点的数目为(Ne-ne-1)。电力系统采用节点法,将节点电压相量作为状态变量。电力系统采用平启动,节点电压模值取为1,相角取为0。
1.2)设定配水系统中有Nw个节点,Rw条支路。水源的数目为1,其中水源为平衡节点。定水流负荷节点数目为nw,蓄水池数目为Nw-nw-1,其中蓄水池作为定水头节点。水泵数目为np,其他支路数为Rw-np。配水系统采用节点-环路流量法,将管道流量作为状态变量。配水系统管道流量初值取为1。
2)建立电力系统潮流模型。电力系统潮流模型如下所示:
式中,PG,i、QG,i为节点i发电机发出的有功功率和无功功率。PL,i、QL,i为节点i负荷有功功率和无功功率。Ui为节点i电压幅值。Uj为节点j电压幅值。δi为节点i电压相角。δij为节点i,j之间的相角差。Gij、Bij分别为节点i,j之间线路的电导和电纳。
3)建立配水系统稳态模型。所述配水系统稳态模型包括配水管道稳态模型、水泵稳态模型、节点水流量平衡方程和环路压降方程。
其中,所述配水管道稳态模型如下所示:
hW,i-hW,j=γWp,ijqWp,ij|qWp,ij|n-1 (3)
式中,下标W表示水网。下标p表示管道。hW,i、hW,j分别为节点i、节点j的水头。qWp,ij为管道i-j的水流量。i-j表示水流方向由i到j为正。γWp,ij为管道摩阻。n为水力指数。
水泵稳态模型如下所示:
式中,下标u表示水泵。ΔhWu,ij为水泵i-j的扬程。h0ij、rWu,ij和mij分别为水泵i-j的静扬程、内阻系数和扬程指数。ωij为水泵i-j的相对转速,即工作转速与额定转速之比。qWu,ij为流过水泵i-j的水流量。
节点水流量平衡模型如下所示:
式中,j∈i表示与节点i相连的节点集合。qWs,i为节点i的水源流量。qWd,i为节点i的水负荷流量。su,ij为水泵水流方向指示变量,当节点i为水泵入口节点,su,ij=1,当节点i为水泵出口节点,su,ij=-1。
环路压降方程如下所示:
式中,l∈L表示支路l属于环路L的支路集合。ΔhWl表示支路l的压降损失。
4)建立耦合环节稳态模型。
电-水互联系统耦合环节模型,包括燃气机组耗水量计算方程、水泵电功率计算方程和锅炉耗水量、耗电量计算方程。
其中,燃气机组耗水量计算方程如下所示:
qW-GFU=βW-GFUPGFU (7)
式中,qW-GFU为燃气机组耗水量,βW-GFU为燃气机组耗水系数,PGFU为燃气机组的输出电功率。
水泵电功率计算方程如下所示:
式中,Pu为水泵消耗的电功率。ρ为水的密度,g为重力加速度。ηu为水泵效率。ΔhWu和qWu分别为水泵的扬程和流量。
锅炉耗水量计算方程如下所示:
锅炉耗电功率计算方程如下所示:
HB=ηBPB (10)
式中,ηB为锅炉的效率,PB为电锅炉耗电量。
5)基于电力系统潮流模型、配水系统稳态模型和耦合环节稳态模型,建立统一标幺的电-水互联系统能流模型,步骤包括:
5.1)以电力系统中全网功率基准值SB和电压基准值UB为已知量,计算得到电流基准值IB和阻抗基准值ZB。以配水系统中功率基准值SWB、节点水头基准值HWB为已知量,计算得到流量基准值qWB和水阻基准值ZWB。其中,流量基准值qWB和水阻基准值ZWB满足下式:
式中,ρ为水的密度,g为重力加速度。
5.2)计算水头损失标幺值ΔhW *,即:
ΔhW *=ZW *(qW *)n (13)
计算水泵扬程标幺值ΔhWp *,即:
式中,ΔhWu *为水泵扬程标幺值;qWu *为水泵水流量标幺值。静扬程系数h0的基准值为HWB,为静扬程系数的标幺值;内阻系数rWu的基准值为HWB/(qWB)m,为内阻系数标幺值。ωu为水泵的相对转速。m为扬程指数。
5.4)结合步骤5.1)至步骤5.3),建立电-水互联系统混合能流模型,即:
式中,下标E、W和EW分别表示电力系统、配水系统和电-水耦合环节。U、δ分别为电力系统待求电压模值和相角向量。hW、qW分别为配水系统待求节点水头和支路水流量向量。xEW表示耦合环节待求变量向量。
6)利用牛顿法对统一标幺的电-水互联系统能流模型进行解算,得到电-水混合能流,步骤包括:
6.1)计算电-水互联系统能流模型中的不平衡量包括电力系统功率不平衡量、配水系统节点流量不平衡量、配水系统环路压力不平衡量,已将耦合环节的耗电量和耗水量折算到电网和配水网不平衡量中。ΔP*为有功不平衡量标幺值,维数为1×(Ne-1)。ΔQ*为无功不平衡量标幺值,维数为1×ne。为节点流量不平衡量标幺值,维数为1×(Nw-1)。为环路压降不平衡量标幺值,维数为1×(Rw-Nw+1)。
其中,电力系统的功率不平衡量如下所示:
式中,ΔPi *、分别为电力系统的有功功率和无功功率的不平衡量标幺值。为节点i发电机发出的有功功率和无功功率标幺值。为节点i负荷有功功率和无功功率标幺值。为节点i电压幅值标幺值。为节点j电压幅值标幺值。δij为节点i,j之间的相角差。分别为节点i,j之间线路的电导和电纳标幺值。分别为配水系统接入电网节点i的水泵的有功功率和无功功率标幺值。为配水系统接入电网节点i的电锅炉功率标幺值。
配水系统环路压力不平衡量方程如下所示:
6.2)建立由电力系统雅克比矩阵、电-水耦合环节雅克比矩阵、水-电耦合环节雅克比矩阵、配水系统雅克比矩阵组成的复合雅克比矩阵JEW,即:
其中,当节点i≠j时,电力系统雅克比矩阵元素Hij、元素Jij、元素Nij、元素Lij如下所示:
当节点i=j电力系统雅克比矩阵元素Hii、元素Jii、元素Nii、元素Lii如下所示:
电-水耦合环节雅克比矩阵元素如下所示:
式中,i表示电力系统第i个节点,n表示配水系统第n根管道,即水泵。θ为水泵的功率因素。表示配水系统第n根管道流量标幺值。表示配水系统第n根管道的水泵扬程标幺值。表示配水系统第n根管道的水泵内阻系数标幺值。
水-电耦合环节雅克比矩阵元素为0。
配水系统雅克比矩阵可分为节点部分和环路部分,其中节点部分为节点-支路关联矩阵AW,环路部分由环路-支路关联矩阵BW元素bW、管道支路雅克比元素、水泵支路雅克比元素组成。
其中,节点-支路关联矩阵AW的元素aW,ij如下所示:
环路-支路关联矩阵BW的元素bW,ij如下所示:
管道支路雅克比矩阵的元素如下所示:
水泵支路雅克比矩阵的元素如下所示:
6.3)根据下式计算待求变量的修正量,即电压和管道流量修正量ΔX:
ΔX=-J-1ΔF (39)
其中,解算后的电压和管道流量修正量ΔX如下所示:
6.4)更新变量值Xk+1,即:
Xk+1=Xk+ΔXk (41)
式中,k表示迭代次数,当k=1时,X(k)中各元素为电-水联合系统各状态变量初值。
6.5)判断max(|ΔF|)<ε是否成立,若是,则进入步骤6.6),否则,返回步骤6.1)。ε为收敛精度。
6.6)将当前变量值输入到电力系统潮流模型中,计算平衡节点有功功率和无功功率、PV节点无功功率和所有支路功率。将当前变量值输入到公式(13)和公式(14)中,计算配水系统所有节点的水头。
6.7)根据步骤6.6)的计算结果,计算状态变量的有名值。
值得说明的是,本发明首先输入电力系统和配水系统的基本参数,选取系统的基准功率、基准电压和基准水头,并计算出基准阻抗、基准水流和基准水阻。然后求解电网标幺之后的导纳矩阵和配水网标幺之后的水阻矩阵。接着运用牛顿-拉夫逊法求解电-水联合系统的混合能流,求解电-水联合系统标幺之后的复合雅克比矩阵,得到电压和管道流量的修正量,重复此步骤直至能流收敛。输出电网节点电压和配水网管道流量,最后计算电网支路功率和配水网节点水头,得到电-水联合系统混合能流计算结果。
本发明的技术效果是毋庸置疑的,本发明提出的配水网标幺方法,可以一定程度的减小配水网雅克比矩阵的条件数。本发明针对电网和配水网中有名值计算出现数值差异过大,以及转换关系复杂的情况,提出了电-水联合系统的统一标幺方法,以简化系统描述并提高计算效率。
附图说明
图1为配电网节点电压模值和相角;
图2为配水网管道流量;
图3为配水网节点水头;
图4为两种方法配电网节点电压对比;
图5为两种方法下配水网节点水头对比;
图6为两种方法下配水网管道流量对比;
图7为电-水联合系统算例结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段,做出各种替换和变更,均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1:
参见图1至图3,电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,包括以下步骤:
1)获取电-水互联系统基础数据并进行初始化。
所述电-水互联系统包括电力系统基础数据、配水系统基础数据、耦合环节参数、电-水互联系统的基准功率、电力系统电压基准值、配水系统水头基准值和牛顿-拉夫逊法收敛精度ε。
所述电力系统基础数据包括支路参数、变压器参数、发电机参数、负荷参数和节点类型。所述配水系统基础数据包括水源参数、输水管道参数、负荷节点参数、水泵支路参数、负荷节点类型和蓄水池参数。所述耦合环节参数包括燃气机组参数、水泵参数和电锅炉参数。
对电力系统基础数据进行初始化的步骤为:
1.1)设定电力系统中有Ne个节点,其中,平衡节点的数目为1,PQ节点的数目为ne,PV节点的数目为(Ne-ne-1)。电力系统采用节点法,将节点电压相量作为状态变量。电力系统采用平启动,节点电压模值取为1,相角取为0。
1.2)设定配水系统中有Nw个节点,Rw条支路。水源的数目为1,其中水源为平衡节点。定水流负荷节点数目为nw,蓄水池数目为Nw-nw-1,其中蓄水池作为定水头节点。水泵数目为np,其他支路数为Rw-np。配水系统采用节点-环路流量法,将管道流量作为状态变量。配水系统管道流量初值取为1。
2)建立电力系统潮流模型。电力系统潮流模型如下所示:
式中,PG,i、QG,i为节点i发电机发出的有功功率和无功功率。PL,i、QL,i为节点i负荷有功功率和无功功率。Ui为节点i电压幅值。Uj为节点j电压幅值。δi为节点i电压相角。δij为节点i,j之间的相角差。Gij、Bij分别为节点i,j之间线路的电导和电纳。
3)建立配水系统稳态模型。所述配水系统稳态模型包括配水管道稳态模型、水泵稳态模型、节点水流量平衡方程和环路压降方程。其中,所述配水管道稳态模型如下所示:
hW,i-hW,j=γWp,ijqWp,ij|qWp,ij|n-1 (3)
式中,下标W表示水网。下标p表示管道。hW,i、hW,j分别为节点i、节点j的水头。qWp,ij为管道i-j的水流量。i-j表示水流方向由i到j为正。γWp,ij为管道摩阻。n为水力指数。
水泵稳态模型如下所示:
式中,下标u表示水泵。ΔhWu,ij为水泵i-j的扬程。h0ij、rWu,ij和mij分别为水泵i-j的静扬程、内阻系数和扬程指数。ωij为水泵i-j的相对转速,即工作转速与额定转速之比。qWu,ij为流过水泵i-j的水流量。
节点水流量平衡模型如下所示:
式中,j∈i表示与节点i相连的节点集合。qWs,i为节点i的水源流量。qWd,i为节点i的水负荷流量。su,ij为水泵水流方向指示变量,当节点i为水泵入口节点,su,ij=1,当节点i为水泵出口节点,su,ij=-1。
环路压降方程如下所示:
式中,l∈L表示支路l属于环路L的支路集合。ΔhWl表示支路l的压降损失。
4)建立耦合环节稳态模型。
所述耦合环节稳态模型包括燃气机组耗水量计算方程、水泵电功率计算方程和锅炉耗水量、耗电量计算方程。
其中,燃气机组耗水量计算方程如下所示:
qW-GFU=βW-GFUPGFU (7)
式中,qW-GFU为燃气机组耗水量,βW-GFU为燃气机组耗水系数,PGFU为燃气机组的输出电功率;
水泵电功率计算方程如下所示:
式中,Pu为水泵消耗的电功率;ρ为水的密度,g为重力加速度;ηu为水泵效率;ΔhWu和qWu分别为水泵的扬程和流量;
锅炉耗水量计算方程如下所示:
锅炉耗电功率计算方程如下所示:
HB=ηBPB (10)
式中,ηB为锅炉的效率,PB为电锅炉耗电量。
5)基于电力系统潮流模型和配水系统稳态模型,建立统一标幺的电-水互联系统能流模型,步骤包括:
5.1)以电力系统中全网功率基准值SB和电压基准值UB为已知量,计算得到电流基准值IB和阻抗基准值ZB。以配水系统中功率基准值SWB、节点水头基准值HWB为已知量,计算得到流量基准值qWB和水阻基准值ZWB。其中,流量基准值qWB和水阻基准值ZWB满足下式:
式中,ρ为水的密度,g为重力加速度。
5.2)计算水头损失标幺值ΔhW *,即:
ΔhW *=ZW *(qW *)n (13)
计算水泵扬程标幺值ΔhWp *,即:
式中,ΔhWu *为水泵扬程标幺值。qWu *为水泵水流量标幺值。静扬程系数h0的基准值为HWB,为静扬程系数的标幺值。内阻系数rWu的基准值为HWB/(qWB)m,为内阻系数标幺值。ωu为水泵的相对转速。m为扬程指数。
5.4)结合步骤5.1)至步骤5.3),建立电-水互联系统混合能流模型,即:
式中,下标E、W和EW分别表示电力系统、配水系统和电-水耦合环节。U、δ分别为电力系统待求电压模值和相角向量。hW、qW分别为配水系统待求节点水头和支路水流量向量。xEW表示耦合环节待求变量向量。fE(U,δ,xEW)表示电力系统能流方程。fW(hW,qW,xEW)表示配水系统能流方程。fEW(xEW)=0表示电-水耦合环节能流方程。
6)利用牛顿法对统一标幺的电-水互联系统能流模型进行解算,得到电-水混合能流,步骤包括:
6.1)计算电-水互联系统能流模型中的不平衡量包括电力系统功率不平衡量、配水系统节点流量不平衡量、配水系统环路压力不平衡量,已将耦合环节的耗电量和耗水量折算到电网和配水网不平衡量中。ΔP*为有功不平衡量标幺值,维数为1×(Ne-1)。ΔQ*为无功不平衡量标幺值,维数为1×ne。为节点流量不平衡量标幺值,维数为1×(Nw-1)。为环路压降不平衡量标幺值,维数为1×(Rw-Nw+1)。ΔPi *、为节点1、节点Ne-1有功不平衡量标幺值。为节点1、节点ne无功不平衡量标幺值。为节点1、节点Nw-1流量不平衡量标幺值。为节点1、节点Rw-Nw+1所在环路压降不平衡量标幺值。
其中,电力系统的功率不平衡量如下所示:
式中,ΔPi *、分别为电力系统的有功功率和无功功率的不平衡量标幺值。为节点i发电机发出的有功功率和无功功率标幺值。为节点i负荷有功功率和无功功率标幺值。为节点i电压幅值标幺值。为节点j电压幅值标幺值。δij为节点i,j之间的相角差。分别为节点i,j之间线路的电导和电纳标幺值。分别为配水系统接入电网节点i的水泵有功功率和无功功率标幺值。为配水系统接入电网节点i的电锅炉功率标幺值。
配水系统环路压力不平衡量方程如下所示:
6.2)建立由电力系统雅克比矩阵、电-水耦合环节雅克比矩阵、水-电耦合环节雅克比矩阵、配水系统雅克比矩阵组成的复合雅克比矩阵JEW,即:
其中,当节点i≠j时,电力系统雅克比矩阵元素Hij、元素Jij、元素Nij、元素Lij如下所示:
当节点i=j时,电力系统雅克比矩阵元素Hii、元素Jii、元素Nii、元素Lii如下所示:
电-水耦合环节雅克比矩阵元素如下所示:
式中,i表示电力系统第i个节点,n表示配水系统第n根管道,即水泵。θ为水泵的功率因素。表示配水系统第n根管道流量标幺值;表示配水系统第n根管道的水泵扬程标幺值;表示配水系统第n根管道的水泵内阻系数标幺值;
水-电耦合环节雅克比矩阵元素为0。
配水系统雅克比矩阵可分为节点部分和环路部分,其中节点部分为节点-支路关联矩阵AW,环路部分由环路-支路关联矩阵BW元素bW、管道支路雅克比元素、水泵支路雅克比元素组成。
其中,节点-支路关联矩阵AW的元素aW,ij如下所示:
环路-支路关联矩阵BW的元素bW,Ll如下所示:
管道支路雅克比矩阵的元素如下所示:
水泵支路雅克比矩阵的元素如下所示:
6.3)根据下式计算待求变量的修正量,即电压和管道流量修正量ΔX:
ΔX=-J-1ΔF (39)
式中,J指代雅可比矩阵。ΔF为上述统一标幺的电-水互联系统能流模型的不平衡量。
其中,解算后的电压和管道流量修正量ΔX如下所示:
6.4)更新变量值Xk+1,即:
Xk+1=Xk+ΔXk (41)
式中,k表示迭代次数,当k=1时,X(k)中各元素为电-水互联系统各状态变量初值。ΔXk为第k次迭代的修正量。
6.5)判断max(|ΔF|)<ε是否成立,若是,则进入步骤6.6),否则,返回步骤6.1)。ε为收敛精度。
6.6)将当前变量值输入到电力系统潮流模型中,计算平衡节点有功功率和无功功率、PV节点无功功率和所有支路功率。将当前变量值输入到公式(13)、(14)中,计算配水系统所有节点的水头。
6.7)根据步骤6.6)的计算结果,计算状态变量的有名值。
实施例2:
电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,包括以下步骤:
1)输入基础数据及初始化
1.1)输入基础数据,输入电网参数包括:支路参数、变压器参数、发电机参数、负荷参数和节点类型;配水网参数包括:水源参数、输水管道参数、负荷节点参数、负荷节点类型和蓄水池参数;输入耦合环节参数;设置混联系统的基准功率,电网电压基准值和配水网水头基准值;设置牛顿-拉夫逊法收敛精度ε。
1.2)参数初始化:假设电网中有Ne个节点,平衡节点的数目为1,PQ节点的数目为ne,PV节点的数目为(Ne-ne-1)。配水网中有Nw个节点,Rw条支路;水源的数目为1,其中水源作为平衡节点;定水流负荷节点数目为nw;蓄水池数目为Nw-nw-1,其中蓄水池作为定水头节点;水泵数目为np,其他支路数为Rw-np。电网采用节点法,将节点电压相量作为状态变量。配水网采用环路流量法,将管道流量作为状态变量。所以整个电-水混合潮流中,状态变量数为Ne+ne-1+Rw。其中电网采用平启动,节点电压模值取为1,相角取为0,配水网管道流量初值取为1。
2)建立统一标幺的电-水互联系统能流模型,步骤为:
2.1)电网潮流模型
电力网络在极坐标形式下的交流潮流模型为:
式中,PGi(MW),QGi(MVar)为节点i发电机发出的有功功率和无功功率;PLi,QLi为节点i负荷有功功率和无功功率;Ui为节点电压幅值;δi为节点i电压相角;δij为节点i,j之间的相角差;Gij,Bij分别为节点i,j之间线路的电导和电纳。
2.2)配水网稳态模型
配水系统主要包含水源、管道、水泵、蓄水池及水负荷等元件,其稳态模型由各元件的稳态模型及节点水流量平衡方程构成。
配水管道:
配水管道的稳态特性用沿程水头损失描述,常用的水头损失公式有Hazen-Williams公式、Darey-Weisbach公式,等,其一般形式为:
hW,i-hW,j=γWp,ijqWp,ij|qWp,ij|n-1 (3)
式中,下标W表示水网、p表示管道;hW,i、hW,j分别为节点i、j的水头;qWp,ij为管道i-j的水流量(水流方向由i到j为正,常用单位为m3/s);γWp,ij为管道摩阻,与管道材质、直径及长度等参数有关;n为水力指数(对Hazen-Williams公式,n取1.852;对Darey-Weisbach公式,n取2)。
水泵:水泵向配水网提供机械能以提升水头,所提供机械能用水泵扬程(水头增量)表示。对于常用的变速离心式水泵,其水力特性为:
式中,下标u表示水泵;ΔhWu,ij为水泵i-j的扬程;h0ij、rWu,ij和mij分别为水泵i-j的静扬程、内阻系数和扬程指数,一般根据厂家提供的扬程曲线拟合得到;ωij为水泵i-j的相对转速,即工作转速与额定转速之比。
节点水流量平衡方程:配水网中各节点满足以下水流量平衡方程:
式中,j∈i表示与节点i相连的节点集合;qWs,i为节点i的水源流量(流入水网为正),qWd,i为节点i的水负荷流量(流出水网为正);su,ij为水泵水流方向指示变量,当节点i为水泵入口节点,su,ij=1,当节点i为水泵出口节点,su,ij=-1。
环路压降方程:对于环形配水网,其环路中各条支路的压降满足回路压降和为0,具体如下:
式中,l∈L表示支路l属于环路L的支路集合;ΔhWl表示支路l的压降损失。
2.3)耦合环节模型
耦合环节稳态模型包括燃气机组耗水量计算方程、水泵电功率计算方程和锅炉耗水量与耗电量计算方程。
燃气机组耗水量
燃气机组生产用水为取自配水网水源的工业用水,用以下经验公式描述燃气机组输出功率和耗水量的关系。
qW-GFU=βW-GFUPGFU (7)
式中,qW-GFU为燃气机组耗水量,处理为燃气机组取水节点的水负荷;βW-GFU为燃气机组耗水系数,PGFU为燃气机组的输出电功率。
水泵电功率
式中,Pu为水泵消耗的电功率;ρ为水的密度,g为重力加速度;ηu为水泵效率;ΔhWu和qWu分别为水泵的扬程和流量。
锅炉耗水量
锅炉耗电功率
HB=ηBPB (10)
式中,ηB为锅炉的效率,PB为电锅炉耗电量。
2.4)统一标幺模型
电网的状态变量包括节点电压相量和支路电流相量,两者的乘积为功率的量纲。水网水力计算的状态变量主要包括,节点水头和管道流量,同样节点水头和管道流量的乘积是功率的量纲,所以可以将配水网类比到电网,采取电网标幺的思路对水网进行标幺,从而两者在形式上统一起来。电网与配水网的类比关系如表1所示。
表1电网与配水网类比
表中,ρ为水的密度,g为重力加速度。
电网标幺基准值选取:一般选取全网功率基准值SB和电压基准值UB,求电流基准值IB和阻抗基准值ZB。
水网标幺基准值选取:取功率基准值和节点水头基准值,求流量基准和水阻基准。具体如下:
水网功率基准值SWB,节点水头基准值HWB。
流量基准值:
水阻基准:
管道方程标幺:
ΔhW *=ZW *(qW *)n (13)
水泵方程标幺:
式中,h0的基准值为h0B=HWB,rWu的基准值为rWu=HWB/(qWB)m。
2.5)耦合环节模型
燃气机组耗水量标幺值
水泵功率标幺值
锅炉耗水量标幺值
锅炉电功率标幺值
3)牛顿法解电-水混合能流,步骤为:
3.1)电-水互联系统混合能流模型
根据步骤2电网、配水网以及耦合元件模型可以建立如下一般形式的电-水混合能流方程。
式中:下标E、W和EW分别表示配电网、配水网和电-水耦合环节;U、δ分别为配电网待求电压模值和相角向量;hW、qW分别为配水网待求节点水头和支路水流量向量;xEW表示耦合环节待求变量向量,如燃气机组的耗水量、水泵的电功率等。
3.2)计算不平衡量
采取统一求解法对电-水混合能流进行求解。根据1.2节,电网的状态变量选取为节点电压,变量数为Ne+ne-1;配水网状态变量选取为管道流量,变量数为Rw,对混合状态变量采用从电网到配水网的顺序进行排序。以下所有变量都是采用标幺之后的量,为了书写简便,将上标“*”省略。
电网的功率不平衡量为:
配水网的节点流量不平衡量:
配水网环路压力不平衡量:
将以上不平衡量按照电网和配水网不平衡量顺序排列成列向量,用ΔF表示。
式中,ΔP为有功不平衡量,维数为1×(Ne-1);PW,i和PB,i分别为节点i的水泵有功负荷和电锅炉负荷;ΔQ为无功不平衡量,维数为1×ne;QW,i为节点i的水泵无功负荷,ΔqW为节点流量不平衡量,维数为1×(Nw-1);qW-GFU,i和qB,i分别为配水网节点i供给燃气轮机和锅炉的水负荷;ΔhWl为环路压降不平衡量,维数为1×(Rw-Nw+1)。
3.3)复合雅克比矩阵,复合雅克比矩阵计算一般公式为:
复合雅克比矩阵各元素:
1)电网部分,i≠j:
i=j
2)电-水耦合部分:
式中,i表示电网第i个节点,n表示配水网第n根管道(此处专指水泵)。方程(34)-(35)表示电网对配水网的耦合,θ为水泵的功率因素。
由于锅炉作为电-水综合负荷,算例在设计时将其作为一个功率已知的负荷。
水-电耦合部分
将燃气轮机耗水量转换为产电功率,由于与电网直接待求状态变量不同,为了使雅克比矩阵简化,采取将燃气轮机耗水量作为水网负荷修正量处理。所以水-电耦合部分的雅克比矩阵元素为0。
配水网部分
对于采用节点法部分,雅克比矩阵为:AW。AW为节点-支路关联矩阵。其各元素aW,ij关系如下:
对于环路部分,定义矩阵BW为环路-支路关联矩阵。其中各元素bW,ij关系如下:
管道支路:
如果环路中有水泵支路:
式中,L表示第L条环路,l表示环路L中第l条管道支路。
3.4)计算修正量
根据上述步骤获得的不平衡量ΔF和雅克比矩阵JEW,计算各待求变量的修正量ΔX:
ΔX=-J-1ΔF (40)
式中,ΔX为电压和管道流量修正量,具体如下:
更新各变量值:
Xk+1=Xk+ΔXk (42)
式中,k表示迭代次数,当k=1时,X(k)中各元素为电-水互联系统各状态变量初值。
3.5)收敛性判断
当不平衡量ΔF满足max(|ΔF|)<ε,则计算结束。
当max(|ΔF|)≥ε,则返回步骤3.2继续迭代计算。
3.6)计算平衡节点和线路功率以及水网节点水头
根据式(1),(2)计算平衡节点有功功率和无功功率,PV节点无功功率,以及各支路功率。根据式(13)(14)计算配水网各节点水头。最后计算各变量的有名值结果。
实施例3:
如图7所示,以IEEE33节点配电网和13节点配水网联合而成的电-水互联系统为例,一种考虑统一标幺计算的电-水互联系统混合能流计算方法如下:
1)输入基础数据及初始化
1.1)输入基础数据,输入电网参数包括:支路参数、变压器参数、发电机参数、负荷参数和节点类型;配水网参数包括:水源参数、输水管道参数、负荷节点参数、负荷节点类型和蓄水池参数;输入耦合环节参数;设置混联系统的基准功率,电网电压基准值和配水网水头基准值;设置牛顿-拉夫逊法收敛精度ε。电网采用IEEE33节点电力网络数据,配水网参数详见表2和表3。
表2配水网节点参数
表3为配水网管道参数。
1.2)参数初始化
配电网孤岛运行。节点21为平衡节点,节点18、22、24和33为PV节点,其余节点为PQ节点。PQ节点的电压初值采用平启动的方法选取,即电压模值标幺值为1,相角为0。PV节点的电压相角设置为0。配水网水源节点11为平衡节点,蓄水池节点12和13为定压节点,其余节点为定流量节点。配水网有两台水泵支路,其余为管道支路。所有支路流量标幺初值取为1。配电网18和33节点接入两组光伏,功率分别为0.9MW和0.9MW,作为PV节点,电压幅值都取为1。21,22和24节点接入三台燃气轮机,其中21节点的燃气轮机作为平衡节点,初始化平衡节点出力为0.8MW。其余节点燃气轮机做PV节点处理,提供电功率分别为0.09MW和0.42MW,节点电压幅值都为0.99。锅炉产热量分别为0.1MW和0.01MW。全网取功率基准值SB=100MW,UB=12.66kV,HB=104m。牛顿法迭代收敛精度ε=10-10。计算得到电网的节点导纳矩阵和水网的水阻参数。
2)牛顿法解电-水混合能流
2.1)计算不平衡量
通过上面列写的混合能流方程,将电网参数、配水网参数、耦合变量参数以及状态变量初始值带入潮流方程,可以计算得到不平衡量ΔF。
2.2)计算复合雅克比矩阵,得到:
为了方便阐述将雅克比矩阵分块,其中Jee为纯电网部分,矩阵维数为60×60,Jew为电-水耦合部分,矩阵维数为60×14,Jwe为水-电耦合部分,此部分为0,Jww为纯水网部分,矩阵维数为14×14。
在第一次迭代中雅克比矩阵各元素值如下:
算例系统中有两台水泵,所以经过耦合之后电-水耦合部分的雅克比矩阵有四个非零元素,其余全为0。
将水网部分雅克比矩阵分块为AW和CW,其中AW为水网的节点-支路关联矩阵,为常数矩阵。CW随着状态变量的变化而变化,如果水网为辐射型网络,则CW部分不存在,本算例中CW初值为:
由于本算例蓄水池为定压节点,采用节点-回路法方程数为12,未知数为14,所以需要增加两个方程。水源到蓄水池的水力平差已知,所以增加水源到两个蓄水池之间的压差方程,初始状态下雅克比矩阵元素为Cw最后两行。
2.3)计算修正量
根据上述步骤获得的不平衡量△F和雅克比矩阵JEW,以第一次迭代后的结果为例,结合实施例2中式(40)计算出各节点电压的修正量:
根据以上结果更新得到各变量值为:
2.4)收敛性判断
当修正量ΔX满足max(|ΔX|)<ε,则计算结束。
当max(|ΔX|)≥ε,则返回步骤2.1继续迭代计算。
根据前面步骤,计算可知当迭代10次后,满足收敛条件,此时max(|△X|)=1.9362×10-12<ε。
2.5)平衡节点功率和水泵功率
根据能流计算结果,平衡节点的功率和水泵的功率如表2所示。
表4平衡节点和水泵功率
2.6)燃气轮机和锅炉耗水量
燃气轮机和锅炉耗水量如下表3所示。
表5燃气轮机和锅炉耗水量
2.7)配电网节点电压
根据以上潮流方法求解出的配电网节点电压(此处节点电压模值还是用标幺值表示)如图1所示。
2.8)配水网能流结果
根据以上潮流方法求解出的配水网管道流量和节点水头(已经转换为有名值)如图2和图3所示。
实验效果:
以图7所示电-水互联系统为仿真对象,设计两种电-水混合能流计算方法对比验证本发明方法的优越性和有效性。两种方法都是基于采用统一求解法解电-水混合能流,不同之处在于参数的处理方法不同。方法1:能流计算中电网采用标幺值,配水网采用有名值。方法2:能流计算中电网采用标幺值,配水网采用标幺值。
在两种方法中电网都采用标幺值计算,参数差别不大,所以主要对比配水网部分的雅克比元素。
I)雅克比矩阵条件数
方法1初次迭代配水网部分雅克比矩阵
根据上一节分析,得知配水网雅克比矩阵有一部分为常数矩阵AW,所以只讨论变化部分。
方法2初次迭代配水网部分雅克比矩阵
其中,C11 W表示方法1初次迭代,C21 W表示方法2初次迭代。从两个雅克比矩阵元素可以看出,两者在数值上相差很大,方法1雅克比矩阵的数量级达到5次,方法2的数量级只在1次。矩阵的病态程度与矩阵的条件数呈正相关,经过计算方法1的条件数为1.0690×106,方法2的条件数为110.9789,从矩阵病态程度上看,方法2的矩阵要比方法1的矩阵病态程度小。说明经过对配水网进行标幺之后,大大减小了配水网雅克比矩阵的条件数,可以减小系统病态程度,增强系统的稳定性。
以上是单独从配水网上分析,从电-水联合的角度分析,电网部分雅克比矩阵的条件数为5.6547×103。如果采用方法1,则整个电-水联合系统的复合雅克比矩阵的条件数将因为配水网的加入而增大,变为9.1003×107。如果采用方法2,则整个电-水联合系统的复合雅克比矩阵条件数受配水网部分影响不大,变为1.4519×104。
所以从矩阵是否容易出现病态方面,采用此种标幺方法相比于有名值计算效果更好。
II)计算结果对比:从图4-图6结果可知,两种方法计算电-水混合能流所得结果一样,验证了本发明所提算法的正确性。
计算时间和迭代次数
表6两种方法的计算时间和迭代次数
两种方法在本算例上的计算时间和迭代次数相差不大。但方法2的迭代次数会减小。
Claims (8)
1.电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)获取电-水互联系统基础数据并进行初始化。
2)建立电力系统潮流模型;
3)建立配水系统稳态模型;
4)建立耦合环节稳态模型;
5)基于电力系统潮流模型、配水系统稳态模型和耦合环节稳态模型,建立统一标幺的电-水互联系统能流模型;
6)利用牛顿法对统一标幺的电-水互联系统能流模型进行解算,得到电-水混合能流。
2.根据权利要求1所述的电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,其特征在于,所述电-水互联系统包括电力系统基础数据、配水系统基础数据、耦合环节参数、电-水互联系统的基准功率、电力系统电压基准值、配水系统水头基准值和牛顿-拉夫逊法收敛精度ε;
所述电力系统基础数据包括支路参数、变压器参数、发电机参数、负荷参数和节点类型;
所述配水系统基础数据包括水源参数、输水管道参数、水泵支路参数、负荷节点参数、负荷节点类型和蓄水池参数。
所述耦合环节参数包括燃气机组参数、水泵参数和电锅炉参数。
3.根据权利要求1或2所述的电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,其特征在于,对系统基础数据进行初始化的步骤为:
1)设定电力系统中有Ne个节点,其中,平衡节点的数目为1,PQ节点的数目为ne,PV节点的数目为(Ne-ne-1);电力系统采用节点法,将节点电压相量作为状态变量;电力系统采用平启动,节点电压模值取为1,相角取为0;
2)设定配水系统中有Nw个节点,Rw条支路;水源的数目为1,其中水源为平衡节点;定水流负荷节点数目为nw,蓄水池数目为Nw-nw-1,其中蓄水池作为定水头节点;水泵数目为np,其他支路数为Rw-np;配水系统采用节点-环路流量法,将管道流量作为状态变量;配水系统管道流量初值取为1。
5.根据权利要求1所述的电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,其特征在于,所述配水系统稳态模型包括配水管道稳态模型、水泵稳态模型、节点水流量平衡方程和环路压降方程;
其中,所述配水管道稳态模型如下所示:
hW,i-hW,j=γWp,ijqWp,ij|qWp,ij|n-1 (3)
式中,下标W表示水网;下标p表示管道;hW,i、hW,j分别为节点i、节点j的水头;qWp,ij为管道i-j的水流量;i-j表示水流方向由i到j为正;γWp,ij为管道摩阻;n为水力指数;
水泵稳态模型如下所示:
式中,下标u表示水泵;ΔhWu,ij为水泵i-j的扬程;h0ij、rWu,ij和mij分别为水泵i-j的静扬程、内阻系数和扬程指数;ωij为水泵i-j的相对转速,即工作转速与额定转速之比;qWu,ij为流过水泵i-j的水流量;
节点水流量平衡模型如下所示:
式中,j∈i表示与节点i相连的节点集合;qWs,i为节点i的水源流量;qWd,i为节点i的水负荷流量;su,ij为水泵水流方向指示变量,当节点i为水泵入口节点,su,ij=1,当节点i为水泵出口节点,su,ij=-1。
环路压降方程如下所示:
式中,l∈L表示支路l属于环路L的支路集合;ΔhWl表示支路l的压降损失。
6.根据权利要求1所述的电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,其特征在于,所述耦合环节稳态模型包括燃气机组耗水量计算方程、水泵电功率计算方程和锅炉耗水量、耗电量计算方程;
其中,燃气机组耗水量计算方程如下所示:
qW-GFU=βW-GFUPGFU (7)
式中,qW-GFU为燃气机组耗水量,βW-GFU为燃气机组耗水系数,PGFU为燃气机组的输出电功率;
水泵电功率计算方程如下所示:
式中,Pu为水泵消耗的电功率;ρ为水的密度,g为重力加速度;ηu为水泵效率;ΔhWu和qWu分别为水泵的扬程和流量;
锅炉耗水量计算方程如下所示:
锅炉耗电功率计算方程如下所示:
HB=ηBPB (10)
式中,ηB为锅炉的效率,PB为电锅炉耗电量。
7.根据权利要求1所述的电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,其特征在于,建立统一标幺的电-水互联系统能流模型的步骤包括:
1)以电力系统中全网功率基准值SB和电压基准值UB为已知量,计算得到电流基准值IB和阻抗基准值ZB;
以配水系统中功率基准值SWB、节点水头基准值HWB为已知量,计算得到流量基准值qWB和水阻基准值ZWB;
其中,流量基准值qWB和水阻基准值ZWB满足下式:
式中,ρ为水的密度,g为重力加速度;
2)计算水头损失标幺值ΔhW *,即:
ΔhW *=ZW *(qW *)n (13)
式中,Δh* W、ZW *、qW *分别为水头损失标幺值、水阻标幺值和流量标幺值;
计算水泵扬程标幺值ΔhWp *,即:
式中,ΔhWu *为水泵扬程标幺值;qWu *为水泵水流量标幺值;静扬程系数h0的基准值为HWB,为静扬程系数的标幺值;内阻系数rWu的基准值为HWB/(qWB)m,为内阻系数标幺值;ωu为水泵的相对转速;m为扬程指数;
4)结合步骤1)至步骤3),建立电-水互联系统混合能流模型,即:
式中,下标E、W和EW分别表示电力系统、配水系统和电-水耦合环节;U、δ分别为电力系统待求电压模值和相角向量;hW、qW分别为配水系统待求节点水头和支路水流量向量;xEW表示耦合环节待求变量向量。
8.根据权利要求1所述的电-水互联系统混合能流的统一标幺计算方法,其特征在于,利用牛顿法对统一标幺的电-水互联系统能流模型进行解算的步骤包括:
1)计算电-水互联系统能流模型中的不平衡量包括电力系统功率不平衡量、配水系统节点流量不平衡量、配水系统环路压力不平衡量:其中,耦合环节的耗电量和耗水量为电网和配水网不平衡量的一部分;ΔP*为有功不平衡量标幺值,维数为1×(Ne-1);ΔQ*为无功不平衡量标幺值,维数为1×ne;为节点流量不平衡量标幺值,维数为1×(Nw-1);为环路压降不平衡量标幺值,维数为1×(Rw-Nw+1);
其中,电力系统的功率不平衡量如下所示:
式中,分别为电力系统的有功功率和无功功率的不平衡量标幺值;为节点i发电机发出的有功功率和无功功率标幺值;为节点i负荷有功功率和无功功率标幺值;为节点i电压幅值标幺值;为节点j电压幅值标幺值;δij为节点i,j之间的相角差;分别为节点i,j之间线路的电导和电纳标幺值;分别为配水系统接入电网节点i的水泵的有功功率和无功功率标幺值;为配水系统接入电网节点i的电锅炉功率标幺值;
配水系统环路压力不平衡量方程如下所示:
2)建立由电力系统雅克比矩阵、电-水耦合环节雅克比矩阵、水-电耦合环节雅克比矩阵、配水系统雅克比矩阵组成的复合雅克比矩阵JEW,即:
其中,当节点i≠j时,电力系统雅克比矩阵元素Hij、元素Jij、元素Nij、元素Lij如下所示:
当节点i=j时,电力系统雅克比矩阵元素Hii、元素Jii、元素Nii、元素Lii如下所示:
电-水耦合环节雅克比矩阵元素如下所示:
水-电耦合环节雅克比矩阵元素为0;
配水系统雅克比矩阵分为节点部分和环路部分,其中节点部分为节点-支路关联矩阵AW,环路部分由环路-支路关联矩阵BW元素bW、管道支路雅克比元素、水泵支路雅克比元素组成;
其中,节点-支路关联矩阵AW的元素aW,ij如下所示:
环路-支路关联矩阵BW的元素bW,Ll如下所示:
管道支路雅克比矩阵的元素如下所示:
水泵支路雅克比矩阵的元素如下所示:
3)根据下式计算待求变量的修正量,即电压和管道流量修正量ΔX:
ΔX=-J-1ΔF (39)
其中,解算后的电压和管道流量修正量ΔX如下所示:
4)更新变量值Xk+1,即:
Xk+1=Xk+ΔXk (41)
式中,k表示迭代次数,当k=1时,X(k)中各元素为电-水联合系统各状态变量初值;
5)判断max(|ΔF|)<ε是否成立,若是,则进入步骤6),否则,返回步骤1);ε为收敛精度;
6)将当前变量值输入到电力系统潮流模型中,计算平衡节点有功功率和无功功率、PV节点无功功率和所有支路功率;
将当前变量值输入到公式(13)和公式(14)中,计算配水系统所有节点的水头;
7)根据步骤6)的计算结果,计算状态变量的有名值。
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