一種電-氣耦合多能流網絡狀態估計方法
【專利摘要】本發明涉及一種電?氣耦合多能流網絡估計方法，屬于綜合能源系統的運行和控制技術領域。本方法彌補了氣網在狀態估計方面的空白，形成了一種考慮電網和氣網間耦合關系的電?氣耦合多能流狀態估計。與單獨狀態估計相比，本方法有利于提高網絡的估計效果，尤其在電?氣耦合多能流網絡端口量測不準確的情況下，本方法具有明顯的優越性。目前氣網的自動化水平尚且不能滿足本方法的需求，本方法的應用需要在氣網安裝更多的量測設施。成功在電?氣耦合多能流網絡應用本方法后，可以得到精度更高的全局一致基態潮流解，為后續的電?氣耦合多能流網絡在線安全評估、優化調度打下基礎。
【專利說明】
一種電-氣耦合多能流網絡狀態估計方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種電-氣耦合多能流網絡估計方法，屬于綜合能源系統的運行和控 制技術領域。
【背景技術】
[0002] 由于燃氣發電機的成本較低，對環境的影響較小，燃氣站的建造周期較短等優勢， 在世界范圍內，天然氣應用中用于發電的比例逐漸上升，在電力系統能源供給中也占據了 越來越重要的地位，因此，電力網絡與天然氣網絡之間的耦合程度逐漸加深，相互之間的影 響與依賴性也愈來愈強。鑒于能源資源條件的限制，我國的能源消費結構在未來相當長的 一段時間內仍然以煤炭為主，但是環境保護及可持續發展戰略都要求我國必須加快改善能 源結構的步伐。在一次能源消費結構中，提高天然氣等可再生的清潔能源的比重，而降低煤 炭的比重。
[0003] 目前，對于電-氣耦合多能流網絡的建模和潮流計算已經有了一系列的研究成果。 然而，由于氣網自動化水平低，實現像電網一樣自動化運行還有很長一段距離。為實現電-氣耦合多能流網絡的自動化，狀態估計是一項基礎技術，而氣網在狀態估計方面的研究還 非常空白。
[0004] 狀態估計可以充分利用系統的量測冗余，更準確地了解網絡的運行狀態，是系統 運行中的基礎部分。在電力系統中，很早就已經引入了狀態估計，目前有關電力系統狀態估 計的研究已趨于成熟，不論是計算速度還是壞數據辨識等方面都有相應的解決措施。對電-氣耦合多能流網絡引入電-氣聯合狀態估計，可以得到精度更高的全局一致基態潮流解，為 后續的電-氣耦合多能流網絡在線安全評估、優化調度打下基礎。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提出一種電_氣耦合多能流網絡估計方法，彌補現有領域研究的 空白，實現對電-氣耦合多能流網絡運行狀態更準確的監控，得到的全局一致基態潮流解， 為后續的電-氣耦合多能流網絡在線安全評估、優化調度打下基礎。
[0006] 本發明提出的電-氣耦合多能流網絡估計方法，包括以下步驟：
[0007] (1)建立一個電-氣耦合多能流狀態估計的目標函數，如下： -? 「弋⑷、、
[0008] mm(( - ,) R { -,,、）） Lzd LW」 LZJ LM~)」
[0009] 其中：Z(5為電網量測值，包括電-氣耦合多能流網絡的電網中第i個節點的電壓幅 值Vi、有功功率Pi和無功功率Qi以及電網第i個節點和第j個節點間支路ij的有功功率Pij和 無功功率QU，上述電網量測值從電-氣耦合多能流網絡的電網的數據采集與監視控制系統 中采集 ;Zg為氣網量測值，包括電-氣耦合多能流網絡的氣網中第k個節點的壓強pk和注出流 量L k以及氣網中第k個節點和第1個節點間管道kl的流量fkl，上述氣網量測值從電-氣耦合 多能流網絡的氣網的數據采集與監視控制系統中采集;^為電網狀態量，ejT，％、 I分別為電網第i個節點的電壓幅值和相角，Xg為氣網狀態量，xg=[pk]T，pk為氣網第k個節 點的壓強，R為量測值的協方差矩陣，T為矩陣轉置，為電網潮流計算方程： 'd 唞- % + 5".如說-
[0010] Q^V^V^niO^O^-B^om-OS) 4 cos(4 ―沒,.）十 5" sin(6^..-沒,..).） Qli=yr(Bli-h) + sin(6? - - 5 cos(6> -Oj))
[0011]上述電網潮流計算方程中，Gl偽電網節點導納矩陣Y第i行、第j列元素的實部，Bu 為電網節點導納矩陣Y第i行、第j列元素的虛部，電網節點導納矩陣Y從電網調度中心獲取； b。為電網支路的等效對地電納，從電網調度中心獲取，
[0012] hg為氣網潮流計算方程：
[0014] 上述氣網潮流計算方程中
，妒1為第k個節點 和第1個節點之間管道kl的管道直徑，Lkl為第k個節點和第1個節點之間管道kl的管道長 度，y C為天然氣比重，Ta為天然氣平均溫度，Tn為天然氣標準狀態下的溫度，取值為288開爾 文，Pn為天然氣標準狀態下的壓力，Pn的取值為〇. IMpa，Zg為天然氣平均可壓縮系數，Zg的取 值范圍為〇~1，F為管道內壁的摩擦系數
》Re為雷諾數，Re的取值范 圍在3500以上，Ef為管道的效率系數，Ef的取值為0.92,當（/<-/，）20時，氣網潮流計算方 程中的sgnP (pk，pi) = 1，當(ft2 -內2) < 〇時，氣網潮流計算方程中的sgnP (pk，pi) = -1;
[0015] (2)建立電-氣耦合多能流網絡狀態估計的約束條件，包括：
[0016] (2-1)電-氣耦合多能流網絡中氣網的壓縮機耗能約束：
[0018] 其中：Pf、Pt分別為氣網中壓縮機的首端節點和末端節點的壓強，BHP為壓縮機的能 耗，壓縮機耗能由電動機或燃氣輪機提供，為壓縮機的入口流量，n。為壓縮機的總效率， 取值范圍為〇~l，c k為該壓縮機的多變系數，與壓縮機中的氣體壓縮過程有關，取值范圍為 1.2 ~1.5;
[0019] 若由電動機提供氣網中的壓縮機耗能，則電動機消耗電-氣耦合多能流網絡中電 網節點的有功功率滿足以下關系：
[0020] Pcomp = Kc〇mPBHP
[0021] 其中：？。。_為電動機消耗電網節點的有功功率，1(。。_為壓縮機電能消耗系數，由壓 縮機的出廠說明書獲得；
[0022]若由燃氣輪機提供氣網中的壓縮機耗能，則將該約束放入步驟（1)中氣網潮流計 算方程中，燃氣輪機消耗電-氣耦合多能流網絡中氣網節點的燃氣滿足以下關系：
[0023] fc = ac+PcBHP+y c(BHP)2
[0024] 其中：fc為燃氣輪機消耗氣網節點的燃氣，ac、&和y c分別為氣網中壓縮機的氣體 消耗系數，由壓縮機的出廠說明書獲得；
[0025] (2-2)電-氣耦合多能流網絡中的燃氣輪機約束：
[0026] PTl，Chfl-CJ;-u，CjTur
[0027] 其中，fTur為燃氣輪機的燃氣流量，PTur為燃氣輪機的有功功率輸出，&、(： 2和(：3分別 為燃氣輪機的燃氣系數，由燃氣輪機的出廠說明書獲取；
[0028] (3)利用拉格朗日乘子法將步驟(2)中的約束條件和步驟(1)中的目標函數構成一 個拉格朗日函數，拉格朗日函數的構造方法已在數學界的最優化理論中有了詳細說明，利 用牛頓-拉夫遜法，求解該拉格朗日函數，得到電-氣耦合多能流網絡狀態估計的結果。
[0029] 本發明提出的電-氣耦合多能流網絡狀態估計方法，其特點和效果是:本方法彌補 了氣網在狀態估計方面的空白，形成了一種考慮電網和氣網間耦合關系的電-氣耦合多能 流狀態估計。與單獨狀態估計相比，本方法有利于提高網絡的估計效果，尤其在電-氣耦合 多能流網絡端口量測不準確的情況下，本方法具有明顯的優越性。目前氣網的自動化水平 尚且不能滿足本方法的需求，本方法的應用需要在氣網安裝更多的量測設施。成功在電-氣 耦合多能流網絡應用本方法后，可以得到精度更高的全局一致基態潮流解，為后續的電-氣 耦合多能流網絡在線安全評估、優化調度打下基礎。
【具體實施方式】
[0030] 本發明提出的電-氣耦合多能流網絡估計方法，包括以下步驟：
[0031 ] (1)建立一個電-氣耦合多能流狀態估計的目標函數，如下：
[0032] mm((-,,、）及（一"、）） W L~」lAh)」
[0033] 其中：Z(5為電網量測值，包括電-氣耦合多能流網絡的電網中第i個節點的電壓幅 值Vi、有功功率Pi和無功功率Qi以及電網第i個節點和第j個節點間支路ij的有功功率Pij和 無功功率QU，上述電網量測值從電-氣耦合多能流網絡的電網的數據采集與監視控制系統 中采集 ;Zg為氣網量測值，包括電-氣耦合多能流網絡的氣網中第k個節點的壓強pk和注出流 量L k以及氣網中第k個節點和第1個節點間管道kl的流量fkl，上述氣網量測值從電-氣耦合 多能流網絡的氣網的數據采集與監視控制系統中采集;為電網狀態量，ejT，％、 I分別為電網第i個節點的電壓幅值和相角，xg為氣網狀態量，xg=[Pk]T，p k為氣網第k個節 點的壓強，R為量測值的協方差矩陣，T為矩陣轉置，為電網潮流計算方程： ^ ^Zcos^-O^ + B^mW-e^)
[0034] cos(^ - ^,)) p" = f (i?" - A )十!//,.(G〃. sin⑷一) - /i". c〇S(6 -弋））
[0035]上述電網潮流計算方程中，Gi偽電網節點導納矩陣Y第i行、第j列元素的實部， 為電網節點導納矩陣Y第i行、第j列元素的虛部，電網節點導納矩陣Y從電網調度中心獲取； b。為電網支路的等效對地電納，從電網調度中心獲取，
[0036] hg為氣網潮流計算方程：
[0038] 上述氣網潮流計算方程中：
，妒1為第k個節點 和第1個節點之間管道kl的管道直徑，Lkl為第k個節點和第1個節點之間管道kl的管道長度， y C為天然氣比重，Ta為天然氣平均溫度，Tn為天然氣標準狀態下的溫度，取值為288開爾文， Pn為天然氣標準狀態下的壓力，Pn的取值為〇. IMpa，Zg為天然氣平均可壓縮系數，Zg的取值 范圍為〇~1，F為管道內壁的摩擦系數，
，Re為雷諾數，Re的取值范圍 在3500以上，Ef為管道的效率系數，Ef的取值為0.92，當（凡:2 〇時，氣網潮流計算方程 中的sgnP(pk，pi) = 1，當(八-仍2) <_ 〇時，氣網潮流計算方程中的sgnP(pk，pi) = -1;
[0039] (2)建立電-氣耦合多能流網絡狀態估計的約束條件，包括：
[0040] (2-1)電-氣耦合多能流網絡中氣網的壓縮機耗能約束：
[0042]其中：pf、pt分別為氣網中壓縮機的首端節點和末端節點的壓強，BHP為壓縮機的 能耗，壓縮機耗能由電動機或燃氣輪機提供，為壓縮機的入口流量，n。為壓縮機的總效 率，取值范圍為〇~i，ck為該壓縮機的多變系數，與壓縮機中的氣體壓縮過程有關，取值范 圍為1.2~1.5;
[0043] 若由電動機提供氣網中的壓縮機耗能，則電動機消耗電-氣耦合多能流網絡中電 網節點的有功功率滿足以下關系：
[0044] Pcomp = Kc〇mPBHP
[0045] 其中：P_PS電動機消耗電網節點的有功功率，1(。。_為壓縮機電能消耗系數，由壓 縮機的出廠說明書獲得；
[0046] 若由燃氣輪機提供氣網中的壓縮機耗能，則將該約束放入步驟（1)中氣網潮流計 算方程中，燃氣輪機消耗電-氣耦合多能流網絡中氣網節點的燃氣滿足以下關系：
[0047] fc = ac+PcBHP+y c(BHP)2
[0048]其中：fc為燃氣輪機消耗氣網節點的燃氣，ac、&和Y c分別為氣網中壓縮機的氣體 消耗系數，由壓縮機的出廠說明書獲得；
[0049] (2-2)電-氣耦合多能流網絡中的燃氣輪機約束：
[0050]
[0051] 其中，fTur為燃氣輪機的燃氣流量，PTur為燃氣輪機的有功功率輸出，&、(： 2和(：3分別 為燃氣輪機的燃氣系數，由燃氣輪機的出廠說明書獲取；
[0052] (3)利用拉格朗日乘子法將步驟(2)中的約束條件和步驟(1)中的目標函數構成一 個拉格朗日函數，拉格朗日函數的構造方法已在數學界的最優化理論中有了詳細說明，利 用牛頓-拉夫遜法，求解該拉格朗日函數，得到電-氣耦合多能流網絡狀態估計的結果。
【主權項】
1. 一種電-氣耦合多能流網絡狀態估計方法，其特征在于該方法包括以下步驟： (1) 建立一個電-氣耦合多能流狀態估計的目標函數，如下：其中：Ze為電網量測值，包括電-氣耦合多能流網絡的電網中第i個節點的電壓幅值Vi、 有功功率Pi和無功功率Qi以及電網第i個節點和第j個節點間支路ij的有功功率Pij和無功 功率QU，上述電網量測值從電-氣耦合多能流網絡的電網的數據采集與監視控制系統中采 集;z g為氣網量測值，包括電-氣耦合多能流網絡的氣網中第k個節點的壓強pk和注出流量Lk 以及氣網中第k個節點和第1個節點間管道kl的流量fkl，上述氣網量測值從電-氣耦合多能 流網絡的氣網的數據采集與監視控制系統中采集; Xe3為電網狀態量，Xe3=[Vl 別為電網第i個節點的電壓幅值和相角，xg為氣網狀態量，xg=[Pk]T，pk為氣網第k個節點的 壓強，R為量測值的協方差矩陣，T為矩陣轉置，為電網潮流計算方程：上述電網潮流計算方程中，Gi偽電網節點導納矩陣Y第i行、第j列元素的實部幾偽電 網節點導納矩陣Y第i行、第j列元素的虛部，電網節點導納矩陣Y從電網調度中心獲取;b。為 電網支路的等效對地電納，從電網調度中心獲取， hg為氣網潮流計算方程：上述氣網潮流計算方程中：Dkl為第k個節點和第1 個節點之間管道kl的管道直徑，Lkl為第k個節點和第1個節點之間管道kl的管道長度，丫^為 天然氣比重，Ta為天然氣平均溫度，Tn為天然氣標準狀態下的溫度，取值為288開爾文，？"為 天然氣標準狀態下的壓力，p n的取值為〇. IMpa，Zg為天然氣平均可壓縮系數，Zg的取值范圍 為0~1，F為管道內壁的摩擦系勠Re為雷諾數，Re的取值范圍在 3500以上，Ef為管道的效率系數，Ef的取值為0.92，當(么2 - 0時，氣網潮流計算方程中 的sgnp (pk，pi) = 1，當) _< _〇時，氣網潮流計算方程中的sgnp (pk，pi) = -1; (2) 建立電-氣耦合多能流網絡狀態估計的約束條件，包括： (2-1)電-氣耦合多能流網絡中氣網的壓縮機耗能約束：其中：pf、pt分別為氣網中壓縮機的首端節點和末端節點的壓強，BHP為壓縮機的能耗， 壓縮機耗能由電動機或燃氣輪機提供，於為壓縮機的入口流量，η。為壓縮機的總效率，取值 范圍為0~l，Ck為該壓縮機的多變系數，與壓縮機中的氣體壓縮過程有關，取值范圍為1.2 ~1 · 5; 若由電動機提供氣網中的壓縮機耗能，則電動機消耗電-氣耦合多能流網絡中電網節 點的有功功率滿足以下關系： Pcomp 一 KcompBHP 其中：p_PS電動機消耗電網節點的有功功率，1(。。_為壓縮機電能消耗系數，由壓縮機 的出廠說明書獲得； 若由燃氣輪機提供氣網中的壓縮機耗能，則將該約束放入步驟（1)中氣網潮流計算方 程中，燃氣輪機消耗電-氣耦合多能流網絡中氣網節點的燃氣滿足以下關系： fc = ac+0cBHP+yc(BHP)2 其中：fc為燃氣輪機消耗氣網節點的燃氣，ac、說和γ c分別為氣網中壓縮機的氣體消耗 系數，由壓縮機的出廠說明書獲得； (2 - 2)電-氣耦合多能流網絡中的燃氣輪機約束：其中，fTUr為燃氣輪機的燃氣流量，PTur為燃氣輪機的有功功率輸出，&、(： 2和(：3分別為燃 氣輪機的燃氣系數，由燃氣輪機的出廠說明書獲取； (3)利用拉格朗日乘子法將步驟(2)中的約束條件和步驟（1)中的目標函數構成一個拉 格朗日函數，拉格朗日函數的構造方法已在數學界的最優化理論中有了詳細說明，利用牛 頓-拉夫遜法，求解該拉格朗日函數，得到電-氣耦合多能流網絡狀態估計的結果。
【文檔編號】H02J3/06GK105958531SQ201610364751
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】孫宏斌, 郭慶來, 王彬, 董今妮, 潘昭光
【申請人】清華大學