基于改进K-means聚类技术与半不变量法的电–气综合能源系统运行风险评估方法

实现综合能源系统多能源优化管理和运行控制需要快速准确量化评估系统的运行风险。针对电力系统和天然气系统耦合形成的电–气互联综合能源系统,该文提出基于改进K-means聚类技术与半不变量法的综合能源系统运行风险评估方法。在分析电–气互联综合能源系统运行特性的基础上,选取支路功率、节点电压、系统频率和节点气压为系统运行风险指标。引入灵敏度修正系数对K-means算法进行改进,消除不同变量的数值尺度差异,并使得聚类结果中具有较大灵敏度的输入随机变量样本具有较小的波动范围。在此基础上,应用半不变量法快速计算电–气综合能源系统状态变量概率分布,进而求解出系统运行风险。算例结果表明:提出的综合能源系统运行风险评估量化计算方法能够有效提升运行风险指标的计算精度和计算效率,满足在线风险评估的要求。     

计及相关性的电-气互联区域综合能源系统概率多能流计算

可再生能源的规模化接入增加了电-气互联区域综合能源系统中的不确定性,同时随着电力系统和天然气系统耦合程度的加深,耦合环节负荷的波动对整个电-气互联区域综合能源系统能流产生的影响日趋显著。首先,建立基于能源集线器模型的电-气互联区域综合能源系统稳态多能流计算模型;在此基础上,考虑可再生能源出力、电力系统负荷、天然气系统负荷和耦合环节负荷的波动性,并计及电力系统负荷和天然气系统负荷间的相关性,提出电-气互联区域综合能源系统中输出状态变量半不变量的计算方法;最后使用Cornish-Fisher级数展开法来拟合输出状态变量,得到输出状态变量的概率分布。在修改后的IEEE 33节点配电网络与天然气11节点网络耦合而成的电-气互联区域综合能源系统上进行算例分析,验证了所提方法的有效性、快速性和实用性,同时分析了耦合环节负荷不同波动水平和电力系统负荷与天然气系统负荷间相关性水平对概率多能流计算结果的影响。     

计及大规模新能源接入的电–气耦合综合能源系统稳定性评估EI北大核心CSCD

在新能源渗透率不断提高及能源耦合越来越紧密的背景下,针对典型电–气耦合综合能源系统(electro-gas coupled integrated energy system,EGCIES),提出一种基于大规模新能源并网的电–气耦合综合能源系统稳定性评估方法。首先给出电–气耦合综合能源系统潮流的顺序求解方法,在计及电力系统(electrical power system,EPS)与天然气系统(natural gas system,NGS)能量耦合关系的情况下,考虑新能源机组出力不确定性及电负荷、气负荷的随机波动,求解EGCIES潮流;然后提出了一种最小切负荷策略,在EPS中将三级切负荷策略与改进二分法相结合,并将其应用于NGS系统中,以快速准确求解极端状况下,系统的最小切负荷量;又在电源点、气源点的故障情况下,计及电–气耦合特性,通过所提出的稳定性分析方法,从EPS稳定性、NGS稳定性及EPS与NGS耦合能力多角度定量分析电–气耦合综合能源系统的稳定性,并求解EPS与NGS能量互补的拐点。最后,利用比利时20节点天然气系统及IEEE39节点系统构成电–气耦合综合能源系统,验证了所提方法的有效性。     

考虑电转气消纳风电的电–气综合能源系统双层优化调度

电转气(power-to-gas,P2G)技术使电力网络与天然气网络的单向耦合转变为双向耦合,其运行特性为风电消纳提供了有效途径。该文提出一种考虑电转气合理利用弃风并考虑天然气系统优化运行的电力–天然气综合能源系统双层优化调度模型。首先,介绍含电转气的天然气系统运行模型;其次,以基于价格的含电转气的天然气系统优化调度为上层模型,基于直流潮流的含风电和电转气的电力系统经济调度为下层模型,构建电–气综合能源系统双层调度模型;再次,根据下层模型的Karush-Kuhn-Tucher(KKT)条件将双层模型转化为单层模型,并对非线性方程进行线性化,从而将非线性模型转化为混合整数线性规划(mix-integerlinear programming,MILP)问题,并调用CPLEX求解器进行求解;最后,通过算例分析验证所提出模型的合理性与有效性,并证明电转气可以有效提高电网的风电消纳能力。     

考虑网络约束的能量枢纽灵活性价值评估

分布式能源快速增长使配电系统灵活性需求剧增。能量枢纽因其在多能源调度运行和能量管理方面的巨大潜力而得到广泛关注。该文从配电网运行角度建立能量枢纽灵活性价值评估指标为：可再生能源削减量、失负荷量和线路拥塞程度,并基于此分析能量枢纽灵活性为区域配电系统带来的价值。首先,考虑冷热电联供为核心的能量枢纽,基于耦合矩阵建立能量枢纽灵活性耦合关系模型。接着,考虑可再生能源出力的不确定性,计及电–气网潮流约束建立多能源系统运行优化模型。优化模型引入3个评估指标作为松弛变量,既能反映系统的灵活性不足,又能在数学上保证优化问题有解。最后,提出基于惩罚–凸–凹流程的求解算法处理耦合网络约束中的非凸项。算例表明,考虑源侧电–气耦合和荷侧电–热–冷、气–热–冷互补的能量枢纽灵活性在促进可再生能源消纳、避免失负荷和缓解线路拥塞方面起到积极作用。     

计及大规模新能源接入的电–气耦合综合能源系统稳定性评估

在新能源渗透率不断提高及能源耦合越来越紧密的背景下,针对典型电–气耦合综合能源系统(electro-gas coupled integrated energy system,EGCIES),提出一种基于大规模新能源并网的电–气耦合综合能源系统稳定性评估方法。首先给出电–气耦合综合能源系统潮流的顺序求解方法,在计及电力系统(electrical power system,EPS)与天然气系统(natural gas system,NGS)能量耦合关系的情况下,考虑新能源机组出力不确定性及电负荷、气负荷的随机波动,求解EGCIES潮流;然后提出了一种最小切负荷策略,在EPS中将三级切负荷策略与改进二分法相结合,并将其应用于NGS系统中,以快速准确求解极端状况下,系统的最小切负荷量;又在电源点、气源点的故障情况下,计及电–气耦合特性,通过所提出的稳定性分析方法,从EPS稳定性、NGS稳定性及EPS与NGS耦合能力多角度定量分析电–气耦合综合能源系统的稳定性,并求解EPS与NGS能量互补的拐点。最后,利用比利时20节点天然气系统及IEEE39节点系统构成电–气耦合综合能源系统,验证了所提方法的有效性。     

基于需求响应的电-热-气耦合系统综合直接负荷控制协调优化研究

传统能源系统运行、规划局限于电、气、热(冷)等单一能源形式系统,无法充分发挥它们之间互补优势和协同效益。对电–热–气多种能源的优化调度研究,可以实现统筹优化配置,提高多种能源互补利用效率;同时直接负荷控制参与多能源的优化调度为多能源协同调度提供新思路。首先构建了一种电–热–气多源耦合系统结构,分析了供给侧多源耦合系统的特性及需求侧直接负荷控制参与多种能源负荷的特性,其次建立了基于多种能源的直接负荷控制参与电–热–气耦合系统的综合经济优化调度模型;然后仿真分析了电–热–气耦合系统多源互补协调优化调度的场景,以及直接负荷控制参与的电热气耦合调度的特性。结果显示:供应侧多种能源的互支持和备用对于保证多能源系统的安全运行具有重要意义;需求侧调度使供需更趋于平衡,综合直接负荷控制对电–热–气耦合系统需求侧的优化,能够降低峰值负荷,增加需求侧的弹性。     

基于双层优化模型的能源互联网自愈及优化运行策略研究

电网和天然气网通过双向耦合可实现高可靠性运行。为解决电-气耦合的能源互联网故障自愈问题,提出了一种能源互联网自愈及优化运行方法。首先,该方法基于电-气耦合特性,充分利用天然气网对电网的能量补充,在考虑天然气网经济性和新能源出力不确定性的基础上,建立双层优化模型,实现综合能源系统的故障快速自愈及优化运行。上层模型利用基于广度优先搜索法的改进蚁群算法,优化供电恢复路径,得到系统开关状态。下层模型基于电-气耦合特性分析,以天然气网经济性为主要目标,采用条件风险价值理论(conditional value at risk, CVaR),同时考虑新能源出力不确定性带来的运行风险,构建电-气耦合的能源互联网优化重构模型。然后,对双层优化模型进行求解并进行全局优化,得到电-气互联型能量调度最优的故障恢复和优化运行方案。最后,通过IEEE33节点配电网和7节点天然气网耦合的能源互联网仿真模型,验证了所提方法的有效性。     

基于灵敏度分析的综合能源系统运行安全性的研究

基于电-气互联综合能源系统子系统间的灵敏度矩阵,探究了电-气能源子系统间的交互耦合机理,提出一种提升综合能源系统运行安全性的改善措施。首先构建电-气耦合的综合能源系统模型,采用基于扩展牛顿-拉夫逊法的交替求解法求解该综合能源系统的多能流方程;在此基础上,借助综合能源系统灵敏度分析方法计算电压幅值-燃气负荷灵敏度矩阵和天然气系统节点压力-电力系统节点有功灵敏度矩阵,定量描述电、气系统间交互耦合作用机理;然后,通过灵敏度矩阵辨识与薄弱节点密切相关的关键环节,研究提升综合能源系统运行安全性的相关措施。最后,通过IEEE 24节点和比利时20节点天然气系统耦合的IEGES-24系统算例对所提方法进行分析、验证,结果表明所提方法可应用于综合能源系统交互耦合机理揭示和运行安全性分析。     

计及相关性及改进交叉熵法的电-热互联综合能源系统风险评估

电–热互联综合能源系统负荷及风电随机性加剧,导致系统运行风险水平增加。为解决上述问题,提出了一种计及变量相关性及改进交叉熵法的电–热互联综合能源系统风险评估方法。首先,构建了电–热互联综合能源系统潮流模型,采用高斯混合模型建立风电出力不确定性场景,基于概率潮流对系统风险进行评估。接着,针对现有单峰最优抽样函数的交叉熵法在计算多边越限情况下的不足,提出了基于多峰最优抽样函数的改进交叉熵法对系统风险指标进行计算。进一步的,针对目前交叉熵法难以计及变量间的相关性,通过等价转换将相关性样本进行独立性转换,从而有效解决了这一难题。最后,在巴厘岛32节点热网和改进的IEEE-33节点配电网组成的电–热互联综合能源系统中验证了所提方法的有效性。     

基于MES的电-气综合能源系统鲁棒状态估计方法

随着综合能源系统的快速发展,电-气耦合互联系统成为能源互联网体系中的一种典型形式。为保证电-气互联网络安全高效运行,提高智慧能源系统的监控状态感知能力和坏数据防御能力,该文参照电网状态估计方法,分别对电网、气网和耦合元件建立稳态模型。用电网节点电压模值与相角、气网节点压力平方作为状态量,基于最大指数平方法（maximum exponential square,MES）,并考虑电网和气网零注入约束以及边界等式约束,建立了电-气耦合网络的MES状态估计模型,并对电-气耦合网络进行全局统一协调状态估计。基于一个4电网节点-12气网节点耦合系统进行仿真,仿真结果证明了该文所提方法可实现电-气耦合网络运行状态的准确感知,并在此基础上获得电-气耦合网络全局一致解,同时在两者耦合边界还可利用耦合关系,对边界坏数据实现有效辨识。     

基于最大熵原理的电-气综合能源系统概率能量流分析

随着电力系统与天然气系统间耦合程度的日益增强,能源系统间的不确定性因素对电-气综合能源系统(integrated energy systems,IES)运行状态的影响日趋显著,需在其能量流分析中予以考虑。为此,提出一种基于最大熵原理的电-气综合能源系统概率能量流计算方法。首先,考虑燃气机组和电驱动压缩机作为耦合元件,构建电力系统和天然气系统的稳态能量流模型,并提出对应的顺序求解方法;然后,基于风电和不同系统负荷的不确定性模型,提出输出状态变量半不变量的计算方法;在此基础上,基于最大熵原理法计算得到不同系统中节点和支路状态量的概率密度;最后,采用IES 118-20节点和IES 2383-60节点综合能源测试系统对所提算法的准确性和有效性进行分析验证,结果表明,所提算法可实现电–气综合能源系统概率能量流的快速准确计算。     

计及差异化能量惯性的电-热-气综合能源系统日前优化调度

针对不同能源系统的多元异质性,建立了兼顾热力系统源–网–荷以及气网管道差异化能量惯性的电–热–气综合能源系统优化调度方法.首先,针对热惯性展开研究,为克服热传输延时连续性和调度时段离散化的矛盾,提出一种基于流量分段法的热网传输惯性模型,并将该方法引入热源侧的模型构建,进而结合负荷侧的建筑热惯性,共同构建了考虑源–网–荷多种热惯性的热力系统模型.其次,为刻画天然气网络气惯性的动态特征,利用虚拟节点构建稳态模型代替原有的暂态模型,避免了偏微分方程的直接求解,大福降低了计算的难度.最后,基于不同能量惯性全面精确的建模,并综合考虑了各子系统的网络约束和耦合约束,以系统运行成本最小为目标构建了电–热–气综合能源系统日前优化调度模型,并用混合整数线性规划(mixed integer linear programming,MILP)软件进行求解.结合具体算例,研究结果表明精细刻画热、气系统的差异化能量惯性,能够提高电–热–气综合能源系统运行的经济性和灵活性.     

气电耦合综合能源系统供电可靠性评估解析算法

对气电耦合综合能源系统供电可靠性评估进行解析方法研究。首先,研究耦合系统的运行方式,建立气电耦合综合能源系统供电可靠性模型,对耦合系统影响供电可靠性的因素进行了全面的分析。其次,提出气电耦合综合能源系统供电可靠性评估的解析算法。最后,采用比利时20节点天然气系统和IEEE-RBTS Bus-6系统搭建算例进行分析,通过仿真对所提模型和算法进行了验证,并通过不同场景计算结果的对比,详细分析了耦合系统对供电可靠性的影响。     

基于统一潮流模型的电—气耦合综合能源系统静态灵敏度分析

针对典型的电—气耦合综合能源系统,提出一种基于统一潮流模型的静态灵敏度分析方法,用于分析电力与燃气供能系统间的交互作用机理。首先,给出电—气耦合综合能源系统的统一潮流模型。然后,在此基础上,定义电—气耦合综合能源系统的燃气压力—节点注入功率灵敏度矩阵。最后,结合典型场景下的综合能源系统灵敏度指标,分析电网节点注入功率对燃气压力的影响,定位综合能源系统的薄弱环节。算例表明,所提方法可为区域综合能源系统的安全稳定运行提供辅助信息,有效提升了系统的安全性。     

考虑风光出力不确定性的电–气互联系统脆弱线路辨识

在电力系统和天然气系统紧密耦合的背景下,任意子系统中任意脆弱线路的扰动或故障都可能会传播到另一个子系统,进而引起整个电–气互联系统的故障。为此,提出一种电–气互联系统脆弱线路辨识方法。首先,提出考虑风光出力不确定性的电–气互联系统协调调度随机优化模型,求解得到电–气互联系统故障前后的运行状态;而后,基于局部集中度和潮流变化熵分别从拓扑结构脆弱性和运行特性脆弱性两方面分析电–气互联系统中线路的脆弱性,构建综合考虑线路拓扑结构脆弱性和运行特性脆弱性的电–气互联系统线路脆弱度指标,对互联系统的脆弱线路进行辨识。通过计算脆弱线路断开后互联系统的测地线脆弱度(geodesic vulnerability)及供需不平衡量,对所辨识的脆弱线路进行评估。6节点电网–7节点气网和24节点电网–20节点气网2个电–气互联系统的算例分析结果验证了所提脆弱线路辨识方法的有效性。     

基于时间Petri网的电-气综合能源系统薄弱环节辨识

为有效辨识电-气综合能源系统薄弱环节,防止级联性重大事故,提出一种基于时间Petri网的电-气综合能源系统薄弱环节辨识方法。利用Petri网对系统做抽象化建模,确定故障源的关联区域子系统,并构建基于级联故障路径的时间Petri网模型,描述电-气系统故障传播的动态特性和时序差异,将级联危害评价计算融入到Petri网的运行过程中,寻找引发级联失效的关键环节,以IEEE30节点和25节点天然气系统组成的电-气耦合系统仿真分析,验证所提方法的有效性。     

基于复杂网络的电热微网拓扑综合评估方法

针对传统微网评估方法无法适用于多节点耦合电热微网的问题,基于复杂网络理论,建立一类新的电热微网拓扑评估体系及综合评估方法。根据复杂网络中单向图和双向图模型分别对电热微网建模,利用多层依存网络实现电热解耦,根据复数节点度、节点介数、效率系数、介数权重和效率系数权重的节点度等指标,量化节点对微网敏感性、可靠性和经济性的影响,搜寻关键节点,辨识度高,实现对电热微网敏感性、可靠性和经济性的综合评估。实际算例表明,上述方法在单向或双向静态网络中可快速搜寻电网和热网的关键节点,在部分边指向发生变化或单节点故障的情况下仍适用,证明了其作为电热微网内后备资源分配和后备节点选择参考指标的先进性。     

考虑精细模型的电-气综合能源系统优化运行方法

随着电力系统与天然气系统耦合程度的不断加深,电-气综合能源系统的优化运行成为当下研究热点。然而,电力与天然气系统的非凸非线性为模型的优化求解带来了巨大挑战,诸多研究工作对模型做了简化处理可能导致调度策略不可行。为此,文中构建了电-气综合能源系统优化模型,采用较为精细的电网交流潮流模型和气网稳态模型构成电-气综合能源系统模型,并采用粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法进行求解。为考虑复杂的耦合系统约束,文中将基于分别循环迭代的电-气综合能源系统能量流计算方法嵌入粒子群算法中,根据粒子位置得到非平衡机组出力、非平衡气井产气量,通过能量流计算得到系统的运行状态,进而将上下限约束作为罚项添加到粒子的评价函数中,并赋以较高的权重。在仿真验证中,文中将13节点电力网络与7节点天然气网络耦合作为测试系统,验证了优化方法的有效性。     

计及异质气体混合的电–气–热综合能源系统能量流计算方法

随着环境污染与化石能源枯竭的问题凸显,电–气–热多能互补的综合能源系统(integrated energy systems,IES)成为了研究热点。针对IES能量流计算中数学模型详细性问题以及未来电制气(power-to-gas,P2G)广泛应用带来的异质气体注入问题,构建了能反映不同气体成分下P2G效率与不同温度条件下电热泵(electric heat pump,EHP)能效的详细模型,考虑了不同成分气体注入对气体参数与系统运行状态的影响以及相应的建模,在传统天然气系统稳态分析方法的基础上介绍了可以反映异质气体注入对网络状态影响的稳态分析方法。以此为基础提出了计及异质气体混合与耦合元件详细模型的电–气–热IES能量流交替迭代计算方法,并采用电力系统分析综合程序(power system analysis software package,PSASP)实现电力系统的潮流计算。最后通过仿真算例验证了所提方法的有效性。