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。     

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。     

综合能源配电系统运行域模型

综合能源配电系统(IEDS)是未来配电系统的一种可行发展形态,多能耦合在改善经济性、综合能效等方面的同时,也给系统的安全稳定运行带来诸多挑战。为研究系统的最大运行边界,基于电、气、热典型能源耦合的IEDS形态分析,提出IEDS运行域的概念与模型。考虑到能量枢纽(EH)的地理分隔与能源调控作用,将安装有自动化控制装置的EH输入侧联络线功率集合定义为工作点。进而以EH为调控手段,重点关注电压约束,提出运行域工作点电压边界遍历仿真求解算法。最后,以典型电-气耦合IEDS为例,求解不同观测变量构成的多种运行域,并进一步分析多能流约束、多能负荷变化以及热电比可调模式对运行域的影响。计算结果表明,所提方法可以准确描述系统的运行状态与可行边界,其结果可为调度人员提供一定的理论指导。     

面向能源互联网的综合能源系统规划研究综述

能源互联网是满足能源消费需求,打造未来可持续发展能源生态圈的关键所在。综合能源系统作为能源互联网的根本物理实现,对其进行合理规划是实现多能源间协调高效、低碳运行的基本保障。首先,概述了各能源子系统的基本规划方法与综合能源系统联合规划的框架,梳理了系统间耦合环节模型。其次,按耦合子系统类型分类,对"电-气""电-气-热/冷"的耦合系统的联合规划文献进行了详细地综述和分析。最后,提出了对综合能源系统联合规划领域的未来展望。     

计及可替代负荷的电-气综合能源系统可靠性评估

随着电力系统与天然气系统耦合关系逐渐加深,通过引导用户改变用能行为,可以增强电-气综合能源系统互联互济的能力,同时也必将对耦合系统的可靠性产生影响。文章重点研究了可替代负荷对电-气综合能源系统可靠性的影响,基于用户可控性和负荷替代前后能源消耗量变化的特点,建立了计及可替代负荷的综合能源系统最优切负荷模型,为系统提供最优切负荷策略。基于非序贯蒙特卡洛法,提出了计及可替代负荷的电-气综合能源系统可靠性评估指标和算法。算例分析表明,可替代负荷用户通过对电力系统和天然气系统用能的双向选择,减少了2个子系统之间能量转化产生的损耗,及时满足了用户的用能需求,更好地提高了系统的经济性和可靠性,为电-气耦合系统规划和运行提供了参考。     

计及灵活性与可靠性的综合能源系统优化调度

高比例可再生能源不断并网使得系统的不确定性问题日益突出，对系统的供能能力和响应能力均提出了更高的要求。为满足系统高灵活性与高可靠性的需求，充分挖掘电-气-热多种能源间的耦合和互补协调的能力，提出了一种考虑运行灵活性与供能可靠性约束的综合能源系统优化调度模型，在明晰灵活性和可靠性两者概念内涵的基础上，提出了提升灵活性与可靠性的相互影响机理。据此，文中分别推导了运行灵活性与可靠性的评价指标，并定义了表征二者相互影响关系的协调指标。在此基础上，采用成本效益分析法和等响应风险方法构建了计及运行灵活性与供能可靠性协调效应的综合能源系统优化调度模型，并采用增量线性化方法对模型中的非线性项进行了处理，进而通过混合整数线性规划法直接求解。最后，以改进的电-气-热IES 24-20-16系统和电-气-热IES 118-20-16系统为例，验证了所提模型和方法的可行性。     

电-气互联综合能源系统安全分析与优化控制研究综述

综合能源系统为提高能源利用效率、多能互补及构建低碳可持续能源系统奠定了基础,然而值得注意的是,深度耦合的多能源系统亦面临着不可忽视的运行风险,尤其当耦合系统之间缺乏有效的协同安全控制策略。鉴于此,综述了电-气互联综合能源系统安全分析与优化控制研究,介绍了电-气互联综合能源系统稳态与暂态潮流模型,包括非线性、线性及凸松弛模型;介绍了电-气互联综合能源系统安全分析研究,包括状态估计、安全评估、可靠性分析及韧性分析;介绍了电-气互联综合能源系统优化控制研究,提出了多时段滚动预防与校正控制模型;展望了电-气互联综合能源系统安全分析与优化控制未来可深入研究的方向。     

极端事件下电-气混联综合能源系统的恢复力分析

针对电-气混联综合能源系统在极端事件下的恢复力问题展开研究。对自然灾害类的极端事件进行分类,并提出了综合能源系统的恢复力指标和分析框架。在此基础上,采用网络栅格法模拟自然灾害对能源系统的破坏情况,针对地表自然灾害和地质自然灾害分别提出了三状态和四状态的马尔科夫状态转移模型。构建了综合能源系统的最小切负荷模型,通过蒙特卡洛模拟计算恢复力指标。最后,采用IEEE30节点的输电网和13节点的输气网构成的电-气混联综合能源系统作为算例,验证了提出的综合能源系统恢复力分析方法的有效性和实用性。结果表明,电网和气网耦合运行具备更强的恢复力,且随受灾程度的加深,耦合运行对恢复力的增强效果会减弱。     

计及运行风险与韧性的综合能源系统薄弱环节辨识

能源转型大环境下,综合能源系统得到了快速发展,多能流耦合的运行模式增加了运行的复杂性。当出现随机因素扰动时,综合能源系统的安全稳定运行会遇到威胁。针对这一问题,文中提出了综合考虑运行风险与韧性的综合能源系统薄弱环节辨识方法。首先,引入了基于半不变量法的电-热-气耦合综合能源系统概率多能流计算模型,基于概率多能流提出正常运行情况下的运行风险评估指标和评估方法。然后,针对极端灾害下的故障,从鲁棒性角度提出运行韧性评估指标。最后,综合考虑源荷随机变化和随机故障的不确定性扰动,提出风险-韧性双维度综合指标,判断综合能源系统的薄弱点。算例分析表明,所提计及风险和韧性的薄弱点辨别评估方法可以量化分析综合能源系统的薄弱环节,验证了所提方法的有效性。     

计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估

气电耦合系统中电转气负荷与气转电负荷为故障在电网与气网间的传播提供了通道,将电转气负荷与气转电负荷统称为能源转换负荷,其在电、气负荷中的占比与在阻断控制过程中的切除优先度可能对耦合系统连锁故障的传播特性带来无法忽视的影响。为此,提出了一种计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估方法。首先,提出能源转换负荷占比与切除优先度模型,分析不同占比与切除优先度下故障在电、气网间连锁传播的机理与特性。然后,分别建立基于能源转换负荷占比与切除优先度的电力系统优化调度模型与天然气系统优化调度模型,两者交替迭代模拟连锁故障演化过程。基于此,提出表征拓扑完整性与物理运行特性的指标以定量评估连锁故障风险,从而构建气电耦合系统连锁故障评估模型。最后,利用IEEE RTS 24节点系统与29节点天然气系统构造气电耦合测试系统,通过对比不同场景,验证了所提方法可有效揭示能源转换负荷对连锁故障的影响。     

考虑P2G的电-气综合能源系统分布式最优能量流

由电力系统和天然气系统耦合构成的电-气综合能源系统是“能源互联网”的重要组成部分,是实现能源低碳、高效、环保利用的关键环节。本文提出了一种考虑电转气(power to gas, P2G)的电-气综合能源系统分布式最优能量流模型及分布式求解算法。首先对P2G技术中的电转甲烷技术进行简单的概述;其次,以电-气综合能源系统的运行成本为优化目标,综合考虑电力系统、天然气系统运行约束及能量耦合约束,建立电-气综合能源系统的最优能量流(optimal energy flow, OEF)模型;针对电力系统和天然气系统归属于不同利益主体的特点,提出了基于交替方向乘子法(alternating direction multiplier method, ADMM)的OEF模型求解方法;最后,在IEEE-39节点电力系统和修改的比利时20节点天然气系统组成的电-气综合能源系统进行算例分析,仿真结果表明,考虑P2G的OEF模型可充分提高系统运行经济性,本文的模型求解算法在保证精度的情况下大大提高了计算的求解速度。     

综合能源系统控制自由度指标及其对经济调度的影响

综合能源系统通过多能流耦合转化，向用户提供多样化的能源供给服务。相比传统的独立供能系统，综合能源系统具有更大的控制自由度。针对如何衡量系统的控制自由度这一问题，首先提出了表征多能流相互转换能力的可转换性指标，以及表征用户侧选择能源空间的可替代性指标，并给出了这两个指标的计算方法。其次，考虑控制自由度对于综合能源系统优化运行的影响，建立了冷-热-电-气综合能源系统的经济调度模型。最后对算例进行仿真分析，结果证明提高综合能源系统的可转换性和可替代性两个控制自由度指标可以降低系统的经济调度成本。     

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。     

基于异质依存网络的电-气区域综合能源系统弹性评估

含多耦合节点的区域综合能源系统存在多能量形式的深度耦合,节点连接关系更加复杂,难以直接利用单一网络进行计算和评估。基于异质依存网络进行电–气区域综合能源系统弹性评估。首先,基于耦合元件的电气解耦,建立了电–气区域综合能源系统的双层异质依存网络模型,并转化为双层双向图;其次,提出综合考虑脆弱性和恢复力的弹性指标,采用复数形式表示并基于双层双向图进行弹性指标计算,再提出几何平均G1-反熵权法计算得到综合弹性值。最后,通过电–气区域综合能源系统弹性评估算例,验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于多能流解耦算法的综合能源系统N-1静态安全分析

综合能源框架下,各能源子系统间的能量交互更加频繁,多能流协同运行在提高运行能效的同时,也使传统面向单一能源子系统的安全性分析方法难以适用,有必要针对电—气—热的综合能源系统静态安全问题进行深入分析。首先,建立含电、气、热的综合能源系统数学模型,计算综合能源系统静态多能流;其次,针对综合能源系统耦合元件提出互济控制模式和保护控制模式两种控制模式;在此基础上,建立预想事故集,对综合能源系统进行静态N-1安全校核;通过分析综合能源系统的静态N-1安全校核结果,探究耦合元件退出运行以及耦合元件不同控制模式对综合能源系统运行安全性的影响;最后,通过IES 14节点测试系统算例对所提出的综合能源系统N-1静态安全分析方法的准确性和有效性进行了分析、验证。     

电-氢-碳综合能源系统协同经济调度

在“双碳”背景下,为优化能源结构,提高可再生能源消纳,进而促进综合能源系统的碳减排工作,提出了一种基于碳捕集和电-氢-气双向转换的电氢碳协同运行的低碳经济调度模式。首先分析电转气两阶段过程中分别耦合氢储能、氢燃料电池以及碳捕集设备的运行机理,构建以清洁能源为主的能源供应和以电、热、冷、气负荷为终端消费的综合能源系统的能量流模型;然后针对其参与碳排放权交易市场,分析碳交易机制下系统各设备的碳成本;最后构建以运行维护成本、购能成本、环境成本和售氢收益之和最小的低碳经济运行数学模型,综合考虑设备约束和系统的能量平衡约束,分析对比不同典型运行模式,验证了所提调度模型的消纳特性、环保性和经济性。     

计及电-气双向耦合的综合能源配电网优化重构

摘要：综合能源系统是实现电网、气网以及热网等多种能源系统深度融合,利用能量耦合互补等优势提升整个系统能源利用效率的有效形式。为提升综合能源系统优化运行能力,本文首先基于电转气技术与天然气发电技术,构建了的电-气双向耦合综合能源系统总体模型。进而考虑配电网重构技术（Distribution Network Reconfiguration Technology,DNR）中拓扑结构灵活可控这一特性,在配电子系统中引入开关变量、系统运行总费用最低这一目标函数及网络辐射状拓扑结构等约束,建立了配电子系统重构模型。从降低模型求解复杂性的角度,应用二阶锥松弛、乘积变量线性化及分段线性化等方法,将原始综合能源配电网重构非凸非线性模型转化为混合整数二阶锥规划（Mixed integer second-order cone programming,MISOCP）问题求解。仿真结果表明,在电-气双向耦合的综合能源系统中应用配电网重构技术,能够降低综合能源系统运行费用,同时有效支撑了配电子系统电压与配气子系统气压。     

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。     

基于气网动态精细化建模的区域电-气综合能源系统机会约束最优能流计算

随着国家能源转型和“双碳”目标的逐步实施,燃气发电在我国电力系统装机中占比不断提高,日益密切的电、气耦合关系使电-气综合能源系统受到更多关注。为此,研究了考虑气网动态精细化建模对含出力不确定的分布式新能源发电的区域电-气综合能源系统运行策略的影响。提出考虑管道气流方向灵活可变的气网动态复频域建模方法,提升了电-气最优能流的计算精度;采用机会约束建立分布式新能源发电不确定性对电网和气网运行影响的模型;算例测试结果表明气网动态精细化模型可有效提升区域电-气综合能源系统对运行不确定性的应对能力。     

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。