综合能源系统分析的统一能路理论(三)：稳态与动态潮流计算

潮流计算作为能源网络分析的基础性应用,在各能源网络已形成成熟但不统一的计算模型与方法。为促进不同能源网络研究的学科融合,该文基于统一能路理论,针对天然气网络与供热网络,提出了相适应的潮流计算方法。在此基础上,补充了基值修正的迭代方法以提高潮流计算的精度,并应用了"边值–初值"等效的方法以在动态潮流计算中隐式地给定初始条件。基于统一能路的潮流计算方法不仅统一了不同能源网络的潮流计算,还统一了同一能源网络内的稳态潮流计算与动态潮流计算,奠定了多异质能流在多时间尺度上统一分析的应用基础。此外,相较以有限差分方法为代表的传统动态潮流计算方法,文中所提出的方法在计算性能上实现了显著的提升。     

基于异质能源统一建模方法的天然气网安全域稳态模型

针对综合能源系统中的天然气网安全分析,提出了基于异质能源统一建模方法的天然气网安全域模型。首先,给出了天然气网安全域的基础概念。其次,介绍了异质能源网络综合分析的统一建模方法,在天然气网中表现为气路模型;因此先建立稳态气路模型,在此基础上再建立基于气路的天然气网安全域稳态模型,该模型在安全域方法上实现了天然气网和电力网的数学形式统一。再次,提出了模型的全维求解与降维观测方法。最后,采用经典5节点算例和比利时管网实际算例进行验证,与传统基于管道压降方程的安全域模型对比表明：所提模型方法在保证正确性与精确性的前提下显著提高了计算效率,将为后续综合能源系统安全域的统一建模与分析奠定基础。     

基于能路的综合能源系统安全域稳态建模与求解

安全域是综合能源系统(IES)安全分析的重要手段，但异质能源遵循不同的物理传输过程与数学表征方式，给综合能源系统安全域(IES-SR)的统一建模与求解带来了困难。为此，考虑异质能源传输特征的差异性与网络特征的相似性，提出了多能源耦合系统的基于能路的安全域模型，在稳态建模层面上实现了电-气IES-SR的数学形式统一。首先，给出了电-气IES-SR的基础概念；其次，介绍了异质能源统一建模方法的能路模型，其异质能源网络方程在数学形式上具有一致性；进而，在能路基础上建立了IES-SR模型，实现了电力系统安全域、天然气系统安全域和IES-SR模型的数学形式统一；再次，提出了高维IES-SR安全边界拟合求解方法；最后，采用8节点测试算例和23节点实际算例进行了验证。与现有研究对比表明，文中首次得到了高维安全域的完整解析式，采用线性化方法同时提高了求解效率。所提模型易于扩展至其他类型的能源系统，并为后续考虑动态特性的IES-SR建模奠定了基础。     

综合能源系统分析的统一能路理论(二):水路与热路

供热网络是综合能源系统的重要组成部分。作为系列论文的第二部分,该文以供热网络为对象,基于质量守恒方程和动量守恒方程推导了水路模型,基于能量守恒方程推导了热路模型,并通过傅里叶变换和二端口等值实现了模型向代数方程的化简,最后基于水路模型与热路模型刻画了供热网络的支路特性与拓扑约束,并由此导出了水力网络方程和热力网络方程。此外,根据供热网络的水力运行特点,完成了动态水路向稳态水路的退化并提出了修正解法。算例结果表明了水路与热路方法分析供热网络的有效性。与传统分析方法相比,热路方法可以描述时域中连续的热力动态过程,在满足计算精度的同时,显著降低了网络分析的计算复杂度。     

综合能源系统分析的统一能路理论(四):天然气网动态状态估计

天然气网是综合能源系统的重要组成部分,为实现其能量管理,需要利用状态估计技术获取实时、可靠、一致、完整的网络状态信息。然而,实际天然气网络的流量、压力调节较为频繁,现有的稳态状态估计模型无法考虑网络的动态过程。该文基于统一能路理论中的气路模型,首次建立了天然气网络的动态状态估计模型,将管道中复杂的时域偏微分方程转化为了易于优化求解的频域线性代数方程,进一步测试了模型在状态估计精度和坏数据辨识方面的性能。算例表明,所建立的模型可有效过滤量测噪声和坏数据,补齐系统缺失量测,准确估计天然气网络的动态过程。     

综合能源网络统一建模及其应用(一)：时域二端口模型

综合能源网络的统一建模通过构造相同数学形式的能流模型从而降低求解难度,有利于实现电气热系统标准化运行分析技术。该文基于源荷二端口网络等值的思想构建了描述电气热能流传输与分布特性的综合能源网络时域统一模型。首先,采用中心隐式差分格式将电气热网络统一方程代数化,并利用差分网格的对称下三角特性提出基于初始和边界条件传递矩阵的建模方法,推导支路首–末端状态量的解析表达式,进而建立时域支路统一模型。接着,结合支路统一模型和拓扑关联方程,构造基于广义时域导纳矩阵的网络统一模型,最后根据电气热系统的运行特征推导各状态量的时域二端口方程。算例分析表明,文中方法准确性高,计算效率远高于传统差分方法。     

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。     

大规模综合能源系统电-气-热多能潮流建模与计算方法

为了提高能源利用效率与实现能源清洁供应,综合能源系统IES已成为支撑能源转型的重要技术。研究掌握IES多能流耦合机理,对开展后续系统规划、优化和分析问题的研究具有重要意义。本文提出了一种适用于含电、气、热网络的大规模综合能源系统电-气-热多能潮流计算方法。首先,建立了电力网络、热力网络、天然气网络的稳态数学模型;建立了基于通用能量母线模型的IES耦合环节数学表达形式;在此基础上,采用牛顿-拉夫逊方法对大规模综合能源系统多能潮流计算模型进行解耦求解;最后,通过算例分析验证了所提出方法的有效性。     

基于参数线性规划的电-气综合能源系统最优能量流算法

电-气综合能源系统(integrated electricity-gas system,IEGS)的最优能量流(optimal energy flow,OEF)计算是其优化规划与运行分析的基础。针对现有电-气综合能源系统最优能量流求解方法存在的数据交互频繁、收敛性差以及难以保证隐私性等问题,提出了一种基于参数线性规划的电-气综合能源系统最优能量流计算方法。首先,建立计及有功网损的电力网络最优直流潮流模型,以及基于二阶锥松弛的天然气网络最优潮流模型。其次,基于参数线性规划理论,建立了电-气耦合功率与电力网络潮流最优解的关联函数。然后,将该关联函数传递至天然气系统中进行联合优化,并返回电-气耦合功率信息至电力系统中求解,分别得到最优能量流的天然气流与电力潮流结果。仿真分析表明所提方法能够通过单次信息交互准确求解最优能量流,同时交互信息量较小且不包含隐私信息,适用于最优能量流的分解式计算。     

电-气互联综合能源系统多时段暂态能量流仿真

考虑到气网的慢动态特性,研究了电-气互联综合能源系统的多时段暂态能量流仿真,其中电网采用稳态潮流模型,气网采用暂态能量流模型。运用隐式有限差分法将天然气系统暂态能量流方程转化为非线性代数方程组,然后用牛顿法求解以非线性代数方程组描述的综合能源系统的多时段暂态能量流方程。同时,计及了电力系统与天然气系统2个层面的耦合,即燃气轮机与电转气(P2G)技术。最后,基于修改的IEEE 24节点电力系统和比利时20节点天然气系统,计算其多时段暂态能量流。仿真结果表明,在短时间尺度研究中,天然气系统的稳态模型与暂态模型的计算结果存在显著差异。除此之外,还定量评估了P2G对风电消纳的积极影响。     

区域综合能源系统冷-热-电-气概率多能流计算

区域综合能源系统(regional integrated energy systems,RIES)集成了冷、热、电、气等多种能源形式,是现代能源供给体系的发展方向,有利于实现区域内能源的综合利用与管理,而多能流的计算是RIES分析的基础。考虑RIES的不确定因素,提出一种概率多能流计算方法。首先建立多能流计算模型,包含供冷系统、供热系统、电力系统及天然气系统的方程,使用牛顿拉夫逊法进行统一求解;其次,讨论了冷、热、电系统平衡节点的设置与对应的计算条件,包括多种能源网络平衡节点为相同物理节点的情况;在此基础上,结合冷、热、电、气负荷及间歇性能源的概率模型,基于拉丁超立方采样计算RIES的概率多能流,并计及随机变量之间的相关性;最后以一个小型RIES为算例进行了分析,验证了所提方法的有效性。     

基于碳交易机制的电—气互联综合能源系统低碳经济运行

燃气轮机等发电技术为低碳电力提供了一条有效途径,"能源互联网"的提出也使得天然气网络与电力网络的联系更加紧密。文中提出了一种电—气互联综合能源系统的联合经济运行模型,并引入碳交易机制,以综合能源系统发电能源成本与碳交易成本之和最小为目标函数,综合考虑了天然气网络和电力网络的安全约束。采用修改的IEEE 30节点电力网络与比利时20节点天然气网络进行算例分析,通过燃气轮机建立两个网络之间的耦合,分析比较了基于碳交易机制的电—气互联综合能源系统和单纯火电机组电力系统低碳经济模型下的运行状态,验证了所提出模型的有效性。最后,分析了碳交易价格、天然气价格及天然气网络约束对系统运行的影响。     

基于统一潮流大数据的综合能源系统薄弱点辨识方法

电-热-气不同供能系统间的紧密耦合使得综合能源系统薄弱点辨识困难。从数据驱动的角度,提出一种基于统一潮流模型大数据的综合能源系统薄弱点辨识方法。首先,基于电力、热力、天然气系统及其耦合环节的物理特性,建立综合能源系统的统一潮流模型;然后,利用潮流模型中不平衡量初值的历史和实时数据构建高维状态矩阵;接着,运用M-P律和圆环律定性分析系统运行状况;最后,计算状态矩阵的平均谱半径和最大特征值,并结合熵理论构建节点薄弱性指标。该方法将节点薄弱信息映射至数据变化中,通过对节点薄弱性指标值的排序实现综合能源系统中节点相对薄弱性的辨识,并通过仿真结果验证了所提方法的有效性。     

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。     

基于时域二端口模型的综合能源系统气网动态仿真算法

为实现能源多梯度利用并减少环境污染,气-电耦合的综合能源系统(integrated energy system,IES)逐渐占据全球能源结构的重要部分。为明晰系统运行特性并充分挖掘能源子网调度潜力,综合能源系统动态仿真研究逐渐深入。天然气网中,管道传输过程深刻影响着其动态过程。然而现有管道传输过程时域仿真算法存在着精度与效率的两难。为解决上述问题,提出一种基于时域二端口模型的综合能源系统气网动态仿真算法。首先基于特征线法,构建气网源荷节点关系矩阵,进一步给出时域二端口模型;随后参考特征线法数值格式,构建状态量空间分布矩阵,用于获取气网状态量分布,并提出基于时域二端口模型和分布矩阵的气网动态仿真算法。算例结果表明,所提出的方法具有高效率和高精度两大优势,适合于气-电耦合的综合能源系统的较长时间仿真。     

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。     

区域气电综合能源系统同质化网络流优化方法

现有综合能源系统(integrated energy systems,IES)优化研究缺乏统一同质化工作,且主要集中于输电网,不适用于电阻电抗比值较高的配电网。网络流模型具有统一表示输配电网、天然气网能量流动和分配情况的能力,并能以可视化的形式将能量流清晰展现。文章基于IES能量传递的内部本质相同和外部特征相似等特性,构建了以系统总经济成本最小化为目标和系统安全为约束的气电综合能源系统(gas-electricity integrated energy system,GEIES)统一同质化网络流模型,将异质能源同质化到统一网络流平台进行计算。算例分析表明,该模型不受网架结构限制且形式清晰直观,对应算法求解速度快且能保证线性收敛。所提模型能够合理反映涵盖配电网IES的稳态特性,为多能流同质化统一优化调度提供参考。     

多能源网络的广义电路分析理论——（一）支路模型

多种能源形式的互补与耦合为多能源系统集成带来巨大价值,但不同能源形式遵循不同的物理规律和数学表征形式,为综合分析与协同优化带来了挑战。文中基于拉普拉斯变换这一分析系统动态过程的有力工具,提出了多能源网络的广义电路分析理论。首先,建立了多能源网络支路层能量流的统一数学方程,提出了以拉普拉斯变换为基础的广义电路建模方法,将多能源网络在时域的复杂传输特性转换为拉普拉斯域简单的代数问题,提出了各能源系统能量流的分布参数电路模型,进一步提出了以"支路"为整体单位的支路层能量流集中参数传输模型。文中提出的多能源网络广义电路支路模型能够科学地分析支路层能量流的稳态与动态特性,揭示多能源网络能量流的共性,为多能源系统全网络分析奠定基础。     

综合能源网络的时域Bergeron等效计算模型

在综合能源网络分析的统一能路模型的基础上,通过假设能源网络为无损传输网络,从而建立了综合能源网络时域分析的Bergeron等效计算模型,并且推导了无损综合能源网络波速度和波阻抗的计算公式,进一步地给出了基于节点分析法的综合能源网络暂态响应的计算流程,为复杂网络的时域分析提供了一种新的思路。     

基于叠加原理的光纤复合低压电缆 热路模型建模

光纤复合低压电缆(OPLC)将光纤与电力电缆有机地结合在一起,在建设智能电网、能源互联网的发展中具有重要的作用。温度的变化对OPLC运行状态、参数测量准确度具有较大的影响,建立OPLC的热路模型具有重要的现实意义。针对OPLC种类繁多、结构各异的特点,提出了一种基于叠加原理的OPLC热路模型建模方法,首先将不对称的OPLC等效成几个对称的子模型分别建模,然后利用叠加原理将各模型叠加。在此基础上,利用粒子群算法实现模型参数辨识,提高参数精度,得到精确的热路模型,进而实现OPLC不同位置温度的精确计算。该文以四缆芯OPLC为例建立OPLC热路模型,通过仿真分析和实验验证,证明了所提方法的有效性。