[发明专利]基于连续多能流的电气耦合系统负荷裕度计算方法及系统

权利要求书

1.基于连续多能流的电气耦合系统负荷裕度计算方法，其特征在于，包括：建立考虑电气耦合系统安全约束的多能流模型，包括天然气系统模型、电力系统模型和燃气发电机组模型的多能流模型；仿照连续潮流，引入负荷增长参数，形成连续多能流计算方法，用于追踪多能流解曲线，计算系统负荷裕度；

所述的天然气系统模型中，

天然气系统的节点变量有注入天然气流量和节点气压，仿照电力系统的节点分类，根据已知变量将节点分为压力已知节点和注入流量已知节点；在天然气系统中，气源为平衡节点，其气压已知而注入流量未知，天然气负荷的气压未知而天然气需求已知；

节点m到节点n的气体流量取决于m和n节点间的压差和管道参数，管道的稳态流量f_mn表示为式(1)、(2)：

式中：c_mn为管道的阻力系数，同管道本身的参数有关；p_m是天然气节点m的气压，p_n是天然气节点n的气压，s_mn是符号函数，当节点m的气压大于等于节点n的气压的时候，s_mn等于1；当节点m的气压小于节点n的气压的时候，s_mn等于-1；

节点满气体流量守恒如式(3)所示：

式中：L_s,m和L_l,m分别是节点m天然气流入、流出量，m∈n表示节点m和节点n之间有管道相连接；

除了天然气流量等式约束外，NGSs也存在不等式约束，节点压力约束表示为式(4)：

式中：和分别是节点m的最小气压和最大气压；

所述的电力系统模型中，

以x_e＝[θ，V]^T为状态变量，y_e＝[P^sp，Q^sp]^T为节点注入量，则电力系统模型表达为式(5)-(6)：

式中，P_i^sp表示节点i的注入有功功率，表示节点i的注入无功功率，V_i表示节点i的电压幅值，G_ij、B_ij分别表示节点i和节点j之间线路的电导和电纳；j∈i表示表示节点i和节点j之间有管道相连接；

EPSs中各节点的功率平衡满足式(7)-(8)：

P_i^sp＝P_g,i-P_l,i (7)

式中，P_g,i为节点i的有功发电功率；P_l,i为节点i的负荷有功功率、Q_g,i节点i的无功发电功率、Q_l,i为节点i的负荷无功功率；

EPSs约束表示为式(9)：

V_i^min≤V_i≤V_i^max (9)

式中，V_i^max、V_i^min分别为V_i的最大值和最小值；

所述的燃气机模型中，

设IEGS中的所有NGU表示为集合Ω_NGU，如式(10)：

Ω_NGU＝{GU₁,GU₂,…,GU_N} (10)

其中，GU_i代表第i个NGU；N为NGU的数量；

则系统中NGU的注入有功功率向量W表示为式(11)：

W＝[P_U,1,P_U,2,…,P_U,N]^T (11)

式中：P_U,i是第i个NGU的有功出力；

NGU的天然气消耗L_U,i与输出电功率为式(12)：

式中：a_i，b_i，c_i是第i个NGU的消耗系数；

所述的连续多能流在常规的多能流中添加连续性参数，参数λ用于表示发电机和负荷的增长情况：

式中，λ为负荷增长系数；P_g,i(λ)为对应λ下的节点i有功发电功率；P_l,i(λ)为对应λ下的节点i负荷有功功率；Q_l,i(λ)为对应λ下的节点i负荷无功功率；P_g,i0为节点i有功初始发电功率；Q_l,i0为节点i无功初始负荷功率；P_l,i0为节点i有功初始负荷功率；为节点i发电有功增长方向；为节点i负荷有功增长方向；为为节点i负荷无功增长方向；L_l,m0为节点m的初始天然气负荷；为节点m的天然气负荷增长方向；L_l,m(λ)为对应λ下的节点m的天然气负荷；

随着λ的增大，电压和气压将会不断下降，直到到达安全边界；连续多能流通过预测-校正追踪平衡点的轨迹，在追踪过程中计算随λ变化的p和V，通过判断是否满足式(4)或式(9)来搜寻边界点；

当多能流模型引入增长参数后，式(1)-(3)，(5)-(8)，(10)-(16)表达为式(17)：

H(X)＝0,X＝(V,θ,p,λ) (17)

式中，H为(1)-(3)，(5)-(8)，(10)-(16)构成的方程组；

所述的多能流模型中，

预测环节：若当前的平衡点为(V⁽ⁱ⁾,θ⁽ⁱ⁾,p⁽ⁱ⁾,λ⁽ⁱ⁾)，采用切线法预测下一个平衡点的方向，切向量t表达为式(18)：

式中，e_k表示第k个元素为1，其余元素为0的行向量；

步长固定为σ，计算下一个平衡点的预估值(V^(i+1)*,θ^(i+1)*,p^(i+1)*,λ^(i+1)*)如式(19)：

k是一个参数，用于确定e_k中等于1的元素的位置，满足式(20)：

式中，|·|表示取绝对值,X代表连续多能流方程中的变量，如式(17)所示，包括节点电压，节点相角，节点气压，增长参数；

所述的多能流模型中，

校正环节：根据参数化过程选择的参数k建立方程组如式(21)：

式中，是x_k的预估值；

将式(19)所计算的预估值，作为迭代的初始值，通过Newton法求解式(21)得到下一个平衡点当前的平衡点为(V⁽ⁱ⁺¹⁾,θ⁽ⁱ⁺¹⁾,p⁽ⁱ⁺¹⁾,λ⁽ⁱ⁺¹⁾)，接着判断是否满足式(4)或式(9)来搜寻边界点；若是，得到边界点，停止连续多能流的迭代，否则继续重复预测-校正直到找到边界点为止，此时所计算得到的λ就是IEGS的负荷裕度；通过控制增长方向的参数，得到不同的情况下的λ-V曲线和λ-p曲线。

2.基于连续多能流的电气耦合系统负荷裕度计算系统，其特征在于，包括：

多能流模型建立单元，用于建立考虑电气耦合系统安全约束的多能流模型，包括天然气系统模型、电力系统模型和燃气发电机组模型的多能流模型；

多能流计算方法形成单元：仿照连续潮流，引入负荷增长参数，形成连续多能流计算方法；

系统负荷裕度计算单元：采用连续多能流计算方法用于追踪多能流解曲线，计算系统负荷裕度；

所述的天然气系统模型中，

天然气系统的节点变量有注入天然气流量和节点气压，仿照电力系统的节点分类，根据已知变量将节点分为压力已知节点和注入流量已知节点；在天然气系统中，气源为平衡节点，其气压已知而注入流量未知，天然气负荷的气压未知而天然气需求已知；

节点m到节点n的气体流量取决于m和n节点间的压差和管道参数，管道的稳态流量f_mn表示为式(1)、(2)：

式中：c_mn为管道的阻力系数，同管道本身的参数有关；p_m是天然气节点m的气压，p_n是天然气节点n的气压，s_mn是符号函数，当节点m的气压大于等于节点n的气压的时候，s_mn等于1；当节点m的气压小于节点n的气压的时候，s_mn等于-1；

节点满气体流量守恒如式(3)所示：

式中：L_s,m和L_l,m分别是节点m天然气流入、流出量，m∈n表示节点m和节点n之间有管道相连接；

除了天然气流量等式约束外，NGSs也存在不等式约束，节点压力约束表示为式(4)：

式中：和分别是节点m的最小气压和最大气压；

所述的电力系统模型中，

以x_e＝[θ，V]^T为状态变量，y_e＝[P^sp，Q^sp]^T为节点注入量，则电力系统模型表达为式(5)-(6)：

式中，P_i^sp表示节点i的注入有功功率，表示节点i的注入无功功率，V_i表示节点i的电压幅值，G_ij、B_ij分别表示节点i和节点j之间线路的电导和电纳；j∈i表示表示节点i和节点j之间有管道相连接；

EPSs中各节点的功率平衡满足式(7)-(8)：

P_i^sp＝P_g,i-P_l,i (7)

式中，P_g,i为节点i的有功发电功率；P_l,i为节点i的负荷有功功率、Q_g,i节点i的无功发电功率、Q_l,i为节点i的负荷无功功率；

EPSs约束表示为式(9)：

V_i^min≤V_i≤V_i^max (9)

式中，V_i^max、V_i^min分别为V_i的最大值和最小值；

所述的燃气机模型中，

设IEGS中的所有NGU表示为集合Ω_NGU，如式(10)：

Ω_NGU＝{GU₁,GU₂,…,GU_N} (10)

其中，GU_i代表第i个NGU；N为NGU的数量；

则系统中NGU的注入有功功率向量W表示为式(11)：

W＝[P_U,1,P_U,2,…,P_U,N]^T (11)

式中：P_U,i是第i个NGU的有功出力；

NGU的天然气消耗L_U,i与输出电功率为式(12)：

式中：a_i，b_i，c_i是第i个NGU的消耗系数；

所述的连续多能流在常规的多能流中添加连续性参数，参数λ用于表示发电机和负荷的增长情况：

式中，λ为负荷增长系数；P_g,i(λ)为对应λ下的节点i有功发电功率；P_l,i(λ)为对应λ下的节点i负荷有功功率；Q_l,i(λ)为对应λ下的节点i负荷无功功率；P_g,i0为节点i有功初始发电功率；Q_l,i0为节点i无功初始负荷功率；P_l,i0为节点i有功初始负荷功率；为节点i发电有功增长方向；为节点i负荷有功增长方向；为为节点i负荷无功增长方向；L_l,m0为节点m的初始天然气负荷；为节点m的天然气负荷增长方向；L_l,m(λ)为对应λ下的节点m的天然气负荷；

随着λ的增大，电压和气压将会不断下降，直到到达安全边界；连续多能流通过预测-校正追踪平衡点的轨迹，在追踪过程中计算随λ变化的p和V，通过判断是否满足式(4)或式(9)来搜寻边界点；

当多能流模型引入增长参数后，式(1)-(3)，(5)-(8)，(10)-(16)表达为式(17)：

H(X)＝0,X＝(V,θ,p,λ) (17)

式中，H为(1)-(3)，(5)-(8)，(10)-(16)构成的方程组；

所述的多能流模型中，

预测环节：若当前的平衡点为(V⁽ⁱ⁾,θ⁽ⁱ⁾,p⁽ⁱ⁾,λ⁽ⁱ⁾)，采用切线法预测下一个平衡点的方向，切向量t表达为式(18)：

式中，e_k表示第k个元素为1，其余元素为0的行向量；

步长固定为σ，计算下一个平衡点的预估值(V^(i+1)*,θ^(i+1)*,p^(i+1)*,λ^(i+1)*)如式(19)：

k是一个参数，用于确定e_k中等于1的元素的位置，满足式(20)：

式中，|·|表示取绝对值,X代表连续多能流方程中的变量，如式(17)所示，包括节点电压，节点相角，节点气压，增长参数；

所述的多能流模型中，

校正环节：根据参数化过程选择的参数k建立方程组如式(21)：

式中，是x_k的预估值；

将式(19)所计算的预估值，作为迭代的初始值，通过Newton法求解式(21)得到下一个平衡点当前的平衡点为(V⁽ⁱ⁺¹⁾,θ⁽ⁱ⁺¹⁾,p⁽ⁱ⁺¹⁾,λ⁽ⁱ⁺¹⁾)，接着判断是否满足式(4)或式(9)来搜寻边界点；若是，得到边界点，停止连续多能流的迭代，否则继续重复预测-校正直到找到边界点为止，此时所计算得到的λ就是IEGS的负荷裕度；通过控制增长方向的参数，得到不同的情况下的λ-V曲线和λ-p曲线。