一种考虑主动管理能力的电制氢配电网扩展规划方法与流程

本发明涉及配电网规划与电氢协同优化领域，更具体地说，涉及一种考虑主动管理能力的电制氢配电网扩展规划方法。

背景技术：

1、随着新能源高比例接入和电制氢负荷规模化建设，配电网在新能源高出力、负荷低谷及制氢功率波动叠加时，容易出现线路过载、电压越限和反向潮流越限。现有技术中，专利cn117578533b公开了面向电氢供应能力提升的协同优化配置方法，侧重电氢储能容量配置；专利cn116579115a公开了电、氢协同互动的系统规划方法，侧重电力系统与氢能系统的总体规模优化；专利cn111626594a公开了多种需求侧资源协同的配电网扩展规划方法，侧重需求侧资源参与下的网架扩展；专利cn116760113a公开了电氢耦合系统多场景优化调度方法，侧重运行调度建模。上述方案通常将电制氢柔性作为预设可调参数，缺少通过受限探针验证真实响应、剔除不可兑现容量，并结合电网热积累及电解槽恢复能力判定扩建容量替代关系的闭环机制，导致规划容量与现场实际可调用能力存在偏差。因此，需要提出一种能够量化电制氢节点真实主动管理能力并将其可靠纳入扩展规划的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑主动管理能力的电制氢配电网扩展规划方法，其解决了现有配电网扩展规划中将电制氢调节能力理想化、难以识别不可兑现容量、未考虑连续调用后的设备恢复约束以及扩建容量替代关系缺少实测依据的问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种考虑主动管理能力的电制氢配电网扩展规划方法，所述方法包括：

3、获取规划区域的配电网拓扑、支路参数、变压器容量、负荷预测曲线、新能源出力预测曲线、电制氢设备参数、储氢状态和产氢任务，构建规划周期内的时序运行场景，并通过潮流计算识别存在线路过载、电压越限或反向潮流越限的高风险时段及目标拥塞断面；

4、依据候选电制氢节点的当前运行功率、剩余调节容量、储氢余量、电解槽温度和产氢任务偏差限值，生成受限功率探针指令，控制电解槽在不越过设备运行边界和储氢安全边界的条件下执行升功率探针调节或降功率探针调节；

5、采集探针调节前后的电解槽实际功率、节点电压、支路电流、目标拥塞断面潮流、控制响应延迟、状态恢复时间和伴随控制装置动作，建立探针功率变化与目标拥塞断面运行响应之间的映射关系，生成候选电制氢节点的主动管理响应指纹；

6、基于所述主动管理响应指纹，剔除响应幅度不足、响应延迟超限和被伴随控制装置反向抵消的调节容量，得到候选电制氢节点的可兑现主动管理能力边界；

7、在调用所述可兑现主动管理能力边界内的容量时，分别计算目标拥塞断面的电网热债状态和电解槽柔性债状态，并根据相邻高风险时段之间的间隔时间预测两类状态的恢复结果；

8、当两类状态均能在下一高风险时段到来前恢复至允许范围时，保留对应主动管理容量；

9、当任一状态不能恢复至允许范围时，按照未恢复程度收缩所述可兑现主动管理能力边界，得到有效主动管理容量；

10、按照高风险时段的时间顺序连续校验所述有效主动管理容量对运行越限的消除能力，并在满足储氢安全、产氢任务、电网热债和电解槽柔性债约束时，确定可由有效主动管理容量替代的配电网扩建容量；

11、以扩建投资成本、运行维护成本、新能源弃电成本、制氢能耗成本和设备运行风险成本之和最小为目标，联合确定线路扩建位置及容量、变压器增容位置及容量、电制氢设备配置容量和建设时序，输出电制氢配电网扩展规划方案。

12、进一步地，所述识别高风险时段及目标拥塞断面，包括：

13、将负荷预测曲线、新能源出力预测曲线和产氢任务曲线按照相同采样周期进行对齐，形成规划周期内的多时段运行场景；

14、对每一运行场景进行配电网潮流计算，得到节点电压、支路电流、支路有功潮流和变压器负载率；

15、当支路电流大于线路额定电流、节点电压超出允许电压区间、支路反向有功潮流大于反向潮流限值中的任一条件成立时，将该时段确定为高风险时段；

16、将发生越限的线路、变压器或电压薄弱节点所在供电路径确定为目标拥塞断面，并记录目标拥塞断面的越限类型、越限幅度和持续时间。

17、进一步地，所述受限功率探针指令的生成包括：

18、根据电解槽额定功率、最小稳定运行功率、当前运行功率和爬坡速率，确定候选电制氢节点在升功率方向和降功率方向上的可探测功率区间；

19、根据储氢罐当前储氢量、储氢安全上限、储氢安全下限和产氢任务剩余量，确定探针调节期间允许产生的产氢偏差区间；

20、将所述可探测功率区间与所述产氢偏差区间取交集，确定探针功率幅值和探针持续时间；

21、当目标拥塞断面的潮流需要吸收新能源反向潮流时，生成升功率探针指令；

22、当目标拥塞断面的潮流需要降低电制氢负荷压降影响时，生成降功率探针指令。

23、进一步地，所述主动管理响应指纹的生成包括：

24、以探针指令下发时刻为基准，设置探针前稳态采样窗口、探针执行采样窗口和探针后恢复采样窗口；

25、在探针前稳态采样窗口内采集电解槽基准功率、基准节点电压、基准支路电流和基准目标拥塞断面潮流；

26、在探针执行采样窗口内采集电解槽实际功率变化量、节点电压变化量、支路电流变化量和目标拥塞断面潮流变化量；

27、将探针指令下发至电解槽实际功率达到探针功率幅值的90%所需时间记为控制响应延迟；

28、将探针结束后电解槽功率、节点电压、支路电流和目标拥塞断面潮流恢复至探针前稳态采样窗口均值的±3%范围内所需时间记为状态恢复时间；

29、根据单位功率调节对应的潮流变化量、电压变化量、电流变化量、控制响应延迟、状态恢复时间和伴随控制装置动作，形成主动管理响应指纹。

30、进一步地，所述可兑现主动管理能力边界的确定包括：

31、根据主动管理响应指纹，计算候选电制氢节点单位功率调节对目标拥塞断面的潮流缓解灵敏度；

32、将目标拥塞断面的越限幅度与候选电制氢节点最大可探测功率幅值的比值，作为潮流缓解灵敏度判定阈值；

33、当潮流缓解灵敏度小于所述潮流缓解灵敏度判定阈值时，剔除对应调节容量；

34、当控制响应延迟大于目标拥塞断面的允许响应时间时，剔除超过允许响应时间后形成的调节容量；

35、当无功补偿装置、变压器分接开关或储能装置动作导致目标拥塞断面潮流变化方向与探针调节目标相反时，剔除被反向抵消的调节容量；

36、由剔除后的升功率调节容量和降功率调节容量，分别形成可兑现主动管理能力上边界和可兑现主动管理能力下边界。

37、进一步地，所述电网热债状态的计算包括：

38、获取目标拥塞断面对应线路或变压器在主动管理调用前的初始温度、环境温度、运行电流、额定电流和热时间常数；

39、根据主动管理调用期间的运行电流与额定电流之比，计算线路或变压器相对于额定运行状态的热积累量；

40、根据主动管理调用结束后的环境温度和热时间常数，计算目标拥塞断面的自然散热量；

41、将所述热积累量减去所述自然散热量后的剩余热负荷作为电网热债状态；

42、当所述剩余热负荷不大于目标拥塞断面的允许热裕度时，判定电网热债状态满足恢复约束；

43、当所述剩余热负荷大于目标拥塞断面的允许热裕度时，判定电网热债状态不满足恢复约束。

44、进一步地，所述电解槽柔性债状态的计算包括：

45、获取电解槽在主动管理调用前的运行功率、槽体温度、启停次数、低负荷累计运行时间、氢气纯度和氧中氢含量；

46、根据主动管理调用期间的功率偏移幅值、爬坡持续时间、启停次数增量和低负荷运行时间增量，计算电解槽运行偏离量；

47、根据主动管理调用结束后的槽体温度恢复时间、氢气纯度恢复时间和氧中氢含量恢复时间，计算电解槽质量恢复量；

48、将所述电解槽运行偏离量和所述电解槽质量恢复量合成为电解槽柔性债状态；

49、当电解槽柔性债状态同时满足槽体温度允许区间、氢气纯度下限、氧中氢含量上限和启停次数上限时，判定电解槽柔性债状态满足恢复约束；否则，判定电解槽柔性债状态不满足恢复约束。

50、进一步地，所述有效主动管理容量的确定包括：

51、获取当前高风险时段结束时刻与下一高风险时段开始时刻之间的间隔时间；

52、根据所述间隔时间、电网热债状态的散热恢复速率和电解槽柔性债状态的运行恢复速率，预测下一高风险时段开始前的电网热债剩余量和电解槽柔性债剩余量；

53、当电网热债剩余量不大于电网热债允许阈值，且电解槽柔性债剩余量不大于电解槽柔性债允许阈值时，将可兑现主动管理能力边界内的容量确定为有效主动管理容量；

54、当电网热债剩余量大于电网热债允许阈值，或电解槽柔性债剩余量大于电解槽柔性债允许阈值时，按照超限剩余量与对应允许阈值的比值收缩可兑现主动管理能力边界，并将收缩后的容量确定为有效主动管理容量。

55、进一步地，所述确定可由有效主动管理容量替代的配电网扩建容量，包括：

56、按照各高风险时段的开始时间建立连续校验序列；

57、依次调用候选电制氢节点的有效主动管理容量，并重新计算调用后的节点电压、支路电流、支路反向有功潮流和变压器负载率；

58、当调用后的节点电压处于允许电压区间、支路电流不大于线路额定电流、支路反向有功潮流不大于反向潮流限值且变压器负载率不大于额定负载率时，判定对应高风险时段的运行越限被消除；

59、在每一高风险时段校验结束后，更新储氢状态、产氢任务完成量、电网热债状态和电解槽柔性债状态；

60、当连续校验序列内全部高风险时段均满足运行安全约束和恢复约束时，将有效主动管理容量折算为可替代扩建容量；

61、当任一高风险时段未满足运行安全约束或恢复约束时，将未被有效主动管理容量覆盖的越限幅度转化为线路扩建容量、变压器增容容量或电制氢设备扩容容量。

62、进一步地，所述输出电制氢配电网扩展规划方案，包括：

63、构建包含线路扩建变量、变压器增容变量、电制氢设备配置容量变量、主动管理调用变量和建设时序变量的规划决策变量集合；

64、构建包含潮流约束、电压安全约束、线路电流约束、反向潮流约束、变压器容量约束、电制氢运行约束、储氢安全约束、产氢任务约束、可兑现主动管理能力边界约束、电网热债约束和电解槽柔性债约束的规划约束集合；

65、以扩建投资成本、运行维护成本、新能源弃电成本、制氢能耗成本、主动管理调用成本和设备运行风险成本之和最小为目标，建立电制氢配电网扩展规划模型；

66、求解所述电制氢配电网扩展规划模型，得到线路扩建位置及容量、变压器增容位置及容量、电制氢设备配置容量、主动管理容量替代扩建容量、建设时序和各高风险时段的主动管理调用策略，并将其作为电制氢配电网扩展规划方案输出。

67、本发明的有益效果在于：

68、1、本发明通过受限功率探针采集电制氢节点对目标拥塞断面的实测响应，并由探针功率变化、潮流变化、电压变化、响应延迟、恢复时间及伴随控制装置动作形成主动管理响应指纹，使电制氢调节能力由理论估计转化为可测量的规划参数。

69、2、本发明将电解槽功率边界、储氢产氢边界和实测响应边界取共同可行范围，剔除响应幅度不足、响应延迟超限及被伴随控制装置反向抵消的容量，避免不可实际调用的柔性容量进入规划模型，提高规划结果与现场执行能力的一致性。

70、3、本发明分别构建电网热债状态和电解槽柔性债状态，对线路或变压器的热积累以及电解槽功率偏移、启停、低负荷运行、槽体温度和氢气纯度恢复过程进行连续校验，防止同一主动管理容量在相邻高风险时段中被重复高估。

71、4、本发明将有效主动管理容量与线路扩建、变压器增容和电制氢设备配置进行联合优化，在满足配电网安全、储氢安全和产氢任务的条件下确定主动管理容量可替代的扩建容量，从而减少低利用率扩建投资，并提高新能源消纳能力和规划方案的工程可实施性。