确定性复杂多能流稳态分析计算方法

1.本发明涉及综合能源能流计算的基础理论领域，具体为一种确定性复杂多能流稳态分析计算方法。


背景技术：

2.近年来，在化石能源储量有限和环境污染日益严重的双重压力下，粗放的能源利用模式与环境保护之间的体制机制性矛盾日益凸显。为实现能源利用的提质增效，由传统的分产分供能源系统向覆盖源、网、荷、储等各个环节，涉及电、气、热、冷等多种能源形式的综合能源系统全面转型已成为必然趋势。能流计算旨在根据有限的已知信息求取ies中节点电压/压力、支路电流/流量等状态参数，既可评估系统的实时运行状况，也可为优化调度、设备选址定容、故障分析等提供依据，具有重要意义。
3.能流计算的概念源自电力系统潮流计算，以牛顿-拉夫逊法为代表的潮流计算是电力系统中不可或缺的分析工具，其理论基础与实践验证均已相当成熟，其思想后续又被逐渐引入天然气系统热(冷)力系统之中。ies的快速发展对能流计算提出了更高的要求，各子系统间必须突破壁垒，实现联合计算、协同优化，并充分计及多元不确定性因素影响，才能有效发挥多能互补互济优势，提高能源综合利用水平。


技术实现要素：

4.(一)发明的目的
5.本发明的目的在于针对综合能源能流计算的基础理论、数学模型及求解方法，重点研究确定性能流稳态计算使用方法，通过对于稳态计算的优点分析，重点把控确定性能流计算对信息求解系统在确定工况下运行状态的影响，重点研究在确定性能流的基础下，基于不确定因素的影响，来获取系统状态量的分布特征，最终致力于形成一套能流计算的综合理论，即统一化能流计算的形式和算法，该研究有助于为综合能源系统分析和优化提供了有力的计算工具。
6.(二)技术方案
7.为了实现上述目的，本发明的方法所采用的技术方案是：确定性能流计算是ies运行分析的重要基础，其主要任务是在某一确定的工况下，通过系统中的部分已知信息求取未知信息，从而确定出整个系统的运行状态。确定性能流计算的研究重点在于能流方程的理论推导、模型的建立及求解上。稳态计算基于瞬时平衡思想，将系统的状态变化视作离散过程，一般由代数方程表征。
8.对于电力系统，由于电能传输速度足够快(接近光速)，其能流计算通常泛指稳态计算。
9.对于天然气系统、热(冷)力系统而言，其功率传输速度较慢，且管道具备存储能力，仅依靠稳态计算无法准确获取某些短时间尺度下的状态参数，所以对天然气和热的动态特性研究是必须的。
10.(三)有益效果
11.本发明的有益效果为：通过对于稳态计算的优点分析，重点把控确定性能流计算对信息求解系统在确定工况下运行状态的影响，同时针对概率能流、区间能流和模糊能流的详细对比，重点研究在确定性能流的基础下，基于不确定因素的影响，来获取系统状态量的分布特征，最终致力于形成一套能流计算的综合理论，即统一化能流计算的形式和算法，该研究有助于为综合能源系统分析和优化提供了有力的计算工具。
附图说明：
12.图1为确定性复杂多能流稳态分析计算方法建立流程图。
具体实施方式：
13.包含电能、天然气、热(冷)能等能源形式的ies稳态能流计算可统一建模为：
[0014][0015]
式中：xe为电力系统变量向量，一般包括电压幅值、电压相位、有功功率、无功功率等；xg为天然气系统变量向量，一般包括节点压力、节点注入流量等；xh为热(冷)力系统变量向量，一般包括节点注入功率、支路流量、供热温度、回热温度等。fe，fg，fh分别代表电力系统、天然气系统、热(冷)力系统的能流计算方程，按照状态变量的选择不同可分为两类：节点注入模型，选取节点电压/压力作为状态变量进行求解；支路流模型，选取支路功率/流量作为状态变量进行求解。
[0016]
电力系统、天然气系统为bim，而热(冷)力系统为bfm，其具体讨论如下:
[0017]
电力系统的能流计算基于节点的有功功率和无功功率平衡，以电压幅值和电压相位为状态变量，构建如下方程：
[0018][0019]
式中：p
g,i
和p
l,i
分别为节点i的有功发电功率和负荷功率；q
g,i
和q
l,i
分别为节点i 的无功发电功率和负荷功率；ui和uj分别为节点i和j的电压幅值；θ
ij
为节点i和j之间的电压相位差；g
ij
和b
ij
分别为节点导纳矩阵中第i行第j列元素的实部和虚部。对于低阻抗比的输电网，也可以采用近似的直流潮流方程，忽略其无功功率和电压幅值的变化。而对于辐射状配电网，也可采用bfm。
[0020]
天然气系统的能流计算基于节点流量平衡，以节点压力为状态变量，构建 weymouth方程如下：
[0021][0022]
式中：πi和πj分别为节点i和j的压力；f
ij
为支路i-j的(体积)流量；c
g,t
为高压输气管道特性参数。
[0023]
实际中，一般负荷节点的已知量并非流量而是热量，此时水力方程和热力方程无
法解耦，需联合求解，其方程为：
[0024][0025]
式中：c
p
为工质比热容；mq为各节点流出流量向量；ts为各节点的供热温度向量； tr为各节点的回热温度向量；to为各节点的流出温度向量；φ为各节点热负荷向量；cs和cr分别为供热网络和回热网络的支路-流量关联矩阵；bs和br分别为与供热温度和回热温度相关的列向量；bh为回路-支路关联矩阵；k为管道阻力系数向量；m为支路质量流量向量；t
start
， t
end
，ta分别为管道起点温度向量、终点温度向量、外界环境温度向量；λ为管道的热传导系数向量；l为管道的长度向量；mo为混合节点向负荷注入的流量向量；ms为供热管网中混合节点注入的流量向量；mr为回热管网向混合节点注入的流量向量。
[0026]
分解求解法则首先通过能源枢纽模型将原始负荷解耦得到各子系统独立负荷，然后各子系统分别进行迭代求解，可实现复杂多能耦合关系的统一建模：
[0027][0028]
式中：下标e，g，h分别表示能源形式中的电、气、热(冷)；下标组合则表示能源形式的转换过程，例如eh表示该过程将电能转换为热(冷)能(如电热泵)，ee表示该过程将电能转换为电能，即转换前后能源形式不发生转变(如变压器)；l为原始负荷；l
*
为解耦后各子系统独立负荷；η为转换效率；ν为分配系数。
[0029]
至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本说明书发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种确定性复杂多能流稳态分析计算方法，其特征在于：确定性能流计算是ies运行分析的重要基础，其主要任务是在某一确定的工况下，通过系统中的部分已知信息求取未知信息，从而确定出整个系统的运行状态。确定性能流计算的研究重点在于能流方程的理论推导、模型的建立及求解上。稳态计算基于瞬时平衡思想，将系统的状态变化视作离散过程，一般由代数方程表征。2.根据权利要求1所述的一种确定性复杂多能流稳态分析计算方法，其特征在于，确定性能流计算是ies运行分析的重要基础，其主要任务是在某一确定的工况下，通过系统中的部分已知信息求取未知信息，从而确定出整个系统的运行状态，主要步骤包括：step 1：包含电能、天然气、热(冷)能等能源形式的ies稳态能流计算可统一建模为：式中：x
e
为电力系统变量向量，一般包括电压幅值、电压相位、有功功率、无功功率等；x
g
为天然气系统变量向量，一般包括节点压力、节点注入流量等；x
h
为热(冷)力系统变量向量，一般包括节点注入功率、支路流量、供热温度、回热温度等。f
e
，f
g
，f
h
分别代表电力系统、天然气系统、热(冷)力系统的能流计算方程，按照状态变量的选择不同可分为两类：节点注入模型，选取节点电压/压力作为状态变量进行求解；支路流模型，选取支路功率/流量作为状态变量进行求解；step 2：电力系统的能流计算基于节点的有功功率和无功功率平衡，以电压幅值和电压相位为状态变量，构建如下方程：式中：p
g,i
和p
l,i
分别为节点i的有功发电功率和负荷功率；q
g,i
和q
l,i
分别为节点i的无功发电功率和负荷功率；u
i
和u
j
分别为节点i和j的电压幅值；θ
ij
为节点i和j之间的电压相位差；g
ij
和b
ij
分别为节点导纳矩阵中第i行第j列元素的实部和虚部。对于低阻抗比的输电网，也可以采用近似的直流潮流方程，忽略其无功功率和电压幅值的变化。而对于辐射状配电网，也可采用bfm；step 3：天然气系统的能流计算基于节点流量平衡，以节点压力为状态变量，构建weymouth方程如下：式中：π
i
和π
j
分别为节点i和j的压力；f
ij
为支路i-j的(体积)流量；c
g,t
为高压输气管道特性参数；step 4：实际中，一般负荷节点的已知量并非流量而是热量，此时水力方程和热力方程无法解耦，需联合求解，其方程为：c
p
m
q
(t
s-t
o
)-φ＝0c
s
t
s-b
s
＝0c
r
t
r-b
r
＝0
b
h
km|m|＝0(∑m
s
t
s
)-m
o
t
o
＝0(∑m
r
t
r
)-m
o
t
o
＝0式中：c
p
为工质比热容；m
q
为各节点流出流量向量；t
s
为各节点的供热温度向量；t
r
为各节点的回热温度向量；t
o
为各节点的流出温度向量；φ为各节点热负荷向量；c
s
和c
r
分别为供热网络和回热网络的支路-流量关联矩阵；b
s
和b
r
分别为与供热温度和回热温度相关的列向量；b
h
为回路-支路关联矩阵；k为管道阻力系数向量；m为支路质量流量向量；t
start
，t
end
，t
a
分别为管道起点温度向量、终点温度向量、外界环境温度向量；λ为管道的热传导系数向量；l为管道的长度向量；m
o
为混合节点向负荷注入的流量向量；m
s
为供热管网中混合节点注入的流量向量；m
r
为回热管网向混合节点注入的流量向量。3.根据权利要求1所述的一种确定性复杂多能流稳态分析计算方法，其特征在于，确定性能流计算的研究重点在于能流方程的理论推导、模型的建立及求解上。稳态计算基于瞬时平衡思想，将系统的状态变化视作离散过程，一般由代数方程表征，分解求解法则首先通过能源枢纽模型将原始负荷解耦得到各子系统独立负荷，然后各子系统分别进行迭代求解，可实现复杂多能耦合关系的统一建模：式中：下标e，g，h分别表示能源形式中的电、气、热(冷)；下标组合则表示能源形式的转换过程，例如eh表示该过程将电能转换为热(冷)能(如电热泵)，ee表示该过程将电能转换为电能，即转换前后能源形式不发生转变(如变压器)；l为原始负荷；l
*
为解耦后各子系统独立负荷；η为转换效率；ν为分配系数。

技术总结
本发明涉及综合能源能流计算的基础理论领域，具体为一种确定性复杂多能流稳态分析计算方法；确定性能流计算是IES运行分析的重要基础，其主要任务是在某一确定的工况下，通过系统中的部分已知信息求取未知信息，从而确定出整个系统的运行状态。确定性能流计算的研究重点在于能流方程的理论推导、模型的建立及求解上。稳态计算基于瞬时平衡思想，将系统的状态变化视作离散过程，一般由代数方程表征。一般由代数方程表征。一般由代数方程表征。


技术研发人员：陈霖锋 许刚
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2022.04.28
技术公布日：2022/7/15