一种电力‑天然气区域综合能源系统的稳态分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电力‑天然气区域综合能源系统稳态分析方法，步骤(1)、对电力‑天然气区域综合能源系统中的天然气系统进行建模与求解；步骤(2)、对天然气系统进行节点压力‑负荷灵敏度分析；步骤(3)、基于天然气系统信息与能源交互信息，构建以能源集线器为核心的能源耦合环节建模以及能量转换分析；步骤(4)、对电力系统稳态求解；步骤(5)、构建电力‑天然气区域综合能源系统稳态分析综合求解模型，获得天然气系统网络状态改变带来的影响。本发明专利技术针对“以气定电”的运行场景，探究天然气系统网络状态改变对其自身以及区域综合能源系统的影响，为能源互联网背景下的能源互济与相互影响分析提供一定的理论基础。

The steady state of a power natural gas regional integrated energy system analysis method

The invention discloses a steady power natural gas regional integrated energy system analysis method, step (1), modeling and solving of the natural gas system of natural gas power regional integrated energy system in the process; (2), analyze the node pressure load sensitivity of natural gas system; step (3), natural gas and energy information system based on mutual information, analysis of the construction of energy coupling link modeling to hub as the core of the energy and energy conversion; step (4), the power system steady state solution; step (5), to construct a stable integrated energy system of natural gas regional comprehensive analysis model of power network, gas system change the impact of. The present invention for the running scene by gas electricity, natural gas exploration system to change the state of network effect on its own and regional integrated energy system, energy under the background of Internet energy cooperation and interaction provides a theoretical basis for analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种电力-天然气区域综合能源系统的稳态分析方法
本专利技术涉及能源互联网、综合能源系统、天然气系统、智能电网领域，特别涉及一种电力-天然气区域综合能源系统稳态分析方法。
技术介绍
能源是国家发展的基础，近年来，随着能源互联网、综合能源系统等理念的不断推广，能源系统的发展呈现多样化、智能化、信息化趋势。在由电力、天然气和热力系统共同构成的区域综合能源系统中，能源耦合紧密，互补互济，可实现能源的梯级利用和协同优化。结合不同形式能源的供需特性，充分考虑其协同作用与彼此之间的相互影响，是提高综合能源系统中能源利用效率的关键，一方面，不同能源具有互补特性，在经济性方面尤其明显，多能协调可以有效减少能源系统整体经济成本，并具有削峰、移峰的潜力；另一方面，不同能源系统可通过能源耦合对彼此进行支撑，提高供能系统稳定性。其中，天然气系统具有易存储、绿色清洁、安全可靠等特点；同时，随着燃气轮机、热电联产(CombinedHeatandPower，CHP)等技术的广泛应用以及对能源集线器(EnergyHub，EH)技术不断的研究，天然气在能源系统中的重要性愈加显著。而能源系统彼此之间耦合不断加强，需要深入研究其交互影响和协同优化方法。天然气系统(NaturalGasSystem，NGS)与电力系统存在一定的相似性，在稳态建模和潮流分析特性等方面尤其明显，因此可以借鉴电力系统已有的分析思路开展研究。天然气系统与电力系统的主要差异是：前者具有大规模储存特性且对气质有特殊要求，对这种差异性的分析往往是提高综合能源系统供能质量的关键。天然气本身是由多种气体成分构成的，其气质在系统引入其他种类天然气或出现新的注气点后会发生一定变化。天然气系统的网络状态受气质、结构、压力等因素影响，当这些因素发生改变时，传统的天然气系统分析方法将难以适用。本专利技术将主要讨论“天然气气质变化”和“注气点引入”这两个因素对天然气系统本身以及与之存在耦合关系的区域综合能源系统其他部分的影响，而如何构建适用的天然气系统分析模型与综合稳态求解框架是其中的关键。现有技术中至少存下以下缺点和不足：目前，相关领域的研究者对综合能源系统的讨论主要集中在跨区级，此外，相关研究忽略了天然气网络状态特性，将其假定为稳定不变的。这些方法的局限在于，上述研究对于以配电系统(具有三相不平衡潮流特性)、配气系统(具有低压天然气网络特性)为主体且能源耦合密切的区域级综合能源系统讨论相对较少，同时，由于电力转天然气技术(PowertoGas，P2G)等技术的应用，天然气系统网络状态会发生改变(如天然气气质改变与引入新的注气点)，传统的分析方法不再适用，具有一定的局限性。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提出了一种电力-天然气区域综合能源系统的稳态分析方法，本方法将区域综合能源系统中电力系统与天然气系统协同考虑，结合能源耦合分析，有利于探究天然气系统的变化对其自身以及与之耦合的系统的影响，是提高综合能源系统供能质量、降低能源系统用能成本的关键。本专利技术提出了一种电力-天然气区域综合能源系统的稳态分析方法，该方法包括以下步骤：步骤(1)、对电力-天然气区域综合能源系统中的天然气系统进行建模与求解；具体包括：读取天然气网络信息、分布式发电单元信息和能量交互信息；分析天然气网络特征，构建节点导纳矩阵；对于天然气系统中的压力已知节点，不同压力等级的天然气流量公式如下所示：(a)式适用于0-75mbar压力范围，(b)式适用于0.75-7.0bar压力范围，(c)式适用于大于7.0bar压力范围的情况；其中，i与j分别为天然气管道首末节点，qij为标准状况下的管道流量，pi与pj分别为表节点压力，D与L为管道的直径和长度，SG为相对密度，f为摩擦系数，Z为计算常数，Tn与pn为标准状况下的温度与压力；步骤(2)、对天然气系统进行节点压力-负荷灵敏度分析，令天然气节点压力-负荷灵敏度矩阵其中，p为压力，l为负荷；步骤(3)、基于天然气系统信息与能源交互信息，构建以能源集线器为核心的能源耦合环节建模以及能量转换分析，具体包括以下处理：读取外界环境参数与分布式产能单元信息；根据当前状态，分析能源集线器设备类型、能源交互信息与结构特征；构建能源集线器转换矩阵C与方程L＝CP，分析耦合设备交互方式；求解xe和xg改变值：对耦合设备能量交互进行数值转换；整合能源交互信息，求解能源集线器方程；步骤(4)、对电力系统稳态求解，在回代的过程中，以配电网的始端电压和末端负荷作为已知条件，由负荷功率逐步逐段计算线路各部分的功率损耗，进而推算始端功率；在前推的过程中，以始端电压和上述过程求得的始端功率为已知条件，以电压降落为所求量，从线路始端向末端进行计算，进而求得各个节点的电压。前推与回代过程重复迭代，在满足收敛条件后停止，并输出结果；若电力系统计算结果均在系统的合理运行区间，则计算结束输出结果；否则，返回能源耦合环节并对其进行调整，通过循环迭代，保证电力系统运行在合理范围之内；步骤(5)、结合天然气系统与电力系统的综合求解信息，构建电力-天然气区域综合能源系统稳态分析综合求解模型，首先读入外界环境信息；根据天然气系统初始化部分以及天然气系统求解部分，输出天然气系统待求变量以及天然气系统压力-负荷灵敏度矩阵；分析以能源集线器为核心的能源耦合环节，对耦合设备能量交互进行数值转换；最后，将上述信息代入到电力系统计算过程，若电力系统计算结果均在系统的合理运行区间，则计算结束输出结果；否则，返回能源耦合环节并对其进行调整，通过循环迭代，保证电力系统运行在合理范围之内；从而获得天然气系统网络状态改变对其自身以及区域综合能源系统的影响。1.如权利要求1所述的一种电力-天然气区域综合能源系统稳态分析方法，其特征在于，其中对电力-天然气区域综合能源系统中的天然气系统进行求解的过程，具体包括以下步骤“初始化：根据天然气网络状态确定天然气系统求解所需的相关参数；利用图论思想，构建展现网络拓扑信息的节点与支路的关联矩阵A，其元素Aij如下定义：对天然气系统进行描述，公式如下：其中，为已知节点压力，为未知节点的压力，表示根据天然气流量公式确定的管道流量方程；为净负荷量，与分别某节点的天然气注入量和消耗量。上述方程表征含义即天然气流入某节点的量等于流出该点的量加上该点的净负荷量；此时，将天然气潮流问题进一步表述为根据已知信息求取压力已知节点的流量以及流量已知节点的压力；借鉴电力系统潮流分析中的牛顿法对其进行求解，将误差方程F表示为：构建天然气系统的雅可比矩阵J如下所示：其中，pi与pj代表节点压力，qij为标准状况下的管道流量；A1为排除压力已知节点之外的缩减关联矩阵，A1T为A1的转置矩阵；为未知节点的压力。通过构造雅可比矩阵与牛顿-拉夫逊方法的应用，对天然气系统压力值进行反复迭代，直至误差方程的值小于收敛标准，输出潮流结果。本专利技术所运用的分立求解方法，对电力-天然气区域综合能源系统整体分析，针对“以气定电”的运行场景，探究天然气系统网络状态改变对其自身以及区域综合能源系统的影响，为能源互联网背景下的能源互济与相互影响分析提供一定的理论基础。附图说明图1为本专利技术提供的电力-天然气区域综合能源系统稳态求解流程图；图2为三种典型能源集线器结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力‑天然气区域综合能源系统稳态分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)、对电力‑天然气区域综合能源系统中的天然气系统进行建模与求解；具体包括：读取天然气网络信息、分布式发电单元信息和能量交互信息；分析天然气网络特征，构建节点导纳矩阵；对于天然气系统中的压力已知节点，不同压力等级的天然气流量公式如下所示：

【技术特征摘要】
1.一种电力-天然气区域综合能源系统稳态分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)、对电力-天然气区域综合能源系统中的天然气系统进行建模与求解；具体包括：读取天然气网络信息、分布式发电单元信息和能量交互信息；分析天然气网络特征，构建节点导纳矩阵；对于天然气系统中的压力已知节点，不同压力等级的天然气流量公式如下所示：(a)式适用于0-75mbar压力范围，(b)式适用于0.75-7.0bar压力范围，(c)式适用于大于7.0bar压力范围的情况；其中，i与j分别为天然气管道首末节点，qij为标准状况下的管道流量，pi与pj分别为表节点压力，D与L为管道的直径和长度，SG为相对密度，f为摩擦系数，Z为计算常数，Tn与pn为标准状况下的温度与压力；步骤(2)、对天然气系统进行节点压力-负荷灵敏度分析，令天然气节点压力-负荷灵敏度矩阵其中，p为压力，l为负荷；步骤(3)、基于天然气系统信息与能源交互信息，构建以能源集线器为核心的能源耦合环节建模以及能量转换分析，具体包括以下处理：读取外界环境参数与分布式产能单元信息；根据当前状态，分析能源集线器设备类型、能源交互信息与结构特征；构建能源集线器转换矩阵C与方程L＝CP，分析耦合设备交互方式；求解xe和xg改变值：对耦合设备能量交互进行数值转换；整合能源交互信息，求解能源集线器方程；步骤(4)、对电力系统稳态求解，在回代的过程中，以配电网的始端电压和末端负荷作为已知条件，由负荷功率逐步逐段计算线路各部分的功率损耗，进而推算始端功率；在前推的过程中，以始端电压和上述过程求得的始端功率为已知条件，以电压降落为所求量，从线路始端向末端进行计算，进而求得各个节点的电压。前推与回代过程重复迭代，在满足收敛条件后停止，并输出结果；若电力系统计算结果均在系统的合理运行区间，则计算结束输出结果；否则，返回能源耦合环节并对其进行调整，通过循环迭代，保证电力系统运行在合理范围之内；步骤(5)、结合天然气系统与电力系统的综...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丹，王伟亮，贾宏杰，陈沼宇，余晓丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12