基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法，包括步骤有：(1)配气系统数学模型建立；(2)供热系统模型建立；(3)配电系统模型建立；(4)多能源耦合环节建模；(5)城市能源互联网统一潮流模型建立；(6)城市能源互联网优化潮流计算。本发明专利技术以城市能源互联网综合能源运营商的运营成本最低为目标，以热电比作为调节手段，建立了考虑城市配电网，配气网，供热系统以及能源集线器四部分约束的优化潮流模型并进行求解，可有效提高城市能源互联网运行的经济性，发明专利技术方法应用简单、快速，具有很好的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法
本专利技术属于城市能源互联网优化调控,多能源协同运行优化的
，特别是一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法。
技术介绍
城市能源互联网由配电子系统、配气子系统、供冷/热子系统等供能子网络耦合形成，并以冷热电三联供机组为核心耦合环节，完成城市电气冷热多种能源的分配、转换和平衡。城市能源互联网可以分为配气系统，配电系统，供热系统及多能源系统耦合环节。其中，配气系统又包括城镇天然气门站，配气网络，储气装置，调压站，各类城镇燃气用户等等；配电系统包括配电变压器、架空线路或者城市电缆、各类电力用户；供热系统包括供热源、供热管网、用户、热转换设备；耦合环节包括冷热电三联供系统，电锅炉，燃气锅炉，热泵，燃气轮机等。城市能源互联网的发展和应用对于提高能源利用效率具有重要的意义。考虑到城市能源互联网所包含的能源体系多样，涉及的能源环节复杂，针对城市能源互联网的优化潮流分析研究极具价值。最优潮流(OptimalPowerFlow，OPF)是指当城市能源互联网的网络拓扑，源-荷信息，网络参数等信息给定时，通过对控制变量的调整同时满足系统的约束条件，通过优化算法使城市能源互联网的某一个目标函数(比如燃料费用最小，网损最小，用户费用最小，能源供应商收益最大等等)达到最大或者最小时的最优潮流分布。针对能源互联网的最优潮流计算方法，已有诸多前期研究，如文献Martinez-MaresA,Fuerte-EsquivelCR.Aunifiedgasandpowerflowanalysisinnaturalgasandelectricitycouplednetworks[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2012,27(4):2156-2166.和文献P,LeungT,GilM,etal.Gas–electricitycoordinationincompetitivemarketsunderrenewableenergyuncertainty[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2014,doi:10.1109/TPWRS.2014.2319588.从宏观角度分析能源互联网中电气与天然气系统之间的互动联系，但忽略了电-气耦合环节的一些细节；如文献GuanXiaohong，XuZhanbo，JiaQingshan.Energy-EfficientBuildingsFacilitatedbyMicrogrid[J].IEEETransactionsonSmartGrid，2010，1(3)：243-252，以运行成本最低为目标进行优化潮流计算，从而降低能源互联网的日前运行成本；如文献光伏与微型燃气轮机混合微网能量管理研究[J].电工技术学报，2012，27(1)：74-84，在分析光伏发电和微型燃气轮机动态模型及运行特性的基础上，研究了光伏与微型燃气轮机组成的能源互联网潮流策略；如文献冷热电联供微网优化调度通用建模方法[J].中国电机工程学报，2013，33(31)：26-33.采用通用母线方式，提出了冷热电联供能源互联系统的优化调度通用建模方法，并基于该方法构建了能源互联网系统的动态经济调度模型框架；如文献Hierar-chicalEnergyManagementSystemforMulti-SourceMulti-ProductMicrogrids[J].RenewableEnergy，2015，78：621-630、Hier-archicalManagementforIntegratedCommunityEnergySystems[J].AppliedEnergy，2015，160：231-243.则分别针对含有热电联产系统、光伏、空调、电储能以及热储能的区域级能源互联网，设计了一种分层能量管理系统架构，能够实现对区域能源互联网中供能单元的统一潮流优化。然而，上述研究未充分考虑城市能源互联网不同能源系统之间的复杂交互作用机理，在进行潮流计算时往往采用分立方法，系统整体全局优化能力较弱，导致运行成本依旧居高不下。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，而提出一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法，包括步骤如下：(1)配气系统数学模型①稳态流动方程配气系统模型是管道的稳态流动方程，对于k节点到m节点的配气网稳态流量fkm，采用下式描述：其中：pn为标况下的天然气压力基准；Ta为管道中天然气的平均温度；Dkm为管道直径；L为管道的长度；Tn为温度基准；pk为节点k的天然气压力；pm为节点m的天然气压力；γg，Za，F为和天然气有关的系数，可以查表获取；pk＞pm，sg(pk,pm)＝1，若pk＜pm，sg(pk,pm)＝-1；根据式子(1)，将配气系统稳态流量f改写为与配气网天然气气压压力差ΔΠ有关的函数，表示为：f＝φ(ΔΠ)(2)其中：②连续方程天然气流量在某一节点处代数和为零，表示如下：A1f＝L(4)其中：A1为天然气管网的支路-节点矩阵，L为负荷；同时规定符号如下：对于支路而言，如果流量顺着支路流入某一节点，则f为正，如果流量顺着支路流出某一节点，则f为负，对于负荷节点而言，L为正，对气源节点而言，L为负；根据式(3)，将配气网气压平方改写为与配气网天然气气压压力差ΔΠ有关的函数，表示为：ΔΠ＝-ATΠ(5)其中A为天然气管网的支路-节点矩阵，③回路方程根据基尔霍夫第二定律，对于一个回路而言，回路中的管道压力降为零，表示为：BΔΠ＝0(6)其中：B为天然气网络中的回路-支路矩阵，(2)供热系统模型①水动力模型供热系统中对于某一节点，流入的热水质量等于流出的热水质量；对于某一回路，热水在网络中运动，由于摩擦的原因，水头压力会下降，因此对于一个热水回路而言，回路的压力降为0，表示为：Asm＝mq(7)Bhhf＝0(8)式中：As为热力管网的支路-节点矩阵；m为管道流量；mq为热力负荷的负荷需求；Bh为热力管网的支路-回路矩阵；hf为压力降，表示为hf＝Km|m|(9)式中：K为管道的阻力系数参量，由管道的材质决定，②热动力模型热动力模型描述的是供热系统的热平衡行为，用户的热负荷需求取决于供热的供热温度Ts，供热的输出温度To，以及单位时间内流入该热用户的热水质量mq，热力模型为：Φ＝Cpmq(Ts-To)(10)热水在网络的流动过程中，假设管道的始端温度为Tstart，末端温度为Tend，环境温度Ta，管道与温降有关的系数为λ，管道的长度为L，那么温降方程表示为：热水在网络中发生混合须满足能量守恒定律，因此混合方程表述为：(∑mout)Tout＝∑minTin(12)(3)配电系统模型配电系统的模型为反映节点功率与节点电压之间关系的节点功率方程：其中：为发电机发电有功功率，为发电机发电无功功率，负荷有功功率，负荷无功功率，其中：Vi，Vj为节点i,j的电压，Gij为节点导纳矩阵的电导，Bij为节点导纳矩阵的电纳；(4)多能源耦合环节建模将城市能源互联网耦合环节概括为一个包括输入-输出二端口的网络，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法，其特征在于包括步骤如下：(1)配气系统数学模型①稳态流动方程配气系统模型是管道的稳态流动方程，对于k节点到m节点的配气网稳态流量fkm，采用下式描述：

【技术特征摘要】
1.一种基于热电比调节的城市能源互联网潮流计算方法，其特征在于包括步骤如下：(1)配气系统数学模型①稳态流动方程配气系统模型是管道的稳态流动方程，对于k节点到m节点的配气网稳态流量fkm，采用下式描述：其中：pn为标况下的天然气压力基准；Ta为管道中天然气的平均温度；Dkm为管道直径；L为管道的长度；Tn为温度基准；pk为节点k的天然气压力；pm为节点m的天然气压力；γg，Za，F为和天然气有关的系数，可以查表获取；pk＞pm，sg(pk,pm)＝1，若pk＜pm，sg(pk,pm)＝-1；根据式子(1)，将配气系统稳态流量f改写为与配气网天然气气压压力差ΔΠ有关的函数，表示为：f＝φ(ΔΠ)(2)其中：②连续方程天然气流量在某一节点处代数和为零，表示如下：A1f＝L(4)其中：A1为天然气管网的支路-节点矩阵，L为负荷；同时规定符号如下：对于支路而言，如果流量顺着支路流入某一节点，则f为正，如果流量顺着支路流出某一节点，则f为负，对于负荷节点而言，L为正，对气源节点而言，L为负；根据式(3)，将配气网气压平方改写为与配气网天然气气压压力差ΔΠ有关的函数，表示为：ΔΠ＝-ATΠ(5)其中A为天然气管网的支路-节点矩阵，③回路方程根据基尔霍夫第二定律，对于一个回路而言，回路中的管道压力降为零，表示为：BΔΠ＝0(6)其中：B为天然气网络中的回路-支路矩阵，(2)供热系统模型①水动力模型供热系统中对于某一节点，流入的热水质量等于流出的热水质量；对于某一回路，热水在网络中运动，由于摩擦的原因，水头压力会下降，因此对于一个热水回路而言，回路的压力降为0，表示为：Asm＝mq(7)Bhhf＝0(8)式中：As为热力管网的支路-节点矩阵；m为管道流量；mq为热力负荷的负荷需求；Bh为热力管网的支路-回路矩阵；hf为压力降，表示为hf＝Km|m|(9)式中：K为管道的阻力系数参量，由管道的材质决定，②热动力模型热动力模型描述的是供热系统的热平衡行为，用户的热负荷需求取决于供热的供热温度Ts，供热的输出温度To，以及单位时间内流入该热用户的热水质量mq，热力模型为：Φ＝Cpmq(Ts-To)(10)热水在网络的流动过程中，假设管道的始端温度为Tstart，末端温度为Tend，环境温度Ta，管道与温降有关的系数为λ，管道的长度为L，那么温降方程表示为：热水在网络中发生混合须满足能量守恒定律，因此混合方程表述为：(∑mout)Tout＝∑minTin(12)(3)配电系统模型配电系统的模型为反映节点功率与节点电压之间关系的节点功率方程：其中：为发电机发电有功功率，为发电机发电无功功率，Pli负荷有功功率，负荷无功功率，其中：Vi，Vj为节点i,j的电压，Gij为节点导纳矩阵的电导，Bij为节点导纳矩阵的电纳；(4)多能源耦合环节建模将城市能源互联网耦合环节概括为一个包括输入-输出二端口的网络，并利用一个耦合矩阵来描述输入能源同输出能源之间的关系，称为能源集线器模型，在能源集线器内部，不同耦合模式的设备根据需要任意组合，输入的能源和输出的能源形式也根据需要进行指定，能源集线器的输入为P输出为L，整个能源集线器表示为：L＝f(P)(15)式中，cij为耦合因子，表示第j种形式能源输出与第i种形式能源输入的比值；(5)城市能互联网统一潮流模型城市能源互联网的统一潮流计算模型为：式中：PSP、QSP、ΦSP和LSP为初始状态下系统给定的参数，分别代表有功功率、无功功率、热功率和天然气负荷；第1、2行代表电力系统的模型，含义为系统的有功和无功差值，第3、4、5、6行代表热力系统的模型，含义为系统的节点热功率、供热力管网络回路压力降、供热温度及回热温度差值，第7行代表配气网模型，含义是天然气系统节点负荷差值；Asl、Agl分别为供热力管网络和天然气网络参数，根据网络拓扑形成的矩阵；Cs、Cr为根据热力管网、回热管网求得的矩阵，bs、br为根据供热温度和输出温度计算的矩阵，x＝[θ，U，m，Ts.load,，Tr.load，Π]T为城市能源互联网的状态量；将牛顿拉夫逊法运用到城市能源互联网联合潮流计算中，其迭代形式如下：城市能源互联网潮流方程雅克比矩阵J表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：梁刚，穆云飞，郭铁军，刘日堂，梁程，王琳，张超雄，曹旌，郝毅，王中荣，陈文福，马占军，田圳，李海科，蔚鑫栋，韩涛，王钰，田中亮，王政，党旭鑫，段伟润，张雪佼，任肖久，
申请(专利权)人：国网天津市电力公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：天津,12