考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型构建方法技术方案

本发明专利技术公开一种考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型构建方法。在电力系统与天然气系统数据各自独立调度运行，数据不能共享的情况下，提出天然气系统的约束等值模型，将天然气系统等值约束信息提供给电力系统而不涉密；在此基础上建立考虑天然气系统约束的等值最优潮流方法，避免了电力系统与天然气系统的交替迭代，同时还有效计及了天然气系统对电力系统运行调度的影响。最后，通过IEEE14‑NGS10电‑气互联系统的算例分析验证了所提方法的有效性。

【技术实现步骤摘要】
考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型构建方法
本专利技术属于电-气互联系统领域，目的是实现考虑天然气系统约束的等值最优潮流计算。具体涉及考虑气源容量约束、节点气压约束、压缩机气压变比约束的天然气系统约束的等值模型，以及基于约束等值模型提出考虑天然气系统约束的等值最优潮流方法。
技术介绍
相比于燃煤/燃油发电，天然气发电具有污染低、经济性好、动作响应快、安装时间短等优点，近年来，燃气轮机装机容量在世界很多地方都持续增长。随着燃气轮机装机容量的日益增长，天然气系统与电力系统的耦合也愈加紧密。实际上，天然气系统与电力系统是独立运行调度，并没有考虑系统间的相互影响，导致优化结果不准确。例如：电力系统燃气轮机发电量较大时，大容量的天然气消耗可能会迫使天然气系统的运行状态超出安全约束(如：节点压力越限、管道流量越限)，从而影响燃气轮机的一次能源供应。目前，国内外学者对电-气互联系统的协同优化已有许多研究，可分为天然气系统与电力系统的数据完全共享和数据不能共享两类，但存在以下问题：数据完全共享方法对天然气系统与电力系统统一建模优化分析，但未考虑实际上电力系统与天然气系统分别属于不同的运营商负责管理，数据具有商业机密，获得整个电-气互联系统的全局信息目前还难以实现。数据不能共享方法在构建分解协同交互机的基础上，采用交替迭代的思想对电-气互联系统进行优化分析，然而这些方法存在着参数设定困难、收敛速度慢甚至不收敛等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤:1)输入基础数据输入电-气互联系统基础数据，包括电力子系统设备参数(即线路的阻抗、对地电纳及其传输功率约束条件，变压器的阻抗、对地导纳、变比及其传输功率约束条件，电力系统节点的对地导纳及连接负荷功率大小，发电机出力大小及其出力约束条件)、天然气子系统设备参数(即管道的管道常数，压缩机的压变比约束、温度常数和压缩因子常数、流过流量约束条件)和拓扑结构(即包括电力系统、天然气系统中各节点连接关系，以及各耦合元件的连接关系)。2)建立天然气系统的约束等值模型为有效保留天然气系统约束对电力系统的影响，本专利技术提出天然气系统的约束等值模型。约束等值模型的建模可分为以下三个步骤：建立约束等值目标函数、建立约束等值等式约束方程、建立约束等值不等式约束方程。2-1)建立约束等值目标函数根据天然气系统中燃气轮机个数(N)建立多个目标函数，首先建立任意一个燃气轮机消耗天然气流量最大的目标函数，一共N个；然后建立任意两个燃气轮机消耗天然气流总流量最大的目标函数，一共C2N个；以此类推，最后建立所有燃气轮机消耗天然气总流量最大的目标函数，一共CNN个；即由Ci，Cij，…，Call组成。式中，在建立任意一个燃气轮机消耗天然气流量最大的目标函数时，Ci表示第i个燃气轮机消耗天然气流量的最大值，表示第i个燃气轮机消耗天然气流量。在建立任意两个燃气轮机消耗天然气总流量最大的目标函数时，Cij为第i个和第j个燃气轮机消耗天然气总流量的最大值，和分别表示第i个和第j个燃气轮机消耗的天然气流量。在建立所有燃气轮机消耗天然气总流量最大的目标函数时，Call为所有燃气轮机消耗天然气总流量的最大值，表示第i个燃气轮机消耗天然气流量。在求解燃气轮机消耗天然气流量最大值时，其他不相关燃气轮机消耗天然气流量为0。2-2)建立约束等值等式约束方程天然气系统流量平衡方程为式(2)。FG,m-FGAS,m-FL,m-Fm＝0,m＝1,2,...,Nm(2)式中，FG,m、FGAS,m、FL,m、Fm分别为天然气节点m的气源流量、燃气轮机消耗的流量、气负荷和注入流量，Nm为天然气系统节点个数。其中节点注入流量Fm可以通过式(3)求得。式中，天然气节点n表示与天然气节点m相连的节点；Fmn、Fcom,mn、τcom,mn分别为管道流量、流过压缩机的流量和压缩机损耗，sgnc(m,n)和sgnτ(m,n)分别为压缩机流过流量和消耗流量的方向函数。这些量可以通过式(4)和(5)表示。式中，Πm是天燃气节点m的节点气压；kmn是与管道内径、长度、效率、压缩因子相关的常数；smn反应管道流量方向；Hcom,mn为压缩机消耗的功率；Bmn是压缩机系数；Zmn是压缩机压缩因子相关的常数。ατ、βτ、γτ为功率转化效率常数。2-3)建立约束等值不等式约束方程式(6)-(8)分别为天然气系统节点气压、气源容量、压缩机气压变比的上下限。式中，Πm是天燃气节点m的节点气压，FG,m为气源容量，Rr为压缩机气压变比。和分别为天然气节点气压的上限和下限；和分别为气源容量的上限和下限；和分别为压缩机压变比的上限和下限。Ns和Np分别为气源和压缩机的个数。求解由公式(1)-(8)构成的优化模型可计算得到目标函数中的通过燃气轮机耗量方程(9)可计算出对应的再通过公式(10)计算得到任意一个燃气轮机的出力上限，一共N个；得到任意两个燃气轮机总出力上限，一共C2N个；以此类推，得到所有燃气轮机总出力上限，一共CNN个；即由组成。式(10)中，在求解任意一个燃气轮机的出力上限时，为第i个燃气轮机输出功率的最大值，为第i个燃气轮机的输出功率。在求解任意两个燃气轮机总出力上限时，为第i个和第j个燃气轮机总输出功率的最大值，和分别表示第i个和第j个燃气轮机输出功率。在求解所有燃气轮机总出力上限时，为所有燃气轮机总输出功率的最大值，为第i个燃气轮机的输出功率。GHV为天然气高热值。通过天然气系统的约束等值模型(1)-(10)可将天然气系统气源容量约束、节点气压约束、压缩机气压变比约束等值到耦合元件燃气轮机的有功出力约束中。3)求解天然气系统的约束等值模型式(1)-(10)构成求解天然气约束等值参数的非线性最优化问题。通过内点法可直接求得系统中各个燃气轮机组的有功出力约束以替代天然气系统的运行约束。4)建立考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型通过天然气系统的约束等值模型，天然气系统的约束等值到了燃气轮机的有功出力约束中，因此可以进一步建立考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型。等值最优潮流模型的建模可分为以下三个步骤：建立等值最优潮流目标函数、建立等值最优潮流等式约束方程、建立等值最优潮流不等式约束方程。1)等值最优潮流目标函数：式中，fi(PGAS,i)为燃气轮机组的成本函数；fj(PGj)为非燃气发电机的成本函数；NG为非燃气发电机个数。2)建立等值最优潮流等式约束方程：考虑电力系统功率平衡方程(12)-(13)，构建如下等式约束：式中，Pi和Qi分别为节点i的注入有功功率和无功功率；Ui是节点i的电压幅值；θij是节点i与j的电压相角差；Gij和Bij分别为节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部；NA为节点个数。3)建立等值最优潮流不等式约束方程：考虑天然气系统的等值约束燃气轮机自身的容量约束(15)-(16)、非燃气常规机组容量约束(17)-(18)、节点电压约束(19)和线路功率约束(20)构建如下不等式约束。其中，PGAS,i为燃气轮机i的有功功率功率，QGAS,i为燃气轮机i的无功功率，PGi为非燃气轮机i的有功功率功率，QGi为非燃气轮机i的无功功率，Ui是节点i的电压幅值，Tl本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)输入基础数据输入电‑气互联系统基础数据：电力子系统设备参数、天然气子系统设备参数和拓扑结构2)建立天然气系统的约束等值模型2‑1)建立约束等值目标函数根据天然气系统中燃气轮机个数(N)建立多个目标函数，首先建立任意一个燃气轮机消耗天然气流量最大的目标函数，一共N个；然后建立任意两个燃气轮机消耗天然气流总流量最大的目标函数，一共

【技术特征摘要】
1.一种考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)输入基础数据输入电-气互联系统基础数据：电力子系统设备参数、天然气子系统设备参数和拓扑结构2)建立天然气系统的约束等值模型2-1)建立约束等值目标函数根据天然气系统中燃气轮机个数(N)建立多个目标函数，首先建立任意一个燃气轮机消耗天然气流量最大的目标函数，一共N个；然后建立任意两个燃气轮机消耗天然气流总流量最大的目标函数，一共个；以此类推，最后建立所有燃气轮机消耗天然气总流量最大的目标函数，一共个；即由Ci，Cij，…，Call组成。式中，在建立任意一个燃气轮机消耗天然气流量最大的目标函数时，Ci表示第i个燃气轮机消耗天然气流量的最大值，表示第i个燃气轮机消耗天然气流量。在建立任意两个燃气轮机消耗天然气总流量最大的目标函数时，Cij为第i个和第j个燃气轮机消耗天然气总流量的最大值，和分别表示第i个和第j个燃气轮机消耗的天然气流量。在建立所有燃气轮机消耗天然气总流量最大的目标函数时，Call为所有燃气轮机消耗天然气总流量的最大值，表示第i个燃气轮机消耗天然气流量。在求解燃气轮机消耗天然气流量最大值时，其他不相关燃气轮机消耗天然气流量为0。2-2)建立约束等值等式约束方程天然气系统流量平衡方程为式(2)。FG，m-FGAS，m-FL，m-Fm＝0，m＝1，2，...，Nm(2)式中，FG，m、FGAS，m、FL，m、Fm分别为天然气节点m的气源流量、燃气轮机消耗的流量、气负荷和注入流量，Nm为天然气系统节点个数。其中节点注入流量Fm可以通过式(3)求得。式中，天然气节点n表示与天然气节点m相连的节点；Fmn、Fcom，mn、τcom，mn分别为管道流量、流过压缩机的流量和压缩机损耗，sgnc(m，n)和sgnτ(m，n)分别为压缩机流过流量和消耗流量的方向函数。这些量可以通过式(4)和(5)表示。式中，Πm是天燃气节点m的节点气压；kmn是与管道内径、长度、效率、压缩因子相关的常数；smn反应管道流量方向；Hcom，mn为压缩机消耗的功率；Bmn是压缩机系数；Zmn是压缩机压缩因子相关的常数。ατ、βτ、γτ为功率转化效率常数。2-3)建立约束等值不等式约束方程式(6)-(8)分别为天然气系统节点气压、气源容量、压缩机气压变比的上下限。式中，Πm是天燃气节点m的节点气压，FG，m内气源容量，Rr为压缩机气压变比。和分别为天然气节点气压的上限和下限；和分别为气源容量的上限和下限；和分别为压缩机压变比的上限和下限。Ns和Np分别为气源和压缩机的个数。求解由公式(1)-(8)构成的优化模型可计算得到目标函数中的通过燃气轮机耗量方程(9)可计算出对应的再通过公式(10)计算得到任意一个燃气轮机的出力上限，一共N个；得到任意两个燃气轮机总出力上限，一共个；以此类推，得到所有燃气轮机总出力上限，一共个；即由组成。

【专利技术属性】
技术研发人员：余娟，代伟，马梦楠，颜伟，赵霞，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50