一种基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于半不变量法的电‑热互联综合能源系统概率能量流计算方法。该方法包含以下内容，首先在电‑热互联综合能源系统模型的基础上，同时考虑光伏出力、电负荷和热负荷等输入变量的随机性和相关性，建立电‑热互联综合能源系统概率能量流模型，然后通过Nataf变换将输入变量统一转化至独立标准正态空间，克服半不变量法概率能量流计算不能直接应用于输入变量具有相关性场合的不足，最后采用半不变量法计算电‑热互联综合能源系统概率能量流，获得系统状态变量的概率分布。算例分析结果验证了本文所提方法的有效性与实用性。

A Probabilistic Energy Flow Calculation Method for Electric-thermal Interconnected Integrated Energy System Based on Semi-invariant Method

The invention discloses a method for calculating probabilistic energy flow of an electric-thermal interconnected integrated energy system based on the semi-invariant method. This method includes the following contents. Firstly, on the basis of the integrated energy system model of electrical-thermal interconnection, considering the randomness and correlation of input variables such as photovoltaic output, electrical load and thermal load, the probabilistic energy flow model of the integrated energy system of electrical-thermal interconnection is established. Then, the input variables are transformed into independent standard normal space by Nataf transformation to overcome the semi-invariant method. The calculation of probabilistic energy flow can not be directly applied to the case where the input variables are correlated. Finally, the semi-invariant method is used to calculate the probabilistic energy flow of the electric-thermal interconnected integrated energy system, and the probabilistic distribution of the system state variables is obtained. The effectiveness and practicability of the proposed method are verified by the results of numerical examples.

【技术实现步骤摘要】
一种基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法
本专利技术涉及综合能源系统运行调度领域，尤其涉及一种基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法。
技术介绍
随着经济的快速发展，能源、环境问题日益突出，如何实现对能源的清洁高效利用成为已成为国际能源领域重要的战略研究方向。综合能源系统一般涵盖集成的供电、供气、供暖、供冷、供氢和电气化交通等能源系统，以及相关的通信和信息基础设施。其中，热电联供网络目前发展最为迅速。自20世纪开始，在全球范围内就开始逐步建立热网。随着热网的普及以及热电联产(CombinedHeatandPower,CHP)机组的逐步应用，电力系统和热力系统耦合不断加深，电-热互联综合能源系统逐渐引起国内外专家学者的广泛关注。电力系统概率潮流计及不确定性的影响，计算可得输出随机变量的统计特征，从而为定量分析和评估不确定性因素对电力系统的影响奠定了基础。概率潮流的求解方法包括模拟法、解析法和近似法，其中模拟法中最为常见的蒙特卡罗模拟(MonteCarloSimulation,MCS)一般用于检验概率潮流方法的准确性；解析法中半不变量法计算效率高，在概率潮流中得到了广泛应用；近似法中最具代表性的点估计法的优点在于无需获知输入量与输出量具体的函数关系式。目前概率潮流在电力系统中得到了广泛研究，但对于电-热互联综合能源系统的概率能量流分析，国内外鲜有报道。半不变量法概率潮流在各输入变量相互独立的前提下采用代数运算代替卷积运算，具有计算简单和计算速度快等优点，得到了广泛应用。但该方法要求各输入变量相互独立，使其不能直接应用于输入变量具有相关性的场合。本专利技术针对现有方法求解效果不理想的问题，提供一种基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法。建立了电-热互联综合能源系统概率能量流模型，通过Nataf变换将输入变量统一转化至独立标准正态空间，采用半不变量法计算电-热互联综合能源系统概率能量流，获得系统状态变量的概率分布，计算中同时计及输入变量的随机性和相关性。技术方案：本专利技术所述的一种基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法包括以下步骤：(1)建立电-热互联综合能源系统模型，包括：电力系统模型、热力系统水力模型、热力系统热力模型、CHP机组模型；(2)针对光伏出力预测、负荷预测存在的误差，建立光伏出力和电、热负荷随机输入变量的概率模型；(3)根据历史数据给出不同光伏电站、电-电负荷、热-热负荷以及电-热负荷之间的相关系数矩阵；(4)根据所述相关系数矩阵通过Nataf变换处理相关非正态的光伏出力和相关正态的电、热负荷输入随机变量的相关性，将随机输入变量统一转化至独立标准正态空间；(5)在独立标准正态空间计算随机输入变量的各阶半不变量；(6)将随机输入变量的期望代入所述电-热互联综合能源系统模型，根据牛顿-拉夫逊法建立能量流方程；(7)在基准运行点处对能量流方程进行泰勒展开，忽略2次以上的高次项，得到灵敏度矩阵；(8)根据所述灵敏度矩阵计算状态变量的各阶半不变量，并采用Cornish-Fisher级数拟合状态变量的概率分布，即得到概率能量流。进一步的，所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1-1)采用交流潮流模型描述电力系统模型为：式中：P、Q为节点的有功功率和无功功率；Y为节点导纳矩阵；为节点电压相量；(1-2)建立热力系统水力模型为：流量连续性方程：AHm＝mq回路压头方程：BHhf＝0压头损失方程：hf＝Km|m|式中：AH为热力系统节点-支路网络关联矩阵；m为热力系统管道流量；mq为注入节点的流量；BH为热力系统回路-支路环路关联矩阵；hf为由管道摩擦造成的压头损失；K为管道的阻力系数；(1-3)建立热力系统热力模型为：节点热量方程：H＝Cpmq(Ts-T0)管道温度降落方程：节点混合温度方程：(∑mout)Tout＝∑(minTin)式中：H为热负荷消耗或热源提供的热量；Cp为水的比热容；Ts为供热温度，T0为输出温度；Tstart和Tend分别为管道起点和终点热水的温度；Ta为环境温度；λ为管道的热传导系数；L为管道长度；m为管道流量；mout和min分别为流出和注入节点的流量；Tout和Tin分别为流出和注入节点的热水的温度；(1-4)建立热电联产机组模型为：式中：和cm分别为定热电比CHP机组的电出力、热出力和定热电比；和cz分别为变热电比CHP机组的电出力、热出力和变热电比；ηe为变热电比CHP机组的冷凝效率；Fin为燃料输入速率。进一步的，所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2-1)建立光伏出力的概率模型为：式中：f(PPV)为光伏电站有功出力PPV的概率密度函数；α和β为Beta分布的形状参数；PPV、PPV,max为光伏电站实际有功出力和最大有功出力，Γ(·)表示Gamma函数；(2-2)建立电、热负荷的概率模型为：式中：f(Pload)和f(Hload)分别为电负荷有功功率Pload和热负荷Hload的概率密度函数；和分别为电负荷的期望和标准差；和分别为热负荷的期望和标准差。进一步的，所述步骤(4)具体包括以下步骤：(4-1)对步骤(3)计算得到的相关系数矩阵CX，采用二维Nataf变换的方法，并与Gauss-Hermite积分相结合，得到相关系数矩阵CZ；其中，所述相关系数矩阵CX为n维随机输入变量X＝(x1,x2,...,xn)T的相关系数矩阵，xi表示第i个随机输入变量，所述相关系数矩阵CZ为与X对应的n维标准正态分布随机变量Z＝(z1,z2,...,zn)T的相关系数矩阵，zi表示第i个标准正态分布随机变量；(4-2)依据等概率原则进行如下计算，得到标准正态分布随机变量Z＝(z1,z2,...,zn)T：式中：Fk为xk的累积概率分布函数；ψk为zk的累积概率分布函数；(4-3)对CZ进行Cholesky分解得下三角矩阵D；(4-4)根据如下公式计算得到n维独立标准正态分布随机变量Y＝(y1,y2,...,yn)T：Y＝D-1Z。进一步的，所述步骤(5)具体包括：(5-1)计算独立标准正态分布随机变量的各阶原点矩χυ：式中，χυ表示第υ阶原点矩，συ表示标准差σ的υ次方；(5-2)计算独立标准正态分布随机变量的各阶半不变量：式中：κυ表示第υ阶半不变量，表示从υ个不同元素中取j个元素的组合数。进一步的，所述步骤(6)具体包括以下步骤：将所述将输入变量的期望代入所述电-热互联综合能源系统模型，进行牛顿-拉夫逊法能量流计算，其中，牛顿-拉夫逊法建立的能量流方程如下：式中：θ和V分别为电力系统节点电压的幅值和相角；ΔW为输入变量修正量；ΔX为状态变量修正量；ΔP、ΔQ分别表示电力系统有功修正量、无功修正量；ΔH、ΔT、Δm分别表示热力系统热量修正量、温度修正量、管道流量修正量；J为雅克比矩阵，由电力子阵Je，电热子阵Jeh，热电子阵Jhe，热力子阵Jhe组成：进一步的，所述步骤(7)具体包括以下步骤：在基准运行点处对能量流方程进行泰勒展开，忽略2次以上的高次项，整理得：X＝X0+ΔX＝X0+S0ΔW式中：X表示状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于半不变量法的电‑热互联综合能源系统概率能量流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立电‑热互联综合能源系统模型，包括：电力系统模型、热力系统水力模型、热力系统热力模型、CHP机组模型；(2)针对光伏出力预测、负荷预测存在的误差，建立光伏出力和电、热负荷随机输入变量的概率模型；(3)根据历史数据给出不同光伏电站、电‑电负荷、热‑热负荷以及电‑热负荷之间的相关系数矩阵；(4)根据所述相关系数矩阵通过Nataf变换处理相关非正态的光伏出力和相关正态的电、热负荷输入随机变量的相关性，将随机输入变量统一转化至独立标准正态空间；(5)在独立标准正态空间计算随机输入变量的各阶半不变量；(6)将随机输入变量的期望代入所述电‑热互联综合能源系统模型，根据牛顿‑拉夫逊法建立能量流方程；(7)在基准运行点处对能量流方程进行泰勒展开，忽略2次以上的高次项，得到灵敏度矩阵；(7)根据所述灵敏度矩阵计算状态变量的各阶半不变量，并采用Cornish‑Fisher级数拟合状态变量的概率分布，即得到概率能量流。

【技术特征摘要】
1.一种基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立电-热互联综合能源系统模型，包括：电力系统模型、热力系统水力模型、热力系统热力模型、CHP机组模型；(2)针对光伏出力预测、负荷预测存在的误差，建立光伏出力和电、热负荷随机输入变量的概率模型；(3)根据历史数据给出不同光伏电站、电-电负荷、热-热负荷以及电-热负荷之间的相关系数矩阵；(4)根据所述相关系数矩阵通过Nataf变换处理相关非正态的光伏出力和相关正态的电、热负荷输入随机变量的相关性，将随机输入变量统一转化至独立标准正态空间；(5)在独立标准正态空间计算随机输入变量的各阶半不变量；(6)将随机输入变量的期望代入所述电-热互联综合能源系统模型，根据牛顿-拉夫逊法建立能量流方程；(7)在基准运行点处对能量流方程进行泰勒展开，忽略2次以上的高次项，得到灵敏度矩阵；(7)根据所述灵敏度矩阵计算状态变量的各阶半不变量，并采用Cornish-Fisher级数拟合状态变量的概率分布，即得到概率能量流。2.根据权利要求1所述的一种基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1-1)采用交流潮流模型描述电力系统模型为：式中：P、Q为节点的有功功率和无功功率；Y为节点导纳矩阵；为节点电压相量；(1-2)建立热力系统水力模型为：流量连续性方程：AHm＝mq回路压头方程：BHhf＝0压头损失方程：hf＝Km|m|式中：AH为热力系统节点-支路网络关联矩阵；m为热力系统管道流量；mq为注入节点的流量；BH为热力系统回路-支路环路关联矩阵；hf为由管道摩擦造成的压头损失；K为管道的阻力系数；(1-3)建立热力系统热力模型为：节点热量方程：H＝Cpmq(Ts-T0)管道温度降落方程：节点混合温度方程：(∑mout)Tout＝∑(minTin)式中：H为热负荷消耗或热源提供的热量；Cp为水的比热容；Ts为供热温度，T0为输出温度；Tstart和Tend分别为管道起点和终点热水的温度；Ta为环境温度；λ为管道的热传导系数；L为管道长度；m为管道流量；mout和min分别为流出和注入节点的流量；Tout和Tin分别为流出和注入节点的热水的温度；(1-4)建立热电联产机组模型为：式中：和cm分别为定热电比CHP机组的电出力、热出力和定热电比；和cz分别为变热电比CHP机组的电出力、热出力和变热电比；ηe为变热电比CHP机组的冷凝效率；Fin为燃料输入速率。3.根据权利要求1所述的基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2-1)建立光伏出力的概率模型为：式中：f(PPV)为光伏电站有功出力PPV的概率密度函数；α和β为Beta分布的形状参数；PPV、PPV,max为光伏电站实际有功出力和最大有功出力，Γ(·)表示Gamma函数；(2-2)建立电、热负荷的概率模型为：式中：f(Pload)和f(Hload)分别为电负荷有功功率Pload和热负荷Hload的概率密度函数；和分别为电负荷的期望和标准差；和分别为热负荷的期望和标准差。4.根据权利要求1所述的基于半不变量法的电-热互联综合能源系统概率能量流计算方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括以下步骤：(4-1)对步...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫志农，孙娟，孙国强，臧海祥，陈胜，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32