基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法，本发明专利技术首先建立了电力系统、天然气系统模型，电力系统和天然气系统通过燃气轮机耦合形成电‑气互联系统。然后以互联系统的总运行成本最小为目标函数、考虑了电力系统和天然气系统运行约束。优化过程中考虑了电、气负荷及风电、光能等随机因素的影响，通过粒子群优化算法求解概率最优潮流得出目标函数及其状态变量的概率统计信息。

【技术实现步骤摘要】
基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法
本专利技术涉及一种基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法，属于多能源不确定分析

技术介绍
能源是人类赖以生存的基础和重要保障，是国民经济的命脉，如何保证能源可持续供应的同时减少环境污染，是当今社会共同关注的重点。我国长期以煤炭、石油等化石能源为主的能源消费结构造成了巨大的环境压力。因此提高能源利用效率，开发清洁、高效、无污染的清洁能源成为解决人类社会发展过程中日益凸显的能源问题与环境保护的必然选择。电气互联系统以燃气轮机建立了电力系统和天然气系统的耦合，利用比煤炭更加清洁的天然气发电，缓解了能源压力且减少了环境污染。天然气相比于其他一次能源对环境的影响较小、经济性好、储量丰富且易于存储，可用于应急调峰，能用于具有随机性、间接性大的可再生能源的协调；随着燃气轮机组在发电侧比重的日益提升，电力系统与天然气系统间的耦合将进一步加深，电气互联系统将成为未来综合能源网的主要形式。最优潮流(optimalpowerflow,OPF)是电力系统网络规划和运行分析的重要工具。随着燃气轮机在电力系统中的比重逐渐增大，天然气系统的运行必然会影响OPF的结果，但传统的OPF没有考虑电力网络与天然气网络间的耦合。现有针对电气互联系统的研究基本基于确定性模型下，少有针对新能源接入背景下电力系统及天然气系统的不确定性的研究。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是采用随机响应面法解决电气互联系统在电、气负荷和新能源接入下的不确定性的概率最优潮流下的发电成本最低。技术方案：一种基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法，依次按以下步骤实现：1)获取电力系统的参数信息进行稳态建模，其参数信息包括：输电线路网络拓扑结构，π型等效电路的电阻、电抗，对地并联电导、电纳，变压器变比和阻抗，各节点负荷以及发电机输出有功、无功约束，各节点电压约束；2)获取天然气网络的参数信息进行稳态建模，其参数信息包括：输气管道的拓扑结构，传输效率等参数信息，加压站的拓扑结构，各节点气负荷以及气源点天然气出力信息，各节点压力约束；3)获取以燃气轮机的各个参数，约束条件进行电气互联系统的耦合；4)针对负荷预测、风速预测、光照预测的不确定性建立负荷、风速、光照的概率信息；5)通过随机响应面法在已知输入随机变量概率分布的基础上，将输出响应表达为关于已知系数的混沌多项式，通过最优选点法选出的采样点确定多项式中的待定系数，进而得到所估计的输出响应的概率分布6)根据各变量的概率分布，以成本作为目标函数，求得概率最优潮流下的成本值；7)输出状态变量的概率统计信息。附图说明图1为本专利技术方法流程图；图2为本专利技术燃气轮机驱动的加压站示意图；图3为本专利技术电气互联系统结构图；图4为发电成本概率分布图；图5为电力系统7号节点电压幅值概率分布图；图6为天然气系统4号节点压力概率分布图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。1电力系统稳态建模电力系统直角坐标系下根据节点电压可以计算各点的有功功率和无功功率，Pi为PQ节点和PV节点的注入有功功率，Qi为PQ节点的注入无功功率，Ui为PV节点的电压大小。对于电力网络中节点i：式中：ei，fi分别为节点i电压向量的实部和虚部；Gij，Bij分别为节点导纳矩阵第i行第j列元素的实部和虚部。2天然气系统稳态建模天然气系统稳态建模实际涉及到多种元件，与众多因素有关，本专利技术主要针对天然气管道和加压站两种主要元件进行稳态建模。2.1管道流量方程：天然气管道流量方程与管道两端压力在内的许多因素有关，在理想条件下对于高压气网完全湍流，管道mn流量方程为：其中：式中：fkmn为管道流量值；πm为节点m压力值；πn为节点n压力值；ε为管道效率因子；T0为标准温度值；Dk为管道k的内径；π0为标准压力值；G为气体相对密度，空气为1，天然气为0.6；Lk为管道k的长度；Tka为管道k的平均气体温度；Za为平均气体压缩系数。2.2压缩机的能量消耗方程由于管道内存在摩擦阻力势必会造成天然气的损耗，为了补偿天然气的损耗，系统中会添加加压站升高天然气压力。加压站通过压缩机升高压力，需要消耗额外的能量，该能量既可以由等效的加压站气负荷提供，也可以由电力驱动，本专利技术考虑等效的气负荷提供并视为天然气网络中的负荷。其中：式中：fk为通过压缩机的气体流量；πm为气体注入压缩机压力；πn为气体输出压缩机压力；Zki为压缩机流入端的气体压缩因子；Tki为压缩机天然气汲取处温度；α为绝热指数；ηk为加压站效率。驱动加压站所消耗天然气的流量：式中：αTk、βTk、γTk为消耗天然气流量转换系数。2.3天然气流量平衡方程与电力系统中节点功率方程类似，天然气流量守恒为每一个节点流入的流量与流出的流量相等，可用矩阵的形式表示：(A+U)f+w-Tτ＝0其中：式中：f为支路流量值向量；w为各节点的气体注入向量；τ为各压缩机消耗流量值向量，矩阵A为线路-节点关联矩阵，表示管道与节点之间的联络；矩阵U为机组-节点关联矩阵，表示机组与节点之间的联络。T为压缩机消耗与节点关联矩阵，表示燃气轮机与节点之间的联络。3电力系统和天然气系统之间的耦合燃气轮机的天然气输入视为天然气系统的气负荷，同时燃气轮机消耗天然气的电力输出视为电力系统的电源，这样燃气轮机将电力系统和天然气系统耦合起来，其耦合关系为：式中：Hg,i为燃气轮机输入热量值；PG,i为燃气轮机向电力系统节点i输出功率；αg,i、βg,i、γg,i由燃气轮机的耗热率曲线决定；为天然气系统输入燃气轮机的天然气流量；GHV＝1015BTU/SCF，为高热值。4电气互联系统概率最优潮流根据上述模型，电力系统与天然气系统通过燃气轮机耦合，形成电气互联系统。以总的能源成本为目标函数，考虑电力网络、天然气网络及燃气轮机的各种约束，建立电气互联系统概率最优潮流模型。4.1目标函数本专利技术以系统总的能源成本作为目标函数：式中：PG为非燃气轮机集合；ai，bi，ci为发电机成本系数；Pi为发电机有功出力，NS为气源点集合；gi为天然气成本系数；wg,i为天然气供应量。4.2约束条件等式约束1)电力系统等式约束:ΔPi＝PG,i+PW,i-PL,i-PiΔQi＝QG,i-QL,i-Qi式中：ΔPi，ΔQi为节点i有功、无功功率不平衡量；为节点i电压平方的不平衡量；PG,i，QG,i分别为发电机i的有功、无功出力；PW,i为燃气轮机i的有功出力；PL,i，QL,i分别为节点i的有功、无功负荷。2)天然气系统等式约束:Δwi＝wg,i-wL,i-Fi＝0式中：Δwi为天然气网络中各节点流量值的不平衡量；wg,i为气源点对节点i的气体注入量；wL,i为节点i的气体负荷，Fi为节点i的注入量。不等式约束1)电力系统不等式约束：PGmin,i≤PG,i≤PGmax,iQGmin,i≤QG,i≤QGmax,i式中：PGmax,i，PGmin,i为发电机所发出有功功率的上限和下限；QGmax,i，QGmin,i为发电机所发无功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法，其特征在于，依次按以下步骤实现：1)获取电力系统的参数信息进行稳态建模，其参数信息包括：输电线路网络拓扑结构，π型等效电路的电阻、电抗，对地并联电导、电纳，变压器变比和阻抗，各节点负荷以及发电机输出有功、无功约束，各节点电压约束；2)获取天然气网络的参数信息进行稳态建模，其参数信息包括：输气管道的拓扑结构，传输效率等参数信息，加压站的拓扑结构，各节点气负荷以及气源点天然气出力信息，各节点压力约束；3)获取以燃气轮机的各个参数，约束条件进行电气互联系统的耦合；4)针对负荷预测、风速预测、光照预测的不确定性建立负荷、风速、光照的概率信息；5)通过随机响应面法在已知输入随机变量概率分布的基础上，将输出响应表达为关于已知系数的混沌多项式，通过最优选点法选出的采样点确定多项式中的待定系数，进而得到所估计的输出响应的概率分布；6)根据各变量的概率分布，以成本作为目标函数，求得概率最优潮流下的成本值；7)输出状态变量的概率统计信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法，其特征在于，依次按以下步骤实现：1)获取电力系统的参数信息进行稳态建模，其参数信息包括：输电线路网络拓扑结构，π型等效电路的电阻、电抗，对地并联电导、电纳，变压器变比和阻抗，各节点负荷以及发电机输出有功、无功约束，各节点电压约束；2)获取天然气网络的参数信息进行稳态建模，其参数信息包括：输气管道的拓扑结构，传输效率等参数信息，加压站的拓扑结构，各节点气负荷以及气源点天然气出力信息，各节点压力约束；3)获取以燃气轮机的各个参数，约束条件进行电气互联系统的耦合；4)针对负荷预测、风速预测、光照预测的不确定性建立负荷、风速、光照的概率信息；5)通过随机响应面法在已知输入随机变量概率分布的基础上，将输出响应表达为关于已知系数的混沌多项式，通过最优选点法选出的采样点确定多项式中的待定系数，进而得到所估计的输出响应的概率分布；6)根据各变量的概率分布，以成本作为目标函数，求得概率最优潮流下的成本值；7)输出状态变量的概率统计信息。2.如权利要求1所述的基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法，其特征在于，电力系统稳态建模：对于电力网络中节点i：式中：ei，fi分别为节点i电压向量的实部和虚部；Pi，Qi分别为电力网络中节点i有功功率和无功功率；Gij，Bij分别为节点导纳矩阵第i行第j列元素的实部和虚部；为节点i的电压大小。3.如权利要求1所述的基于随机响应面法的电气互联系统概率最优潮流计算方法，其特征在于，管道流量方程：对于高压气网完全湍流，管道mn流量方程为：其中：式中：fkmn为管道流量值；πm为节点m压力值；πn为节点n压力值；ε为管道效率因子；T0为标准温度值；Dk为管道k的内径；π0为标准压力值；G为气体相对密度，空气为1，天然气为0.6；Lk为管道k的长度；Tka为管道k的平均气体温度；Za为平均气体压缩系数；压缩机的能量消耗方程：其中：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙永辉，张博文，张世达，王加强，翟苏巍，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32