一种综合能源系统动态状态估计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种综合能源系统动态状态估计方法，包括：定义状态量具体形式，确定综合能源系统的测量量，计算步长、形成预报误差方差矩阵和测量误差方差矩阵；根据综合能源系统拓扑结构和元件参数以及燃气轮机组和热电联产机组的功率平衡关系，形成系统状态转移矩阵和测量矩阵；根据状态转移矩阵对状态量进行预报，得到

【技术实现步骤摘要】
一种综合能源系统动态状态估计方法
本专利技术涉及一种综合能源系统动态状态估计方法，属于综合能源系统监测的

技术介绍
随着环境问题的日益严峻，风电和光伏等新能源利用规模不断扩大。由于新能源具有较强的随机波动性，大规模新能源接入电网一定程度上影响系统的安全稳定运行。燃气轮机的灵活调节性能以及通过热电联产机组使得集中供热网和电力系统的互补特性为电力系统的运行提供了新的控制手段。因此，由电力系统、天然气网和集中供热网所构成的综合能源系统运行状态监测问题尤为重要。通过数据采集装置和通信系统能够对综合能源系统运行状态进行监测，然而，数据在采集和传输过程中难免出现随机误差和不良数据，因此，需要对收集的数据进行状态估计才能够进行使用。已有的综合能源系统状态估计方法主要为静态状态估计，即针对系统稳定运行时各状态量不发生变化的情况而进行的状态估计。这些方法无法获取综合能源系统动态过程信息，且不具备状态预报功能。而在实际运行中由于电源和负荷的不断变化，天然气管道中气体的压缩以及集中供热网的热传递特性，综合能源系统通常是处于不断变化的动态过程。实时准确地获取该动态过程信息以及预报对于综合能源系统的安全稳定运行以及优化控制更加重要。由电力系统、天然气网和集中供热网络构成的综合能源系统动态是由多种不同种类物理特性动态行为相互作用所形成的多时间尺度动态过程。其中电力系统的机电暂态过程是由发电机机械功率和电磁功率不平衡造成的发电机转子转速变化的动态过程，持续时间从几秒到几十秒；由负荷变化引起的电力系统潮流动态变化过程通常为几分钟到几小时；由管道内天然气压缩造成的气体压强和流量的变化通常是小时级；由供热负荷变化导致的集中供热网动态过程通常持续时间也为小时级，而管道中水的流量由于控制器的调节作用通常为恒定值。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种综合能源系统动态状态估计方法。本专利技术采用卡尔曼滤波算法对综合能源系统进行动态状态估计。对于电力系统，将节点电压相量作为状态量，采用指数平滑模型进行预报；对于天然气网，将气体压强和流量作为状态量，采用满足质量平衡和动量守恒约束的代数方程和偏微分方程对状态量进行预报；对于集中供热网，将管道中水的温度作为状态量，采用偏微分方程进行预报。电力系统和天然气网之间通过燃气轮机进行耦合，电力系统和集中供热网之间通过热电联产机组进行耦合。所构建的动态状态估计方法不仅能够对综合能源系统动态过程进行预报，同时能够对状态量进行估计，从而获取准确的动态信息。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种综合能源系统动态状态估计方法，包括以下步骤：定义状态量x具体形式，确定综合能源系统的测量量z，计算步长Δt、形成预报误差方差矩阵Q和测量误差方差矩阵R；根据综合能源系统拓扑结构和元件参数以及燃气轮机组和热电联产机组的功率平衡关系，形成系统状态转移矩阵Ft和测量矩阵Ht；根据状态转移矩阵Ft对状态量进行预报，得到t+1时刻状态量x的预报值和预报误差方差矩阵Pt+1|t；形成t+1时刻测量相量zt+1，计算滤波增益Kt+1，计算t+1时刻状态量估计值和估计误差方差矩阵Pt+1|t+1；判断计算是否结束，如果结束则输出估计结果，否则令t＝t+1，形成系统状态转移矩阵Ft+1和测量矩阵Ht+1进行下一时刻估计。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述方法中定义的状态量x具体形式为：其中xE为电网母线p的电压实部ep和虚部fp构成的电力系统状态变量，即xE＝[e1f1e2f2…epfp…]T，nB为母线数量；xG为天然气管道中节点气体密度ρk和管道ij中由节点i端流向节点j端的气体流量管道ji中由节点j端流向节点i端的气体流量构成的天然气网状态变量，即nN和nL分别为天然气网节点数量和管道数量；xH为集中供热网中节点温度Th构成的热网状态量，即xH＝[T1,T2,…，Th，…]T，nH为供热网节点数量；为时间维度，上标表示实数空间维度；所述方法中确定的测量量z具体形式为：其中zH＝[Tz1,Tz2,…,Tzl,…]T；zV和zI分别为由电网母线电压实部虚部量测量和支路电流以及节点注入电流实部虚部构成的量测向量；zP和zM分别为由天然气网节点压强量测量和管道两端气体流量量测量构成的量测向量；zH为集中供热网节点温度量测构成的量测向量；Tzl为集中供热网节点l的温度量测量。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述系统状态转移矩阵Ft是由电力系统、天然气管网和集中供热网状态量所满足的动态方程以及拓扑关系和元件参数所共同决定；对于电力系统，其状态量是通过如下指数平滑算法进行预报：Lt＝αSxEt+(1-αS)(Lt-1+Tt-1)Tt＝βS(Lt-Lt-1)+(1-βS)Tt-1xEt+1＝Lt+Tt式中，Lt和Tt分别为平滑水平分量和趋势分量；Lt-1和Tt-1分别为t-1时刻平滑水平分量和趋势分量；xEt和xEt+1分别为t时刻和t+1时刻状态量的指数平滑预报值；αS和βS分别为平滑参数；对于天然气网模型的建立：将每一条管道两端流量作为状态量，方向为从小节点号流向大节点号为正；每一条管道动态方程由以下偏微分方程决定：式中：τ和ζ分别为时间和管道方向的空间距离；为管道中气体流量；d和a分别为管道直径和截面积；c2为声速；γ为摩擦系数；为管道中气体平均流速；此外，天然气管网中的气体在节点出满足质量平衡原则，因此，上述偏微分方程状态量还需要满足如下边界条件：式中：和分别为t时刻管道ik中i端气体流量和流出节点i的气体流量；为t时刻管道ij中由节点i流向节点j的气体流量；k,j∈i表示节点k和j连接节点i；将上述偏微分方程通过有限元法进行离散化：式中，LPij为管道ij的长度；ρj,t+1和ρj,t分别为t+1时刻和t时刻节点j气体密度；ρi,t+1和ρi,t分别为t+1时刻和t时刻节点i气体密度；和分别为t+1时刻和t时刻管道ji中由节点j流向节点i的气体流量；为t+1时刻管道ij中由节点i流向节点j的气体流量；dij和aij分别为管道ij直径和截面积；对于集中供热网，管道中热水流速通常控制为恒定，仅考虑温度的动态；在供热网中不同节点水的温度由以下偏微分方程确定：式中：TH为供热网中水的温度；ζH为供热管道方向的空间距离；vH为管道中热水流速；分别将天然气网和集中供热网的偏微分方程采用有限元方法进行离散化，得到系统状态转移矩阵Ft：式中：I为单位矩阵；FG和FH分别为天然气网和集中供热网偏微分方程离散化后得到的状态转移矩阵；所述燃气轮机组功率平衡关系为：式中：ept、eqt和fpt、fqt分别为t时刻母线电压实部和虚部，下标p和q为母线号；为t时刻流出节点s的天然气流量；PGp,t为t时刻连接在母本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种综合能源系统动态状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n定义状态量x具体形式，确定综合能源系统的测量量z，计算步长Δt、形成预报误差方差矩阵Q和测量误差方差矩阵R；/n根据综合能源系统拓扑结构和元件参数以及燃气轮机组和热电联产机组的功率平衡关系，形成系统状态转移矩阵F

【技术特征摘要】
1.一种综合能源系统动态状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
定义状态量x具体形式，确定综合能源系统的测量量z，计算步长Δt、形成预报误差方差矩阵Q和测量误差方差矩阵R；
根据综合能源系统拓扑结构和元件参数以及燃气轮机组和热电联产机组的功率平衡关系，形成系统状态转移矩阵Ft和测量矩阵Ht；
根据状态转移矩阵Ft对状态量进行预报，得到t+1时刻状态量x的预报值和预报误差方差矩阵Pt+1|t；
形成t+1时刻测量相量zt+1，计算滤波增益Kt+1，计算t+1时刻状态量估计值和估计误差方差矩阵Pt+1|t+1；
判断计算是否结束，如果结束则输出估计结果，否则令t＝t+1，形成系统状态转移矩阵Ft+1和测量矩阵Ht+1进行下一时刻估计。


2.根据权利要求1所述综合能源系统动态状态估计方法，其特征在于：所述方法中定义的状态量x具体形式为：其中xE为电网母线p的电压实部ep和虚部fp构成的电力系统状态变量，即xE＝[e1f1e2f2…epfp…]T，nB为母线数量；xG为天然气管道中节点气体密度ρk和管道ij中由节点i端流向节点j端的气体流量管道ji中由节点j端流向节点i端的气体流量构成的天然气网状态变量，即nN和nL分别为天然气网节点数量和管道数量；xH为集中供热网中节点温度Th构成的热网状态量，即xH＝[T1,T2,…，Th，…]T，nH为供热网节点数量；为时间维度，上标表示实数空间维度；
所述方法中确定的测量量z具体形式为：其中zG＝zV和zI分别为由电网母线电压实部虚部量测量和支路电流以及节点注入电流实部虚部构成的量测向量；zP和zM分别为由天然气网节点压强量测量和管道两端气体流量量测量构成的量测向量；zH为集中供热网节点温度量测构成的量测向量；Tzl为集中供热网节点l的温度量测量。


3.根据权利要求1所述综合能源系统动态状态估计方法，其特征在于：所述系统状态转移矩阵Ft是由电力系统、天然气管网和集中供热网状态量所满足的动态方程以及拓扑关系和元件参数所共同决定；
对于电力系统，其状态量是通过如下指数平滑算法进行预报：
Lt＝αSxEt+(1-αS)(Lt-1+Tt-1)
Tt＝βS(Lt-Lt-1)+(1-βS)Tt-1
xEt+1＝Lt+Tt
式中，Lt和Tt分别为平滑水平分量和趋势分量；Lt-1和Tt-1分别为t-1时刻平滑水平分量和趋势分量；xEt和xEt+1分别为t时刻和t+1时刻状态量的指数平滑预报值；αS和βS分别为平滑参数；
对于天然气网模型的建立：将每一条管道两端流量作为状态量，方向为从小节点号流向大节点号为正；每一条管道动态方程由以下偏微分方程决定：






式中：τ和ζ分别为时间和管道方向的空间距离；为管道中气体流量；d和a分别为管道直径和截面积；c2为声速；γ为摩擦系数；为管道中气体平均流速；此外，天然气管网中的气体在节点出满足质量平衡原则，因...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亮，贺伟，丁宇，李扬，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32