一种综合能源系统分布式安全评估方法

本发明属于能源系统建模与运行分析领域，具体为一种综合能源系统分布式安全评估方法。

背景技术：

1、日益增长的环境问题和能源危机促进了能源技术的变革，综合能源系统作为能源变革的一种主要形式，有助于提高多能互补性，并在实际工程中得到了广泛应用。然而，由于电力系统和供热、天然气系统的多时间尺度特性差异，综合能源系统的模型本质上一组复杂的高维的常数和偏微分方程组，其求解十分复杂。此外，由于电能在电力系统中以光速进行传播，其往往能在毫秒级达到稳定；而天然气、热能传输呈现慢动态，在控制指令下达后需要一定延时才能达到稳定，因此电力系统中的控制时间尺度一般较短，而供热和天然气系统的控制时间尺度一般较长。

2、与现有技术对比如下：

3、专利cn110705070a着眼于优化规划方法的建模和优化过程，采用了双层母线式结构和遗传算法等技术，旨在提高分布式能源系统的经济效益和运行效率。其方法注重考虑母线内部复杂的能量流关系和系统容量增加的情况，通过多阶段的滚动优化规划实现了对系统的综合管理，以期实现最大化利益和资源的合理配置。

4、相较之下，本发明则更注重综合能源系统的安全性评估，强调了安全评估的重要性和必要性。采用了分布式安全评估和修正框架，以多能流的动态特性和综合能源系统内电气热子系统的多尺度特性为基础，建立了各子系统的安全评估指标，并提出了分布式安全评估方法。通过有限信息交互的方式，实现了对综合能源系统的全面评估，旨在确保系统在运行过程中的安全性和稳定性，为实现能源系统的可靠运行提供了有效保障。

5、一、与专利cn110705070a“一种分布式能源系统多阶段滚动优化规划方法”的技术对比中

6、1.建模方法不同：

7、专利cn110705070a采用了双层母线式结构，并考虑了母线内部复杂的电/热/冷等能量流关系，同时保留了母线式结构的特征描述。而本发明则采用了综合能源系统分布式安全评估方法，重点考虑了多能流的动态特性和综合能源系统内电气热子系统的多尺度特性，建立了各子系统的安全评估指标，并提出了分布式安全评估方法。

8、2.优化方法的不同：

9、专利cn110705070a中，智能优化模块采用了遗传算法来进行优化求解，考虑了用户侧负荷增长和分布式能源系统的容量增加，在不同阶段构建了不同的多目标函数。而本发明中的优化方法着重于分布式能源系统的安全评估，在有限信息交互的场景中实现安全评估，主要目标是提高综合能源系统的安全性。

10、3.建模和优化方法的差异：

11、专利cn107910903a中的优化规划方法主要集中在对分布式能源系统的组成设备及结构参数、设备模型参数以及遗传算法参数的设定，通过智能优化模块生成初始种群，并进行滚动优化求解。而本发明更关注于分布式能源系统的安全评估，采用了分布式安全评估和修正框架，评估综合能源系统的综合安全性。

12、4.目标和结果的不同：

13、专利cn107910903a中，优化目标主要包括净现值和成本收益，根据不同阶段的目标确定了不同的多目标函数。而本发明的目标是提高综合能源系统的安全性，在有限信息交互的场景中实现安全评估，而不仅仅是优化经济效益。

14、现有研究一般依据给定时刻的能流计算结果评估安全性，而忽略了各个时刻安全性的耦合关系，从而导致控评估结果较为片面。此外，现有研究一般采用稳态模型进行建模分析，而忽略了综合能源系统内的动态与多时间尺度特性，所得结果与真实情况存在较大差异。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种综合能源系统分布式安全评估方法，该方法考虑了多能流的动态特性和综合能源系统内电气热子系统的多尺度特性，分别建立了各子系统的安全评估指标，并提出了分布式安全评估方法，从而在有限信息交互的场景中实现安全评估。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种综合能源系统分布式安全评估方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤1)建立计及异质能流动态特性的综合能源系统模型，包括电力系统潮流模型、天然气和供热系统慢动态模型、耦合设备模型；

5、步骤2)考虑多能流的多时间尺度特性，建立状态量的近似解析式，建立电、气、热子系统的安全评估指标；

6、步骤3)根据电气热子系统的多主体特性，建立分布式安全评估和修正框架，评估综合能源系统的综合安全性。

7、作为本发明进一步改进，所述步骤1)建立计及异质能流动态特性的综合能源系统模型，具体如下：

8、步骤11)建立电力系统潮流模型，其具体形式为：

9、

10、

11、式中，i和j分别表示节点编号，ui表示节点i的电压幅值，pi节点i的净注入有功功率，qi节点i的净注入无功功率，gij和bij表示节点i和节点j之间的电导与电纳，θij表示节点i和节点j之间的相角差，pl,ij和ql,ij表示节点i和节点j之间的传输的有功功率和无功功率，θe表示电力系统节点集；

12、步骤12)建立计及慢动态特性的天然气系统方程，包含管道质量守恒方程、管道动量守恒方程、节点质量守恒方程、节点压力连续性方程，分别如式(3)至式(6)所示。

13、

14、

15、

16、

17、式中，x和t分别表示空间和时间变量；p表示压强；q表示天然气质量流量；c为声速；s为管道截面积；d为管道内径；λg为管道摩阻系数；θg表示天然气系统节点集；表示流入节点k的管道集，表示从节点k流出的管道集；kcp为压缩机压比，对于普通气网节点，取1；l为管道长度；

18、步骤13)建立计及慢动态特性的供热系统方程，包含节点质量守恒方程、管道压降方程、管道-节点压强连续性方程、管道温度分布方程、节点温度混合方程、管道-节点温度连续性方程、节点热功率方程，分别如式(7)至式(13)所示；

19、

20、δp＝khm|m|                 (8)

21、

22、

23、

24、

25、φ＝cwm(ts-tr)                              (13)

26、式中，m为水流质量流量；δp为管道压降；θh表示热网节点集；表示流入节点k的热网管道集，表示从节点k流出的热网管道集；上标‘s’和‘r’分别为供水/回水温度的变量标识；φ为热功率；t为热水温度，以环境温度为参考；cw为水的比热容；λh为支路热阻系数；v为水流流速；

27、步骤14)建立综合能源系统的耦合设备模型，包括热电联产机组、燃气轮机、电制气设施、电锅炉模型，分别如式(14)至式(17)所示。

28、

29、pgt,t＝ηgtqgt,thg                               (15)

30、

31、φeb,t＝ηebpeb,t                                (17)

32、式中，下标chp、gt、pg、eb为热电联产机组、燃气轮机、电制气设备和电锅炉的变量标识；η为设备的效率系数；hg为天然气热值；pchp,base和φchp,base分别为热电联产机组的基准电功率和热功率。

33、作为本发明进一步改进，所述步骤2)考虑多能流的多时间尺度特性，建立状态量的近似解析式，建立电、气、热子系统的安全评估指标，具体如下：

34、步骤21)分别针对天然气和供热系统的慢动态方程，建立其管道变量的解析式，针对式(3)和式(4)所示的天然气慢动态方程，其解析式为：

35、

36、

37、式中，n表示傅里叶分量数；fn,t和gn为用于简化表示定义的函数，其具体形式为：

38、

39、

40、针对式(10)所示的热网慢动态方程，其解析式为：

41、

42、式中，δ为单位阶跃函数；

43、步骤22)分别建立电气热子系统的安全评估指标，对于电力系统，其在t时刻的安全评估指标pie,t为：

44、

45、式中，ui,rate为节点i的额定电压幅值；sl,k,max为支路k的最大功率；δui,max为节点i允许的最大电压偏差；

46、对于天然气系统，其在t时刻的安全评估指标pig,t为：

47、

48、式中，pi,rate为节点i的额定压强；qj,max为管道j的最大质量流量；δpi,max为节点i允许的最大压强偏差；φg为气网管道集；

49、对于供热系统，其在t时刻的安全评估指标pih,t为：

50、

51、式中，mj,max为热网管道j的最大质量流量；为节点i允许的最大供水温度偏差，为节点i允许的最大回水温度偏差；为节点i的额定供水温度，为节点i的额定回水温度；φh为热网管道集。

52、作为本发明进一步改进，所述步骤3)根据电气热子系统的多主体特性，建立分布式安全评估和修正框架，评估综合能源系统的综合安全性，具体如下：

53、步骤31)初始化t，对于t时刻的综合能源系统安全评估，首先设置气、热系统中耦合设备的运行状态，包括热电联产机组的输出热功率φchp、电锅炉的消耗电功率φeb、燃气轮机的消耗燃气流量qgt,t、电制气设备的输出燃气流量qpg,t；

54、步骤32)结合φchp、φeb、式(7)至式(13)、式(22)计算热网状态mt、pt、φt；结合qgt,t、qpg,t、式(5)至式(6)、式(18)至式(21)计算气网状态pt和qt。结合φchp、φeb、qgt,t、qpg,t、式(1)至式(2)计算电网状态ut、θt、pg,t、qg,t、pl,t、ql,t，若电力系统潮流计算收敛，转步骤34)，否则，转步骤33)；

55、步骤33)根据电力系统潮流计算偏差，更新热电联产机组的输出热功率φchp、电锅炉的消耗电功率φeb、燃气轮机的消耗燃气流量qgt,t、电制气设备的输出燃气流量qpg,t，转步骤31。

56、步骤34)将步骤32)的计算结果，代入式(23)至式(25)，计算各子系统的安全评估指标pie,t、pig,t和pih,t，设置t＝t+1，转步骤31)，直至评估周期结束，对各子系统的指标排序，评估不同时间断面下的系统安全性。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

58、该方法考虑了多能流的动态特性和综合能源系统中电气热子系统的多主体特性，有利于在有限信息交互的前提下准确评估综合能源系统运行的安全性。