考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型构建方法

专利类型：发明专利 

语 言：中文 

申 请 号：CN201711172326.2 

申 请 日：20171120 

发 明 人：余娟代伟马梦楠颜伟赵霞 

申 请 人：重庆大学 

申请人地址：400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号 

公 开 日：20180420 

公 开 号：CN107947245A 

代 理 人：王翔 

代理机构：重庆大学专利中心 50201 

摘　　要：本发明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。 

主 权 项：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C_i，C_ij，…，C_all组成。$\begin{array}{cc}{C}_i={\mathrm{MaxF}}_{GAS,i}^{\left(1\right)}& i=1,2,\mathrm{...},N\\ C_{ij}=Max(F_{GAS,l}^{\left(2\right)}+F_{GAS,j}^{\left(2\right)})& i,j=1,2,\mathrm{...},N;i>j\\ C_{all}=Max\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_{GAS,i}^{\left(N\right)}& i=1,2,\mathrm{...},N\end{array}---\left(1\right)$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，C_i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，C_ij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，C_all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)。F_G，m?F_GAS，m?F_L，m?F_m＝0，m＝1，2，...，N_m??(2)式中，F_G，m、F_GAS，m、F_L，m、F_m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，N_m为天然气系统节点个数。其中节点注入流量F_m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；F_mn、F_com，mn、τ_com，mn分别为管道流量、流过压缩机的流量和压缩机损耗，sgn_c(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。$\begin{array}{c}{F}_{mn}=k_{mn}{s}_{mn}\sqrt{s_{mn}({\Pi }_m^2-{\Pi }_n^2)}\\ s_{mn}=\left\{\begin{array}{c}+1,{\Pi }_m^2-{\Pi }_n^2\ge 0\\ -1,{\Pi }_m^2-{\Pi }_n^2\le 0\end{array}\right.\end{array}---\left(4\right)$$\begin{array}{c}{\tau }_{com,mn}={\alpha }_{\tau }+{\beta }_{\tau }{H}_{com,mn}+{\gamma }_{\tau }{H}_{com,mn}^2\\ H_{com,mn}=B_{mn}{F}_{com,mn}[{\left(\frac{{\Pi }_n}{{\Pi }_m}\right)}^{z_{mn}}-1]\end{array}---\left(5\right)$式中，Π_m是天燃气节点m的节点气压；k_mn是与管道内径、长度、效率、压缩因子相关的常数；s_mn反应管道流量方向；H_com，mn为压缩机消耗的功率；B_mn是压缩机系数；Z_mn是压缩机压缩因子相关的常数。α_τ、β_τ、γ_τ为功率转化效率常数。2?3)建立约束等值不等式约束方程式(6)?(8)分别为天然气系统节点气压、气源容量、压缩机气压变比的上下限。${\Pi }_m^{\min }\le {\Pi }_m\le {\Pi }_m^{\max },m=1,2,\mathrm{...},N_m---\left(6\right)$$F_{G,m}^{\min }\le F_{G,m}\le F_{G,m}^{\max },m=1,2,\mathrm{...},N_S---\left(7\right)$$R_r^{\min }\le R_r\le R_r^{\max },r=1,2,\mathrm{...},N_P---\left(8\right)$式中，Π_m是天燃气节点m的节点气压，F_G，m内气源容量，R_r为压缩机气压变比。和分别为天然气节点气压的上限和下限；和分别为气源容量的上限和下限；和分别为压缩机压变比的上限和下限。N_s和N_p分别为气源和压缩机的个数。求解由公式(1)?(8)构成的优化模型可计算得到目标函数中的通过燃气轮机耗量方程(9)可计算出对应的再通过公式(10)计算得到任意一个燃气轮机的出力上限，一共N个；得到任意两个燃气轮机总出力上限，一共个；以此类推，得到所有燃气轮机总出力上限，一共个；即由组成。$\begin{array}{cc}{F}_{GAS,i}^{\left(1\right)}=({\alpha }_i+{\beta }_i{P}_{GAS,i}^{\left(1\right)}+{\gamma }_i{\left(P_{GAS,i}^{\left(1\right)}\right)}^2)/GHV& i=1,2,\mathrm{...},N\\ F_{GAS,i}^{\left(2\right)}=({\alpha }_i+{\beta }_i{P}_{GAS,i}^{\left(2\right)}+{\gamma }_i{\left(P_{GAS,i}^{\left(2\right)}\right)}^2)/GHV& i=1,2,\mathrm{...},N\\ F_{GAS,i}^{\left(N\right)}=({\alpha }_i+{\beta }_i{P}_{GAS,i}^{\left(N\right)}+{\gamma }_i{\left(P_{GAS,i}^{\left(N\right)}\right)}^2)/GHV& i=1,2,\mathrm{...},N\end{array}---\left(9\right)$$\begin{array}{cc}{P}_i^{\max }=P_{GAS,i}^{\left(1\right)}& i=1,2,\mathrm{...},N\\ P_{ij}^{\max }=P_{GAS,i}^{\left(2\right)}+P_{GAS,j}^{\left(2\right)}& i,j=1,2,\mathrm{...},N;i>j\\ P_{all}^{\max }=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{GAS,i}^{\left(N\right)}& i=1,2,\mathrm{...},N\end{array}---\left(10\right)$式(10)中，在求解任意一个燃气轮机的出力上限时，为第i个燃气轮机输出功率的最大值，为第i个燃气轮机的输出功率。在求解任意两个燃气轮机总出力上限时，为第i个和第j个燃气轮机总输出功率的最大值，和分别表示第i个和第j个燃气轮机输出功率。在求解所有燃气轮机总出力上限时，为所有燃气轮机总输出功率的最大值，为第i个燃气轮机的输出功率。GHV为天然气高热值。3)求解天然气系统的约束等值模型式(1)?(10)构成求解天然气约束等值参数的非线性最优化问题。通过内点法可直接求得系统中各个燃气轮机组的有功出力约束以替代天然气系统的运行约束。4)建立考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型4?1)等值最优潮流目标函数：$Minf=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{f}_i\left(P_{GAS,i}\right)+\underset{j=1}{\overset{N_G}{\Sigma }}{f}_j\left(P_{Gj}\right),i=1,\mathrm{...},N;j=1,\mathrm{...},N_G---\left(11\right)$式中，f_i(P_GAS，i)为燃气轮机组的成本函数；f_j(P_Gj)为非燃气发电机的成本函数；N_G为非燃气发电机个数。4?2)建立等值最优潮流等式约束方程：考虑电力系统功率平衡方程(12)?(13)，构建如下等式约束：$P_i-U_i\underset{j=1}{\overset{N_A}{\Sigma }}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\delta }}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\delta }}_{ij})=0,i=1,2,\mathrm{...},N_A---\left(12\right)$$Q_i-U_i\underset{j=1}{\overset{N_A}{\Sigma }}{U}_j(G_{ij}{\mathrm{sin\delta }}_{ij}-B_{ij}{\mathrm{cos\delta }}_{ij})=0,i=1,2,\mathrm{...},N_A---\left(13\right)$式中，P_i和Q_i分别为节点i的注入有功功率和无功功率；U_i是节点i的电压幅值；θ_ij是节点i与j的电压相角差；G_ij和B_ij分别为节点导纳矩阵的第i行第j列元素的实部和虚部；N_A为节点个数。4?3)建立等值最优潮流不等式约束方程：考虑天然气系统的等值约束(14)、燃气轮机自身的容量约束(15)?(16)、非燃气常规机组容量约束(17)?(18)、节点电压约束(19)和线路功率约束(20)构建如下不等式约束。$\begin{array}{cc}0\le P_{GAS,i}\le P_i^{\max }& i=1,2,\mathrm{...},N\\ 0\le P_{GAS,i}+P_{GAS,j}\le P_{ij}^{\max }& i,j=1,2,\mathrm{...},N;i>j\\ 0\le \underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_{GAS,i}\le P_{all}^{\max }& i=1,2,\mathrm{...},N\end{array}---14)$$P_{GAS,i}^{\min }\le P_{GAS,i}\le P_{GAS,i}^{\max },i=1,2,\mathrm{...},N---\left(15\right)$$Q_{GAS,i}^{\min }\le Q_{GAS,i}\le Q_{GAS,i}^{\max },i=1,2,\mathrm{...},N---\left(16\right)$$P_{Gi}^{\min }\le P_{Gi}\le P_{Gi}^{\max },i=1,2,\mathrm{...},N_G---\left(17\right)$$Q_{Gi}^{\min }\le Q_{Gi}\le Q_{Gi}^{\max },i=1,2,\mathrm{...},N_G---\left(18\right)$$U_i^{\min }\le U_i\le U_i^{\max },i=1,2,\mathrm{...},N_A---\left(19\right)$T_l^min≤T_l≤T_l^max?l＝1，2，...，N_L??(20)其中，P_GAS，i为燃气轮机i的有功功率功率，Q_GAS，i为燃气轮机i的无功功率，P_Gi为非燃气轮机i的有功功率功率，Q_Gi为非燃气轮机i的无功功率，U_i是节点i的电压幅值，T₁是输电线路1流过的功率；N_L为输电线路的总数。和分别为燃气轮机有功出力的上限和下限；和分别为燃气轮机无功出力的上限和下限；和分别为节点电压幅值的上限和下限；和为输电线路传输功率的上限和下限；和分别为非燃气常规机组有功出力的上限和下限；和分别为非燃气常规机组无功出力的上限和下限。5)求解考虑天然气系统约束的等值最优潮流模型式(11)?(20)构成求解考虑天然气系统运行约束的最优潮流的非线性最优化问题。通过内点法可直接求得电力系统各发电机的最优出力。 

关 键 词：天然气系统;电力系统;最优潮流模型;构建;电力系统运行;等值模型;独立调度;互联系统;交替迭代;约束信息;验证;调度;共享;潮流;分析 

法律状态：公开 

IPC专利分类号：H02J3/46(2006.01)I