一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法
一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，属于电-气互联能 源系统分析、优化、市场技术领域。
【背景技术】
[0002] 以不可再生的化石燃料作为一次能源的传统发电机组环境污染大，难以适应现代 智能电网、低碳社会的发展需求。相比而言，天然气储量丰富，且以天然气为一次能源的燃 气轮机（natural-gasfiredpowerplants，NGFPP)有如下优点：1)发电效率高；2)碳排放 量小；3)动作响应块。因而近年来NGFPP发电比例显著提高，电力系统与天然气系统的耦 合不断增加。同时，随着电转气技术的成熟，有望实现电能的大规模存储，从而为风能、太阳 能等可再生能源的消纳提供了保障，更深层次地加深电力系统与天然气系统之间的耦合。
[0003] 传统意义上，电力系统与天然气系统是相互独立、高度自治的系统，二者的规划、 运行、控制等方面均由各自的运营机构独立执行。但随着二者之间的高度融合，相互独立的 运营方式未必适用。例如，当电力系统可再生能源出力、电负荷功率波动时，部分功率波动 需要由天然气系统平衡。另一方面，天然气的市场价格直接决定了NGFPP的运行成本，继而 影响了电力系统的优化调度；同时，当天然气系统发生大扰动或故障时，直接影响了NGFPP 的天然气供应，进一步威胁到电力系统的安全性与可靠性。因而，迫切需要从统一、协调的 方式的视角去分析电力系统与天然气系统。
[0004] 电力系统可用输电能力（availabletransfercapacity，ATC)衡量了在满足电力 系统安全约束的基础上互联电网不同区域间的功率交换能力。ATC的计算结果对于电力市 场的买卖双方至关重要，同时也可用于电力系统的规划、安全稳定评估。ATC的求解方法主 要包括直流潮流法、重复潮流法、最优潮流法、连续潮流法。值得引起注意的是，现有ATC求 解方法仅仅计及了电力系统的安全约束，并没有考虑一次能源系统-天然气系统的运行约 束。特别是当NGFPP发电比重较大时，NGFPP输出功率的大额度增长可能会迫使天然气系 统的运行状态超出安全约束（例如节点压力越限、管道流量越限），从而影响NGFPP的一次 能源供应。因而NGFPP的出力约束不仅仅取决于自身的装机容量，天然气系统的安全约束 也是不可忽略的。
[0005] 本发明研宄了计及电-气互联能源系统静态安全约束的ATC计算。并采用线性预 测法求解，首先基于灵敏度因子辨识制约ATC的关键约束，然后联立求解能量流方程与关 键约束，实现了ATC的快速、准确计算，同时线性预测提供的关键约束信息恰好为天然气系 统运行状态的调整提供了参考。最后，实际系统的算例测试验证了本发明所提方法的有效 性。
【发明内容】
：
[0006] 发明目的：本发明提出一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，利用线 性预测法考虑了天然气系统的运行约束，计算快速准确，而且为天然气系统运行状态的调 整提供了参考。
[0007] 技术方案：本发明提出一种基于线性预测法的电-气互联能源系统可用输电能力 计算方法，包括以下步骤：
[0008] 1)输入电力系统的实时运行参数，包括网络参数、拓扑、发电机实时出力、电负荷 功率以及电力系统静态安全约束，包括发电机有功出力约束、节点电压幅值约束、支路功率 约束；
[0009] 2)输入天然气系统的实时运行参数，包括网络参数、拓扑、储气点流量供应、气负 荷流量以及天然气系统静态安全约束，包括气源流量供应约束、节点压力约束、管道流量约 束；
[0010] 3)根据当前运行状态，分别求解电力系统、天然气系统状态量对负荷参数的灵敏 度因子；
[0011] 4)基于灵敏度因子，辨识制约电-气互联能源系统ATC的关键约束；
[0012] 5)联立求解关键约束与稳态能量流方程，得互联能源系统的运行状态；
[0013] 6)判断当前运行状态是否满足互联能源系统的静态安全约束（包括电力系统、天 然气系统的静态安全约束），是则转下一步，否则在当前运行状态重新计算灵敏度因子，重 复线性预测法的步骤；
[0014] 7)判断是否需要调整天然气系统的运行状态，是则调整天然气系统的初始运行状 态，否则转下一步；
[0015] 8)输出两区域间的ATC信息。
[0016] 优选地，所述电力系统静态安全约束包括：
[0018] 式中：V分别为节点电压幅值；|S^为支路视在功率；匕为发电机输出功率；Vmax、 vmin分别为节点电压幅值约束的上下限U""为支路视在功率约束上限；/Tx、Pf分别 为发电机有功出力约束的上下限。
[0019] 优选地，所述天然气系统静态安全约束包括：
[0021] 式中：Fmn为管道流量；分别为节点压力；Fsup为流量供应量；；Cax、分别为 节点压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量供 应约束的上下限。
[0022] 优选地，所述灵敏度因子包括电力系统状态量对负荷参数入的偏 导，即
以及天然气系统状态量对负荷参数A的偏导，即
[0023] 优选地，所述基于线性预测法的ATC计算方法的数学模型为：
[0024] 定义Ae对应的约束即为电力系统静态安全约束下制约ATC的关键约束，Ag对应 的约束即为天然气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。比较Ae与Xg的大小，基于 线性预测的ATC计算可分为两种情况：
[0025] 1)人 e< 入g
[0026] 若Ae<Xg，则可不考虑天然气系统的静态安全约束，直接联立求解电力潮流方 程与\对应的关键约束：
[0028] 式中：fe(V，9，A) = 〇为电力系统等式约束，0为节点电压相角；he(V，9，A)= 〇为电力系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。
[0029] 2)入6>入8
[0030] 在这类情况下，ATC计算有必要计及天然气系统的静态安全约束。即统一求解互 联能源系统的能量流方程与A8对应的关键约束：
[0032] 式中：f(V，0，JT，A) = 〇互联能源系统稳态能量流方程；hg(JT，A) = 〇为天然 气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。
[0033] 优选地，所述天然气系统初始运行的调整为：
[0034]当制约ATC的关键约束为天然气系统静态安全约束时（即Ae>Ag)，可通过调 整天然气系统的初始运行状态，例如增加关键约束附近的储气量、提高加压站升压比，扩大 天然气系统的静态安全域，以增强电力系统不同区域间的输电能力。
[0035] 有益效果：1)当研宄二次能源系统_电力系统不同区域间的输电能力时，有必要 计及一次能源系统-天然气系统的静态安全约束，以保证NGFPP-次能源供应的安全性与 可靠性；2)线性预测法既实现了ATC的快速、准确计算，同时又为天然气系统运行状态的调 整提供了参考；3)ATC信息对于电力、天然气市场参与者同等重要。以统一的能源市场分析 不同区域间的ATC，在保证互联能源系统安全性的基础上，有望给整个能源市场的参与者带 来更大的经济收益。
【附图说明】：
[0036] 图1 :本发明流程图；
[0037] 图2 :修改的比利时输气系统结构图；
[0038] 图3 :IEEE39节点系统结构图。
【具体实施方式】：
[0039] 下面结合附图对发明的技术流程进行详细说明：
[0040] 1电-气混联能源系统ATC计算数学模型
[0041]同时计及电力系统、天然气系统静态安全约束的ATC数学模型为：
[0042] obj. max入
[0043] s. t. f (V, 0 , 3i , A) =〇
[0044] gmin^g(V, 0 , 3i,A) ^gmax
[0045] 式中：f(V, 9,it,A)= 〇为互联能源系统稳态能量流方程； 0，31，A)彡gmax为不等式约束，包括电力系统静态安全约束，天然气系统静态 安全约束。
[0046] 基于连续潮流法计算ATC，从当前运行状态出发，逐步增大A，求解稳态能量流， 直至静态安全约束越限。连续潮流法的优点在于易于处理各种约束，计算精度高，但由于需 要求解多次潮流，计算复杂度高，一般仅用于离线分析。
[0047] 2混联能源系统状态量对ATC的灵敏度因子计算
[0048] 电力系统状态量对A的灵敏度计算：
[0049] 1)发电机有功出力：
[0051] 式中：Ke为发电机功率增长方向。
[0052] 2)节点电压幅值：
[0054] 3)支路功率：
[0056]天然气系统状态量对X的灵敏度计算：
[0057] 1)节点流量注入：
[0059] 2)节点压力：
[0061] 3)管道流量：
[0063] 3关键约束的辨识
[0064] 基于电力系统状态量与X的灵敏度关系，分别可得各约束下X的预测值：
[0068] 式中分别为发电机出力、节点电压幅值、支路视在功率约束下入 的预测值。
[0069] 定义
，则\对应的约束即为电力系统静态安全约束下制约 ATC的关键 约束。
[0070] 同理，对于天然气系统，各约束下A的预测值可表示为：
[0074] 式中分别为气源流量供应、节点压力、管道流量约束下X的预 J sup 1 mn 测值。
[0075] 定义
，则A8对应的约束即为天然气系统静态安全约束下 制约ATC的关键约束。
[0076] 4关键约束与能量流的联立求解
[0077] 比较\与Ag的大小，基于线性预测的ATC计算可分为两种情况：
[0078] 1)人e<入g
[0079] 若Ae<Ag，则说明制约ATC的关键约束为电力系统静态安全约束，可不考虑天 然气系统的静态安全约束，直接联立求解电力潮流方程与\对应的关键约束：
[0081] 式中：fe(V，0，X) = 〇为电力系统等式约束；he(v，0，X) = 〇为电力系统静态 安全约束下制约ATC的关键约束。
[0082] 2)Ae>Ag
[0083] 在这类情况下，制约ATC的关键约束为电力系统静态安全约束，因而ATC计算有必 要计及天然气系统的静态安全约束。即统一求解互联能源系统的能量流方程与Ag对应的 关键约束：
[0085]式中：hg(JT，入）=0为天然气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。
[0086] 线性预测法仅需求解2次稳态（能量流）方程，相比于传统连续潮流法，计算效率 大大提高。且在关键约束辨识准确的情况下，ATC的计算结果是严格精确的。
[0087] 5此外，由于互联能源系统本质上是非线性的，基于线性预测法辨识关键约束，可 能会存在误辨识的情况。因而求得A后，需重新校验当前运行状态是否越限，若存在越限， 则在当前运行点重复线性预测法的步骤，ATC计算结果对应的运行状态满足所有静态安全 约束。
[0088] 所述电力系统静态安全约束包括：
[0090] 式中：v分别为节点电压幅值；Isy为支路视在功率；匕为发电机输出功率；Vmax、 vmin分别为节点电压幅值约束的上下限；Sliax为支路视在功率约束上限；pemax、分别 为发电机有功出力约束的上下限，i为电力系统中第i个节点编号。
[0091] 所述天然气系统静态安全约束包括：
[0093] 式中：F.为管道流量；分别为节点压力；Fsup为流量供应量；分别 为节点压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量 供应约束的上下限，m为天然气系统中第m个节点编号。
[0094] 6天然气系统初始运行状态的调整
[0095] 天然气系统与电力系统的显著差别在于：天然气是易于存储的，电能则难以大规 模存储。天然气的储气量对于天然气系统的安全性、可靠性至关重要。此外，当网络中节点 压力偏低时，通过提高加压站的升压比，可增强天然气系统的输气能力。
[0096] 当制约ATC的关键约束为天然气系统静态安全约束时（即Ae>Ag)，可通过调 整天然气系统的初始运行状态，例如增加关键约束附近的储气量、提高加压站升压比，扩大 天然气系统的静态安全域，以增强电力系统不同区域间的输电能力。
[0097] 算例分析
[0098] 为验证所提方法的有效性，本发明电-气互联能源系统由中比利时输气系统（如 图2)以及Matp〇Wer5. 0软件中IEEE39节点系统（如图3)构成。将所有发电机有功出力 上限提高50%，且假定节点30、31、32、34、37所连发电机为NGFPP。
[0099] 1线性预测法有效性测试
[0100] 相比于传统连续潮流，线性预测法以灵敏度因子辨识关键约束，然后联立求解能 量流方程与关键约束，避免了能量流方程的连续计算，大大提高了计算效率。连续潮流与线 性预测法ATC计算结果比较如表1所示。
[0101] 由表1可知，线性预测法准确辨识了制约ATC的关键约束，线性预测法的ATC计算 结果也与连续潮流法基本相同。因而线性预测法实现了ATC的快速、准确计算，确保了能源 市场的参与者能够获知系统实时的ATC信息。
[0102] 表1连续潮流与线性预测法ATC计算结果比较
[0104] 2天然气系统初始运行状态的调整
[0105] 若天然气系统的静态安全约束制约了电力系统的ATC，可考虑增加储气点的天然 气供应、提高加压站升压比，以增强天然气系统的输气能力，扩大天然气系统的静态安全 域。
[0106] 对于区域2到区域1、3的ATC，天然气系统节点6压力约束为关键约束。增加节点 5天然气的供应量，则区域2到区域1、3的ATC变化如表2所示。
[0107] 表2节点5天然气供应量对ATC的影响
[0109] 由表2可知，通过增加节点5天然气的供应，能有效提高区域2到区域1、3的ATC。 当节点5天然气供应增加至2MMm3时，场景2与场景1下区域2到区域1、3的输电能力完 全一致。
[0110] 同理，对于区域3到区域1、2的ATC，将节点17与18之间的加压站升压比由1.2 提高至1. 3,则场景2区域3到区域1、2的ATC也提高至表1中场景1的计算结果。
[0111] 通过调整天然气系统的初始运行点，可将制约ATC的关键约束由天然气静态安全 约束转化为电力系统静态安全约束，从而增强了不同区域间的输电能力。而线性预测法提 供的关键约束信息恰好为天然气系统运行状态的调整提供了参考。
【主权项】
1. 一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，包括输入电力系统和天然气系统 的实时运行参数，其特征在于，包括以下步骤： 分别求解电力系统和天然气系统的各个状态量对负荷参数λ的灵敏度因子； 根据灵敏度因子来辨识制约电力系统的关键约束λ6和制约天然气系统的关键约束 λ?;; 当λe〈λ8时，联立求解电力系统静态安全约束与稳态能量流方程，得到互联能源系统 的运行状态，当λ e> λ 8时，联立求解天然气系统静态安全约束与稳态能量流方程，得到互 联能源系统的运行状态； 判断当前运行状态是否同时满足电力系统和天然气系统的静态安全约束，是则转下一 步，否则在当前运行状态重新计算灵敏度因子，重复线性预测法的步骤； 当λ ε> λ 8时，调整天然气系统的运行状态。2. 根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述电力系统静态安全约束包括：式中：V分别为节点电压幅值；ISuI为支路视在功率；Pe为发电机输出功率； ^max、分别为节点电压幅值约束的上下限；为支路视在功率约束上限； ^Tx、乃Tn分别为发电机有功出力约束的上下限，i为电力系统中第i个节点编号。3. 根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述天然气系统静态安全约束包括：式中：Fmn为管道流量；π分别为节点压力；Fsup为流量供应量；；TiT x、TT=分别为节点 压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量供应 约束的上下限，m为天然气系统中第m个节点编号。4. 根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述灵敏度因子包括电力系统状态量对负荷参数λ的偏导，g卩?以及天 然气系统状态量对负荷参数λ的偏导，即-5. 根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述基于线性预测法的ATC计算方法的数学模型为： 定义λ e对应的约束即为电力系统静态安全约束下制约ATC的关键约束，λ 8对应的约 束即为天然气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束，比较λ ^与λ g的大小，基于线性 预测的ATC计算可分为两种情况： 1) 入e〈入g 若λ g，则可不考虑天然气系统的静态安全约束，直接联立求解电力潮流方程与 入^对应的关键约束：式中：fe(V，θ，λ) = 〇为电力系统等式约束九(V，θ，λ) = O为电力系统静态安全 约束下制约ATC的关键约束； 2) λε> λ g 在这类情况下，ATC计算有必要计及天然气系统的静态安全约束，即统一求解互联能源 系统的能量流方稈与λ "对应的关键约束：式中：f(V，θ，π，λ) =〇互联能源系统稳态能量流方程；hg( π，λ) =〇为天然气系 统静态安全约束下制约ATC的关键约束。6.根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述天然气系统初始运行的调整包括：增加关键约束附近的储气量或提高加压站升压比。
【专利摘要】本发明公布了一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法。电力系统可用输电能力定义了不同区域间的功率交换能力，ATC信息对于电力市场参与者而言至关重要。然而，随着燃气轮机组发电比重的显著提升，传统ATC计算并没有考虑NGFPP的一次能源供应以及天然气系统的运行约束，显然是不恰当的。为此，本发明研究了计及电-气互联能源系统静态安全约束的电力系统ATC计算，并采用线性预测法求解，线性预测法首先基于灵敏度因子辨识关键约束，然后联立求解关键约束与稳态能量流方程，得ATC的计算值。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN104899414
【申请号】CN201510174989
【发明人】陈 胜, 卫志农, 孙国强, 孙永辉, 臧海祥, 朱瑛, 陈霜, 楚云飞
【申请人】河海大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月14日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，属于电-气互联能 源系统分析、优化、市场技术领域。
【背景技术】
[0002] 以不可再生的化石燃料作为一次能源的传统发电机组环境污染大，难以适应现代 智能电网、低碳社会的发展需求。相比而言，天然气储量丰富，且以天然气为一次能源的燃 气轮机（natural-gasfiredpowerplants，NGFPP)有如下优点：1)发电效率高；2)碳排放 量小；3)动作响应块。因而近年来NGFPP发电比例显著提高，电力系统与天然气系统的耦 合不断增加。同时，随着电转气技术的成熟，有望实现电能的大规模存储，从而为风能、太阳 能等可再生能源的消纳提供了保障，更深层次地加深电力系统与天然气系统之间的耦合。
[0003] 传统意义上，电力系统与天然气系统是相互独立、高度自治的系统，二者的规划、 运行、控制等方面均由各自的运营机构独立执行。但随着二者之间的高度融合，相互独立的 运营方式未必适用。例如，当电力系统可再生能源出力、电负荷功率波动时，部分功率波动 需要由天然气系统平衡。另一方面，天然气的市场价格直接决定了NGFPP的运行成本，继而 影响了电力系统的优化调度；同时，当天然气系统发生大扰动或故障时，直接影响了NGFPP 的天然气供应，进一步威胁到电力系统的安全性与可靠性。因而，迫切需要从统一、协调的 方式的视角去分析电力系统与天然气系统。
[0004] 电力系统可用输电能力（availabletransfercapacity，ATC)衡量了在满足电力 系统安全约束的基础上互联电网不同区域间的功率交换能力。ATC的计算结果对于电力市 场的买卖双方至关重要，同时也可用于电力系统的规划、安全稳定评估。ATC的求解方法主 要包括直流潮流法、重复潮流法、最优潮流法、连续潮流法。值得引起注意的是，现有ATC求 解方法仅仅计及了电力系统的安全约束，并没有考虑一次能源系统-天然气系统的运行约 束。特别是当NGFPP发电比重较大时，NGFPP输出功率的大额度增长可能会迫使天然气系 统的运行状态超出安全约束（例如节点压力越限、管道流量越限），从而影响NGFPP的一次 能源供应。因而NGFPP的出力约束不仅仅取决于自身的装机容量，天然气系统的安全约束 也是不可忽略的。
[0005] 本发明研宄了计及电-气互联能源系统静态安全约束的ATC计算。并采用线性预 测法求解，首先基于灵敏度因子辨识制约ATC的关键约束，然后联立求解能量流方程与关 键约束，实现了ATC的快速、准确计算，同时线性预测提供的关键约束信息恰好为天然气系 统运行状态的调整提供了参考。最后，实际系统的算例测试验证了本发明所提方法的有效 性。
【发明内容】
：
[0006] 发明目的：本发明提出一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，利用线 性预测法考虑了天然气系统的运行约束，计算快速准确，而且为天然气系统运行状态的调 整提供了参考。
[0007] 技术方案：本发明提出一种基于线性预测法的电-气互联能源系统可用输电能力 计算方法，包括以下步骤：
[0008] 1)输入电力系统的实时运行参数，包括网络参数、拓扑、发电机实时出力、电负荷 功率以及电力系统静态安全约束，包括发电机有功出力约束、节点电压幅值约束、支路功率 约束；
[0009] 2)输入天然气系统的实时运行参数，包括网络参数、拓扑、储气点流量供应、气负 荷流量以及天然气系统静态安全约束，包括气源流量供应约束、节点压力约束、管道流量约 束；
[0010] 3)根据当前运行状态，分别求解电力系统、天然气系统状态量对负荷参数的灵敏 度因子；
[0011] 4)基于灵敏度因子，辨识制约电-气互联能源系统ATC的关键约束；
[0012] 5)联立求解关键约束与稳态能量流方程，得互联能源系统的运行状态；
[0013] 6)判断当前运行状态是否满足互联能源系统的静态安全约束（包括电力系统、天 然气系统的静态安全约束），是则转下一步，否则在当前运行状态重新计算灵敏度因子，重 复线性预测法的步骤；
[0014] 7)判断是否需要调整天然气系统的运行状态，是则调整天然气系统的初始运行状 态，否则转下一步；
[0015] 8)输出两区域间的ATC信息。
[0016] 优选地，所述电力系统静态安全约束包括：
[0018] 式中：V分别为节点电压幅值；|S^为支路视在功率；匕为发电机输出功率；Vmax、 vmin分别为节点电压幅值约束的上下限U""为支路视在功率约束上限；/Tx、Pf分别 为发电机有功出力约束的上下限。
[0019] 优选地，所述天然气系统静态安全约束包括：
[0021] 式中：Fmn为管道流量；分别为节点压力；Fsup为流量供应量；；Cax、分别为 节点压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量供 应约束的上下限。
[0022] 优选地，所述灵敏度因子包括电力系统状态量对负荷参数入的偏 导，即
以及天然气系统状态量对负荷参数A的偏导，即
[0023] 优选地，所述基于线性预测法的ATC计算方法的数学模型为：
[0024] 定义Ae对应的约束即为电力系统静态安全约束下制约ATC的关键约束，Ag对应 的约束即为天然气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。比较Ae与Xg的大小，基于 线性预测的ATC计算可分为两种情况：
[0025] 1)人 e< 入g
[0026] 若Ae<Xg，则可不考虑天然气系统的静态安全约束，直接联立求解电力潮流方 程与\对应的关键约束：
[0028] 式中：fe(V，9，A) = 〇为电力系统等式约束，0为节点电压相角；he(V，9，A)= 〇为电力系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。
[0029] 2)入6>入8
[0030] 在这类情况下，ATC计算有必要计及天然气系统的静态安全约束。即统一求解互 联能源系统的能量流方程与A8对应的关键约束：
[0032] 式中：f(V，0，JT，A) = 〇互联能源系统稳态能量流方程；hg(JT，A) = 〇为天然 气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。
[0033] 优选地，所述天然气系统初始运行的调整为：
[0034]当制约ATC的关键约束为天然气系统静态安全约束时（即Ae>Ag)，可通过调 整天然气系统的初始运行状态，例如增加关键约束附近的储气量、提高加压站升压比，扩大 天然气系统的静态安全域，以增强电力系统不同区域间的输电能力。
[0035] 有益效果：1)当研宄二次能源系统_电力系统不同区域间的输电能力时，有必要 计及一次能源系统-天然气系统的静态安全约束，以保证NGFPP-次能源供应的安全性与 可靠性；2)线性预测法既实现了ATC的快速、准确计算，同时又为天然气系统运行状态的调 整提供了参考；3)ATC信息对于电力、天然气市场参与者同等重要。以统一的能源市场分析 不同区域间的ATC，在保证互联能源系统安全性的基础上，有望给整个能源市场的参与者带 来更大的经济收益。
【附图说明】：
[0036] 图1 :本发明流程图；
[0037] 图2 :修改的比利时输气系统结构图；
[0038] 图3 :IEEE39节点系统结构图。
【具体实施方式】：
[0039] 下面结合附图对发明的技术流程进行详细说明：
[0040] 1电-气混联能源系统ATC计算数学模型
[0041]同时计及电力系统、天然气系统静态安全约束的ATC数学模型为：
[0042] obj. max入
[0043] s. t. f (V, 0 , 3i , A) =〇
[0044] gmin^g(V, 0 , 3i,A) ^gmax
[0045] 式中：f(V, 9,it,A)= 〇为互联能源系统稳态能量流方程； 0，31，A)彡gmax为不等式约束，包括电力系统静态安全约束，天然气系统静态 安全约束。
[0046] 基于连续潮流法计算ATC，从当前运行状态出发，逐步增大A，求解稳态能量流， 直至静态安全约束越限。连续潮流法的优点在于易于处理各种约束，计算精度高，但由于需 要求解多次潮流，计算复杂度高，一般仅用于离线分析。
[0047] 2混联能源系统状态量对ATC的灵敏度因子计算
[0048] 电力系统状态量对A的灵敏度计算：
[0049] 1)发电机有功出力：
[0051] 式中：Ke为发电机功率增长方向。
[0052] 2)节点电压幅值：
[0054] 3)支路功率：
[0056]天然气系统状态量对X的灵敏度计算：
[0057] 1)节点流量注入：
[0059] 2)节点压力：
[0061] 3)管道流量：
[0063] 3关键约束的辨识
[0064] 基于电力系统状态量与X的灵敏度关系，分别可得各约束下X的预测值：
[0068] 式中分别为发电机出力、节点电压幅值、支路视在功率约束下入 的预测值。
[0069] 定义
，则\对应的约束即为电力系统静态安全约束下制约 ATC的关键 约束。
[0070] 同理，对于天然气系统，各约束下A的预测值可表示为：
[0074] 式中分别为气源流量供应、节点压力、管道流量约束下X的预 J sup 1 mn 测值。
[0075] 定义
，则A8对应的约束即为天然气系统静态安全约束下 制约ATC的关键约束。
[0076] 4关键约束与能量流的联立求解
[0077] 比较\与Ag的大小，基于线性预测的ATC计算可分为两种情况：
[0078] 1)人e<入g
[0079] 若Ae<Ag，则说明制约ATC的关键约束为电力系统静态安全约束，可不考虑天 然气系统的静态安全约束，直接联立求解电力潮流方程与\对应的关键约束：
[0081] 式中：fe(V，0，X) = 〇为电力系统等式约束；he(v，0，X) = 〇为电力系统静态 安全约束下制约ATC的关键约束。
[0082] 2)Ae>Ag
[0083] 在这类情况下，制约ATC的关键约束为电力系统静态安全约束，因而ATC计算有必 要计及天然气系统的静态安全约束。即统一求解互联能源系统的能量流方程与Ag对应的 关键约束：
[0085]式中：hg(JT，入）=0为天然气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束。
[0086] 线性预测法仅需求解2次稳态（能量流）方程，相比于传统连续潮流法，计算效率 大大提高。且在关键约束辨识准确的情况下，ATC的计算结果是严格精确的。
[0087] 5此外，由于互联能源系统本质上是非线性的，基于线性预测法辨识关键约束，可 能会存在误辨识的情况。因而求得A后，需重新校验当前运行状态是否越限，若存在越限， 则在当前运行点重复线性预测法的步骤，ATC计算结果对应的运行状态满足所有静态安全 约束。
[0088] 所述电力系统静态安全约束包括：
[0090] 式中：v分别为节点电压幅值；Isy为支路视在功率；匕为发电机输出功率；Vmax、 vmin分别为节点电压幅值约束的上下限；Sliax为支路视在功率约束上限；pemax、分别 为发电机有功出力约束的上下限，i为电力系统中第i个节点编号。
[0091] 所述天然气系统静态安全约束包括：
[0093] 式中：F.为管道流量；分别为节点压力；Fsup为流量供应量；分别 为节点压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量 供应约束的上下限，m为天然气系统中第m个节点编号。
[0094] 6天然气系统初始运行状态的调整
[0095] 天然气系统与电力系统的显著差别在于：天然气是易于存储的，电能则难以大规 模存储。天然气的储气量对于天然气系统的安全性、可靠性至关重要。此外，当网络中节点 压力偏低时，通过提高加压站的升压比，可增强天然气系统的输气能力。
[0096] 当制约ATC的关键约束为天然气系统静态安全约束时（即Ae>Ag)，可通过调 整天然气系统的初始运行状态，例如增加关键约束附近的储气量、提高加压站升压比，扩大 天然气系统的静态安全域，以增强电力系统不同区域间的输电能力。
[0097] 算例分析
[0098] 为验证所提方法的有效性，本发明电-气互联能源系统由中比利时输气系统（如 图2)以及Matp〇Wer5. 0软件中IEEE39节点系统（如图3)构成。将所有发电机有功出力 上限提高50%，且假定节点30、31、32、34、37所连发电机为NGFPP。
[0099] 1线性预测法有效性测试
[0100] 相比于传统连续潮流，线性预测法以灵敏度因子辨识关键约束，然后联立求解能 量流方程与关键约束，避免了能量流方程的连续计算，大大提高了计算效率。连续潮流与线 性预测法ATC计算结果比较如表1所示。
[0101] 由表1可知，线性预测法准确辨识了制约ATC的关键约束，线性预测法的ATC计算 结果也与连续潮流法基本相同。因而线性预测法实现了ATC的快速、准确计算，确保了能源 市场的参与者能够获知系统实时的ATC信息。
[0102] 表1连续潮流与线性预测法ATC计算结果比较
[0104] 2天然气系统初始运行状态的调整
[0105] 若天然气系统的静态安全约束制约了电力系统的ATC，可考虑增加储气点的天然 气供应、提高加压站升压比，以增强天然气系统的输气能力，扩大天然气系统的静态安全 域。
[0106] 对于区域2到区域1、3的ATC，天然气系统节点6压力约束为关键约束。增加节点 5天然气的供应量，则区域2到区域1、3的ATC变化如表2所示。
[0107] 表2节点5天然气供应量对ATC的影响
[0109] 由表2可知，通过增加节点5天然气的供应，能有效提高区域2到区域1、3的ATC。 当节点5天然气供应增加至2MMm3时，场景2与场景1下区域2到区域1、3的输电能力完 全一致。
[0110] 同理，对于区域3到区域1、2的ATC，将节点17与18之间的加压站升压比由1.2 提高至1. 3,则场景2区域3到区域1、2的ATC也提高至表1中场景1的计算结果。
[0111] 通过调整天然气系统的初始运行点，可将制约ATC的关键约束由天然气静态安全 约束转化为电力系统静态安全约束，从而增强了不同区域间的输电能力。而线性预测法提 供的关键约束信息恰好为天然气系统运行状态的调整提供了参考。
【主权项】
1. 一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，包括输入电力系统和天然气系统 的实时运行参数，其特征在于，包括以下步骤： 分别求解电力系统和天然气系统的各个状态量对负荷参数λ的灵敏度因子； 根据灵敏度因子来辨识制约电力系统的关键约束λ6和制约天然气系统的关键约束 λ?;; 当λe〈λ8时，联立求解电力系统静态安全约束与稳态能量流方程，得到互联能源系统 的运行状态，当λ e> λ 8时，联立求解天然气系统静态安全约束与稳态能量流方程，得到互 联能源系统的运行状态； 判断当前运行状态是否同时满足电力系统和天然气系统的静态安全约束，是则转下一 步，否则在当前运行状态重新计算灵敏度因子，重复线性预测法的步骤； 当λ ε> λ 8时，调整天然气系统的运行状态。2. 根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述电力系统静态安全约束包括：式中：V分别为节点电压幅值；ISuI为支路视在功率；Pe为发电机输出功率； ^max、分别为节点电压幅值约束的上下限；为支路视在功率约束上限； ^Tx、乃Tn分别为发电机有功出力约束的上下限，i为电力系统中第i个节点编号。3. 根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述天然气系统静态安全约束包括：式中：Fmn为管道流量；π分别为节点压力；Fsup为流量供应量；；TiT x、TT=分别为节点 压力约束的上下限；为管道输送流量的最大值；分别为气源流量供应 约束的上下限，m为天然气系统中第m个节点编号。4. 根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述灵敏度因子包括电力系统状态量对负荷参数λ的偏导，g卩?以及天 然气系统状态量对负荷参数λ的偏导，即-5. 根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述基于线性预测法的ATC计算方法的数学模型为： 定义λ e对应的约束即为电力系统静态安全约束下制约ATC的关键约束，λ 8对应的约 束即为天然气系统静态安全约束下制约ATC的关键约束，比较λ ^与λ g的大小，基于线性 预测的ATC计算可分为两种情况： 1) 入e〈入g 若λ g，则可不考虑天然气系统的静态安全约束，直接联立求解电力潮流方程与 入^对应的关键约束：式中：fe(V，θ，λ) = 〇为电力系统等式约束九(V，θ，λ) = O为电力系统静态安全 约束下制约ATC的关键约束； 2) λε> λ g 在这类情况下，ATC计算有必要计及天然气系统的静态安全约束，即统一求解互联能源 系统的能量流方稈与λ "对应的关键约束：式中：f(V，θ，π，λ) =〇互联能源系统稳态能量流方程；hg( π，λ) =〇为天然气系 统静态安全约束下制约ATC的关键约束。6.根据权利要求1所述的电-气互联能源系统可用输电能力计算方法，其特征在于，所 述天然气系统初始运行的调整包括：增加关键约束附近的储气量或提高加压站升压比。
【专利摘要】本发明公布了一种电-气互联能源系统可用输电能力计算方法。电力系统可用输电能力定义了不同区域间的功率交换能力，ATC信息对于电力市场参与者而言至关重要。然而，随着燃气轮机组发电比重的显著提升，传统ATC计算并没有考虑NGFPP的一次能源供应以及天然气系统的运行约束，显然是不恰当的。为此，本发明研究了计及电-气互联能源系统静态安全约束的电力系统ATC计算，并采用线性预测法求解，线性预测法首先基于灵敏度因子辨识关键约束，然后联立求解关键约束与稳态能量流方程，得ATC的计算值。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN104899414
【申请号】CN201510174989
【发明人】陈 胜, 卫志农, 孙国强, 孙永辉, 臧海祥, 朱瑛, 陈霜, 楚云飞
【申请人】河海大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月14日
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