DQZHAN技術(shù)訊：面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電—?dú)怦詈暇W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)技術(shù)

摘要：為保障電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)**可靠高效的運(yùn)行,參考電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng),可以形成電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)能量管理系統(tǒng)。其中,電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)是電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)能量管理的基礎(chǔ),可以為后續(xù)電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)度、**評估提供高精度的全局一致解。在考慮氣網(wǎng)中壓縮機(jī)和調(diào)壓閥特性的情況下,建立了氣網(wǎng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)估計(jì)模型,實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜氣網(wǎng)的狀態(tài)估計(jì),在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)模型,并測試了其在狀態(tài)估計(jì)精度和壞數(shù)據(jù)辨識方面的性能。

關(guān)鍵詞:電-氣耦合;狀態(tài)估計(jì);壞數(shù)據(jù)辨識;能源互聯(lián)網(wǎng);綜合能源系統(tǒng);

0引言

近些年由于能源短缺和環(huán)境惡化帶來的一系列負(fù)面影響已越來越難以忽視。在環(huán)境方面,2012年,空氣污染造成的損失成本占GDP的3.8%;在能源生產(chǎn)方面,中國人均能源資源擁有量還不到世界平均水平的一半,而與此同時(shí),大量棄風(fēng)、棄光等行為造成了能源的極大浪費(fèi);另一方面,在能源消費(fèi)上,中國單位GDP的能耗是世界平均水平的2.5倍。能源生產(chǎn)的低效和能源消費(fèi)的高能耗造成了環(huán)境問題、能源短缺和經(jīng)濟(jì)壓力。因此為解決在能源和環(huán)境上的問題,必然要提高能源生產(chǎn)的效率,降低能源消費(fèi)的能耗,以及提高可再生能源的利用率。而這也是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的動(dòng)因之一。另一方面,國家相關(guān)政策也在大力推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。2016年,發(fā)改委發(fā)放了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1],提出要“以‘互聯(lián)網(wǎng)+’為手段,以智能化為基礎(chǔ)”,大力推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展,推進(jìn)能源改革。能源互聯(lián)網(wǎng)是由多種形式的能量流構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),包括電、熱、冷、氣、交通等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)在物理層面和信息層面的深度融合。與傳統(tǒng)的電、熱、冷、氣、交通等子網(wǎng)絡(luò)割裂運(yùn)行不同,能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了多能類型的開放互聯(lián),通過挖掘各網(wǎng)絡(luò)不同的特性,提高綜合能源利用效率、促進(jìn)可再生能源的高消納。

目前國內(nèi)外關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的研究包括美國FREEDM、德國E-Energy、日本DigitalGrid,以及我國新奧泛能網(wǎng)等,文獻(xiàn)[2]對這些能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。

為合理調(diào)度能源互聯(lián)網(wǎng),與電力系統(tǒng)類似,仿照電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)能量管理系統(tǒng),形成能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度,**預(yù)警和協(xié)同控制[3]。其中狀態(tài)估計(jì)是能量管理系統(tǒng)的基礎(chǔ),是后續(xù)能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、**評估的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]介紹了能量網(wǎng)絡(luò)理論,總結(jié)了能量網(wǎng)絡(luò)的共性,為建立形式統(tǒng)一的能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理系統(tǒng)提供了依據(jù)。目前在能源互聯(lián)網(wǎng)中,發(fā)展得*為廣泛的是電、熱、氣3個(gè)網(wǎng)絡(luò),在各自的領(lǐng)域,各網(wǎng)絡(luò)的建模方法也相對比較成熟。就狀態(tài)估計(jì)而言,電力系統(tǒng)在狀態(tài)估計(jì)的研究上已經(jīng)較為成熟。本人在文獻(xiàn)[5]中提出了一種熱電聯(lián)合狀態(tài)估計(jì)方法。

熱電聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)由于熱網(wǎng)在傳熱過程中不可避免的熱損,供應(yīng)范圍通常較小,一般在園區(qū)級,其中熱網(wǎng)通常呈輻射狀分布,與配電網(wǎng)類似。相比之下,電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)由于在傳輸過程中產(chǎn)生的損耗很少,在建模中常常可以忽略不計(jì),其供應(yīng)范圍通常在城市級及以上,并且為保證供氣的可靠性,氣網(wǎng)通常含有環(huán),與輸電網(wǎng)類似。此外,氣網(wǎng)中的各類控制元件與熱網(wǎng)中的控制元件在運(yùn)行特性上也有所不同,因此雖然氣網(wǎng)和熱網(wǎng)在物理模型上有一定的相似性,但狀態(tài)估計(jì)方法上還是有較大不同。在電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)方面,目前研究還較為空白。文獻(xiàn)[6-8]提出了幾種基于卡爾曼濾波的氣網(wǎng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)方法,其分析的對象通常為管道或非常簡單的網(wǎng)絡(luò),目前還沒有針對復(fù)雜管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)估計(jì)方法。

由于熱網(wǎng)在傳熱過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生熱損,因此熱網(wǎng)難以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。相比之下,天然氣管網(wǎng)在傳輸過程中很少產(chǎn)生損耗,因此天然氣可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,如西氣東輸。此外,還可以設(shè)置儲(chǔ)氣裝置對天然氣進(jìn)行存儲(chǔ),顯然儲(chǔ)氣的損耗也小于儲(chǔ)熱的損耗,儲(chǔ)氣裝置相比儲(chǔ)熱裝置還是較為普及。另一方面,天然氣管道通常設(shè)置為雙路,采取一用一備,這種設(shè)置使得天然氣管網(wǎng)故障的幾率較供熱管網(wǎng)低很多。從儲(chǔ)氣裝置和雙路管網(wǎng)2個(gè)方面,天然氣管網(wǎng)的**性遠(yuǎn)高于熱網(wǎng),這些都得益于天然氣管網(wǎng)傳輸與儲(chǔ)存過程中的小損耗。因此在我國,天然氣管網(wǎng)較熱網(wǎng)要更為普及。

考慮到天然氣管網(wǎng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制元件特性上與熱網(wǎng)的不同,因此迫切需要建立氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)方法,與熱網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)方法相區(qū)分。本文將建立針對復(fù)雜氣網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)估計(jì)模型,并建立氣網(wǎng)標(biāo)么化體系,在此基礎(chǔ)上,本文將考慮電-氣耦合元件的特性,建立電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)方法。本文測試了提出的氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)方法在非全量測下補(bǔ)全量測,進(jìn)行全網(wǎng)監(jiān)控的性能,以及在非全量測下辨識多壞數(shù)據(jù)的能力。本文還測試了建立的電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)方法的估計(jì)效果,證明電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)相比單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)的兩大優(yōu)勢：得到滿足耦合元件運(yùn)行約束的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果;能夠進(jìn)行邊界壞數(shù)據(jù)辨識,成功定位單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)不能辨識的壞數(shù)據(jù)。

1氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)模型

1.1氣網(wǎng)基本特性

1.1.1天然氣穩(wěn)態(tài)模型

傳輸氣體的溫度會(huì)影響該項(xiàng)參數(shù),若氣體溫度基本保持恒定,則可以采用文獻(xiàn)[9]所述方法計(jì)算,此時(shí)該項(xiàng)系數(shù)僅與管道參數(shù)有關(guān),可以處理為恒定。若氣體溫度會(huì)發(fā)生變化,則可采用文獻(xiàn)[10]中所述方法,在每一次迭代過程中都重新計(jì)算并更新。

1.1.2壓縮機(jī)與調(diào)壓閥

壓縮機(jī)和調(diào)壓閥是氣網(wǎng)中常見的控制元件。不同于熱網(wǎng)受限于傳輸過程中的熱損,只能在園區(qū)范圍內(nèi)供熱,天然氣的供應(yīng)范圍變化較大,大到可以跨省傳輸,如西氣東輸;小到一個(gè)園區(qū)內(nèi)的天然氣輸送。不同的輸氣范圍,對天然氣管網(wǎng)的設(shè)備配置也有不同的要求。小范圍輸送通常只需適當(dāng)配備一些閥門進(jìn)行基本的控制,而大范圍的輸氣則由于壓降損耗較大,需要合理配置壓縮機(jī),在壓力不夠時(shí)進(jìn)行升壓。

壓縮機(jī)根據(jù)特性不同可以分為4類[11]：流量恒定、出口壓力恒定、入口壓力恒定、壓縮比恒定。常用的壓縮機(jī)是出口壓力恒定和壓縮比恒定2類,本小節(jié)僅討論這2類壓縮機(jī)。

1.2氣網(wǎng)等效模型

1.1中介紹了氣網(wǎng)的基本特性,為了方便分析,需要在此基礎(chǔ)上形成氣網(wǎng)的等效網(wǎng)絡(luò)模型。如圖1所示是一個(gè)配置相對較完全的氣網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[11],其中包括了2臺壓縮機(jī)、11條輸氣管道、6個(gè)用氣負(fù)荷和2個(gè)供氣源。壓縮機(jī)通常建在某條遠(yuǎn)距離輸氣管道的中間,在供氣壓力不夠的時(shí)候起到升壓作用。由于壓縮機(jī)的特性通常與其入口和出口壓力有關(guān),因此將氣網(wǎng)中的壓縮機(jī)和調(diào)壓閥都等效為支路,從而形成圖1所示氣網(wǎng)等效網(wǎng)絡(luò)。

圖1氣網(wǎng)等效模型結(jié)構(gòu)

設(shè)本小節(jié)中討論的氣網(wǎng)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)、B條支路,其節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣為A0,本小節(jié)將討論等效后的氣網(wǎng)模型的表達(dá)式。

1.2.1流量連續(xù)方程

對于式(9)中AGp而言,由于在實(shí)際中通常不存在2個(gè)壓縮機(jī)串聯(lián)的情況,即使存在,也可以通過等效處理將2個(gè)壓縮機(jī)等效為一個(gè)壓縮機(jī),因此在*后等效的網(wǎng)絡(luò)中,任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都不會(huì)同時(shí)與2個(gè)壓縮機(jī)相連。由此,可得到下述數(shù)量關(guān)系：

虛擬支路首端節(jié)點(diǎn)數(shù)=虛擬支路末端節(jié)點(diǎn)數(shù)=虛擬支路數(shù)

1.2.2壓力環(huán)路方程

1.2.3阻力特性方程

1.3氣網(wǎng)標(biāo)么化方法

在電力系統(tǒng)中,在進(jìn)行潮流計(jì)算、狀態(tài)估計(jì)、優(yōu)化調(diào)度之前,需要先對電力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)么化處理。為了便于電-氣耦合后,2個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的一致化,故需對氣網(wǎng)進(jìn)行標(biāo)么化處理。除此之外,氣網(wǎng)各類量測的數(shù)值相差很大,有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生幾個(gè)數(shù)量級的差距,為了便于統(tǒng)一收斂判據(jù),也需要對氣網(wǎng)進(jìn)行標(biāo)么化處理。鑒于氣網(wǎng)的基本特性,氣網(wǎng)標(biāo)么化基值選取需要滿足一些基本條件。

對于直接通過測量得到的量測量,其誤差分布遵循高斯分布,而通過計(jì)算得到的偽量測量,其誤差分布則不再遵循高斯分布,現(xiàn)對偽量測量的誤差分析如下。

1.4.2氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)

式(21)中所述帶等式約束的優(yōu)化問題在電力系統(tǒng)中有兩種常見處理方法：將所有零約束處理為量測誤差極小的偽量測,形成一個(gè)無約束優(yōu)化問題,采用牛-拉法進(jìn)行迭代求解;采用拉格朗日乘子法處理零約束,求解帶等式約束的優(yōu)化問題。

狀態(tài)估計(jì)除了可以減小量測誤差的影響,獲得更準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況外,還可以起到壞數(shù)據(jù)辨識的作用。在實(shí)際工程中,各項(xiàng)量測值在獲取過程中可能存在測量儀器故障,傳輸數(shù)據(jù)過程中斷等問題,從而造成量測中存在壞數(shù)據(jù)。在電力系統(tǒng)中,*常見的處理壞數(shù)據(jù)的方法是正則化殘差法,在此不具體闡述該方法,具體可參考文獻(xiàn)[12]。在之后的算例中,將采用正則化殘差法來進(jìn)行壞數(shù)據(jù)辨識。

2電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)模型

天然氣屬于一次能源,它可以通過燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電,燃?xì)廨啓C(jī)是*常見的電-氣耦合元件,圖2刻畫了一個(gè)常見的電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)的能流情況。

圖2電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)能流情況

由于電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)中不會(huì)存在很多電-氣耦合元件,因此電、氣網(wǎng)絡(luò)間的耦合屬于弱耦合,電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)并不能依靠耦合約束來增加多少冗余度,從而顯著提升狀態(tài)估計(jì)的效果。

電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)的意義主要在于兩方面：獲得全局一致解,實(shí)現(xiàn)邊界壞數(shù)據(jù)辨識。本文將在第4章通過算例來說明電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)在這兩方面的優(yōu)勢。

2.1耦合元件簡介

燃?xì)廨啓C(jī)是*常見的電-氣耦合元件,燃?xì)廨啓C(jī)通過天然氣燃燒所產(chǎn)生的燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)做功,以此來發(fā)電。另一方面,燃?xì)廨啓C(jī)輪機(jī)排出的煙氣中含有可利用熱量[13],可以用作熱網(wǎng)的熱源,為熱網(wǎng)供熱。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣余熱被用來為熱網(wǎng)供熱時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)可以看作一個(gè)電-熱-氣耦合元件。本小節(jié)僅討論當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)作為電-氣耦合元件時(shí)的特性,燃?xì)廨啓C(jī)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系刻畫如下。

2.2電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)模型

3氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)算例分析

對圖1所示的氣網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì),網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的情況可以參見文獻(xiàn)[11],該算例在高壓下輸氣,取式(3)中指數(shù)為1.854,2臺壓縮機(jī)均為出口壓力恒定,設(shè)置出口壓力為30bar。以文獻(xiàn)[11]中潮流計(jì)算結(jié)果作為狀態(tài)估計(jì)的真值,在此基礎(chǔ)上疊加高斯噪聲,形成狀態(tài)估計(jì)的量測值。本章將在3.1中分析氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)在全量測配置下的效果,主要展現(xiàn)壞數(shù)據(jù)辨識能力,狀態(tài)估計(jì)的精度分析可以參見第4章中單獨(dú)估計(jì)和耦合估計(jì)的對比分析;將在3.2中分析氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)在非全量測配置下補(bǔ)全量測的效果,以及壞數(shù)據(jù)辨識能力。

3.1全量測配置下狀態(tài)估計(jì)

在全量測配置下,在生成的狀態(tài)估計(jì)量測值的基礎(chǔ)上,添加壞數(shù)據(jù),測試在多壞數(shù)據(jù)下,氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的壞數(shù)據(jù)辨識能力,壞數(shù)據(jù)設(shè)置見表1,分別在氣源節(jié)點(diǎn)、氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)設(shè)置流量量測壞數(shù)據(jù),真實(shí)支路、虛擬支路設(shè)置流量量測壞數(shù)據(jù)。圖3是壞數(shù)據(jù)辨識結(jié)果,在全量測下,氣網(wǎng)可以同時(shí)正確辨識多個(gè)壞數(shù)據(jù),得到正確的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果。

測試在該量測配置下,不同壞數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)時(shí),氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的壞數(shù)據(jù)辨識能力,其結(jié)果如表2所示。

當(dāng)壞數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不超過11時(shí),氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)可以正確辨識所有壞數(shù)據(jù),當(dāng)壞數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)超過11時(shí),氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)不收斂,無法正確辨識所有壞數(shù)據(jù)。全量測配置下,共設(shè)置了33個(gè)測點(diǎn),可以容忍的壞數(shù)據(jù)*多為11個(gè),壞數(shù)據(jù)處理能力相對較好。

3.2非全量測配置下狀態(tài)估計(jì)

狀態(tài)估計(jì)的一個(gè)重要功能就是在非全量測配置下,實(shí)現(xiàn)對氣網(wǎng)全網(wǎng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控,補(bǔ)全氣網(wǎng)量測。在實(shí)際氣網(wǎng)運(yùn)行中,對支路流量的監(jiān)控相對較少,由于結(jié)算的需求,對用戶側(cè)和供氣側(cè)的節(jié)點(diǎn)注出負(fù)荷必然會(huì)配置量測,因此本小節(jié)設(shè)置算例量測配置如表3所示。為了驗(yàn)證在該量測配置下,氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的壞數(shù)據(jù)辨識能力,設(shè)置壞數(shù)據(jù)如表4所示。

表1氣網(wǎng)壞數(shù)據(jù)設(shè)置情況

圖3全量測下氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)壞數(shù)據(jù)辨識情況

表2氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)不同數(shù)量壞數(shù)據(jù)辨識結(jié)果

表3氣網(wǎng)量測配置情況

表4非全量測配置下氣網(wǎng)壞數(shù)據(jù)設(shè)置

狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為支路流量狀態(tài)估計(jì)情況,可以發(fā)現(xiàn),在狀態(tài)估計(jì)前,并沒有對支路流量進(jìn)行量測,無法監(jiān)控支路流量情況,并及時(shí)判斷是否滿足**運(yùn)行的條件,而狀態(tài)估計(jì)后,支路流量的估計(jì)值與真值非常接近,通過狀態(tài)估計(jì)很好地了解氣網(wǎng)各支路的運(yùn)行情況。圖4(b)為真實(shí)節(jié)點(diǎn)注出流量的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果,狀態(tài)估計(jì)成功辨識出了6號節(jié)點(diǎn)和11號節(jié)點(diǎn)處的壞數(shù)據(jù),并剔除了壞數(shù)據(jù)對狀態(tài)估計(jì)的影響,得到了正確的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果。

測試在該量測配置下,不同壞數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)時(shí),氣

圖4非全量測配置下氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果

網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的壞數(shù)據(jù)辨識能力,其結(jié)果如表5所示。當(dāng)壞數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不超過7時(shí),可以正確辨識所有壞數(shù)據(jù),當(dāng)壞數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)超過7時(shí),則狀態(tài)估計(jì)不收斂。在該量測配置下,共設(shè)有20個(gè)測點(diǎn),可以容忍的壞數(shù)據(jù)*多為7個(gè),與全量測配置時(shí)氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的比例相似,壞數(shù)據(jù)處理能力相對較好。

表5非全量測下氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)不同數(shù)量壞數(shù)據(jù)辨識結(jié)果

4電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)算例分析

電-氣耦合的情況通常發(fā)生在城市級及以上范圍的供電供氣中,對圖5所示電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)[11]進(jìn)行狀態(tài)估計(jì),該網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)參數(shù),以及潮流真值可以參見文獻(xiàn)[11]。

在該算例中,電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)1與大電網(wǎng)相連,電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)2和4配有2臺燃?xì)廨啓C(jī),燃?xì)廨啓C(jī)僅作發(fā)電使用,不進(jìn)行熱電聯(lián)供。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量為200MW,效率取55%。

4.1單獨(dú)估計(jì)與耦合估計(jì)比較

比較電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)與單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)的效果,通過在真值上疊加高斯噪聲,進(jìn)行5000次蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)。表6為電網(wǎng)單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)和電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)電網(wǎng)部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的結(jié)果,表7為氣網(wǎng)單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)和電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)氣網(wǎng)部分

圖5電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表6電網(wǎng)單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)與電-氣耦合估計(jì)效果比較

表7氣網(wǎng)單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)與電-氣耦合估計(jì)效果比較統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

采取的統(tǒng)計(jì)分析量有量測誤差統(tǒng)計(jì)值和計(jì)誤差統(tǒng)計(jì)值。

從表6可以看出電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)對電網(wǎng)的估計(jì)效果,相比電網(wǎng)單獨(dú)估計(jì)而言,有相對明顯的提升,在本算例中,主要原因是電網(wǎng)規(guī)模較小,氣網(wǎng)的冗余度相對要多一些,電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)可以利用氣網(wǎng)較多的冗余度,來提高電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的效果。但由于計(jì)算規(guī)模的擴(kuò)大,電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)所用的時(shí)間大約是電網(wǎng)單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)的4倍。

從表7可以看出,電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)對氣網(wǎng)的估計(jì)效果,相比氣網(wǎng)單獨(dú)估計(jì)而言,幾乎沒有提升。而相反的,由于計(jì)算規(guī)模的增大,電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)所用的時(shí)間大約是氣網(wǎng)單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)的3倍。因此從提高氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)精度的角度來看,電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)并不優(yōu)于氣網(wǎng)單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)。

綜上所述,電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)的主要意義不在于估計(jì)精度的提升,這一點(diǎn)與電-熱耦合狀態(tài)估計(jì)相似。電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)的主要意義在于得到全局一致解,并實(shí)現(xiàn)邊界壞數(shù)據(jù)辨識,這兩點(diǎn)將會(huì)分別在4.2、4.3小節(jié)中進(jìn)行說明。

4.2全局一致解與耦合端口精度分析

4.3邊界壞數(shù)據(jù)辨識能力分析

對于電網(wǎng)而言,其節(jié)點(diǎn)上可能會(huì)存在多個(gè)注入,尤其對發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)而言,其也可能接有負(fù)荷。如對圖5所示電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)而言,節(jié)點(diǎn)2和4除了接燃?xì)廨啓C(jī)外,同時(shí)可能接有負(fù)荷,此時(shí)電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多注入的電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于圖6中所示的電-氣耦合網(wǎng)絡(luò),在進(jìn)行電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)時(shí),是將各節(jié)點(diǎn)注入注出求和,再進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。若節(jié)點(diǎn)注入量中存在壞數(shù)據(jù),則電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)只能定位到相應(yīng)節(jié)點(diǎn),但不能正確找出究竟是該節(jié)點(diǎn)的哪項(xiàng)注入出現(xiàn)了壞數(shù)據(jù),而電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)則可以利用電-氣耦合元件約束,找出壞數(shù)據(jù)具體出在哪里。在圖6所示算例中,在節(jié)點(diǎn)2設(shè)置270MW有功負(fù)荷,節(jié)點(diǎn)4設(shè)置80MW有功負(fù)荷。

若節(jié)點(diǎn)2和4的發(fā)電機(jī)有功功率均出現(xiàn)壞數(shù)據(jù),測試電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)能否在非全量測配置下正確辨識壞數(shù)據(jù),由于電網(wǎng)拓?fù)漭^為簡單,為了保證壞數(shù)據(jù)的正確辨識,適當(dāng)增加了量測配置,以提高冗余度。表9和表10分別為電網(wǎng)、氣網(wǎng)量測配置情況。

當(dāng)電網(wǎng)2號節(jié)點(diǎn)和4號節(jié)點(diǎn)發(fā)電機(jī)有功功率均出現(xiàn)壞數(shù)據(jù)時(shí),由于電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)不止一個(gè)注入量,故將電網(wǎng)壞數(shù)據(jù)辨識的結(jié)果整理為表11。

表9電-氣耦合壞數(shù)據(jù)辨識電網(wǎng)量測配置

表10電-氣耦合壞數(shù)據(jù)辨識氣網(wǎng)量測配置

表11多注入電功率節(jié)點(diǎn)電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)壞數(shù)據(jù)辨識結(jié)果

電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)能夠通過電氣耦合約束,正確辨識出壞數(shù)據(jù),而電網(wǎng)單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)則無法正確定位壞數(shù)據(jù)。

5結(jié)論

電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)由于在傳輸過程中幾乎沒有損耗,其供應(yīng)范圍通常在城市級及以上,并且為保證供氣的可靠性,氣網(wǎng)通常含有環(huán),與輸電網(wǎng)類似。相比之下,熱電聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)由于熱網(wǎng)在傳熱過程中不可避免的熱損,供應(yīng)范圍通常較小,一般在園區(qū)級,其中熱網(wǎng)通常呈輻射狀分布,與配電網(wǎng)類似。因此電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與熱電聯(lián)合狀態(tài)估計(jì)存在很多不同,需要獨(dú)立于熱電聯(lián)合狀態(tài)估計(jì)方法,建立電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)方法。

本文**次提出了適用于復(fù)雜氣網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)估計(jì)方法。根據(jù)壓縮機(jī)和調(diào)壓閥的特性,建立了適用于復(fù)雜氣網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)估計(jì)方法。通過算例,證實(shí)了該方法可以實(shí)現(xiàn)非全量測下的多壞數(shù)據(jù)辨識,符合實(shí)際工程對狀態(tài)估計(jì)的需求。

在此基礎(chǔ)上,本文建立了電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)方法,其狀態(tài)估計(jì)結(jié)果滿足電-氣耦合元件運(yùn)行約束。單就狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的精度而言,電-氣耦合估計(jì)的結(jié)果較單獨(dú)估計(jì)并沒有明顯提升。但是由于電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)考慮了電-氣耦合元件的約束,因此滿足電-氣耦合元件的運(yùn)行約束,而單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果往往不能契合電-氣耦合元件的運(yùn)行約束。此外,當(dāng)電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)邊界出現(xiàn)多注入時(shí),電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)可以利用電-氣耦合元件約束,辨識單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)不能辨識的壞數(shù)據(jù)。同時(shí)電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)方法也為電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)能量管理系統(tǒng)后續(xù)的研究打下了基礎(chǔ)。