综合能源系统基础-2018-演示幻灯片

综合能源系统基础2023/9/3齐文斌1综述1综合能源建模2基础功能与算法3典型场景42能源互联网.智能电网.综合能源服务微网泛能网

智能电网以电为核心能源互联网

多种能源协调优化综合能源系统3与能源互联网的关系综合能源系统受传统能源领域学者和企业关注，能源互联网则更为IT行业所推崇。综合能源系统是能源互联网的物理载体4典型场景5系统架构用户特性分析能源调度控制中心大数据及云计算中心能量管理系统建模营销服务中心多能流优化调控安全评估与预警多能流稳态计算能源调控需求侧管理能源生产输配电网分布式能源微网光纤接入wifi3G/4G公网电力专网接入主站二级站子站能源消费智慧用能决策支持电动汽车网上营业厅用电信息系统预测系统峰值分析策略管理运行管理能源调度系统控制安全保护经济运行智能管网多能表计能源结算能效管理6硬件架构7资源平台软件软件架构8综述1综合能源建模2基础功能与算法3公司概括49热力模型图模库一体化新能源模型

电力模型新能源设备建模包括了光伏、风机、储能等新能源模型电能相关设备的建模包括了传统的输电网络、配电网络以及新能源发电模型非电能相关设备的建模包括了热、冷等能源的生产、消耗、多能转换等容器关系、拓扑关系、映射关系通过图模库一体化方法，自动构建出电力系统与热力系统的对象之间的容器关系和拓扑关系，并自动建立图元对象与数据库对象之间的映射关系。多能建模10主控制区（HostControlArea）子控制区(SubControlArea）厂站（Substation）分接头调节器（TapChanger）电压等级（VoltageLevel）间隔（Bay）隔离开关（Disconnector）断路器（Breaker）接地刀闸（GroundDisconnector）母线段（BusbarSection）同步电机（SynchronousMachine）电能用户（EnergyConsumer）补偿器（Compensator）变压器（PowerTransformer）变压器绕组（TransformerWinding）<--省调以上可能没有建模电网CIM模型11设备容器12热网网络模型新模型继承模型描述对象HeatPlantPowerSystemResource热电厂HeatstationSubstation加热站RelaypumpPrimeMover中继泵HeatLineAclinesegment热网管valveBreaker阀门ConnectivityNodeConnectivityNode连接点Terminalterminal端子thermalLoadEnergyConsumer热负荷13热网网络模型容器：

热电厂HeatPlant、加热站（或者是减压站）Heatstation、压力等级PressureLevel设备：

中继泵Relaypump、热负荷thermalLoad、热网管HeatLine、水泵Waterpump、阀门valve测点类型：压力、温度、流量。14天然气网络模型新模型继承模型描述对象GastankPowerSystemResource燃气罐GasstationSubstation燃气站regulatordevice

调压装置GasLineAclinesegment燃气管valveBreaker阀门ConnectiveNodeConnectiveNode连接点terminalterminal端子15天然气网络模型容器：燃气站Gasstation设备：调压箱regulatorbox、调压装置regulatordevice、燃气管GasLine、阀门valve、燃气储罐Gastank测点类型：压力、温度、流量、储量。16水力模型新模型继承模型描述对象WaterPlantPowerSystemResource水厂WaterstationSubstation加压站RelaypumpPrimeMover中继泵WaterTank

水塔WaterLineAclinesegment水网管valveBreaker阀门ConnectiveNodeConnectiveNode连接点Terminalterminal端子17综述1综合能源建模2基础功能与算法3典型场景418基础功能多能建模扩展CIM模型的基础上，实现图、模、库一体化建模，形成多种能源的模型体系多能状态估计冷、热、气、电等多种能源的网络的联合状态估计多能安全预警冷、热、气、电等多种能源的网络的N-1评估多能流优化调控多能流优化调度控制。19电力网络分析功能20电力系统模型主控制区（HostControlArea）子控制区(SubControlArea）厂站（Substation）分接头调节器（TapChanger）电压等级（VoltageLevel）间隔（Bay）隔离开关（Disconnector）断路器（Breaker）接地刀闸（GroundDisconnector）母线段（BusbarSection）同步电机（SynchronousMachine）电能用户（EnergyConsumer）补偿器（Compensator）变压器（PowerTransformer）变压器绕组（TransformerWinding）<--省调以上可能没有建模21设备量测属性22三绕组变压器折合标幺值后的模型为：

双绕组变压器折合标幺值后的模型为：

线路模型：电力系统数学模型23网络拓朴分析功能:根据开关和刀闸状态，由节点模型(物理模型)确定电网的电气连接关系，形成计算母线、电气岛---计算模型。SCADA提供的开关信息和量测数据是网络分析的数据来源,网络拓扑分析为公用模块，是状态估计、潮流计算等其它应用软件的基础.包括两个基本步骤:1.厂站母线分析:根据开关的闭合状态和元件的退出恢复形成计算母线.功能是分析一厂站的同一电压等级内的节点由闭合开关联接组成多少个母线,其结果是将厂站划分为若干个计算母线.2.系统网络分析:分析整个电网有闭合支路联接组成多少个电气岛(Island),每个电气岛是有电气联系的母线的集合,计算以此为单位划分网络方程.24STAUNA1UNA2LDALDBLNAB1LNABLDCSTCSTBUNC4LNAB2LNBCXFC123STACBA1CBA2CBA3NDA3NDA2NDA4NDA5CBA4CBA5CBA6NDA6NDA7CBA7CBA8CBA9UNA2UNA1NDA1LDACBB1CBB2CBB4NDB2NDB1NDB3NDB4LDBSTBLNAB2NDA8LNBCSTCNDC5NDC6CBC6NDC8XFCNDC7UNCCBC2NDC1CBC3NDC2NDC4NDC3CBC4CBC5CBC1LNACLNAB1CBB3LDC25网络拓朴分析举例26状态估计(StateEstimation)状态估计利用采集的信息估算电力系统的实时运行状态，主要功能有:1.给出电网中各母线的电压和相角，各线路和变压器的潮流，各母线的负荷和各发电厂的发电机出力.2.估计有载调压变压器的分接头位置；3.不良数据检测与辨识:开关错误辨识,遥测数据中的坏数据检测和辨识;

27总体框架CSGC-3000/OPEN3000/CC-2000A/D-5000IEC-61970模型软件平台访问接口数据预校核坏数据识别状态估计模型校核数据质量评估（数据整合）28功能与算法流程29状态估计模型支路模型量测量

z=量测方程:h(x)=待求状态量30状态估计基础算法(1)EMS发展应用的历史其实就是状态估计与潮流计算发展变得历史.1970年F.CScheweppe最早提出用最小二乘状态估计算法,后来日趋成熟,R.E.Larson等用卡尔漫滤波逐次状态估计算法研究.目前主要用的估计方法有:1.基本加权最小二乘法.取网络数据Z

由x计算HTR-1H,HTR-1[z-h]

解方程

X=HTR-1HHTR-1[z-h]l++l=1,x赋初值YN基本加权最小二乘法,占用内存量大,计算时间长,但估计质量最高.31Za包括Pij,Pi,,Zr包括Qij,Qi,Vi２．快速分解法思路把量测数据的有功,无功分开处理,这里为BaP-

的Jacobi矩阵,Br为

P-V的

Jacobi矩阵.状态估计算法(2)32２．快速分解法计算初始化

KP=KQ=Fl=1

求解自由相量a

解方程求l++读入量测数据YN

求解自由相量b

解方程求

KP=T

KQ=T?YN

KP=F

KQ=T

KP=T?YYNN

KQ=F

Za包括Pij,Pi,,Zr包括Qij,Qi,Vi状态估计算法(3)KP,KQ是Ｐ-Ｐ-Ｖ收敛标志33潮流计算是根据电网结构及运行条件,求出整个网络的运行状态.潮流方程如下,G为发电机,D为负荷Gij为母线导纳矩阵的电电导,Bij为母线导纳矩阵电纳,ViVj为线电压潮流基本模型是一个高维的非线性方程组,潮流计算本质是解一个非线性方程,基本的方法是赋初值,循环叠代,从数值计算的角度来看,非线性方程的解不只一个,不是每一个非线性方程组可以用循环叠代获得有效解,常用的方法有:牛顿-拉夫逊法,P-Q分解法等调度员潮流(DispatcherPowerFlow)34电压初始化

计算

计算修正量修正V计算Jacobi矩阵YN牛顿-拉夫逊是求解非线性方程的有效方法,是潮流计算最重要最基本的算法,是其他派生算法的基础.牛顿-拉夫逊潮流算法35基本假设:形成矩阵B’,B’’并分解因子

计算

计算修正量修正NY电压初始化

计算

计算修正量修正NYP-Q分解法收敛速度快,占用内存小,是目前电力系统计算普遍使用的一种算法,潮流计算P-Q分解法(快速分解法)36

预想事故分析（ContingencyAnalysis，CA）对由于支路开断，而使系统产生电气设备（变压器/线路）过负荷、母线电压异常等不安全状态，需要事先进行安全分析，即：针对预先设定的电力系统的故障（线路、变压器、发电机）及其组合，确定他们对电力系统安全运行产生的影响，以便当事故发生时，及时有效地采取校正措施。实时态下，安全分析利用状态估计的结果作为其计算的基本网络模型。研究态下，安全分析利用以前保存的潮流计算实例作为其计算的基本网络模型。预想事故分析(CA)37功能：１．按调度员的需要方便地设定预想故障２．安全评定，并按照对电力系统安全影响的危害程度，对支路排序．３．分析严重故障后的系统状态．

预想事故分析功能及算法算法：１．补偿法，根据叠加原理，把预想事故网络等值为两个网络，计算潮流．２．直流潮流法，用代替．常用的有Ｎ－１校验，全部Ｎ条线路任意开断１条后，运行状态校验．３．灵敏度法，把开断看做正常运行的扰动，计算系统变化．38基于最优潮流的优化调度求出在满足：最小运行费、最小网损、消除越限的最小控制量、控制变量和状态变量的值发电机有功出力、移相器相角、净功率交换、有功负荷（切负荷）发电机电压（发电机无功出力）、变压器变比、并联电容器和电抗器、无功负荷39时间分级的有功调度控制实时控制日前计划滚动计划实时调度24h4h15m10s时间分级模型预测控制(H-MPC)滚动预测：逐级消除预测偏差；通过动态优化：超前调整慢速机组，留出快速机组下调裕度，提高下旋备40电力系统分析与热力计算基尔霍夫电流定律

（KCL）

基尔霍夫电压定律

（KVL）热力管网流量q压力p热量Q电力网络电流I电压Ｖ有功P基尔霍夫流量压降定律41基尔霍夫电流定律（KCL）集总电路中，在任意时刻，对任何一个结点，所有流出该结点的支路电流的代数和为零。42KCL的使用求iR答案：2A43基尔霍夫电压定律（KVL）集总电路中，在任意时刻，沿任何一个回路，所有支路电压的代数和为零。求u答案：12V44电力网络潮流计算45潮流计算－牛顿法46热网计算方程

47热网计算方程

48热力计算方程

49热网计算方程

50热力计算方程

51基础算法:与电力系统稳态计算相似节点流量AG+G0=0管段压力ATP=ΔP管段流量G=C*pΔP

节点流量AG+Go=0管段温度降ATT=ΔT管段流量G=C*tΔtA节点关联矩阵；G,G0节点流量向量；P,P0节点压力向量；C*p管段的阻力系数倒数矩阵，C*t管段的降温系数倒数矩阵，与导纳阵相似52算法输入与输出管网：管段长度、管段直径、管段保温层、厚度管段流量、管段压降、管段温降、管段流速节点：节点流量、节点压力、节点温度计算结果模块：输出水力热力计算的结果53典型场景4综合能源建模2基础功能与算法3综述154典型场景55节点类型56电热耦合网络多能流计算电热耦合网络