綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)-2018-演示幻燈片

綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)2023/9/3齊文斌1綜述1綜合能源建模2基礎(chǔ)功能與算法3典型場(chǎng)景42能源互聯(lián)網(wǎng).智能電網(wǎng).綜合能源服務(wù)微網(wǎng)泛能網(wǎng)

智能電網(wǎng)以電為核心能源互聯(lián)網(wǎng)

多種能源協(xié)調(diào)優(yōu)化綜合能源系統(tǒng)3與能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系綜合能源系統(tǒng)受傳統(tǒng)能源領(lǐng)域?qū)W者和企業(yè)關(guān)注，能源互聯(lián)網(wǎng)則更為IT行業(yè)所推崇。綜合能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體4典型場(chǎng)景5系統(tǒng)架構(gòu)用戶特性分析能源調(diào)度控制中心大數(shù)據(jù)及云計(jì)算中心能量管理系統(tǒng)建模營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心多能流優(yōu)化調(diào)控安全評(píng)估與預(yù)警多能流穩(wěn)態(tài)計(jì)算能源調(diào)控需求側(cè)管理能源生產(chǎn)輸配電網(wǎng)分布式能源微網(wǎng)光纖接入wifi3G/4G公網(wǎng)電力專(zhuān)網(wǎng)接入主站二級(jí)站子站能源消費(fèi)智慧用能決策支持電動(dòng)汽車(chē)網(wǎng)上營(yíng)業(yè)廳用電信息系統(tǒng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)峰值分析策略管理運(yùn)行管理能源調(diào)度系統(tǒng)控制安全保護(hù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行智能管網(wǎng)多能表計(jì)能源結(jié)算能效管理6硬件架構(gòu)7資源平臺(tái)軟件軟件架構(gòu)8綜述1綜合能源建模2基礎(chǔ)功能與算法3公司概括49熱力模型圖模庫(kù)一體化新能源模型

電力模型新能源設(shè)備建模包括了光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能等新能源模型電能相關(guān)設(shè)備的建模包括了傳統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)以及新能源發(fā)電模型非電能相關(guān)設(shè)備的建模包括了熱、冷等能源的生產(chǎn)、消耗、多能轉(zhuǎn)換等容器關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系、映射關(guān)系通過(guò)圖模庫(kù)一體化方法，自動(dòng)構(gòu)建出電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的對(duì)象之間的容器關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系，并自動(dòng)建立圖元對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象之間的映射關(guān)系。多能建模10主控制區(qū)（HostControlArea）子控制區(qū)(SubControlArea）廠站（Substation）分接頭調(diào)節(jié)器（TapChanger）電壓等級(jí)（VoltageLevel）間隔（Bay）隔離開(kāi)關(guān)（Disconnector）斷路器（Breaker）接地刀閘（GroundDisconnector）母線段（BusbarSection）同步電機(jī)（SynchronousMachine）電能用戶（EnergyConsumer）補(bǔ)償器（Compensator）變壓器（PowerTransformer）變壓器繞組（TransformerWinding）<--省調(diào)以上可能沒(méi)有建模電網(wǎng)CIM模型11設(shè)備容器12熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型新模型繼承模型描述對(duì)象HeatPlantPowerSystemResource熱電廠HeatstationSubstation加熱站RelaypumpPrimeMover中繼泵HeatLineAclinesegment熱網(wǎng)管valveBreaker閥門(mén)ConnectivityNodeConnectivityNode連接點(diǎn)Terminalterminal端子thermalLoadEnergyConsumer熱負(fù)荷13熱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型容器：

熱電廠HeatPlant、加熱站（或者是減壓站）Heatstation、壓力等級(jí)PressureLevel設(shè)備：

中繼泵Relaypump、熱負(fù)荷thermalLoad、熱網(wǎng)管HeatLine、水泵Waterpump、閥門(mén)valve測(cè)點(diǎn)類(lèi)型：壓力、溫度、流量。14天然氣網(wǎng)絡(luò)模型新模型繼承模型描述對(duì)象GastankPowerSystemResource燃?xì)夤轌asstationSubstation燃?xì)庹緍egulatordevice

調(diào)壓裝置GasLineAclinesegment燃?xì)夤躹alveBreaker閥門(mén)ConnectiveNodeConnectiveNode連接點(diǎn)terminalterminal端子15天然氣網(wǎng)絡(luò)模型容器：燃?xì)庹綠asstation設(shè)備：調(diào)壓箱regulatorbox、調(diào)壓裝置regulatordevice、燃?xì)夤蹽asLine、閥門(mén)valve、燃?xì)鈨?chǔ)罐Gastank測(cè)點(diǎn)類(lèi)型：壓力、溫度、流量、儲(chǔ)量。16水力模型新模型繼承模型描述對(duì)象WaterPlantPowerSystemResource水廠WaterstationSubstation加壓站RelaypumpPrimeMover中繼泵WaterTank

水塔WaterLineAclinesegment水網(wǎng)管valveBreaker閥門(mén)ConnectiveNodeConnectiveNode連接點(diǎn)Terminalterminal端子17綜述1綜合能源建模2基礎(chǔ)功能與算法3典型場(chǎng)景418基礎(chǔ)功能多能建模擴(kuò)展CIM模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)圖、模、庫(kù)一體化建模，形成多種能源的模型體系多能狀態(tài)估計(jì)冷、熱、氣、電等多種能源的網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合狀態(tài)估計(jì)多能安全預(yù)警冷、熱、氣、電等多種能源的網(wǎng)絡(luò)的N-1評(píng)估多能流優(yōu)化調(diào)控多能流優(yōu)化調(diào)度控制。19電力網(wǎng)絡(luò)分析功能20電力系統(tǒng)模型主控制區(qū)（HostControlArea）子控制區(qū)(SubControlArea）廠站（Substation）分接頭調(diào)節(jié)器（TapChanger）電壓等級(jí)（VoltageLevel）間隔（Bay）隔離開(kāi)關(guān)（Disconnector）斷路器（Breaker）接地刀閘（GroundDisconnector）母線段（BusbarSection）同步電機(jī)（SynchronousMachine）電能用戶（EnergyConsumer）補(bǔ)償器（Compensator）變壓器（PowerTransformer）變壓器繞組（TransformerWinding）<--省調(diào)以上可能沒(méi)有建模21設(shè)備量測(cè)屬性22三繞組變壓器折合標(biāo)幺值后的模型為：

雙繞組變壓器折合標(biāo)幺值后的模型為：

線路模型：電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型23網(wǎng)絡(luò)拓樸分析功能:根據(jù)開(kāi)關(guān)和刀閘狀態(tài)，由節(jié)點(diǎn)模型(物理模型)確定電網(wǎng)的電氣連接關(guān)系，形成計(jì)算母線、電氣島---計(jì)算模型。SCADA提供的開(kāi)關(guān)信息和量測(cè)數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)分析的數(shù)據(jù)來(lái)源,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鰹楣媚K，是狀態(tài)估計(jì)、潮流計(jì)算等其它應(yīng)用軟件的基礎(chǔ).包括兩個(gè)基本步驟:1.廠站母線分析:根據(jù)開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)和元件的退出恢復(fù)形成計(jì)算母線.功能是分析一廠站的同一電壓等級(jí)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)由閉合開(kāi)關(guān)聯(lián)接組成多少個(gè)母線,其結(jié)果是將廠站劃分為若干個(gè)計(jì)算母線.2.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析:分析整個(gè)電網(wǎng)有閉合支路聯(lián)接組成多少個(gè)電氣島(Island),每個(gè)電氣島是有電氣聯(lián)系的母線的集合,計(jì)算以此為單位劃分網(wǎng)絡(luò)方程.24STAUNA1UNA2LDALDBLNAB1LNABLDCSTCSTBUNC4LNAB2LNBCXFC123STACBA1CBA2CBA3NDA3NDA2NDA4NDA5CBA4CBA5CBA6NDA6NDA7CBA7CBA8CBA9UNA2UNA1NDA1LDACBB1CBB2CBB4NDB2NDB1NDB3NDB4LDBSTBLNAB2NDA8LNBCSTCNDC5NDC6CBC6NDC8XFCNDC7UNCCBC2NDC1CBC3NDC2NDC4NDC3CBC4CBC5CBC1LNACLNAB1CBB3LDC25網(wǎng)絡(luò)拓樸分析舉例26狀態(tài)估計(jì)(StateEstimation)狀態(tài)估計(jì)利用采集的信息估算電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，主要功能有:1.給出電網(wǎng)中各母線的電壓和相角，各線路和變壓器的潮流，各母線的負(fù)荷和各發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)出力.2.估計(jì)有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置；3.不良數(shù)據(jù)檢測(cè)與辨識(shí):開(kāi)關(guān)錯(cuò)誤辨識(shí),遙測(cè)數(shù)據(jù)中的壞數(shù)據(jù)檢測(cè)和辨識(shí);

27總體框架CSGC-3000/OPEN3000/CC-2000A/D-5000IEC-61970模型軟件平臺(tái)訪問(wèn)接口數(shù)據(jù)預(yù)校核壞數(shù)據(jù)識(shí)別狀態(tài)估計(jì)模型校核數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估（數(shù)據(jù)整合）28功能與算法流程29狀態(tài)估計(jì)模型支路模型量測(cè)量

z=量測(cè)方程:h(x)=待求狀態(tài)量30狀態(tài)估計(jì)基礎(chǔ)算法(1)EMS發(fā)展應(yīng)用的歷史其實(shí)就是狀態(tài)估計(jì)與潮流計(jì)算發(fā)展變得歷史.1970年F.CScheweppe最早提出用最小二乘狀態(tài)估計(jì)算法,后來(lái)日趨成熟,R.E.Larson等用卡爾漫濾波逐次狀態(tài)估計(jì)算法研究.目前主要用的估計(jì)方法有:1.基本加權(quán)最小二乘法.取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)Z

由x計(jì)算HTR-1H,HTR-1[z-h]

解方程

X=HTR-1HHTR-1[z-h]l++l=1,x賦初值YN基本加權(quán)最小二乘法,占用內(nèi)存量大,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),但估計(jì)質(zhì)量最高.31Za包括Pij,Pi,,Zr包括Qij,Qi,Vi２．快速分解法思路把量測(cè)數(shù)據(jù)的有功,無(wú)功分開(kāi)處理,這里為BaP-

的Jacobi矩陣,Br為

P-V的

Jacobi矩陣.狀態(tài)估計(jì)算法(2)32２．快速分解法計(jì)算初始化

KP=KQ=Fl=1

求解自由相量a

解方程求l++讀入量測(cè)數(shù)據(jù)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狀態(tài)估計(jì)算法(3)KP,KQ是Ｐ-Ｐ-Ｖ收斂標(biāo)志33潮流計(jì)算是根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件,求出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài).潮流方程如下,G為發(fā)電機(jī),D為負(fù)荷Gij為母線導(dǎo)納矩陣的電電導(dǎo),Bij為母線導(dǎo)納矩陣電納,ViVj為線電壓潮流基本模型是一個(gè)高維的非線性方程組,潮流計(jì)算本質(zhì)是解一個(gè)非線性方程,基本的方法是賦初值,循環(huán)疊代,從數(shù)值計(jì)算的角度來(lái)看,非線性方程的解不只一個(gè),不是每一個(gè)非線性方程組可以用循環(huán)疊代獲得有效解,常用的方法有:牛頓-拉夫遜法,P-Q分解法等調(diào)度員潮流(DispatcherPowerFlow)34電壓初始化

計(jì)算

計(jì)算修正量修正V計(jì)算Jacobi矩陣YN牛頓-拉夫遜是求解非線性方程的有效方法,是潮流計(jì)算最重要最基本的算法,是其他派生算法的基礎(chǔ).牛頓-拉夫遜潮流算法35基本假設(shè):形成矩陣B’,B’’并分解因子

計(jì)算

計(jì)算修正量修正NY電壓初始化

計(jì)算

計(jì)算修正量修正NYP-Q分解法收斂速度快,占用內(nèi)存小,是目前電力系統(tǒng)計(jì)算普遍使用的一種算法,潮流計(jì)算P-Q分解法(快速分解法)36

預(yù)想事故分析（ContingencyAnalysis，CA）對(duì)由于支路開(kāi)斷，而使系統(tǒng)產(chǎn)生電氣設(shè)備（變壓器/線路）過(guò)負(fù)荷、母線電壓異常等不安全狀態(tài)，需要事先進(jìn)行安全分析，即：針對(duì)預(yù)先設(shè)定的電力系統(tǒng)的故障（線路、變壓器、發(fā)電機(jī)）及其組合，確定他們對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生的影響，以便當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，及時(shí)有效地采取校正措施。實(shí)時(shí)態(tài)下，安全分析利用狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果作為其計(jì)算的基本網(wǎng)絡(luò)模型。研究態(tài)下，安全分析利用以前保存的潮流計(jì)算實(shí)例作為其計(jì)算的基本網(wǎng)絡(luò)模型。預(yù)想事故分析(CA)37功能：１．按調(diào)度員的需要方便地設(shè)定預(yù)想故障２．安全評(píng)定，并按照對(duì)電力系統(tǒng)安全影響的危害程度，對(duì)支路排序．３．分析嚴(yán)重故障后的系統(tǒng)狀態(tài)．

預(yù)想事故分析功能及算法算法：１．補(bǔ)償法，根據(jù)疊加原理，把預(yù)想事故網(wǎng)絡(luò)等值為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算潮流．２．直流潮流法，用代替．常用的有Ｎ－１校驗(yàn)，全部Ｎ條線路任意開(kāi)斷１條后，運(yùn)行狀態(tài)校驗(yàn)．３．靈敏度法，把開(kāi)斷看做正常運(yùn)行的擾動(dòng)，計(jì)算系統(tǒng)變化．38基于最優(yōu)潮流的優(yōu)化調(diào)度求出在滿足：最小運(yùn)行費(fèi)、最小網(wǎng)損、消除越限的最小控制量、控制變量和狀態(tài)變量的值發(fā)電機(jī)有功出力、移相器相角、凈功率交換、有功負(fù)荷（切負(fù)荷）發(fā)電機(jī)電壓（發(fā)電機(jī)無(wú)功出力）、變壓器變比、并聯(lián)電容器和電抗器、無(wú)功負(fù)荷39時(shí)間分級(jí)的有功調(diào)度控制實(shí)時(shí)控制日前計(jì)劃滾動(dòng)計(jì)劃實(shí)時(shí)調(diào)度24h4h15m10s時(shí)間分級(jí)模型預(yù)測(cè)控制(H-MPC)滾動(dòng)預(yù)測(cè)：逐級(jí)消除預(yù)測(cè)偏差；通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化：超前調(diào)整慢速機(jī)組，留出快速機(jī)組下調(diào)裕度，提高下旋備40電力系統(tǒng)分析與熱力計(jì)算基爾霍夫電流定律

（KCL）

基爾霍夫電壓定律

（KVL）熱力管網(wǎng)流量q壓力p熱量Q電力網(wǎng)絡(luò)電流I電壓Ｖ有功P基爾霍夫流量壓降定律41基爾霍夫電流定律（KCL）集總電路中，在任意時(shí)刻，對(duì)任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)，所有流出該結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和為零。42KCL的使用求iR答案：2A43基爾霍夫電壓定律（KVL）集總電路中，在任意時(shí)刻，沿任何一個(gè)回路，所有支路電壓的代數(shù)和為零。求u答案：12V44電力網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算45潮流計(jì)算－牛頓法46熱網(wǎng)計(jì)算方程

47熱網(wǎng)計(jì)算方程

48熱力計(jì)算方程

49熱網(wǎng)計(jì)算方程

50熱力計(jì)算方程

51基礎(chǔ)算法:與電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似節(jié)點(diǎn)流量AG+G0=0管段壓力ATP=ΔP管段流量G=C*pΔP

節(jié)點(diǎn)流量AG+Go=0管段溫度降A(chǔ)TT=ΔT管段流量G=C*tΔtA節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣；G,G0節(jié)點(diǎn)流量向量；P,P0節(jié)點(diǎn)壓力向量；C*p管段的阻力系數(shù)倒數(shù)矩陣，C*t管段的降溫系數(shù)倒數(shù)矩陣，與導(dǎo)納陣相似52算法輸入與輸出管網(wǎng)：管段長(zhǎng)度、管段直徑、管段保溫層、厚度管段流量、管段壓降、管段溫降、管段流速節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)流量、節(jié)點(diǎn)壓力、節(jié)點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果模塊：輸出水力熱力計(jì)算的結(jié)果53典型場(chǎng)景4綜合能源建模2基礎(chǔ)功能與算法3綜述154典型場(chǎng)景55節(jié)點(diǎn)類(lèi)型56電熱耦合網(wǎng)絡(luò)多能流計(jì)算電熱耦合網(wǎng)絡(luò)