考虑气网掺氢与低碳奖赏的气电耦合系统优化调度

针对气电耦合系统的优化调度问题,建立含气网掺氢的气电耦合系统模型,并考虑电制氢的精细化模型、掺氢气网的运行状态变化和严格的掺氢安全限制;同时在阶梯型碳交易机制的基础上,提出赏罚阶梯型碳交易机制,在碳配额出现剩余时设置阶梯型奖赏;进一步地综合考虑碳交易成本和运行成本,建立气电耦合系统低碳优化调度模型。最后,基于改进的IEEE 39节点电网模型和比利时20节点气网模型组成的系统进行仿真,采用CPLEX求解器对调度模型进行求解。通过分析对比4种调度场景的结果,验证了所提模型在降低碳排放、控制总成本和消纳弃风方面的有效性,分析了掺氢气网中不同热值计算方式和奖赏基准价格对调度结果的影响,并进行了奖赏基准价格的参考定价分析。

计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估

气电耦合系统中电转气负荷与气转电负荷为故障在电网与气网间的传播提供了通道,将电转气负荷与气转电负荷统称为能源转换负荷,其在电、气负荷中的占比与在阻断控制过程中的切除优先度可能对耦合系统连锁故障的传播特性带来无法忽视的影响。为此,提出了一种计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估方法。首先,提出能源转换负荷占比与切除优先度模型,分析不同占比与切除优先度下故障在电、气网间连锁传播的机理与特性。然后,分别建立基于能源转换负荷占比与切除优先度的电力系统优化调度模型与天然气系统优化调度模型,两者交替迭代模拟连锁故障演化过程。基于此,提出表征拓扑完整性与物理运行特性的指标以定量评估连锁故障风险,从而构建气电耦合系统连锁故障评估模型。最后,利用IEEE RTS 24节点系统与29节点天然气系统构造气电耦合测试系统,通过对比不同场景,验证了所提方法可有效揭示能源转换负荷对连锁故障的影响。

基于事件优化理论的气电耦合系统故障影响平抑策略

针对故障事件对气电耦合系统安全运行的不利影响,基于事件优化理论提出了一种故障影响平抑策略。首先,构建气电耦合系统状态模型,得到故障事件后的系统状态;然后建立故障影响平抑模型,包括构建故障事件集、动作集,事件的状态转移概率,以及故障事件平抑综合价值函数;最后定义故障事件Q因子决策出最优动作,确定气电耦合系统提供的备用量。算例表明,所提平抑模型可有效降低故障事件造成的不利影响,提高气电耦合系统的总体收益,保证气电耦合系统的安全经济运行。

考虑用户侧微能网能量支援的电–气–热耦合系统可靠性评估

微能网是用户侧多能耦合的重要形式,大量微能网接入对供能可靠性影响显著。针对当前多能耦合系统可靠性评估对用户侧微能网运行模式、能量支援方式研究不充分的问题,提出考虑多微能网能量支援的电-气-热耦合系统可靠性评估方法。根据能量的网间支援与多能支援,定义并网运行、不完全孤岛独立运行、不完全孤岛联合运行、完全孤岛独立运行、完全孤岛联合运行5种故障后微能网运行模式;构建计及微能网运行模式的电-气-热耦合系统故障影响分析及可靠性评估框架;采用基于功率圆的静态孤岛划分方法确定微能网孤岛范围和孤岛运行模式,建立适用于各种微能网运行模式的统一孤岛多能负荷动态削减模型。算例分析结果表明,故障后通过用户侧多能耦合和微能网联合优化运行,能够实现电、气、热系统间的多能高效支援和支持更多重要负荷的可靠供能。

计及随机网络约束的含可再生能源电力天然气耦合系统优化

为解决风电弃风和运行成本的问题,提出了考虑随机网络约束的电力天然气耦合系统与压缩空气储能系统的联合优化模型。分析了电力天然气混合系统的运行方式,建立了两阶段电力天然气耦合系统运行优化模型。第一阶段针对日前市场,第二阶段针对实时市场,分别考虑相应的电力系统约束、天然气系统约束以及耦合系统约束,并考虑随机网络约束,利用混合整数非线性规划求解。通过仿真分析,说明混合系统在风电弃风、负荷削减以及运行成本方面的影响。

电-气耦合综合能源系统准动态安全评估

随着燃气机组的广泛运用,电力系统与天然气系统的相互作用日渐加强,针对单一能源系统的传统安全评估方法将不再适用。该文针对电–气耦合综合能源系统,提出一种能够反映故障演化过程的准动态安全评估方法,包含预想故障的定义、筛选和详细分析3个步骤,体现了电力系统和天然气系统的动态过程时间尺度差异。之后,根据预想故障下系统状态量越限和负荷损失情况,计算出“时间相依”的系统综合安全性指标,能够反映系统安全性随时间的变化趋势。最后,以简化处理后的某省天然气管网和IEEE30节点系统组成的大规模电–气耦合系统为例,验证了所提方法在电–气耦合系统实时安全性刻画方面的有效性。

基于改进UKF的电-气耦合系统状态估计

随着“双碳”减碳目标的能源改革推进,综合能源系统得到了快速的发展,电-气耦合系统成为实现多能流能源交互运行的重要案例。然而,由于各子系统之间信息交互、响应时间与运行时间尺度之间存在较大差异,给能源管理系统的监测与状态感知能力带来严峻的挑战。考虑电、气子系统状态估计之间存在不同时间尺度问题,该文构建多时间切片统一的分段式状态估计模型,提出了基于奇异值分解的无迹卡尔曼滤波多能流系统动态状态估计算法。仿真算例验证了分段式状态估计策略的有效性,有效实现对电-气耦合系统的精准监控,并且估计结果具备更强的数值稳定性。

负荷重分配攻击下电–气系统损失评估与脆弱性分析

在电力信息物理系统中,负荷重分配(load redistribution,LR)攻击是一种常见的虚假数据注入攻击。而在天然气网与电网耦合紧密的背景下,针对电–气耦合系统(integrated electricity natural gas system,IEGS)的负荷重分配攻击可能会对系统的安全运行造成更严重的影响。因此本文对电–气耦合下的LR攻击展开深入研究。首先,在分析IEGS双侧协同LR攻击作用机理的基础上,研究LR攻击的实施策略。其次,计及连锁故障对电网的影响,以IEGS经济损失最大为目标函数,建立IEGS下LR攻击的损失评估模型,统一度量了不同能源子系统的损失,量化了不同场景下LR攻击对系统安全经济运行的风险,定义了新的节点综合脆弱性评价指标,全面深层次分析IEGS中的高脆弱性节点。再次,对天然气管道流量方程中的非线性项进行线性化处理,将IEGS调度模型转化并添加到攻击者模型中,作为Karush–Kuhn–Tucher(KKT)最优条件,从而将整个模型转换为混合整数线性规划问题。最后,在IEEE 39节点和改进比利时20节点算例系统上,进行了3种LR攻击场景的仿真,验证了3种攻击在不同攻击资源下的攻击效果,分析了系统高脆弱性节点的分布与变化,并给出了针对不同LR攻击形式的系统综合保护策略。实验结果表明,双侧协同LR攻击会对系统造成更严重的损失,但依据本文评估和分析方法采取综合保护策略后,系统损失显著降低。

气电耦合综合能源系统供电可靠性评估解析算法

对气电耦合综合能源系统供电可靠性评估进行解析方法研究。首先,研究耦合系统的运行方式,建立气电耦合综合能源系统供电可靠性模型,对耦合系统影响供电可靠性的因素进行了全面的分析。其次,提出气电耦合综合能源系统供电可靠性评估的解析算法。最后,采用比利时20节点天然气系统和IEEE-RBTS Bus-6系统搭建算例进行分析,通过仿真对所提模型和算法进行了验证,并通过不同场景计算结果的对比,详细分析了耦合系统对供电可靠性的影响。

考虑天然气管网极限风险影响的电-气耦合系统连锁故障模型

随着电网和气网耦合程度的增强,天然气系统气源、管道和压缩机故障风险处在极限区域时对电力系统的影响亟待研究。该文通过Ford-Fulkerson法量化气网故障极限风险,建立考虑天然气管网极限风险影响的电-气耦合系统连锁故障模型。首先,考虑天然气系统的可靠性、经济性和容量约束,引入成本矩阵和容量矩阵建立天然气随机网络模型;其次,通过Floyd算法确定高效率、低成本天然气输气方向的基础上,采用Ford-Fulkerson算法量化天然气随机网络故障后的极限最小风险;然后,利用直流潮流模型和概率模型模拟电力系统连锁故障,并根据拓扑完整性和物理运行特性评估天然气系统主要设备故障风险在极限区域时对电力系统连锁故障的影响。最后,通过IEEE 30节点和比利时20节点组成电-气耦合系统,验证了该模型的正确性和有效性。

计及大规模新能源接入的电–气耦合综合能源系统稳定性评估

在新能源渗透率不断提高及能源耦合越来越紧密的背景下,针对典型电–气耦合综合能源系统(electro-gas coupled integrated energy system,EGCIES),提出一种基于大规模新能源并网的电–气耦合综合能源系统稳定性评估方法。首先给出电–气耦合综合能源系统潮流的顺序求解方法,在计及电力系统(electrical power system,EPS)与天然气系统(natural gas system,NGS)能量耦合关系的情况下,考虑新能源机组出力不确定性及电负荷、气负荷的随机波动,求解EGCIES潮流;然后提出了一种最小切负荷策略,在EPS中将三级切负荷策略与改进二分法相结合,并将其应用于NGS系统中,以快速准确求解极端状况下,系统的最小切负荷量;又在电源点、气源点的故障情况下,计及电–气耦合特性,通过所提出的稳定性分析方法,从EPS稳定性、NGS稳定性及EPS与NGS耦合能力多角度定量分析电–气耦合综合能源系统的稳定性,并求解EPS与NGS能量互补的拐点。最后,利用比利时20节点天然气系统及IEEE39节点系统构成电–气耦合综合能源系统,验证了所提方法的有效性。

含DFIG风电场电-气耦合系统的概率连续混合潮流方法及其负荷裕度分析

针对含双馈感应式风机(DFIG)风电场电-气耦合多能流系统的最大负荷裕度及其耦合影响问题,考虑天然气管网的动态特性,建立考虑DFIG稳态模型和能源路由器(EH)的含参连续混合潮流模型;采用随机响应面法(SRSM)拟合DFIG出力,结合预估-校正及电-气系统耦合交替迭代获取电力系统负荷节点的有功功率-电压曲线、天然气系统流量-气压曲线及其负荷裕度期望值;定义电压-负荷、气压-流量灵敏度,可分别跟随电力系统负荷节点有功功率-电压曲线、天然系统气流量-气压曲线的获取,定义电-气耦合环节中天然气系统节点压强-EH节点注入电功率和电力系统节点电压-EH节点天然气注入流量灵敏度,从而定量评估电-气耦合下电力系统、天然气系统和电-气耦合环节的薄弱节点及EH耦合程度。含DFIG风电场的IEEE14节点电力系统和22节点天然气系统通过11个EH耦合而成的电-气系统的算例仿真结果验证了所提模型、算法和所定义负荷裕度灵敏度指标的正确性和有效性。

考虑电转气的电-气耦合系统协同优化规划方法

以燃气机组和电转气(P2G)设施构成的电力-天然气耦合系统提高了不同能源系统的互动性。为实现规划年耦合系统的安全经济运行,文中提出了以年投资成本、年运行成本之和最小为目标的考虑P2G的电-气耦合系统优化规划方法。该优化方法可得到规划年燃气机组、P2G厂站、电力线路、燃气管道的投建状态和典型日燃气机组、P2G厂站的最优出力。然后,基于所提方法对7节点天然气和9节点电力系统进行不同场景的建模计算。最后,免疫算法解算结果表明,P2G厂站位置的合理规划可降低天然气网络管道的建设成本,燃气机组和P2G厂站的出力调整可降低系统的运行成本。

基于统一潮流模型的电-气耦合综合能源系统静态灵敏度分析

针对典型的电—气耦合综合能源系统,提出一种基于统一潮流模型的静态灵敏度分析方法,用于分析电力与燃气供能系统间的交互作用机理。首先,给出电—气耦合综合能源系统的统一潮流模型。然后,在此基础上,定义电—气耦合综合能源系统的燃气压力—节点注入功率灵敏度矩阵。最后,结合典型场景下的综合能源系统灵敏度指标,分析电网节点注入功率对燃气压力的影响,定位综合能源系统的薄弱环节。算例表明,所提方法可为区域综合能源系统的安全稳定运行提供辅助信息,有效提升了系统的安全性。

考虑电-气耦合系统连锁故障的多阶段信息物理协同攻击策略

针对电-气耦合系统在恶意攻击下的风险分析,提出了一种计及电-气耦合系统连锁故障的信息物理多阶段协同攻击策略。为了诱导调度人员做出错误调度决策和降低电网的安全裕度,提出了一种以最大化线路过载程度为目标的改进负荷重分配(LR)攻击模型。综合考虑天然气系统与电力系统的调度时间尺度差异,构建一种新型的电-气耦合系统多阶段协同攻击策略:初始阶段通过攻击气网侧气源或管道以影响电-气耦合节点的天然气机组状态,然后针对电力系统交替采用改进LR攻击和物理攻击,最终导致大规模连锁停运。基于Q-Learning提出了最优策略求解算法,以比利时20节点天然气系统和IEEE30节点系统为算例,验证了所提信息物理协同攻击模型的正确性和有效性。

综合能源系统分析的统一能路理论(五):电–热–气耦合系统优化调度

多能流系统耦合调度相比独立调度可以有效降低运行成本,提高可再生能源消纳,目前已经成为一大研究热点。但是,现有的研究大多采用稳态的热网和天然气网模型,这一方面忽略动态特性中蕴含的调度灵活性,另一方面还可能导致调度结果不准确,引发安全问题。该文基于统一能路理论,建立一种新的电–热–气耦合多能流系统优化调度模型,将描述热网和天然气网络动态的复杂偏微分方程转化为线性复代数方程,易于优化求解。此外,统一能路模型是基于偏微分方程的解析解推导的,具有高精度。算例表明,文中建立的优化调度模型可以利用热网和天然气网的动态特性来提高调度灵活性,降低系统运行成本。相比已有方法,文中建立的优化调度模型具有求解速度快、模型精度高的优点。

计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度研究

随着“双碳”目标的提出,电力系统低碳化转型以及新能源高比例渗透已成为必然趋势。然而,高比例新能源并网给电力系统灵活性运行带来了更大的挑战。因此,调度侧需具备充裕的运行灵活性以平抑净负荷波动。该文以含碳捕集电厂的气-电耦合综合能源系统为对象,提出了一种计及灵活爬坡需求的低碳经济调度模型。首先,计及了电力系统、天然气系统和碳捕集电厂的运行约束,构建了计及碳排放成本的低碳经济模型。然后,考虑了发电机组与碳捕集电厂提供运行灵活性爬坡服务,建立了计及灵活爬坡产品的综合能源系统低碳经济调度模型。最后,算例测试定量分析了碳价对于综合能源系统低碳调度决策的影响,量化了燃气机组与碳捕集电厂的运行灵活性。

考虑多重不确定性的电–气–交通网络耦合系统数据驱动鲁棒优化调度

电力、天然气、交通等不同能量流网络的深度耦合和良性互动,对多元化综合能源系统的协同优化运行提出了极大挑战。针对电–气–交通网络耦合系统中的多重不确定性因素,提出综合考虑交通流量、风电出力及燃气机组耗气不确定性的数据驱动鲁棒协同优化调度模型。首先,依据Wardrop用户均衡准则获取交通网络的最优流量分配,并根据网络耦合约束将交通、气网络的不确定性转化到配电网统一考虑;其次,结合风电出力和交通流量的历史数据构造高维源、荷不确定量的模糊集表征其概率分布特性;然后,以基准预测场景下日前运行成本和不确定量最劣场景分布下实时调整成本最小为目标,建立基于数据驱动的两阶段鲁棒经济调度模型,在主、子问题协同求解框架下采用列约束生成方法进行求解。最后,通过算例验证了所提模型及求解方法的有效性。

计及多目标协调的电–气耦合系统源端容量规划研究

天然气机组的大规模应用使得电力与天然气系统耦合逐步紧密,导致故障会在能源子系统间传播,对电–气耦合系统的长期规划提出新的要求。为提高耦合系统的可靠性,该文构建考虑多目标(即可靠性与成本)协调的源端容量规划模型,实现发电机组与储能装置的选址定容。首先,针对各元件故障特点建立多状态可靠性模型,刻画元件在各运行状态间的转移过程。基于元件的可靠性模型和负荷的多状态特性,依次构建天然气系统与电力系统的可靠性约束,并将故障跨系统传播考虑在内。其次提出电–气耦合系统源端容量规划模型,在投资约束、运行约束和可靠性约束等条件下,实现包含投资成本、运行成本和切负荷成本在内的总成本最小。此外,为增强模型的实用性,采用线性化、二阶锥松弛相结合的方法将所构建的非线性模型转化求解。最后,引入IEEE30节点和比利时20节点天然气系统组成的测试系统验证模型的有效性。

电-气耦合系统概率Pareto最大负荷裕度及灵敏度分析

针对含风电机组的电-气耦合系统在最大负荷裕度及其相互影响问题,考虑电力网络,天然气网络及能源集线器3部分等式和不等式约束,以电力网络与天然气网络的最大负荷裕度Pareto最优为目标,构建含风电电-气耦合系统概率最大负荷裕度多目标优化混合最优潮流模型。采用随机响应面法处理风电机组出力的不确定性,提出了结合牛顿法、快速非支配排序遗传算法和最大满意度决策的模型求解方法;进而对电-气耦合系统最大负荷裕度的灵敏度进行分析。最后,算例仿真结果表明,所提模型和算法正确有效,定义的灵敏度指标可识别系统薄弱节点及评估最大负荷裕度下系统耦合影响。