一种储能对区域综合能源系统安全性影响分析方法

摘要

本发明公开一种储能对区域综合能源系统安全性影响分析方法，包括：基于区域综合能源系统N‑1安全准则，获取考虑储能装置接入后区域综合能源系统关键设备、关键管线的安全约束；基于区域综合能源系统实用化安全域方法，构建考虑储能装置接入的区域综合能源系统实用化安全边界；基于考虑储能装置的安全边界，构建相应考虑储能装置的系统最大供能能力模型；基于系统最大供能能力工作点，选取二维或三维观测变量，对考虑储能装置接入前后的区域综合能源系统安全域进行降维观测，实现针对储能装置接入系统前后安全性的变化进行快速、准确分析。

说明书

技术领域

本发明涉及综合能源系统安全分析领域，尤其涉及一种储能对区域综合能源系统安全性影响分析方法。

背景技术

随着能源互联网的推动和发展，综合能源系统作为其在物理层面的载体成为了近年来的研究热点。综合能源系统涉及能源生产、传输、分配、转换、消费等多个环节，其打破原有单一能源系统独立规划、设计、运行，强调多种能源在不同学科领域交叉互融、多样化共同发展，对于实现能源的高效、绿色、可持续供应具有重要意义。但多能耦合的综合能源系统的结构更为复杂，局部负荷波动或元件故障将经由耦合组件传递至整体多能流网络。因此，综合能源系统的安全分析更为复杂，由于多能流的相互影响，正常运行的系统可能在某元件故障后处于不安全状态，关于综合能源系统安全性分析的研究亟待开展。而储能装置作为“十四五”期间大力推广的对象，其可在系统关键功能设备或供能管线故障后作为临时电源，这对于提升综合能源系统N-1安全性提升具有重要意义。而目前针对储能接入综合能源系统后N-1安全性变化的研究较少，缺乏一种快速、准确的储能对区域综合能源系统N-1安全性影响分析方法。

区域综合能源系统安全域方法将电力系统中的N-1安全准则拓展至区域综合能源系统，主要用于研究故障后长时间尺度下区域综合能源系统的安全状态，为需要对区域综合能源系统进行稳态建模，从而对N-1后的系统静态安全分析。相较于传统逐点法，区域综合能源系统安全域方法求解速度快、安全评估效率高、获取的安全信息全面，是一种十分高效的安全分析方法。

因此，有必要基于区域综合能源系统N-1安全准则，获取考虑储能装置接入后区域综合能源系统关键设备、关键管线的安全约束，构建考虑储能装置接入的区域综合能源系统实用化安全边界；基于系统最大供能能力工作点，选取二维或三维观测变量，对考虑储能装置接入前后的区域综合能源系统安全域进行降维观测，实现针对储能装置接入系统前后安全性的变化进行快速、准确分析。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种储能对区域综合能源系统安全性影响分析方法，该方法可以快速、有效分析储能装置接入区域综合能源系统前后系统N-1安全性的变化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种储能对区域综合能源系统安全性影响分析方法，包括以下步骤：

基于区域综合能源系统N-1安全准则，以能量枢纽的关键设备以及关键供能管线出口发生故障作为预想事故，获取考虑储能装置接入后区域综合能源系统关键设备、关键管线的安全约束，并结合工程实际，对电压、气压、水压限制非线性约束进行合理简化；

基于简化后的区域综合能源系统实用化安全域方法，构建考虑储能装置接入的区域综合能源系统实用化安全边界表达式，描述区域综合能源系统N-1安全条件；

基于考虑储能装置的安全边界表达式，将其作为最大供能能力优化求解的约束条件，构建相应考虑储能装置的系统最大供能能力模型，优化求解得到区域综合能源系统系统最大供能能力工作点；

基于求解出的区域综合能源系统最大供能能力工作点，选取二维或三维观测变量，对考虑储能装置接入前后的区域综合能源系统安全域进行降维观测；

通过观测储能装置接入前后区域综合能源系统安全域变化情况，对储能装置接入区域综合能源系统前后安全性的变化进行分析。

进一步的，获取考虑储能装置接入后区域综合能源系统关键设备、关键管线的安全约束，并结合工程实际，对电压、气压、水压限制非线性约束进行合理简化具体为：

区域综合能源系统N-1安全约束是基于N-1安全准则获取的；假定储能装置的剩余能量足够支撑完成区域综合能源系统要求的转带时间，安全约束描述的是在故障最严重情况下区域综合能源系统通过其他供能设备以及储能装置对负荷进行转带，从而实现故障后不失负荷；因此，区域综合能源系统N-1安全约束包括转带后设备容量约束，转带后管线传输容量约束，电压、气压运行参数约束；仅将考虑储能装置接入后区域综合能源系统关键设备、关键管线容量约束作为区域综合能源系统N-1安全约束；

仅考虑储能装置最大充放能功率，储能装置的简化模型为：

C

式中，C

区域综合能源系统的关键设备包括储能、变压器、CHP、燃气锅炉、循环泵和压缩机；当能量枢纽中的关键设备因故障而停止运行时，故障区域的负荷将转带到互联的关键设备上；考虑储能装置接入的区域综合能源系统关键设备N-1安全约束为：

式中，

关键管线位于能源供应设备出口；当一条关键管道因N-1事故而停止运行时，其提供的负荷转移到其他互联的关键管道上；考虑储能装置接入的区域综合能源系统关键供能管线N-1安全约束为：

式中，

进一步的，所述考虑储能装置接入的区域综合能源系统实用化安全边界表达式为：

式中，

式中，

进一步的，所述考虑储能装置的系统最大供能能力模型为：

式中，h

考虑储能装置接入的区域综合能源系统最大供能能力模型为一个优化求解模型，其优化目标为工作点负荷之和最大，约束条件为各能源子系统功率平衡约束以及考虑储能装置接入的区域综合能源系统N-1安全约束。

进一步的，选取二维或三维观测变量，对考虑储能装置接入前后的区域综合能源系统安全域进行降维观测具体为：

(1)求解最大供能能力及负荷分布；初始化参数，包括拓扑结构、设备参数、算法参数；以电-热耦合综合能源系统最大供能能力为优化目标，以实用化安全域模型为约束条件，按照流程调用原对偶内点法求解电-热耦合综合能源系统的TSC工作点，获取TSC及达到TSC时的全网负荷分布；

(2)获取临界点数组；选取任意一组多能管线出口负荷组合L

(3)临界点数组拟合；利用最小二乘法拟合临界点数组B，获取安全域的三维可视化边界；

选取二维观测变量对考虑储能装置接入前后的区域综合能源系统安全域进行降维观测的步骤同三维原理相同。

进一步的，通过观测储能装置接入前后区域综合能源系统安全域变化情况，对储能装置接入区域综合能源系统前后安全性的变化进行分析具体为：

基于对综合能源系统安全域的降维观测，通过比较不同容量、不同位置储能接入区域综合能源系统前后二维安全域面积变化、三维安全域的体积变化情况以及安全域扩展是否在同象限内，能够对储能接入系统后的N-1安全性影响进行定量描述

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明与现有的区域综合能源系统安全域建模方法相比，考虑了储能装置接入对实用化安全边界、最大供能能力模型、降维观测后安全域的影响，从多维度展示储能接入对区域综合能源系统安全性的影响。

2、本发明基于安全域方法可对储能接入后系统N-1安全性的影响进行快速、准确分析，同时基于降维安全域观测可以获取更直观、更全面的安全信息。

附图说明

图1为考虑储能的综合能源系统安全边界仿真拟合求解流程；

图2为考虑储能的综合能源系统实例拓扑；

图3为无储能场景下的二维安全域；

图4为有储能场景下的二维安全域；

图5为无储能场景下的三维安全域；

图6为有储能场景下的三维安全域。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为有效分析储能装置接入区域综合能源系统前后系统N-1安全性的变化，本发明实施例提供了一种储能对区域综合能源系统安全性影响分析方法，详见下文描述：

101：基于区域综合能源系统N-1安全准则，以能量枢纽的关键设备以及关键供能管线出口为预想事故，获取考虑储能装置接入后区域综合能源系统关键设备、关键管线的安全约束，并结合工程实际，对电压限制等非线性约束进行合理简化；

102：基于区域综合能源系统实用化安全域方法，构建考虑储能装置接入的区域综合能源系统实用化安全边界表达式，描述区域综合能源系统N-1安全条件；

103：基于考虑储能装置的安全边界表达式，将其作为最大供能能力优化求解的约束条件，构建相应考虑储能装置的系统最大供能能力模型；

104：基于求解出的区域综合能源系统最大供能能力工作点，选取二维或三维观测变量，对考虑储能装置接入前后的区域综合能源系统安全域进行降维观测；

105：通过观测储能接入前后安全域变化情况，对储能装置接入区域综合能源系统前后安全性的变化进行快速、准确分析。

下面结合图1、计算公式、以及实例对上述步骤中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

关于步骤101：基于区域综合能源系统N-1安全准则，以能量枢纽的关键设备以及关键供能管线出口为预想事故，获取考虑储能装置接入后区域综合能源系统关键设备、关键管线的安全约束，并结合工程实际，对电压限制等非线性约束进行合理简化；

考虑储能的区域综合能源系统安全域以N-1安全准则为基准，面向以能量枢纽为多能网络供应源的区域综合能源系统，基于工作点能量枢纽输出侧管线段出口功率构成的负荷功率空间构建区域综合能源系统安全域。对于电-热耦合综合能源系统安全域而言，主要关注的是储能装置在较短时间内的充放电能力，对于储能装置的储能能量容量关注较少。因此，储能装置的模型如下：

C

式中，C

本实例区域综合能源系统的关键设备包括储能、变压器、CHP、燃气锅炉、循环泵和压缩机。当能量枢纽中的关键设备因故障而停止运行时，故障区域的负荷将转带到互联的关键设备上。而N-1安全约束是根据负载转带过程构建的，可以表示为：

式中，

关键管线位于能源供应设备出口。当一条关键管道因N-1事故而停止运行时，其提供的负荷转移到其他互联的关键管道上。因此，约束可以表示为：

式中，

在实际工业园区等区域综合能源系统场景，管线长度较短，电压、气压等参数越限概率较低，因此将模型中的电压约束等运行参数不等式约束可简化处理，得到求解速度更快的实用化安全域模型。

关于步骤102：基于区域综合能源系统实用化安全域方法，构建考虑储能装置接入的区域综合能源系统实用化安全边界表达式，描述区域综合能源系统N-1安全条件；

经过对模型中的电压约束等运行参数简化，考虑储能接入的电-热耦合综合能源系统实用化安全边界可以表示为：

式中，

式中，

关于步骤103：基于考虑储能装置的安全边界表达式，将其作为最大供能能力优化求解的约束条件，构建相应考虑储能装置的区域综合能源系统最大供能能力模型；

TSC工作点作为安全边界上的临界工作点，其优化目标为系统供能能力最大，约束条件为安全域模型约束。为便于分析，区域综合能源系统TSC数学模型可简述如下：

其中，-TSC为优化目标；h(L)为能量平衡等式约束集合；W(L)为能量枢纽关键设备以及关键管线出口N-1安全性校验不等式约束集合；L为能量枢纽关键管线段出口负荷集合，是原对偶内点法优化求解过程中的自由变量。

关于步骤104：基于求解出的区域综合能源系统最大供能能力工作点，选取二维或三维观测变量，对考虑储能装置接入前后的区域综合能源系统安全域进行降维观测；

考虑储能的综合能源系统安全边界仿真拟合求解流程描述如下：

步骤I：求解最大供能能力及负荷分布。初始化系统参数，包括拓扑结构、设备参数、算法参数等；以电-热耦合综合能源系统最大供能能力为优化目标，以实用化安全域模型为约束条件，按照流程调用原对偶内点法求解电-热耦合综合能源系统的TSC工作点，获取TSC及达到TSC时的全网负荷分布。

步骤II：获取临界点数组。选取任意一组多能管线出口负荷组合L

步骤III：临界点数组拟合。利用最小二乘法拟合临界点数组B，获取安全域的三维可视化边界。

选取二维观测变量对考虑储能装置接入前后的区域综合能源系统安全域进行降维观测的步骤同三维原理相同。

关于步骤105：通过观测储能接入前后系统安全域变化情况，对储能装置接入系统前后安全性的变化进行快速、准确分析。

基于对综合能源系统安全域的降维观测，通过比较不同容量、不同位置储能接入系统前后二维安全域面积变化、三维安全域的体积变化情况以及安全域扩展是否在同象限内，可以对储能接入系统后的N-1安全性影响进行定量描述。

下面以具体的实验来验证本发明实施例提供的方法的可行性，详见下文描述：

参考某案例中区域综合能源系统设置算例场景，多能源耦合设备包括热电联产、燃气锅炉、循环泵和压缩机，算例拓扑结构如图2所示。储能装置接入到点P1。配电系统的功率因数为0.85。

在进行综合能源系统安全域二维和三维观测之前，需要计算系统TSC。基于内点法，有储能接入场景下算例的TSC解算结果为16.85MW，各关键管线的负荷分布如表1所示。没有储能接入场景的TSC解算结果为16.35MW，各关键管线的负荷分布如表2所示。

表1.有储能接入场景下关键管线的负荷分布

表2.无储能接入场景下关键管线的负荷分布

选择关键管线出口(L

选择关键管线出口(L

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。