2025安全、可靠和靈活的能源互聯(lián)網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)的做功域和做功能力匯報(bào)單位：天津大學(xué)石河子大學(xué)天津大學(xué)石河子大學(xué)天津大學(xué)石河子大學(xué)11研究背景與意義研究背景與意義2做功域與做功能力模型2做功域與做功能力模型3算例驗(yàn)證3算例驗(yàn)證4結(jié)語4結(jié)語研究背景與意義天津大學(xué)))0■2012-2022年平均值■2023年■2024年06年份天津大學(xué)研究背景與意義天津大學(xué)電氣/熱對(duì)物體所作的機(jī)械功為W?>W?>W?>W?,如右圖所示。(可轉(zhuǎn)換為功的能量)(可轉(zhuǎn)換為功的能量)功的能量)能量Energy(無功功率)畑(無功功率)畑1kVA的交流電憮(環(huán)境溫度25℃)(環(huán)境溫度25℃)W?=mgh?憮憮煙1kW的100℃熱水(環(huán)境溫度25℃)W?=mgh?1kW的50℃熱水(環(huán)境溫度25℃)研究背景與意義天津大學(xué)石河子大學(xué)■IES供能能力和安全域/運(yùn)行域的研究現(xiàn)狀研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域研究現(xiàn)狀總結(jié)輸電系統(tǒng)配電系統(tǒng)天然氣系統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)定的安全域等一系列域理論研究，實(shí)現(xiàn)了基于安全域的電力系統(tǒng)安全提出了輸氣系統(tǒng)最大供氣能力曲線，以天然氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量為狀態(tài)變量，構(gòu)建了5■5■現(xiàn)有研究不足：現(xiàn)有IES安全域/運(yùn)行域均基于能流模型而建立，僅刻畫了能量數(shù)量供應(yīng)的范圍和極限。數(shù)量與品質(zhì)的二元性表明，單純?cè)黾幽芰康臄?shù)量供給并不必然提升IES的做功能力。導(dǎo)致基于傳統(tǒng)安全域/運(yùn)行域開發(fā)的優(yōu)化調(diào)度策略，并不一定能夠兼顧最優(yōu)做功能力。因此，有必要借鑒域方法，從IES做功能力的角度討論其最大范圍和能力極限。天津大學(xué)石河子大學(xué)天津大學(xué)石河子大學(xué)11223算例驗(yàn)證3算例驗(yàn)證4結(jié)語4結(jié)語天津大學(xué)石河子大學(xué)天津大學(xué)石河子大學(xué)狀態(tài)變量■煙源向IES注入煙流，該部分畑流為系統(tǒng)的輸入煙，被稱為源端畑；■負(fù)荷獲得畑流，該部分煙流為系統(tǒng)的輸出畑，被稱為負(fù)荷畑；工作點(diǎn)模型■IES做功域的工作點(diǎn)：決定綜合能源系統(tǒng)安全狀態(tài)的最少狀態(tài)變量集合，本研究以負(fù)荷畑作為狀態(tài)變量。√若不加以區(qū)分能源的種類，做功域的工作點(diǎn)表示為：做功域與做功能力模型天津大學(xué)石河子大學(xué)基本定義基本定義量構(gòu)成的工作點(diǎn)的集合。狀態(tài)空間中工作點(diǎn)向量在某一或多個(gè)狀態(tài)變量上所能達(dá)到的最大或最小取值所構(gòu)成的界限。狀態(tài)空間模型狀態(tài)空間模型■■IES做功域的狀態(tài)空間：>e?(m)電/氣/熱的負(fù)荷畑上限電/氣/熱的負(fù)荷畑下限安全點(diǎn)安全點(diǎn)做功域與做功能力模型石河子大學(xué)√域具有通用性，針對(duì)不同系統(tǒng)的做功域，可對(duì)其數(shù)學(xué)模型可進(jìn)行一般化表示：態(tài)空間中的分界線，反映了在當(dāng)前安全準(zhǔn)則下IES做功能力安全關(guān)系示意圖天津大學(xué)天津大學(xué)石河子大學(xué),包括煙流方平衡方程表示天然氣系統(tǒng)包括節(jié)點(diǎn)煙流平煙流方程表示熱力系統(tǒng)煙流等式約束，包括水力模型、節(jié)點(diǎn)溫度方程、熱表示能源站煙流等式約束，包括煙集線器模型包括煙勢(shì)約束、支路相角差約束、節(jié)點(diǎn)畑流約束、線路煙流約束包括節(jié)點(diǎn)氣壓約束、畑勢(shì)約束、節(jié)點(diǎn)煙流約束、管道煙包括煙勢(shì)約束、節(jié)點(diǎn)煙流約束、管道煙流約束設(shè)備的輸入、輸出用流約束做功域與做功能力模型天津大學(xué)石河子大學(xué)■做功域的安全邊界降維求解方法-改進(jìn)型二分法以求解降維后的做功域，以求解上邊界為例：變量固定為常數(shù)，根據(jù)e,和e的上、下限形成二維狀態(tài)空間，以δ為采樣步長(zhǎng)，在0中生成Y個(gè)工二維安全邊界的上邊界。邊界搜索過程分為三種情況，后面予以解釋說明。e,平面，得到二維上邊界在該平面的圖像。更新WwR,并煙流計(jì)算YNYNYY步驟1N石河子大學(xué)改進(jìn)型二分法的邊界點(diǎn)搜尋過程，以搜尋上邊界點(diǎn)的過程為例，橫軸表示觀測(cè)變量e的采樣過程，√步驟2-1:獲取初始點(diǎn)。令e,=e"i,e◆e,在上下限范圍內(nèi)存在有限安全區(qū)域(情況I)◆e,在上下限范圍內(nèi)不存在安全區(qū)域(情況I);◆e,在上下限范圍內(nèi)均是安全區(qū)域(情況Ⅲ)。√步驟2-3:生成下一個(gè)初始狀態(tài)點(diǎn)，執(zhí)行步驟2-4。已得到安全邊界的所有上邊界點(diǎn)，執(zhí)行步驟3。否則，返回步驟2-2,修正該初始狀態(tài)點(diǎn)。真值(下邊界)真值(下邊界)真值(上邊界)臨界點(diǎn)安全區(qū)不安全區(qū)臨界點(diǎn)情況Ⅱ情況Ⅱ情況Ⅲ色4?(a)上邊界點(diǎn)搜尋過程示意圖情況情況I情況Ⅱ情況Ⅲ2e"a做功域與做功能力模型天津大學(xué)石河子大學(xué)電力節(jié)點(diǎn)i關(guān)于功率因數(shù)角的能質(zhì)函數(shù)天然氣節(jié)點(diǎn)j關(guān)于理論燃燒溫度的能質(zhì)函數(shù)熱力節(jié)點(diǎn)k關(guān)于供水溫度、電力節(jié)點(diǎn)i關(guān)于功率因數(shù)角的能質(zhì)函數(shù)天然氣節(jié)點(diǎn)j關(guān)于理論燃燒溫度的能質(zhì)函數(shù)熱力節(jié)點(diǎn)k關(guān)于供水溫度、出口溫度的能質(zhì)函數(shù)●能質(zhì)函數(shù)關(guān)系：定理1:對(duì)于同一運(yùn)行工況下的IES,其做功域的工作點(diǎn)●推論1:對(duì)于相同安全準(zhǔn)則下的IES,運(yùn)行域Ω0R和做功當(dāng)能質(zhì)函數(shù)f(4?)=f(φ?)=1時(shí)，距變換關(guān)系。歐式距離doR/dwR=1歐式夾角oR=0wR等距變換示意圖且恒等于非零常數(shù)時(shí)，得到的2oR和Ωw在幾何上為相似變換關(guān)系。常數(shù)相似變換示意圖當(dāng)能質(zhì)函數(shù)f(φ)≠f(φ?)時(shí)，且隨運(yùn)行方式而波動(dòng)時(shí)，得到的QoR和Ωw在幾何上為非線性變換關(guān)系。非線性變換示意圖天津大學(xué)石河子大學(xué)TWC點(diǎn)和TWCmax點(diǎn)均是做功域中的工作點(diǎn)，不僅包含了做功能力的數(shù)值，還包括相應(yīng)的負(fù)荷煙分布，即工作點(diǎn)數(shù)據(jù)。天津大學(xué)石河子大學(xué)→供能能力優(yōu)化路徑s2↑TSCmax點(diǎn)sRTWC和TSC備注：α表示正比例關(guān)系；*表示不一定是正比例關(guān)系；表示推論2:IES的做功能力和供能能力的數(shù)學(xué)關(guān)系，取決于能質(zhì)函數(shù)。當(dāng)能質(zhì)函數(shù)值均恒定為某一常數(shù)時(shí)，在同函數(shù)值均不能恒定為某一常數(shù)時(shí)，同一運(yùn)行狀態(tài)下，TWC和TSC不一定滿足正比例關(guān)系。線性映射線性映射線性映射間接法的求解路徑線性映射(a)所有運(yùn)行點(diǎn)下的能質(zhì)函數(shù)值恒定(b)所有運(yùn)行點(diǎn)下的能質(zhì)函數(shù)值不恒定實(shí)際IES工程中，能質(zhì)函數(shù)值一般不可能恒等于某一常數(shù)。不能簡(jiǎn)單的將做功能力和供能能力視為正相關(guān)的關(guān)系!天津大學(xué)石河子大學(xué)天津大學(xué)石河子大學(xué)11研究背景與意義研究背景與意義22做功域與做功能力模型做功域與做功能力模型3算例驗(yàn)證3算例驗(yàn)證4結(jié)語4結(jié)語天津大學(xué)石河子大學(xué)天然氣門站熱力管道—天然氣管道測(cè)試算例拓?fù)浒ǎ?節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)、5節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)和3節(jié)點(diǎn)熱力系統(tǒng)；●電力-天然氣-熱力系統(tǒng)通過三類能源站實(shí)現(xiàn)耦合；●電力-天然氣-熱力系統(tǒng)系統(tǒng)管線的參電力系統(tǒng)參數(shù)名稱基準(zhǔn)功率基準(zhǔn)電壓源節(jié)點(diǎn)E?電壓幅值源節(jié)點(diǎn)E?電壓相角源節(jié)點(diǎn)E?電壓幅值負(fù)荷節(jié)點(diǎn)E、E?有功功率負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)線路阻抗名稱氣源節(jié)點(diǎn)G?氣壓D?=150mm,D?=D?=D=D=D=100熱力系統(tǒng)參數(shù)名稱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)H?、H?熱功率節(jié)點(diǎn)H?供水溫度節(jié)點(diǎn)H?、H?出口溫度算例驗(yàn)證石河子大學(xué)熱定電；TypeI、TypeIⅡ和TypeI。其中，TypeⅢ的HP利用地?zé)崮?GE);電力系統(tǒng)功率因數(shù)恒定為0.95,線路兩端相角差范圍為[-10°,10°];天然氣熱值為45.574MJ/m3,理論燃燒溫度恒定為1973℃,環(huán)境溫度為10℃;熱力系統(tǒng)的熱源供水溫度100℃,回水溫度50℃;TypeI:CHP和GB的天然氣分配系數(shù)為0.5;TypeI:CHP和EB的供熱分配系數(shù)為0.5;TypeⅢ:CHP和HB的供熱分配系數(shù)為0.5。相似變換(等距變換)相似變換(等距變換)心中心W心中心W△0A十0a(a)二維運(yùn)行域(b)(a)二維運(yùn)行域TypeI的二維運(yùn)行域和做功域等距變換是相似變換的一種特殊情況，且不適用于本算例的交流配電系統(tǒng)，所以不予以討論。做功域和運(yùn)行域之間存在相似變換的幾何關(guān)系。二維空間下做功域和運(yùn)行域的歐式幾何關(guān)系數(shù)據(jù)表I1I1I1/MM/MM/MVA01.3/MWMM0(a)三維運(yùn)行域(b)三維做功域TypeI的三維運(yùn)行域和做功域夾角也不一定滿足σoR=σw。IES的做功域和運(yùn)行域的幾何關(guān)系，取決于運(yùn)行狀態(tài)下的能質(zhì)函數(shù)值，大多數(shù)IES呈現(xiàn)為非線性變換關(guān)系。三維空間下做功域和運(yùn)行域的歐式幾何關(guān)系數(shù)據(jù)表天津大學(xué)當(dāng)TypeI處于最大做功能力點(diǎn)時(shí)，其供能能力也達(dá)到了最|當(dāng)TypeⅢ處于最大做功能力點(diǎn)時(shí)，其供能能力與最大供傳統(tǒng)基于運(yùn)行域的優(yōu)化手段，在追求較高的供能能力時(shí)，Ωe85o50三維空間下TypeI-TypeⅢ的運(yùn)行域、做功域、做功能力和供能能力天津大學(xué)石河子大學(xué)步長(zhǎng)δ時(shí)間/s改進(jìn)型二分法(本文)步長(zhǎng)δ收斂精度時(shí)間/s上邊界(改進(jìn)二分法)△上邊界(采樣法)上邊界(真值)△·wR的邊界(a)δ=ε=5=0.2(b)δ=0. 于真值。當(dāng)采樣法的采樣步長(zhǎng)δ=0.01,改進(jìn)二分法的采樣步長(zhǎng)ε=0.2,收斂精度為1×10-時(shí)，兩種方法的精度基本一致，而在計(jì)算速度方面，采樣法則需要11376.04s,改進(jìn)型二分法僅需要763.26s。算效果，且不會(huì)大幅度增加計(jì)算耗時(shí)。天津大學(xué)石河子大學(xué)變換關(guān)系，映射出完整的做功域后，再對(duì)做功域的若干工作點(diǎn)進(jìn)行篩選，最后得到IES的TWCmax點(diǎn)；供能能力和做功能力的求解方法對(duì)比直接法(內(nèi)點(diǎn)法直接求解)耗時(shí)/s耗時(shí)/smax00019.27359(c)TypeⅢ的關(guān)系曲線0000(f)TypeⅢ的關(guān)系曲線天津大學(xué)石河子大學(xué)供熱分配系數(shù)(TypeⅢ)與在處于最大供能能力的運(yùn)行工況下，在處于最大做功能力的運(yùn)行工況下提升TSC的同時(shí)，可能導(dǎo)致TWC的降低。傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略，可能影響用慮IES供能能力和做功能力，兼顧石河子大學(xué)■拓?fù)鋮?shù)對(duì)做功能力的影響但是，節(jié)點(diǎn)H?獲得的做功能力明顯下降44302做功域▲/MW節(jié)點(diǎn)H?和節(jié)點(diǎn)H?獲得的熱量始終為2MW長(zhǎng)度/米?=2MW時(shí)(區(qū)域A)A2=2MW時(shí)(區(qū)域B)負(fù)荷煙節(jié)點(diǎn)H?負(fù)荷煙做功能力差異做功域能夠展示出運(yùn)行域不能觀測(cè)到的局部做功能力衰減現(xiàn)象，可為IES規(guī)劃方案調(diào)整提供參考。●熱力管道長(zhǎng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)間做功能力差異的影響管道增長(zhǎng)而收縮；力差異愈發(fā)明顯；劇，增大流量并未滿足做功能力需求。天津大學(xué)石河子大學(xué)天津大學(xué)石河子大學(xué)11223算例驗(yàn)證3算例驗(yàn)證4結(jié)語4結(jié)語結(jié)語石河子大學(xué)■提出了能夠刻畫安全做功范圍的■提出了能夠刻畫安全做功范圍的IES做功域概念及模型