含分布式固體電儲(chǔ)熱的電熱聯(lián)合系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制方法

紀(jì)慧超，王海鑫，楊俊友，劉沐易，張世宇

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng)市 110870；2.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林省吉林市 132012)

0 引 言

為積極推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，聚焦多能源系統(tǒng)的建設(shè)受到專家學(xué)者的高度重視[1]。根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)的核心理念，打破傳統(tǒng)電、熱、冷、氣各子系統(tǒng)相對(duì)分離的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種類型能源互聯(lián)，才能有效促進(jìn)多能源系統(tǒng)的發(fā)展[2-3]。然而，相比于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，當(dāng)對(duì)上述多能源系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的安全性將面臨較大的挑戰(zhàn)[4]。因此，本文針對(duì)多能源系統(tǒng)中分布式固體電儲(chǔ)熱(distributed solid electric thermal storage,DSETS)不受控場(chǎng)景導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行研究。

目前，針對(duì)多能源系統(tǒng)安全性問(wèn)題主要有以下研究：文獻(xiàn)[5]考慮天然氣N-1的多能流系統(tǒng)靜態(tài)安全耦合問(wèn)題，利用天然氣管道N-1開斷預(yù)想事故集，對(duì)關(guān)鍵事故和脆弱部位進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[6]對(duì)不同控制模式的電、氣、熱多能源系統(tǒng)利用N-1方法分析系統(tǒng)的靜態(tài)安全性，探究了耦合元件退出及不同控制模式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全性的影響。文獻(xiàn)[5-6]僅對(duì)系統(tǒng)中元件退出運(yùn)行的N-1場(chǎng)景進(jìn)行研究，沒(méi)有考慮儲(chǔ)能元件對(duì)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[7]提出了一種計(jì)及N-1安全的含電力系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)和熱能負(fù)荷的多能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，并且獲得了將儲(chǔ)能裝置作為多能源系統(tǒng)備用資源，可以提高系統(tǒng)安全性的結(jié)論。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于安全域的綜合能源系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法，研究?jī)?chǔ)能接入對(duì)區(qū)域綜合能源實(shí)用化安全邊界的影響。文獻(xiàn)[7-8]考慮了儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)安全性的影響，然而本文研究針對(duì)的DSETS與單一的電儲(chǔ)能不同，DSETS是將電能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行儲(chǔ)存[9]。文獻(xiàn)[10]建立了一種計(jì)及可靠性的電、氣、熱多能源系統(tǒng)的容量協(xié)同優(yōu)化配置模型，針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(combined heat and power,CHP)、燃?xì)忮仩t、電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能建立優(yōu)化模型，其考慮了鍋爐和熱儲(chǔ)能，但沒(méi)有建立熱儲(chǔ)能應(yīng)用于負(fù)荷側(cè)場(chǎng)景的預(yù)想事故集。

由于在多能源系統(tǒng)下，各類能源轉(zhuǎn)化設(shè)備如CHP、電熱鍋爐和燃?xì)忮仩t使得電力、熱力、天然氣之間緊密耦合[11]。因此，固體電儲(chǔ)熱作為電熱鍋爐的一種類型，近年受到廣泛關(guān)注，其應(yīng)用場(chǎng)景也從網(wǎng)側(cè)集中式[12]，拓展到負(fù)荷側(cè)的DSETS應(yīng)用場(chǎng)景[13]。而當(dāng)多能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中含有多種不同類型用戶的DSETS時(shí)，系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)隨之增加。由于DSETS運(yùn)行過(guò)程中面臨多種環(huán)境因素影響，存在DSETS用戶根據(jù)環(huán)境變化改變其工作狀態(tài)的場(chǎng)景。因此，對(duì)于分析含有DSETS的多能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的安全性，須考慮DSETS的預(yù)想事故集。

為進(jìn)一步量化實(shí)施上述預(yù)想事故集中故障對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，需要對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評(píng)估。多能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分為“安全狀態(tài)”“預(yù)警狀態(tài)”“緊急狀態(tài)”“待恢復(fù)狀態(tài)”4種狀態(tài)[3]。系統(tǒng)處于不同的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采取的控制手段也不相同。文獻(xiàn)[14-15]提出了基于實(shí)時(shí)載流量的支路越限分析，采用風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)刻畫支路過(guò)負(fù)荷嚴(yán)重程度，上述風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)用于分析系統(tǒng)進(jìn)入到“緊急狀態(tài)”的安全性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正控制。但上述風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)不適用于評(píng)估支路重載的“預(yù)警狀態(tài)”安全性。因此，本文提出量化支路重載嚴(yán)重程度的評(píng)估指標(biāo)，并且對(duì)系統(tǒng)采取預(yù)防控制。

綜合上述研究中存在的問(wèn)題，本文建立一個(gè)兩階段優(yōu)化模型，該建模方法在文獻(xiàn)[16-17]傳統(tǒng)安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度(security constrained economic dispatch,SCED)研究的基礎(chǔ)之上，利用雙目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。其中第一階段以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，第二階段以各單元有功調(diào)節(jié)量最小為目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行預(yù)防控制。并且與傳統(tǒng)SCED研究方法[18-19]相比，此兩階段優(yōu)化調(diào)度模型同時(shí)考慮風(fēng)電消納，在第二階段預(yù)防控制的目標(biāo)函數(shù)中設(shè)置風(fēng)電消納權(quán)重系數(shù)，提高風(fēng)電消納優(yōu)先級(jí)。

1 電熱聯(lián)合系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制架構(gòu)

1.1 電熱聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)包括風(fēng)電場(chǎng)(wind power plant,WPP)、電能儲(chǔ)存單元(electric energy storage,EES)如蓄電池、熱電廠(thermal power plant,TPP)、CHP、熱能儲(chǔ)存單元(heat accumulator,HA)如熱水儲(chǔ)存罐、電負(fù)荷(electric load,EL)、熱負(fù)荷(heat load,HL),以及多種不同類型(服務(wù)區(qū)類、居民類、工廠類、商業(yè)類等)用戶的DSETS。

圖1 含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of combined electricity and heat system with DSETS

1.2 系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制框架

本文針對(duì)含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)，建立一個(gè)考慮系統(tǒng)安全性的兩階段優(yōu)化模型，其模型框架如圖2所示，其模型分別對(duì)系統(tǒng)采取靜態(tài)安全評(píng)估及預(yù)防控制。第一階段為含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，此階段以最小化系統(tǒng)運(yùn)行成本及減小棄風(fēng)為目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)各單元出力，并以此為基礎(chǔ)，利用以下3個(gè)步驟對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靜態(tài)安全進(jìn)行評(píng)估：

圖2 含DSETS電熱聯(lián)合系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制框架Fig.2 The security assessment and preventive control framework of combined electricity and heat system with DSETS

1)建立含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)預(yù)想事故集；

2)利用預(yù)想事故集對(duì)系統(tǒng)模擬擾動(dòng)；

3)根據(jù)本文所提支路重載評(píng)估指標(biāo)，對(duì)預(yù)想事故集中任意一個(gè)擾動(dòng)進(jìn)行靜態(tài)安全評(píng)估。

當(dāng)?shù)谝浑A段系統(tǒng)靜態(tài)安全評(píng)估完成之后，獲得預(yù)想事故下系統(tǒng)各支路的有功潮流以及系統(tǒng)各單元機(jī)組出力。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆泄Τ绷鞔笥谥窐O限容量的安全裕度時(shí)，對(duì)應(yīng)支路即出現(xiàn)重載，此時(shí)需要利用第二階段預(yù)防控制模型對(duì)重載支路潮流進(jìn)行校正。第二階段以最小化系統(tǒng)各單元有功功率調(diào)節(jié)量為目標(biāo)，優(yōu)化調(diào)節(jié)各單元機(jī)組出力，主要利用以下3個(gè)步驟：

1)由于系統(tǒng)以減小棄風(fēng)為目標(biāo)，因此制定各有功出力單元調(diào)節(jié)的權(quán)重系數(shù)，提高棄風(fēng)消納調(diào)度優(yōu)先級(jí)；

2)計(jì)算系統(tǒng)各有功出力單元對(duì)重載支路的靈敏度，并將其作為調(diào)節(jié)趨勢(shì)指標(biāo)；

3)對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)防控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)再次進(jìn)行支路重載評(píng)估，將滿足各支路安全裕度的預(yù)防控制優(yōu)化出力結(jié)果傳回至第一階段，對(duì)比經(jīng)過(guò)預(yù)防控制前、后系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性變化。

上述兩階段的系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制框架，可以評(píng)估含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)在多種故障條件下的系統(tǒng)安全性，并對(duì)大于支路極限容量安全裕度的重載支路進(jìn)行預(yù)防控制。

2 經(jīng)濟(jì)調(diào)度及安全評(píng)估模型

2.1 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1.1 經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)

電熱聯(lián)合系統(tǒng)第一階段經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)包括：TPP和CHP燃煤成本、HA和EES的投資及運(yùn)行成本、WPP棄風(fēng)懲罰、DSETS調(diào)度成本。

(1)

2.1.2 TPP模型

1)TPP運(yùn)行成本。

參考文獻(xiàn)[13]，TPP運(yùn)行成本為：

(2)

2)TPP約束。

TPP機(jī)組輸出功率上下限和單位時(shí)間機(jī)組爬坡能力約束為：

(3)

(4)

2.1.3 CHP和HA模型

1)CHP和HA運(yùn)行成本。

參考文獻(xiàn)[13]，CHP和HA的運(yùn)行成本為：

(5)

(6)

2)CHP約束。

CHP機(jī)組為抽汽式供熱機(jī)組，運(yùn)行約束條件為：

(7)

(8)

(9)

(10)

3)HA約束。

HA運(yùn)行約束為：

(11)

(12)

2.1.4 EES模型

1)EES運(yùn)行成本。

EES運(yùn)行成本為：

(13)

2)EES約束。

EES運(yùn)行約束為：

(14)

(15)

2.1.5 WPP模型

1)WPP運(yùn)行成本。

WPP棄風(fēng)懲罰成本為：

(16)

2)WPP約束。

WPP輸出功率上限為：

(17)

2.1.6 DSETS模型

1)DSETS運(yùn)行成本。

(18)

(19)

2)DSETS約束。

(20)

式中：δx,n,up和δx,n,down分別為調(diào)度高于和低于用戶儲(chǔ)熱需求的偏差閾值。

為表征調(diào)度功率與DSETS用戶需求功率的差距，設(shè)計(jì)了調(diào)度結(jié)果偏離系數(shù)用于指導(dǎo)熱網(wǎng)調(diào)節(jié)，計(jì)算方法為：

(21)

式中：αx,n為調(diào)度總量與需求總量比值，αx,n≥1表示調(diào)度總量大于等于需求，反之αx,n<1表示調(diào)度總量小于需求。

DSETS調(diào)度功率限制為：

(22)

DSETS參與熱網(wǎng)調(diào)節(jié)調(diào)度輸出熱功率限制為：

(23)

(24)

當(dāng)?shù)趚類第n臺(tái)DSETS調(diào)度結(jié)果偏離系數(shù)αx,n>1時(shí)，輔助熱網(wǎng)調(diào)節(jié)，對(duì)于第x類第n臺(tái)DSETS調(diào)度熱功率約束為：

(25)

2.1.7 電網(wǎng)模型

1)節(jié)點(diǎn)功率平衡約束。

對(duì)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建模采用直流潮流模型，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各支路潮流及功率平衡的等式約束為：

P(i,j),t=B(i,j)(θi,t-θj,t),?(i,j)∈ILINE,

t∈T,θref,t=0

(26)

(27)

2)支路傳輸功率約束。

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各支路有功潮流傳輸約束為：

P(i,j),min≤P(i,j),t≤P(i,j),max

(28)

式中：P(i,j),max、P(i,j),min分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的支路有功潮流傳輸容量的上下限，由于支路有功潮流傳輸具有方向，所以一般情況P(i,j),min=-P(i,j),max。

2.1.8 熱網(wǎng)模型

由于供熱循環(huán)水在熱網(wǎng)和建筑物中具有熱慣性，因此熱負(fù)荷維持在限定范圍內(nèi)可滿足用戶熱需求[23-24]，熱網(wǎng)熱負(fù)荷不平衡約束為：

(29)

2.2 系統(tǒng)安全評(píng)估模型

2.2.1 預(yù)想事故集的建立

由于預(yù)想事故集是系統(tǒng)中全部可能擾動(dòng)集合的一個(gè)子集，是為了減少安全分析時(shí)間而人為選擇，對(duì)于多能源系統(tǒng)建立的預(yù)想事故包括主要元件的N-1開斷、負(fù)荷和電源出力突然增加或減少等多種情況[3]，但其中一些預(yù)想事故可能對(duì)本文研究系統(tǒng)影響不大。因此，影響系統(tǒng)安全性的預(yù)想事故集可利用建立的評(píng)估指標(biāo)，分別計(jì)算其引起系統(tǒng)支路安全風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)值。根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值對(duì)預(yù)想事故集進(jìn)行排序，選取其中導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的預(yù)想事故集。通過(guò)此過(guò)程，可以獲得完備的預(yù)想事故集。針對(duì)本文研究對(duì)象，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，利用以下2種預(yù)想事故對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1)DSETS負(fù)荷增加。

為驗(yàn)證調(diào)度DSETS對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)的影響，考慮當(dāng)對(duì)DSETS實(shí)施能量轉(zhuǎn)移調(diào)度后，出現(xiàn)寒冷天氣，導(dǎo)致DSETS用熱負(fù)荷急劇增加的場(chǎng)景。

2)系統(tǒng)支路N-1開斷。

系統(tǒng)支路N-1開斷為評(píng)估電力系統(tǒng)安全的典型故障。因此，模擬電熱聯(lián)合系統(tǒng)中任意一條支路開斷的場(chǎng)景，支路N-1開斷約束條件參考文獻(xiàn)[27]，如式(30)所示：

(30)

式中：z(i,j),t為電熱聯(lián)合系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j支路在t時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)，z(i,j),t=1時(shí)，支路正常運(yùn)行，z(i,j),t=0時(shí)，支路開斷，對(duì)應(yīng)支路潮流約束不起作用；M為給定正實(shí)數(shù)。

支路N-1的有功潮流傳輸約束為：

z(i,j),tP(i,j),min≤P(i,j),t≤z(i,j),tP(i,j),max,?t∈T

(31)

對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有支路進(jìn)行N-1優(yōu)化時(shí)，在調(diào)度時(shí)刻t內(nèi)保證僅有一條支路開斷。因此，約束條件為：

(32)

2.2.2 支路重載評(píng)估指標(biāo)

當(dāng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化得出系統(tǒng)各單元出力后，利用預(yù)想事故集模擬電熱聯(lián)合系統(tǒng)故障，引起各支路潮流超過(guò)極限容量的安全裕度時(shí)，系統(tǒng)中某條或某幾條支路會(huì)出現(xiàn)重載。此時(shí)需要對(duì)引起支路重載的預(yù)想事故場(chǎng)景進(jìn)行評(píng)估，量化預(yù)想事故引起支路重載的嚴(yán)重程度。因此，借鑒文獻(xiàn)[15]實(shí)時(shí)載流量支路越限指標(biāo)，本文提出支路重載評(píng)價(jià)指標(biāo)φω如式(33)所示，φω值越小表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支路重載越小，系統(tǒng)越安全。

(33)

3 預(yù)防控制模型

在第一階段優(yōu)化調(diào)度模型中，模擬預(yù)想事故集中2種類型擾動(dòng)，當(dāng)支路有功潮流大于運(yùn)行極限容量的90%時(shí)，系統(tǒng)處于“預(yù)警狀態(tài)”。因此，需要對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防控制，即再次對(duì)各單元出力進(jìn)行調(diào)整，最終使得系統(tǒng)重回“安全狀態(tài)”。

3.1 支路重載預(yù)防控制

3.1.1 預(yù)防控制目標(biāo)

第二階段預(yù)防控制以各單元機(jī)組有功功率的調(diào)節(jié)量最小為目標(biāo)，為提高風(fēng)電消納的優(yōu)先級(jí)，設(shè)置各單元有功出力調(diào)節(jié)量權(quán)重系數(shù)η1、η2、η3。第二階段目標(biāo)函數(shù)為：

(34)

3.1.2 基于靈敏度調(diào)節(jié)的支路安全約束

1)支路靈敏度。

電熱聯(lián)合系統(tǒng)各單元調(diào)節(jié)功率的變化量，主要以各支路的有功靈敏度為依據(jù)，由于預(yù)想事故集中N-1開斷的故障導(dǎo)致B(i,j)導(dǎo)納變化，進(jìn)而改變整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納矩陣。因此，電熱聯(lián)合系統(tǒng)中各單元機(jī)組出力對(duì)故障支路的有功靈敏度為：

r∈{b,c,w},ω∈IEA

(35)

2)校正支路傳輸功率約束。

預(yù)防控制各支路有功潮流變化依據(jù)系統(tǒng)各單元機(jī)組出力的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如式(36)所示。

(36)

3)校正功率增量平衡約束。

校正后的系統(tǒng)各單元有功增量，在任意時(shí)刻t須保持平衡，如式(37)所示。

(37)

4)系統(tǒng)各單元出力約束。

系統(tǒng)各單元出力約束條件如式(3)、(4)、(7)—(10)、(14)，為簡(jiǎn)化表示預(yù)防控制模型的約束條件，將上述不等式約束利用式(38)表示：

Γ(P)≤Λ

(38)

式中：Γ(·)為不等式約束函數(shù)；Λ為不等式約束條件集合；P為系統(tǒng)各單元機(jī)組有功出力集合。

根據(jù)上述簡(jiǎn)化表達(dá)式，預(yù)防控制模型如式(39)所示：

Γ(P+ΔP)≤Λ

(39)

式中：ΔP表示各單元有功出力變化量的集合。

3.2 兩階段優(yōu)化模型流程

電熱聯(lián)合系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制兩階段優(yōu)化模型流程如圖3所示。首先利用第一階段對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題進(jìn)行求解，獲得系統(tǒng)最小運(yùn)行成本。然后模擬預(yù)想事故擾動(dòng)，并進(jìn)行安全評(píng)估(支路是否重載)。

圖3 電熱聯(lián)合系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制方法流程Fig.3 Process of the security assessment and preventive control method of combined electricity and heat system

當(dāng)出現(xiàn)支路重載，則進(jìn)入第二階段，進(jìn)行預(yù)防控制，若沒(méi)有支路重載，繼續(xù)判斷是否已經(jīng)對(duì)建立的所有預(yù)想事故進(jìn)行了檢驗(yàn)，如果為否，將返回模擬預(yù)想事故集擾動(dòng)，否則結(jié)束優(yōu)化。

第二階段首先利用第一階段受到模擬事故擾動(dòng)后各單元機(jī)組出力，獲得重載支路情況，然后以各單元機(jī)組最小有功調(diào)節(jié)量為目標(biāo)，進(jìn)行預(yù)防控制。對(duì)實(shí)施預(yù)防控制后的系統(tǒng)，再次進(jìn)行安全評(píng)估，若仍存在支路重載，返回預(yù)防控制繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，否則進(jìn)入第一階段進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行成本核算。以此來(lái)對(duì)比預(yù)防控制前、后運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性差距。

4 算例分析

本文研究采用數(shù)據(jù)來(lái)自某省電網(wǎng)公司DSETS實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。在Intel-Core-i5-CPU和8 GB內(nèi)存配置的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，利用MATLAB-R2018a和YALMIP工具箱進(jìn)行建模，Gurobi求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。

4.1 電熱聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與仿真數(shù)據(jù)

電熱聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中包括2臺(tái)熱電機(jī)組(TPP1和TPP2)、1臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組CHP、1個(gè)風(fēng)電場(chǎng)WPP、1個(gè)儲(chǔ)熱罐HA、1組蓄電池EES和4種DSETS類型用戶：

圖4 電熱聯(lián)合系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)Fig.4 Simulation structure of combined electricity and heat system

每種類型分別有4臺(tái)DSETS，共計(jì)16臺(tái)DSETS。測(cè)試數(shù)據(jù)參照文獻(xiàn)[13,22,26,29]設(shè)置。且圖中Bus3—Bus5系統(tǒng)負(fù)載比分別為40%、30%、30%，Bus1為系統(tǒng)參考節(jié)點(diǎn)。

EL、HL、風(fēng)電預(yù)測(cè)曲線如圖5所示。TPP、CHP、HA、EES、DSETS詳細(xì)仿真參數(shù)如表1—5所示。

圖5 電熱負(fù)荷及預(yù)測(cè)風(fēng)電功率曲線Fig.5 Curves of electric heat load and wind power prediction

表1 TPP仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of TPPs

表2 CHP仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters of CHPs

表3 HA仿真參數(shù)Table 3 The simulation parameters of HAs

表4 EES仿真參數(shù)Table 4 The simulation parameters of EES

表5 DSETS仿真參數(shù)Table 5 Simulation parameters of DSETS

為獲取DSETS預(yù)測(cè)功率曲線，采用文獻(xiàn)[13]的預(yù)測(cè)方法，4種DSETS類型用戶預(yù)測(cè)功率如圖6所示。

圖6 4種DSETS類型用戶預(yù)測(cè)功率Fig.6 Power prediction of four DSETSs customers

4.2 含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制驗(yàn)證

為驗(yàn)證含DSETS電熱聯(lián)合系統(tǒng)安全性，根據(jù)建立的預(yù)想事故集，分別對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)重載支路進(jìn)行預(yù)防控制，從而對(duì)比預(yù)防控制前、后，重載支路評(píng)估指標(biāo)和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變化。

1)工況1：DSETS在能量轉(zhuǎn)移調(diào)度后，受極端寒冷天氣影響，DSETS用熱負(fù)荷突然增加。

2)工況2：對(duì)系統(tǒng)中所有支路進(jìn)行N-1開斷。

4.2.1 DSETS負(fù)荷增加(工況1)

當(dāng)DSETS負(fù)荷增加時(shí)，導(dǎo)致支路(3,6)在調(diào)度時(shí)刻06:00、07:00出現(xiàn)重載，支路(3,6)的極限容量為130 MW，線路的安全裕度為正負(fù)極限容量的90%。此時(shí)利用式(33)，獲得支路重載指標(biāo)φ1=2.82%。對(duì)上述重載支路采取預(yù)防控制，控制前、后對(duì)比結(jié)果如表6所示。系統(tǒng)支路(i,j)中從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的有功功率為正，反之從節(jié)點(diǎn)j流向節(jié)點(diǎn)i的有功功率為負(fù)，正負(fù)號(hào)僅表示方向。

表6 工況1下重載支路預(yù)防控制結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of preventive control results of branch overload under the operation condition 1

當(dāng)對(duì)上述重載支路(3,6)采取預(yù)防控制，Bus2機(jī)組對(duì)支路(3,6)的靈敏度為0.016 0，Bus6機(jī)組對(duì)支路(3,6)的靈敏度為-0.437 6。根據(jù)預(yù)防控制模型進(jìn)行優(yōu)化后，控制結(jié)果由表6可知，在06:00、07:00時(shí)刻支路(3,6)的有功潮流都運(yùn)行在極限容量安全裕度之下，支路重載指標(biāo)φ1=0。根據(jù)上述靈敏度及預(yù)防控制模型，系統(tǒng)中各Bus上機(jī)組的有功調(diào)節(jié)量如表7所示。

表7 工況1下預(yù)防控制機(jī)組功率調(diào)節(jié)量Table 7 Power regulation of preventive control under the operation condition 1

系統(tǒng)采取預(yù)防控制前、后熱功率調(diào)度結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 預(yù)防控制熱功率調(diào)度結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of scheduled results of preventive control heat power

對(duì)于表7中06:00時(shí)刻采取預(yù)防控制結(jié)果為增加Bus2機(jī)組TPP2出力2.294 7 MW，減小Bus6機(jī)組WPP出力2.294 7 MW，而Bus6機(jī)組CHP調(diào)節(jié)量為0。這是由于在06:00時(shí)刻，CHP熱出力需要由HA輔助輸出以滿足HL的熱需求，此時(shí)CHP沒(méi)有下降空間。因此必須減小WPP輸出來(lái)降低重載支路有功潮流，對(duì)比圖7(a)、(b)在06:00時(shí)刻，采取預(yù)防控制前、后CHP和HA輸出熱功率無(wú)變化。

對(duì)于表7中07:00時(shí)刻采取預(yù)防控制結(jié)果為增加Bus2機(jī)組TPP2出力5.795 7 MW，減小Bus6機(jī)組CHP出力5.795 7 MW，而Bus6機(jī)組WPP調(diào)節(jié)量為0。這是由于圖7(a)在07:00時(shí)刻，CHP熱出力大于HL熱需求，且多余熱能還須由HA儲(chǔ)存，此時(shí)CHP可以為WPP消納風(fēng)電，降低機(jī)組出力。但由于電熱耦合關(guān)系，CHP電功率下降導(dǎo)致熱功率不足HL部分，需HA放熱提供。上述07:00時(shí)刻預(yù)防控制后結(jié)果如7(b)所示，對(duì)比圖7(a)、(b)在07:00的熱功率變化，CHP輸出熱功率下降，且HA由儲(chǔ)熱變?yōu)榉艧?，此變化為WPP消納風(fēng)電提供上網(wǎng)空間。

預(yù)防控制前運(yùn)行成本為802 151元，預(yù)防控制后成本為807 273元，預(yù)防控制后系統(tǒng)運(yùn)行成本增加了0.64%。

4.2.2 支路N-1開斷(工況2)

由于工況1引起支路(3,6)重載，預(yù)防控制由Bus2和Bus6上機(jī)組調(diào)節(jié)來(lái)消除此故障，而Bus1節(jié)點(diǎn)機(jī)組沒(méi)有參與上述調(diào)節(jié)。又由于Bus1為參考節(jié)點(diǎn)，且Bus1上機(jī)組TPP1可調(diào)節(jié)范圍廣，調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。因此，對(duì)Bus1相連支路(1,2)開斷為例，驗(yàn)證支路N-1開斷及預(yù)防控制前、后對(duì)系統(tǒng)影響。

對(duì)支路(1,2)實(shí)施開斷后，在調(diào)度時(shí)段12:00—14:00出現(xiàn)支路(1,4)重載，重載情況如表8所示，且系統(tǒng)支路重載指標(biāo)φ2=6.96%。

表8 工況2下重載支路預(yù)防控制結(jié)果對(duì)比Table 8 Comparison of preventive control results of branch overload under the operation condition 2

當(dāng)對(duì)重載支路(1,4)采取預(yù)防控制，Bus2機(jī)組對(duì)支路(1,4)的靈敏度為-1。根據(jù)預(yù)防控制模型進(jìn)行優(yōu)化后，控制結(jié)果由表8可知，在12:00—14:00時(shí)段，支路(1,4)的有功潮流都調(diào)整到極限容量安全裕度之下，支路重載指標(biāo)φ2=0，且系統(tǒng)中各Bus上機(jī)組的有功調(diào)節(jié)量如表9所示。

表9 工況2下預(yù)防控制機(jī)組功率調(diào)節(jié)量Table 9 Power regulation of preventive control under the operation condition 2

由于支路(1,4)與Bus1上機(jī)組TPP1連接，且12:00—14:00調(diào)度時(shí)段電負(fù)荷需求較大，按照40%的負(fù)載比，Bus3處EL分別為99.99、99.50、98.84 MW，而Bus6處WPP風(fēng)電在此時(shí)輸出功率較小，另外熱負(fù)荷對(duì)Bus6處CHP機(jī)組輸出電功率限制。因此，此時(shí)系統(tǒng)可調(diào)度機(jī)組僅為Bus1上TPP1和Bus2上TPP2。

N-1預(yù)防控制前運(yùn)行成本為804 160元，預(yù)防控制后成本為805 590元，預(yù)防控制后系統(tǒng)運(yùn)行成本增加了0.18%。

由上述結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)模擬預(yù)想事故擾動(dòng)后，采取預(yù)防控制措施可以消除支路重載問(wèn)題，但會(huì)相應(yīng)提高系統(tǒng)的運(yùn)行成本。此結(jié)果可以為調(diào)度人員決策系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性問(wèn)題提供指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)DSETS面臨多種環(huán)境因素影響，對(duì)其實(shí)施能量平移調(diào)度時(shí)可能出現(xiàn)不受控情況，導(dǎo)致含DSETS的多能源系統(tǒng)運(yùn)行面臨安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，提出了一種含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)安全評(píng)估及預(yù)防控制方法。利用建立的預(yù)想事故集，模擬DSETS能量轉(zhuǎn)移過(guò)程中負(fù)荷需求突然增加和支路N-1預(yù)想事故擾動(dòng)。得到如下結(jié)論：

1)預(yù)防控制前，上述2種工況的預(yù)想事故導(dǎo)致支路重載指標(biāo)分別為2.82%和6.96%，采取預(yù)防控制后，支路無(wú)重載情況，即所提重載評(píng)估指標(biāo)可以真實(shí)反映支路重載情況。

2)預(yù)防控制模型可以有效降低支路重載風(fēng)險(xiǎn)，將支路有功潮流降低到安全裕度之下。

3)預(yù)防控制可以消除支路重載問(wèn)題，但相比預(yù)防控制前，提高了系統(tǒng)運(yùn)行成本，即增加系統(tǒng)安全性會(huì)降低經(jīng)濟(jì)性，反之亦然。

后續(xù)研究中還須深入探討多種控制方法，在解決系統(tǒng)故障時(shí)各自的優(yōu)勢(shì)，例如考慮基于負(fù)荷轉(zhuǎn)供的方法，通過(guò)改變聯(lián)絡(luò)開關(guān)、分段開關(guān)，或利用故障支路相鄰支路剩余容量裕度實(shí)施轉(zhuǎn)供。為含DSETS的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的安全性，提供更高效的技術(shù)支撐。