《电-热-气混联综合能源系统状态估计研究综述与展望》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电-热-气混联综合能源系统状态估计研究综述与展望（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电-热-气混联综合能源系统状态估计研究综述与展望摘要：综合能源系统的开展在提高能源效率、减少碳排放及增加可再生能源渗透率等方面起到了巨大的推动作用，面对耦合日益紧密的电-热、电-气互联综合能源系统，现有的能量管理模式和调度伎俩难以充沛发挥其应有的优势。因此，实现综合能源系统协同一体、高效准确的状态估计，可以为后续协同调度、平安运行提供可靠的数据撑持。鉴于此，简要概述碳中和背景下综合能源系统状态估计研究，回忆综合能源系统状态估计理论的开展历程及难点;并从模型、数据、时间尺度3个层面分析电-热、电-气综合能源系统状态估计研究的总体思路。最后，对未来综合能源系统状态估计可深入研究的方向进行了展望。关
2、键词：综合能源系统;状态估计;潮流模型;热网;气网;碳中和0引言世界范围内能源系统正在经历深层次的重组，为了在不同能源环节实现互联互通，加强能源合作，提高能源消费效率，近年来对各类能源系统互联融合和互补集成的需求日益迫切。2022年9月22日，中国在第七十五届联合国大会一般性答辩上的讲话中决定“二氧化碳排放力争于2030年前到达峰值，努力争取2060年前实现碳中和。目前，中国的化石能源系统在一次能源中占比85%左右，因此，中国“碳中和是一个宏伟目标，充斥机遇和挑战。实现碳中和，需重点关注工业、电力的能源效率和可再生能源的合理利用，而综合能源系统(integratedenergysystem，I
3、ES)的开展在提高能源效率、减少碳排放和增加可再生能源的渗透三方面起到了巨大的推动作用1-3。研究说明，热电联产机组可实现90%以上的高燃料效率4，采用热电联产技术还可以有效减少环境污染物5和温室气体6的排放;燃气轮组的使用和电转气(powertogas，P2G)技术的开展也为平抑间歇性新能源出力提供了保障。因此，开展深度耦合、互补集成的综合能源系统在未来将以电力为主的能源体系中，可以减少波动和增强电力系统的灵活性，既能有效降低碳排放，促进储能技术与可再生能源发电技术的开展，又能提供平安稳定 的电力能源。国内外政企对综合能源系统的规划、开展高度重视7-8，2008年3月，国家电网有限公司发布“
4、碳达峰、碳中和行动计划，加强能源电力统一规划。在学术界，有关综合能源系统建模、规划、调度、优化及能源市场方向9-13的理论也是当前的研究热点，综合能源系统规划与运行的经济价值也已被定量验证，因此未来能源体系将打破多能源系统之间传统独立规划与运行的模式，构建面向充沛协同、深度耦合综合能源系统能量管理系统(energymanagementsystem，EMS)，而状态估计(stateestimation，SE)技术作为能量管理系统的基石，负责提供实时、可靠、完备的运行状态信息，为后续平安分析和优化调控提供可信的运行数据库。由于目前状态估计的概念和应用仍限定于电网的配电网及以上、热网的供热管网、气网
5、的中高压局部，因此本文以电-热、电-气综合能源系统为研究对象，综述了电-热、电-气状态估计领域的研究现状。首先介绍了综合能源系统状态估计理论的开展历程及与传统电力系统状态估计的区别、难点，然后分别概述了电-热、电-气互联综合能源系统状态估计及各自子问题的研究进展，最后给出对未来该领域研究的展望。1综合能源系统状态估计的开展及重难点1.1电力系统状态估计与综合能源系统状态估计状态估计的本质是滤波，在传统电网中，量测数据被称为“生数据，状态估计结果被称为“熟数据，状态估计技术利用大量量测数据的冗余，通过一定的准那么(如“最小二乘准那么)，获得最接近系统真实运行状态的状态数据。与电力系统状态估计相同
6、，综合能源系统状态估计负责为综合能源系统-能量管理系统提供实时、可靠、一致、完整的运行状态信息，为后续平安分析和优化调控提供可信的运行数据，最终实现综合能源系统多能流的统一管理和科学调度。近五年来，参照与借鉴传统电力系统状态估计的研究思路，国内外学者已对综合能源系统状态估计理论发展了较多的研究。研究发现，尽管综合能源系统-状态估计与传统电力系统状态估计间存在共同的数学根底与描述形式，但由于电、热、气三者系统本身的差别，无法简单地移植传统电网状态估计算法到综合能源系统-状态估计中。两者在物理特性、量测通信、算法要求及控制主体上存在着差别。1)物理特性：综合能源系统中各子系统的能量介质在物理上具有
7、高度的异质性，其中电力系统遵循电磁学定律，在网络分析中由电磁场方程推导出由时间与一维空间中的偏微分方程组描述的根底电路理论，然后引入相量办法将电路从时域映射到频域，最终简化为代数方程描述的集总参数频域电路。而热力系统中最常见的热介质水和天然气系统中的天然气那么遵循质量守恒定律、能量守恒定律和牛顿第二定律。各子系统能量介质的异质性也导致了电-热、电-气乃至电-气-热系统的实时状态估计需要面对电、热、气3种能量介质动态特性不一致的问题，电力系统暂态过程瞬时完成，而热网和气网那么为小时级。2)量测通信：量测数据是系统进行状态估计根底，综合能源系统与电网间量测的差别主要体现在：(1)量测类型;(2)传
8、感器安装环境、量测误差;(3)通信时延及稳定性;(4)通信频率;(5)配置范围导致的系统/部分可观测性。在后续章节中本文将对各子系统的状态估计量测模型进行详细表达和分析。3)算法要求：在传统电力系统状态估计算法与综合能源系统-状态估计中，两者算法滤波性能的关注点不同(整体/部分)，算法精度依赖系统物理模型的精准表述，而传统电力系统状态估计仅需关注整体的滤波效果好坏，而综合能源系统-状态估计还需关注部分滤波情况，各子系统滤波效果及耦合节点处滤波结果相对整体滤波效果更为关键。其次，由于各子系统量测水平的差别，综合能源系统-状态估计对数据通信性能、算法抗差性能的要求较电网更高，状态估计的收敛性及稳定
9、性也需要算法调整解决。由于各子系统时间尺度的差别，实际状态估计中信息量测时标不一致、系统动态响应时间不一致也需要算法协调，同理，综合能源系统-状态估计的计算效率要求较低。4)控制主体：由于各子系统分属不同的运营主体，不同的能源系统由统一的能量管理系统进行调控难以实现，各子系统间存在通信壁垒、信息隐私、操作差别和目标差别，需要综合能源系统-状态估计在有限量测数据交互的情况下进行可靠的状态估计。在电-热、电-气综合能源系统状态估计的领域中，各子课题的研究历程也是按照上述差别性所导致的问题进行逐一解决。1.2电-热互联综合能源系统状态估计理论开展历程在电-热互联综合能源系统的状态估计研究中，文献14
10、首先对电-热互联综合能源系统进行了系统的建模分析，类比电力系统潮流的方式，提出了热网潮流和电热耦合网络潮流的计算办法，并与商业软件的结果进行比照，为状态估计在电-热互联系统中的应用奠定了“真值根底。紧接着，文献15-16提出了基于热网稳态模型的热电联合状态估计办法，成功将状态估计引入到了热网中。对应上述综合能源系统-状态估计与传统电力系统状态估计间的异同，该领域学者随后在坏数据问题17-20(抗差估计研究)、耦合系统的数据交互问题21-23(分布式估计)和考虑热网慢动态特性(动态估计)等方面展开了相应的研究。在电-热互联综合能源系统的状态估计研究中，学者发现热网的稳态模型难以描述供水管道中的动
11、态特性，为了更准确地获得系统的实时状态，文献24考虑了热能在管网中传输的动态特性，提出了一种两阶段状态估计谋略，以更好地追踪热网运行时的温度变化。由于热网中量测数据的采样分辨率明显低于电网中量测数据的采样分辨率，文献25对两系统的时间尺度特征进行研究，提出了一种混合状态估计办法，对不同量测下的网络提出不同的状态估计解决计划。文献27建立了一种不完全量测配置下电-热互联综合能源系统的鲁棒估计模型，设计了在热力系统质调节与量调节两种模式下的双层优化算法。需要表明的是，在城市供热项目的研究中也有“状态估计的概念，大都用于估算热网的管道热能损失，且与电力系统状态估计不同的是没有冗余度的概念，因此两处的
12、状态估计实质含义并不相同。1.3电-气互联综合能源系统状态估计理论开展历程“状态估计“卡尔曼滤波等技术也应用于气网中，同样，不同于电力系统状态估计的含义，气网状态估计中也没有冗余度的概念28-31。文献32将电力系统状态估计的概念引入电网和气网的联合分析中，定量分析了联合分析对于耦合节点状态估计效果的影响。文献33针对复杂气网系统，建立了标幺化体系，证明了电-气耦合状态估计相较于独自状态估计在获得系统全局一致解、实现边界坏数据辨识方面具有明显的优势。文献34-35对综合能源系统状态估计研究中存在的初值问题、坏数据问题及计算效率问题进行了更为深入的研究，提出了电气综合能源系统抗差及双线性抗差状态
13、估计办法，同时，对含压缩机的支路进行了更为细化的建模，提高了状态估计的精度。文献36为城市天然气-电力耦合系统提供了一种区间状态估计办法，以不确定的思维方式，为综合能源系统的运行提供数据参考。针对气网的动态工况，计及气网的暂态过程，文献37提出了多时间断面的电-气互联综合能源系统状态估计办法，实现了对系统某一时段运行轨迹的准确感知，与此同时，文献38提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的电-气动态估计办法，通过线性外推法和线性内推法生成伪量测数据，最后通过扩展卡尔曼滤波法进行状态估计，提高了状态估计的精准度。文献39建立了基于“统一能路理论的天然气动态状态估计模型39，以另一种思路平衡了动态状态估计问
14、题中计算精度与求解效率之间的矛盾，同时，将坏数据辨识环节添加进了动态状态估计过程中。1.4综合能源系统状态估计研究中的重难点在综合能源系统状态估计的研究中，主要有下列3个层面的难点。1)模型层面：传统状态估计的本质是基于物理模型的数据优化问题，因此对模型精度要求较高，而应用于状态估计问题的热网与气网模型往往过度简化，适用工况的范围较窄。2)数据层面：由于技术和经济原因，热网与气网的监测水平与通信根底架构远远低于电网40，因此综合能源系统的状态估计器对不良数据辨识、算法收敛性及多维度多断面数据的完整性要求更高。其次，在大多数情况下，不同的能源系统由统一的能量管理系统进行调控难以实现，怎样在有限量
15、测数据交互的情况下进行可靠的状态估计需要进行考虑。3)时间尺度层面：目前综合能源系统状态估计领域仍以针对静态模型的静态估计为主，当系统发生较大扰动时，相较于电力系统快速的响应状态，热网与气网较长的暂态过程会使静态估计模型产生较大的精度误差，无法进行实时状态跟踪监测、满足系统平安稳定运行的要求。在已有的综合能源系统动态估计模型中，怎样平衡随系统规模指数级增大的计算规模与计算效率之间关系也是研究的难点。文献41从静态状态估计模型和动态估计模型2个角度对综合能源系统状态估计办法进行了比照和剖析，整合性的综述了电-热、电-气综合能源系统状态估计理论，并在模型机理、数据采集、性能要求、数据平安及软件开发几个方面对未来综合能源系统状态估计的研究和应用进行了展望。本文介绍思路那么围绕着综合能源系统状态估计研究中的模型、数据、时间尺度3个层面在电-热、电-气状态估计领域详细展开表达。2电-热互联综合能源系统状态估计2.1电-热互联综合能源系统建模2.1.1供热系统认知供热系统是热电厂向热力用户提供蒸汽或热水并回收其返回水的设备和场内管道连接
