[发明专利]考虑边界等式约束的电气热综合能源系统鲁棒状态估计方法

权利要求书

1.考虑边界等式约束的电气热综合能源系统鲁棒状态估计方法，其特征在于步骤如下：

a、建立电气热综合能源系统量测-状态方程

a1、电力子系统量测模型

作为综合能源系统的子系统，电力系统中的量测量包含各节点注入功率、电压模值和支路功率，用向量形式可表示为：z_e＝[P Q V P_b Q_b]^T；状态量为各电气节点电压模值和相角，用向量形式可表示为：x_e＝[V θ]^T，

量测量z_e与状态量x_e的方程可表示如下：

式中：P_i、Q_i表示节点i注入有功、无功；V_i、V_k表示节点i、k电压模值；δ_ik表示节点i、k间相角差；G_ik、B_ik表示节点电导、电纳；N_e表示电气总节点数；P_ik、Q_ik表示节点i、k间支路有功、无功；

a2、天然气子系统量测模型

在气网稳态模型中，类似电路原理中的基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律和欧姆定律，有流量连续方程、压力回路方程和阻抗特性方程，其表达式如下所示：

式中：f_ij为支路i、j间的天然气流量；l_gi为节点i的天然气注入量；σ_gi为与气节点i相连的管道集合；θ_g为任一气网回路的管道集合；p_i和p_j为气节点i、j的压力；Π_ij为气节点i、j压力的平方差；K_ij为与管道有关的系数；k为与气体输送压力有关的系数；

依据以上气网稳态方程，在气网中进行量测布置时，量测量包含气节点压力平方、管道支路天然气流量和各节点天然气注入量，用向量形式可表示为z_g＝[Π f L]^T；状态量为各气节点压力平方，用向量形式可表示为x_g＝[Π]^T，

量测量z_g与状态量x_g的方程可表示为：

式中：s_ij为天然气流向标识，当p_i大于p_j时，s_ij＝+1；当p_i小于p_j时，s_ij＝-1；

a3、热力子系统量测模型

在热力系统中，热力系统稳态模型包含水力模型和热力模型，

在水力模型中，节点注水量与管道水流量的方程可表示为：

式中：L_i为节点i注水量；m_ij为管道i、j的水流量；pipe_i为节点i相关联的管道集合；h_i、h_j为管道i、j节点压强；K_ij为与管道和液体有关的参数，

在热力模型中，热负荷方程表达式为：

φ_i＝C_pL_i(T_si-T_ri) (5)

式中：φ_i为节点i热负荷；T_si、T_ri为供应温度和返回温度；C_p为水比热容，

依据以上水力和热力模型，在热力系统中进行量测布置时，量测量包含节点压强、节点注水量、管道流量、热负荷、供应温度和返回温度，用向量形式可表示为z_h＝[h L m φ T_sT_i]^T；状态量为各节点压强、供应温度和返回温度，用向量形式可表示为x_h＝[h T_s T_r]^T，

量测量z_h与状态量x_h的方程可表示为：

a4、非高斯噪声下电气热综合能源系统量测模型

由上可知，在电气热IES中，量测量为z＝[z_e z_g z_h]^T，状态量为x＝[x_e x_g x_h]^T，

在非高斯噪声下，量测模型可表示为：

z＝h(x)+v (7)

式中：z、x分别为IES量测量、状态量；h(x)为量测方程；v为非高斯噪声，

非高斯噪声v由高斯噪声和未知分布噪声混合而成，表达式如下所示：

v＝(1-ε)Φ(x)+εΨ(x) (8)

式中：Φ(x)表示高斯分布噪声；Ψ(x)表示未知分布噪声，如大方差的高斯或拉普拉斯分布噪声；ε表示噪声污染调节系数；

b、耦合元件模型

在IES中，耦合元件包含热电联产机组、热泵和电锅炉，各耦合元件将各系统紧密连接在一起，在方法中，考虑IES中最常见的耦合元件，热电联产机组CHP，

CHP的能量转换关系可用下式描述：

式中：φ^CHP为CHP的产热功率；P^CHP为CHP的产电功率；c_m为CHP产热产电功率比；F^CHP为天然气消耗量；c_gas为天然气热值；η为CHP转换效率，

在IES状态估计模型中，耦合元件的边界条件可用下式表示：

式中：下标i表示第i个耦合元件，

本方法将式(10)的耦合元件边界条件既作为边界等式约束，又作为大权重的虚拟量测方程，以便既满足严格的边界等式约束条件又提高系统量测冗余度，提升状态估计结果精度；

c、综合能源系统鲁棒状态估计模型

c1、极大似然鲁棒状态估计模型

极大似然鲁棒状态估计模型如下：

式中：表示权重，d＝1.5，PS_i表示投影统计参数；ρ(rs_i)为Huber函数,

ρ(rs_i)函数表达式如下：

式中：为电力量测的标准化残差；s为鲁棒估计尺度参数；c为取值1至3的系数；

c2、IES鲁棒状态估计模型

本方法考虑量测的非高斯噪声，同时将耦合元件边界条件既作为等式约束又作为大权重的虚拟量测方程，建立IES联合鲁棒状态估计模型，如下所示：

式中：w_i表示IES量测权重，r_Si为IES量测的标准化残差；c(x)＝0表示耦合元件等式约束；

c3、IES鲁棒状态估计算法

基于Lagrange乘子法，消去等式约束，可得：

式中：λ表示Lagrange乘子，

最小化上式，得其一阶偏导表达式为：

式中：a_i表示雅可比矩阵的第i行元素；C(x)表示等式约束c(x)对应的雅可比矩阵，

将上式改写为如下的矩阵形式：

式中：Q＝diag(q(r_si))为q(r_si)表示的对角阵，为表示的对角阵，

基于迭代重新加权，求解以上一阶偏导表达式，可得如下修正量表达式：

状态量x的迭代更新表达式为：

x_k+1＝x_k+Δx_k (18)

基于以上电气热IES鲁棒状态估计方法，可将电、气和热系统进行联合统一估计，增加系统量测冗余，获得全局一致解，其计算步骤如下：

(1)输入基础数据，初始化电、气和热子系统状态量x，设置最大迭代次数Kmax、收敛阈值ε，置初始迭代k＝0；

(2)计算矩阵H、Q和R；

(3)计算状态量增量Δx_k；

(4)若max|Δx_k|＜ε，则迭代收敛，计算结束；反之，转步骤(5)；

(5)x_k+1＝x_k+Δx_k，k＝k+1，转步骤(2)。