基于键合图理论的综合能源系统动态状态估计研究

In recent years, in order to improve the overall efficiency of energy use and absorptive capacity of renewable energies, the Integrated Energy Systems (IES) has raised great interest in academies and industries. In order to ensure its safety, reliability, high quality and economic operation, it is urgent to build Energy Management System of IES (IES-EMS). Multi-energy flow State Estimator (SE) can provide accurate real-time data that lays the foundation for the advanced applications of IES-EMS. At present, the research and practice of multi-energy flow SE in the world is still in the blank, so it is necessary to study the multi-energy flow SE as the basis of IES-EMS. In order to adapt to the multi-time scale characteristics of IES, the SE should be modeled as dynamic models. The Power Bond Graph Theory (PBGT) can provide excellent theoretical tools for the analysis of IES. In order to achieve a comprehensive, real-time and accurate perception of IES, this project intends to study dynamic SE of IES based on PBGT, build the simulation platform and integrate it with the existing power system SE effectively.

为提高能源的总体使用效率和对可再生能源的消纳能力, 近年来综合能源系统(Integrated Energy System,IES)成为能源领域的发展趋势。为保证其安全、可靠、优质和经济运行，亟需构建IES能量管理系统(Energy Management System,IES-EMS)。多能流状态估计(State Estimator,SE)可为IES-EMS各项高级应用的正常运行提供精准的实时数据。而目前国内外关于多能流SE的研究和实践基本处于空白，因此亟需研究作为IES-EMS基础的多能流SE。为适应IES的多时间尺度特性，多能流SE宜建模为动态模型。键合图理论（Power Bond Graph Theory,PBGT)可为IES的建模和分析提供很好的理论工具，本项目拟基于PBGT对多能流动态SE进行建模研究，搭建仿真平台并与现有电力系统SE有效集成，以实现对IES的全面、实时和精确感知。

综合能源系统状态估计（IES-SE）是综合能源系统能量管理系统（IES-EMS）的基础和核心。高性能的IES-SE可为IES-EMS提供准确可靠的实时运行数据，是IES-EMS各项高级应用正常运行的保证。在当前IES快速发展之际，加快研究面向多能流的IES-SE成为当务之急。.本项目的主要工作如下：.第一，针对已有的非凸优化SSE模型，提出针对电-热综合能源系统（Integrated Electricity-Heat System，IEHS）的双线性抗差状态估计（Bilinear Robust State Estimation，BRSE）。通过引入辅助状态变量和量测量，将原始的非线性量测方程转化为线性方程，进而建立基于加权最小绝对值（Weighted Least Absolute Values，WLAV）的IEHS抗差状态估计模型。在算例分析中，通过与基于加权最小二乘（Weighted Least Squares, WLS）的状态估计方法对比，验证了该方法具有更高的计算效率和更好的抗差性。.第二，提出基于二阶锥规划（Second-Order Cone Programming，SOCP）的电-热综合能源系统抗差状态估计模型。在BRSE的基础上，为了弥补量测冗余度的损失，将电力系统中的二次等式约束松弛为二阶锥不等式约束，加入到已有的线性WLAV模型中，并在目标函数中加入线性罚函数项以加紧该松弛，进而建立了基于SOCP的抗差状态估计模型。在算例分析中，通过与WLS和BRSE对比，证明了该方法在保证计算效率的前提下，具有更好的估计精度，且能够保证获得全局最优解，并对于量测中出现的强相关性不良数据具有良好的抗差性。.第三，由于电力系统和天然气系统具有不同的时间尺度和采样周期，提出基于卡尔曼滤波的电-气综合能源系统（Integrated Electricity-Gas System，IEGS）DSE模型。首先，将有限差分法应用于天然气系统的偏微分方程，推导出天然气系统的标准化状态转移方程；在此基础上，建立基于卡尔曼滤波的IEGS-DSE模型；同时，利用线性插值方法，对电力系统和天然气系统的量测量进行融合，以保证DSE模型的可观测性。在算例分析中，通过与SSE对比，证明了该方法能够更准确地反应系统的真实运行状态，同时具有更高的计算效率。