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數(shù)據(jù)–物理混和驅(qū)動的氣網(wǎng)動態(tài)解析建模方式
許東豐王程畢天姝
（華東電力學(xué)院）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.
研究背景
在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下，電、氣等異質(zhì)能源系統(tǒng)之間呈現(xiàn)相輔相成、協(xié)同發(fā)展的趨勢。電–氣綜合能源系統(tǒng)（IEGS）是對電能和天然氣進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后所產(chǎn)生的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。最優(yōu)能流（OGPF）是電–氣綜合能源系統(tǒng)在運(yùn)行優(yōu)化時(shí)間尺度的基本問題之一，但是，兩種異質(zhì)能源動態(tài)時(shí)間尺度的不同造成電力系統(tǒng)抵達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)天然氣系統(tǒng)一直處于動態(tài)過程，因而精準(zhǔn)的最優(yōu)能流模型須要考慮天然氣系統(tǒng)動態(tài)過程。描畫天然氣系統(tǒng)動態(tài)過程面臨兩大難點(diǎn)：其三，動態(tài)多項(xiàng)式較為復(fù)雜，求解難度大；其一，實(shí)際工程中天然氣系統(tǒng)受內(nèi)腐蝕和施工等誘因影響無法獲得確切參數(shù)。為此，亟待一種才能精準(zhǔn)描述天然氣系統(tǒng)動態(tài)傳播過程的電–氣綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流估算模型，滿足電–氣綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
論文所解決的問題及意義
本文研究基于氣網(wǎng)動態(tài)代理模型的電–氣綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流估算問題。基于天然氣系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技巧擬合天然氣系統(tǒng)動態(tài)，提取神經(jīng)網(wǎng)路參數(shù)建立氣網(wǎng)動態(tài)代理模型，規(guī)避了復(fù)雜且無法求解的偏微分等式組，獲得了代數(shù)方式的氣網(wǎng)動態(tài)模型；對于實(shí)際情況下樣本數(shù)目有限且模型規(guī)模大的問題，基于顯式差分法的氣網(wǎng)動態(tài)頻域二端口模型剖析氣網(wǎng)動態(tài)特點(diǎn)，提出了氣網(wǎng)最大時(shí)間常數(shù)的概念，并基于此設(shè)計(jì)了氣網(wǎng)動態(tài)滾動代理模型建立方式，增加了氣網(wǎng)代理模型規(guī)模；針對非線性的激活函數(shù)，將氣網(wǎng)動態(tài)代理模型等價(jià)轉(zhuǎn)化為混和整數(shù)線性規(guī)劃模型物理網(wǎng)，構(gòu)建基于氣網(wǎng)動態(tài)代理模型的電–氣綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流估算模型。
論文重點(diǎn)內(nèi)容
1）氣網(wǎng)動態(tài)代理模型
采用全聯(lián)接神經(jīng)網(wǎng)路擬合氣網(wǎng)動態(tài)，如圖1所示。氣網(wǎng)氣源節(jié)點(diǎn)氣壓、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)流量視作已知，作為輸入；氣網(wǎng)氣源流量、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)氣壓視作未知，作為輸出。基于氣網(wǎng)SCADA數(shù)據(jù)，氣源氣壓/流量、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)氣壓/流量均可得知。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)路，提取參數(shù)，獲得代數(shù)方式的氣網(wǎng)動態(tài)代理模型。
圖1全聯(lián)接神經(jīng)網(wǎng)路示意圖
2）氣網(wǎng)最大時(shí)間常數(shù)
氣網(wǎng)最大時(shí)間常數(shù)為氣網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)（氣源、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)）的狀態(tài)量（氣壓、流量）發(fā)生變化到氣網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量完全響應(yīng)的時(shí)間間隔。若已知?dú)饩W(wǎng)最大時(shí)間常數(shù)，則可以根據(jù)此確定神經(jīng)網(wǎng)路輸入輸出變量維度并切分氣網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。訓(xùn)練所得的代理模型滾動使用可描畫整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)氣網(wǎng)動態(tài)過程。
基于顯示差分法的單管線天然氣動態(tài)頻域二端口模型入口流量如圖2所示。
圖2入口流量與出口流量的關(guān)系示意圖
圖2中：Min、Mout分別為管線首端流量和末端流量；A、B為二端口模型系數(shù)矩陣，均為下三角矩陣且緊靠主對角線占優(yōu)。左下角陰影部份數(shù)值接近0，可忽視，在物理上，第n個(gè)Min僅受淺黃色部份的Mout影響其數(shù)值，第n個(gè)Mout僅影響深紅色部份Min的數(shù)值，故第n個(gè)時(shí)間微元的最大時(shí)間常數(shù)為Rn=max(n-l，m-n)，這是第n個(gè)時(shí)間微元單管線負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的流量發(fā)生變化到氣源節(jié)點(diǎn)的流量完全響應(yīng)的時(shí)間間隔。以這種推，由第n個(gè)時(shí)間微元拓展到所有時(shí)間微元可得到兩個(gè)狀態(tài)量之間完全響應(yīng)的時(shí)間間隔；對于其他矩陣進(jìn)行上述操作可得其他狀態(tài)量之間完全響應(yīng)的時(shí)間間隔；基于數(shù)論由單管線拓展至網(wǎng)絡(luò)可得到氣網(wǎng)最大時(shí)間常數(shù)。
3）電–氣綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流估算模型
本文使用修正線性單元（ReLU）作為神經(jīng)網(wǎng)路的激活函數(shù)，如圖3所示，激活函數(shù)的存在使氣網(wǎng)動態(tài)代理模型具有非線性。將氣網(wǎng)動態(tài)代理模型等價(jià)轉(zhuǎn)化為混和整數(shù)線性規(guī)劃模型，對于優(yōu)化求解較為友好。
圖3ReLU示意圖
氣網(wǎng)動態(tài)代理模型結(jié)合節(jié)點(diǎn)氣壓約束、氣源流量約束構(gòu)成天然氣子系統(tǒng)能流模型；交流時(shí)尚模型作為電力子系統(tǒng)時(shí)尚模型，對于模型中的非線性項(xiàng)進(jìn)行等價(jià)變換，得到二階錐規(guī)劃方式的配電網(wǎng)交流時(shí)尚模型，通過煤氣輪機(jī)將兩個(gè)系統(tǒng)耦合上去，構(gòu)成電–氣綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流估算模型，此模型在物理上為混和整數(shù)二階錐模型。
推論
本文提出了基于氣網(wǎng)動態(tài)代理模型的電–氣綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流估算方式。基于氣網(wǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與深度神經(jīng)網(wǎng)路，建立氣網(wǎng)動態(tài)解析模型；提出了氣網(wǎng)最大時(shí)間常數(shù)，并建立氣網(wǎng)動態(tài)滾動代理模型；將其與電力系統(tǒng)最優(yōu)時(shí)尚模型結(jié)合，建立了最優(yōu)能流模型。主要推論如下：
1）在訓(xùn)練樣本數(shù)目適中條件下，基于氣網(wǎng)最大時(shí)間常數(shù)的滾動代理模型的氣網(wǎng)動態(tài)模擬精度明顯低于基于參數(shù)均一化假定的化學(xué)模型。
2）基于氣網(wǎng)最大時(shí)間常數(shù)的滾動代理模型可有效減少代理模型規(guī)模與在優(yōu)化問題中的求解時(shí)間，提高對數(shù)據(jù)樣本借助率與模型精度。
3）基于氣網(wǎng)動態(tài)代理模型的最優(yōu)能流模型可更好地滿足電–氣綜合能源系統(tǒng)對于安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。
引文信息
許寶清，王程，畢天姝．基于氣網(wǎng)動態(tài)代理模型的電–氣綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)能流估算[J]．中國馬達(dá)工程學(xué)報(bào)，2023，43(9)：3415-3428．
XU，WANGfú，BI．flowof-gasbasedongasmodel[J]．oftheCSEE，2023，43(9)：3415-3428(in)．
作者介紹
許寶清物理網(wǎng)，碩士研究生，研究方向?yàn)榫C合能源系統(tǒng)運(yùn)行與控制。
通訊作者：王程，博士，副院長，碩士生導(dǎo)師。主要從事新能源電力系統(tǒng)有功優(yōu)化與頻度支撐控制等領(lǐng)域的研究工作。以第一/通訊作者發(fā)表（含在線發(fā)表）國外外高水平刊物論文45篇，其中IEEETrans.論文22篇；第一發(fā)明人授權(quán)國家發(fā)明專利14件。主持國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)、面上基金項(xiàng)目1項(xiàng)、國家重點(diǎn)研制計(jì)劃子課題1項(xiàng)、國網(wǎng)總部科技項(xiàng)目課題4項(xiàng)。兼任SCI刊物IEEE副編輯、SCI刊物andofPower（PCMP）副編輯。獲IEEEonPower2017-2019年度最佳論文獎（得獎率約6‰），《中國馬達(dá)工程學(xué)報(bào)》2021年度“高影響力論文”獎，入圍中華電機(jī)工程學(xué)會“青年人才托舉計(jì)劃”（第七屆）。
畢天姝，院長，華東電力學(xué)院副院長，新能源電力系統(tǒng)全省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副校長。入圍國家杰青，國家千人計(jì)劃領(lǐng)軍人才，IEEE，兼任國家科技部儲能與智能電網(wǎng)十四五重點(diǎn)專項(xiàng)施行方案專家組主任。常年從事新能源電力系統(tǒng)保護(hù)控制方面的研究。近5年，主持包括國家重點(diǎn)研制計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研發(fā)項(xiàng)目在內(nèi)的國家層面重大重點(diǎn)項(xiàng)目十余項(xiàng)，先后獲國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)、中國標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎二等獎1項(xiàng)、省局級技術(shù)發(fā)明銀獎3項(xiàng)以及中國電力科學(xué)技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎等。發(fā)表/錄用SCI論文150余篇、EI檢索論文350余篇；授權(quán)國際發(fā)明專利20余件，國家發(fā)明專利130余件；兼任IEEEonPower、《中國馬達(dá)工程學(xué)報(bào)》等9個(gè)國外外刊物編委。
