本发明涉及综合能源系统优化，尤其是指一种电力天然气联合系统的优化能流计算方法和系统。
背景技术：
1、燃气机组（gpp）和电转气（ptg）设施的利用加强了电力和燃气系统之间的双向互动。ptg设施通常消耗多余的可再生发电来生产绿色氢气和甲烷，这些氢气和甲烷可以注入天然气输送管道以供进一步使用。它们与沼气一起，通常被视为电力天然气联合系统（iegs）脱碳的可再生替代气体。
2、近年来，全球正在建设许多制氢示范项目。例如，2019年，在中国朝阳，第一个绿色氢混合天然气示范项目投入使用，其中天然气网络使用10%氢气运行一年。英国于2019年启动了第一个项目hydeploy。第一阶段在基尔大学的私人天然气网络中实施，该网络支持100个家庭和30个大学建筑的天然气需求。
3、然而，将替代气体注入现有的天然气输送系统可能会带来潜在的风险。 第一，与天然气相比，氢气的着火点较低，燃烧速率较高，更容易引发火灾。 第二，燃气器具通常是在给定压力下使用特定类型的燃气进行设计和测试的。如果气体成分发生变化，它们的燃烧性能可能无法令人满意。第三，燃气网络中的元件，如管道、压缩机、阀门等，也是针对预先规定的气体成分设计的。不同的气体成分可能会出现氢脆等技术问题。第四，气体成分的变化会改变气体混合物的物理特性（如相对密度），这可能进一步导致节点气体压力和管存振荡模式等的变化。尽管如此，如果能够严格控制气体成分，这些安全问题就可以得到很好的控制。
4、大多数先前的研究都集中在模拟替代气体注入对天然气系统或电力天然气联合系统的影响。在这些研究中，尽管对整个天然气网络的天然气成分进行了评估，但如果违反了安全约束，则无法对其进行控制或优化。例如，如果天然气网络某些部分的氢气摩尔分数超过上限，则这些研究无助于为 iegs 缓解安全问题提供定量建议。
5、最近，一些研究集中在iegs与替代气体注入的优化运行上。与主要侧重于影响分析的面向模拟的研究相比，面向优化的研究侧重于iegs系统运行机构的决策制定，以改进考虑替代气体注入下的运行状况。从上述研究得出结论，电力天然气联合系统的优化能流问题尚未完全建模以通过替代气体注入来控制气体成分。 主要研究壁垒存在于电力和天然气系统的协调优化、安全约束的建模以及物理模型的过度简化。 在这些方面缺乏考虑会导致oef计算不准确。此外，考虑这些方面的oef模型是一个高度非线性的优化问题。 非线性主要继承自气体混合物的weymouth方程，不确定的气体流向，以及安全指标、气体成分、比重、压缩因子等的计算，这些非线性对收敛性、精度和计算量有很大的影响 优化能流计算的时间，这在以前的研究中没有得到妥善处理。
技术实现思路
1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中对天然气联合系统的优化能流研究尚不完善的问题。
2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种电力天然气联合系统的优化能流计算方法，包括：
3、步骤s1：在考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的前提下，设置电力天然气联合系统的安全性指标，通过所述安全性指标约束气体成分的波动；
4、所述步骤s1中设置电力天然气联合系统的安全性指标的方法为：
5、设置沃泊指数，公式为：
6、；
7、；
8、其中，为节点i上的天然气的热值；为气体成分r的热值；为气体成分的集合；为节点i的气体成分r的摩尔分数；为节点i的沃泊指数；为节点i气体的相对密度；
9、设置weaver火焰速度因子，公式为：
10、；
11、其中，为节点i的weaver火焰速度因子；是化学计量空气混合物中气体成分r的燃烧速度；为空燃比；和分别是节点i的惰性气体摩尔分数和氧气的摩尔分数；
12、设置燃烧潜力，公式为：
13、；
14、；
15、；
16、；
17、其中，为节点i的燃烧潜力；为节点i的的修正值；为的修正值；为气体成分r在节点i的燃烧潜力；为气体成分r的分子密度；为气体成分r的燃烧潜力系数；为氧化系数；
18、则安全性指标=[] 被约束在一定阈值内：
19、；
20、其中，为氢气，为原有天然气计算得到的安全指标；为安全指标的阈值；
21、步骤s2：在所述安全性指标的条件下，构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型；
22、步骤s3：对所述优化能流模型进行转换，得到转换后的优化能流模型；
23、步骤s4：求解所述转换后的优化能流模型。
24、在本发明的一个实施例中，所述步骤s2中构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型的方法包括：对天然气系统建模，方法为：
25、对天然气负荷建模，公式为：
26、；
27、；
28、其中，为不掺杂其他气体成分的原天然气的gcv；为原天然气负荷；为节点i的气体成分r的天然气负荷；
29、对天然气源建模，公式为：
30、；
31、；
32、其中，为节点i的天然气源l的天然气供应向量；r为气体成分的数量；为节点i的天然气源的气体成分r的供应；为节点i的天然气源l的气体成分r的摩尔分数；
33、天然气源的产气满足上下限约束：
34、；
35、其中，和分别为节点i的天然气源l的天然气供应的上下限；
36、对管道内天然气流建模，利用weymouth方程来描述气体流量与节点气体压力之间的关系，公式为：
37、；
38、；
39、；
40、；
41、；
42、其中，为节点i到节点j之间的天然气流速率；和为节点i和j的节点气压；为天然气节点i和天然气节点j的之间的管道ij的特性参数；为空气的气体常数；和为标况下的温度和气压；，和 为管道ij的直径、长度和摩擦系数；和为管道ij内的气体混合物的相对密度和压缩系数；为管道内气体的温度；为管道ij内气体成分r的流速；为管道ij的容量；和为节点i的气压的上下限；
43、构建天然气流节点平衡模型：根据基尔霍夫定律，对于每种气体成分r，流入节点的气体等于流出节点的气体，则有：
44、；
45、其中，，和为节点i的天然气源、ptg和gpp的集合；为连接节点i的所有节点的集合；为节点i的ptg l所生产的气体成分r；为节点i的gpp l所消耗的气体成分r的量；其中，ptg为电转气，gpp为燃气机组；
46、对天然气混合过程建模：为描述气体混合过程，记流入节点i的气体成分r的流入量为，以及所有流入节点i的所有气体成分的总和为且；将实际的天然气流的方向由整数变量表示，其中表示天然气流的实际流向为i到j，则反之，则节点i的气体成分r的流入量计算公式为：
47、；
48、节点i的气体成分计算公式为：
49、；
50、在公式（14）中，相对密度和压缩系数为变量，由气体成分决定，计算公式为：
51、；
52、；
53、；
54、其中，为空气的分子质量；为压缩系数函数，与气压和气体成分相关，具体为：
55、；
56、；
57、；
58、；
59、其中，和为计算压缩系数所需的两个参数；为管道ij内气体的平均气压；和为气体成分r的临界温度和临界气压。
60、在本发明的一个实施例中，所述步骤s2中构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型的方法包括：对耦合元件建模，方法为：
61、对电转气建模，公式为：
62、；
63、；
64、其中，为节点i的ptg l的电力消耗量；和为电解和甲烷化过程的效率；和为甲烷和氢气的gcv；和为节点i的ptg l的氢气和甲烷生产量；
65、电转气的电力消耗满足以下约束：
66、；
67、其中，为节点i的ptg l的最大电力消耗功率；
68、对燃气机组建模，公式为：
69、；
70、；
71、其中，为节点i的燃气机组l的发电功率；为节点i上的燃气机组l的效率；为节点i的燃气机组l的气体成分r的消耗量。
72、在本发明的一个实施例中，所述步骤s2中构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型的方法包括：对电力系统建模，方法为：
73、采用交流潮流模型对电力系统进行建模，并采用二阶锥松弛技术来凸化交流潮流模型，公式为：
74、；
75、；
76、；
77、；
78、；
79、；
80、；
81、；
82、；
83、；
84、其中，和为节点i的传统机组和可再生能源机组的集合；，，和为节点i上的燃气机组、传统机组、可再生能源机组的有功功率发电以及电转气的有功功率消耗；为电力节点i的电力负荷的有功功率；为电力线路ij的电力潮流的有功功率；，，和为节点i的燃气机组、传统发电机组、可再生能源机组i的无功功率发电，以及电转气机组i的无功功率消耗；为节点i的电力负荷的无功功率；为电力线路ij的电力潮流的无功功率；为节点i的电压幅值的平方；为电力线路ij的电流的幅值的平方；和为电力线路ij的电阻和电抗；为电力线路ij的视在功率容量；，，，，和为传统发电机组、燃气机组、可再生能源发电的有功功率的下限和上限；，，，，和为传统发电机组、燃气机组、可再生能源发电的无功功率的下限和上限；为节点i的可再生能源机组的功率系数。
85、在本发明的一个实施例中，所述步骤s2中构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型的方法包括：构建目标函数，方法为：
86、构建优化能流的目标为最小化总运行成本为，公式为，
87、；
88、其中，为节点的集合；为节点i的传统发电机组l的成本函数；为节点i的天然气源j的节点产气价格；为绿氢的补贴价格。
89、在本发明的一个实施例中，所述步骤s3中对所述优化能流模型进行转换的方法为：
90、对天然气流方程的混合整数二阶锥松弛：将关于公式（14）的weymouth方程转化为混合整数二阶锥形式：
91、；
92、；
93、；
94、；
95、；
96、其中，)；为管道ij的冗余变量；为节点气压的平方；；；
97、公式（17）和公式（18）分别被替换为公式（46）和公式（47）：
98、；
99、；
100、通过惩罚函数和序列规划技术以减少公式（41）-（47）的计算量，其中，
101、在惩罚函数中，为了驱动公式（41）松弛更加紧，将一个惩罚项添加到公式（40）中；
102、在序列规划技术中，添加额外约束，公式为：
103、；
104、其中，v为迭代的序数；表示在第v次迭代的值； 为松弛变量，代表的泰勒展开的误差；
105、基于mccormick envelopes的双线性项重构：以相对密度计算为准，将公式（20）-（21）等效为基于泰勒展开：
106、；
107、；
108、其中，为在第v次迭代中的增量；为松弛变量，表示在第v次迭代过程中气体成分r在节点i的泰勒余数；为的上限，用于驱使公式（49）变得更紧；值得注意的是泰勒展开中的的参考值由其在上一次迭代v-1中的值确定；
109、令，公式（23）则被mccormick envelopes替代：
110、；
111、；
112、；
113、；
114、将安全指标的线性化：对于公式（2）中的沃泊指数，非线性项存在的形式为，将原天然气的相对密度作为参考点，将其基于泰勒展开进行线性化：
115、；
116、将公式（55）代入公式（2）以获得其线性化形式。
117、在本发明的一个实施例中，所述步骤s4中求解所述转换后的优化能流模型的方法为：
118、步骤41：初始化电力天然气联合系统的物理参数，安全性指标约束，以及其他所使用的参数；
119、步骤42：在不考虑替代气体注入的情况下，求解电力天然气联合系统的优化能流问题，将其解设置为参考点；
120、步骤43：初始化迭代序数v=0，根据步骤42中得到的参考点，初始化序列规划的初始参考点，包括，，，，，，，和，初始化序列规划的惩罚系数，，以及它们的上限，，设置余数阈值，，，和；
121、步骤44：在第v次迭代中，求解混合整数二阶锥规划问题，公式为：
122、；
123、且服从约束：公式（9）-（13），公式（19），公式（25）-（39），公式（1）-（8），公式（41）-（54）；
124、其中，为管道的集合，安全约束中的被替换为公式（55）；
125、优化变量为：节点气压的平方；天然气源的产气速率；每个气体成分的天然气负荷；电转气的氢气和甲烷的产气速率和；电转气的电力消耗；传统发电机组、燃气机组和可再生能源机组的发电功率，，；燃气机组对气体成分r的消耗量；电压相角；天然气流的方向；气体成分；天然气管道内各种气体成分的天然气流；松弛变量，，，和；
126、通过求解步骤44中的混合整数二阶锥规划问题，得到第v次迭代的解；
127、步骤45：根据公式（20），公式（23），公式（24）更新第v次迭代中的，和；
128、步骤46：检查该序列规划的余数是否满足公式（57）的条件：
129、；
130、如果公式（57）成立，则序列规划结束，输出最终求解结果；否则，根据公式（58）和（59）更新惩罚系数，并返回至步骤44；
131、；
132、；
133、其中，为惩罚系数的乘子。
134、为解决上述技术问题，本发明提供了一种电力天然气联合系统的优化能流计算系统，包括：
135、指标设置模块：用于在考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的前提下，设置电力天然气联合系统的安全性指标，通过所述安全性指标约束气体成分的波动；
136、所述指标设置模块中设置电力天然气联合系统的安全性指标，具体为：
137、设置沃泊指数，公式为：
138、；
139、；
140、其中，为节点i上的天然气的热值；为气体成分r的热值；为气体成分的集合；为节点i的气体成分r的摩尔分数；为节点i的沃泊指数；为节点i气体的相对密度；
141、设置weaver火焰速度因子，公式为：
142、；
143、其中，为节点i的weaver火焰速度因子；是化学计量空气混合物中气体成分r的燃烧速度；为空燃比；和分别是节点i的惰性气体摩尔分数和氧气的摩尔分数；
144、设置燃烧潜力，公式为：
145、；
146、；
147、；
148、；
149、其中，为节点i的燃烧潜力；为节点i的的修正值；为的修正值；为气体成分r在节点i的燃烧潜力；为气体成分r的分子密度；为气体成分r的燃烧潜力系数；为氧化系数；
150、则安全性指标=[] 被约束在一定阈值内：
151、；
152、其中，为氢气，为原有天然气计算得到的安全指标；为安全指标的阈值；
153、模型构建模块：用于在所述安全性指标的条件下，构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型；
154、优化模块：用于对所述优化能流模型进行转换，得到转换后的优化能流模型；
155、计算模块：用于求解所述转换后的优化能流模型。
156、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
157、本发明提出了在电力天然气联合系统中考虑分布式注入替代气体的优化能流模型，该模型可以充分协调电力和天然气系统以达到最佳运行状态； 本发明将气体混合物的物理特性（包括气体成分、比重、压缩因子等）建模为变量，全面揭示和控制替代气体对这些特性在节点尺度的影响； 本发明构建了iegs中气体混合物的安全性指标，如wobbe指数、weaver火焰速度因子、燃烧潜能等，可以在不同的气体成分下进行评估和控制；
158、本发明设计了具有针对性的重构技术和序列规划方法来求解非凸的优化能流模型，该方法将原始混合整数非线性规划问题重构为更易于处理的形式（混合整数二阶锥（misoc）规划），计算效率和鲁棒性有效提升；本发明在序列规划中使用自适应惩罚因子来平衡气体成分约束、变参数weymouth方程等的可行性和收敛性；本发明设置安全指标作为收敛准则，更好地保障天然气系统的安全。
1.一种电力天然气联合系统的优化能流计算方法，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的电力天然气联合系统的优化能流计算方法，其特征在于：所述步骤s2中构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型的方法包括：对天然气系统建模，方法为：
3.根据权利要求2所述的电力天然气联合系统的优化能流计算方法，其特征在于：所述步骤s2中构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型的方法包括：对耦合元件建模，方法为：
4.根据权利要求3所述的电力天然气联合系统的优化能流计算方法，其特征在于：所述步骤s2中构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型的方法包括：对电力系统建模，方法为：
5.根据权利要求4所述的电力天然气联合系统的优化能流计算方法，其特征在于：所述步骤s2中构建考虑替代气体注入下电力天然气联合系统的优化能流模型的方法包括：构建目标函数，方法为：
6.根据权利要求5所述的电力天然气联合系统的优化能流计算方法，其特征在于：所述步骤s3中对所述优化能流模型进行转换的方法为：
7.根据权利要求6所述的电力天然气联合系统的优化能流计算方法，其特征在于：所述步骤s4中求解所述转换后的优化能流模型的方法为：
8.一种电力天然气联合系统的优化能流计算系统，其特征在于：包括：
