电-气综合能源系统能流计算的改进方法
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员赵霞、杨仑、瞿小斌、颜伟，在2018年第3期《电工技术学报》上撰文指出，综合能源系统框架下，电力和天然气系统紧密耦合，有必要开展电-气综合系统的能流计算。
现有电-气综合系统能流计算方法多以Newton法为核心算法，对初值依赖性强，而现有研究并未有效解决天然气系统的初值问题；此外，现有研究对电-气互动特性的分析亦不充分。
为此，该文提出从能流算法和互动特性两个方面改进现有研究。算法方面，结合遗传算法（GA）的全局搜索和Newton法的局部搜索能力，提出电-气综合系统能流计算的混合GA-Newton法；互动特性方面，考虑燃气机组和P2G两种耦合方式，提出“以气定电”和“以电定气”两种电-气互动模式。
分别用14节点天然气系统以及IEEE-57节点系统和14节点天然气系统构成的电-气综合系统两个算例验证了所提改进方法对电-气综合系统能流计算和互动特性分析的有效性。
随着能源与环境问题日益突出，以多种异质能源互联集成、互补融合为基本特征的综合能源系统（IntegratedEnergy System，IES）成为未来能源系统的发展趋势和主要载体[1-3]。与煤炭、石油等其他一次能源相比，天然气经济环保、储量丰富，天然气发电具有高效、低碳、响应速度快等突出优点[4]，装机容量持续增长[5]。
另一方面，电转气（Power to Gas，P2G）技术[6]的发展使大规模储能成为可能，不仅为消纳可再生能源提供了新的思路，也进一步促进了电力系统和天然气系统的耦合。因此，电力-天然气综合系统（以下简称为电-气系统或Electricity-GasSystem，EGS）成为能源综合利用的一种典型方式和IES的关键组件。
能流计算是电-气系统稳态分析的核心，也是EGS其他相关研究的基础。围绕电-气系统的能流计算，国内外开展了大量研究[7-16]。文献[7]基于天然气系统的简化模型，将电力系统的潮流计算方法推广应用于天然气系统的能流计算；文献[8,9]考虑环境温度对天然气系统运行的影响，建立了电-气系统能流计算模型，并提出电-气系统能流计算的统一求解法。
文献[10]考虑电-气系统能流的双向流动，研究了电-气系统的标幺化能流计算方法；文献[11]分析了天然气系统能流计算的节点法和回路法，提出了一种电-气系统能流计算的顺序求解法；文献[12,13]则计及风速和负荷的随机性，采用蒙特卡罗模拟法进行了电-气系统概率能流分析。在电-气系统能流分析的基础上，文献[14-16]进一步研究电-热-气系统的能流计算问题。
电-气系统能流计算的实质是联立求解电力系统的潮流方程和天然气系统的稳态气流方程。从求解策略上，前述能流计算方法可以分为统一求解法[8-10,12-15]和顺序求解法[11,16]两大类，但均以牛顿（Newton）法为其核心算法。Newton法是一种优秀的局部搜索算法[17]，但对初值的依赖性较高，初值选取不当将直接影响算法的收敛性。
回路法虽然具有对初值不敏感、收敛性好的优点，但回路法比较复杂，尤其是对于含燃气驱动压缩机的天然气网络[7,11]，因而其应用并不广泛。相反地，节点法方程形式简单、应用广泛，但对初值要求高。电力系统潮流问题的初值选取相对容易（一般可以采取平启动方式），而关于天然气系统能流计算的初值问题，尽管部分研究[7-8,14]特别指出需要慎重选取天然气系统的压力初值，但现有研究并未给出有效的解决办法，而更多地依赖工程经验来确定初值。
文献[8,14]提出按天然气管道首、末两端压力差为5%～10%来选取节点压力的初值，但该方法对复杂网络（即能流计算前无法确定全部气流方向的网络）并不适用；文献[10]提出将所有待求压力的初值取为0，然而，当网络中存在两端压力均未知的管道时，该方法会导致雅可比矩阵对应元素出现被0除的问题。
另一方面，上述研究虽然考虑了电-气系统之间通过燃气机组[8-11,14]、电驱动压缩机[12,13]、能源集线器[12,13,16]和P2G[10,13]等多种耦合方式，但研究主要侧重于建立电-气系统能流计算模型，对电-气系统之间的互动特性及其影响的分析并不充分。
针对以上问题，本文从能流算法和互动特性两个方面改进现有研究。算法方面，本文提出基于遗传算法（GeneticAlgorithm，GA）[18]的全局搜索能力来解决天然气系统的初值问题，并以顺序求解法为基本框架，构建电-气系统能流计算的混合GA-Newton法；互动特性方面，考虑燃气机组和P2G两种耦合方式，提出“以气定电”和“以电定气”两种互动模式。分别用14节点天然气系统以及IEEE-57节点系统和14节点天然气系统构成的电-气系统验证所提改进方法对电-气系统能流计算和互动特性分析的有效性。
图3 EGS能流计算流程
图9 天然气系统各节点压力
结论
本文从能流算法和电-气互动特性两个方面对现有电-气系统的能流计算方法进行了改进。针对天然气系统的初值问题，提出了电-气系统能流计算的混合GA-Newton法；针对电-气系统的运行模式，提出“以气定电”和“以电定气”两种互动模式。采用两个算例验证了本文所提改进方法的有效性。算例结果表明：
1）本文所提混合GA-Newton法可以有效解决天然气系统的初值问题，适用于电-气系统的能流计算。与常规Newton法相比，所提算法收敛性好，计算速度快，对气负荷变化具有良好的适应性。
2）本文所提“以气定电”和“以电定气”两种电-气互动模式有一定互补特性，两种模式及其配合有望提升电力系统的风电消纳能力和低碳化水平。
需要指出，本文重点研究电-气系统能流计算的混合GA-Newton算法，并初步探讨了“以气定电”和“以电定气”两种互动模式及其适用场景。下一步将对两种互动模式的优化配合进行深入研究。