(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111560702.1 (22)申请日 2021.12.20 (71)申请人 上海电力大 学 地址 200120 上海市浦东 新区沪城环路 1851号 (72)发明人 范宏　王宏祥　盛玥　 (74)专利代理 机构 上海申汇 专利代理有限公司 31001 代理人 翁若莹　徐颖 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06Q 50/06(2012.01) G06F 119/06(2020.01) (54)发明名称 综合能源信息物理系统的分层建模方法及 模型分析方法 (57)摘要 本发明涉及一种综合能源信息物理系统的 分层建模方法及模型分析方法， 从功能层面划 分， 将综合能源信息物理系统分为能源层、 传输 层和信息层， 基于统一能路理论， 将三个能源网 络的能量流方程表示为统一的网络矩阵方程； 建 立描述数据传输过程的传输层模 型； 建立描述控 制中心优化决策过程的信息层模 型； 为实现该模 型中能量流与信息流的混合求解， 提出了综合能 源信息物理系统的能量 ‑信息流混合计算方法； 通过综合能源系统算例分别在稳态场景和信息 物理协同攻击场景下对能源网络进行安全性分 析。 与现有技术相比， 本发明对信息物理融合背 景下综合能源系统建模 方法进行探索， 未来可进 一步从不同角度评估信息流与能量流之间的相 互影响。 权利要求书4页 说明书12页 附图6页 CN 114239287 A 2022.03.25 CN 114239287 A 1.一种综合能源信息物理系统的分层建模方法， 其特 征在于， 具体包括如下步骤： 1)将综合能源信息物理系统从功能划分为能源层、 传输层和信息层， 基于统一能路理 论， 将电、 热、 气三个能源网络的能量 流方程表示 为统一的网络矩阵方程； 2)通过建立能源网络中能源站运行数据的通信信道模型和连接能源层、 信息层的接口 模型， 建立描述数据传输过程的传输层模型； 3)建立描述控制中心优化决策 过程的信息层模型； 4)为实现该模型中能量流与信息流的混合求解： 读取三个能源网络的具体参数， 根据 步骤1)电、 热、 气三个能源网络的能量流方程对综合能源信息物理系统中热、 气、 电节点进 行能量流求解， 获得能源层的能量流矩阵； 根据获得的能量流矩阵更新信息层模型信息接 收矩阵， 控制中心优化决策输出控制指令送回能源层， 能源层根据指令更新能量 流矩阵。 2.根据权利要求1所述综合能源信 息物理系统 的分层建模方法， 其特征在于， 所述步骤 1)具体实现方法如下： 1.1)对电网能量流模型， 采用直流潮流模型， 具有Ne个节点和Be条支路的电网的节点注 入功率和支路潮流的矩阵表达式为： Pe,inj＝Yeθ 式中， Pe,inj为Ne维节点注入功率列向量， Pe,bran为Ne阶支路潮流矩阵， θ为Ne维节点电压 相角列向量， Ye为Ne阶节点电纳矩阵， Ae为Ne维单位行向量， ⊙表示矩阵对应位置元 素相乘； 1.2)基于步骤1.1)组成的矩阵形式的电网能量 流模型表示 为： Pe＝diag(Pe,inj)+Pe,bran 式中， diag()括号中为列向量时表示以该向量为对角元素的对角矩阵， 若括号内为矩 阵时表示该矩阵的对角元素组成的列向量； Pe的对角元素为节点注入功率， 元素大于0表示 功率注入， 元 素小于0表示功率 流出， Pe的非对角元 素为支路有功潮流， 具有方向性； 1.3)对热网 能量流模型， 采用基于统一能路 理论的热网水路和热路模型， 将具有 Nh个节 点和Bh条支路的热网的节点注入热功率和管道流 量表示为： Ph,inj＝CpYhph(Ts‑Tinj) 式中， Ph,inj为Nh维节点注入热功率列向量， Fh,bran为Nh阶管道流量矩阵， ph为Nh阶节点压 力列向量， Yh为Nh阶水力节 点导纳矩阵， Cp为水的比热容， Ts为Nh维节点供热温度， Tinj为Nh维 节点回热温度， Eh,b为Nh阶支路水压源参数矩阵， Ah为Nh维单位行向量； 1.4)基于步骤1.3)组成的矩阵形式的热网能量 流模型表示 为： PFh＝diag(Ph,inj)+Fh,bran 式中， PFh的对角元素为节点注入热功率， 元素大于0表示热功率注入， 表示对应节点为 热源节点； 元素小于0表示功率流出， 表示对应节点为热负荷节点。 P Fh的非对角元素为管道 流量， 流量具有方向性； 1.5)对气网能量流模型， 采用基于统一能路理论的气路模型， 具有Ng个节点和Bg条支路 的节点注入流 量和管道流 量的矩阵表达式为： Fg,inj＝Ygpg权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114239287 A 2式中， Fg,inj为Ng维节点注入流量列向量， Fg,bran为Ng阶管道流量矩阵， pg为节点压力列向 量， Eg,b和Kg,b分别为各管道支路气压源、 受控气压源参数组成的Ng阶矩阵， Yg为气网节点导 纳矩阵， Ag为Ng维单位行向量； 1.6)基于步骤1.5)组成的矩阵形式的气网能量 流模型表示 为： Fg＝diag(Fg,inj)+Fg,bran 式中， Fg的对角元素为气网节点注入 流量， 元素大于0表示天然气注入， 表示对应节点为 气源节点； 元素小于0表示天然气流出， 表示对应节点为气负荷节点。 Fg的非对角元素为天 然气管道流 量， 流量具有方向性； 1.7)基于通用能量母线的能源站建模方法， 将能量母线与耦合设备均看作节点， 建立 了能源站的能量 流矩阵能量 流矩阵PES和拓扑矩阵TES： 式中， Fg,S为能源站的总天然气耗量， Fg,CHP1和Fg,CHP2分别为两个热、 电、 气联产节点的天 然气耗量， Ph,CHP1和Ph,CHP2分别为两个热、 电、 气联产节点的输出热功率， Pe,CHP1和Pe,CHP2分别 为两热、 电、 气联产节点的输出电功率， Ph,L为能源站输出的总热功率。 3.根据权利要求2所述综合能源信 息物理系统 的分层建模方法， 其特征在于， 所述步骤 3)具体实现方法如下： 3.1)信息层接收能源层中电、 热、 气网络的潮流信息和拓扑信息以及能源站运行信息， 形成能源层的潮流信息 接收矩阵 和网络拓扑接收矩阵 3.2)信息层基于步骤3.1)获得的两个矩阵按照指定的优化目标进行优化决策， 信息层 根据广义优化决策函数 调节能源网络及能源站各节点的注入功率以及 支路分合闸状态； 3.3)控制指令通过 下传信道Tk,down由通信子站 节点传至能源层的执 行器； 3.4)能源层对控制 指令的顺利执行促使整个系统的能量流和网络拓扑发生变化， 能源 网络潮流重新分布， 进行电网、 热网、 气网、 能源站潮流分布更新。 4.根据权利要求3所述综合能源信 息物理系统 的分层建模方法， 其特征在于， 所述步骤 4)具体实现方法如下： 4.1)读取电、 气、 热网的节点支路参数文件和输入能源站设备参数； 4.2)读取热网具体参数， 初始化水力参数和热力参数， 即水阻、 水压源、 热阻、 水力导纳 矩阵； 初始化电网平衡节点C HP#2的热 出力； 4.3)初始化能源站的能量流矩阵PES和拓扑矩阵TES； 构建能源层拓扑矩阵Tk、 通信信道 矩阵Tk,up和Tk,down、 接口矩阵Ck1和Ck2； 4.4)基于步骤1.3)和1.4求解热网能量流， 热网能量流计算中以每次迭代的管道流量 计算值Fh,bran,k与管道流量基 值fbase,k之差err_h作为收敛判据， 若err_h≤收敛阈值,输出热权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114239287 A 3