一種電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)靜態(tài)安全域分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)靜態(tài)安全域分析方法，屬于綜合能源系 統(tǒng)在線(xiàn)安全分析、評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 相比于火電機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)組碳排放量少、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速、建設(shè)周期短，因此近年 來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電比重逐步增加。相應(yīng)地，電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)的耦合也不斷增大。另一 方面，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)在大規(guī)模儲(chǔ)能方面的優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與氣網(wǎng)能量流的雙向流動(dòng)。電力 系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)的耦合互聯(lián)有望從兩方面促進(jìn)新能源的大規(guī)模并網(wǎng)：1)燃?xì)廨啓C(jī)組快 速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性可用于平抑新能源出力的波動(dòng)；2)對(duì)于電網(wǎng)無(wú)法消納的新能源，可通過(guò) 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)將這部分能量轉(zhuǎn)化為天然氣，存儲(chǔ)于天然氣網(wǎng)絡(luò)中。因此，電-氣互聯(lián)綜合能源 系統(tǒng)是人類(lèi)社會(huì)向低碳、可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的必經(jīng)之路。
[0003] 然而，電網(wǎng)與氣網(wǎng)之間的深度耦合給二者的安全運(yùn)行帶來(lái)了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。例如 2011年美國(guó)大停氣（電）事件，其演變機(jī)理如附圖2所示，該事件的根源在于兩個(gè)方面：1) 極端天氣；2)電網(wǎng)與氣網(wǎng)的深度耦合。由于燃?xì)廨啓C(jī)一般簽訂可中斷合同，當(dāng)氣網(wǎng)發(fā)生輸 氣阻塞或故障時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)組將首先被切除；這種情況下，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電比重較大時(shí)，大 量電源的缺失將導(dǎo)致大規(guī)模的停電事故，使得天然氣加壓站失去可靠電力供應(yīng)，致使天然 氣網(wǎng)絡(luò)輸氣能力進(jìn)一步降低，即事故從氣網(wǎng)蔓延至電網(wǎng)后，又反過(guò)來(lái)從電網(wǎng)蔓延至氣網(wǎng)，導(dǎo) 致事故愈演愈烈。
[0004] 事實(shí)上，當(dāng)電網(wǎng)與氣網(wǎng)深度耦合時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電比重不僅取決于自身裝機(jī)容 量，更取決于天然氣網(wǎng)絡(luò)的安全約束，而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)靜態(tài)安全域則難以體現(xiàn)這點(diǎn)，即電 力系統(tǒng)靜態(tài)安全域結(jié)果過(guò)于樂(lè)觀(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是解決現(xiàn)有電力系統(tǒng)靜態(tài)安全域難以體現(xiàn) 天然氣網(wǎng)絡(luò)的安全約束，即電力系統(tǒng)靜態(tài)安全域結(jié)果過(guò)于樂(lè)觀(guān)的問(wèn)題。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)靜態(tài)安全域分析方法，包括以下步驟：
[0008] 1)建立電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流模型：
[0009] 對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)i、j的支路1，其支路功率可表示為：
[0011] 式中$與I分別為支路有功功率與無(wú)功功率；V與Θ分別為節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相 角，θ?=θ「Θ邱"與b ^分別為支路電導(dǎo)與電納；gsM與bsM分別為對(duì)地電導(dǎo)與電納；
[0012] 同時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)流入功率必須等于流出功率：
[0013] TGPG-TLPL=AeP1；
[0014] TgQg-TlQl=AeQj；
[0015] 式中：l為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)-發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)矩陣，為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)-負(fù)荷關(guān)聯(lián)矩陣，Ae為電網(wǎng) 節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣;PpQt；為發(fā)電機(jī)注入有功功率、無(wú)功功率，Pp為負(fù)荷吸收的有功功 率、無(wú)功功率；
[0016] 2)建立天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流模型：
[0017] 對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)m與η的管道1，流過(guò)該管道的流量為
[0020] 式中$為管道1流量；π為節(jié)點(diǎn)壓力；k 與管道1壓力損失相關(guān)的常數(shù)；
[0021] 基于天然氣系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)流量的平衡，可得：
[0022] TSFS-TDFD=AgF1；
[0023] 式中：1^為氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)-氣源關(guān)聯(lián)矩陣，TD為氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)-負(fù)荷關(guān)聯(lián)矩陣，氣網(wǎng)節(jié) 點(diǎn)-管道關(guān)聯(lián)矩陣；Fs為氣源注入流量，F(xiàn)D為氣負(fù)荷流量；
[0024] 3)燃?xì)廨啓C(jī)耦合
[0025] 燃?xì)廨啓C(jī)消耗的燃?xì)饬颗c其有功輸出呈如下非線(xiàn)性關(guān)系：
[0027] 式中：Gg為燃?xì)廨啓C(jī)集合；為燃?xì)廨啓C(jī)輸出有功為燃?xì)廨啓C(jī)吸收的氣流 量；
[0028] 4)電力系統(tǒng)靜態(tài)安全域
[0029] 電力系統(tǒng)靜態(tài)安全域?yàn)闈M(mǎn)足電力潮流約束以及網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)安全約束的一組功率注 入集：
[0031] 式中：ye= (Pe，匕，Qj，xe= (V。Θ)朮為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)約束下（V。Θ)空間中的可行 域；t為非線(xiàn)性潮流函數(shù)；
[0032] 5)電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)靜態(tài)安全域
[0033] 參照電力系統(tǒng)靜態(tài)安全域的定義，電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)靜態(tài)安全域可定義 為：滿(mǎn)足電網(wǎng)與氣網(wǎng)能量流約束以及靜態(tài)安全約束的一組能量流注入集合：
[0035] 式中：y= (Ps，匕，Qt，F(xiàn)s，F(xiàn)D)為能量流注入；X= (\，θ，πD) ;R為電網(wǎng)與氣網(wǎng)靜態(tài) 安全約束下X空間的可行域；f為非線(xiàn)性能量流方程；
[0036]6)安全域邊界的運(yùn)行點(diǎn)
[0037] 為保持已知量與未知量數(shù)量的相等，已知量^,.中某個(gè)元素（假定為f,)設(shè)為未 知量，相應(yīng)地，電力系統(tǒng)能量流方程轉(zhuǎn)化為：
[0039] 式中：flinut對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)化為等式約束的關(guān)鍵約束；P' e=(Py，L，Peili，Pe,1+1，L，Pe,ng) T為修正后的功率注入向量；
[0040] 通過(guò)求解修正后的能量流方程，可得安全域邊界上的一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)；通過(guò)調(diào)整P' <；的 大小，可得一組邊界運(yùn)行點(diǎn)；
[0041] 7)超平面擬合
[0042] 假定安全域邊界為超平面，則電力系統(tǒng)安全域邊界可表示為：
[0044] 式中：CBe為電力系統(tǒng)關(guān)鍵約束集；η為CBe對(duì)應(yīng)的超平面系數(shù)；
[0045] 同理，天然氣系統(tǒng)安全域邊界為：
[0047] 式中：CBg為天然氣系統(tǒng)關(guān)鍵約束集；τ為CB，寸應(yīng)的超平面系數(shù)；
[0048] 最終，電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)靜態(tài)安全域Ω可表示為：
[0050] 作為優(yōu)化，所述步驟3)中燃?xì)廨啓C(jī)在電網(wǎng)中相當(dāng)于電源，同時(shí)在氣網(wǎng)中相當(dāng)于氣 負(fù)荷；因此燃?xì)廨啓C(jī)連接了電網(wǎng)與氣網(wǎng)。
[0051] 作為優(yōu)化，所述步驟6)中安全域的邊界對(duì)應(yīng)于某個(gè)不等式關(guān)鍵約束轉(zhuǎn)化為等式 約束，該等式約束可加入到能量流方程中。
[0052] 作為優(yōu)化，所述步驟7)中電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)靜態(tài)安全域邊界的超平面系數(shù) η與τ可采用最小二乘法擬合得到。
[0053] 有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比：當(dāng)電網(wǎng)與氣網(wǎng)深度耦合時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電 比重不僅取決于自身裝機(jī)容量，更取決于天然氣網(wǎng)絡(luò)的安全約束，而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)靜態(tài) 安全域則難以體現(xiàn)這點(diǎn)，即電力系統(tǒng)靜態(tài)安全域結(jié)果過(guò)于樂(lè)觀(guān)。本發(fā)明提出電-氣互聯(lián)綜 合能源系統(tǒng)靜態(tài)安全域模型，同時(shí)計(jì)及了電網(wǎng)與氣網(wǎng)的靜態(tài)安全約束，從而為電-氣互聯(lián) 綜合能源系統(tǒng)在線(xiàn)安全分析，事故前的預(yù)防控制以及事故后的校正控制提供理論基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】：
[0054] 圖1為本發(fā)明的流程示意圖；
[0055] 圖2為2011年美國(guó)大停氣（電）事件演變機(jī)理；
[0056] 圖3為NGS5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示意圖；
[0057] 圖4為靜態(tài)安全域邊界示意圖；
[0058] 圖5為靜態(tài)安全域可視化示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0059] 下面結(jié)合附圖1~5對(duì)發(fā)明的技術(shù)流程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0060] 建立電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流模型
[0061] 建立電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流模型：
[0062] 假定電力系統(tǒng)含ne+l個(gè)節(jié)點(diǎn)，be條線(xiàn)路；定義節(jié)點(diǎn)0為平衡節(jié)點(diǎn)，G= {1，2,L,neg} 為PV節(jié)點(diǎn)，L= {neg+l，neg+2,L，ne}為PQ節(jié)點(diǎn)，Be為線(xiàn)路集。
[0063] 對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)i、j的支路1，其支路功率可表示為：
[0065] 式中：Q冷別為支路有功功率與無(wú)功功率；V與Θ分別為節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相 角，0lj= 0「0j;gl^blj分別為支路電導(dǎo)與電納；gsM與bSM分別為對(duì)地電導(dǎo)與電納。
[0066] 同時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)流入功率必須等于流出功率：
[0067]TgPg-TlPl=AeP1；
[0068]TGQG-TLQL=AeQ1;
[0069] 式中：l為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)-發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)矩陣，1\為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)-負(fù)荷關(guān)聯(lián)矩陣，AJ%電網(wǎng) 節(jié)點(diǎn)-支路關(guān)聯(lián)矩陣。PyQt；為發(fā)電機(jī)注入有功功率、無(wú)功功率，P 為負(fù)荷吸收的有功功 率、無(wú)功功率。
[0070] 建立天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量流模型
[0071] 首先需要說(shuō)明的是，天然氣系統(tǒng)可由暫態(tài)模型及穩(wěn)態(tài)模型表述。其中暫態(tài)模型更 為具體，但由分布參數(shù)與時(shí)變狀態(tài)變量描述，計(jì)算復(fù)雜度相當(dāng)大；相比而言，穩(wěn)態(tài)模型復(fù)雜 度低，且精度在可接受范圍內(nèi)。因此本文對(duì)天然氣系統(tǒng)的建模選用穩(wěn)態(tài)能量流模型。
[0072] 假定天然氣系統(tǒng)含\個(gè)節(jié)點(diǎn)和b身線(xiàn)路；定義W= {1，2,L，ngs}為壓力 已知節(jié)點(diǎn)集，H= {ngs+l,ngs+2,L,ng}為流量注入已知節(jié)點(diǎn)集；對(duì)于集合H，定義S= {ngs+l，ngs+2,L，ngsl}為氣源節(jié)點(diǎn)集，D= {ngsl+l，ngsl+2,L，ngs}為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集，H=SUD。
[0073] 對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)m與η的管道1，流過(guò)該管道的流量為
[0076] 式中$為管道1流量；π為節(jié)點(diǎn)壓力；k 與管道1壓力損失相關(guān)的常數(shù)。
[0077] 基于天然氣系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)流量的平衡，可得：
[0078]TSFS-TDFD=AgF1；
[0079] 式中：TsS氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)-氣源關(guān)聯(lián)矩陣，TD為氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)-負(fù)荷關(guān)聯(lián)矩陣，AgS氣網(wǎng)節(jié) 點(diǎn)-管道關(guān)聯(lián)矩陣；Fs為氣源注入流量，F(xiàn)D為氣負(fù)荷流量。
[0080] 計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)耦