[发明专利]考虑电转气装置的电-气互联系统可靠性建模及其评估方法

权利要求书

1.一种考虑电转气装置的电-气互联系统可靠性建模方法，其特征在于，包括以下步骤:

(1)建立基于P2G装置和燃气机组的能流模型

基于电力系统、天然气系统、P2G装置、燃气机组，构建含P2G的电-气互联系统能流模型，以下i和j为电力节点，m和n为天然气节点：

其中，式(1)是电力系统节点有功平衡方程，式(2)是电力系统节点无功平衡方程，式(3)是天然气系统节点流量平衡方程；式中，P_G,i、Q_G,i分别为电力系统节点i的非燃气常规机组的有功出力和无功出力；P_GAS,i、Q_GAS,i分别为电力系统节点i的燃气发电机组的有功出力和无功出力；P_CHP,i、Q_CHP,i分别为电力系统节点i的燃气热电联产机组的有功出力和无功出力；P_D,i、Q_D,i分别为电力系统节点i的有功负荷和无功负荷；P_i、Q_i分别为电力系统节点i的注入有功功率和无功功率；P_W,i、ΔP_W,i分别为电力系统节点i的风电场的风电功率和弃风量；Q_C,i、P_P2G,i分别为电力系统节点i的无功电源功率和P2G装置消耗电功率；F_GAS,m、F_CHP,m分别为天然气系统节点m的燃气发电机组的消耗气流和燃气热电联产机组的消耗气流；F_P2G,m为天然气系统节点m的P2G装置的注入气流；F_G,m、F_D,m分别为天然气系统节点m的气源注入气流和节点气负荷；F_m为天然气系统节点m的注入气流；N_e、N_m是电力系统节点和天然气系统节点的总数；

1)P2G装置模型

P2G装置的消耗电功率与注入气流之间的关系如下，以下k为P2G装置和燃气机组的序号：

其中，P_P2G,k、F_P2G,k分别为P2G装置k的消耗电功率和注入气流，η_P2G,k为P2G装置k的转化效率；GHV为天然气高热值，取值1015Btu/SCF；ΔP_W,i为电力系统节点i的风电场弃风量；N_w、N_c是风电场和P2G装置的总数；

2)燃气机组模型

燃气机组的消耗气流与输出电功率之间满足如下方程：

F_CHP,k＝P_CHP,k/(η_CHP,kGHV),k＝1,2,...,N_b (6)

P_CHP,k＝H_CHP,k/ν_CHP,k,k＝1,2,...,N_b (7)

其中，P_GAS,k、F_GAS,k分别为燃气发电机组k的有功出力和消耗气流；P_CHP,k、F_CHP,k分别为燃气热电联产机组k的有功出力和消耗气流；α_g,k、β_g,k、γ_g,k为燃气发电机组k的耗量系数；η_CHP,k、v_CHP,k分别为燃气热电联产机组k的转化效率和热电比；H_CHP,k为燃气热电联产机组k的热负荷；N_a、N_b是燃气发电机组和燃气热电联产机组的总数；

3)节点注入功率、气流方程

电力系统节点i的注入有功功率P_i和注入无功功率Q_i，以及天然气系统节点m的注入气流F_m计算公式如下：

式中，V_i和V_j分别是电力系统节点i和j的电压幅值；G_ij和B_ij分别为节点导纳矩阵Y中第i行第j列元素的实部和虚部；θ_ij是电力系统节点i与j的电压相角差；A_mr是节点-管道关联矩阵A中第m行第r列元素；E_mq是节点-压缩机关联矩阵E中第m行第q列元素；T_mq是节点-压缩机入口节点关联矩阵T中第m行第q列元素；N_l、N_p分别为输气管道和压缩机支路的总数；L_r为流过天然气输气管道r的流量，以下r为输气管道的序号，C_q为流过天然气压缩机支路q的流量，以下q为压缩机支路的序号，τ_q为压缩机支路q消耗的流量，三者具体计算公式如下：

对于天然气系统中输气管道r，稳态条件下管道流量L_r为

式中，m和n分别为输气管道的首端节点和末端节点；π_m、π_n分别为节点m和n的气压；K_r为输气管道r的管道系数；s_mn表征气体流动方向；

加压站燃气压缩机消耗的流量τ_q计算公式如下：

式中，m和n分别为压缩机支路的进口节点和出口节点；H_q为压缩机支路q消耗的电功率；C_q为流过压缩机支路q的流量；B_q为压缩机支路q的压缩机系数；Z_q为压缩机支路q的进口气体压缩因子；α为绝热系数；α_c,q、β_c,q、γ_c,q为压缩机q的耗量系数；

(2)建立考虑风电弃用的电/气/热负荷削减优化模型

①目标函数

式中，C_e,i是电负荷节点i的负荷削减变量；C_g,m是气负荷节点m的负荷削减变量；C_h,k是燃气热电联产机组k的热负荷削减变量；ΔP_W,i是风电场i的弃风变量；N_d是电负荷节点的总数，N_g是气负荷节点的总数；λ_e,i为表征各电负荷重要性的权重因子，λ_g,m为表征各气负荷重要性的权重因子，λ_h,k为表征各热负荷重要性的权重因子，λ_w,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子；

②等式约束

考虑电负荷削减变量C_e,i、气负荷削减变量C_g,m、热负荷削减变量C_h,k和弃风变量ΔP_W,i以及电转气装置，基于电力系统中的节点有功平衡方程(1)、无功功率平衡方程(2)和天然气系统中的节点流量平衡方程(3)，以及燃气热电联产机组方程(7)，建立如下等式约束：

P_G,i+P_GAS,i+P_CHP,i+P_W,i+C_e,i-P_P2G,i-ΔP_W,i-P_D,i-P_i＝0,i＝1,2,...,N_e (16)

Q_G,i+Q_GAS,i+Q_CHP,i+Q_C,i-Q_D,i+C_e,i(Q_D,i/P_D,i)-Q_i＝0,i＝1,2,...,N_e (17)

F_G,m+F_P2G,m+(C_g,m/GHV)-F_GAS,m-F_CHP,m-F_D,m-F_m＝0,m＝1,2,...,N_m (18)

P_CHP,k＝(H_CHP,k-C_h,k)/ν_CHP,k,k＝1,2,...,N_b (19)

式中，各变量的定义和计算公式均与能流模型中相同，其中，P2G装置和燃气机组的各变量仍满足式(4)-(6)；

③不等式约束

电-气互联系统的综合负荷削减优化模型的不等式约束包括：式(20)-(23)的电负荷、气负荷、热负荷削减变量和弃风变量的上下限约束；式(24)-(28)的含电转气装置的各耦合元件的运行约束；式(29)-(31)的天然气系统节点气压约束、气源注气量约束、压缩机压缩比约束；式(32)-(35)的电力系统节点电压约束、非燃气常规机组出力约束、线路功率约束；

0≤C_e,i≤P_D,i,i＝1,2,...,N_d (20)

0≤C_h,k≤H_CHP,k,k＝1,2,...,N_b (22)

0≤ΔP_W,i≤P_W,i,i＝1,2,...,N_w (23)

V_i^min≤V_i≤V_i^max,i＝1,2,...,N_e (32)

-T_l^min≤T_l≤T_l^max,l＝1,2,...,N_r (35)

式中，T_l是输电线路l流过的功率；R_q是压缩机支路q的压缩比；N_r是输电线路的总数，N_u是非燃气常规机组的总数，N_s是天然气气源的总数；

(3)含P2G的电-气互联系统可靠性评估指标

①电力/气量/热力不足期望与弃风期望的系统级可靠性指标

EEDNS为系统电力不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对电负荷的供应水平；EGDNS为气量不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对气负荷的供应水平；EHDNS为热力不足期望值(MW)，该指标用以反映系统中对热负荷的供应水平；EWPA为系统弃风期望值(MW)指标，该指标用以反映系统中弃风现象的严重程度；以上指标的表达式为：

式中，P(x)为系统状态x的概率；G₁为出现电负荷削减的状态集合；G₂为出现气负荷削减的状态集合；G₃为出现热负荷削减的状态集合；G₄为出现风电弃用现象的状态集合；C_e(x)为系统状态x的电负荷削减量，C_g(x)为系统状态x的气负荷削减量，C_h(x)为系统状态x的热负荷削减量，ΔP_W(x)为系统状态x的弃风量，以上计算公式如下：

②P2G装置的设备级可靠性指标

PUP为P2G利用概率，该指标用以反映P2G装置开启的可能性，同时也是系统出现弃风现象的概率，其表达式为：

式中，PUP_k为P2G装置k的利用概率，G_5,k为P2G装置k处于开启状态的状态集合；

PCU为P2G容量利用率，该指标用以反映P2G装置容量的利用情况；PCU等于P2G装置消耗电功率与其装置容量比值的期望值：

式中，PCU_k为P2G装置k的容量利用率；C_P2G,k为P2G装置k的装置容量；

PEDB为P2G对电力不足期望值贡献系数，PGDB为P2G对气量不足期望值贡献系数，PHDB为P2G对热力不足期望值贡献系数，PWAB为对弃风期望值贡献系数；以上指标用以反映P2G装置接入后单位容量对系统可靠性指标的贡献度，它们等于P2G装置接入前、后系统可靠性指标的改变量与P2G装置容量的比值：

PEDB_k＝(EEDNS₀-EEDNS₁)/C_P2G,k (46)

PGDB_k＝(EGDNS₀-EGDNS₁)/C_P2G,k (47)

PHDB_k＝(EHDNS₀-EHDNS₁)/C_P2G,k (48)

PWAB_k＝(EWPA₀-EWPA₁)/C_P2G,k (49)

式中，PEDB_k为P2G装置k对电力不足期望值贡献系数；PGDB_k为P2G装置k对气量不足期望值贡献系数；PHDB_k为P2G装置k对热力不足期望值贡献系数；PWAB_k为P2G装置k对弃风期望值贡献系数；其中，各系统级指标的下标0和1分别代表P2G装置k接入前和接入后。

2.一种基于权利要求1所述模型的考虑电转气装置的电-气互联系统可靠性评估方法，其特征在于：

①状态抽样：利用非序贯蒙特卡洛模拟法对系统元件状态、电/气/热负荷、风速随机变量进行抽样，由此确定一个系统状态；

②拓扑分析：对抽样得到系统状态进行网络拓扑分析，其主要任务是分析系统节点由支路和耦合元件联接成多少子系统，将有电气/气流/耦合连接的节点和支路归并在一个子系统中，同时整理出该子系统的相关网络拓扑数据；若系统不出现解列情况，则全网为一个系统；

③能流计算：对拓扑分析后得到的系统根据所建能流模型进行能流计算，由式(1)-(14)表述的该模型是一组高维非线性方程组，可采用牛顿法对其进行有效求解；判断能流计算结果，若存在电压越限、气压越限、支路功率过载、能流不收敛的问题则进入下一步；否则直接进入第⑥步；

④负荷削减量与弃风量计算：对存在问题的系统状态利用所建考虑风电弃用的电/气/热负荷削减优化模型进行负荷削减量和弃风量计算，由式(15)-(35)表述的该模型是一个非线性优化问题，内点法可有效求解该问题，调用内点法求解器IPOPT可对该优化模型进行有效求解；

⑤可靠性指标计算：根据优化模型计算结果，利用式(36)-(43)计算电力不足期望、气量不足期望、热力不足期望和弃风期望的系统级可靠性指标，利用式(44)-(49)计算P2G利用概率、P2G容量利用率和P2G贡献系数的设备级可靠性指标；

⑥抽样收敛判据：以可靠性指标的最大方差系数β作为结束抽样的收敛判据，若满足收敛精度则结束模拟，输出可靠性指标；否则进行下一次抽样，返回第①步。