一种电-气互联综合能源系统静态安全域分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电-气互联综合能源系统静态安全域分析方法，属于综合能源系 统在线安全分析、评估技术领域。
【背景技术】
[0002] 相比于火电机组，燃气轮机组碳排放量少、动态响应快速、建设周期短，因此近年 来燃气轮机发电比重逐步增加。相应地，电力系统与天然气系统的耦合也不断增大。另一 方面，电转气技术在大规模储能方面的优势，有望实现电网与气网能量流的双向流动。电力 系统与天然气系统的耦合互联有望从两方面促进新能源的大规模并网：1)燃气轮机组快 速的动态响应特性可用于平抑新能源出力的波动；2)对于电网无法消纳的新能源，可通过 电转气技术将这部分能量转化为天然气，存储于天然气网络中。因此，电-气互联综合能源 系统是人类社会向低碳、可持续能源系统转变的必经之路。
[0003] 然而，电网与气网之间的深度耦合给二者的安全运行带来了潜在的风险。例如 2011年美国大停气（电）事件，其演变机理如附图2所示，该事件的根源在于两个方面：1) 极端天气；2)电网与气网的深度耦合。由于燃气轮机一般签订可中断合同，当气网发生输 气阻塞或故障时，燃气轮机组将首先被切除；这种情况下，当燃气轮机发电比重较大时，大 量电源的缺失将导致大规模的停电事故，使得天然气加压站失去可靠电力供应，致使天然 气网络输气能力进一步降低，即事故从气网蔓延至电网后，又反过来从电网蔓延至气网，导 致事故愈演愈烈。
[0004] 事实上，当电网与气网深度耦合时，燃气轮机的发电比重不仅取决于自身装机容 量，更取决于天然气网络的安全约束，而传统的电力系统静态安全域则难以体现这点，即电 力系统静态安全域结果过于乐观。
【发明内容】
：
[0005] 发明目的：本发明所要解决的技术问题是解决现有电力系统静态安全域难以体现 天然气网络的安全约束，即电力系统静态安全域结果过于乐观的问题。
[0006] 技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0007] -种电-气互联综合能源系统静态安全域分析方法，包括以下步骤：
[0008] 1)建立电力系统稳态能量流模型：
[0009] 对于连接节点i、j的支路1，其支路功率可表示为：
[0011] 式中$与I分别为支路有功功率与无功功率；V与Θ分别为节点电压幅值与相 角，θ?=θ「Θ邱"与b ^分别为支路电导与电纳；gsM与bsM分别为对地电导与电纳；
[0012] 同时，每个节点流入功率必须等于流出功率：
[0013] TGPG-TLPL=AeP1；
[0014] TgQg-TlQl=AeQj；
[0015] 式中：l为电网节点-发电机关联矩阵，为电网节点-负荷关联矩阵，Ae为电网 节点-支路关联矩阵;PpQt；为发电机注入有功功率、无功功率，Pp为负荷吸收的有功功 率、无功功率；
[0016] 2)建立天然气系统稳态能量流模型：
[0017] 对于连接节点m与η的管道1，流过该管道的流量为
[0020] 式中$为管道1流量；π为节点压力；k 与管道1压力损失相关的常数；
[0021] 基于天然气系统各节点流量的平衡，可得：
[0022] TSFS-TDFD=AgF1；
[0023] 式中：1^为气网节点-气源关联矩阵，TD为气网节点-负荷关联矩阵，气网节 点-管道关联矩阵；Fs为气源注入流量，FD为气负荷流量；
[0024] 3)燃气轮机耦合
[0025] 燃气轮机消耗的燃气量与其有功输出呈如下非线性关系：
[0027] 式中：Gg为燃气轮机集合；为燃气轮机输出有功为燃气轮机吸收的气流 量；
[0028] 4)电力系统静态安全域
[0029] 电力系统静态安全域为满足电力潮流约束以及网络静态安全约束的一组功率注 入集：
[0031] 式中：ye= (Pe，匕，Qj，xe= (V。Θ)朮为静态网络约束下（V。Θ)空间中的可行 域；t为非线性潮流函数；
[0032] 5)电-气互联综合能源系统静态安全域
[0033] 参照电力系统静态安全域的定义，电-气互联综合能源系统静态安全域可定义 为：满足电网与气网能量流约束以及静态安全约束的一组能量流注入集合：
[0035] 式中：y= (Ps，匕，Qt，Fs，FD)为能量流注入；X= (\，θ，πD) ;R为电网与气网静态 安全约束下X空间的可行域；f为非线性能量流方程；
[0036]6)安全域边界的运行点
[0037] 为保持已知量与未知量数量的相等，已知量^,.中某个元素（假定为f,)设为未 知量，相应地，电力系统能量流方程转化为：
[0039] 式中：flinut对应于转化为等式约束的关键约束；P' e=(Py，L，Peili，Pe,1+1，L，Pe,ng) T为修正后的功率注入向量；
[0040] 通过求解修正后的能量流方程，可得安全域边界上的一个运行点；通过调整P' <；的 大小，可得一组边界运行点；
[0041] 7)超平面拟合
[0042] 假定安全域边界为超平面，则电力系统安全域边界可表示为：
[0044] 式中：CBe为电力系统关键约束集；η为CBe对应的超平面系数；
[0045] 同理，天然气系统安全域边界为：
[0047] 式中：CBg为天然气系统关键约束集；τ为CB，寸应的超平面系数；
[0048] 最终，电-气互联综合能源系统静态安全域Ω可表示为：
[0050] 作为优化，所述步骤3)中燃气轮机在电网中相当于电源，同时在气网中相当于气 负荷；因此燃气轮机连接了电网与气网。
[0051] 作为优化，所述步骤6)中安全域的边界对应于某个不等式关键约束转化为等式 约束，该等式约束可加入到能量流方程中。
[0052] 作为优化，所述步骤7)中电-气互联综合能源系统静态安全域边界的超平面系数 η与τ可采用最小二乘法拟合得到。
[0053] 有益效果：本发明与现有技术相比：当电网与气网深度耦合时，燃气轮机的发电 比重不仅取决于自身装机容量，更取决于天然气网络的安全约束，而传统的电力系统静态 安全域则难以体现这点，即电力系统静态安全域结果过于乐观。本发明提出电-气互联综 合能源系统静态安全域模型，同时计及了电网与气网的静态安全约束，从而为电-气互联 综合能源系统在线安全分析，事故前的预防控制以及事故后的校正控制提供理论基础。
【附图说明】：
[0054] 图1为本发明的流程示意图；
[0055] 图2为2011年美国大停气（电）事件演变机理；
[0056] 图3为NGS5节点系统示意图；
[0057] 图4为静态安全域边界示意图；
[0058] 图5为静态安全域可视化示意图。
【具体实施方式】：
[0059] 下面结合附图1~5对发明的技术流程进行详细说明：
[0060] 建立电-气互联综合能源系统稳态能量流模型
[0061] 建立电力系统稳态能量流模型：
[0062] 假定电力系统含ne+l个节点，be条线路；定义节点0为平衡节点，G= {1，2,L,neg} 为PV节点，L= {neg+l，neg+2,L，ne}为PQ节点，Be为线路集。
[0063] 对于连接节点i、j的支路1，其支路功率可表示为：
[0065] 式中：Q冷别为支路有功功率与无功功率；V与Θ分别为节点电压幅值与相 角，0lj= 0「0j;gl^blj分别为支路电导与电纳；gsM与bSM分别为对地电导与电纳。
[0066] 同时，每个节点流入功率必须等于流出功率：
[0067]TgPg-TlPl=AeP1；
[0068]TGQG-TLQL=AeQ1;
[0069] 式中：l为电网节点-发电机关联矩阵，1\为电网节点-负荷关联矩阵，AJ%电网 节点-支路关联矩阵。PyQt；为发电机注入有功功率、无功功率，P 为负荷吸收的有功功 率、无功功率。
[0070] 建立天然气系统稳态能量流模型
[0071] 首先需要说明的是，天然气系统可由暂态模型及稳态模型表述。其中暂态模型更 为具体，但由分布参数与时变状态变量描述，计算复杂度相当大；相比而言，稳态模型复杂 度低，且精度在可接受范围内。因此本文对天然气系统的建模选用稳态能量流模型。
[0072] 假定天然气系统含\个节点和b身线路；定义W= {1，2,L，ngs}为压力 已知节点集，H= {ngs+l,ngs+2,L,ng}为流量注入已知节点集；对于集合H，定义S= {ngs+l，ngs+2,L，ngsl}为气源节点集，D= {ngsl+l，ngsl+2,L，ngs}为负荷节点集，H=SUD。
[0073] 对于连接节点m与η的管道1，流过该管道的流量为
[0076] 式中$为管道1流量；π为节点压力；k 与管道1压力损失相关的常数。
[0077] 基于天然气系统各节点流量的平衡，可得：
[0078]TSFS-TDFD=AgF1；
[0079] 式中：TsS气网节点-气源关联矩阵，TD为气网节点-负荷关联矩阵，AgS气网节 点-管道关联矩阵；Fs为气源注入流量，FD为气负荷流量。
[0080] 计算燃气轮机耦