一种基于多能流故障耦合传播的综合能源系统风险识别方法与流程

本发明涉及一种基于多能流故障耦合传播的综合能源系统风险识别方法，属于综合能源系统安全分析领域。

背景技术：

能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉。如何在确保人类社会能源可持续供应的同时减少用能过程中的环境污染，是当今世界各国共同关心的问题。面对资源和环境的双重挑战，许多国家将综合能源系统(ies)作为未来的发展战略。ies打破了原有的冷/热/电/气供能系统独立设计、规划、运行和控制的模式，在规划、设计、建设和运行的过程中，对各类能源的分配、转化、存储、消费等环节进行有机协调与优化，可提高社会能源供应的安全性、灵活性、可靠性。

然而，随着不同能源系统更加紧密的耦合，它们之间的交互影响也使得整个系统面临的风险增加。特别是不同能源系统的故障可能通过能源系统之间的耦合而传播，进而导致更加严重的后果；风险评估可以用定性或者定量的指标反映系统的能源供应中断的风险水平，从而指导综合能源系统的运行、检修等生产实践活动。随着经济社会的发展，人们对能源供给的可靠性要求越来越高，综合能源系统与电、气、冷及热等多种负荷在物理上直接相连，确保综合能源系统的供能可靠性显得尤为重要，开展其风险评估研究具有十分重要的意义。

有别于较为成熟的电力系统风险评估，目前国内外关于综合能源系统风险评估的研究不多：其中，研究利用马尔可夫模型，对建筑中的小型冷－热－电联产系统可靠性进行了量化分析，结果显示冷－热—电联产后供能可靠性的各项指标都有大幅度改善；针对含有储能的多能微网，分别对并网与孤岛2种典型运行模式建立了可靠性评估模型，然而，现有方法的一大特点是未能考虑综合能源系统内部的拓扑结构，其缺陷在于忽略了管道可能出现的故障，而在实际中管道出现故障的概率要远大于设备停运的概率，导致系统运行的风险被低估。

技术实现要素：

本发明采用如下研究技术方案：一种基于多能流故障耦合传播的综合能源系统风险识别方法，该方法包括如下步骤：

步骤1:分别建立电力系统、热力系统、天然气系统、电气热耦合设备的数学模型；

步骤2:针对综合能源系统进行多维度的风险识别；

步骤3:结合综合能源网络潮流优化算法计算分析电气热耦合系统的负荷裕度优化模型；

步骤4:基于负荷裕度损失概率的风险，在综合能源系统中确定能量输送网络的关键支路、节点、耦合传播路径、以及异质能流之间相互转化的关键能量枢纽。

附图说明

附图1为本发明一种基于多能流故障耦合传播的综合能源系统风险识别方法的整体实施流程图。

具体实施方式

步骤1；分别建立电力系统、热力系统、天然气系统、电热耦合设备、电气耦合设备的数学模型；

(1)建立电力系统数学模型：

其中，pi、qi式中表示节点注入的有功功率与无功功率；ei、fi表示节点电压的实部和虚部；gij、bij为节点导纳矩阵相应元素的实部和虚部。

(2)建立热力系统数学模型：热力系统由热源、热网和热负荷组成；热网变量包括各节点压强pt、节点注入流量mυ、以及管道流量me，各个变量之间的关系(式(3)、(4)表示进入节点的蒸汽流量等于流出节点的蒸汽流量加上节点消耗的蒸汽流量，管道始末端的蒸汽流量相等；式(5)表示压强损失；式(6)、(7)、(8)表示不同的热量转移形式)为：

cpmυ(tv,s-tv,o)+hpmυ＝φυ(8)

式(3)(4)中分别表示管道的始末端流量，表示节点的入边集合，表示节点的出边集合，表示节点的注入流量；式(5)中分别代表管道e的始末端蒸汽压强，fe为管道的摩擦系数，de为管道直径，se为管道横截面积，为蒸汽的平均密度，表示管道e平均蒸汽流量；式(6)、(7)、(8)中分别为管道的始末端的焓值，λ为管道的热传导系数，为管道蒸汽的平均温度，ta为环境温度，tυ,s、tυ,o分别表示节点的供水温度和回水温度。

(3)建立天然气数学模型：天然气系统各节点的流量平衡方程为

式(9)fsum,m、fload,n分别表示节点m天然气的供应量和负荷量；

(4)建立电热耦合数学模型：电热耦合设备包括chp机组、电锅炉等，电力系统与热力系统之间的转化关系为：

式中φchp为电锅炉产生的热能；pchp为电锅炉消耗的电能；rhe为电锅炉的能效比；

(5)建立电气耦合数学模型:能量枢纽连接一次能源(天然气)网络与二次能源(电力)网络，能量枢纽通过消耗天然气，输出电功率，在电气互联能源系统中，能量枢纽充当了能源转换器的角色，能量枢纽消耗的天然气流量与输出电功率有如下关系：

式中fload,n为天然气系统节点n等效负荷，dg,i为能量枢纽输入热量值，vgh为高热值基于上述建立的不同能源系统以及异质能源相互耦合的数学模型，考虑不同能源物理网络之间的耦合以及能源物理系统与能源信息系统的耦合，建立综合能源物理系统风险识别评估框架:不同能源节点之间的耦合是通过能量枢纽完成的，这些能量枢纽完成不同能源之间的相互转化，从而描述多种形式能源的输入和输出的函数关系；其中，能量枢纽可用能源耦合矩阵m和能量存储耦合矩阵k来表示为：

e＝m·s+k·o(12)

其中，s、e、o分别表示能源物理网络中能量供应、能量需求、能量存储；

步骤2：针对综合能源系统进行多维度的风险识别，是依靠综合能源系统多维度风险识别体系进行分析，该多维度风险识别体系具体包括如下关键风险指标：天然气网络中元件的故障概率、天然气网络的连通性、电网线路功率、节点电压、热网管道温度、压力、供能不足和供能质量不达标的供能风险。

步骤3：结合电气热网络潮流优化算法计算分析电气热耦合系统的负荷裕度优化模型：利用多项式正态变换方法处理综合能源系统输入变量之间的相关性，结合点估计法将负荷裕度概率求解问题转化为确定性负荷裕度非线性优化模型，采用预测-校正原对偶内点法对优化模型进行求解，并计算负荷裕度的统计特征，最后运用最大熵估计方法估计输出变量概率分布函数。

步骤4：在综合能源系统中，定义风险为多能流负荷裕度损失概率与故障发生时严重程度的乘积，如式(13)所示：

d(xt)＝p(ei)×t(ei,xf)(13)

其中xf是系统的运行方式，p(ei)是多能流负荷裕度损失概率，d(xt)是系统在运行方式下的运行风险指标。

基于负荷裕度损失概率的风险，在综合能源系统中确定能量输送网络的关键支路、节点、耦合传播路径、以及异质能流之间相互转化的关键能量枢纽。

以上实施方案仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。