一种灾后电-气区域综合能源系统双层博弈故障恢复方法

本发明涉及综合能源系统工程，尤其是涉及灾后电-气区域综合能源系统故障恢复方法。

背景技术：

1、电-气区域综合能源系统由分布于一个区域内的配电网、配气网、分布式发电以及供电、气之间的耦合设备等组成。电-气区域综合能源系统通过耦合设备将电、气能量进行互补共济与协调运行，可提高能源效率和优化能源结构，已得到广泛关注和快速发展。近年来，台风、冰雪、地震等自然灾害频发，导致电力系统、天然气系统因系统故障发生大面积的负荷中断事故，造成了巨大的经济损失。相较于单一能源系统，电-气区域综合能源系统的复杂性和不确定性大大增加，使得应对故障扰动能力较弱。由此，提高灾后电-气区域综合能源系统的恢复力是其发展亟待解决的关键问题之一。电-气区域综合能源系统故障恢复是指故障发生后，通过确定包括开关组合在内的最优恢复方案，实现恢复失负荷最多等目标，同时满足恢复后系统连通性、辐射状等约束条件。

2、电-气区域综合能源系统的耦合设备主要有燃气轮机和电转气设备，系统拓扑结构及能源形式间的耦合关联复杂，其灾后故障恢复具有以下特点：系统故障区多，其内的开关和阀门不能操作，并包含电负荷和气负荷的供能恢复，使得其故障恢复问题规模大且复杂度高；电、气子系统的能源互济运行及分布式发电出力，可支撑失能负荷的恢复；从投资收益角度来看，包含燃气轮机的配电网与包含电转气设备的配气网，属于不同的利益主体，且系统故障恢复功能模块与能量管理功能模块需进行统筹协调。由此，其灾后故障恢复问题的复杂度与要素多样性大大增加。

3、目前，对综合能源系统及电-气区域综合能源系统故障恢复问题的研究处于起步阶段，且均大多处理为传统的高维度、单一或多目标优化问题。然而，系统规模大且故障恢复要素多样下，传统优化方法将面临维数灾及考虑要素单一的问题，且有不利于揭示模型的主要矛盾，由此，不适合用于电-气区域综合能源系统灾后故障恢复问题。博弈论是现代数学和运筹学的重要组成部分，主要研究决策主体的行为发生相互竞争或合作时的决策以及这种决策的均衡问题。目前，博弈论用于电力系统故障恢复方面的研究处于起步阶段，尤其较少用于解决综合能源系统的故障恢复问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种灾后电-气区域综合能源系统双层博弈故障恢复方法，包括如下步骤：

2、1)由系统网络拓扑和故障位置信息，对电-气区域综合能源系统进行故障分析，得到包括正常供能区和失负荷区的非故障区；

3、2)采用双层主从博弈方法恢复非故障区的失电/失气负荷，设定上层为主体博弈者，利益主体为故障恢复策略制定，其博弈策略为故障期间配电网开关状态集，博弈支付为系统负荷损失价值最小，采用粒子群优化算法进行求解，并将策略传递给下层；

4、3)设定下层为配电网运行方案制定与配气网运行方案制定形成的非合作博弈，并与上层形成主从博弈，利益主体配电网、配气网运行方案制定的博弈策略分别为故障期间购电功率和燃气轮机出力、购气量和电转气设备出力，博弈支付为各自的运行成本最小，采用粒子群优化算法进行非合作博弈的交互迭代计算，求解出下层策略，并计算得到负荷损失价值，传递给上层；

5、4)通过上、下层主从博弈交互迭代计算，得到开关状态集和系统运行方案策略，作为电-气区域综合能源系统故障恢复方案。

6、其中，所述的由系统网络拓扑和故障位置信息，对电-气区域综合能源系统进行故障分析，得到包括正常供能区和失负荷区的非故障区，包括如下步骤：

7、自然灾害发生后，由系统网络拓扑和定位出的故障位置信息，对电-气区域综合能源系统进行故障分析，并划分区域，分为故障区和非故障区，其中非故障区包括正常供能区和失负荷区，正常供能区是指该区域内节点负荷正常运行且无故障元件的区域，失负荷区是指该区域内节点负荷全部失去供能但无故障元件的区域。

8、其中，所述的采用双层主从博弈方法恢复非故障区的失电/失气负荷，设定上层为主体博弈者，利益主体为故障恢复策略制定，其博弈策略为故障期间配电网开关状态集，博弈支付为系统负荷损失价值最小，采用粒子群优化算法进行求解，并将策略传递给下层，包括如下步骤：

9、采用双层主从博弈方法恢复非故障区的失电/失气负荷，首先设定上层为主体博弈者，利益主体为故障恢复策略制定，其博弈策略为故障期间配电网开关状态集，为

10、{k1,k2,...,ki,...,kk}(1)其中，ki为故障期间开关i的状态，其值取为1、0分别表示开关i闭合和断开，k为开关数目；

11、博弈支付为系统负荷损失价值最小，为

12、

13、其中，f1为系统故障恢复策略制定的博弈支付，t为总时段，n、m分别为配电网和配气网的节点数，di、gi分别为电力节点i、天然气节点j的损失单位负荷的价值，ui、wj分别为电力节点i和天然气节点j负荷的供能状态，值取为1、0分别表示正常供能状态和失能状态，pi(t)、lj(t)分别为t时段电力节点i和天然气节点j的负荷量；

14、博弈支付需满足辐射状约束，节点电压约束，节点气压约束和联络线容量约束；采用粒子群优化算法进行求解，并将策略传递给下层，步骤如下：

15、1)设置粒子群优化算法的参数：惯性权重、学习因子和迭代次数，初始化粒子种群开关状态集；

16、2)检验开关状态集是否满足辐射状约束，除去不符合的个体，将开关状态集传递给下层；

17、3)由下层传递过来的系统运行策略和失负荷损失价值，进行潮流计算得到主体博弈者约束条件成立的情况，将约束条件通过罚函数形式引入到目标函数中得到粒子适应度函数；

18、4)更新当前全局最优解、种群的位置和速度，如果达到最大迭代次数则结束，否则判断全局最优解是否收敛，如果收敛则结束，并输出故障恢复方案的开关状态集，否则返回步骤2)。

19、其中，所述的设定下层为配电网运行方案制定与配气网运行方案制定形成的非合作博弈，并与上层形成主从博弈，利益主体配电网、配气网运行方案制定的博弈策略分别为故障期间购电功率和燃气轮机出力、购气量和电转气设备出力，博弈支付为各自的运行成本最小，采用粒子群优化算法进行非合作博弈的交互迭代计算，求解出下层策略，并计算得到负荷损失价值，传递给上层，包括如下步骤：

20、设定下层为配电网运行方案制定与配气网运行方案制定形成的非合作博弈，并与上层故障恢复策略制定之间形成主从博弈，利益主体配电网运行方案制定的博弈策略为故障期间购电功率和燃气轮机出力，为

21、{pgrid(t),pgft(t)}(3)其中，pgrid(t)为t时段配电网的购电功率，pgft(t)为t时段燃气轮机出力；

22、其博弈支付为运行成本最小，为

23、

24、其中，f2为配电网运行方案制定的博弈支付，δtt为t时段的时长，lp2g(t)为t时段电转气设备的输出气量，a为购电价格，b为购气价格，d为售电价格，cgft、cp2g分别为燃气轮机和电转气设备的转化系数；

25、利益主体配气网运行方案制定的博弈策略为故障期间购气量和电转气设备的输出气量，为

26、{lgs(t),lp2g(t)}(5)其中，lgs(t)为t时段配气网的购气量，lp2g(t)为t时段电转气设备的输出气量；

27、其博弈支付为运行成本最小，为

28、

29、其中，f3为配气网运行方案制定的博弈支付，c为售气价格；

30、配电网、配气网运行方案制定的博弈支付均需满足能流平衡约束，燃气轮机和电转气设备的容量约束；采用粒子群优化算法进行非合作博弈的交互迭代计算，求解出下层策略，步骤如下：

31、1)分别设置粒子群优化算法的参数：惯性权重、学习因子和迭代次数，初始化粒子种群t时段配电网的购电功率、燃气轮机出力、配气网的购气量、电转气设备的输出气量；

32、2)由下层传递过来的开关状态集，配电网、配气网运行方案制定分别计算各自的博弈支付，将约束条件通过罚函数形式引入到目标函数中，得到各自粒子适应度函数；

33、3)更新各自的全局最优解和种群的位置和速度，进行非合作博弈交互迭代，如果达到最大迭代次数则结束，否则判断全局最优解是否收敛，如果收敛则结束，并输出故障恢复方案的系统运行策略，否则返回步骤2)；

34、由求解出的系统运行策略，并计算得到负荷损失价值，将形成的系统运行策略和负荷损失价值传递给上层。

35、本发明实施例，至少具有如下有益的技术效果：

36、1)电-气区域综合能源系统双层博弈将故障恢复方法，上层为故障恢复策略制定，下层为配电网运行方案制定与配气网运行方案制定形成的非合作博弈，通过上、下层主从博弈交互迭代计算，求解出开关状态集和系统运行策略，作为故障恢复方案，该方法将传统的多目标、高维度整体故障恢复模型进行分模块处理，降低了复杂度，具有较好的工程实用性。

37、2)电-气区域综合能源系统双层博弈将故障恢复方法，上层以系统负荷损失价值最小作为博弈支付，下层以配电网、配气网各自的运行成本最小作为博弈支付，考虑了电、气能源互联系统不仅可以通过改变开关状态集来恢复失能负荷，还可以基于多能互补协调通过优化系统运行策略支撑失能负荷的恢复，能够实现系统负荷损失价值最小的同时兼顾配电网和配气网的经济利益，具有较好的经济性。