一种气-电耦合系统连锁故障的联合仿真方法与流程

本发明涉及电网安全和仿真，尤其是涉及一种适用于分析气-电耦合系统连锁故障的联合仿真方法。

背景技术：

1、近年来，极端事件引发多起大面积停电事故，为电网乃至城市、国家带来了严重的损失和恶劣影响。随着能源互联网的建设与发展，电力系统和天然气系统的耦合日益紧密。然而，电网和天然气网的双向耦合可能导致故障跨能源系统传播，加剧停电危机。最为典型的实际案例就是2021年2月美国得克萨斯州因极寒天气导致的大规模轮流限电事件。此次事故中，极端低温和冰冻降水导致得州和美国中南部的1045个发电机组(铭牌容量总计192818兆瓦)经历了4124次停机、降额或启动失败。停电期间，最大切负荷约23418mw。灾害期间，极端低温、冻雨天气导致天然气井井口发生冻结，部分天然气设施提前关停，天然气产量大幅下降，导致燃气机组燃料供应不足，出力大幅下降。在管理方面，电力和天然气管网两大系统没有协调运行也进一步加剧了电力短缺，由于电网制定负荷轮停方案时，没有将天然气管网系统的关键用电设施作为重要负荷，导致故障在两个系统间传播。为了分析故障演化进程和传播机理，有必要研究气-电耦合系统联合仿真方法。

2、当前针对电-气联合仿真的研究较少。《saint-a novel quasi-dynamic modelfor assessing security of supply in coupled gas and electricity transmissionnetworks[j].》pambour k a，erdener b c，bolado-lavin r，et al.applied energy，2017.发布了一个电力-天然气系统的准动态仿真软件，分析了扰动后的天然气动态过程。

3、文献《cascading failure propagation simulation in integratedelectricity and natural gas systems[j].》bao z，zhang q，wu l，et al.journal ofmodem power systems and clean energy，2020，8(5)∶961-970.考虑了压缩机不同模式切换，提出了电-气协同仿真框架和方法。

4、文献《steady state and transient simulation for electricity-gasintegrated energy systems by using convex optimisation[j].》chen s，wei z，sung，et al.iet generation，transmission&distribution，2018，12(9)：2199-2206.提出一种基于凸优化的电-气联合仿真方法，比牛顿法收敛性更好，但时间代价较大。

5、文献《计及双向耦合的气-电综合能源系统全动态多速率联合仿真算法研究[j].》欧阳自强，韩鹏飞，严正，等.中国电机工程学报，2022.考虑了电转气设备和燃气轮机两大耦合设备，提出全动态多速率的联合仿真方法。

6、上述研究均在同一平台搭建联合仿真，模型较大时计算相对困难，且准确性有待进一步验证。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种气-电耦合系统连锁故障的联合仿真方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种气-电耦合系统连锁故障的联合仿真方法，所述方法基于气-电耦合系统连锁故障联合仿真框架，所述的联合仿真框架构建有天然气系统和电力系统并考虑二者间不同的时间尺度以及故障跨空间传播，具体步骤包括：

4、根据电力系统的稳态潮流计算和天然气系统的稳态通过信息传递得到系统的初始状态，为联合仿真提供初值；

5、在联合仿真框架下进行瞬态仿真，所述天然气系统和电力系统的仿真同时进行，每仿真一个参考时间步长电力系统与天然气系统之间进行一次信息交互并更新状态；

6、当电力系统或者天然气系统出现因故障导致的状态变化时，两系统应立即交互并更新状态。

7、作为优选技术方案，所述联合仿真框架中所述电力系统采用psd-bpa进行仿真，所述天然气系统采用sps进行仿真，所述天然气系统仿真时间步长δt小于电力系统仿真时间步长δt。

8、作为优选技术方案，所述联合仿真框架初始化的具体步骤如下：

9、分别对电力系统进行潮流计算，对天然气系统进行稳态计算，计算初始状态；

10、读取电力系统的初始状态，根据电力系统中燃气轮机的出力确定燃气轮机的耗气量，将其传输至天然气系统；

11、所述天然气系统在确定气负荷之后计算天然气稳态。

12、作为优选技术方案，所述仿真过程中：

13、天然气系统以天然气系统仿真时间步长δt开始进行瞬态仿真，并判断是否有故障事件触发，当电力系统或者天然气系统因故障导致的状态变化，电力系统与天然气系统立即进行交互并更新状态；

14、当仿真时长到达电力系统仿真时间步长δt，电力系统与天然气系统进行交互并更新状态。

15、作为优选技术方案，所述电力系统与天然气系统之间进行交互并更新状态具体为：

16、电力系统进行潮流计算，天然气系统根据电力系统的稳态结果计算出燃气轮机运行所需要的耗气量作为自身负荷进行下一阶段的计算；

17、电力系统根据天然气系统的运行结果计算出电驱动压缩机运行所需电功率作为自身负荷进行下一阶段的计算。

18、作为优选技术方案，所述电力系统采用稳态模型，如下所示：

19、

20、

21、式中，pi和qi分别表示节点i的有功和无功功率；ui为节点i的节点电压幅值；gij和bij表示线路ij的串联电导和电纳；δij为节点i和节点j的相角差；pij和qij分别表示线路的有功和无功功率。

22、作为优选技术方案，所述天然气系统采用动态模型，天然气沿管道的数学模型由一组偏微分方程刻画，包括描述天然气在管道内部流动的连续性方程、动量方程和能量方程，并采用气体状态方程使管道封闭。

23、作为优选技术方案，所述天然气系统采用动态等温模型：

24、

25、

26、p＝ρzrt

27、式中，ρ为气体的密度；t为时间变量；v为气体的流速；x为沿管道轴线的变量；p为管道中气体的压力；λ为水力摩阻系数；d为管内直径；θ为管道倾角；z为压缩因子；t为温度；r为气体常数。

28、作为优选技术方案，所述耦合元件包括燃气机组和压缩机；

29、所述燃气轮机作为电力系统中的电源，在天然气系统中相当于气负荷，燃气轮机的输入天然气流量qg与输出电功率pg之间的关系如下：

30、

31、式中，αg、βg和γg是由燃气轮机的耗热率曲线决定的参数；

32、压缩机采用离心式压缩机，消耗功率表示如下：

33、

34、h＝fh(fin/s)(s/s1)2

35、η＝fη(fin/s)

36、式中，h为当前条件下压缩机的压头，通过输入的压头与流量转速的关系表计算得出；fh是表示关系表中压头数据的函数，自变量为入口流量值与转速的比值；fin为实际条件下当前入口流量；s为压缩机当前转速；s1为压头表中输入的转速；η为水力效率，通过输入的效率与流量转速的关系表计算得出；fn为表示关系表中效率数据的函数，自变量为入口流量值与转速的比值；m为气体的质量流量，是压缩机入口流量fin与气体密度的乘积；c为无量纲常数；me为机械效率。

37、作为优选技术方案，所述联合仿真方法根据联合仿真的结果，分析极端事件下故障在跨气-电耦合系统的传播路径，并通过联合仿真验证故障阻断策略的有效性；

38、所述故障阻断策略包含但不限于：增加储能设施、移动应急资源调度、改变天然气系统中关键基础设施的控制模式。

39、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

40、1)本发明提供的一种适用于分析气-电耦合系统连锁故障的联合仿真方法，基于事件驱动模式的联合仿真架构，建立电网-天然气网-耦合元件的动态模型，在两个系统成熟的商业仿真软件基础上设计信息交互接口，实现不同平台上电力系统和天然气系统仿真信息时空交互。该方法具有准确性高、模型搭建方便等优点，可实现电-气故障演化过程的精准刻画。应用该仿真方法，可更为有效地分析故障动态演化过程。

41、2)本发明还提供了故障阻断策略，并通过提出的联合仿真方法进行验证，可有效阻断极端灾害导致的故障跨能源系统传播。