[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

摘要

本发明公开了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。针对现有的电‑气互联系统可靠性评估的能流模型、负荷削减模型、可靠性评估指标的不足，提出考虑P2G装置的电‑气互联系统可靠性建模及其评估方法。本发明在能流模型中，将风电场弃风量和P2G装置模型中的消耗电功率、注入气流量引入电力系统有功平衡方程；在负荷削减模型中，优化模型的目标函数中加入热负荷削减量、弃风量变量；在可靠性评估指标中，建立可评估P2G装置对系统可靠性指标贡献度设备级指标。

主权项

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)建立所述基于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)：PG,i+PGAS,i+PCHP,i+PW,i-PP2G,i-PD,i-ΔPW,i-Pi=0,i=1,2,...,Ne---(1)]]>QG,i+QGAS,i+QCHP,i+QC,i-QD,i-Qi=0,i=1,2,...,Ne---(2)]]>FG,m+FP2G,m-FGAS,m-FCHP,m-FD,m-Fm=0,m=1,2,...,Nm---(3)]]>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，PG,i、QG,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；PGAS,i、QGAS,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；PCHP,i、QCHP,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；PD,i、QD,i分别为电力系统节点i的有功负荷和无功负荷；Pi、Qi分别为电力系统节点i的注入有功功率和无功功率；PW,i、ΔPW,i分别为电力系统节点i的风电场的风电功率和弃风量；QC,i、PP2G,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；FGAS,m、FCHP,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；FP2G,m为天然气系统节点m的P2G装置的注入气流；FG,m、FD,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；Fm为天然气系统节点m的注入气流。Ne、Nm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)：FP2G,k=ηP2G,kPP2G,k/GHV,Σi=1NwΔPW,i>0,0,Σi=1NwΔPW,i=0,k=1,2,...,Nc---(4)]]>其中，PP2G,k、FP2G,k分别为P2G装置k的消耗电功率和注入气流，ηP2G,k为P2G装置k的转化效率；GHV为天然气高热值，取值1015Btu/SCF；ΔPW,i为电力系统节点i的风电场弃风量。Nw、Nc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：FGAS,k=(αg,k+βg,kPGAS,k+γg,k(PGAS,k)2)/GHV,i=1,2,...,Na---(5)]]>FCHP,k＝PCHP,k/(ηCHP,kGHV),k＝1,2,...,Nb(6)PCHP,k＝HCHP,k/νCHP,k,k＝1,2,...,Nb(7)其中，PGAS,k、FGAS,k分别为燃气发电机组k的有功出力和消耗气流；PCHP,k、FCHP,k分别为燃气热电联产机组k的有功出力和消耗气流。αg,k、βg,k、γg,k为燃气发电机组k的耗量系数；ηCHP,k、vCHP,k分别为燃气热电联产机组k的转化效率和热电比；HCHP,k为燃气热电联产机组k的热负荷。Na、Nb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Pi和注入无功功率Qi，以及天然气系统节点m的注入气流Fm计算公式如下：Pi=ViΣj=1NeVj(Gijcosθij+Bijsinθij),i=1,2,...,Ne---(8)]]>Qi=ViΣj=1NeVj(Gijsinθij-Bijcosθij),i=1,2,...,Ne---(9)]]>Fm=Σr=1N1AmrLr+Σq=1NpEmqCq+Σq=1NpTmqτq,m=1,2,...,Nm---(10)]]>式中，Vi和Vj分别是电力系统节点i和j的电压幅值；Gij和Bij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；θij是电力系统节点i与j的电压相角差；Amr是节点‑管道关联矩阵A中第m行第r列元素；Emq是节点‑压缩机关联矩阵E中第m行第q列元素；Tmq是节点‑压缩机入口节点关联矩阵T中第m行第q列元素。Nl、Np分别为输气管道和压缩机支路的总数。Lr为流过天然气输气管道r(以下r为输气管道的序号)的流量，Cq为流过天然气压缩机支路q(以下q为压缩机支路的序号)的流量，τq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Lr为Lr=Krsmnsmn(πm2-πn2),r=1,2,...,N1---(11)]]>smn={+1,πm-πn≥0-1,πm-πn<0---(12)]]>式中，m和n分别为输气管道的首端节点和末端节点；πm、πn分别为节点m和n的气压；Kr为输气管道r的管道系数；smn表征气体流动方向。加压站燃气压缩机消耗的流量τq计算公式如下：τq=αc,q+βc,qHq+γc,qHq2,q=1,2,...,Np---(13)]]>Hq=BqCq[(πnπm)Zq(α-1/α)-1],q=1,2,...,Np---(14)]]>式中，m和n分别为压缩机支路的进口节点和出口节点；Hq为压缩机支路q消耗的电功率；Cq为流过压缩机支路q的流量；Bq为压缩机支路q的压缩机系数；Zq为压缩机支路q的进口气体压缩因子；α为绝热系数；αc,q、βc,q、γc,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minf=Σi=1Ndλe,iCe,i+Σm=1Ngλg,mCg,m+Σk=1N6λh,kCh,k+Σi=1Nwλw,iΔPW,i---(15)]]>式中，Ce,i是电负荷节点i的负荷削减变量；Cg,m是气负荷节点m的负荷削减变量；Ch,k是燃气热电联产机组k的热负荷削减变量；ΔPW,i是风电场i的弃风变量；Nd是电负荷节点的总数，Ng是气负荷节点的总数；λe,i为表征各电负荷重要性的权重因子，λg,m为表征各气负荷重要性的权重因子，λh,k为表征各热负荷重要性的权重因子，λw,i为表征各风电场弃风严重性的权重因子。②式约束考虑电负荷削减变量Ce,i、气负荷削减变量Cg,m、热负荷削减变量Ch,k和弃风变量ΔPW,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)，建立如下式约束：PG,i+PGAS,i+PCHP,i+PW,i+Ce,i‑PP2G,i‑ΔPW,i‑PD,i‑Pi＝0,i＝1,2,...,Ne    (16)QG,i+QGAS,i+QCHP,i+QC,i‑QD,i+Ce,i(QD,i/PD,i)‑Qi＝0,i＝1,2,...,Ne   (17)FG,m+FP2G,m+(Cg,m/GHV)‑FGAS,m‑FCHP,m‑FD,m‑Fm＝0,m＝1,2,...,Nm    (18)PCHP,k＝(HCHP,k‑Ch,k)/νCHP,k,k＝1,2,...,Nb   (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不式约束电‑气互联系统的综合负荷削减优化模型的不式约束包括：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≤Ce,i≤PD,i,i＝1,2,...,Nd   (20)0≤Cg,mGHV≤FD,m,m=1,2,...,Ng---(21)]]>0≤Ch,k≤HCHP,k,k＝1,2,...,Nb   (22)0≤ΔPW,i≤PW,i,i＝1,2,...,Nw   (23)PP2G,kmin≤PP2G,k≤PP2G,kmax,k=1,2,...,Nc---(24)]]>PGAS,kmin≤PGAS,k≤PGAS,kmax,k=1,2,...,Na---(25)]]>QGAS,kmin≤QGAS,k≤QGAS,kmax,k=1,2,...,Na---(26)]]>PCHP,kmin≤PCHP,k≤PCHP,kmax,k=1,2,...,Nb---(27)]]>QCHP,kmin≤QCHP,k≤QCHP,kmax,k=1,2,...,Nb---(28)]]>πmmin≤πm≤πmmax,m=1,2,...,Nm---(29)]]>FG,mmin≤FG,m≤FG,mmax,m=1,2,...,Ns---(30)]]>Rqmin≤Rq≤Rqmax,q=1,2,...,Np---(31)]]>Vimin≤Vi≤Vimax,i＝1,2,...,Ne   (32)PG,imin≤PG,i≤PG,imax,i=1,2,...,Nu---(33)]]>QG,imin≤QG,i≤QG,imax,i=1,2,...,Nu---(34)]]>‑Tlmin≤Tl≤Tlmax,l＝1,2,...,Nr   (35)式中，Tl是输电线路l流过的功率；Rq是压缩机支路q的压缩比。Nr是输电线路的总数，Nu是非燃气常规机组的总数，Ns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：EEDNS=Σx∈G1P(x)Ce(x)---(36)]]>EGDNS=Σx∈G2P(x)Cg(x)---(37)]]>EHDNS=Σx∈G3P(x)Ch(x)---(38)]]>EWPA=Σx∈G4P(x)ΔPW(x)---(39)]]>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。Ce(x)为系统状态x的电负荷削减量，Cg(x)为系统状态x的气负荷削减量，Ch(x)为系统状态x的热负荷削减量，ΔPW(x)为系统状态x的弃风量，以上计算公式如下：Ce(x)=Σi=1NdCe,i---(40)]]>Cg(x)=Σm=1NgCg,m---(41)]]>Ch(x)=Σk=1NbCh,k---(42)]]>ΔPW(x)=Σi=1NwΔPW,i---(43)]]>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：PUPk=Σx∈G5,kP(x)---(44)]]>式中，PUPk为P2G装置k的利用概率，G5,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于P2G装置消耗电功率与其装置容量比值的期望值：PCUk=Σx∈G5,kP(x)(PP2G,k/CP2G,k)---(45)]]>式中，PCUk为P2G装置k的容量利用率；CP2G,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：PEDBk＝(EEDNS0‑EEDNS1)/CP2G,k   (46)PGDBk＝(EGDNS0‑EGDNS1)/CP2G,k   (47)PHDBk＝(EHDNS0‑EHDNS1)/CP2G,k   (48)PWABk＝(EWPA0‑EWPA1)/CP2G,k   (49)式中，PEDBk为P2G装置k对电力不足期望值贡献系数；PGDBk为P2G装置k对气量不足期望值贡献系数；PHDBk为P2G装置k对热力不足期望值贡献系数；PWABk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。