CN108629129B - 一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法，属多能流耦合系统故障分析研究领域，包括以下步骤：获取多能流系统的元件组成情况和拓扑结构作为原始数据；提出一种以燃气轮机为核心，以供气路径故障为重要环节的多能流系统连锁故障路径；针对前述的连锁故障发展路径求取影响耦合元件燃气轮机工作的多能流系统供气路径Rk；以多能流系统供气路径为基础生成前述多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型。本发明以多能流系统为研究背景，以电力‑天然气系统的耦合元件燃气轮机为问题核心，定义并求解对其产生影响的供气路径，生成多能流系统的连锁故障事故链模型，合理描述和求解多能流系统的连锁故障产生与发展。
Description
技术领域
本发明属于多能流耦合系统故障分析研究领域，涉及一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法。
背景技术
目前关于连锁故障的分析还仅局限于电力系统中，但是随着电力、天然气、热力系统互联形成多能流系统，系统与系统之间的耦合程度不断提升，多能流系统覆盖范围逐渐扩大，某一能流系统的状态变化或故障可能会影响到其他能流系统的安全稳定运行，所带来的影响甚至会造成系统解列崩溃等恶性事故，因此对多能流系统连锁故障的相关研究亟待开展。
在多能流系统中，电力系统与热力系统、天然气通过热电联产单元、燃气轮机、P2G装置、电驱动压缩机、浸入式加热器、水泵等元件联系起来。元件种类相比传统电力系统中的断路器、继保装置等更加丰富，且不同能量系统时间常数不一致，元件物理特性很难在确定性方法中统一起来，同时由于多能流系统元件的退出或故障所引发的一系列事件同样可能导致整个多能流系统的崩溃。其中电力与天然气系统间的耦合元件燃气轮机的作用更加突出，其一方面通过天然气系统的供气路径获得机组燃料天然气，另一方面通过将天然气的化学能转化为电能向电力系统注入，一旦燃气轮机部分出现故障，对系统所造成的恶行影响不可估量。因此需要对这种连锁故障发展路径建立一种合适的连锁故障模型来描述。
在传统的电力系统领域，学术界已形成了若干电力系统连锁故障模型机理研究相关理论体系：从数学方法划分，已有电力系统连锁故障理论模型可分为确定性方法、概率方法、复杂系统方法与推理学习方法四类；在方法论上主要分为两种思路：①以潮流/稳定计算等传统电力系统仿真分析算法为核心的模型，包括OPA，CASCADE(级联失效过程)、隐性故障、分支过程模型、事故链模型等，②将电力系统抽象为复杂系统，利用复杂网络、复杂系统的思想进行分析，如小世界、无标度网络模型等，还包括部分基于人工智能算法的模式搜索与识别方法。其中事故链作为描述电力系统连锁故障的有效工具，由于其理论认为大事故极少由一个原因引起，而是在多个条件同时满足的情况下由各个环节的相关诱发因素诱发而产生的，无需过多考虑系统中元件的特性，避免了多能流系统元件特性模型的建立较为复杂这一难点，决定了事故链模型适用于本发明中多能流系统连锁故障的分析。由于考虑到电力系统连锁故障事故链模型已经很成熟，本发明仅针对初始触发环节发生在天然气能流系统的部分进行分析。
综上所述，本发明以向燃气轮机提供天然气的供气路径故障作为连锁故障发展路径的核心问题，提出一种多能流系统连锁故障的发展路径，以供气路径的求取和该连锁故障发展路径下事故链的生成来描述多能流系统的连锁故障问题，实现了对多能流系统运行安全问题的设定，进而研究了一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法，对于适应多能流系统覆盖范围的扩大和提升多能流系统运行的安全稳定性具有积极意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明“一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法”，提出一种多能流系统连锁故障的发展路径，以电-气耦合元件燃气轮机为问题核心，定义并求解对其产生影响的供气路径，基于供气路径生成该连锁故障发展路径下的事故链模型。
本发明采用如下技术方案：一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：获取多能流系统的元件组成情况和拓扑结构作为原始数据：获得包括燃气轮机、电驱动压缩机、水泵、浸入式加热器的多能流系统结构，将上述非电力系统元件视为多能流系统元件，并建立多能流系统有向图；
步骤2：提出在多能流系统中存在一种初始触发环节发生在天然气系统的连锁故障路径，即天然气系统向燃气轮机供气的供气路径出现故障，导致燃气轮机进气量不足从而发电量不足，造成系统频率失稳切机组并进一步切负荷的连锁故障发展路径，其中供气路径是指可以独立满足某部分天然气需求的所有输气、供气元件按照能流流经顺序构成的有序集合；
步骤3：针对步骤2设定的连锁故障发展路径，确定影响电-气耦合环节燃气轮机进气量的天然气系统供气路径Rk，求取天然气系统的供气路径的步骤如下：
(1)进行多能流计算；
(2)绘制多能流系统的有向图；
(3)以天然气系统部分Ai和以电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak为顶点对有向图进行拉伸变形，即将有向图重新绘制成以天然气系统Ai为起始点和以电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak为终止点的有向图，上述有向图中每条线段的方向相对不变。
(4)写出天然气系统Ai向电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak供电的供气路径Rk；
步骤4：生成能够描述步骤2所述的多能流系统连锁故障发展路径的多能流连锁故障事故链:
首先对系统进行多能流计算，确定该运行方式下的能流方向；然后对电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak进行分析，并在向电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak供能的主能流方向上即供气路径上选择初始故障；在多能流供气路径上确定下一故障元件集，并根据其关联度选择下一重的故障元件进行事故链的搜索与生成。为了简化计算，从能流末端的线路开始计算，这样下一重的故障元件集就只需考虑平行路径上的线路或上一级线路，由于连锁故障发生的时间间隔较长，下一重的故障可以在上一重的故障过渡过程结束后再设定，本发明以系统解列，并造成子系统内大面积停电为事故链搜索结束并生成的判据。
附图说明
附图为本发明一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法的整体实施流程图。
具体实施方式
本发明提出的一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法，其整体实施流程见图1，下面阐述其具体实施方式。
步骤1：获取多能流系统的元件组成情况和拓扑结构作为原始数据，获得包括燃气轮机、电驱动压缩机、水泵、浸入式加热器的多能流系统结构，将上述非电力系统元件视为多能流系统元件，并建立多能流系统有向图。
多能流系统有向图定义为以电力系统变电站或母线、天然气系统气源或气阀、热力系统热源或加热器为节点，以电力系统线路和变压器、天然气系统压缩机、热力系统水泵为边，边的方向为各能流方向所构成的图形。在多能流系统有向图中，节点采用符合各自能流系统通用标准的元件代号或名称标识，边采用符合各自能流系统通用标准的元件代号或名称标识。多能流系统有向图与多能流系统某种特定的运行方式一一对应，即多能流系统任何一种特定的运行方式都可以采用对应的有向图表征，当多能流系统运行方式发生变化时，有向图也发生变化。根据连锁故障分析需要，停运的多能流系统元件不包括在多能流系统有向图中，因为其能流为零，不能表示其方向；对分析结果没有实质性影响的元件可以不包括在多能流系统的有向图中。定义多能流系统的有向图是为了直观表征和求取多能流系统中某一能流系统向其属下的某一部分负荷点或某子系统的供气路径。
步骤2：提出在多能流系统中存在一种初始触发环节发生在天然气系统的连锁故障路径，即天然气系统向燃气轮机供气的供气路径出现故障，导致燃气轮机进气量不足从而发电量不足，造成系统频率失稳切机组并进一步切负荷的连锁故障发展路径。其中供气路径是指可以独立满足某部分天然气需求的所有输气、供气元件按照能流流经顺序构成的有序集合。
供气路径的故障情况具体可以描述为：
(1)、向燃气轮机供气的天然气管道出现故障，无法向燃气轮机供应足够的天然气，造成燃气轮机机组进气量不足；
(2)、向燃气轮机供气的天然气管道阀门出现故障，无法向燃气轮机供应足够的天然气，造成燃气轮机机组进气量不足；
(3)、给天然气管道的气体提高压力的电驱动压缩机出现故障，导致管道压力不足，无法向燃气轮机供应足够的天然气，造成燃气轮机机组进气量不足。
步骤3：针对步骤2设定的连锁故障发展路径，确定影响电-气耦合环节燃气轮机进气量的天然气系统供气路径Rk，求取天然气系统的供气路径的步骤如下：
(1)进行多能流计算；
(2)绘制多能流系统的有向图；
(3)以天然气系统部分Ai和以电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak为顶点对有向图进行拉伸变形，即将有向图重新绘制成以天然气系统Ai为起始点和以电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak为终止点的有向图，上述有向图中每条线段的方向相对不变。
(4)写出天然气系统Ai向电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak供电的供气路径Rk。
步骤4：生成能够描述步骤2所述的多能流系统连锁故障发展路径的多能流连锁故障事故链。
首先对系统进行多能流计算，确定该运行方式下的能流方向；然后对电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak进行分析，并在向电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak供能的主能流方向上即供气路径上选择初始故障；在多能流供气路径上确定下一故障元件集，并根据其关联度选择下一重的故障元件进行事故链的搜索与生成。为了简化计算，从能流末端的线路开始计算，这样下一重的故障元件集就只需考虑平行路径上的线路或上一级线路，由于连锁故障发生的时间间隔较长，下一重的故障可以在上一重的故障过渡过程结束后再设定，本发明以系统解列，并造成子系统内大面积停电为事故链搜索结束并生成的判据。
本发明与现有技术相比的有益效果是，本发明真实反映了多能流系统发生故障情况下的真实情况，综合考虑了多能流系统中的一种连锁故障发展路径。本发明提出的一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法，可用于多能流系统覆盖范围扩大后的连锁故障分析。
以上实施方式仅用于说明本发明，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。
Claims (3)
1.一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法，其特征是，该方法包括如下步骤：
步骤1：获取多能流系统的元件组成情况和拓扑结构作为原始数据：获得包括燃气轮机、电驱动压缩机、水泵、浸入式加热器的多能流系统结构，将上述非电力系统元件视为多能流系统元件，并建立多能流系统有向图；
步骤2：提出在多能流系统中存在一种初始触发环节发生在天然气系统的连锁故障路径，即天然气系统向燃气轮机供气的供气路径出现故障，导致燃气轮机进气量不足从而发电量不足，造成系统频率失稳切机组并进一步切负荷的连锁故障发展路径，其中供气路径是指可以独立满足某部分天然气需求的所有输气、供气元件按照能流流经顺序构成的有序集合，供气路径根据多能流系统能流有向图确定；
步骤3：针对步骤2设定的连锁故障发展路径，确定影响电-气耦合环节燃气轮机进气量的天然气系统供气路径Rk，求取天然气系统的供气路径的步骤如下：
(1)进行多能流计算；
(2)绘制多能流系统的有向图；
(3)以天然气系统部分Ai和以电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak为顶点对有向图进行拉伸变形，即将有向图重新绘制成以天然气系统Ai为起始点和以电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak为终止点的有向图，上述有向图中每条线段的方向相对不变；
(4)写出天然气系统Ai向电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak供电的供气路径Rk；
步骤4：生成能够描述步骤2所述的多能流系统连锁故障发展路径的多能流连锁故障事故链：
首先对系统进行多能流计算，确定该运行方式下的能流方向；然后对电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak进行分析，并在向电力-天然气系统耦合环节燃气轮机Ak供能的主能流方向上即供气路径上选择初始故障；在多能流供气路径上确定下一故障元件集，并根据其关联度选择下一重的故障元件进行事故链的搜索与生成；为了简化计算，从能流末端的线路开始计算，这样下一重的故障元件集就只需考虑平行路径上的线路或上一级线路，由于连锁故障发生的时间间隔较长，下一重的故障可以在上一重的故障过渡过程结束后再设定，以系统解列，并造成子系统内大面积停电为事故链搜索结束并生成的判据。
2.根据权利要求1 所述的一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法，其特征是，步骤1提出了建立多能流系统有向图，多能流系统有向图定义为以电力系统变电站或母线、天然气系统气源或气阀、热力系统热源或加热器为节点，以电力系统线路和变压器、天然气系统压缩机、热力系统水泵为边，边的方向为各能流方向所构成的图形，在多能流系统有向图中，节点采用符合各自能流系统通用标准的元件代号或名称标识，边采用符合各自能流系统通用标准的元件代号或名称标识，多能流系统有向图与多能流系统某种特定的运行方式一一对应，即多能流系统任何一种特定的运行方式都可以采用对应的有向图表征，当多能流系统运行方式发生变化时，有向图也发生变化，根据连锁故障分析需要，停运的多能流系统元件不包括在多能流系统有向图中，因为其能流为零，不能表示其方向，对分析结果没有实质性影响的元件可以不包括在多能流系统的有向图中；定义多能流系统的有向图是为了直观表征和求取多能流系统中某一能流系统向其属下的某一部分负荷点或某子系统的供气路径。
3.根据权利要求1 所述的一种多能流系统连锁故障发展路径的事故链模型生成方法，其特征是，步骤2提出了一种多能流系统连锁故障的发展路径，在多能流系统中存在一种初始触发环节发生在天然气系统的连锁故障路径，即天然气系统向燃气轮机供气的供气路径出现故障，导致燃气轮机进气量不足从而发电量不足，造成系统频率失稳切机组并进一步切负荷的连锁故障路径，其中供气路径的故障情况具体可以描述为：
(1)向燃气轮机供气的天然气管道出现故障，无法向燃气轮机供应足够的天然气，造成燃气轮机机组进气量不足；
(2)向燃气轮机供气的天然气管道阀门出现故障，无法向燃气轮机供应足够的天然气，造成燃气轮机机组进气量不足；
(3)给天然气管道的气体提高压力的电驱动压缩机出现故障，导致管道压力不足，无法向燃气轮机供应足够的天然气，造成燃气轮机机组进气量不足。
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