CN109858768A - 考虑综合时变停运模型的综合能源电-热网风险评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开考虑综合时变停运模型的综合能源电‑热网风险评估方法。本发明基于电‑热网耦合的概率模型风险评估方法，针对综合能源系统包含多能源类型设立评估指标。该方法以光伏、风力发电机等关键设备的故障概率模型为例，充分考虑各类能源网的关键指标需求。此外考虑到园区运行情况，设立了供电、供热不足，温度、压力不达标等需求风险。

Description

考虑综合时变停运模型的综合能源电-热网风险评估方法
技术领域
本发明涉及一种考虑设备综合时变停运模型的综合能源系统的电-热网风险评估方法。
背景技术
在综合能源系统中，包含电/气/冷/热的多能互补与耦合将会给系统的安全分析带来前所未有的挑战。传统能源系统中，电网、热网、天然气管道等系统相对独立，各自的安全性几乎不会受到其他系统的安全性的影响。随着多能流系统的发展，各种能量子系统之间的耦合逐渐加强，系统特性发生变化，整个系统的安全性问题变得更为复杂，任何一个子系统的扰动都有可能导致整个稳定性下降。同时由于不同形式能量的深度融合，综合能源系统的安全事故并不局限于电网，某一网络故障发生后若不及时控制往往会波及其他网络，造成严重的连锁故障。因此，综合能源系统风险评估方法对于保障系统安全稳定具有重要意义。
传统能源系统风险评估方法基于风险理论，定量地考量事故的可能性和严重性两个重要因素，并通过引入反映经济因素的风险指标，描绘风险对系统经济性的影响，最终达到有效指导运行人员对系统进行调度调控的目的。伴随综合能源系统间各能量子系统的耦合，系统运行状况较单一能源系统更为复杂。同时考虑到各类设备随机故障的不可控性与精准负荷预测的难度，综合能源系统的运行人员亟需合理的系统风险评估方法以辅助其准确掌握系统安全指标及相应经济因素。
发明内容
本发明的目的旨在提供基于综合能源系统的概率模型风险评估方法，提出包括电网线路功率、节点电压，热网管道温度、压力等关键风险评估指标。此外，对园区用户，还需考虑供能不足和供能质量不达标的供能风险。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1、从数据库获取综合能源系统的日前调度计划、光伏预测及负荷预测等：
步骤2、建立设备综合时变停运模型；
步骤3、建立风险评估指标体系；
步骤4、在指标计算完成后，进行风险定级，将不同类型、不同量纲的指标按相应风险阈值分级，以便于跨类别的风险值比较以及系统总风险等级评估；
步骤2中阐述了一种考虑设备老化因素的非时齐马尔可夫过程设备实时停运概率模型；
步骤3中分别从园区运营者和用户出发，提出多维度风险评估指标体系。本发明有益效果如下：
通过基于电-热网耦合的概率模型风险评估方法，针对综合能源系统包含多能源类型设立评估指标。该方法以光伏、风力发电机等关键设备的故障概率模型为例，充分考虑各类能源网的关键指标需求。此外考虑到园区运行情况，设立了供电、供热不足，温度、压力不达标等需求风险。
附图说明
图1为综合时变停运模型。
图2为多维度风险评估指标体系。
图3为基于综合能源系统的电-热网风险评估流程。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明做进一步的分析。
图1为综合时变停运模型。
图3为基于综合能源系统的电-热网风险评估流程。
步骤1、从数据库获取综合能源系统的日前调度计划、光伏预测及负荷预测等：
此步骤的目的是利用预测结果进行基态潮流计算，所得结果用于后续步骤中的功率、电压风险指标计算。
步骤2、建立设备综合时变停运模型：
本发明从综合能源系统中的光伏、风力发电机等关键设备基本停运模型基础出发，针对可修复故障加入实时运行电压和频率两个时变因素，针对不可修复故障建立服役时间作用的老化失效模型，最后通过停运概率的并集运算将两种不同故障机理的停运因素统一表达，得到综合时变停运模型。
运行风险评估的研究时间尺度较短，关键设备可视为不可修复元件。而老化失效的故障累积效应本身就是一种不可修复因素，因此这两类停运因素虽然故障作用机理不同，但在运行风险评估的研究时间框架内本质属性相同，可以进行综合表达。但两类停运因素得到的时变停运模型数据评价标准不同，单位量纲也不同。基于电压、频率的设备时变停运模型得到的是实时故障率，单位是次/年；而服役时间作用的老化失效概率是一个无量纲的概率值，表征设备在服役时间作用下后续时间内发生老化失效的概率。为了将两类停运因素使用同一个数学模型进行统一表达，采用非时齐马尔可夫过程处理基于电压、频率的设备实时故障率，从而与服役时间作用的老化失效概率可统一为无量纲的设备综合时变停运概率。
2.1基于非时齐马尔可夫过程的设备实时停运概率
根据马尔可夫过程理论有，当故障率、修复率为常数时，连续工作时间和停运时间服从指数分布，状态转移过程为非时齐马尔可夫过程。从而
dp(t)/dt＝p(t)A
式中，p(t)＝[p0(t),p1(t)]，p0(t)和p1(t)分别为工作和停运的瞬时状态概率，λ、μ分别为故障率和修复率。则t时刻的设备工作及停运状态概率为
设p(0)＝[pw,pn]表示设备在0时刻的工作和停运状态概率初始值，则t时刻的设备工作及停运概率为
运行风险评估计算周期内各关键设备均看作不可修复元件，因此μ＝0。假设运行风险评估计算周期内初始0时刻各关键设备均处于运行状态，即pw＝1。则设备在t时刻处于运行状态的概率为p0(t)＝e-λt，停运状态概率为1-e-λt。
2.2考虑老化因素的设备综合时变停运概率
根据马尔可夫过程推导知，设备从0到t时刻发生停运的Δt时间内的状态转移速率为(1-p0(t))′＝λe-λt，基于电压U和频率f的时变停运模型得到实时故障率λ(U,f)后，可有时间区间Δt内设备的停运概率为
应用并集运算可有时间T内运行工况(U,f,T)的设备综合时变停运概率为：
V(U,f,T)＝Vr+Va-VrVa
Va为老化失效概率。
步骤3、建立风险评估指标体系
本发明分别从园区运营者和用户出发，提出多维度风险评估指标体系如图2所示。
综合能源系统中风险定义为风险发生概率与其严重程度乘积，如下式所示：
式中，Xf是系统的运行方式；Ei是第i个故障；Pr(Ei)是故障Ei发生的概率；S(Ei,Xf)是在Xf的运行方式下发生第i个故障后系统的严重程度；R(Xf)是系统在Xf运行方式下的运行风险指标。
参照该定义，给出综合能源系统(IES)各风险指标(见图2)计算方式如下所示(以下单位均为标幺值)：
1)线路功率越限风险:
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，Pr(Ei)为事件概率，LP为基态热负荷，为该事件中线路的实际传输功率，Pmax为线路传输功率上限。
2)节点压偏移风险
其中Ei为风险事件集，Pr(Ei)为事件概率，为该事件中的节点电压，Vmin为节点电压最低允许值，Vvax为节点电压最高允许值。
3)管道温度偏移风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，为该事件中的管道温度，Tmin为管道温度最低允许值，Tmax为管道温度最高允许值。
4)管道流量越限风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，为该事件中的管道流量，mmax为管道流量最高允许值。
5)管道压力越限风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，为该事件中的管道压力，Pamin为管道压力最低允许值，Pamax为管道压力最高允许值。
6)电力不足风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，LP为基态电负荷，该事件中实际供给的电负荷。
7)供热不足风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，LH为基态热负荷，该事件中实际供给的热负荷。
8)温度不达标风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，为该事件中用户处的温度，为用户端的温度上限，T是用户端的温度下限。
9)压力不达标风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，该事件中的用户端压力，为用户端的压力上限，Pa是用户端的压力下限。
步骤4、在步骤3指标计算完成后根据所计算出的风险值进行风险定级，将不同类型、不同量纲的指标按给定的相应风险阈值分级，以便于跨类别的风险值比较以及系统总风险等级评估。根据最低合理可行(as low as reasonably practically,ALAPR)原则，风险定级的标准如下表所示：
风险等级 风险值范围
高风险 &gt;1.79×10<sup>-5</sup>
中等风险 2.39×10<sup>-6</sup>～1.79×10<sup>-5</sup>
低风险 &lt;2.39×10<sup>-6</sup>

Claims (1)

1.考虑综合时变停运模型的综合能源电-热网风险评估方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、从数据库获取综合能源系统的日前调度计划、光伏预测及负荷预测等：
步骤2、建立设备综合时变停运模型：
2.1基于非时齐马尔可夫过程的设备实时停运概率
根据马尔可夫过程理论有，当故障率、修复率为常数时，连续工作时间和停运时间服从指数分布，状态转移过程为非时齐马尔可夫过程；从而
dp(t)/dt＝p(t)A
式中，p(t)＝[p0(t),p1(t)]，p0(t)和p1(t)分别为工作和停运的瞬时状态概率，λ、μ分别为故障率和修复率；则t时刻的设备工作及停运状态概率为
设p(0)＝[pw,pn]表示设备在0时刻的工作和停运状态概率初始值，则t时刻的设备工作及停运概率为
运行风险评估计算周期内各关键设备均看作不可修复元件，因此μ＝0；假设运行风险评估计算周期内初始0时刻各关键设备均处于运行状态，即pw＝1；则设备在t时刻处于运行状态的概率为p0(t)＝e-λt，停运状态概率为1-e-λt；
2.2考虑老化因素的设备综合时变停运概率
根据马尔可夫过程推导知，设备从0到t时刻发生停运的Δt时间内的状态转移速率为(1-p0(t))′＝λe-λt，基于电压U和频率f的时变停运模型得到实时故障率λ(U,f)后，可有时间区间Δt内设备的停运概率为
应用并集运算可有时间T内运行工况(U,f,T)的设备综合时变停运概率为：
V(U,f,T)＝Vr+Va-VrVa
Va为老化失效概率；
步骤3、建立多维度风险评估指标体系，包括运行风险指标和供能风险指标；
运行风险指标包括线路功率越限风险、节点压偏移风险、管道温度偏移风险、管道流量越限风险、管道压力越限风险，供能风险指标包括电力不足风险、供热不足风险、温度不达标风险、压力不达标风险；
1)线路功率越限风险:
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，Pr(Ei)为事件概率，LP为基态热负荷，为该事件中线路的实际传输功率，Pmax为线路传输功率上限；
2)节点压偏移风险
其中Ei为风险事件集，Pr(Ei)为事件概率，为该事件中的节点电压，Vmin为节点电压最低允许值，Vmax为节点电压最高允许值；
3)管道温度偏移风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，为该事件中的管道温度，Tmin为管道温度最低允许值，Tmax为管道温度最高允许值；
4)管道流量越限风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，为该事件中的管道流量，mmax为管道流量最高允许值；
5)管道压力越限风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，为该事件中的管道压力，Pamin为管道压力最低允许值，Pamax为管道压力最高允许值；
6)电力不足风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，LP为基态电负荷，该事件中实际供给的电负荷；
7)供热不足风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，LH为基态热负荷，该事件中实际供给的热负荷；
8)温度不达标风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，为该事件中用户处的温度，为用户端的温度上限，T是用户端的温度下限；
9)压力不达标风险
其中Ei是第i个故障，Pr(Ei)是故障Ei发生的概率，该事件中的用户端压力，为用户端的压力上限，Pa是用户端的压力下限；
步骤4、在步骤3指标计算完成后根据所计算出的风险值进行风险定级，将不同类型、不同量纲的指标按给定的相应风险阈值分级，以便于跨类别的风险值比较以及系统总风险等级评估。
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