CN110991839B - 一种电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电‑气综合能源系统整体脆弱性的评估方法。过程为：采集电‑气综合能源系统的基础数据，获取电‑气综合能源系统的所有关键节点和关键支路，计算配电网和天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数，计算配电网和天然气管网的所有关键节点和关键支路的归一化脆弱性指标，根据所有归一化脆弱性指标计算电‑气综合能源系统的脆弱性基尼系数，以脆弱性基尼系数评估电‑气综合能源系统的整体脆弱性。本发明能综合全面的反映电‑气综合能源系统的整体脆弱性，解决了配电网脆弱性、天燃气管网脆弱性对电‑气综合能源系统整体脆弱性影响的评估问题，避免了采用系统最脆弱点来代表电‑气综合能源系统整体脆弱性所带来的风险。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统运行分析技术领域，具体涉及一种电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法。
背景技术
随着气电装机规模的不断提升以及电转气技术的日趋成熟，电力、天然气系统间的耦合关系愈加深化，电-气综合能源系统的安全性也愈发引起重视。电-气综合能源系统事故的扩大与电-气综合能源系统的关键环节具有密切的关系，这些关键环节主要包括：在电-气综合能源系统运行中扮演重要角色的电力线路、天然气管线、电力节点和天然气管网节点，这些关键环节的故障乃至退出运行将造成电-气综合能源系统的电-气网络元件故障的连锁反应，最终导致电-气综合能源系统的大面积故障乃至崩溃。因此，在当前的电-气综合能源系统的运行方式下，必须及时、准确的辨识出电-气综合能源系统的关键环节并判断出整个电-气综合能源系统的整体脆弱性，从而给出有针对性的预防控制措施，以提高整个电-气综合能源系统的可靠性，减少电-气综合能源系统事故的发生。
目前，现有对于电网脆弱性和天然气管网的脆弱性的主要考虑以下几种因素：
(1)对于电网脆弱性的评估，传统的理论通常是基于电力系统能量潮流特性、基于风险理论、基于复杂网络理论等，来研究电力系统结构特征及其故障动态传播行为。其中，基于电力系统能量潮流特性的评估方法通过计算电力系统的能量裕度和系统状态灵敏度，判断电力系统处于何种安全水平；基于风险理论的脆弱性评估方法通过建立风险指标体系，对电力系统的风险水平进行定量评估，这种方法受元件故障概率的影响较大，并且，这种方法采用经济手段来评价电力系统的脆弱性，无法反映电网的物理本质；基于复杂网络理论的研究方法应用复杂网络理论，寻找影响电力系统全局的电网结构中的脆弱环节，以便在实际运行中对这些环节提供针对性的保护措施。以上的用于电网的脆弱性评估的方法只是针对电网中的关键脆弱性节点或者脆弱性支路进行评估，并未对电网的全局的脆弱性进行评估。
(2)在现有的对于电-气综合能源系统的脆弱性评估中，通常采用基于复杂网络理论的方法，建立反映综合能源系统的脆弱性指标，通过脆弱性指标来选取综合能源系统的脆弱环节，用综合能源系统的最弱环节来表征衡量综合能源系统的脆弱性。
(3)在现有的对于含有配电网和燃气系统的电-气综合能源系统的脆弱性评价中，大部分研究都是分别对配电网和燃气系统的脆弱性进行评价，评价的结果采用单一的脆弱性指标，只是分别表明在配电网和燃气系统中哪些节点、配电线路和燃气管线是脆弱节点、脆弱线路和脆弱管路，这种方法只能够分别对电网和燃气系统的脆弱性进行评价，无法评估电-气综合能源系统整体的脆弱性。现有少量的对综合能源系统脆弱性的研究基于复杂网络理论，通过对综合能源系统的脆弱性节点和脆弱性支路进行定量评估来评价综合能源系统的整体脆弱性，这种方法用综合能源系统的脆弱环节的脆弱性来表示综合能源系统的整体脆弱性，无法全面的反映电-气综合能源系统整体的脆弱性。从整体上衡量含有配电网和燃气系统的电-气综合能源系统的整体脆弱性，必须能够体现电-气综合能源系统全系统的脆弱性分布的均衡性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法。
本发明采用的技术方案是：一种电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，包括以下步骤：
S1：采集电-气综合能源系统的基础数据，根据电-气综合能源系统的基础数据获取配电网的所有关键节点和关键支路、天然气管网的所有关键节点和关键支路；
S2：基于复杂网络理论计算配电网和天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数；
S3：根据配电网中任意两个节点之间的最短路径数及配电网的关键节点和关键支路计算配电网的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标；
S4：根据天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数及天然气管网的关键节点和关键支路计算天然气管网的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标；
S5：根据S3和S4得到的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标计算电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数，以电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数评估电-气综合能源系统的整体脆弱性。
进一步地，根据电-气综合能源系统的基础数据建立配电网和天燃气管网的节点网络矩阵，根据配电网和天燃气管网的节点网络矩阵计算配电网和燃气系统的任意两个节点之间的最短路径数。
进一步地，根据以下公式计算配电网的关键节点的归一化脆弱性指标：
其中，CE(i)为配电网的关键节点i的归一化脆弱性指标，N为配电网中节点的总数量；njk为配电网中的节点j与节点k之间的最短路径数，njk(i)为配电网中的节点j与节点k之间经过关键节点i的最短路径数。
进一步地，根据以下公式计算配电网的关键支路的归一化脆弱性指标：
其中，CE(p)为配电网的关键支路p的归一化脆弱性指标，N为配电网中节点的总数量；njk为配电网中的节点j与节点k之间的最短路径数，njk(p)为配电网中的节点j与节点k之间经过关键支路p的最短路径数。
进一步地，根据以下公式计算天然气管网的关键节点的归一化脆弱性指标：
其中，CH(I)为天然气管网的关键节点I的归一化脆弱性指标；M为天然气管网中节点的总数量；nJK为天然气管网中的节点J与节点K之间的最短路径数，nJK(I)为天然气管网中的节点J与节点K之间经过关键节点I的最短路径数。
进一步地，根据以下公式计算天然气管网的关键支路的归一化脆弱性指标：
其中，CH(P)为天然气管网的关键支路P的归一化脆弱性指标；M为天然气管网中节点的总数量；nJK为天然气管网中的节点J与节点K之间的最短路径数，nJK(P)为天然气管网中的节点J与节点K之间经过关键支路P的最短路径数。
进一步地，根据以下公式计算所述电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数：
其中，VGini为电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数，n为电-气综合能源系统中关键元素的总数量，所述关键元素包括配电网的关键节点、关键支路和天燃气管网的关键节点和关键支路；E为电-气综合能源系统的关键元素的归一化脆弱性指标的均值；Cl、Cm分别为关键元素l和关键元素m的归一化脆弱性指标，l、m为所有关键元素中的任意两个元素。
进一步地，根据电-气综合能源系统的基础数据分别计算配电网的基础潮流和天然气管网的能量流，根据基础潮流和能量流以安全裕度为基准获取配电网的所有关键节点和关键支路、天然气管网的所有关键节点和关键支路。
进一步地，节点的安全裕度以节点电压与节点电压的安全边界的差值衡量。
更进一步地，支路的安全裕度以支路的负载率或传输容量衡量。
本发明的有益效果是：(1)本发明方法在原有的运行脆弱性评估的基础上，考虑了含配电网和燃气管网的电-气综合能源系统的整体脆弱性，为电-气综合能源系统的整体脆弱性评估提供了更加全面的评估依据；(2)本发明方法直接采用复杂网络理论的脆弱性指标来衡量具有不同物理特性的电-气综合能源系统，避免了采用传统潮流特性指标的片面性，以及采用风险理论的经济性指标对评估结果客观性的影响；另外，本发明所采用的指标计算均经过归一化步骤，这样的处理更有利于电-气综合能源系统的运行人员能够更直观的了解电-气综合能源系统的整体的脆弱性，从而更有利于电-气综合能源系统运行人员在系统运行时对电-气综合能源的脆弱性的有效控制。(3)本评估方法综合考虑了电-气综合能源系统的脆弱性，采用电-气综合能源系统脆弱性基尼系数作为系统的脆弱性评价指标，能综合全面的反映电-气综合能源系统的整体脆弱性，解决了配电网系统脆弱性、燃气管网脆弱性对电-气综合能源系统整体脆弱性影响的评估问题，避免了采用系统最脆弱点来代表电-气综合能源系统整体脆弱性所带来的风险。
附图说明
图1为本发明电-气综合能源系统整体脆弱性的评估流程图。
图2为一种用于实施本发明的的系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
本发明针对目前在电-气综合能源系统脆弱性评估中无法实现电-气综合能源系统的整体脆弱性评估的问题，提供了一种采用电-气综合能源系统脆弱性基尼系数的整体脆弱性评估方法。该方法考虑了电-气综合能源系统中配电网网架结构、天然气管网网架结构、配电网中电源点分布、天然气管网气源点分布、负荷节点分布和天然气用气点分布等因素的影响，通过计算电-气综合能源系统脆弱性基尼系数以确定电-气综合能源系统的整体脆弱性程度，实现了对电-气综合能源系统整体脆弱性的评估。通过对电-气综合能源系统脆弱性基尼系数的求取，本发明还能够对电-气综合能源系统的规划对于系统脆弱性的改善程度进行定量评估。
如图1所示，本发明实施例提供的基于电-气综合能源系统脆弱性基尼系数的电-气综合能源脆弱性评估方法具有以下步骤：
S1：采集任意一个电-气综合能源系统的基础数据，根据所述电-气综合能源系统的基础数据分别计算所述电-气综合能源系统中配电网的基础潮流和天然气管网的能量流，根据基础潮流和能量流以安全裕度为基准获取配电网的所有关键节点和关键支路、天然气管网的所有关键节点和关键支路。其中，节点的安全裕度以节点电压与节点电压的安全边界的差值衡量，支路的安全裕度以支路的负载率或传输容量衡量。
S2：基于复杂网络理论计算配电网和天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数，过程为：根据电-气综合能源系统的基础数据建立配电网和天燃气管网的节点网络矩阵，根据配电网和天燃气管网的节点网络矩阵计算配电网和燃气系统的任意两个节点之间的最短路径数。
S3：根据配电网中任意两个节点之间的最短路径数及配电网的关键节点和关键支路，通过以下公式计算配电网的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标：
其中，CE(i)为配电网的关键节点i的归一化脆弱性指标；CE(p)为配电网的关键支路p的归一化脆弱性指标，N为配电网中节点的总数量；njk为配电网中的节点j与节点k之间的最短路径数；njk(i)为配电网中的节点j与节点k之间经过关键节点i的最短路径数；njk(p)为配电网中的节点j与节点k之间经过关键支路p的最短路径数。
S4：根据天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数及天然气管网的关键节点和关键支路，通过以下公式计算天然气管网的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标：
其中，CH(I)为天然气管网的关键节点I的归一化脆弱性指标；CH(P)为天然气管网的关键支路P的归一化脆弱性指标；M为天然气管网中节点的总数量；nJK为天然气管网中的节点J与节点K之间的最短路径数；nJK(I)为天然气管网中的节点J与节点K之间经过关键节点I的最短路径数；nJK(P)为天然气管网中的节点J与节点K之间经过关键支路P的最短路径数。
S5：根据上述S3和S4得到的配电网和天燃气管网的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标，通过以下公式计算电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数，以电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数评估电-气综合能源系统的整体脆弱性：
其中，VGini为电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数，n为电-气综合能源系统中关键元素的总数量，所述关键元素包括配电网的关键节点、关键支路和天燃气管网的关键节点和关键支路，即上述S3中的关键节点i、关键支路p和S4中的关键节点I、关键支路P均为关键元素；E为电-气综合能源系统的关键元素的归一化脆弱性指标的均值；Cl、Cm分别为关键元素l和关键元素m的归一化脆弱性指标，l、m为所有关键元素中的任意两个元素，即l、m可以是上述关键节点i、关键支路p、关键节点I、关键支路P中的任意两个，Cl、Cm则是对应的CE(i)、CE(p)、CH(I)、CH(P)中的任意两个。
现详述本发明电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法的基本原理如下：
(1)针对电-气综合能源系统的脆弱性评估的整体性而言，应保证在电-气综合能源系统各个节点的脆弱性分布的均衡性。电-气综合能源系统包含多个配电网节点、配电网线路、燃气管线节点和燃气管线线路，其评估要实现对于电-气综合能源系统整体的评估，而不是仅用脆弱性较差的节点或者管线、线路来代表整体的脆弱性，也无法说明整个系统的脆弱性，脆弱性的整体评估要求保证在整个电-气综合能源系统的脆弱性分布均衡。目前的电-气综合能源系统的脆弱性评估通过采用个别的脆弱性指标较差的节点或线路的脆弱性来代表系统的脆弱性，这样的评估无法全面衡量电-气综合能源系统的脆弱性水平。本发明方法计算电-气综合能源系统的脆弱性基尼指标结果，电-气综合能源系统的脆弱性取决于电-气综合能源系统中所有节点和线路脆弱性的整体均衡水平，通过电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数指标衡量电-气综合能源系统的脆弱性，因此本发明方法成立。
(2)针对方案中对电-气综合能源系统的配电网或者燃气系统进行脆弱点的评估，如果对于图2中所有的天然气系统节点、天然气管线、电网节点和配电网支路，采用脆弱性的评估方法，第一步，采集电-气综合能源系统的配电网和天燃气管网的基础数据；第二步，根据电-气综合能源系统的配电网和天燃气管网的基础数据，分别计算配电网的基础潮流和天然气管网的能量流，根据基础潮流和能量流以安全裕度为基准获取配电网的所有关键节点和关键支路、天然气管网的所有关键节点和关键支路；第三步，根据电-气综合能源系统的配电网和天燃气管网的基础数据，基于复杂网络理论计算配电网和天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数；第四步，根据配电网和天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数及配电网和天然气管网的所有关键节点和关键支路，计算配电网和天然气管网的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标；第五步，根据计算出来的归一化脆弱性指标计算电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数，根据该脆弱性基尼系数评估电-气综合能源系统的整体脆弱性。以上的脆弱性评估方法是通过系统的整体脆弱性指标来评估网络的全局脆弱性，而常用的根据脆弱点的脆弱性评估方法无法对电-气综合能源系统的整体脆弱性进行评估。因此，本发明方法成立。
综上所述，只要存在电-气综合能源系统的整体脆弱性评估的问题，就需要考虑电-气综合能源系统的各节点和支路的脆弱性对于整体脆弱性的影响，采用本发明所描述的评估方法可以对电-气综合能源系统的整体脆弱性进行评估。
采用本发明的电-气综合能源脆弱性评估方法，具有这些显著优点和有益效果：
(1)本发明方法在原有的运行脆弱性评估的基础上，考虑了含配电网和燃气管网的电-气综合能源系统的整体脆弱性，为电-气综合能源系统的整体脆弱性评估提供了更加全面的评估依据；(2)本发明方法直接采用复杂网络理论的脆弱性指标来衡量具有不同物理特性的电-气综合能源系统，避免了采用传统潮流特性指标的片面性，以及采用风险理论的经济性指标对评估结果客观性的影响；另外，本发明所采用的指标计算均经过归一化步骤，这样的处理更有利于电-气综合能源系统的运行人员能够更直观的了解电-气综合能源系统的整体的脆弱性，从而更有利于电-气综合能源系统运行人员在系统运行时对电-气综合能源的脆弱性的有效控制。(3)本评估方法综合考虑了电-气综合能源系统的脆弱性，采用电-气综合能源系统脆弱性基尼系数作为系统的脆弱性评价指标，能综合全面的反映电-气综合能源系统的整体脆弱性，解决了配电网系统脆弱性、燃气管网脆弱性对电-气综合能源系统整体脆弱性影响的评估问题，避免了采用系统最脆弱点来代表电-气综合能源系统整体脆弱性所带来的风险。
执行本发明的方法可以作为电-气综合能源系统优化模型的组成部分对电-气综合能源系统优化方案的结果进行安全评估，也可以单独用来评估电-气综合能源系统建设方案的脆弱性。已有的对于电力系统脆弱性的评估方法包括：复杂网络理论、风险理论等，对于燃气管网的脆弱性评估的方法包括：图论、模糊层次评价方法等。
参见图2所示，本发明应用于电-气综合能源系统的整体脆弱性评估。电-气综合能源系统的建设规划运行考虑配电网和燃气管网的脆弱性，电-气综合能源系统脆弱性评估有如下已知条件，配电网的电源点分布、配电网的负荷分布、配电网的支路分布、天燃气管网的气源分布、天燃气管网的用气点分布、天燃气管网的管网分布、P2G装置的分布。图2是一种电-气综合能源系统的示例图，其中电-气综合能源系统的配电网节点和天然气管网节点均在图中用文字和数字编号标明，配电网系统共有5台发电机，同时配置有电转气(P2G)装置，天然气管网系统包括6条输气管道、3个燃气压缩机、2个气源站、6个气负荷，其中天然气管网系统节点5、7、9分别提供配电网系统2、3、1节点处燃气发电机组以及燃气热电联产机组的用气需求，P2G装置合成的天然气由节点2注入天然气系统；以图2所示的电-气综合能源系统的脆弱性评估为例，该电-气综合能源系统的配电网节点包括“电网节点1、电网节点2、电网节点3......电网节点14”，天燃气管网的节点包括“天然气系统节点1、天然气系统节点2、天然气系统节点3......天然气系统节点10”，压缩机包括“压缩机C1、压缩机C2、压缩机C3”，气源点包括“气源点S1、气源点S2、气源点S3”，图2中所有的节点、线路、气源点、P2G装置组成了电-气综合能源系统。
根据以上的电-气综合能源系统的基础数据，以及根据电-气综合能源系统脆弱性的基尼系数计算公式，可以得到该系统的脆弱性的基尼系数，根据该脆弱性基尼系数以及系统中的薄弱性环节可以评估该方案的整体脆弱性水平。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采集电-气综合能源系统的基础数据，根据电-气综合能源系统的基础数据获取配电网的所有关键节点和关键支路、天然气管网的所有关键节点和关键支路；
S2：基于复杂网络理论计算配电网和天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数；
S3：根据配电网中任意两个节点之间的最短路径数及配电网的关键节点和关键支路计算配电网的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标；
S4：根据天然气管网中任意两个节点之间的最短路径数及天然气管网的关键节点和关键支路计算天然气管网的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标；
S5：根据S3和S4得到的所有关键节点的归一化脆弱性指标和关键支路的归一化脆弱性指标计算电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数，以电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数评估电-气综合能源系统的整体脆弱性。
2.根据权利要求1所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于：根据电-气综合能源系统的基础数据建立配电网和天燃气管网的节点网络矩阵，根据配电网和天燃气管网的节点网络矩阵计算配电网和燃气系统的任意两个节点之间的最短路径数。
3.根据权利要求1所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于，根据以下公式计算配电网的关键节点的归一化脆弱性指标：
其中，CE(i)为配电网的关键节点i的归一化脆弱性指标，N为配电网中节点的总数量；njk为配电网中的节点j与节点k之间的最短路径数，njk(i)为配电网中的节点j与节点k之间经过关键节点i的最短路径数。
4.根据权利要求1所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于，根据以下公式计算配电网的关键支路的归一化脆弱性指标：
其中，CE(p)为配电网的关键支路p的归一化脆弱性指标，N为配电网中节点的总数量；njk为配电网中的节点j与节点k之间的最短路径数，njk(p)为配电网中的节点j与节点k之间经过关键支路p的最短路径数。
5.根据权利要求1所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于，根据以下公式计算天然气管网的关键节点的归一化脆弱性指标：
其中，CH(I)为天然气管网的关键节点I的归一化脆弱性指标；M为天然气管网中节点的总数量；nJK为天然气管网中的节点J与节点K之间的最短路径数，nJK(I)为天然气管网中的节点J与节点K之间经过关键节点I的最短路径数。
6.根据权利要求1所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于，根据以下公式计算天然气管网的关键支路的归一化脆弱性指标：
其中，CH(P)为天然气管网的关键支路P的归一化脆弱性指标；M为天然气管网中节点的总数量；nJK为天然气管网中的节点J与节点K之间的最短路径数，nJK(P)为天然气管网中的节点J与节点K之间经过关键支路P的最短路径数。
7.根据权利要求1所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于，根据以下公式计算所述电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数：
其中，VGini为电-气综合能源系统的脆弱性基尼系数，n为电-气综合能源系统中关键元素的总数量，所述关键元素包括配电网的关键节点、关键支路和天燃气管网的关键节点和关键支路；E为电-气综合能源系统的关键元素的归一化脆弱性指标的均值；Cl、Cm分别为关键元素l和关键元素m的归一化脆弱性指标，l、m为所有关键元素中的任意两个元素。
8.根据权利要求1所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于：根据电-气综合能源系统的基础数据分别计算配电网的基础潮流和天然气管网的能量流，根据基础潮流和能量流以安全裕度为基准获取配电网的所有关键节点和关键支路、天然气管网的所有关键节点和关键支路。
9.根据权利要求8所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于：节点的安全裕度以节点电压与节点电压的安全边界的差值衡量。
10.根据权利要求8所述的电-气综合能源系统整体脆弱性的评估方法，其特征在于：支路的安全裕度以支路的负载率或传输容量衡量。
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