CN112101726B - 天然气网络受电压暂降影响的评估方法、介质及系统 - Google Patents

天然气网络受电压暂降影响的评估方法、介质及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种天然气网络受电压暂降影响的评估方法、介质及系统。该方法包括：建立天然气网络的潮流计算模型；采用所述潮流计算模型进行潮流计算，得到正常情况下所述天然气网络的各节点的第一气压；向所述天然气网络的配电系统施加预设暂降电压，使所述天然气网络的压缩机停止运行；采用所述潮流计算模型进行潮流计算，得到压缩机停止运行情况下所述天然气网络的各节点的第二气压；根据所述第一气压和所述第二气压，采用天然气负荷削减模型计算气负荷削减量；根据所述气负荷削减量评估所述天然气网络受电压暂降的影响。本发明对天然气受电压暂降的影响进行评估，有利于指导系统在发生故障时及时解决故障问题，保证系统运行的稳定性。

Description

天然气网络受电压暂降影响的评估方法、介质及系统
技术领域
本发明涉及天然气网络技术领域，尤其涉及一种天然气网络受电压暂降影响的评估方法、介质及系统。
背景技术
随着不可再生能源的大量开采，而当前世界范围的能源需求日益增长，寻找能替代传统能源的新能源以及提高能源的利用效率已经成为各个国家能源结构改革的必由之路。现如今对电网的研究已经较为成熟，各国都开始将区域内的电能、天然气、热能等各种能源整合在一起，实现多种能源系统间的优化调度，协同管理，即综合能源系统。一个完整的系统若是没有完善的故障处理系统，则会影响到它的运行稳定性，而有一个完善的故障处理系统的前提就是要有一套完整的故障分析体系。
在提高能源利用率、建立可持续能源系统方面综合能源系统为其奠定了坚实的基础，然而各个系统通过各种不同设备耦合在一起，其中一个子系统发生故障时，会通过耦合设备影响到其余系统，电压暂降是引起电能环节故障不可忽视的重要影响因素，其很容易就会影响到周围系统，电-气互联系统是现在研究使用得较多的综合系统。
现有对电-气互联系统的研究主要分为两大类，第一类是电-气互联系统的优化调度，第二类是电-气互联系统的可靠性分析，故障分析是形成完善的故障保护措施的必要前提，目前还没有对电-气互联系统中两个子系统故障相互影响的分析研究。一个运行安全系数再高的系统也有可能发生故障，而电压暂降作为电力系统中如此频繁的电能质量问题，若是没有一套完整的故障分析方法，那么发生故障时将无法及时得到很好的解决，对电力系统乃至整个电-气互联系统都是非常有害的。
发明内容
本发明实施例提供了一种天然气网络受电压暂降影响的评估方法、介质及系统，以解决现有技术缺少对电-气互联系统中两个子系统故障相互影响的分析导致无法及时解决故障的问题。
第一方面，提供一种天然气网络受电压暂降影响的评估方法，包括：建立天然气网络的潮流计算模型，其中，所述天然气网络的潮流计算模型包括：天然气稳态气流与气压模型和天然气压缩机模型；采用所述潮流计算模型进行潮流计算，得到正常情况下所述天然气网络的各节点的第一气压；向所述天然气网络的配电系统施加预设暂降电压，使所述天然气网络的压缩机停止运行；采用所述潮流计算模型进行潮流计算，得到压缩机停止运行情况下所述天然气网络的各节点的第二气压；根据所述第一气压和所述第二气压，采用天然气负荷削减模型计算气负荷削减量；根据所述气负荷削减量评估所述天然气网络受电压暂降的影响。
第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如第一方面实施例所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法。
第三方面，提供一种天然气网络受电压暂降影响的评估系统，包括：如第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。
这样，本发明实施例，从电-气互联系统中两个子系统故障相互影响的角度，对天然气受电压暂降的影响进行评估，电压暂降造成天然气压缩机停运时，天然气网络中的节点气压以及管道的流量会受到影响，并且导致天然气负荷的部分切除，有利于指导电力系统乃至整个电-气互联系统在发生故障时及时解决故障问题，保证系统运行的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的天然气网络受电压暂降影响的评估方法的流程图；
图2是本发明一具体实施例的单气源天然气网络的示意图；
图3是本发明一具体实施例的双气源天然气网络的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种天然气网络受电压暂降影响的评估方法。如图1所示，该评估方法包括如下的步骤：
步骤S1：建立天然气网络的潮流计算模型。
本发明实施例采用天然气压缩机作为耦合设备。天然气网络的潮流计算模型包括：天然气稳态气流与气压模型和天然气压缩机模型。
具体的，建立天然气稳态气流与气压模型之前，先进行一些假设：
(1)由于通常情况下不会有显著的温度变化，假设天然气气流的温度为恒温。
(2)假设压缩率为常数并忽略了动能的变化。
(3)达西摩擦损失关系在管道界面上成立。
(4)摩擦系数在沿着管道的方向为一个常数。
通常天然气输送时的压力都在0.7MPa以上，所以采用适用于高压管网的公式。具体的，天然气稳态气流与气压模型为：
Figure BDA0002634305390000041
其中，fij表示天然气网络中的节点i与节点j之间的管道中流过的流量(单位为m3/h)，Tn表示标准情况下的温度(288K)，Pn表示标准情况下的气压(0.1MPa)，Pi表示天然气网络中节点i的气压(单位为bar)，Pj表示天然气网络中节点j的气压(单位为bar)，Dij表示节点i与节点j之间的管道的直径(单位为m)，F表示不考虑方向的摩擦系数，G表示天然气的比重，lij表示天然气网络中节点i与节点j之间的管道的长度(单位为m)，Ta表示天然气网络的平均温度(单位为K)，Za表示平均可压缩系数。
压缩机的模型主要是反映压缩机入口电压以及出口电压之间的关系的表达式。由于压缩机所消耗的流量与管道输送总能量相比非常少，可以对压缩机的模型进行简化，本发明实施例采用的是出口压力恒定的天然气压缩机。具体的，天然气压缩机模型为：
Pe＝α。
其中，Pe表示天然气压缩机的出口压力，α表示常数。
步骤S2：采用潮流计算模型进行潮流计算，得到正常情况下天然气网络的各节点的第一气压。
其中，潮流计算的约束条件包括：
(1)Pi min≤Pi≤Pi max。
其中，Pi表示天然气网络中节点i的气压，Pi min表示天然气网络中节点i的最小气压，Pi max表示天然气网络中节点i的最大气压。
Figure BDA0002634305390000051
其中，fij表示天然气网络中的节点i与节点j之间的管道中流过的流量，
Figure BDA0002634305390000052
表示天然气网络中的节点i与节点j之间的管道中流过的最小流量，
Figure BDA0002634305390000053
表示天然气网络中的节点i与节点j之间的管道中流过的最大流量。
Figure BDA0002634305390000054
其中，Pe,x表示天然气压缩机x的出口压力，
Figure BDA0002634305390000055
表示天然气压缩机x的出口最小压力，
Figure BDA0002634305390000056
表示天然气压缩机x的出口最大压力。
步骤S3：向天然气网络的配电系统施加预设暂降电压，使天然气网络的压缩机停止运行。
天然气压缩机的电源接在配电系统的某个气负荷节点中，一旦该节点发生电压暂降，且预设暂降电压的暂降幅值超过15％，将有可能导致压缩机停运，而压缩机是天然气网络维持气压的重要元件，因此压缩机的停运会导致天然气网络中的气压发生变化从而导致气负荷的切除。
步骤S4：采用潮流计算模型进行潮流计算，得到压缩机停止运行情况下天然气网络的各节点的第二气压。
潮流计算的约束条件与步骤S2相同，在此不再赘述。
步骤S5：根据第一气压和第二气压，采用天然气负荷削减模型计算气负荷削减量。
本发明实施例综合考虑了压缩机故障前与故障后的气压以及气负荷节点正常情况下的气负荷，定义了气负荷削减量。具体的，天然气负荷削减模型为：
Figure BDA0002634305390000061
其中，Ci表示气负荷削减量，Pi 1表示正常情况下天然气网络的节点i的第一气压，Pi 2表示压缩机停止运行情况下天然气网络的节点i的第二气压，K表示削减系数，
Figure BDA0002634305390000062
表示天然气网络的节点i的额定负荷。Pi 1和Pi 2由步骤S2和S4计算得到。
步骤S6：根据气负荷削减量评估天然气网络受电压暂降的影响。
具体的，天然气网络中的所有节点的气负荷削减量的和越大，表明受压缩机的停止运行情况影响的节点越多。
其中，压缩机的停止运行包括：单台压缩机停止运行和至少两台压缩机停止运行。
优选的，该评估方法还包括：
(1)按照节点的气负荷削减量，削减该节点对应的气负荷的负荷量。
当天然气网络出现故障后，尤其是当压缩机故障后，天然气网络内气负荷节点的气压过低，可采用削减气负荷的负荷量的措施来维持气负荷节点的气压大小(例如，削减如图2和3所示的节点的气负荷L的负荷量)，即节点的气负荷的原始负荷量减去节点的气负荷削减量即为节点的气负荷的负荷量。削减的气负荷的负荷量可根据实际情况来判定是否需要用储气罐来继续供气，削减后的气负荷则继续在气网中由气源点供电。
(2)采用潮流计算模型进行潮流计算，得到削减气负荷的负荷量后天然气网络的各节点的第三气压。
潮流计算的约束条件与步骤S2相同，在此不再赘述。
(3)根据第二气压和第三气压评估削减气负荷的负荷量的操作对天然气网络的影响。
具体的，若天然气网络的每一节点的第二气压比第三气压小，则确定削减气负荷的负荷量的操作可保证未削减的气负荷的用气量。
在本发明一具体的实施例中，采用IEEE33节点标准配电系统进行故障模拟。当系统发生三相短路导致部分节点下降了15％以上的电压幅值。压缩机的电源连接在这些节点上会导致压缩机故障停运。
(1)以一单气源天然气网路为例，单气源天然气网络如图2所示(图2中L表示节点连接的气负荷)。单气源天然气网络的管道数据如表1所示。单气源天然气网络的负荷数据如表2所示。压缩机参数如表3所示。
表1单气源天然气网络的管道数据
管道编号 管道首节点 管道末节点 管道长度/m 管道直径/m
1 1 2 60000 600
2 2 3 25000 500
3 3 4 1500 500
4 5 6 25000 500
5 6 7 20000 500
6 7 8 10000 400
7 9 10 20000 400
8 10 11 30000 400
9 7 12 25000 400
10 12 13 30000 400
表2单气源天然气网络的负荷数据
Figure BDA0002634305390000071
表3压缩机参数
Figure BDA0002634305390000081
该具体实施例通本发明实施例的方法利用yalmip工具包计算了天然气网正常情况下的气压分布，以及压缩机1和压缩机2分别故障，以及，两台压缩机同时故障的时候天然气网络气压分布，具体数据如表4～7所示。
表4单气源天然气网络正常运行情况下气压分布
Figure BDA0002634305390000082
表5压缩机1故障情况下单气源天然气网络气压分布
Figure BDA0002634305390000083
Figure BDA0002634305390000091
表6压缩机2故障情况下单气源天然气网络气压分布
Figure BDA0002634305390000092
表7两台压缩机故障情况下单气源天然气网络气压分布
Figure BDA0002634305390000093
Figure BDA0002634305390000101
计算气负荷削减量的和，计算结果如表8所示。
表8单气源天然气网络故障后切除负荷情况对比
Figure BDA0002634305390000102
通过上述表4～8的结果可知，气压下降的方向就是天然气气流的传输方向。三种情况下压缩机故障后，若需要保证气负荷所需的流量不变，天然气网络中在压缩机之后的节点的气压会受到影响，都有不同程度的降低，从而导致用户用气质量的降低。
三种故障情况下，两台压缩机故障的情况导致气压的降低量最大，压缩机2故障导致的气压降低的幅值没有压缩机1故障时气压下降的幅值大，这主要是因为压缩机1安装在天然气网络的收端，其故障的情况下影响其下游的节点数较多。
每种故障情况下所导致削减的负荷量的情况也和故障影响气压的情况一样。故障影响的负荷点越多导致削减的气负荷的负荷量越大。削减负荷之后，由于管道流量的减少，气流通过管道的损耗也相应减少，各节点的气压都有所回升，从而可以保证未削减负荷的用气质量。
(2)以一双气源天然气网路为例，双气源天然气网络如图3所示(图3中L表示节点连接的负荷)。双气源天然气网络的管道数据如表9所示。双气源天然气网络的负荷数据如表10所示。压缩机参数同表3所示，在此不再赘述。
表9双气源天然气网络的管道数据
管道编号 管道首节点 管道末节点 管道长度/m 管道直径/m
1 1 2 60000 600
2 2 3 25000 500
3 3 4 1500 500
4 5 6 25000 500
5 6 7 20000 500
6 7 8 10000 400
7 9 10 20000 400
8 10 11 30000 400
9 7 12 25000 400
10 12 13 30000 400
11 14 6 30000 400
12 15 14 30000 400
表10双气源天然气网络的负荷数据
Figure BDA0002634305390000111
该具体实施例通过本发明实施例的方法利用yalmip工具包计算了天然气网正常情况下的气压分布，以及压缩机1和压缩机2分别故障，以及，两台压缩机同时故障的时候天然气网络气压分布，具体数据如表11～14所示。
表11双气源天然气网络正常运行情况下气压分布
Figure BDA0002634305390000121
表12压缩机1故障情况下双气源天然气网络气压分布
Figure BDA0002634305390000122
表13压缩机2故障情况下双气源天然气网络气压分布
Figure BDA0002634305390000123
Figure BDA0002634305390000131
表14两台压缩机故障情况下双气源天然气网络气压分布
Figure BDA0002634305390000132
计算气负荷削减量的和，计算结果如表15所示。
表15双气源天然气网络故障后切除负荷情况对比
Figure BDA0002634305390000141
通过上述表9～15的结果可知，双气源天然气网路有具有两个气源，网络需要平衡两个气源支路连接点的气压，压缩机故障也会影响到气源气流的供应量，具体数据表16所示。
表16天然气气源点流量对比
Figure BDA0002634305390000142
和单气源天然气网络一样，两台压缩机故障的情况导致气压的降低量最大，其次是压缩机1故障，最后是压缩机2故障。但双气源天然气网络由于有两个气源点，当压缩机故障后，会使气源支路流量发生变化，从而导致各管道的损耗发生变化。
相较于单气源天然气网络，双气源天然气网络的供气量由两个气源点共同分担，使得网络前端支路的流量少，管道的损耗少，从而使得气压的降低的幅值没有单气源网络大，并且因为气压降低导致削减负荷的大小相较于单气源天然气网络小。这说明电压暂降通过压缩机对双气源天然气网络造成的影响比单气源天然气网络小。
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法。
本发明实施例还公开了一种天然气网络受电压暂降影响的评估系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。
综上，本发明实施例，从电-气互联系统中两个子系统故障相互影响的角度，对天然气受电压暂降的影响进行评估，电压暂降造成天然气压缩机停运时，天然气网络中的节点气压以及管道的流量会受到影响，并且导致天然气负荷的部分切除，有利于指导电力系统乃至整个电-气互联系统在发生故障时及时解决故障问题，保证系统运行的稳定性。
以上所述，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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种天然气网络受电压暂降影响的评估方法，其特征在于，包括：
建立天然气网络的潮流计算模型，其中，所述天然气网络的潮流计算模型包括：天然气稳态气流与气压模型和天然气压缩机模型；
采用所述潮流计算模型进行潮流计算，得到正常情况下所述天然气网络的各节点的第一气压；
向所述天然气网络的配电系统施加预设暂降电压，使所述天然气网络的压缩机停止运行；
采用所述潮流计算模型进行潮流计算，得到压缩机停止运行情况下所述天然气网络的各节点的第二气压；
根据所述第一气压和所述第二气压，采用天然气负荷削减模型计算气负荷削减量；
根据所述气负荷削减量评估所述天然气网络受电压暂降的影响；
所述天然气负荷削减模型为：
Figure FDA0003754863570000011
其中，Ci表示气负荷削减量，Pi 1表示正常情况下天然气网络的节点i的第一气压，Pi 2表示压缩机停止运行情况下天然气网络的节点i的第二气压，K表示削减系数，
Figure FDA0003754863570000012
表示天然气网络的节点i的额定负荷。
2.根据权利要求1所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法，其特征在于，所述根据所述气负荷削减量评估所述天然气网络受电压暂降的影响的步骤，包括：
所述天然气网络的所有节点的所述气负荷削减量的和越大，表明受所述压缩机的停止运行情况影响的节点越多。
3.根据权利要求1所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法，其特征在于，还包括：
按照节点的气负荷削减量，削减该节点对应的气负荷的负荷量；
采用所述潮流计算模型进行潮流计算，得到削减气负荷的负荷量后所述天然气网络的各节点的第三气压；
根据所述第二气压和所述第三气压评估所述削减气负荷的负荷量的操作对所述天然气网络的影响。
4.根据权利要求3所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法，其特征在于，所述根据所述第二气压和所述第三气压评估所述削减气负荷的负荷量的操作对所述天然气网络的影响的步骤，包括：
若所述天然气网络的每一节点的所述第二气压比所述第三气压小，则确定所述削减的操作可保证未削减的气负荷的用气量。
5.根据权利要求1所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法，其特征在于，所述天然气稳态气流与气压模型为：
Figure FDA0003754863570000021
其中，fij表示天然气网络中的节点i与节点j之间的管道中流过的流量，Tn表示标准情况下的温度，Pn表示标准情况下的气压，Pi表示天然气网络中节点i的气压，Pj表示天然气网络中节点j的气压，Dij表示节点i与节点j之间的管道的直径，F表示不考虑方向的摩擦系数，G表示天然气的比重，lij表示天然气网络中节点i与节点j之间的管道的长度，Ta表示天然气网络的平均温度，Za表示平均可压缩系数。
6.根据权利要求1所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法，其特征在于，所述天然气压缩机模型为：
Pe＝α；
其中，Pe表示天然气压缩机的出口压力，α表示常数。
7.根据权利要求1所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法，其特征在于，所述潮流计算的约束条件包括：
Pi min≤Pi≤Pi max，其中，Pi表示天然气网络中节点i的气压，Pi min表示天然气网络中节点i的最小气压，Pi max表示天然气网络中节点i的最大气压；
Figure FDA0003754863570000031
其中，fij表示天然气网络中的节点i与节点j之间的管道中流过的流量，
Figure FDA0003754863570000032
表示天然气网络中的节点i与节点j之间的管道中流过的最小流量，
Figure FDA0003754863570000033
表示天然气网络中的节点i与节点j之间的管道中流过的最大流量；
Figure FDA0003754863570000034
其中，Pe,x表示天然气压缩机x的出口压力，
Figure FDA0003754863570000035
表示天然气压缩机x的出口最小压力，
Figure FDA0003754863570000036
表示天然气压缩机x的出口最大压力。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一所述的天然气网络受电压暂降影响的评估方法。
9.一种天然气网络受电压暂降影响的评估系统，其特征在于，包括：如权利要求8所述的计算机可读存储介质。
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