CN112434442B - 一种电-气区域综合能源系统弹性评估方法 - Google Patents

一种电-气区域综合能源系统弹性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于异质依存网络的电‑气区域综合能源系统弹性评估方法，1)从面向极端事件的弹性包含脆弱性和恢复力两个维度，构建电‑气区域综合能源系统弹性指标体系，包括建立量化所述电‑气区域综合能源系统弹性的5个指标、采用复数形式定义各弹性指标；2)建立电‑气区域综合能源系统的异质依存网络模型，并转化为双层双向图，计算5个指标的值；3)利用几何平均G1‑反熵权法确定5个指标的权重，计算得到系统的综合弹性值，实现电‑气区域综合能源系统弹性评估。该方法考虑了电力网与天然气网的依存性及异质性，且便于故障传播分析，同时考虑了指标的主客观权重，能科学有效地量化与评估电‑气区域综合能源系统的弹性。

Description

一种电-气区域综合能源系统弹性评估方法
技术领域
本发明涉及综合能源系统工程技术领域，尤其是涉及电-气区域综合能源系统弹性评估方法。
背景技术
根据空间尺度和系统规模，综合能源系统(integrated energy system，IES)主要包括3种类型：跨区级、终端以及区域综合能源系统。电-气区域综合能源系统由电力系统、天然气系统及能量中心构成，主要实现区域范围内配电网、配气网、区域能量中心及其他区域能源系统之间的互补支撑。弹性包括蓄意攻击、事故、自然发生的威胁或事件下的抵御和恢复能力。电-气区域综合能源系统中，配电网位于电力系统末端，相对于主网更为脆弱；天然气地埋管道对飓风等自然灾害的抵御能力，可增强配电网的弹性；然而，天然气管道对于地震等地质自然灾害仍会遭受破坏，且耦合电、气能源的能源集线器(energy hub，EH)给系统带来了新的弹性影响因素：单侧子系统的故障有可能通过系统间的耦合引起网络之间的连锁故障，从而扩大停电和停气规模。由此，有必要研究含多耦合元件的电-气区域综合能源系统的弹性问题。
目前，针对综合能源系统的多能流计算、安全性分析和可靠性评估等方面得到了较多研究，然而对其弹性问题的研究较少。综合能源系统的建设过程中，要充分注重系统弹性的科学评估，需建立有效的量化综合能源系统弹性的指标及合理的弹性评估方法，以指导弹性提升方法的部署，且综合能源系统弹性提升方法的有效性需通过弹性评估来进行有效性验证。
弹性综合考虑了脆弱性和恢复力，电-气区域综合能源系统的弹性与网络拓扑结构、运营者普遍关心的供电量和供气量比例、潮流约束限制及极端事件的强度等多个因素有关，由此，系统弹性评估需综合考虑这些指标。此外，电-气区域综合能源系统是一个由电力网与天然气网组成的耦合复杂网络，而传统上复杂网络理论研究的对象以单层网络为主，由此，难以直接利用单层网络进行弹性量化指标的计算与评估。从网络角度来看，电-气区域综合能源系统是一个典型的双层耦合复杂系统，且电力、天然气子系统间通过EH存在着相互依存关系，可建模为相互依存网络。进一步地，电-气区域综合能源系统是典型异质供能网络，由电力线路与天然气管道构成，分别对电、气2种能量流进行供配，且单一电力网或天然气网中各节点由于位置和承担任务的不同，对系统的贡献和重要性不同，需考虑节点和线路的异质性。
电-气区域综合能源系统弹性评估属于一个多指标综合评价问题。权重是表明各个评价指标重要性的权数，表示各个评价指标在总体中所起的不同作用。G1法是一种无需一致性检验的主观赋权方法，优化了计算过程，且可以考虑群组情形，但一般是对每位专家评价下指标的主观权重采用算术平均求得各项指标的主观权重。熵权法是一种客观赋权方法，但对指标差异度的敏感性太高，容易造成权重分配时出现极端情况，当指标权重太小时则失去了该评价指标的意义。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出基于异质依存网络的电-气区域综合能源系统弹性评估方法，包括如下步骤：
1)从面向极端事件的弹性包含脆弱性和恢复力两个维度，构建电-气区域综合能源系统弹性指标体系，包括建立量化所述电-气区域综合能源系统弹性的5个指标、采用复数形式定义各弹性指标；
2)建立电-气区域综合能源系统的异质依存网络模型，并转化为双层双向图，计算5个指标的值；
3)利用几何平均G1-反熵权法确定5个指标的权重，计算得到系统的综合弹性值，实现电-气区域综合能源系统弹性评估。
其中，所述的建立量化所述电-气区域综合能源系统弹性的反映脆弱性的5个指标，包括如下步骤：
从面向极端事件的弹性包含脆弱性和恢复力两个维度，设置电-气区域综合能源系统的弹性指标：节点度、节点介数、介数权重节点度、连通度和供能比例，其中，前4个指标反映脆弱性，供能比例反映恢复力措施。
所述的采用复数形式定义各弹性指标，包括如下步骤：
定义节点度，所述节点度为，与节点直接相连的边的条数：
Kn＝KE,n+jKG,n (1)
其中，KE,n、KG,n分别为节点n与电力网络、天然气网络其余节点相连的边数；定义节点介数，所述节点介数Bn为：
Figure GDA0003593463610000021
其中，g为等值源节点(等值电源节点、气源节点)编号，k为等值负荷节点(等值电力负荷节点、分输节点)编号，VS、VL分别为解耦后等值电源节点、电力负荷集合，VSG、VG分别为气源节点、分输节点集合，Ngk表示从等值源节点g到等值负荷节点k的最短路径数目，Ngk(n)表示Ngk中经过节点n的数量；
定义介数权重节点度，所述介数权重节点度BKn为：
Figure GDA0003593463610000031
其中，VE、VG分别为电力网络节点、天然气网络节点集合，Vm为与节点n相连节点p的集合，BL(n,p)为线路(n,p)的边介数；
定义连通度，所述连通度S为：
Figure GDA0003593463610000032
其中，NE、NG分别为初始电力网络、天然气网络的节点数，NE *、NG *为分别为故障后电力网络、天然气网络中存活的节点数；
定义供能比例，所述供能比例PSR为：
Figure GDA0003593463610000033
其中，NEL、NGL分别为电力网络、天然气网络中负荷点的个数，
Figure GDA0003593463610000034
Figure GDA0003593463610000035
分别表示初始状态和故障后第l个负荷点的有功功率。
其中，所述建立电-气区域综合能源系统的异质依存网络模型，并转化为双层双向图，包括如下步骤：
复杂网络是由大量节点错综复杂连接关系共同构成的网络结构，含多EH节点的电-气综合能源系统具有复杂的网络特征；运用复杂网络对一个复杂系统研究时，需将系统抽象为节点和边组成的图，其中系统的结构单元通常为节点，单元间的联系为边；具体步骤为：
1)进行耦合元件EH节点处理
EH可以运行于2种模式，以热定电(following the thermal load，FTL)和以电定热(following the electric load，FEL)；EH运行于FTL模式下，作为电力网络的PQ节点和天然气网络的气负荷节点，此时EH所需的天然气流量由热负荷决定，不足的电功率由电力网络供给；EH运行于FEL模式下，可作为电力网络的PQ节点、电力平衡节点和天然气网络的气负荷节点；PQ节点下EH所需的天然气流量由电力负荷决定，电力负荷如超出MT的发电容量，则差额由电力网络补充；电力平衡节点下，EH所需的天然气流量由电力网络所需的电平衡功率决定；基于耦合元件EH的节点处理，可将含多EH节点的电-气区域综合能源系统进行电气解耦。进行电气解耦后，电-气区域综合能源系统呈现分层网络结构；
2)建立异质依存网络
基于依存网络和异质网络，定义双层异质依存网络：由两个具有依赖关系的异质子网络A和异质子网络B构成；将电-气区域综合能源系统中电力网络拓扑和天然气网络拓扑分别建模为电力异质子网络GP和天然气异质子网络GG，及其依存关系集合EP-G。EP-G＝{(u,v)|,u∈VG,v∈VP}，如果电力网络节点u和天然气网络节点v存在依存关系，则EP-G(u,v)＝1，否则EP-G(u,v)＝0，则电-气区域综合能源系统双层异质依存网络可表示为包含电力网络、天然气网络及其依存关系的集合ζ(GP,GG,EP-G)；
3)转化为双层双向图
基于建立的双层异质依存网络，将电-气区域综合能源系统转换为双层双向图，步骤如下：
①将电力异质子网络GP建模成一个有权双向图，建模原则为：根据节点在中所起作用，考虑节点的异质性，将节点分为2类：等值电源节点和等值电负荷节点；将输电线路和变压器支路视为边；将联络开关支路作为边，并将其做闭合处理；以输电线路阻抗模值、变压器对应绕组的等效阻抗作为相应边的属性，定义为电力边权；
②将天然气异质子网络GG建模成一个有权双向图，天然气网与其它基础设施网一样，可以抽象为图；进行天然气网的复杂网络模型构建时要充分考虑其运行特点：节点属性有区别，既有气源，也有分输点，并非每一个节点都能作为路径的起点或终点；天然气管中各管段或非管元件的参数不尽相同，如管长、管径、粗糙度等；提出天然气异质网络的有权双向图建模原则：将气源、连接阀门和气负荷视为节点，根据节点的功能区别，考虑节点的异质性，将节点分为3类：气源节点、连接节点和分输节点；将天然气管道视为边，以管道系数(与管道长度、直径及管道效率系数相关)为相应边的属性，定义为气边权；
③将电气耦合节点进行解耦，将其解耦为相互连接的电力网络节点和天然气络网节点。
所述的计算5个指标的值，该计算步骤具体为：
1)基于双层双向图进行电-气区域综合能源系统故障传播分析
极端事件扰动下，认为系统中故障元件100％损坏；若损坏的是节点，则将该节点及其所连接的所有边从图中移除，若损坏的是边，则仅将该边移除；双层双向图中当某一节点故障之后不可用，将引起图中该节点的依存节点失效，反过来又会引起其他节点失效，使得该故障通过依存路径逐步传播形成级联效应，最终导致相当一部分节点失效；
传统上以最大连通子集作为节点存活的指标，未考虑到孤岛存活的可能性，不能精确的刻画故障后系统各环节的工作情况；EH运行于FEL模式下，可作为电力平衡节点，则电力网络解列后的多个孤岛可能存活；提出电-气区域综合能源系统双层双向图的存活节点需要满足如下条件：单层图中依存节点必须得到其依存节点的支持，否则认为该节点失效；电力网络中的节点必须在该网络中含有电力平衡节点的最大连通子集或孤岛中，且满足功率流收敛限制，否则认为该节点失效；天然气网络中的节点必须在该网络中含有气平衡节点的最大连通子集或孤岛中，且满足能量流收敛限制，否则认为该节点失效。
2)基于构建的电-气电-气区域综合能源系统双层双向图及其故障传播分析，计算不同故障下的节点度、节点介数、介数权重节点度、连通度指标；为对系统进行整体反映，取前3个基于节点的拓扑弹性指标的平均值；
3)结合故障传播分析、能流约束、切负荷策略进行供能比例指标的计算，如果等值电力负荷节点与等值电源节点、分输节点与气源节点之间分别没有供电、供气路径或不满足能流约束，则采用切负荷策略切除相关的电力负荷和气负荷。
其中，所述利用几何平均G1-反熵权法确定5个指标的权重，计算得到系统的综合弹性值，实现电-气区域综合能源系统弹性评估，包括如下步骤：
1)利用几何平均G1法确定5个指标的主观权重
设L位专家中有Ls(1≤Ls<L,s＝1,2,…,h)位专家给出相同的序关系以及相应的相对重要程度赋值，h组专家(每组专家个数为Ls)对于弹性指标x1，x2，…，xn给出的序关系为
Figure GDA0003593463610000051
设Ls位专家给出的相邻弹性指标间的相对重要程度赋值为rjk(s)，j＝1,2,…,Ls，k＝1,2,…,n，s＝1,2,…,h，计算得到一个专家下弹性指标k的主观权重wjk(s)，再求出Ls个wjk(s)的几何平均值，即Ls个专家下弹性指标k的主观权重wk(s)：
Figure GDA0003593463610000052
进一步由式(8)得到h组专家下弹性指标k的主观权重wSk：
wSk＝k1wk(1)+k2wk(2)+…+khwk(h) (8)
其中，kh＝Ls/L；
2)利用反熵权法确定5个指标的客观权重
基于弹性指标计算得到5个指标在m个状态下的值，再进行归一化处理得到矩阵：
Figure GDA0003593463610000053
其中，Xjk为第j个状态下弹性指标k的归一化处理值；
定义弹性指标k的反熵为
Figure GDA0003593463610000061
则得到弹性指标k的客观权重wok为
Figure GDA0003593463610000062
3)计算综合弹性值
几何平均G1-反熵权法构建弹性指标k的综合权重wck为
Figure GDA0003593463610000063
则综合弹性值EW为
Figure GDA0003593463610000064
其中，Xk为弹性指标k的归一化处理值。
本发明实施例，至少具有如下有益的技术效果：
1)从复杂网络理论出发建立的电-气区域综合能源系统的异质依存网络模型，并基于异质依存网络建立的双层双向图，考虑了电力网与天然气网的依存性及异质性，且便于故障传播分析，可简化含多耦合节点的电-气区域综合能源系统的拓扑建模与故障分析，为从网络理论的角度研究综合能源系统脆弱性及弹性分析提供了理论指导。
2)从面向极端事件的综合能源系统弹性包含的脆弱性和恢复力两个维度，设置节点度、节点介数、介数权重节点度、连通度和供能比例指标来量化电-气区域综合能源系统的弹性，综合考虑了影响系统弹性的主要因素；
3)利用基于几何平均G1-反熵权法的多属性决策方法，将主观权重和客观权重结合起来，不仅能反映电-气区域综合能源系统的固有结构信息，且采用几何平均和反熵权法使其受极端值的影响小，评价结果更具有科学性和准确性；该电-气区域综合能源系统弹性评估方法能科学有效地评估电-气区域综合能源系统的弹性，进而可用于弹性提升措施的部署与有效性验证。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的基于异质依存网络的电-气区域综合能源系统弹性评估方法的流程图；
图2是本发明一实施例的电-气区域综合能源系统算例拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
基于异质依存网络的电-气区域综合能源系统弹性评估方法，如图1所示，包括如下步骤：
1)从面向极端事件的弹性包含脆弱性和恢复力两个维度，构建电-气区域综合能源系统弹性指标体系，包括建立量化所述电-气区域综合能源系统弹性的5个指标、采用复数形式定义各弹性指标；
2)建立电-气区域综合能源系统的异质依存网络模型，并转化为双层双向图，计算5个指标的值；
3)利用几何平均G1-反熵权法确定5个指标的权重，计算得到系统的综合弹性值，实现电-气区域综合能源系统弹性评估。
其中，建立量化所述电-气区域综合能源系统弹性的反映脆弱性的5个指标，包括如下步骤：
从面向极端事件的弹性包含脆弱性和恢复力两个维度，设置电-气区域综合能源系统的弹性指标：节点度、节点介数、介数权重节点度、连通度和供能比例，其中，前4个指标反映脆弱性，供能比例反映恢复力措施。
其中，采用复数形式定义各弹性指标，包括如下步骤：
定义节点度为与节点直接相连的边的条数：
Kn＝KE,n+jKG,n (1)
其中，KE,n、KG,n分别为节点n与电力网络、天然气网络其余节点相连的边数；
定义节点介数Bn为：
Figure GDA0003593463610000071
其中，g为等值源节点(等值电源节点、气源节点)编号，k为等值负荷节点(等值电力负荷节点、分输节点)编号，VS、VL分别为解耦后等值电源节点、电力负荷集合，VSG、VG分别为气源节点、分输节点集合，Ngk表示从等值源节点g到等值负荷节点k的最短路径数目，Ngk(n)表示Ngk中经过节点n的数量；
定义介数权重节点度BKn为：
Figure GDA0003593463610000072
其中，VE、VG分别为电力网络节点、天然气网络节点集合，Vm为与节点n相连节点p的集合，BL(n,p)为线路(n,p)的边介数；
定义连通度S为：
Figure GDA0003593463610000081
其中，NE、NG分别为初始电力网络、天然气网络的节点数，NE *、NG *为分别为故障后电力网络、天然气网络中存活的节点数；
定义供能比例PSR为：
Figure GDA0003593463610000082
其中，NEL、NGL分别为电力网络、天然气网络中负荷点的个数，
Figure GDA0003593463610000083
Figure GDA0003593463610000084
分别表示初始状态和故障后第l个负荷点的有功功率。
其中，所述建立电-气区域综合能源系统的异质依存网络模型，并转化为双层双向图，包括如下步骤：
1)进行耦合元件EH节点处理
EH可以运行于2种模式，以热定电(following the thermal load，FTL)和以电定热(following the electric load，FEL)；EH运行于FTL模式下，作为电力网络的PQ节点和天然气网络的气负荷节点，此时EH所需的天然气流量由热负荷决定，不足的电功率由电力网络供给；EH运行于FEL模式下，可作为电力网络的PQ节点、电力平衡节点和天然气网络的气负荷节点；PQ节点下EH所需的天然气流量由电力负荷决定，电力负荷如超出MT的发电容量，则差额由电力网络补充；电力平衡节点下，EH所需的天然气流量由电力网络所需的电平衡功率决定；基于耦合元件EH的节点处理，可将含多EH节点的电-气区域综合能源系统进行电气解耦。进行电气解耦后，电-气区域综合能源系统呈现分层网络结构；
2)建立异质依存网络
基于依存网络和异质网络，定义双层异质依存网络：由两个具有依赖关系的异质子网络A和异质子网络B构成；将电-气区域综合能源系统中电力网络拓扑和天然气网络拓扑分别建模为电力异质子网络GP和天然气异质子网络GG，及其依存关系集合EP-G。EP-G＝{(u,v)|,u∈VG,v∈VP}，如果电力网络节点u和天然气网络节点v存在依存关系，则EP-G(u,v)＝1，否则EP-G(u,v)＝0，则电-气区域综合能源系统双层异质依存网络可表示为包含电力网络、天然气网络及其依存关系的集合ζ(GP,GG,EP-G)；
3)转化为双层双向图
①将电力异质子网络GP建模成一个有权双向图，建模原则为：根据节点在中所起作用，考虑节点的异质性，将节点分为2类：等值电源节点和等值电负荷节点；将输电线路和变压器支路视为边；将联络开关支路作为边，并将其做闭合处理；以输电线路阻抗模值、变压器对应绕组的等效阻抗作为相应边的属性，定义为电力边权；
②将天然气异质子网络GG建模成一个有权双向图，天然气网与其它基础设施网一样，可以抽象为图；进行天然气网的复杂网络模型构建时要充分考虑其运行特点：节点属性有区别，既有气源，也有分输点，并非每一个节点都能作为路径的起点或终点；天然气管中各管段或非管元件的参数不尽相同，如管长、管径、粗糙度等；提出天然气异质网络的有权双向图建模原则：将气源、连接阀门和气负荷视为节点，根据节点的功能区别，考虑节点的异质性，将节点分为3类：气源节点、连接节点和分输节点；将天然气管道视为边，以管道系数(与管道长度、直径及管道效率系数相关)为相应边的属性，定义为气边权；
③将电气耦合节点进行解耦，将其解耦为相互连接的电力网络节点和天然气络网节点。
其中，计算5个指标的值，步骤具体为：
1)基于双层双向图进行电-气区域综合能源系统故障传播分析
极端事件扰动下，认为系统中故障元件100％损坏；若损坏的是节点，则将该节点及其所连接的所有边从图中移除，若损坏的是边，则仅将该边移除；双层双向图中当某一节点故障之后不可用，将引起图中该节点的依存节点失效，反过来又会引起其他节点失效，使得该故障通过依存路径逐步传播形成级联效应，最终导致相当一部分节点失效；
传统上以最大连通子集作为节点存活的指标，未考虑到孤岛存活的可能性，不能精确的刻画故障后系统各环节的工作情况；EH运行于FEL模式下，可作为电力平衡节点，则电力网络解列后的多个孤岛可能存活；提出电-气区域综合能源系统双层双向图的存活节点需要满足如下条件：单层图中依存节点必须得到其依存节点的支持，否则认为该节点失效；电力网络中的节点必须在该网络中含有电力平衡节点的最大连通子集或孤岛中，且满足功率流收敛限制，否则认为该节点失效；天然气网络中的节点必须在该网络中含有气平衡节点的最大连通子集或孤岛中，且满足能量流收敛限制，否则认为该节点失效。
2)基于构建的电-气电-气区域综合能源系统双层双向图及其故障传播分析，计算不同故障下的节点度、节点介数、介数权重节点度、连通度指标；为对系统进行整体反映，取前3个基于节点的拓扑弹性指标的平均值；
3)结合故障传播分析、能流约束、切负荷策略进行供能比例指标的计算，如果等值电力负荷节点与等值电源节点、分输节点与气源节点之间分别没有供电、供气路径或不满足能流约束，则采用切负荷策略切除相关的电力负荷和气负荷。
其中，利用几何平均G1-反熵权法确定5个指标的权重，计算得到系统的综合弹性值，实现电-气区域综合能源系统弹性评估，包括如下步骤：
设L位专家中有Ls(1≤Ls<L,s＝1,2,…,h)位专家给出相同的序关系以及相应的相对重要程度赋值，h组专家(每组专家个数为Ls)对于弹性指标x1，x2，…，xn给出的序关系为
Figure GDA0003593463610000101
设Ls位专家给出的相邻弹性指标间的相对重要程度赋值为rjk(s)，j＝1,2,…,Ls，k＝1,2,…,n，s＝1,2,…,h，计算得到一个专家下弹性指标k的主观权重wjk(s)，再求出Ls个wjk(s)的几何平均值，即Ls个专家下弹性指标k的主观权重wk(s)：
Figure GDA0003593463610000102
进一步由式(8)得到h组专家下弹性指标k的主观权重wSk：
wSk＝k1wk(1)+k2wk(2)+…+khwk(h) (8)
其中，kh＝Ls/L；
2)利用反熵权法确定5个指标的客观权重
基于弹性指标计算得到5个指标在m个状态下的值，再进行归一化处理得到矩阵：
Figure GDA0003593463610000103
其中，Xjk为第j个状态下弹性指标k的归一化处理值；
定义弹性指标k的反熵为
Figure GDA0003593463610000104
则得到弹性指标k的客观权重wok为
Figure GDA0003593463610000105
3)计算综合弹性值
几何平均G1-反熵权法构建弹性指标k的综合权重wck为
Figure GDA0003593463610000106
则综合弹性值EW为
Figure GDA0003593463610000111
其中，Xk为弹性指标k的归一化处理值。
本发明采用由37节点配电网、17节点天然气网及9个EH组成的区域综合能源算例系统，其拓扑结构及节点编号如图2所示，天然气网络参数如表2、表3所示，EH参数如表1所示，归属于同一EH的电力网络节点和天然气网络节点互为依存节点。电力网络基准容量取为1MVA，总负荷有功功率为2.475pu；天然气系统中G1节点为气源节点，G4、G6、G9、G11节点为连接节点，其余为分输节点。采用本发明提出的基于几何平均的几何平均G1-反熵权法得到节点度、供能比例、节点介数、连通度、介数权重节点度5个指标的综合权重分别为：w1＝0.3004，w2＝0.2512，w3＝0.2085，w4＝0.1466，w5＝0.0933。
表1 EH参数
Figure GDA0003593463610000112
表2 天然气网络节点参数
Figure GDA0003593463610000113
表3天然气网络支路参数
Figure GDA0003593463610000121
1)设置Case 1：系统无故障；Case 2：电力网络节点707发生故障；Case 3：天然气网络节点12发生故障，弹性评估结果如表4所示，其中，Km、Bm、BKm分别为节点度，节点介数，介数权重节点度的平均值，EW为综合弹性值。
由表4可知：1)Case2、Case3较Case1下，区域综合能源系统的综合弹性值均有不同程度的下降；2)Case2与Case3的系统综合弹性值的差值较小，这是因为这两种场景下故障节点处于拓扑结构中的边缘位置，故障传播影响均较小，对系统的弹性影响相当。上述分析符合理论，验证了本发明实施例方法的有效性。
表4故障下系统弹性评估结果
Figure GDA0003593463610000122
2)设故障点为电力网络节点707，EH1，EH6，进行多重故障下区域综合能源系统的弹性评估，评估结果如表5所示。
由表5可知：当电力节点707故障(Attack1)后，系统的综合弹性值下降了5.43％，对系统弹性影响较小，且不会影响到天然气网络的正常运行；当电力节点707、EH1都故障(Attack2)后，系统的综合弹性值下降了12.85％，这是因为EH1故障后对电力网和天然气网产生级联影响，系统弹性的影响高于独立的电力网络节点故障；当电力节点707、EH1、EH6都故障(Attack3)后，系统的综合弹性值下降了49.24％，这是因为EH6故障后依存节点10相应失效，进而EH1、EH6故障后致使天然气网络节点10～节点14与气源分离，则包含EH7、EH8的电力网络节点733～节点741组成的孤岛，因EH7、EH8天然气网络节点12、节点13而无法正常运行，孤岛运行失效。上述分析表明了多重故障会导致系统的弹性值显著减小；也表明了含耦合节点的区域综合能源系统的弹性需考虑耦合节点的相互依存关系，验证了本发明实施例方法的有效性。
表5多重故障下的系统弹性
Figure GDA0003593463610000131
3)设置Case 4：EH5发生故障，故障后EH1运行于FTL模式；Case5：EH5发生故障，故障后EH1运行于FEL模式；Case6：线路713-704故障，故障后EH1运行于FTL模式；Case7：线路713-704故障，故障后EH1运行于FEL模式。弹性评估结果如表6所示。
由表6可知，Case5较Case4、Case7较Case6下的系统综合弹性值大，这是由于Case5、Case7下故障后EH运行于FEL模式，作为电力平衡节点，带负荷孤岛运行，增强了系统的弹性。表明了区域综合能源系统的弹性与系统拓扑、故障类型、控制策略有关，系统弹性评估需综合考虑这些指标。
表6 EH不同运行方式下的系统弹性
Figure GDA0003593463610000132

Claims (3)

1.基于异质依存网络的电-气区域综合能源系统弹性评估方法，其特征在于，所述基于异质依存网络的电-气区域综合能源系统弹性评估方法包括如下步骤：
1)从面向极端事件的弹性包含脆弱性和恢复力两个维度，构建电-气区域综合能源系统弹性指标体系，包括建立量化所述电-气区域综合能源系统弹性的5个指标、采用复数形式定义各弹性指标；
2)建立电-气区域综合能源系统的异质依存网络模型，并转化为双层双向图，计算5个指标的值，其中，所述建立电-气区域综合能源系统的异质依存网络模型，并转化为双层双向图，具体包括如下步骤：
(1)进行耦合元件EH节点处理，
(2)建立异质依存网络：
基于依存网络和异质网络，定义双层异质依存网络：由两个具有依赖关系的异质子网络A和异质子网络B构成；将电-气区域综合能源系统中电力网络拓扑和天然气网络拓扑分别建模为电力异质子网络GP和天然气异质子网络GG，及其依存关系集合EP–G，EP-G＝{(u,v)|,u∈VP,v∈VG}，其中，u为电力网络节点，v为天然气网络节点，VP为电力网络节点集合，VG为天然气网络节点集合，如果电力网络节点u和天然气网络节点v存在依存关系，则EP-G(u,v)＝1，否则EP-G(u,v)＝0，则电-气区域综合能源系统双层异质依存网络可表示为包含电力网络、天然气网络及其依存关系的集合ζ(GP,GG,EP-G)；
(3)转化为双层双向图：
①将电力异质子网络GP建模成一个有权双向图，建模原则为：根据节点在中所起作用，考虑节点的异质性，将节点分为2类：等值电源节点和等值电负荷节点；将输电线路和变压器支路视为边；将联络开关支路作为边，并将其做闭合处理；以输电线路阻抗模值、变压器对应绕组的等效阻抗作为相应边的属性，定义为电力边权；
②将天然气异质子网络GG建模成一个有权双向图，天然气网与其它基础设施网一样，可以抽象为图；进行天然气网的复杂网络模型构建时要充分考虑其运行特点：节点属性有区别，既有气源，也有分输点，并非每一个节点都能作为路径的起点或终点；天然气管中各管段或非管元件的参数不尽相同，包括管长、管径、粗糙度；提出天然气异质网络的有权双向图建模原则：将气源、连接阀门和气负荷视为节点，根据节点的功能区别，考虑节点的异质性，将节点分为3类：气源节点、连接节点和分输节点；将天然气管道视为边，以管道系数为相应边的属性，定义为气边权；
③将电气耦合节点进行解耦，将其解耦为相互连接的电力网络节点和天然气络网节点；
其中，所述计算5个指标的值，具体包括如下步骤：
(1)基于双层双向图进行电-气区域综合能源系统故障传播分析，
(2)基于构建的电-气区域综合能源系统双层双向图及其故障传播分析，计算不同故障下的节点度、节点介数、介数权重节点度、连通度指标；为对系统进行整体反映，取前3个基于节点的拓扑弹性指标的平均值，
(3)结合故障传播分析、能流约束、切负荷策略进行供能比例指标的计算，如果等值电力负荷节点与等值电源节点、分输节点与气源节点之间分别没有供电、供气路径或不满足能流约束，则采用切负荷策略切除相关的电力负荷和气负荷；
3)利用几何平均G1-反熵权法确定5个指标的权重，计算得到系统的综合弹性值，实现电-气区域综合能源系统弹性评估，包括如下步骤：
(1)利用几何平均G1法确定5个指标的主观权重
设L位专家中有Ls位专家给出相同的序关系以及相应的相对重要程度赋值，其中1≤Ls<L，s＝1,2,…,h，h组专家对于n个弹性指标x1，x2，…，xn给出的序关系为
Figure FDA0003593463600000021
设Ls位专家给出的相邻指标间的相对重要程度赋值为rjk(s)，j＝1,2,…,Ls，k＝1,2,…,n，s＝1,2,…,h，计算得到一个专家下弹性指标k的主观权重wjk(s)，再求出Ls个wjk(s)的几何平均值，即Ls个专家下弹性指标k的主观权重wk(s)：
Figure FDA0003593463600000022
由式(8)得到h组专家下弹性指标k的主观权重wSk：
wSk＝k1wk(1)+k2wk(2)+…+khwk(h) (8)
其中，kh＝Ls/L，L为专家个数；
(2)利用反熵权法确定5个指标的客观权重
(3)计算综合弹性值
几何平均G1-反熵权法构建弹性指标k的综合权重wck为
Figure FDA0003593463600000023
其中，wSk、wok分别为弹性指标k的主观权重和客观权重；
则电-气区域综合能源系统的综合弹性值EW为
Figure FDA0003593463600000031
其中，Xk为基于指标计算得到弹性指标k取值再进行归一化处理的值。
2.根据权利要求1所述的基于异质依存网络的电-气区域综合能源系统弹性评估方法，其特征在于，所述的建立量化所述电-气区域综合能源系统弹性的5个指标，包括如下步骤：
从面向极端事件的弹性包含脆弱性和恢复力两个维度，设置电-气区域综合能源系统的弹性指标：节点度、节点介数、介数权重节点度、连通度和供能比例，其中，前4个指标反映脆弱性，供能比例反映恢复力措施。
3.根据权利要求1所述的基于异质依存网络的电-气区域综合能源系统弹性评估方法，其特征在于，所述的采用复数形式定义各弹性指标，包括如下步骤：
所述的采用复数形式定义各弹性指标，包括如下步骤：
定义节点度，所述节点度为，与节点直接相连的边的条数：
Kn＝KE,n+jKG,n (1)
其中，KE,n、KG,n分别为节点n与电力网络、天然气网络其余节点相连的边数；
定义节点介数，所述节点介数Bn为：
Figure FDA0003593463600000032
其中，g为等值源节点编号，所述等值源节点包括等值电源节点、气源节点，k为等值负荷节点编号，所述等值负荷节点包括等值电力负荷节点、分输节点，VS、VL分别为解耦后等值电源节点、电力负荷集合，VSG、VDG分别为气源节点、分输节点集合，Ngk表示从等值源节点g到等值负荷节点k的最短路径数目，Ngk(n)表示Ngk中经过节点n的数量；
定义介数权重节点度，所述介数权重节点度BKn为：
Figure FDA0003593463600000033
其中，VE、VG分别为电力网络节点、天然气网络节点集合，Vm为与节点n相连节点p的集合，BL(n,p)为线路(n,p)的边介数；
定义连通度，所述连通度S为：
Figure FDA0003593463600000034
其中，NE、NG分别为初始电力网络、天然气网络的节点数，NE *、NG *为分别为故障后电力网络、天然气网络中存活的节点数；
定义供能比例，所述供能比例R为：
Figure FDA0003593463600000041
其中，NEL、NGL分别为电力网络、天然气网络中负荷点的个数，
Figure FDA0003593463600000042
表示初始状态电力网络中第l个负荷点的功率，
Figure FDA0003593463600000043
表示故障后电力网络中第l个负荷点的功率；
Figure FDA0003593463600000044
表示初始状态天然气网络中第l个负荷点的功率，
Figure FDA0003593463600000045
表示故障后天然气网络中第l个负荷点的功率。
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