CN112987688A - 一种电气耦合系统故障预警方法及预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电气耦合系统故障预警方法及预警装置，属于综合能源系统的运行控制技术领域，该预警装置执行预警方法，预警装置包括数据采集单元，用于监测并定位故障中心，获取并记录故障中心位置和天然气参数的变化；天然气系统故障信号计算单元，基于天然气负荷的压力限制，用于产生天然气系统故障信号；通信单元，用于接收故障中心位置和天然气参数以及天然气系统故障信号组成的故障预警信息，并向电力系统发送预警信息，电力系统基于天然气故障信号进行预警控制，降低了电气耦合系统运行风险。

Description

一种电气耦合系统故障预警方法及预警装置

技术领域

本发明属于综合能源系统的运行控制技术领域，具体涉及一种电气耦合系统故障预警方法及预警装置。

背景技术

电气耦合系统实现了电力系统和天然气系统的耦合，打破了电力系统和天然气系统之间的信息壁垒，能够充分利用不同能流之间的协同特性，实现能量梯级利用，提升综合能源利用效率。近年来，电气耦合系统广泛应用于工业园区和城市区域的供电和供热，其经济效益和环境效益已经得到充分肯定。

然而，由于电气耦合系统中电力和天然气之间的相互作用和影响，一个系统中的故障可能会扩展至另一个系统，电力系统和天然气系统之间的连锁故障使得电气耦合系统安全问题更加复杂，需要提出新的预警方法。与电力系统相比，天然气系统具有慢动态特性，天然气系统中的故障传播到耦合元件的速度远远小于信号电磁波传播的速度；因此，通过天然气系统监控中心监测并定位到故障点后迅速分析并将预警信号传递给电力系统监控中心，将能够为电力系统争取预控时间，减少系统故障带来的安全问题和经济损失。

发明内容

本发明的技术目的在于提供一种基于天然气系统故障信号的电气耦合系统故障预警方法及预警装置，该预警装置执行预警方法，该预警方法充分利用天然气系统的慢动态特性，由天然气系统监测并定位故障中心，获取并记录故障中心位置和天然气参数的变化；计算天然气系统的故障信号，包括天然气系统故障预警时间、天然气系统故障距离和天然气系统故障强度；然后天然气系统将故障信号传递至电力系统，电力系统基于天然气故障信号进行预警控制，降低了电气耦合系统运行风险。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种电气耦合系统故障预警方法，所述预警方法基于天然气系统故障信号，包括以下步骤：

获取并记录故障中心位置和天然气参数的变化；

基于天然气负荷的压力限制，天然气系统产生天然气系统故障信号；

故障中心位置和天然气参数以及天然气系统故障信号组成故障预警信息传递至电力系统，电力系统根据故障预警信息对电气耦合系统进行预警控制。

进一步地，所述天然气参数为故障中心天然气压力和流量。

进一步地，天然气系统获取并记录故障中心位置，监测并记录故障中心天然气压力和流量的变化。

进一步地，所述天然气系统故障信号包括天然气系统故障预警时间、天然气系统故障距离和天然气系统故障强度。

进一步地，所述天然气系统故障预警时间、天然气系统故障距离和天然气系统故障强度均基于天然气管网的可用储气量计算得到，所述天然气管网的可用储气量通过以下方法获取：

S21、计算天然气管网的储气量：

式中，LP为天然气管网的储气量，ρ_avg为天然气管道内天然气的平均密度，D为天然气管道的直径，L为天然气管道的长度，ρ_avg、D和L由天然气智能管理系统获取；

S22、计算天然气管网的可用储气量：

ALP＝LP-LP_last (2)

式中，ALP为天然气管网的可用储气量，LP_last为天然气负荷被迫切除时天然气管网内剩余的天然气量，LP_last与天然气负荷的压力限制有关，LP_last从天然气智能管理系统获取。

进一步地，所述天然气系统故障预警时间的计算方法为：

S231、若故障发生后天然气管网中无气源注入，按以下方法计算预警时间：

S2311、若天然气系统中只存在单个天然气负荷，或者天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制相同，则按以下方法计算预警时间：

ALP＝∑m_d·SADT (3)

式中，SADT为预警时间，m_d为某一天然气负荷消耗的天然气质量流量，∑m_d为所有天然气负荷消耗的天然气流量，m_d从天然气智能管理系统获取；

S2312、若天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制不相同，则将各个天然气负荷按照最低气压限制由高到低排列，获得天然气质量流量集合{m_d,i|i＝1,2,3,…N_d}，按以下方法计算预警时间：

式中，i和j都为天然气负荷的编号，N_d为天然气负荷的总个数，m_d,i为天然气负荷i消耗的天然气质量流量，SADT₁为天然气负荷1的预警时间，ALP₁为最大的燃气机组可用储气量，SADT_j和SADT_j-1分别为天然气负荷j和天然气负荷j-1的预警时间，ALP_j和ALP_j-1为相邻燃气机组的可用储气量；

S232、若故障发生后天然气管网中有气源注入，则利用电气耦合系统的综合能源系统的能流分析系统获得预警时间。

进一步地，所述天然气系统故障距离的计算方法为：

S241、若故障发生后天然气管网中无气源注入，按以下方法计算故障距离：

S2411、若天然气系统中只存在单个天然气负荷，或者天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制相同，则按以下方法计算故障距离：

式中，ρ_G为天然气的密度，L_eq为故障距离，D_eq为某一天然气负荷所连接的天然气管道的等效直径；

S2412、若天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制不相同，则按以下方法计算故障距离：

式中，ALP_i为天然气负荷i所连接的天然气管道的可用储气量，D_eq,i为天然气负荷i所连接的天然气管道的等效直径，L_eq,i为天然气负荷i所对应的故障距离；

S242、若故障发生后天然气管网中有气源注入，则利用电气耦合系统的综合能流分析系统获得故障距离。

进一步地，所述天然气系统故障强度的计算方法为：

式中，FI为故障强度，P_GL为由于天然气系统故障造成的燃气机组的有功功率损失，P_GL由电气耦合系统的综合能流分析系统计算获得；P_Gg为燃气机组当前的有功功率，由电气耦合系统的监视系统获得；对于由于天然气系统故障造成的燃气机组跳闸停机的情况，FI取值为1。

本发明还提供了一种电气耦合系统故障预警装置，所述预警装置包括：

数据采集单元，用于监测并定位故障中心，获取并记录故障中心位置和天然气参数的变化；

天然气系统故障信号计算单元，基于天然气负荷的压力限制，用于产生天然气系统故障信号；

通信单元，用于接收故障中心位置和天然气参数以及天然气系统故障信号组成的故障预警信息，并向电力系统发送预警信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种基于天然气系统故障信号的电气耦合系统故障预警方法及预警装置，该方法充分利用天然气系统的慢动态特性，在考虑天然气负荷的压力限制的基础上计算天然气管网的可用储气量，计算了天然气系统故障预警时间、故障距离和故障强度，能够向电力系统提供充分的故障预警信息，电气耦合系统故障预警装置用于执行预警方法的各操作，采用本发明的电气耦合系统故障预警方法及预警装置减低了天然气系统故障对电气耦合系统造成的经济损失和安全问题等不良影响。

附图说明

图1是本发明的电气耦合系统故障预警方法流程图；

图2是本发明的电气耦合系统故障预警装置与电力系统连接图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参阅图1，本发明的一种基于天然气系统故障信号的电气耦合系统故障预警方法，包括以下步骤：

S1、天然气系统监测并定位故障中心、监测并记录天然气参数：

天然气系统基于GIS地理信息技术、SCADA技术、GPS卫星定位技术、远程监控技术、传感器技术、无线通讯技术和/或云计算技术，获取并记录故障中心位置，监测并记录天然气参数，即故障中心天然气压力和流量的变化；

S2、基于天然气负荷的压力限制，天然气系统产生天然气系统故障信号，具体为：

S21、计算天然气管网的储气量：

式中，LP为天然气管网的储气量，ρ_avg为天然气管道内天然气的平均密度，D为天然气管道的直径，L为天然气管道的长度，ρ_avg、D和L由天然气智能管理系统获取；

S22、计算天然气管网的可用储气量：

ALP＝LP-LP_last (2)

式中，ALP为天然气管网的可用储气量，LP_last为天然气负荷被迫切除时天然气管网内剩余的天然气量，LP_last与天然气负荷的压力限制有关，LP_last从天然气智能管理系统获取。

S23、计算天然气系统故障预警时间：

S231、若故障发生后天然气管网中无气源注入，按以下方法计算预警时间：

S2311、若天然气系统中只存在单个天然气负荷，或者天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制相同，则按以下方法计算预警时间：

ALP＝∑m_d·SADT (3)

式中，SADT为预警时间，m_d为某一天然气负荷消耗的天然气质量流量，∑m_d为所有天然气负荷消耗的天然气流量，m_d从天然气智能管理系统获取；

S2312、若天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制不相同，则将各个天然气负荷按照最低气压限制由高到低排列，获得天然气质量流量集合{m_d,i|i＝1,2,3,…N_d}，按以下方法计算预警时间：

式中，i和j都为天然气负荷的编号，N_d为天然气负荷的总个数，m_d,i为天然气负荷i消耗的天然气质量流量，SADT₁为天然气负荷1的预警时间，ALP₁为最大的燃气机组可用储气量，SADT_j和SADT_j-1分别为天然气负荷j和天然气负荷j-1的预警时间，ALP_j和ALP_j-1为相邻燃气机组的可用储气量；

S232、若故障发生后天然气管网中有气源注入，则利用电气耦合系统的综合能源系统的能流分析系统获得预警时间；

S24、计算天然气系统故障距离：

S241、若故障发生后天然气管网中无气源注入，按以下方法计算故障距离：

S2411、若天然气系统中只存在单个天然气负荷，或者天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制相同，则按以下方法计算故障距离：

式中，ρ_G为天然气的密度，L_eq为故障距离，D_eq为某一天然气负荷所连接的天然气管道的等效直径；

S2412、若天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制不相同，则按以下方法计算故障距离：

式中，ALP_i为天然气负荷i所连接的天然气管道的可用储气量，D_eq,i为天然气负荷i所连接的天然气管道的等效直径，L_eq,i为天然气负荷i所对应的故障距离；

S242、若故障发生后天然气管网中有气源注入，则利用电气耦合系统的综合能流分析系统获得故障距离；

S25、计算天然气系统故障强度：

式中，FI为故障强度，P_GL为由于天然气系统故障造成的燃气机组的有功功率损失，P_GL由电气耦合系统的综合能流分析系统计算获得；P_Gg为燃气机组当前的有功功率，由电气耦合系统的监视系统获得；对于由于天然气系统故障造成的燃气机组跳闸停机的情况，FI取值为1；

S26、由步骤S23中计算的天然气系统故障预警时间、步骤S24中计算的天然气系统故障距离和步骤S25中计算的天然气系统故障强度共同构成天然气系统故障信号；

S3、将步骤S1获取的故障中心位置与故障中心天然气压力和流量，以及将步骤S2获得的天然气系统故障信号组成故障预警信息传递至电力系统，电力系统根据故障预警信息对电气耦合系统进行预警控制，从而降低电气耦合系统运行风险。

本发明提供的电气耦合系统故障预警方法，基于天然气系统故障信号，在考虑天然气负荷的压力限制的基础上计算天然气管网的可用储气量，进而计算天然气系统故障信号即天然气系统故障预警时间、故障距离和故障强度，能够向电力系统提供充分的故障预警信息，减低天然气系统故障对电气耦合系统造成的不良影响。

如图2所示，本发明还提供了一种电气耦合系统故障预警装置，所述预警装置包括：

数据采集单元，用于监测并定位故障中心，获取并记录故障中心位置和天然气参数的变化；

天然气系统故障信号计算单元，基于天然气负荷的压力限制，用于产生天然气系统故障信号；

通信单元，用于接收故障中心位置和天然气参数以及天然气系统故障信号组成的故障预警信息，并向电力系统发送预警信息。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电气耦合系统故障预警方法，其特征在于，所述预警方法基于天然气系统故障信号，包括以下步骤：

获取并记录故障中心位置和天然气参数的变化；

基于天然气负荷的压力限制，天然气系统产生天然气系统故障信号；

故障中心位置和天然气参数以及天然气系统故障信号组成故障预警信息传递至电力系统，电力系统根据故障预警信息对电气耦合系统进行预警控制。

2.根据权利要求1所述的电气耦合系统故障预警方法，其特征在于：所述天然气参数为故障中心天然气压力和流量。

3.根据权利要求2所述的电气耦合系统故障预警方法，其特征在于：天然气系统获取并记录故障中心位置，监测并记录故障中心天然气压力和流量的变化。

4.根据权利要求1所述的电气耦合系统故障预警方法，其特征在于：所述天然气系统故障信号包括天然气系统故障预警时间、天然气系统故障距离和天然气系统故障强度。

5.根据权利要求4所述的电气耦合系统故障预警方法，其特征在于：所述天然气系统故障预警时间、天然气系统故障距离和天然气系统故障强度均基于天然气管网的可用储气量计算得到，所述天然气管网的可用储气量通过以下方法获取：

S21、计算天然气管网的储气量：

式中，LP为天然气管网的储气量，ρ_avg为天然气管道内天然气的平均密度，D为天然气管道的直径，L为天然气管道的长度，ρ_avg、D和L由天然气智能管理系统获取；

S22、计算天然气管网的可用储气量：

ALP＝LP-LP_last (2)

式中，ALP为天然气管网的可用储气量，LP_last为天然气负荷被迫切除时天然气管网内剩余的天然气量，LP_last与天然气负荷的压力限制有关，LP_last从天然气智能管理系统获取。

6.根据权利要求5所述的电气耦合系统故障预警方法，其特征在于：所述天然气系统故障预警时间的计算方法为：

S231、若故障发生后天然气管网中无气源注入，按以下方法计算预警时间：

S2311、若天然气系统中只存在单个天然气负荷，或者天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制相同，则按以下方法计算预警时间：

ALP＝∑m_d·SADT (3)

式中，SADT为预警时间，m_d为某一天然气负荷消耗的天然气质量流量，∑m_d为所有天然气负荷消耗的天然气流量，m_d从天然气智能管理系统获取；

S2312、若天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制不相同，则将各个天然气负荷按照最低气压限制由高到低排列，获得天然气质量流量集合{m_d,i|i＝1,2,3,…N_d}，按以下方法计算预警时间：

式中，i和j都为天然气负荷的编号，N_d为天然气负荷的总个数，m_d,i为天然气负荷i消耗的天然气质量流量，SADT₁为天然气负荷1的预警时间，ALP₁为最大的燃气机组可用储气量，SADT_j和SADT_j-1分别为天然气负荷j和天然气负荷j-1的预警时间，ALP_j和ALP_j-1为相邻燃气机组的可用储气量；

S232、若故障发生后天然气管网中有气源注入，则利用电气耦合系统的综合能源系统的能流分析系统获得预警时间。

7.根据权利要求5所述的电气耦合系统故障预警方法，其特征在于：所述天然气系统故障距离的计算方法为：

S241、若故障发生后天然气管网中无气源注入，按以下方法计算故障距离：

S2411、若天然气系统中只存在单个天然气负荷，或者天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制相同，则按以下方法计算故障距离：

式中，ρ_G为天然气的密度，L_eq为故障距离，D_eq为某一天然气负荷所连接的天然气管道的等效直径；

S2412、若天然气系统中存在多个天然气负荷，各个天然气负荷的最低气压限制不相同，则按以下方法计算故障距离：

式中，ALP_i为天然气负荷i所连接的天然气管道的可用储气量，D_eq,i为天然气负荷i所连接的天然气管道的等效直径，L_eq,i为天然气负荷i所对应的故障距离；

S242、若故障发生后天然气管网中有气源注入，则利用电气耦合系统的综合能流分析系统获得故障距离。

8.根据权利要求4所述的电气耦合系统故障预警方法，其特征在于：所述天然气系统故障强度的计算方法为：

式中，FI为故障强度，P_GL为由于天然气系统故障造成的燃气机组的有功功率损失，P_GL由电气耦合系统的综合能流分析系统计算获得；P_Gg为燃气机组当前的有功功率，由电气耦合系统的监视系统获得；对于由于天然气系统故障造成的燃气机组跳闸停机的情况，FI取值为1。

9.一种电气耦合系统故障预警装置，其特征在于，所述预警装置包括：

数据采集单元，用于监测并定位故障中心，获取并记录故障中心位置和天然气参数的变化；

天然气系统故障信号计算单元，基于天然气负荷的压力限制，用于产生天然气系统故障信号；

通信单元，用于接收故障中心位置和天然气参数以及天然气系统故障信号组成的故障预警信息，并向电力系统发送预警信息。

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