CN113221358A - 基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法 - Google Patents

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CN113221358A CN202110522290.6A CN202110522290A CN113221358A CN 113221358 A CN113221358 A CN 113221358A CN 202110522290 A CN202110522290 A CN 202110522290A CN 113221358 A CN113221358 A CN 113221358A
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Abstract

本发明公开了一种基于可靠性参数的电‑气耦合系统的备用出力优化方法。本发明包括以下步骤：1)通过各类互感器采集电‑气耦合系统中各个设备的运行状态参数；2)构建电‑气耦合系统的可靠性模型；3)计算在故障传播过程中天然气系统与电力系统的可靠性参数：4)构建基于可靠性参数的电‑气耦合系统的备用出力优化模型；5)通过内点法求解电‑气耦合系统的备用出力优化模型，获得在故障下天然气系统的备用出力和电力系统的备用出力，调度服务器调整各产能设备的出力，使得各产能设备的出力满足电力负荷与天然气负荷需求。本发明可有效保障电‑气耦合系统中备用出力的充裕度，对于电‑气耦合系统的安全可靠运行具有重要作用。

Description

基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法
技术领域
本发明涉及了属于综合能源系统可靠性管理及优化领域的一种电-气耦合系统的备用出力优化方法，尤其是涉及了一种基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法。
背景技术
近年来，为建设清洁、高效、低碳和可持续的能源体系，电、热和气等耦合的综合能源系统已成为国内外研究的热点。天然气机组因具备发电效率高、灵活性强和排放低等优点，被世界各国广泛采用，其发电容量比例也逐年增加。天然气机组的广泛建设使得电力系统与天然气系统间的耦合日渐紧密，电-气耦合系统日渐成型。
电力与天然气耦合交互在促进能源行业提质增效的同时，也为故障跨系统传播提供了路径，带来诸多可靠性问题。具体来说，天然气系统中出现气源供应中断、管道泄漏等随机故障均可能导致天然气机组供气中断，由此机组不得不降低出力，使得电力系统运行面临诸多挑战。美国德克萨斯州等大停电事故表明，无法有效应对多能耦合引起的风险问题将严重威胁电-气耦合系统的安全运行。
作为系统可靠性管理的重要资源，备用容量可为调度机构提供充足的调节裕度，以应对负荷变化和可再生能源波动等因素。考虑到电-气耦合系统的交互作用，电力备用与天然气备用间存在支撑特性。然而，现有的研究多集中于研究电力与天然气备用间如何协调优化，忽略了故障传播引起的可靠性问题。因此，如何在考虑故障传播的同时，协同配置电力与天然气备用，对于保障电-气耦合系统的安全可靠运行至关重要。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法，针对电-气耦合系统，本发明首先通过电压、电流和气压等各类互感器获取各设备的运行状态及物理参数，以此作为备用出力优化模型的输入；紧接着，本发明根据各产能设备提供备用的可靠性模型，考虑故障传播过程依次构建天然气系统与电力系统的可靠性参数；最后，本发明构建考虑可靠性参数的备用出力优化模型，确定电-气耦合系统中气源、发电机组和储气装置的备用安排。本发明提出的基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法，可有效保障系统备用容量的充裕度，对于电-气耦合系统的安全可靠运行具有重要作用。本发明可以直接应用于电力调度平台，在考虑故障传播的情况下确定各发电机组提供备用计划，所得的结果可直接用于电力系统调度过程，以保证系统的安全可靠运行。
本发明的技术方案如下：
本发明包括以下步骤：
1)通过各类互感器采集电-气耦合系统中各个产能设备、传输设备和用能设备的运行状态参数；
2)根据部分产能设备的运行状态参数，构建可靠性模型；
3)基于可靠性模型和剩余产能设备的运行状态参数，计算在故障传播过程中天然气系统与电力系统的可靠性参数：
4)基于电力系统和天然气系统的可靠性参数以及各个传输设备和用能设备的运行状态参数，构建基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化模型；
5)通过内点法求解电-气耦合系统的备用出力优化模型，获得在故障下天然气系统的备用出力和电力系统的备用出力，调度服务器根据天然气系统的备用出力和电力系统的备用出力调整各产能设备的出力，使得各产能设备的出力满足电力负荷与天然气负荷需求，保证电-气耦合系统的安全可靠运行。
所述步骤1)中产能设备包括气源和发电机组，发电机组包括天然气机组、风电机组和煤电机组，传输设备包括天然气管道和电力线路，用能设备包括天然气负荷和电力负荷。
所述步骤2)具体为：
所述产能设备包括气源和发电机组，发电机组包括天然气机组、风电机组和煤电机组；可靠性模型包括气源可靠性模型和煤电机组可靠性模型；
2.1)根据气源的运行状态参数，构建气源可靠性模型，气源可靠性模型主要由气源的最大产气量模型和气源状态概率模型组成；
气源状态概率模型具体为各时刻t气源w处于气源状态v的概率prwv(t)的集合；
气源的最大产气量模型具体为：
基于天然气系统的故障，在t时刻的气源w在气源状态v下的最大产气量
Figure BDA0003064516390000021
通过以下公式进行设置：
Figure BDA0003064516390000022
其中，Wwt表示时刻t的调度服务器中气源w的正常产气量，Rwt表示时刻t的调度服务器中气源w的备用产气量，
Figure BDA0003064516390000031
表示时刻t的气源w的总容量；气源状态v满足v＝1,2,...,Kw；
2.2)根据煤电机组的运行状态参数，构建煤电机组可靠性模型，煤电机组可靠性模型主要由煤电机组的最大出力模型和煤电机组状态概率模型组成；
煤电机组状态概率模型具体为各时刻t煤电机组g处于煤电机组状态h的概率prgh(t)的集合；
煤电机组的最大出力模型具体为：
基于电力系统的故障，在t时刻的煤电机组g在煤电机组状态h下的最大出力
Figure BDA0003064516390000032
通过以下公式进行设置：
Figure BDA0003064516390000033
其中，Pgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的正常出力，Rgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的备用出力，
Figure BDA0003064516390000034
表示时刻t处于煤电机组状态h的煤电机组g的装机容量；煤电机组状态h满足h＝1,2,...,Kg；
所述步骤3)具体为：
3.1)基于气源可靠性模型，计算天然气系统的可靠性参数；
所述天然气系统的可靠性参数具体为天然气负荷切除量，天然气负荷切除量通过以下公式进行设置：
Figure BDA0003064516390000035
其中，EGNSt表示t时刻的天然气负荷切除量，DGt表示t时刻的总天然气负荷；GSgs,t表示t时刻储气装置gs中天然气的存储量；prws(t)表示t时刻气源w处于天然气系统状态s的概率，
Figure BDA0003064516390000036
表示t时刻气源w处于天然气系统状态s下的最大产气量；Δt为时间间隔；
Figure BDA0003064516390000037
为0-1变量，当处于天然气系统状态s时的负荷不足量
Figure BDA0003064516390000038
表示天然气系统状态的总个数；
3.2)基于煤电机组可靠性模型以及剩余产能设备的运行状态参数，计算电力系统的可靠性参数：
所述电力系统的可靠性参数具体为电力负荷切除量，电力负荷切除量通过以下公式进行设置：
Figure BDA0003064516390000039
Figure BDA0003064516390000041
其中，DEt表示t时刻的总电力负荷；PGLe,t表示在电力系统状态ε下天然气机组的功率损失量；Pgg,t表示t时刻的天然气机组gg的出力；
Figure BDA0003064516390000042
表示t时刻在电力系统状态ε下煤电机组g的最大出力；
Figure BDA0003064516390000043
表示t时刻在电力系统状态ε下节点m处风电机组wd的出力，prgε(t)和
Figure BDA0003064516390000044
分别表示t时刻煤电机组g和风电机组wd处于电力系统状态ε的概率；电力系统状态ε满足
Figure BDA0003064516390000045
表示电力系统状态的总个数；
Figure BDA0003064516390000046
为0-1变量，电力系统负荷切除量
Figure BDA0003064516390000047
大于0时，
Figure BDA0003064516390000048
为1，反之则
Figure BDA0003064516390000049
为0；ηg2e表示天然气转化为电力的转化系数。
所述步骤4)具体为：
4.1)建立电-气耦合系统的备用出力目标函数：
min TC＝OCE+OCG
其中，TC表示电-气耦合系统的总计量参数；OCE表示电力系统运行的总计量参数；OCG表示天然气系统运行的总计量参数；
所述电力系统运行的总计量参数OCE主要包括煤电机组的发电计量参数、备用计量参数和启停计量参数：
Figure BDA00030645163900000410
其中，ECg(·)表示煤电机组g的发电计量参数函数；Pgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的正常出力，Rgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的备用出力，RCgt表示煤电机组g的备用计量参数；UCg和DCeg分别表示煤电机组g的启动计量参数和停机计量参数；αgt和βgt为0-1变量，分别表示煤电机组g的启动状态和停机状态；
所述天然气系统运行的总计量参数OCG主要包括气源的产气计量参数、备用计量参数和储气装置的运行计量参数：
Figure BDA00030645163900000411
其中，GCw(·)表示气源w的产气计量参数函数；RCwt表示气源w的备用计量参数；Cgs表示t时刻储气装置gs的运行计量参数；GCgs,t和GDgs,t分别表示t时刻储气装置gs的进气量与出气量；Wwt表示时刻t的调度服务器中气源w的正常产气量；Rwt表示时刻t的调度服务器中气源w的备用产气量；
4.2)基于电力系统和天然气系统的可靠性参数以及各个传输设备和用能设备的运行状态参数，构建电-气耦合系统的约束条件；
I.构建天然气系统运行约束：
天然气管道上的天然气流量与天然气管道的两端气压有关，天然气管道上的天然气流量表示为：
Figure BDA0003064516390000051
其中，QD,t表示t时刻天然气管道D的天然气流量；πDi,t表示t时刻天然气管道D节点i处的气压；πDj,t表示t时刻天然气管道D节点j处的气压；CD为天然气管道D的气流传输参数；
天然气管道D的天然气流量满足以下约束：
Figure BDA0003064516390000052
其中，
Figure BDA0003064516390000053
和
Figure BDA0003064516390000054
分别表示天然气管道D中天然气流量的上限和下限；
天然气系统的各节点的天然气流入量与流出量相同，表示为：
Figure BDA0003064516390000055
其中，DGit表示t时刻节点i的天然气负荷；tDci,t表示t时刻天然气管道D节点i处压缩机c的天然气注入量；
Figure BDA0003064516390000056
为节点i的天然气流入量，
Figure BDA0003064516390000057
节点i的天然气流出量；
天然气系统的各节点气压满足以下约束：
Figure BDA0003064516390000058
其中，
Figure BDA0003064516390000059
和
Figure BDA00030645163900000510
分别表示节点i处气压的上限和下限；
压缩机模型满足以下约束：
Figure BDA00030645163900000511
其中，
Figure BDA00030645163900000512
和
Figure BDA00030645163900000513
分别表示天然气管道D上压缩机c的压缩系数的上限和下限；
t时刻与t+1时刻储气装置gs的进气量、出气量和存量满足以下约束：
SGgs,t+1＝SGgs,t+GCgs,t-GDgs,t
其中，SGgs,t表示t时刻储气装置gs的存量；
此外，储气装置还满足以下约束：
Figure BDA00030645163900000514
Figure BDA00030645163900000515
Figure BDA00030645163900000516
Figure BDA00030645163900000517
其中，
Figure BDA0003064516390000061
和
Figure BDA0003064516390000062
分别表示储气装置gs进气量与出气量的最大值；
Figure BDA0003064516390000063
和
Figure BDA0003064516390000064
分别表示储气装置gs存量的上限与下限；
Figure BDA0003064516390000065
表示初始时刻储气装置gs的存量；
气源的正常产气量与备用产气量之和的约束表示为：
Figure BDA0003064516390000066
其中，
Figure BDA0003064516390000067
表示正常状况下气源w的最大产气量；
II.构建电力系统运行约束；
电力系统的节点功率平衡约束可表示为：
Figure BDA0003064516390000068
其中，Pmgt表示t时刻节点m的煤电机组g的出力，Pmgg,t表示t时刻节点m处天然气机组gg的出力；Pmwd,t表示t时刻节点m处风电机组wd的出力；DEmt表示t时刻节点m处的电力负荷；flt表示时刻t电力线路l的电力流量；
Figure BDA0003064516390000069
为节点的电力流入量，
Figure BDA00030645163900000610
为节点的电力流出量；
电力线路的电力流量约束表示为：
Figure BDA00030645163900000611
其中，θmt表示t时刻节点m的相角；Bl表示电力线路l的电纳；
Figure BDA00030645163900000612
表示电力线路l的最大电力流量；
煤电机组的正常出力与备用出力满足以下约束：
Figure BDA00030645163900000613
其中，xmgt表示t时刻节点m处煤电机组g的运行状态，xmgt为0-1变量，0表示煤电机组g处于停机状态，1表示煤电机组g处于开机状态；
Figure BDA00030645163900000614
和
Figure BDA00030645163900000615
分别表示节点m处煤电机组g的最大与最小出力；Rmgt表示t时刻节点m的煤电机组g的备用出力；
煤电机组的备用出力还小于煤电机组的上爬坡速率：
Figure BDA00030645163900000616
其中，
Figure BDA00030645163900000617
表示煤电机组g的上爬坡速率；
相邻时刻煤电机组的正常出力的差值还小于下爬坡速率，表示为：
Figure BDA00030645163900000618
Figure BDA00030645163900000619
其中，
Figure BDA00030645163900000620
表示燃煤机组g的下爬坡速率；Pmg,t-1表示t-1时刻节点m的煤电机组g的出力；xmg,t-1表示t-1时刻节点m处煤电机组g的运行状态；
煤电机组从开机状态转化为停机状态时满足最小开机时间约束：
Figure BDA0003064516390000071
Figure BDA0003064516390000072
Figure BDA0003064516390000073
其中，
Figure BDA0003064516390000074
表示初始时刻煤电机组g已经开机的时间；
Figure BDA0003064516390000075
表示煤电机组g最小开机的时间；
煤电机组从停机状态转化为开机状态时满足最小停机时间约束：
Figure BDA0003064516390000076
Figure BDA0003064516390000077
Figure BDA0003064516390000078
其中，
Figure BDA0003064516390000079
表示初始时刻机组g已经停机的时间；
Figure BDA00030645163900000710
表示机组g最小停机的时间，T表示最小开机时间或最小停机时间；
电力系统的节点m的相角约束表示为：
θmin≤θmt≤θmax
其中，θmax和θmin分别表示节点m相角的最大值和最小值；
III.构建可靠性约束；
电力系统和天然气系统的可靠性参数满足以下约束：
Figure BDA00030645163900000711
Figure BDA00030645163900000712
其中，
Figure BDA00030645163900000713
和
Figure BDA00030645163900000714
分别表示t时刻最大天然气负荷切除量和电力负荷切除量；α和β分别为天然气系统和电力系统的可调系数，用于调整天然气系统和电力系统的可靠性参数的上限值。
本发明的有益效果是：
本发明的针对现阶段电、气备用优化方法忽略了故障传播而使得各产能设备的备用安排无法满足可靠性要求，本发明在备用安排过程中将故障传播引起的可靠性问题考虑在内。本发明相较于传统方法更为有效可靠，所计算确定的备用安排更能保证电-气耦合系统的安全运行。
此外，本发明还可直接应用到现阶段电力系统调度系统中，通过研究天然气系统与电力系统间的故障传播过程，精确高效地确定系统中发电机组、气源和储气装置的备用计划，对于电-气耦合系统的可靠性提升具有重要意义。
附图说明
图1为本发明方法的逻辑框图。
图2为本发明方法效果与传统方法效果的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
按照本发明内容完整方法实施的具体实施例如下：
如图1所示，本发明包括以下步骤：
1)通过电压、电流和气压等各类互感器采集电-气耦合系统中各个产能设备、传输设备和用能设备的运行状态参数；
步骤1)中产能设备包括气源和发电机组，发电机组包括天然气机组、风电机组和煤电机组，传输设备包括天然气管道和电力线路，用能设备包括天然气负荷和电力负荷。
2)根据部分产能设备的运行状态参数，部分产能设备具体为气源和煤电机组，构建可靠性模型；
步骤2)具体为：
产能设备包括气源和发电机组，发电机组包括天然气机组、风电机组和煤电机组；可靠性模型包括气源可靠性模型和煤电机组可靠性模型；
2.1)根据气源的运行状态参数，构建气源可靠性模型，气源可靠性模型主要由气源的最大产气量模型和气源状态概率模型组成；
气源状态概率模型具体为各时刻t气源w处于气源状态v的概率prwv(t)的集合；
气源的最大产气量模型具体为：
基于天然气系统的故障，在t时刻的气源w在气源状态v下的最大产气量
Figure BDA0003064516390000083
通过以下公式进行设置：
Figure BDA0003064516390000081
其中，Wwt表示时刻t的调度服务器中气源w的正常产气量，Rwt表示时刻t的调度服务器中气源w的备用产气量，
Figure BDA0003064516390000082
表示时刻t的气源w的总容量；气源状态v满足v＝1,2,...,Kw；
具体实施中，v＝1时表示气源w处于正常运行状态，时刻t后气源w的最大产气量为时刻t的调度服务器中气源w的正常产气量Wwt与备用产气量Rwt之和。
v＝2时表示气源w处于部分故障状态，时刻t的气源w的装机容量
Figure BDA0003064516390000091
小于时刻t的调度服务器中气源w的正常产气量Wwt与备用产气量Rwt之和Wwt+Rwt，因此时刻t后气源w的最大产气量为
Figure BDA0003064516390000092
v＝Kw时表示气源w处于完全故障状态，气源w的装机容量
Figure BDA0003064516390000093
为0，因此时刻t后气源w的最大产气量为0。
2.2)根据煤电机组的运行状态参数，构建煤电机组可靠性模型，煤电机组可靠性模型主要由煤电机组的最大出力模型和煤电机组状态概率模型组成；
煤电机组状态概率模型具体为各时刻t煤电机组g处于煤电机组状态h的概率prgh(t)的集合；
煤电机组的最大出力模型具体为：
基于电力系统的故障，在t时刻的煤电机组g在煤电机组状态h下的最大出力
Figure BDA0003064516390000094
通过以下公式进行设置：
Figure BDA0003064516390000095
其中，Pgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的正常出力，Rgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的备用出力，
Figure BDA0003064516390000096
表示时刻t处于煤电机组状态h的煤电机组g的装机容量；煤电机组状态h满足h＝1,2,...,Kg；
具体实施中，h＝1时表示煤电机组g处于正常运行状态，时刻t后煤电机组g的最大出力为时刻t的调度服务器中煤电机组g的正常出力Pgt与备用出力Rgt之和。
h＝2时表示煤电机组g处于部分故障状态，时刻t的煤电机组g的装机容量
Figure BDA0003064516390000097
小于时刻t的调度服务器中煤电机组g的正常出力Pgt与备用出力Rgt之和Pgt+Rgt，因此时刻t后煤电机组g的最大出力为
Figure BDA0003064516390000098
h＝Kg时表示煤电机组g处于完全故障状态，煤电机组g的装机容量
Figure BDA0003064516390000099
为0，因此时刻t后煤电机组g的最大出力为0。
3)基于可靠性模型和剩余产能设备的运行状态参数，计算在故障传播过程中天然气系统与电力系统的可靠性参数：
步骤3)具体为：
3.1)基于气源可靠性模型，计算天然气系统的可靠性参数；
天然气系统的可靠性参数具体为天然气负荷切除量，天然气负荷切除量为天然气系统的总最大产气量与总天然气负荷的差值，天然气负荷切除量通过以下公式进行设置：
Figure BDA00030645163900000910
其中，EGNSt表示t时刻的天然气负荷切除量，DGt表示t时刻的总天然气负荷；GSgs,t表示t时刻储气装置gs中天然气的存储量；prws(t)表示t时刻气源w处于天然气系统状态s的概率，
Figure BDA0003064516390000101
表示t时刻气源w处于天然气系统状态s下的最大产气量；Δt为时间间隔；
Figure BDA0003064516390000102
为0-1变量，当处于天然气系统状态s时的负荷不足量
Figure BDA0003064516390000103
表示天然气系统状态的总个数；
3.2)基于煤电机组可靠性模型以及剩余产能设备的运行状态参数，计算电力系统的可靠性参数：剩余产能设备具体为风电机组和天然气机组；
电力系统的可靠性参数具体为电力负荷切除量，电力负荷切除量为发电机组的出力总和与总电力负荷的差值，发电机组的出力总和为风电机组的出力、煤电机组的最大出力和天然气机组的出力减去天然气机组功率损失量的差值；电力负荷切除量通过以下公式进行设置：
Figure BDA0003064516390000104
Figure BDA0003064516390000105
其中，DEt表示t时刻的总电力负荷；PGLε,t表示在电力系统状态ε下天然气机组的功率损失量；Pgg,t表示t时刻的天然气机组gg的出力；
Figure BDA0003064516390000106
表示t时刻在电力系统状态ε下煤电机组g的最大出力；
Figure BDA0003064516390000107
表示t时刻在电力系统状态ε下节点m处风电机组wd的出力，prgε(t)和
Figure BDA0003064516390000108
分别表示t时刻煤电机组g和风电机组wd处于电力系统状态e的概率；电力系统状态e满足
Figure BDA0003064516390000109
表示电力系统状态的总个数；
Figure BDA00030645163900001010
为0-1变量，电力系统负荷切除量
Figure BDA00030645163900001011
大于0时，
Figure BDA00030645163900001012
为1，反之则
Figure BDA00030645163900001013
为0；ηg2e表示天然气转化为电力的转化系数。
4)基于电力系统和天然气系统的可靠性参数以及各个传输设备和用能设备的运行状态参数，构建基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化模型；
步骤4)具体为：
4.1)建立电-气耦合系统的备用出力目标函数：
min TC＝OCE+OCG
其中，TC表示电-气耦合系统的总计量参数；OCE表示电力系统运行的总计量参数；OCG表示天然气系统运行的总计量参数；
电力系统运行的总计量参数OCE主要包括煤电机组的发电计量参数、备用计量参数和启停计量参数：
Figure BDA0003064516390000111
其中，ECg(·)表示煤电机组g的发电计量参数函数；Pgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的正常出力，Rgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的备用出力，RCgt表示煤电机组g的备用计量参数；UCg和DCeg分别表示煤电机组g的启动计量参数和停机计量参数；agt和βgt为0-1变量，分别表示煤电机组g的启动状态和停机状态；
天然气系统运行的总计量参数OCG主要包括气源的产气计量参数、备用计量参数和储气装置的运行计量参数：
Figure BDA0003064516390000112
其中，GCw(·)表示气源w的产气计量参数函数；RCwt表示气源w的备用计量参数；Cgs表示t时刻储气装置gs的运行计量参数；GCgs,t和GDgs,t分别表示t时刻储气装置gs的进气量与出气量；Wwt表示时刻t的调度服务器中气源w的正常产气量；Rwt表示时刻t的调度服务器中气源w的备用产气量；
4.2)基于电力系统和天然气系统的可靠性参数以及各个传输设备和用能设备的运行状态参数，构建电-气耦合系统的约束条件；
I.构建天然气系统运行约束：
在天然气系统运行中，气源、天然气管道和储气装置需要满足相应的运行约束。
根据Weymouth方程，天然气管道上的天然气流量与天然气管道的两端气压有关，天然气管道上的天然气流量表示为：
Figure BDA0003064516390000113
其中，QD,t表示t时刻天然气管道D的天然气流量；πDi,t表示t时刻天然气管道D节点i处的气压；πDj,t表示t时刻天然气管道D节点j处的气压；CD为天然气管道D的气流传输参数；
本实施例中，气流传输参数取值为6。
此外，天然气管道D的天然气流量满足以下约束：
Figure BDA0003064516390000114
其中，
Figure BDA0003064516390000115
和
Figure BDA0003064516390000116
分别表示天然气管道D中天然气流量的上限和下限；
本实施例中，气流传输参数取值为10×105m3/h和0。
天然气系统的各节点的天然气流入量与流出量相同，压缩机设置在天然气管道中，表示为：
Figure BDA0003064516390000121
其中，DGit表示t时刻节点i的天然气负荷；tDci,t表示t时刻天然气管道D节点i处压缩机c的天然气注入量；
Figure BDA0003064516390000122
为节点i的天然气流入量，
Figure BDA0003064516390000123
节点i的天然气流出量；
天然气系统的各节点气压满足以下约束：
Figure BDA0003064516390000124
其中，
Figure BDA0003064516390000125
和
Figure BDA0003064516390000126
分别表示节点i处气压的上限和下限；
压缩机模型满足以下约束：
Figure BDA0003064516390000127
其中，
Figure BDA0003064516390000128
和
Figure BDA0003064516390000129
分别表示天然气管道D上压缩机c的压缩系数的上限和下限；
本实施例中，压缩机压缩系数的上限和下限取值为2和1。
考虑到充放气过程，t时刻与t+1时刻储气装置gs的进气量、出气量和存量满足以下约束：
SGgs,t+1＝SGgs,t+GCgs,t-GDgs,t
其中，SGgs,t表示t时刻储气装置gs的存量；
此外，储气装置还满足以下约束：
Figure BDA00030645163900001210
Figure BDA00030645163900001211
Figure BDA00030645163900001212
Figure BDA00030645163900001213
其中，
Figure BDA00030645163900001214
和
Figure BDA00030645163900001215
分别表示储气装置gs进气量与出气量的最大值；
Figure BDA00030645163900001216
和
Figure BDA00030645163900001217
分别表示储气装置gs存量的上限与下限；
Figure BDA00030645163900001218
表示初始时刻储气装置gs的存量；
本实施例中，储气装置的存量设置为存量上限值的50％，进气量与出气量的最大值设置为存量上限值的50％。
气源的正常产气量与备用产气量之和的约束表示为：
Figure BDA00030645163900001219
其中，
Figure BDA00030645163900001220
表示正常状况下气源w的最大产气量；
II.构建电力系统运行约束；
电力系统运行约束包括电力线路和发电机组约束。
电力系统的节点功率平衡约束可表示为：
Figure BDA0003064516390000131
其中，Pmgt表示t时刻节点m的煤电机组g的出力，Pmgg,t表示t时刻节点m处天然气机组gg的出力；Pmwd,t表示t时刻节点m处风电机组wd的出力；DEmt表示t时刻节点m处的电力负荷；flt表示时刻t电力线路l的电力流量；
Figure BDA0003064516390000132
为节点的电力流入量，
Figure BDA0003064516390000133
为节点的电力流出量；
电力线路的电力流量约束表示为：
Figure BDA0003064516390000134
其中，θmt表示t时刻节点m的相角；Bl表示电力线路l的电纳；
Figure BDA0003064516390000135
表示电力线路l的最大电力流量；
实际运行中，煤电机组的正常出力与备用出力满足以下约束：
Figure BDA0003064516390000136
其中，xmgt表示t时刻节点m处煤电机组g的运行状态，xmgt为0-1变量，0表示煤电机组g处于停机状态，1表示煤电机组g处于开机状态；
Figure BDA0003064516390000137
和
Figure BDA0003064516390000138
分别表示节点m处煤电机组g的最大与最小出力；Rmgt表示t时刻节点m的煤电机组g的备用出力；
此外，煤电机组的备用出力还小于煤电机组的上爬坡速率：
Figure BDA0003064516390000139
其中，
Figure BDA00030645163900001310
表示煤电机组g的上爬坡速率；
相邻时刻煤电机组的正常出力的差值还小于下爬坡速率，表示为：
Figure BDA00030645163900001311
Figure BDA00030645163900001312
其中，
Figure BDA00030645163900001313
表示燃煤机组g的下爬坡速率；Pmg,t-1表示t-1时刻节点m的煤电机组g的出力；xmg,t-1表示t-1时刻节点m处煤电机组g的运行状态；
煤电机组从开机状态转化为停机状态时满足最小开机时间约束：
Figure BDA00030645163900001314
Figure BDA00030645163900001315
Figure BDA00030645163900001316
其中，
Figure BDA00030645163900001317
表示初始时刻煤电机组g已经开机的时间，时间的单位为小时；
Figure BDA00030645163900001318
表示煤电机组g最小开机的时间；
煤电机组从停机状态转化为开机状态时满足最小停机时间约束：
Figure BDA0003064516390000141
Figure BDA0003064516390000142
Figure BDA0003064516390000143
其中，
Figure BDA0003064516390000144
表示初始时刻机组g已经停机的时间；
Figure BDA0003064516390000145
表示机组g最小停机的时间，T表示最小开机时间或最小停机时间；
电力系统的节点m的相角约束表示为：
θmin≤θmt≤θmax
其中，θmax和θmin分别表示节点m相角的最大值和最小值；
III.构建可靠性约束；
电-气耦合系统在运行时需保证可靠性参数在给定范围内。为此，电力系统和天然气系统的可靠性参数满足以下约束：
Figure BDA0003064516390000146
Figure BDA0003064516390000147
其中，
Figure BDA0003064516390000148
和
Figure BDA0003064516390000149
分别表示t时刻最大天然气负荷切除量和电力负荷切除量；α和β分别为天然气系统和电力系统的可调系数，用于调整天然气系统和电力系统的可靠性参数的上限值。
5)通过内点法求解电-气耦合系统的备用出力优化模型，获得在故障下天然气系统的备用出力和电力系统的备用出力，调度服务器根据天然气系统的备用出力和电力系统的备用出力调整各产能设备的出力，使得各产能设备的出力满足电力负荷与天然气负荷需求，保证电-气耦合系统的安全可靠运行。
基于本发明方法确定的备用出力，计算电-气耦合系统的可靠性参数，并将其与传统方法计算确定的可靠性参数对比，如图2所示。从图中可以发现，本发明方法对应的各时刻EENSt值均小于约束值
Figure BDA00030645163900001410
说明本发明方法确定的备用出力能保证系统的安全可靠运行；反之，传统方法各时刻EENSt值远大于约束值，无法保证系统的可靠运行。上述结果充分证明了本发明方法的有益效果。

Claims (5)

1.一种基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)通过各类互感器采集电-气耦合系统中各个产能设备、传输设备和用能设备的运行状态参数；
2)根据部分产能设备的运行状态参数，构建可靠性模型；
3)基于可靠性模型和剩余产能设备的运行状态参数，计算在故障传播过程中天然气系统与电力系统的可靠性参数：
4)基于电力系统和天然气系统的可靠性参数以及各个传输设备和用能设备的运行状态参数，构建基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化模型；
5)通过内点法求解电-气耦合系统的备用出力优化模型，获得在故障下天然气系统的备用出力和电力系统的备用出力，调度服务器根据天然气系统的备用出力和电力系统的备用出力调整各产能设备的出力，使得各产能设备的出力满足电力负荷与天然气负荷需求，保证电-气耦合系统的安全可靠运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法，其特征在于：所述步骤1)中产能设备包括气源和发电机组，发电机组包括天然气机组、风电机组和煤电机组，传输设备包括天然气管道和电力线路，用能设备包括天然气负荷和电力负荷。
3.根据权利要求1所述的一种基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：
所述产能设备包括气源和发电机组，发电机组包括天然气机组、风电机组和煤电机组；可靠性模型包括气源可靠性模型和煤电机组可靠性模型；
2.1)根据气源的运行状态参数，构建气源可靠性模型，气源可靠性模型主要由气源的最大产气量模型和气源状态概率模型组成；
气源状态概率模型具体为各时刻t气源w处于气源状态v的概率prwv(t)的集合；
气源的最大产气量模型具体为：
基于天然气系统的故障，在t时刻的气源w在气源状态v下的最大产气量
Figure FDA0003064516380000011
通过以下公式进行设置：
Figure FDA0003064516380000012
其中，Wwt表示时刻t的调度服务器中气源w的正常产气量，Rwt表示时刻t的调度服务器中气源w的备用产气量，
Figure FDA0003064516380000013
表示时刻t的气源w的总容量；气源状态v 满足v＝1,2,...,Kw；
2.2)根据煤电机组的运行状态参数，构建煤电机组可靠性模型，煤电机组可靠性模型主要由煤电机组的最大出力模型和煤电机组状态概率模型组成；
煤电机组状态概率模型具体为各时刻t煤电机组g处于煤电机组状态h的概率prgh(t)的集合；
煤电机组的最大出力模型具体为：
基于电力系统的故障，在t时刻的煤电机组g在煤电机组状态h下的最大出力
Figure FDA0003064516380000021
通过以下公式进行设置：
Figure FDA0003064516380000022
其中，Pgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的正常出力，Rgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的备用出力，
Figure FDA0003064516380000023
表示时刻t处于煤电机组状态h的煤电机组g的装机容量；煤电机组状态h满足h＝1,2,...,Kg。
4.根据权利要求1所述的一种基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：
3.1)基于气源可靠性模型，计算天然气系统的可靠性参数；
所述天然气系统的可靠性参数具体为天然气负荷切除量，天然气负荷切除量通过以下公式进行设置：
Figure FDA0003064516380000024
其中，EGNSt表示t时刻的天然气负荷切除量，DGt表示t时刻的总天然气负荷；GSgs,t表示t时刻储气装置gs中天然气的存储量；prws(t)表示t时刻气源w处于天然气系统状态s的概率，
Figure FDA0003064516380000025
表示t时刻气源w处于天然气系统状态s下的最大产气量；Δt为时间间隔；
Figure FDA0003064516380000026
为0-1变量，当处于天然气系统状态s时的负荷不足量
Figure FDA0003064516380000027
大于0时，
Figure FDA0003064516380000028
为1，反之当处于天然气系统状态s时的负荷不足量
Figure FDA0003064516380000029
小于等于0时，则
Figure FDA00030645163800000210
为0；天然气系统状态s满足
Figure FDA00030645163800000211
Figure FDA00030645163800000212
表示天然气系统状态的总个数；
3.2)基于煤电机组可靠性模型以及剩余产能设备的运行状态参数，计算电力系统的可靠性参数：
所述电力系统的可靠性参数具体为电力负荷切除量，电力负荷切除量通过以下公式进行设置：
Figure FDA00030645163800000213
Figure FDA0003064516380000031
其中，DEt表示t时刻的总电力负荷；PGLe,t表示在电力系统状态ε下天然气机组的功率损失量；Pgg,t表示t时刻的天然气机组gg的出力；
Figure FDA0003064516380000032
表示t时刻在电力系统状态ε下煤电机组g的最大出力；
Figure FDA0003064516380000033
表示t时刻在电力系统状态ε下节点m处风电机组wd的出力，prgε(t)和
Figure FDA0003064516380000034
分别表示t时刻煤电机组g和风电机组wd处于电力系统状态ε的概率；电力系统状态ε满足
Figure FDA0003064516380000035
Figure FDA0003064516380000036
表示电力系统状态的总个数；
Figure FDA0003064516380000037
为0-1变量，电力系统负荷切除量
Figure FDA0003064516380000038
大于0时，
Figure FDA0003064516380000039
为1，反之则
Figure FDA00030645163800000310
为0；ηg2e表示天然气转化为电力的转化系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于可靠性参数的电-气耦合系统的备用出力优化方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：
4.1)建立电-气耦合系统的备用出力目标函数：
min TC＝OCE+OCG
其中，TC表示电-气耦合系统的总计量参数；OCE表示电力系统运行的总计量参数；OCG表示天然气系统运行的总计量参数；
所述电力系统运行的总计量参数OCE主要包括煤电机组的发电计量参数、备用计量参数和启停计量参数：
Figure FDA00030645163800000311
其中，ECg(·)表示煤电机组g的发电计量参数函数；Pgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的正常出力，Rgt表示时刻t的调度服务器中煤电机组g的备用出力，RCgt表示煤电机组g的备用计量参数；UCg和DCeg分别表示煤电机组g的启动计量参数和停机计量参数；αgt和βgt为0-1变量，分别表示煤电机组g的启动状态和停机状态；
所述天然气系统运行的总计量参数OCG主要包括气源的产气计量参数、备用计量参数和储气装置的运行计量参数：
Figure FDA00030645163800000312
其中，GCw(·)表示气源w的产气计量参数函数；RCwt表示气源w的备用计量参数；Cgs表示t时刻储气装置gs的运行计量参数；GCgs,t和GDgs,t分别表示t时刻储气装置gs的进气量与出气量；Wwt表示时刻t的调度服务器中气源w的正常产气量；Rwt表示时刻t的调度服务器中气源w的备用产气量；
4.2)基于电力系统和天然气系统的可靠性参数以及各个传输设备和用能设备的运行状态参数，构建电-气耦合系统的约束条件；
I.构建天然气系统运行约束：
天然气管道上的天然气流量与天然气管道的两端气压有关，天然气管道上的天然气流量表示为：
Figure FDA0003064516380000041
其中，QD,t表示t时刻天然气管道D的天然气流量；πDi,t表示t时刻天然气管道D节点i处的气压；πDj,t表示t时刻天然气管道D节点j处的气压；CD为天然气管道D的气流传输参数；
天然气管道D的天然气流量满足以下约束：
Figure FDA0003064516380000042
其中，
Figure FDA0003064516380000043
和
Figure FDA0003064516380000044
分别表示天然气管道D中天然气流量的上限和下限；
天然气系统的各节点的天然气流入量与流出量相同，表示为：
Figure FDA0003064516380000045
其中，DGit表示t时刻节点i的天然气负荷；tDci,t表示t时刻天然气管道D节点i处压缩机c的天然气注入量；
Figure FDA0003064516380000046
为节点i的天然气流入量，
Figure FDA0003064516380000047
节点i的天然气流出量；
天然气系统的各节点气压满足以下约束：
Figure FDA0003064516380000048
其中，
Figure FDA0003064516380000049
和
Figure FDA00030645163800000410
分别表示节点i处气压的上限和下限；
压缩机模型满足以下约束：
Figure FDA00030645163800000411
其中，
Figure FDA00030645163800000412
和
Figure FDA00030645163800000413
分别表示天然气管道D上压缩机c的压缩系数的上限和下限；
t时刻与t+1时刻储气装置gs的进气量、出气量和存量满足以下约束：
SGgs,t+1＝SGgs,t+GCgs,t-GDgs,t
其中，SGgs,t表示t时刻储气装置gs的存量；
此外，储气装置还满足以下约束：
Figure FDA00030645163800000414
Figure FDA00030645163800000415
Figure FDA00030645163800000416
Figure FDA0003064516380000051
其中，
Figure FDA0003064516380000052
和
Figure FDA0003064516380000053
分别表示储气装置gs进气量与出气量的最大值；
Figure FDA0003064516380000054
和
Figure FDA0003064516380000055
分别表示储气装置gs存量的上限与下限；
Figure FDA0003064516380000056
表示初始时刻储气装置gs的存量；
气源的正常产气量与备用产气量之和的约束表示为：
Figure FDA0003064516380000057
其中，
Figure FDA0003064516380000058
表示正常状况下气源w的最大产气量；
II.构建电力系统运行约束；
电力系统的节点功率平衡约束可表示为：
Figure FDA0003064516380000059
其中，Pmgt表示t时刻节点m的煤电机组g的出力，Pmgg,t表示t时刻节点m处天然气机组gg的出力；Pmwd,t表示t时刻节点m处风电机组wd的出力；DEmt表示t时刻节点m处的电力负荷；flt表示时刻t电力线路l的电力流量；
Figure FDA00030645163800000510
为节点的电力流入量，
Figure FDA00030645163800000511
为节点的电力流出量；
电力线路的电力流量约束表示为：
flt＝|Bl(θmt-θnt)|≤Fl max
其中，θmt表示t时刻节点m的相角；Bl表示电力线路l的电纳；Fl max表示电力线路l的最大电力流量；
煤电机组的正常出力与备用出力满足以下约束：
Figure FDA00030645163800000512
其中，xmgt表示t时刻节点m处煤电机组g的运行状态，xmgt为0-1变量，0表示煤电机组g处于停机状态，1表示煤电机组g处于开机状态；
Figure FDA00030645163800000513
和
Figure FDA00030645163800000514
分别表示节点m处煤电机组g的最大与最小出力；Rmgt表示t时刻节点m的煤电机组g的备用出力；
煤电机组的备用出力还小于煤电机组的上爬坡速率：
Figure FDA00030645163800000515
其中，
Figure FDA00030645163800000516
表示煤电机组g的上爬坡速率；
相邻时刻煤电机组的正常出力的差值还小于下爬坡速率，表示为：
Figure FDA00030645163800000517
Figure FDA00030645163800000518
其中，
Figure FDA0003064516380000061
表示燃煤机组g的下爬坡速率；Pmg,t-1表示t-1时刻节点m的煤电机组g的出力；xmg,t-1表示t-1时刻节点m处煤电机组g的运行状态；
煤电机组从开机状态转化为停机状态时满足最小开机时间约束：
Figure FDA0003064516380000062
Figure FDA0003064516380000063
Figure FDA0003064516380000064
其中，
Figure FDA0003064516380000065
表示初始时刻煤电机组g已经开机的时间；
Figure FDA0003064516380000066
表示煤电机组g最小开机的时间；
煤电机组从停机状态转化为开机状态时满足最小停机时间约束：
Figure FDA0003064516380000067
Figure FDA0003064516380000068
Figure FDA0003064516380000069
其中，
Figure FDA00030645163800000610
表示初始时刻机组g已经停机的时间；
Figure FDA00030645163800000611
表示机组g最小停机的时间，T表示最小开机时间或最小停机时间；
电力系统的节点m的相角约束表示为：
θmin≤θmt≤θmax
其中，θmax和θmin分别表示节点m相角的最大值和最小值；
III.构建可靠性约束；
电力系统和天然气系统的可靠性参数满足以下约束：
Figure FDA00030645163800000612
Figure FDA00030645163800000613
其中，
Figure FDA00030645163800000614
和
Figure FDA00030645163800000615
分别表示t时刻最大天然气负荷切除量和电力负荷切除量；α和β分别为天然气系统和电力系统的可调系数，用于调整天然气系统和电力系统的可靠性参数的上限值。
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