CN115935711B - 一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法，包括步骤：在用户侧构建分布式能源集线器模型；根据分布式能源集线器模型构建多能互补主动配网系统的结构可靠性评价指标，所述结构可靠性评价指标包括连通可靠度、特征路径长度、网络传输效率，并基于图论给出结构可靠性评价指标的计算方法；结合故障影响分析法和蒙特卡洛模拟法，提出多能互补主动配网系统的供能可靠性评估指标的计算方法。本发明的目的在于考虑多能互补主动配网系统本身的网络拓扑结构对系统可靠性的影响，构建合理的可靠性评价指标及计算方法，将其他能源形式有效耦合进配电网，提升多能互补主动配网系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及配网系统可靠性评估技术领域，特别涉及一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法。
背景技术
随着用户用能多样化和贯彻国家节能减排方针，逐渐形成了以电力系统为核心，融入天然气、热能、风电、光伏等多种能源的多能互补系统。各种能源间交互程度不断加深，给配电网的供电可靠性带来了新的挑战。而现有的对多能互补系统可靠性评价指标体系中，一般应用系统平均停供时间、平均停用次数、缺供能量等统计指标来量化预想事故集对系统的影响，并没有结合多能融合的主动配网系统本身的网络拓扑结构对可靠性的影响。且传统可靠性评估方法难以合理有效的评估含多能的主动配网系统供能可靠性。因此，选择合理的可靠性评价指标对多能互补主动配网系统的结构和功能进行评价是值得深入研究的。
发明内容
本发明的目的在于考虑多能互补主动配网系统本身的网络拓扑结构对系统可靠性的影响，构建合理的可靠性评价指标及评估方法，将其他能源形式有效耦合进配电网，提升多能互补主动配网系统的可靠性，提供一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法，包括以下步骤：
在用户侧构建分布式能源集线器模型；
根据分布式能源集线器模型构建多能互补主动配网系统的结构可靠性评价指标，所述结构可靠性评价指标包括连通可靠度、特征路径长度、网络传输效率，并基于图论给出结构可靠性评价指标的计算方法；
结合故障影响分析法和蒙特卡洛模拟法，提出多能互补主动配网系统的供能可靠性评估指标的计算方法。
所述在用户侧构建分布式能源集线器模型的步骤，包括：
所述多能互补主动配网系统包括与气负荷相连的天然气网、与电负荷相连的配电网、用户侧的分布式能源集线器，以及与分布式能源集线器相连的热负荷、冷负荷；
所述分布式能源集线器的输入部分、中间耦合部分、负荷部分之间的转换关系为：
其中，表示气负荷，/>表示电负荷，/>表示热负荷，/>表示冷负荷；表示电输入，/>表示气输入；/>表示电-气的转换比例，/>表示电-电的转换比例，/>表示电-热的转换比例，/>表示电-冷的转换比例，且/>；表示气-气的转换比例的平均能源利用效率，/>表示气-电的转换比例的平均能源利用效率，/>表示气-热的转换比例的平均能源利用效率，/>表示气-冷的转换比例的平均能源利用效率，/>；/>表示电-气转换设备的平均能源利用效率，/>表示气-气转换设备的平均能源利用效率，/>表示电-电转换设备的平均能源利用效率，/>表示气-电转换设备的平均能源利用效率，/>表示电-热转换设备的平均能源利用效率，/>表示气-热转换设备的平均能源利用效率，/>表示电-冷转换设备的平均能源利用效率，/>表示气-冷转换设备的平均能源利用效率；
其中，表示电-气转换设备数，/>表示气-气转换设备数，/>表示电-电转换设备数，/>表示电-热转换设备数，/>表示电-冷转换设备数，/>表示气-电转换设备数，表示气-热转换设备数，/>表示气-冷转换设备数；/>、/>分别表示第p个电-气转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第q个气-气转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第i个电-电转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第j个电-热转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第k个电-冷转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第l个气-电转换设备的额定功率和转换功率；、/>分别表示第m个气-热转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第n个气-冷转换设备的额定功率和转换功率；
构建燃气轮机模型：
其中，表示燃气轮机i消耗的天然气量；/>表示燃气轮机i输出的电功率；a、b、c表示燃气轮机i的耗气量曲线参数；GHV表示天然气固定的高热值；
构建电转气能源转换设备模型：
其中，表示电转气能源转换设备i的天然气流量；/>表示电转气能源转换设备i消耗的电功率；/>表示电转起能源转换设备i的全过程转换效率；
构建冷热电三联供机组模型：
其中，表示燃气轮机的发电功率；/>表示单台燃气轮机的发电功率；表示燃气轮机投运数量；/>表示电制冷机输出冷功率；/>表示制冷系数；表示电制冷机输入电功率；/>表示燃气锅炉的输出热功率；/>表示天然气消耗量；/>表示燃气锅炉热效率；/>表示燃气锅炉的热损失率；/>表示㶲功率；表示电量㶲；/>表示冷量㶲；/>表示热量㶲；/>表示冷热电三联供机组输入的燃料总量；/>表示燃料低位发热值；/>表示冷热电三联供机组的一次能源利用率；/>表示冷热电三联供机组输出的电量；/>表示冷热电三联供机组输出的冷量；/>表示冷热电三联供机组输出的热量。
构建的结构可靠性评价指标中的连通可靠度为：
各段传输路径的可靠度为：
其中，表示能源传输路径i的可靠度；w表示传输路径单位长度故障率；l表示能源传输路径长度，单位m；u表示传输路径检测时间，单位为年；
设共有n条传输路径，且为第i个能源传输路径的可靠度（1≤i≤n），则可靠度向量为R=(R1,R2,...,Rn)T；设d1、d2、...、dm为网络拓扑结构中源节点与负荷节点之间所有的最小路径，则所有的最小路径的集合可用矩阵D表示：
其中，任意一条最小路径j（j∈m）的列向量为：
最小路径集合矩阵D：
则基于最小路径集合矩阵D的互补主动配网系统的连通可靠度为：
其中，为基于最小路径集合矩阵D的互补主动配网系统的连通可靠度；/>表示阶矩阵，有：
其中，矩阵，/>为矩阵/>内第j列向量。
构建的结构可靠性评价指标中的特征路径长度和网络传输效率为：
源节点s到负荷节点k的最小路径距离为：
其中，表示源节点s到负荷节点k的最小路径距离；/>表示源节点s到负荷节点k直接相连的距离；/>表示源节点s与负荷节点k通过若干个中间节点j相连的距离；
在计算得到所有源和节点对之间的最小路径距离后，计算得到特征路径长度L和网络传输效率E：
其中，N表示多能互补主动配网系统中的网络节点数，N0表示源节点数；s表示源节点，k表示负荷节点。
所述结合故障影响分析法和蒙特卡洛模拟法，提出多能互补主动配网系统的供能可靠性评估指标的计算方法的步骤，包括：
（1）初始化时，输入配电网、天然气网的基本数据和可靠性参数，并设置仿真年限Nmax和收敛判别方差系数，令初始时刻t=0，所有设备均为正常工作状态；
（2）求取每个设备的无故障工作时间TTF，选取无故障工作时间TTF最小的设备作为故障设备，令T=min(TTF)；
（3）计算故障设备的修复时间TTR，同时将修复时间TTR作为故障持续时间；
（4）进行配电网拓扑分析，判断故障设备是否使配电网形成孤岛，若是，则进行步骤（5）；否则，进行步骤（6）；
（5）判断孤岛内电负荷是否得到满足，若是，则进行步骤（6）；否则，累计电负荷削减量后，进行步骤（6）；
（6）分析故障设备对配电网的影响，同时根据电源、联络开关情况，确定配电网停电类型，并分别计算负荷节点停电时间和累计停电次数；
（7）进行天然气网拓扑分析，判断故障设备是否使得天然气网解列，若是，则进行步骤（8）；否则，进行步骤（9）；
（8）判断解列后子系统的气负荷是否得到满足，若，则进行步骤（9）；否则，累计气负荷削减量后，进行步骤（9）；
（9）分析故障设备对天然气网的影响，同时根据气源、加压气情况，确定天然气网停气类型，并分别计算负荷节点停气时间和累计停气次数；
（10）判断仿真时间t是否达到预设值，t=t+TTF+TTR，t>Nmax，若达到，则进行步骤（11），否则返回步骤（2）；
（11）统计计算供能可靠性评估指标并输出。
计算设备的无故障工作时间TTF和修复时间TTR的步骤为：
当设备在正常运行状态时，无故障工作时间TTF和修复时间TTR均成指数分布，概率密度函数为：
其中，为故障率，/>为修复率/>；f(t)为无故障工作时间TTF的概率密度函数，g(t)为修复时间TTR的概率密度函数；
将上式积分得到设备的无故障工作时间TTF和修复时间TTR的概率分布函数：
其中，F(t)为无故障工作时间TTF的概率分布函数，0≤F(t)≤1；G(t)为修复时间TTR的概率分布函数，0≤G(t)≤1；
故障率和修复率/>均为[0,1]区间上的随机数，采用逆变换的方法得到设备的无故障工作时间TTF和修复时间TTR：
其中，、/>为服从[0,1]区间上均匀分布的随机数。与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明为提升多能互补主动配网系统的可靠性，使用燃气轮机（GT）、冷热电三联供机组（CCHP）以及电转气能源转换设备（P2G）将配电网和天然气网联系起来，并利用图论方法将配网拓扑计入可靠性评估指标的计算中。首先，构建电-气互联系统物理构架，描述分布式能源集线器模型；其次，建立多能互补主动配网系统内的燃气轮机（GT）、冷热电三联供机组（CCHP）、电转气能源转换设备（P2G）的数学模型；然后，建立多能互补主动配网系统的结构可靠性评价指标；最后，利用蒙特卡洛模拟法仿真计算多能互补主动配网系统的供能可靠性评估指标，并与单一供能网络的可靠性进行比较分析，结果表明：无论从网络拓扑的结构可靠性还是系统的供能可靠性，耦合系统的可靠性都优于单一供能网络。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1多能互补主动配网系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1不同能源之间的转换关系示意图；
图3为本发明实施例1获得源节点和负荷节点之间的所有最小路径的流程图；
图4为本发明实施例1计算特征路径长度和网络传输效率的流程图；
图5为本发明实施例1工作-故障”两种状态模型的空间转移图；
图6为本发明实施例1多能互补主动配网系统供能可靠性评估指标的计算方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。另外，术语“相连”、“连接”等可以是元件之间直接相连，也可以是经由其他元件的间接相连。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法，包括以下步骤：
步骤1，在用户侧构建分布式能源集线器模型。
本方案的多能互补主动配网系统包括与气负荷相连的天然气网、与电负荷相连的配电网、用户侧的分布式能源集线器等，还包括与分布式能源集线器相连的热负荷、冷负荷，具体结构以及能源流动形式如图1所示。其中分布式能源集线器（EH）通过燃气轮机（GT）、冷热电三联供机组（CCHP）以及电转气能源转换设备（P2G）来实现不同能源之间的互补与耦合。
请继续参见图1，分布式能源集线器（EH）主要包括电能与天然气两种能源的转换。如图2所示，表示了不同能源之间存在的转换关系，但不表示具体的转换过程，可以将分布式能源集线器（EH）分为三个部分：输入部分、中间耦合部分、输出部分（或负荷部分），三者之间的转换关系为：
其中，、/>、/>、/>分别表示分布式能源集线器的气负荷、电负荷、热负荷、冷负荷；/>、/>分别表示分布式能源集线器的电输入、气输入；/>、/>、/>、/>分别表示电能转换为气、电、热、冷四种能源的比例，且/>；/>、、/>、/>分别表示天然气转换为气、电、热、冷四种能源的比例，且；/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>分别表示电-气转换设备、气-气转换设备、电-电转换设备、气-电转换设备、电-热转换设备、气-热转换设备、电-冷转换设备、气-冷转换设备的平均能源利用效率。
其中，、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>分别表示主动配网系统中电-气转换设备数、气-气转换设备数、电-电转换设备数、电-热转换设备数、电-冷转换设备数、气-电转换设备数、气-热转换设备数、气-冷转换设备数；/>、/>分别表示第p个电-气转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第q个气-气转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第i个电-电转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第j个电-热转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第k个电-冷转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第l个气-电转换设备的额定功率和转换功率；、/>分别表示第m个气-热转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第n个气-冷转换设备的额定功率和转换功率。
构建燃气轮机（GT）模型：
其中，表示燃气轮机i消耗的天然气量；/>表示燃气轮机i输出的电功率；a、b、c表示燃气轮机i的耗气量曲线参数；GHV表示天然气固定的高热值，通常取为0.01035MWh/m3。
构建电转气能源转换设备（P2G）模型：
其中，表示电转气能源转换设备i的天然气流量；/>表示电转气能源转换设备i消耗的电功率；/>表示电转起能源转换设备i的全过程转换效率。
构建冷热电三联供机组（CCHP）模型：
其中，表示燃气轮机的发电功率；/>表示单台燃气轮机的发电功率；表示燃气轮机投运数量；/>表示电制冷机输出冷功率；/>表示制冷系数；表示电制冷机输入电功率；/>表示燃气锅炉的输出热功率；/>表示天然气消耗量；/>表示燃气锅炉热效率；/>表示燃气锅炉的热损失率；/>表示㶲功率；表示电量㶲；/>表示冷量㶲；/>表示热量㶲；/>表示冷热电三联供机组输入的燃料总量；/>表示燃料低位发热值；/>表示冷热电三联供机组的一次能源利用率；/>表示冷热电三联供机组输出的电量；/>表示冷热电三联供机组输出的冷量；/>表示冷热电三联供机组输出的热量。
步骤2，根据分布式能源集线器模型构建多能互补主动配网系统的结构可靠性评价指标，所述结构可靠性评价指标包括连通可靠度、特征路径长度、网络传输效率，并基于图论给出结构可靠性评价指标的计算方法。
为考虑多能互补主动配网系统的网络拓扑结构对可靠性的影响，本方案引入图论的相关理论知识评价多能互补主动配网系统的结构可靠性。图论一般应用于复杂网络系统中节点对之间的连通可靠度，本步骤旨在评价源和节点对之间的连通可靠度，以描述能量从源节点传输到负荷节点的可靠度，其中源节点指能量源节点。在线路工程中各段传输路径的可靠度为：
其中，表示能源传输路径i的可靠度；w表示传输路径单位长度故障率；l表示能源传输路径长度，单位m；u表示传输路径检测时间，单位为年。
在多能互补主动配网系统的网络拓扑结构中，设共有n条传输路径，且为第i个能源传输路径的可靠度（1≤i≤n），则可靠度向量为R=(R1,R2,...,Rn)T；设d1、d2、...、dm为网络拓扑结构中源节点与负荷节点之间所有的最小路径，则所有的最小路径的集合可用矩阵D表示：
其中，任意一条最小路径j（j∈m）的列向量为：
针对大型复杂网络系统一般采用边遍历的方法来确定源节点和负荷节点之间的所有最小路径，请参见图3，核心要点为以源节点作为起始点，搜索并遍历节点关联边，沿网络中相连的节点依次搜索到负荷节点，最终确定出搜索到的最小路径。
可得最小路径集合矩阵D：
则基于最小路径集合矩阵D的互补主动配网系统的连通可靠度为：
其中，为基于最小路径集合矩阵D的互补主动配网系统的连通可靠度；/>表示阶矩阵，有：
其中，矩阵，/>为矩阵/>内第j列向量。/>
Floyd算法是一种应用动态规划理论搜索加权图中源和节点对之间最短路径的算法，适用于有向图和无向图中最短路径的求取。请参见图4，该算法的核心是基于对一个图的带权邻接矩阵，初始化s=1、k=1，求出源节点与负荷节点的最短路径矩阵，则源节点s到负荷节点k的最小路径距离为：
其中，表示源节点s到负荷节点k的最小路径距离；/>表示源节点s到负荷节点k直接相连的距离；/>表示源节点s与负荷节点k通过若干个中间节点j相连的距离。
在计算得到所有源和节点对之间的最小路径距离后，可计算得到特征路径长度L和网络传输效率E：
其中，N表示多能互补主动配网系统中的网络节点数，N0表示源节点数；s表示源节点，k表示负荷节点。
步骤3，结合故障影响分析法和蒙特卡洛模拟法，提出多能互补主动配网系统的供能可靠性评估指标的计算方法，供能可靠性评估指标包括系统平均停供频率、系统平均停供持续时间、用户用能可靠率、缺供能量。
多能互补主动配网系统中设备种类繁多，在电力系统中主要包括配电变压器、输电线路、断路器、熔断器、联络开关、分段开关等设备；在天然气系统中主要包括输气管道、天然气压缩机、燃气轮机、电转气能源转换设备、天然气气源、阀门等设备。在多能互补主动配网系统的功能可靠性评估过程中，只考虑能源传输路径、连接到用户侧变压器故障，且假设在多能互补主动配网系统内部所有开关本身动作可靠率为100%，对于多能互补主动配网系统中所有设备的功能可靠性评估模型均采用“工作-故障”两种状态模型来模拟设备的工作状态。
两种状态模型的空间转移图如图5所示，其中表示设备的故障率，/>表示设备的修复率。/>是指设备在单位时间内因故障而无法正常工作的次数，/>是指在规定时间内尚未修复的设备在规定时间外的单位时间内修复成功的概率。设备在正常运行状态下的工作时间称为无故障工作时间（Time to Failure，TTF），设备在故障状态下停留的时间称为修复时间（Timeto Repair，TTR）。
当设备在正常运行状态时，其故障率和修复率/>为常数，此时无故障工作时间（TTF）和修复时间（TTR）均成指数分布，概率密度函数为：/>
其中，f(t)为无故障工作时间（TTF）的概率密度函数，g(t)为修复时间（TTR）的概率密度函数。
将上式积分可得设备的无故障工作时间（TTF）和修复时间（TTR）的概率分布函数：
其中，F(t)为无故障工作时间（TTF）的概率分布函数，0≤F(t)≤1；G(t)为修复时间（TTR）的概率分布函数，0≤G(t)≤1。
因为故障率和修复率/>均为[0,1]区间上的随机数，故可采用逆变换的方法得到设备的无故障工作时间（TTF）和修复时间（TTR）：
其中，、/>为服从[0,1]区间上均匀分布的随机数。
由于多能互补主动配网系统同时出现多个设备故障的概率较小，因此配电网只需要考虑一阶故障，天然气网考虑多阶故障。基于蒙特卡洛模拟法仿真的多能互补主动配网系统供能可靠性评估指标的计算方法如图6所示，包括步骤：
（1）初始化时，输入配电网、天然气网的基本数据和可靠性参数，并设置仿真年限Nmax和收敛判别方差系数，令初始时刻t=0，所有设备均为正常工作状态。
（2）求取每个设备的无故障工作时间（TTF），选取无故障工作时间（TTF）最小的设备作为故障设备，令T=min(TTF)。
（3）计算故障设备的修复时间（TTR），同时将修复时间（TTR）作为故障持续时间。
（4）进行配电网拓扑分析，判断故障设备是否使配电网形成孤岛，若是，则进行步骤（5）；否则，进行步骤（6）。
（5）判断孤岛内电负荷是否得到满足，若是，则进行步骤（6）；否则，累计电负荷削减量后，进行步骤（6）。
（6）分析故障设备对配电网的影响，同时根据电源、联络开关情况，确定配电网停电类型，并分别计算负荷节点停电时间和累计停电次数。
（7）进行天然气网拓扑分析，判断故障设备是否使得天然气网解列，若是，则进行步骤（8）；否则，进行步骤（9）。
（8）判断解列后子系统的气负荷是否得到满足，若，则进行步骤（9）；否则，累计气负荷削减量后，进行步骤（9）。
（9）分析故障设备对天然气网的影响，同时根据气源、加压气情况，确定天然气网停气类型，并分别计算负荷节点停气时间和累计停气次数。
（10）判断仿真时间t是否达到预设值，t=t+TTF+TTR，t>Nmax，若达到，则进行步骤（11），否则返回步骤（2）。
（11）统计计算供能可靠性评估指标并输出，所述功能可靠性评估指标包括系统平均停供频率、系统平均停供持续时间、用户用能可靠率、缺供能量。
实施例2：
本实施列在上述实施例1的方案上以IEEE-RBTS Bus-6配电网的馈线F4和NGS11天然气网的11节点为基础，通过燃气轮机（GT）和电转气能源转换设备（P2G）构成的分布式能源集线器耦合形成多能互补主动配网系统进行算例分析。
天然气网通过燃气轮机（GT）和电转气能源转换设备（P2G）与配电网耦合，具体来说，本实施例中天然气网节点11与配电网支线22通过燃气轮机（GT）相连，天然气网节点5与配电网支线20通过电转气能源转换设备（P2G）相连。
其中，燃气轮机额定功率0.8MW，电转气能源转换设备额定功率1MW。天然气网的气负荷数据、管道参数和压缩机参数如表1、表2、表3所示。设备的可靠性参数如表4所示。模拟仿真年限为10年。
表1 天然气网的气负荷数据
表2 天然气网的管道参数
表3 天然气网的压缩机参数
表4 设备的可靠性参数
本方案通过选取多能互补主动配网系统的连通可靠度、特征路径长度、网络传输效率、系统平均停供频率、系统平均停供持续时间、用户用能可靠率、缺供能量等部分指标组成的指标体系对多能互补主动配网系统的可靠性进行评估，并与独立配电网系统可靠性评估结果进行比较分析，以验证本方案的有效性。
用户侧评价指标如下：
用户用能可靠率SAI：
其中，通常为8760h；/>、/>、/>分别为配电网、天然气网、热网中的负荷节点数；任一节点i（包括源节点或负荷节点）含有的配电网、天然气网、热网中的用户数分别为/>、/>、/>；节点i在配电网、天然气网、热网中的年停供持续时间分别为/>、/>、/>，单位小时/年。
系统平均停供频率CAIFI：
其中，节点i在配电网、天然气网、热网中的年故障停供概率分别为、/>、，单位次/年。
系统侧可靠性指标如下：
系统平均停供持续时间SAIDI：
缺供能量SENS：
其中，、/>、/>分别为配电网、天然气网、热网中节点i的负荷。
独立配电网系统的可靠性评估指标如下：
系统连通可靠度：假设系统中有nu个负荷节点，ne条供能线路，vs个源节点，则系统中任一负荷节点与源节点之间的连通可靠度模型为：
其中，表示源节点s到负荷节点j的第k个最小路径；/>表示在拓扑中源节点s到负荷节点j的第k个最小路径的线路数量；/>表示源节点s到负荷节点j的第k个最小路径中第l个线路正常工作的事件。
根据上式可以得出每个负荷节点与源节点的连通可靠度后，则在拓扑图中源节点s与负荷节点j之间的最小路径集合为：
其中，表示源节点s到负荷节点j的最小路径数量。
综上可得，源节点s到所有负荷节点集合连通的逻辑表达式为：
然而在含多能的配网系统中，源节点的数目一般在两个及以上，假设源节点数目为vs=2时，全部负荷节点与源节点的连通可靠度为下式，其余情况以此类推：
其中，前两项分别代表全部负荷节点与上一个源节点的连通可靠度，第三项表示全部负荷节点与两个源节点同时连接的连通可靠度。
特征路径长度L：
其中，N为多能互补主动配网系统中的节点数，包括源节点、负荷节点；表示节点i与节点j之间的最短路径距离；V表示所有节点集合。
网络传输效率E：
其中，为源和节点对之间的距离。
本发明提供的两个案例为：
案例1，对含新能源的RBTS-BUS6-F4独立配电网系统进行可靠性评估；
案例2，对含新能源的RBTS-BUS6-F4-NGS11多能互补主动配网系统进行可靠性评估。
评估结果如表5所示：
表5 案例1与案例2可靠性评估结果
通过表5可知：
（1）多能互补主动配网系统的可靠性与独立配电网系统相比，无论从网络拓扑的结构可靠性（即连通可靠度、特征路径长度、网络传输效率）还是系统的供能可靠性（即系统平均停供持续时间、用户用能可靠度、缺供能量）来看，多能互补主动配网系统都优于独立配电网系统。
（2）电转气能源转换设备（P2G）与燃气轮机（GT）相比，具有装机容量小、转换效率低、转换得到的天然气流量有限等缺点；虽在一定程度上能够提高天然气网的可靠性水平，但不如利用燃气轮机（GT）提升配电网可靠性效果显著。
（3）独立配电网系统的连通可靠度与多能互补主动配网系统的配网相比，多能互补主动配网系统的连通可靠度水平较高，主要因为在多能互补主动配网系统中存在电源和气源两个源节点，且供能路径多样，能有效提高源节点到负荷节点的能源传输能力。
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所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
在用户侧构建分布式能源集线器模型；
所述在用户侧构建分布式能源集线器模型的步骤，包括：
所述多能互补主动配网系统包括与气负荷相连的天然气网、与电负荷相连的配电网、用户侧的分布式能源集线器，以及与分布式能源集线器相连的热负荷、冷负荷；
所述分布式能源集线器的输入部分、中间耦合部分、负荷部分之间的转换关系为：
其中，表示气负荷，/>表示电负荷，/>表示热负荷，/>表示冷负荷；/>表示电输入，/>表示气输入；/>表示电-气的转换比例，/>表示电-电的转换比例，/>表示电-热的转换比例，/>表示电-冷的转换比例，且/>；/>表示气-气的转换比例的平均能源利用效率，/>表示气-电的转换比例的平均能源利用效率，/>表示气-热的转换比例的平均能源利用效率，/>表示气-冷的转换比例的平均能源利用效率，/>；/>表示电-气转换设备的平均能源利用效率，/>表示气-气转换设备的平均能源利用效率，/>表示电-电转换设备的平均能源利用效率，/>表示气-电转换设备的平均能源利用效率，/>表示电-热转换设备的平均能源利用效率，/>表示气-热转换设备的平均能源利用效率，/>表示电-冷转换设备的平均能源利用效率，表示气-冷转换设备的平均能源利用效率；
其中，表示电-气转换设备数，/>表示气-气转换设备数，/>表示电-电转换设备数，/>表示电-热转换设备数，/>表示电-冷转换设备数，/>表示气-电转换设备数，/>表示气-热转换设备数，/>表示气-冷转换设备数；/>、/>分别表示第p个电-气转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第q个气-气转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第i个电-电转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第j个电-热转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第k个电-冷转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第l个气-电转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第m个气-热转换设备的额定功率和转换功率；/>、/>分别表示第n个气-冷转换设备的额定功率和转换功率；
构建燃气轮机模型：
其中，表示燃气轮机i消耗的天然气量；/>表示燃气轮机i输出的电功率；a、b、c表示燃气轮机i的耗气量曲线参数；GHV表示天然气固定的高热值；
构建电转气能源转换设备模型：
其中，表示电转气能源转换设备i的天然气流量；/>表示电转气能源转换设备i消耗的电功率；/>表示电转起能源转换设备i的全过程转换效率；
构建冷热电三联供机组模型：
其中，表示燃气轮机的发电功率；/>表示单台燃气轮机的发电功率；表示燃气轮机投运数量；/>表示电制冷机输出冷功率；/>表示制冷系数；表示电制冷机输入电功率；/>表示燃气锅炉的输出热功率；/>表示天然气消耗量；/>表示燃气锅炉热效率；/>表示燃气锅炉的热损失率；/>表示㶲功率；表示电量㶲；/>表示冷量㶲；/>表示热量㶲；/>表示冷热电三联供机组输入的燃料总量；/>表示燃料低位发热值；/>表示冷热电三联供机组的一次能源利用率；/>表示冷热电三联供机组输出的电量；/>表示冷热电三联供机组输出的冷量；/>表示冷热电三联供机组输出的热量；
根据分布式能源集线器模型构建多能互补主动配网系统的结构可靠性评价指标，所述结构可靠性评价指标包括连通可靠度、特征路径长度、网络传输效率，并基于图论给出结构可靠性评价指标的计算方法；
构建的结构可靠性评价指标中的连通可靠度为：
各段传输路径的可靠度为：
其中，表示能源传输路径i的可靠度；w表示传输路径单位长度故障率；l表示能源传输路径长度，单位m；u表示传输路径检测时间，单位为年；
设共有n条传输路径，且为第i个能源传输路径的可靠度，1≤i≤n，则可靠度向量为R=(R1,R2,...,Rn)T；设d1、d2、...、dm为网络拓扑结构中源节点与负荷节点之间所有的最小路径，则所有的最小路径的集合可用矩阵D表示：
其中，任意一条最小路径j的列向量为：
其中，j∈m；最小路径集合矩阵D：
则基于最小路径集合矩阵D的互补主动配网系统的连通可靠度为：
其中，为基于最小路径集合矩阵D的互补主动配网系统的连通可靠度；/>表示阶矩阵，有：
其中，矩阵，/>为矩阵/>内第j列向量；
构建的结构可靠性评价指标中的特征路径长度和网络传输效率为：
源节点s到负荷节点k的最小路径距离为：
其中，表示源节点s到负荷节点k的最小路径距离；/>表示源节点s到负荷节点k直接相连的距离；/>表示源节点s与负荷节点k通过若干个中间节点j相连的距离；
在计算得到所有源和节点对之间的最小路径距离后，计算得到特征路径长度L和网络传输效率E：
其中，N表示多能互补主动配网系统中的网络节点数，N0表示源节点数；s表示源节点，k表示负荷节点；
结合故障影响分析法和蒙特卡洛模拟法，提出多能互补主动配网系统的供能可靠性评估指标的计算方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法，其特征在于：所述结合故障影响分析法和蒙特卡洛模拟法，提出多能互补主动配网系统的供能可靠性评估指标的计算方法的步骤，包括：
（1）初始化时，输入配电网、天然气网的基本数据和可靠性参数，并设置仿真年限Nmax和收敛判别方差系数，令初始时刻t=0，所有设备均为正常工作状态；
（2）求取每个设备的无故障工作时间TTF，选取无故障工作时间TTF最小的设备作为故障设备，令T=min(TTF)；
（3）计算故障设备的修复时间TTR，同时将修复时间TTR作为故障持续时间；
（4）进行配电网拓扑分析，判断故障设备是否使配电网形成孤岛，若是，则进行步骤（5）；否则，进行步骤（6）；
（5）判断孤岛内电负荷是否得到满足，若是，则进行步骤（6）；否则，累计电负荷削减量后，进行步骤（6）；
（6）分析故障设备对配电网的影响，同时根据电源、联络开关情况，确定配电网停电类型，并分别计算负荷节点停电时间和累计停电次数；
（7）进行天然气网拓扑分析，判断故障设备是否使得天然气网解列，若是，则进行步骤（8）；否则，进行步骤（9）；
（8）判断解列后子系统的气负荷是否得到满足，若，则进行步骤（9）；否则，累计气负荷削减量后，进行步骤（9）；
（9）分析故障设备对天然气网的影响，同时根据气源、加压气情况，确定天然气网停气类型，并分别计算负荷节点停气时间和累计停气次数；
（10）判断仿真时间t是否达到预设值，t=t+TTF+TTR，t>Nmax，若达到，则进行步骤（11），否则返回步骤（2）；
（11）统计计算供能可靠性评估指标并输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于图论的多能互补主动配网系统可靠性评估方法，其特征在于：计算设备的无故障工作时间TTF和修复时间TTR的步骤为：
当设备在正常运行状态时，无故障工作时间TTF和修复时间TTR均成指数分布，概率密度函数为：
其中，为故障率，/>为修复率/>；f(t)为无故障工作时间TTF的概率密度函数，g(t)为修复时间TTR的概率密度函数；
将上式积分得到设备的无故障工作时间TTF和修复时间TTR的概率分布函数：
其中，F(t)为无故障工作时间TTF的概率分布函数，0≤F(t)≤1；G(t)为修复时间TTR的概率分布函数，0≤G(t)≤1；
故障率和修复率/>均为[0,1]区间上的随机数，采用逆变换的方法得到设备的无故障工作时间TTF和修复时间TTR：
其中，、/>为服从[0,1]区间上均匀分布的随机数。
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