考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法技术方案

本发明专利技术公开了考虑天然气系统热力过程的电‑气互联系统概率能流分析方法，主要步骤为：1)对电‑气互联系统进行抽样。2)建立考虑天然气系统热力过程的设备模型。3)建立电‑气互联系统的概率能流模型，电‑气互联系统的概率能流模型包括节点平衡方程和不确定因素模型。4)建立风险指标模型。5)将样本数据输入到电‑气互联系统的概率能流模型，计算电‑气互联系统的能流，并将结果输入到风险指标模型中，计算电‑气互联系统的风险指标。6)收敛判断。本发明专利技术提出了一种较全面地考虑了天然气系统内存在的各种设备，以及各设备内热力过程的概率能流计算分析方法，可以更加准确、有效的分析系统状态并评估风险情况。

Probabilistic Energy Flow Analysis Method for Electric-Gas Interconnection System Considering Thermodynamic Process of Natural Gas System

The invention discloses a probabilistic energy flow analysis method for an electric-gas interconnected system considering the thermodynamic process of a natural gas system. The main steps are as follows: 1) sampling an electric-gas interconnected system. 2) Establishment of equipment model considering thermal process of natural gas system. 3) Establish the probabilistic energy flow model of the electric-gas interconnected system. The probabilistic energy flow model of the electric-gas interconnected system includes node equilibrium equation and uncertain factor model. 4) Establish risk index model. 5) Input the sample data into the probabilistic energy flow model of the electric-gas interconnected system, calculate the energy flow of the electric-gas interconnected system, and input the results into the risk index model to calculate the risk index of the electric-gas interconnected system. 6) Convergence judgment. The present invention provides a method for calculating and analyzing the probabilistic energy flow of various equipments and thermodynamic processes in natural gas system, which can analyze the system state more accurately and effectively and evaluate the risk situation.

【技术实现步骤摘要】
考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法
本专利技术涉及电-气综合能源系统领域，具体是考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法。
技术介绍
近年来，随着燃气轮机装机容量的日益攀升，电力系统和天然气系统之间的耦合日益紧密，将电-气互联系统看作一个统一整体来进行计算分析的做法日益普遍。在电-气互联系统中，存在着大量的不确定因素，这使得概率能流计算方法称为了一种有效的分析工具，以反映电压、气压等状态变量的越限风险等。目前，在进行电-气互联系统的统一计算分析时，往往只考虑天然气压力和流量是变量，而天然气温度被当成和环境温度相等的常数，天然气系统中各设备的热力过程没有被计及。热力过程指的是当气体流过某设备时，热、功和各种能量间的传递与转换关系，这种关系可以通过气温、气压、流量等状态变量来刻画。基于两个原因，在电-气互联系统的概率能流的计算中，天然气温度应该被当做变量。其一，天然气的温度和压力间存在耦合关系，两变量会相互影响，且同一系统中不同部位的气温可能差异巨大(例如，天然气温度在中亚-中国天然气管道的首端为45℃，而在该管道的末端，天然气温度接近环境温度，其在冬天低至5℃以下)，若在计算时将天然气温度看成常数，将给气压等计算结果都带来显著的误差。其二，天然气系统存在一种名为“水合物生成”的特殊现象，该现象是否出现是由气温和气压共同决定的。若系统中生成了水合物，会带来一系列的不良后果，如局部气压过高、设备损坏和供气中断等，由于电力系统与天然气系统紧密耦合，因此供电的可靠性也会受到影响。此外，调压器作为天然气系统中的一种重要设备，通常设置在输气系统的末端，通过固定出口节点的气压来满足下游用户的要求。当天然气流经调压器时，气温和气压同时都会降低，这很有可能加重水合物生成的风险。因此，热力过程在准确分析气压等系统状态变量和评估水合物生成概率等系统风险时具有重要意义。电-气互联系统的概率能流分析大体可以分为两步：能流模型的建立和风险指标的计算。对于能流模型，天然气设备模型是重要组成部分。首先，已有文献考虑了管道的热力过程并建立了节点热力平衡方程，但矛盾的地方在于，该研究使用Weymouth方程作为管道的流量模型，而事实上Weymouth方程是基于整个管道温度不变的假设推导的，因此在考虑热力过程的背景下使用该模型的计算精度有限。其次，对于调压器，目前在电-气互联系统的研究中，仅有一些文献在优化计算时将调压比上下限纳入约束，或根据其一端气压固定的特性，将调压器与压缩机一并归类为主动支路，而尚未见到对调压器的详细建模。再次，对于压缩机，其热力过程将导致出口温度的显著上升，而这一特性在现有的电-气互联系统研究中都尚未得到有效考虑。总而言之，现有研究对天然气系统设备及其热力过程的考虑都不够全面和精细。对于指标，现有研究可以计算节点电压、气压的越限概率以及支路潮流的过载概率等，但仍缺乏可以量化水合物生成(同时受天然气温度和压力两个状态变量的影响)概率的指标。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法，主要包括以下步骤：1)对电-气互联系统进行抽样，得到样本数据。所述样本数据包括电负荷、气负荷和风速。2)建立考虑天然气系统热力过程的设备模型。所述设备模型包括天然气管道模型、压缩机模型和调压器模型。所述天然气管道模型包括天然气管道热力模型和天然气管道流量模型。所述压缩机模型包括压缩机热力模型和压缩机流量模型。所述调压器模型包括调压器热力模型和调压器流量模型。建立天然气管道模型的主要步骤如下：2.1)天然气水平管道m1n1的气体流动守恒方程如下所示：其中，p和T分别为天然气的压力和温度。Z和R分别为天然气的压缩因子和气体常数。λ为摩擦系数。x为当前位置与管道起点的距离。和分别为管道的内径和截面积。为流过管道的质量流量。2.2)与管道起点位置距离x处的天然气温度T(x)如下所示：式中，为计算系数。Ts为环境温度。Tm1为从天然气系统节点m1流出的天然气的温度。ηJT为焦耳-汤姆逊系数。pm1和pn1分别为天然气管道支路中首节点m1与末节点n1的气压。为天然气管道m1n1的长度。其中，转换系数如下所示：式中，为天然气管道m1n1的传热系数；ρ0为天然气在标准状态下的密度；Cp为天然气的恒压热容；为流过天然气管道m1n1的标准状态下的体积流量；为天然气管道m1n1的内径。2.3)将天然气温度T作为状态变量，则公式1改写为下式：2.4)将公式2和公式3带入公式4中，得到：2.5)标准状态下体积流量与质量流量的转换关系如下所示：气体常数R如下所示：2.6)将公式6和公式7带入公式5中，得到适用于非等温条件的代数形式的管道流量模型，即：式中，T0为标准状态下天然气温度。p0为标准状态下天然气压力。λ为摩擦系数。2.7)根据公式5，热力模型，即天然气管道m1n1出口处天然气温度的计算式如下所示：压缩机热力模型如下所示：式中，Tm2为从天然气系统压缩机节点m2流出的天然气的温度；为压缩机m2n2出口处气体温度；pm2和pn2分别为天然气压缩机支路中首节点m2与末节点n2的气压；为多变指数。调压器热力模型如下所示：式中，Tm3为从天然气系统调压器节点m3流出的天然气的温度；为调压器m3n3出口处气体温度；pm3和pn3分别为天然气调压器支路中首节点m3与末节点n3的气压；为调压器孔径和管道内径的比值；为调压器系数。调压器流量模型如下所示：式中，为调压器系数；为流过调压器的流量。压缩机流量模型分别如公式13和公式14所示：式中，为压缩机消耗的能量。为压缩机消耗与工作效率有关的常数。为流过压缩机的流量。式中，为压缩机消耗的流量；和分别为压缩机的能量转换参数。3)建立电-气互联系统的概率能流模型。电-气互联系统的概率能流模型包括节点平衡方程和不确定因素模型。节点平衡方程包括天然气系统模型、电力系统模型和耦合元件模型。不确定因素包括电力系统节点i的普通有功负荷PD,i、电力系统节点i的普通无功负荷QD,i、天然气系统节点n的普通气负荷FD,n和电力系统节点i的风电出力PW,i。不确定因素中电/气负荷被建模为正态分布，风速被建模为威布尔分布。天然气系统模型包括天然气系统的节点热力平衡模型和天然气系统的节点流量平衡模型。天然气系统节点的热力平衡如下所示：式中，m∈n表示节点m与节点n相邻。FG,n和TG,n分别为天然气系统节点n的气源注入流量和该气源天然气的温度。m＝m1,m2,m3；n＝n1,n2,n3；符号函数sgn1(m,n)的取值如下所示：天然气系统节点的流量平衡模型如下所示：式中，FD,n和FGAS,n分别为天然气系统节点n的普通气负荷和燃气轮机消耗的气流量。Nm为天然气系统节点的总数。符号函数sgn2(m,n)的取值如下所示：电力系统模型包括电力系统节点有功功率平衡方程和无功功率平衡方程。电力系统节点有功功率平衡方程如下所示：式中，PG,i和PGAS,i为电力系统节点i的常规机组和燃气轮机的有功出力。PD,i为电力系统节点i的普通有功负荷。PW,i为电力系统节点i的风电出力。电力系统节点无功功率平衡方程如下所示：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑天然气系统热力过程的电‑气互联系统概率能流分析方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1)对电‑气互联系统进行抽样，得到所述样本数据；所述样本数据包括电负荷、气负荷和风速。2)建立考虑天然气系统热力过程的设备模型；所述设备模型包括天然气管道模型、压缩机模型和调压器模型；所述天然气管道模型包括天然气管道热力模型和天然气管道流量模型；所述压缩机模型包括压缩机热力模型和压缩机流量模型；所述调压器模型包括调压器热力模型和调压器流量模型；3)建立电‑气互联系统的概率能流模型；电‑气互联系统的概率能流模型包括节点平衡方程和不确定因素模型；节点平衡方程包括天然气系统模型、电力系统模型和耦合元件模型；4)建立风险指标模型；所述风险指标模型包括水合物生成概率、气压越上限概率、气压越下限概率和气温越上限概率；5)将样本数据输入到电‑气互联系统的概率能流模型，计算电‑气互联系统的能流，并将结果输入到风险指标模型中，计算电‑气互联系统的风险指标；6)收敛判断，即判断是否达到最大抽样次数k，若是，则结束，若否，则返回步骤1。

【技术特征摘要】
1.考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1)对电-气互联系统进行抽样，得到所述样本数据；所述样本数据包括电负荷、气负荷和风速。2)建立考虑天然气系统热力过程的设备模型；所述设备模型包括天然气管道模型、压缩机模型和调压器模型；所述天然气管道模型包括天然气管道热力模型和天然气管道流量模型；所述压缩机模型包括压缩机热力模型和压缩机流量模型；所述调压器模型包括调压器热力模型和调压器流量模型；3)建立电-气互联系统的概率能流模型；电-气互联系统的概率能流模型包括节点平衡方程和不确定因素模型；节点平衡方程包括天然气系统模型、电力系统模型和耦合元件模型；4)建立风险指标模型；所述风险指标模型包括水合物生成概率、气压越上限概率、气压越下限概率和气温越上限概率；5)将样本数据输入到电-气互联系统的概率能流模型，计算电-气互联系统的能流，并将结果输入到风险指标模型中，计算电-气互联系统的风险指标；6)收敛判断，即判断是否达到最大抽样次数k，若是，则结束，若否，则返回步骤1。2.根据权利要求1所述的考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法，其特征在于，建立了天然气管道模型，其主要步骤如下：1)天然气水平管道m1n1的气体流动守恒方程如下所示：其中，p和T分别为天然气的压力和温度；Z和R分别为天然气的压缩因子和气体常数；λ为摩擦系数；x为当前位置与管道起点的距离；和分别为管道的内径和截面积；为流过管道的质量流量；2)与管道起点位置距离x处的天然气温度T(x)如下所示：式中，为计算系数；Ts为环境温度；Tm1为从天然气系统节点m1流出的天然气的温度；ηJT为焦耳-汤姆逊系数；pm1和pn1分别为天然气管道支路中首节点m1与末节点n1的气压；为天然气管道m1n1的长度；其中，转换系数如下所示：式中，为天然气管道m1n1的传热系数；ρ0为天然气在标准状态下的密度；Cp为天然气的恒压热容；为流过天然气管道m1n1的标准状态下的体积流量；为天然气管道m1n1的内径；3)将天然气温度T作为状态变量，则公式1改写为下式：4)将公式2和公式3带入公式4中，得到：5)标准状态下体积流量与质量流量的转换关系如下所示：气体常数R如下所示：6)将公式6和公式7带入公式5中，得到适用于非等温条件的代数形式的管道流量模型，即：式中，T0为标准状态下天然气温度；p0为标准状态下天然气压力；λ为摩擦系数；7)根据公式5，管道热力模型，即天然气管道m1n1出口处气体温度的计算式如下所示：。3.根据权利要求1或2所述的考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法，其特征在于，压缩机热力模型如下所示：式中，Tm2为从天然气系统压缩机节点m2流出的天然气的温度；为压缩机m2n2出口处气体温度；pm2和pn2分别为天然气压缩机支路中首节点m2与末节点n2的气压；为多变指数。4.根据权利要求1或3所述的考虑天然气系统热力过程的电-气互联系统概率能流分析方法，其特征在于，调压器热力模型如下所示：式中，Tm3为从天然气系统调压器节点m3流出的天然气的温度；为调压器m3n3出口处气体温度；pm3和pn3分别为天然气调压器支路中首节点m3与末节点n3的气压；为调压器孔径和管道内径的比值；为调压器系数；调压器流量模型如下所示...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨知方，包诗媛，余娟，代伟，郭林，马梦楠，覃明星，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50