基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法，包括以下步骤：建立天然气系统和电力系统的稳态模型；建立各气源预想运行状态集合；抽取天然气气源预想运行状态，并计算对应的天然气网络稳态潮流；对所有得到的稳态潮流结果用气网静态安全指标进行评估排序；确定危险工况，并进行下一步的静态安全评估；抽取电网预想事故进行模拟，并计算事故发生后的电网稳态潮流；对所有预想事故后的电网稳态使用电网静态安全指标进行评估并按指标大小进行排序；生成电

【技术实现步骤摘要】
基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法


[0001]本法涉及电气安全分析，特别是涉及基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法。

技术介绍

[0002]燃气发电技术的不断发展和应用普及、电转气(power
‑
to
‑
gas，P2G)技术的日趋成熟，使得燃气系统和电力系统的联系日益紧密。燃气机组是运行灵活、发电效率高的调节电源，电转气技术可以将冗余电能转化为氢气或者甲烷进行储存和利用，燃气发电和电转气技术的能量转换、气网中管存的时空平移特性为消纳可再生能源以及平抑电网峰谷差提供了新途径，天然气发电与新能源发电融合发展的模式越来越重要，随着技术进步与市场发展，能源互联逐渐成为我国未来的发展趋势。
[0003]无论是电力系统还是燃气系统，其安全性直接关系到社会经济的发展和国民生活的稳定，而电
‑
气耦合系统由于同时具有燃气系统和电力系统的复杂特性，出现的意外事故更加多样，因此，更加有必要重视其运行安全性。过去，电力系统与天然气系统是两个相互独立的能源系统，但随着二者之间耦合程度不断提高，包含电力系统、天然气系统等组成的电
‑
气耦合系统逐渐成为研究的前沿。对电
‑
气耦合系统进行静态安全分析，能够得到其在遭受突发性事故扰动而导致元件失效后系统继续提供服务的能力。
[0004]电
‑
气耦合网络安全分析方法研究首先需要对电力系统和天然气系统进行稳态建模，在模型基础上对不同运行场景电
‑<br/>气耦合网络的各类元件事故特征进行分析，通过静态安全性指标评估系统的安全程度，并根据事故后果的严重程度进行排序，以此形成预想事故排序表，对电网运行和规划人员起到指导作用。
[0005]针对电力系统与天然气系统组成的耦合系统，目前对其进行静态安全分析的方法较少，迫切需要一种贴近实际情况的方法对其进行评估。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法，针对电力系统和天然气系统运行差别，设立了不同预想事故集合和静态安全评价指标体系，并基于改进迭代雅可比矩阵进行电
‑
气耦合系统静态安全分析，能够有效对电
‑
气耦合系统进行静态安全评估。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1：建立天然气系统和电力系统的稳态模型；
[0009]步骤S2：考虑天然气系统管网特征和技术条件,建立各气源预想运行状态集合；
[0010]步骤S3：抽取天然气气源预想运行状态，并计算其对应的天然气网络稳态潮流；
[0011]步骤S4：对所有得到的稳态潮流结果用气网静态安全指标进行评估，并按指标大小进行排序；
[0012]步骤S5：将天然气系统中排序前60％的预想运行状态视为危险工况，并将各个稳态潮流下的耦合元件的运行状态代入电力系统进行下一步的静态安全评估；
[0013]步骤S6：对代入不同耦合元件状态的电力系统抽取电网预想事故进行模拟，并计算事故发生后的电网稳态潮流；
[0014]步骤S7：对所有预想事故后的电网稳态使用电网静态安全指标进行评估并按指标大小进行排序；
[0015]步骤S8：按照事故排序生成电
‑
气耦合系统的预想事故排序表；
[0016]步骤S9：对排名前列的预想事故使用精确潮流算法进行分析，确定所测试的系统是否通过安全校核。
[0017]本专利技术的有益效果是：(1)考虑到Weymouth方程本身带有绝对值以及符号函数，直接使用牛拉法，迭代格式难以推导，在编程时需要判断气压差才能得到管道流向，不利于编程。本专利技术将符号函数和绝对值采用等效格式替换，并在此格式上推导了使用牛拉法进行推导的过程，经过推导，迭代雅可比矩阵元素计算公式简洁，易于编程。
[0018](2)类比电力系统N
‑
1事故集，建立了气网管道的N
‑
1事故集，而实际中，天然气管网较大部分网络系统而言，拓扑结构相对简单，是枝状管网的一种特例，其拓扑支路断开所造成的后果较为严重，这样的故障是应极力避免的。在气网侧预想事故集的选择上，本专利技术根据天然气系统特点建立适用的预想事故集合，而非照搬电力系统模式。并依此完成了对电
‑
气耦合系统的静态安全校核。
[0019](3)在气网侧和电网侧，根据系统运行特点分别建立指标。其中，气网侧指标计及燃气机组状态、节点气压、系统剩余供气能力，可以全面地对事故作出评估。
附图说明
[0020]图1为本专利技术中预想事故排序表生成流程图；
[0021]图2为计算气压上/下偏移指标的区间划分示意图；
[0022]图3为气
‑
电耦合系统静态安全指标体系图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。
[0024]本专利技术针对电力系统和天然气系统运行差别，设立了不同预想事故集合和静态安全评价指标体系，提出了一种考虑改进迭代雅可比矩阵的电
‑
气耦合系统静态安全分析方法，能够有效对电
‑
气耦合系统进行静态安全评估，并且去除方程里的符号函数和绝对值，将方程变为更利于求导的形式。并依此推导了使用牛拉法求解气网潮流的方法。同时根据天然气系统特点建立适用的预想事故集合，而非照搬电力系统模式。并依此完成了对电
‑
气耦合系统的静态安全校核，具体地：
[0025]如图1所示，基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0026]步骤S1：建立天然气系统和电力系统的稳态模型；
[0027]步骤S2：考虑天然气系统管网特征和技术条件,建立各气源预想运行状态集合；
[0028]步骤S3：抽取天然气气源预想运行状态，并计算其对应的天然气网络稳态潮流；
[0029]步骤S4：对所有得到的稳态潮流结果用气网静态安全指标进行评估，并按指标大小进行排序；
[0030]步骤S5：将天然气系统中排序前60％的预想运行状态视为危险工况，并将各个稳态潮流下的耦合元件(P2G场站和燃气机组)的运行状态代入电力系统进行下一步的静态安全评估；
[0031]步骤S6：对代入不同耦合元件状态的电力系统抽取电网预想事故进行模拟，并计算事故发生后的电网稳态潮流；
[0032]步骤S7：对所有预想事故后的电网稳态使用电网静态安全指标进行评估并按指标大小进行排序；
[0033]步骤S8：按照事故排序生成电
‑
气耦合系统的预想事故排序表；
[0034]步骤S9：对排名前列的预想事故使用精确潮流算法进行分析，确定所测试的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：建立天然气系统和电力系统的稳态模型；步骤S2：考虑天然气系统管网特征和技术条件,建立各气源预想运行状态集合；步骤S3：抽取天然气气源预想运行状态，并计算其对应的天然气网络稳态潮流；步骤S4：对所有得到的稳态潮流结果用气网静态安全指标进行评估，并按指标大小进行排序；步骤S5：将天然气系统中排序前60％的预想运行状态视为危险工况，并将各个稳态潮流下的耦合元件的运行状态代入电力系统进行下一步的静态安全评估；步骤S6：对代入不同耦合元件状态的电力系统抽取电网预想事故进行模拟，并计算事故发生后的电网稳态潮流；步骤S7：对所有预想事故后的电网稳态使用电网静态安全指标进行评估并按指标大小进行排序；步骤S8：按照事故排序生成电
‑
气耦合系统的预想事故排序表；步骤S9：对排名前列的预想事故使用精确潮流算法进行分析，确定所测试的系统是否通过安全校核。2.根据权利要求1所述的基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法，其特征在于：所述稳态潮流下的耦合元件包括P2G场站和燃气机组；所述排名前列的预想事故是指排名前30％的预想事故。3.根据权利要求1所述的基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法，其特征在于：所述步骤S1中，天然气系统的稳态模型包括普通管流模型和压缩机模型：其中，普通管流模型的建立过程包括：A1、将天然气系统中天然气流的起点、汇集点、终点以及不同管道的连接点视为气网节点，根据节点质量守恒方程，每一节点i表达为：式中：n为与节点i相连的节点数；Q
ij
为由i节点流至j节点的流量，若此值为负，则与假设方向相反；D
i
和S
i
分别为节点i处的需求量和供气量；由Weymouth方程，将管道流量Q
ij
表示为：p
i
和p
j
分别为首末节点的气压；sgn(p
i
,p
j
)为符号函数，当p
i
大于p
j
时取值为1，反之取值为
‑
1；C
ij
为管道常数，计算方式如下：为管道常数，计算方式如下：
式中：D
ij
为管道内径，单位为mm；T为天然气温度，单位为K；ε为管道绝对粗糙度，单位为mm；δ为管道内气体密度相对空气密度的比值；z为气体压缩系数；A2、对符号函数sgn(p
i
,p
j
)进行等效替换，并对生成雅可比矩阵的过程进行推导：将符号函数等效表示为：则节点i与节点j之间的管道流量Q
ij
公式变形为：推导雅可比矩阵的生成方法：将节点流量方程用一般形式表示：Q
SP
＝Q(p)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，Q
SP
为节点注入天然气流量；Q为Q
SP
对应的物理量和节点电压之间的函数表达式；p为节点气压，将上式写为流量偏差的形式：f(p)＝Q
SP
‑
Q(p)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)基于牛顿
‑
拉夫逊法进行求解：在给定的初值p
(0)
处将式(8)作一阶泰勒展开：定义为气网潮流方程的雅可比矩阵，J0为J在p
(0)
处的值，则有：用Δp修正p
(0)
得到p的新值，用k表示迭代次数，写成一般的表达式，有设节点注入天然气流量Q
SP
正方向为流入节点为正，即等式左边为各个节点的注入流量，右边为与其他节点的流量关系，等式右侧每行之和为各个节点的流出流量，用管道流量Q
ij
表示为：Q
i
为节点i的注入流量，Q
ij
为节点i和节点j之间管道流量Q
ij
将上式以流量偏差的形式表示为：因Q
SP
为常数列向量，对f(p)关于p求导等效为对式(13)中
‑
Q(p)关于p求导，则雅可比矩阵为：雅可比矩阵中对角元素和非对角元素计算公式为公式(15)、(16)：计算公式为公式(15)、(16)：压缩机模型的建立过程包括:确定进入压缩机的气体损耗方程和气体气压关系为：式中：Q
in
和p
in
分别为进入压缩机的总天然气流量；Q
com
和p
com
分别为经过增压后流出压缩机的天然气流量和其气压；Q
cp
为压缩机消耗的天然气流量；k为气压变比。使用压缩机增压方程表示压缩机消耗的天然气流量Q
cp
：式中：k为气压变比；Q
in
为进入压缩机的天然气流量；驱动压缩机的能源是流经压缩机的天然气；T
gas
为天然气温度；H
gas
为天然气热值；α为多变指数；由于除Q
cp
和Q
in
为两个变量外，其他指数都为常数，为简化表示，将上式写为：Q
cp
＝M
·
Q
in
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
则关于压缩机的气体损耗方程和气体气压关系变为如下更简洁的形式：将上式写为偏差方程的形式：牛顿
‑
拉夫逊法的迭代格式为：4.根据权利要求1所述的基于改进迭代雅可比矩阵的电气耦合系统安全分析方法，其特征在于：所述步骤S1中，建立点了系统的稳态模型时，采用极坐标系下的传统交流稳态模型进行建模：型进行建模：其中，P
i
为节点注入有功功率，Q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡莹，王历晔，蔡泓铭，谭锡林，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司广州供电局，
类型：发明
国别省市：