考虑极端天气影响的电-气耦合系统可靠性评估及薄弱环节辨识

摘要

随着煤炭发电导致的环境污染问题日益加剧，世界各国争相寻求能源转型之路。天然气因其清洁、低碳排放和燃烧高效等优异特性，已成为煤炭替代的首选。在此背景下，近年来世界范围内的燃气发电产业持续快速发展，天然气发电装机容量不断提升，电力系统和天然气网络之间的耦合联系不断加强，在进行电力系统可靠性评估时，已无法忽略天然气网络运行状态的影响。此外，近年极端天气事件频发，由极端天气导致的电气、天然气网元件故障一直威胁着电力系统和天然气网络的安全、可靠运行。基于此，本文在“国家自然科学基金面上项目（51677011）”的资助下，对电-气耦合系统可靠性评估以及可靠性薄弱环节辨识等问题开展了深入研究，主要研究工作如下：　　研究了考虑燃气机组耦合的电-气耦合系统最优潮流模型，提出了一种基于可行域分割思想的天然气管道流量方程分段线性化方法，降低计算的复杂性。首先，电力系统潮流选用直流模型；考虑气源出力、节点压力和管道流量约束以及压缩机的耗气量和通过流量约束等，建立稳态管道流量方程。然后，以天然气发电机组为耦合点，以运行成本最小为目标函数，建立电-气耦合系统的统一最优潮流模型。模型求解过程中，鉴于天然气网中非凸非线性的稳态管道流量方程对模型求解造成的极大困难，提出一种基于可行域分割思想的分段线性化方法，将非线性的最优潮流模型转化为混合整数线性规划模型进行求解。对一6节点电力系统、7节点天然气网构成的简单电-气耦合系统以及IEEE RTS系统、48节点天然气网构成的复杂电-气耦合系统分别进行最优潮流分析，算例结果表明：相较于直接非线性建模求解以及基于泰勒级数展开的线性化方法，所提分段线性化方法可有效提高模型的求解效率。此外，还分析了线性分段数对最优潮流求解精度和速度的影响。　　考虑极端天气对电-气耦合系统中输电线路和输气管道可靠性参数的影响，建立考虑极端天气影响的电-气耦合系统可靠性评估模型。将天气条件分为三类：正常天气、仅影响电气元件的极端天气和同时影响电-气耦合系统元件的极端天气，考虑不同类型天气发生的概率以及元件在不同天气条件下的故障率和修复率，基于非序贯蒙特卡洛模拟抽取不同天气下元件的运行状态。以电负荷、气负荷削减综合成本最小为目标函数，修改前述电-气耦合系统最优潮流模型，构建电-气耦合系统最优负荷削减模型。另外，基于电力系统可靠性评估指标，提出天然气网的失负荷概率和失负荷期望指标。采用非序贯蒙特卡洛模拟法对IEEE RTS系统、48节点天然气网构成的电-气耦合系统进行可靠性评估，算例结果表明：考虑极端天气影响后系统可靠性水平大幅下降，相对于输气管道，极端天气对输电线路元件可靠性的影响更大。　　修订已有电力系统可靠性指标跟踪准则，研究了基于可靠性跟踪的电-气耦合系统薄弱环节辨识方法。首先，基于传统电力系统可靠性跟踪的比例分摊准则，考虑高阶故障事件中单个元件故障前后的削负荷量差异，提出考虑负荷削减修正的跟踪准则，推导了期望缺供电量和期望缺供气量指标的可靠性分摊公式。基于非序贯蒙特卡洛模拟法，实现系统可靠性跟踪计算。采用IEEE RTS系统、48节点天然气网构成的电-气耦合系统进行可靠性跟踪，算例结果表明：基于本文所提可靠性跟踪方法，能够将可靠性指标公平合理地分摊到各电气元件和天然气网元件，能够辨识电-气耦合系统中的可靠性薄弱环节。另外，基于辨识的薄弱环节，对电-气耦合系统进行了可靠性提升措施分析。

目录

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2电-气耦合系统潮流计算研究现状

1.3考虑极端天气影响的电-气耦合系统可靠性评估研究现状

1.4考虑极端天气影响的电-气耦合系统薄弱环节辨识研究现状

1.5本文主要研究内容

2 基于管道流量方程分段线性化的电-气耦合系统最优潮流

2.1 引言

2.2 天然气网及主要元件数学模型

2.3 电-气耦合系统最优潮流模型

2.4.1 传统机组燃料成本分段线性化方法

2.4.2 管道流量方程分段线性化方法

2.4.3 最优潮流求解算法步骤

2.5.1 算例介绍

2.5.2 基本算例结果分析

2.5.3 最优潮流求解算法的精度及效率分析

2.6 本章小结

3 考虑极端天气影响的电-气耦合系统可靠性评估

3.1 引言

3.2.1 极端天气对输电线路的可靠性影响分析

3.2.2 极端天气对输气管道的可靠性影响分析

3.2.3 考虑极端天气影响的输电线路和输气管道可靠性参数计算

3.3 基于最优潮流的电-气耦合系统负荷削减模型

3.3.1 目标函数

3.3.2 约束条件

3.4.1 电-气耦合系统元件失效模型

3.4.2 电-气耦合系统可靠性评估指标

3.4.3 电-气耦合系统可靠性评估的非序贯蒙特卡洛模拟法

3.4.4 考虑极端天气影响的电-气耦合系统可靠性评估步骤

3.5.1 算例介绍

3.5.2 基本算例结果分析

3.5.3 天然气网元件可靠性对系统评估结果的影响分析

3.5.4 极端天气下元件故障比例对系统评估结果的影响分析

3.6 本章小结

4 考虑极端天气影响的电-气耦合系统可靠性跟踪及薄弱环

4.1 引言

4.2.1 比例分摊准则

4.2.2 考虑负荷削减量的跟踪准则修订

4.3.1 电网可靠性指标跟踪方法

4.3.2 天然气网可靠性指标跟踪方法

4.3.3 基于元件可靠性跟踪指标排序的系统薄弱环节辨识

4.4 考虑极端天气影响的电-气耦合系统可靠性跟踪算法流程

4.5 算例分析

4.5.1 基本算例结果分析

4.5.2 负荷削减修正量对可靠性跟踪结果的影响分析

4.5.3 基于可靠性跟踪的电-气耦合系统薄弱环节辨识及可靠性提升措

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢