本发明涉及一种考虑天然气系统n-1的多能流系统静态安全分析方法，属于多能流系统运行控制领域。
背景技术
近几年多能流在国际上得到了许多关注，尤其是在欧洲发展迅速。2005年瑞士苏黎世联邦理工学院承担了“未来能源网络愿景”(visionoffutureenergynetworks)研究项目，提出了目前使用较广的能源路由器(energyhub，简称eh)模型；德国有“电制氢”(powertogas)、“柏林区域能源系统”(berlindistrictenergysystem)等项目；英国卡迪夫大学在电-热、电-气联合分析上开展了较多研究；美国国家可再生能源实验室(nrei)在2013年成立了“能源系统集成”(energysystemsintegration)研究组。近几年，国内也已经启动了若干个综合能源利用和多能协同方向的国家级项目和自然科学基金支持的研究，清华大学、天津大学、中国电力科学研究院等高校和科研院所也已经取得了不少成果，正向国际前沿靠拢。
多能流耦合能带来诸多好处，但也使原本复杂的能源系统更加复杂。多能流系统由多个能流子系统组成，不同能流子系统具有不同的组成、模型、特性等，并且相互作用和影响。随着耦合的不断增强，多能流系统的新特性越来越明显，复杂度也显著增加，传统各个能流单独分析的方法已经难以适应新的要求。在当前多能流研究中，大部分集中在多能流的协同优化或规划以获得更多协同效益，但在多能流的网络特性和安全上研究不足。安全是多能流系统正常运行的基础，随着系统的复杂化，安全问题也更加突出。当前考虑多能流网络特性的研究主要集中在最优潮流、机组组合等问题，也有少许学者对电-气之间的相互影响进行了研究，其中清华大学团队开展了面向多能流系统的静态安全分析初步研究，但上述研究还没有形成完整的安全分析概念，此外上述研究主要集中在电-气耦合，对电-热耦合考虑较少。虽然静态安全分析在电力系统中的应用已经比较成熟，但在多能流系统中仍然缺乏系统的理论和方法。本发明借鉴电力系统中的静态安全分析，基于电力系统的n-1准则，提出考虑天然气线路开断的多能流静态安全分析的方法。
为了保证多能流系统的安全运行，研究考虑天然气线路开断的多能流系统静态安全分析方法十分必要，在能源互联网背景下有着重要意义。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明“一种考虑天然气系统n-1的多能流系统静态安全分析方法”，通过对天然气系统进行n-1事故模拟，造成能源路由器输入侧及输出侧的能量值发生变化，并最终影响了电力系统的潮流分布，依靠判断系统是否有变量违反静态安全运行约束实现面向多能流系统的静态安全分析。
本发明采用如下技术方案：一种考虑天然气系统n-1的多能流系统静态安全分析方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：准备多能流系统的原始数据，包括电力系统、天然气系统和热力系统的各节点、支路原始数据；
步骤2：基于电力系统静态安全分析的n-1原则，生成天然气系统的n-1事故集作为多能流系统静态安全分析的预想事故集；
步骤3：对天然气n-1事故集进行不放回事件抽取，基于抽取事故更新多能流计算中天然气系统的雅可比矩阵，直至所有的天然气n-1事故被抽取后，转至步骤8；
步骤4：求解各n-1事件后天然气系统的管道流量分布及节点压力，获得与能源路由器相连管道上的流量变化；
步骤5：根据步骤4中得到的能源路由器输入侧天然气流量变化，基于能源路由器的能量转换矩阵，计算能源路由器输出侧能量流变化情况；
步骤6：根据步骤5的计算结果，得到能源路由器输出侧的有功出力，并更新电力系统和热力系统的能流分布；
步骤7：判断该状态下是否有运行参数违反系统的静态安全约束，如果有，发出警报；如果没有，重新返回步骤3；
步骤8：给出最终的多能流系统静态安全分析结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。在附图中：
附图1为本发明一种考虑天然气系统n-1的多能流系统静态安全分析方法的整体实施流程图。
具体实施方式
本发明提出的一种考虑天然气系统n-1的多能流系统静态安全分析方法，其整体实施流程见附图1，下面阐述其具体实施方式。
步骤1：准备多能流系统的原始数据，包括电力系统、天然气系统和热力系统的各节点、支路原始数据；
步骤2：基于电力系统静态安全分析的n-1原则，生成天然气系统的n-1事故集作为多能流系统静态安全分析的预想事故集；
按照电网安全稳定导则相关定义，n-1准则是指正常运行方式下电力系统中任一元件(如线路、发电机、变压器等)无故障或因故障断开后，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。n-1准则用于单一元件无故障断开条件下电力系统静态安全分析。当发电厂仅有一回送出线路时，送出线路故障可能导致失去一台以上发电机组，此种情况也按n-1原则考虑。
在本发明中，是以电力系统n-1准则为基础，扩展形成天然气n-1准则，即逐个无故障断开天然气系统内部各元件(输气管道、压缩机、气源站、调压阀)，检查其他元件运行状态是否正常，天然气的管道是否发生过流量、供气负荷节点是否发生气压下降等现象，因此，天然气系统的n-1事故集表示为天然气系统内部元件开断事件的集合，在多能流系统中，常见的天然气n-1事故有：由于天然气输气管道泄漏或破裂造成的安全事故下的输气管道开断，或者无故障输气管道开断；天然气输气场站故障或无故障退出运行；天然气系统的压缩机因故障或无故障退出运行，天然气系统的调压阀失灵。最终，基于天然气n-1准则形成天然气n-1事故集，并以此作为多能流系统静态安全分析的预想事故集；
步骤3：对天然气n-1事故集进行不放回事件抽取，基于抽取事故更新多能流计算中天然气系统部分的雅可比矩阵，直至所有的天然气n-1事故被抽取后，转至步骤8；
在天然气n-1事件后，需要更新天然气系统的雅可比矩阵。其中天然气系统的雅可比矩阵jgas如式1所示，式中d的计算方式如式2所示，式中ag是表征天然气系统拓扑结构关系的节点支路关联矩阵，若天然气系统有n个节点，m条管道，则ag为n×m维矩阵，fi表示管道编号为i的管道流量，△πi表示管道i上的压力差，i＝1，2，……，m。
当出现天然气输气管道i开断的n-1事件后，fi取0，对角阵元素变为0元素，节点-关联矩阵ag从n×m矩阵降维成n×m-1矩阵，进而导致天然气系统的雅可比矩阵发生变化，同时由于节点支路关联矩阵ag的变化，天然气节点流量偏差量计算也将发生改变，其具体计算公式如式3所示，式中l表示天然气系统的节点天然气负荷值。修正好n-1事件后的天然气系统雅可比矩阵后，将其代入多能流计算中的迭代程序进行计算，可以得到天然气n-1事件后的系统状态。
agf-l＝0(式3)
步骤4：求解各n-1事件后天然气系统的管道流量分布及节点压力，获得与能源路由器相连管道上的流量变化；
由于步骤3中天然气系统的雅可比矩阵发生变化，则经过多能流计算更新系统状态后，天然气系统的管道流量可能发生更新，因为节点负荷气流量l由于遵循式4所示的天然气网络的流量连续方程，所以天然气的节点负荷值也将发生改变。由于能源路由器是作为天然气系统的负荷节点接入，因此，天然气节点负荷值的变化将进一步影响能源路由器输入端的进气量。
ag×f＝l(式4)
步骤5：根据步骤4中得到的能源路由器输入侧天然气流量变化，基于能源路由器的能量转换矩阵，计算能源路由器输出侧能量流变化情况；
本发明中所述的能源路由器的能量转换矩阵表示为c，其中每一个耦合系数代表某种能源与负荷对应的转化关系；输入变量一般为能源向量p＝[pa,pb,…,pn]t，表示所有输入该区域的能源；输出变量一般为负荷向量l＝[la,lb,…,ln]t，表示该区域所有终端的负荷；其多输入多输出的功率转换公式如式5所示，能量转换矩阵c如式6所示。
l＝cp(式5)
式中：cij为i种能源与j类负荷的耦合系数，其表达式如式7所示，其由转化机组特性和调度参数决定，可统一为式7；vi,n(t)为调度参数，表示i能源在n机组的分配系数；ηjn,m(θ,t)为能源转化机组n在m环节生产负荷j的转化效率，其与机组运行参数集合θ和时间t有关。
因此，当与能源路由器输入侧所接的天然气节点负荷流量发生改变时，遵循式5中所示的能量转换关系，能源路由器输出侧的输出能量将发生改变，进而影响到所接入的能量系统的运行状态。
步骤6：根据步骤5的计算结果，得到能源路由器输出侧的有功出力，并更新电力系统和热力系统的能流分布；
其中电力系统的潮流计算模型为与传统的电力系统潮流模型相同，多能流系统中的电力系统采用经典的交流潮流模型描述，其节点的功率表达式如式8所示：
式中：p、q为节点的有功功率和无功功率；y为节点导纳矩阵；u为节点电压相量。热力系统能流计算的水力和热力计算模型分别如式9-12所示，其中ah表示热力系统的节点关联矩阵；m表示热力系统管道的热水流量；mq表示各节点流出的流量；bh表示供热管网的回路-关联矩阵；hf表示压头损失向量，其计算方法如式13所示；φ表示热力系统的节点热功率；cp表示水的比热容；ts、to分别表示热力系统的供热温度和输出温度；tend、tstart分别表示热水管道的末端、始端温度，ta表示环境温度；λ表示热水管道的热传导系数；l表示管道的长度；mout、min、tout、tin分别表示管道流出和流出的水流量及温度。电力系统及热力系统能流的具体计算方式本发明中不再赘述。
φ＝cpmq(ts-to)(式10)
(∑mout)tout＝∑mintin(式12)
hf＝km|m|(式13)
步骤7：判断该状态下是否有运行参数违反系统的静态安全约束，如果有，发出警报；如果没有，重新返回步骤3；
其中，本发明中所述的静态安全约束包括电力系统线路有功潮流约束、节点电压约束、发电厂有功出力约束、天然气系统的节点气压约束、天然气系统管道流量约束、能源路由器输出电能及热能上限、热力系统管道流量约束、热力系统节点供热温度约束、热力系统节点回热温度约束，分别如式14-式23所示。若发生有运行参数违反安全约束的情况，则发出警报。
|sij|≤sijmax(式14)
vimin≤vi≤vimax(式15)
0≤pg≤pgmax(式16)
πmmin≤πm≤πmmax(式17)
|fmn|≤fmnmax(式18)
其中，sijmax表示线路上允许流过的最大功率，|sij|表示线路上流过的功率，|sij|可以通过对所述电力系统进行潮流计算获得；，vi表示电力系统节点i的电压幅值，vimax表示节点i的电压水平的上限，vimin表示节点i的电压水平的下限；pgmax、pg分别表示电厂有功出力值上限和实际有功出力值；πm表示天然气系统节点m的气压水平，πmmax表示节点m的气压水平的上限，πmmin表示节点m的气压水平的下限；|fmn|表示天然气管道上流过的燃气流量，fmnmax表示管道上允许流过的最大流量，其中m、n表示天然气管道两端的节点编号；eeout，ee,maxout分别表示能源路由器输出电能的实际值和上限；ehout，eh,maxout分别表示能源路由器输出热能的实际值和上限；mi、mimax、mimin分别表示热力系统管道i的热水实际流量和管道流量上限及下限；tsmin、tsmax、ts分别表示热力系统节点的供热温度下限、上限及实际供热温度；trmin、trmax、tr分别表示热力系统节点的回热温度下限、上限及实际回热温度。
步骤8：给出最终的多能流系统静态安全分析结果。
综上所述，本发明具体实施方式的一种考虑天然气系统n-1的多能流系统静态安全分析方法，可以提高多能流系统运行的安全性和稳定性，对减少经济损失、改善综合能源面向大区域的服务质量等方面都具有很重要的现实意义。
本领域内的技术人员应明白，本发明的具体实施方法可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施、完全软件实施、或结合软件和硬件方面的实施形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施方法的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施方案仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。