楊晨曦，高立艾，唐巍

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

能源是社會(huì)賴以生存和發(fā)展的根本，在確保我們使用能源持續(xù)性的同時(shí)，有效減少對(duì)環(huán)境的污染，是現(xiàn)今世界共同關(guān)注的熱點(diǎn)。近些年來，社會(huì)生活生產(chǎn)對(duì)能源需求日益增加，面對(duì)人類社會(huì)能源的緊缺以及環(huán)境愈加惡化的雙重壓力，在現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)格式上來提高能源的利用率，并加強(qiáng)對(duì)具有再生性的能源使用成為了研究界的一大熱點(diǎn)。在這一背景下，充分對(duì)新型能源使用的綜合系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它可以有效調(diào)節(jié)不同的供能系統(tǒng)，使社會(huì)能源更加安全、靈活、可靠地供用。基于上述研究背景，目前最常見的是配電-天然氣間系統(tǒng)的互聯(lián)，天然氣這種能源具有清潔高效的優(yōu)點(diǎn)，所以在當(dāng)今社會(huì)新能源領(lǐng)域內(nèi)備受青睞。

當(dāng)前，綜合能源方面的研究處于起步階段，例如文獻(xiàn)[1]對(duì)電/氣/熱微型能源系統(tǒng)方面的研究。首先從研究方法上，從可靠性角度出發(fā)，相對(duì)以往傳統(tǒng)的電力網(wǎng)系統(tǒng)，綜合能源系統(tǒng)初步可理解為：以電力系統(tǒng)為主導(dǎo)，其他新興尖端科技為輔助，并以可再生的能源作為首要的一次性能源。結(jié)合成一個(gè)復(fù)雜的多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與其他能源網(wǎng)絡(luò)（如天然氣網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行緊密相連，主要采用解析及蒙特卡洛方法對(duì)其進(jìn)行分析。

文獻(xiàn)[2]引入了能量樞紐的概念來描述分布式能源系統(tǒng)的多能量結(jié)合特性，并采用解析方法對(duì)包括儲(chǔ)能在內(nèi)的分布式能源系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但是其計(jì)算量復(fù)雜，求解困難。文獻(xiàn)[3]采用馬爾科夫鏈蒙特卡羅方法對(duì)配電網(wǎng)下分布式集成能源系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。缺點(diǎn)在于不能識(shí)別系統(tǒng)故障后薄弱的環(huán)節(jié)。其次，從研究內(nèi)容上，文獻(xiàn)[4-7]只分析了電力系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[8-10]只是對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)的供能可靠性指標(biāo)進(jìn)行分析，并且沒有識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)，這些文獻(xiàn)只是對(duì)單一系統(tǒng)進(jìn)行研究。針對(duì)以上存在的問題，文中以氣電耦合系統(tǒng)為對(duì)象來進(jìn)行研究，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)其可靠性方面進(jìn)行分析，首先找出配電系統(tǒng)及天然氣系統(tǒng)各網(wǎng)絡(luò)中元件的邏輯關(guān)系，并對(duì)建立與其相應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。其次建立整個(gè)氣電耦合互聯(lián)系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)時(shí)序模擬算法對(duì)氣電耦合系統(tǒng)進(jìn)行可靠性研究，并對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障后，互聯(lián)系統(tǒng)中所存在薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行識(shí)別，最后結(jié)合實(shí)際算例進(jìn)行研究分析。

1 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的天然氣系統(tǒng)可靠性分析

1.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)邏輯關(guān)系

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)其基本理論從本質(zhì)上來看就是概率分析的過程，是不確定性推理的有向無環(huán)圖模型。利用這種關(guān)系性，可以利用數(shù)值推理（實(shí)質(zhì)為一種聯(lián)合概率分布形式）表達(dá)出來，如下式：

式中：X1～XN為節(jié)點(diǎn)的集合；UXi為 Xi中全部父節(jié)點(diǎn)的集合。

求和各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)它的父節(jié)點(diǎn)依賴的程度，利用條件概率表現(xiàn)出來。針對(duì)所研究的具體系統(tǒng)，把系統(tǒng)中線路、管道等元件以及負(fù)荷點(diǎn)均等效為節(jié)點(diǎn)，分析節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系，以此構(gòu)建出相應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，具體的邏輯關(guān)系可以劃分為與、或、聯(lián)合和因果關(guān)系，詳見參考文獻(xiàn)[11]。

1.2 天然氣系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

首先以11節(jié)點(diǎn)的天然氣系統(tǒng)為例，NSG11拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)中包含2個(gè)氣源點(diǎn)、8條輸氣管支路、2條燃?xì)鈮嚎s驅(qū)動(dòng)機(jī)支路、7個(gè)氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。其中4，5，11為商業(yè)用氣；3，8，9為居民用氣；10為加氣站用氣。

圖1 NSG11拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 NSG11 topological diagram

圖1中，天然氣系統(tǒng)氣源、壓縮機(jī)及管道參數(shù)，各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)所需天然氣及天然氣源的供氣量，天然氣網(wǎng)絡(luò)中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)類型及其包含的用戶數(shù)，均見參考文獻(xiàn)[12]。

根據(jù)參數(shù)計(jì)算各個(gè)元件及管道故障率，氣源作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的第1層節(jié)點(diǎn)，氣管道及壓縮機(jī)作為系統(tǒng)的第2層節(jié)點(diǎn)，各用氣負(fù)荷作為第3層節(jié)點(diǎn)，然后分析系統(tǒng)元件之間以及元件與系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系，例如同一氣源下各個(gè)管道與負(fù)荷間的與關(guān)系、不同氣源及其所對(duì)應(yīng)的管道對(duì)同一用氣負(fù)荷的或關(guān)系、負(fù)荷與天然氣系統(tǒng)之間因果關(guān)系等，最后建立與其相對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 天然氣系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Natural gas system Bayesian network

1.3 算例分析及結(jié)論

文中采用美國匹茲堡大學(xué)的可視化GeNIe2.0軟件平臺(tái)提供的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)推理的算法，建立天然氣系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，通過程序編寫自動(dòng)生成DSL格式的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)文件。將整個(gè)氣電耦合系統(tǒng)主要接線上的每個(gè)元器件作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)來寫入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由此計(jì)算出天然氣系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)：失氣負(fù)荷概率（loss of gas load proba?bility，LOGLP）和氣量不足期望（expected gas not supplied，ENGS），如表1所示，其結(jié)果與文獻(xiàn)[12]解析法的結(jié)果一致，驗(yàn)證了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)邏輯關(guān)系以及推理算法用于天然氣系統(tǒng)的正確性和有效性。

表1 可靠性指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Reliability index comparison

由此可見，分析系統(tǒng)間元件的邏輯關(guān)系并利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法，所得出的結(jié)果精準(zhǔn)，且計(jì)算精簡。并且可以根據(jù)所搭建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行反推，識(shí)別系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，如圖3所示。

圖3 各元件故障率Fig.3 The failure rate of each component

借助于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理，可以求解出天然氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中各個(gè)氣源、管道、壓縮機(jī)等元件所發(fā)生故障的概率，通過圖3可知，氣源S1、管道P3故障率最高，由此識(shí)別系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，在制定系統(tǒng)檢修計(jì)劃時(shí)可以著重加強(qiáng)對(duì)可靠性較低的管道的保護(hù)，在實(shí)際運(yùn)行中采取有效措施，例如縮減系統(tǒng)元件的修復(fù)時(shí)間或者減小故障次數(shù)，以提高各部件的可靠性從而提高系統(tǒng)整體的可靠性。

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的氣電耦合系統(tǒng)可靠性評(píng)估

2.1 氣電耦合系統(tǒng)基本原理

氣電耦合系統(tǒng)主要由一個(gè)配電系統(tǒng)和一個(gè)天然氣供氣網(wǎng)組成，通過電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行耦合，系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)和P2G作為系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換裝置是其關(guān)鍵的部分，就是將燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)以作為分布式電源，運(yùn)用天然氣燃燒來使同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，在配電系統(tǒng)這一側(cè)可以看作是一個(gè)電源，為配電系統(tǒng)部分用電用戶供電。P2G系統(tǒng)對(duì)于天然氣系統(tǒng)具有氣源特性，利用水和CO2將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的技術(shù)概念，為天然氣系統(tǒng)中部分負(fù)荷供氣。利用耦合裝置將其連接起來，從而形成互聯(lián)系統(tǒng)。

2.2 基于時(shí)序模擬氣電耦合系統(tǒng)可靠性算法

精確推理算法不能計(jì)算和頻率相關(guān)的指標(biāo)，因此本小節(jié)結(jié)合上節(jié)所建立的天然氣系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，采用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)時(shí)序模擬算法，對(duì)氣電耦合系統(tǒng)進(jìn)行可靠性方面的分析研究，運(yùn)用C#.net2015編程，求出整體系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。由于篇幅有限，僅截取系統(tǒng)部分故障累計(jì)時(shí)間的程序，如圖4所示，其具體操作流程如下。

圖4 系統(tǒng)部分程序Fig.4 Part program of system

首先初始化數(shù)據(jù)，輸入氣電耦合系統(tǒng)中各元件的參數(shù)。由于全年共有8 760 h，氣電耦合系統(tǒng)各個(gè)電源以及負(fù)荷點(diǎn)的功率是隨著時(shí)間變化的，在進(jìn)行時(shí)序模擬時(shí)，根據(jù)時(shí)變曲線將全年劃分成8 760個(gè)時(shí)間段，設(shè)定i=8 760。其次，計(jì)算出柴油機(jī)組所發(fā)出的功率PDG以及風(fēng)電機(jī)組發(fā)出功率PWG，并考慮儲(chǔ)能裝置的加入，根據(jù)功率間的關(guān)系確定系統(tǒng)之間的潮流。然后對(duì)互聯(lián)系統(tǒng)中各部分元件狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行比較，選取狀態(tài)持續(xù)的最小時(shí)段作為最小的持續(xù)時(shí)間。在最小的持續(xù)時(shí)間段里面，根據(jù)第1節(jié)所提到的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的邏輯關(guān)系進(jìn)行時(shí)序模擬分析，之后確定氣電耦合系統(tǒng)的負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，累計(jì)出各部分元器件的故障時(shí)間、系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)間、停電總時(shí)間、失氣總時(shí)間等，利用這些數(shù)據(jù)分析得出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，最后輸出數(shù)據(jù)，其具體的流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

3 算例分析

以IEEE-RBTS-BUS-6系統(tǒng)主饋線F4配電網(wǎng)和比利時(shí)11節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用燃?xì)廨啓C(jī)和P2G裝置耦合構(gòu)造出一個(gè)氣-電耦合系統(tǒng)來進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6所示的氣電耦合綜合系統(tǒng)共包含53條配電線路、23個(gè)負(fù)荷點(diǎn)、8條輸氣管支路、2條燃?xì)鈮嚎s驅(qū)動(dòng)機(jī)支路和7個(gè)氣負(fù)荷點(diǎn)，其中4，5，11為商業(yè)用氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，3，8，9為居民使用負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，10為加氣站用氣負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，含有兩氣源點(diǎn)。天然氣網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷數(shù)據(jù)、管道參數(shù)和壓縮機(jī)參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[12]。

圖6中天然氣節(jié)點(diǎn)5通過P2G裝置與配電系統(tǒng)相連，節(jié)點(diǎn)11經(jīng)過燃?xì)廨啓C(jī)接入配電系統(tǒng)。根據(jù)所給參數(shù)運(yùn)算分析得出各部分元器件、管道、線路的故障發(fā)生率，然后分析系統(tǒng)各部分元件之間以及元件與整體系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系，最后建立相應(yīng)的氣電耦合能源系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。

圖6 IEEE-RBTSBUS-6系統(tǒng)主饋線F4配電網(wǎng)和11節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)圖Fig.6 IEEE-RBTSBUS-6 system main feeder F4 distribution network and 11?node natural gas system diagram

圖7 氣電耦合綜合能源系統(tǒng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Gas-electric coupled integrated energy system Bayesian network

通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)時(shí)序模擬推理算法分別得出電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)在單一運(yùn)行模式和互聯(lián)模式下的可靠性方面的指標(biāo)，如表2所示。

表2 可靠性指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Reliability index comparison

表2中對(duì)氣電耦合系統(tǒng)所涉及到的可靠性指標(biāo)為：系統(tǒng)中平均供電的可使用率（average ser?vice availability index，ASAI）、系統(tǒng)的平均供電的不可使用率（average service unavailability index，ASUI）、系統(tǒng)內(nèi)部平均停電持續(xù)的時(shí)間（system av?erage interruption duration index，SAIDI）、系統(tǒng)內(nèi)部平均停電的頻率（system average interruption frequency index，SAIFI）、系統(tǒng)內(nèi)部缺失電量的期望（expected energy not supplied，EENS）。其具體的計(jì)算公式可詳見參考文獻(xiàn)[12-14]。

通過表2可靠性指標(biāo)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)單一的電力系統(tǒng)及天然氣系統(tǒng)不論從系統(tǒng)可靠性還是各類負(fù)荷點(diǎn)的可靠性，都沒有整體氣電耦合綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平高。

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理，求解氣電耦合綜合能源系統(tǒng)故障時(shí)的各個(gè)元件的故障概率，識(shí)別系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，如圖8所示。

通過圖8，可以發(fā)現(xiàn)在氣電耦合系統(tǒng)中，P2G轉(zhuǎn)換裝置以及燃?xì)廨啓C(jī)在耦合系統(tǒng)中對(duì)可靠性的影響最高，在今后構(gòu)建耦合系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)之間耦合裝置的保護(hù)或者選用可靠性較高的耦合元件。除耦合元件外，配電網(wǎng)線路L35-44，L53-58及天然氣管道P5對(duì)綜合系統(tǒng)可靠性影響較大，因?yàn)長35-44，L53-58及P5是配電系統(tǒng)及天然氣系統(tǒng)主要線路和主管道，連接元件及負(fù)荷較多，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些主要線路及管道加強(qiáng)保護(hù)。在系統(tǒng)故障時(shí)，為維修工人提供檢修維護(hù)的方向及目標(biāo)，并提供極具參考價(jià)值的信息。

圖8 氣電耦合綜合能源系統(tǒng)在系統(tǒng)故障時(shí)各元件故障率Fig.8 Failure rate of components in the integrated energy system with gas-electric coupling during system failure

4 結(jié)論

本文針對(duì)氣電耦合綜合能源系統(tǒng)，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)時(shí)序模擬的算法對(duì)其進(jìn)行可靠性的研究與分析，結(jié)論如下：

1）相對(duì)于解析及蒙特卡洛法，文中所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能清晰的表明系統(tǒng)內(nèi)元件的邏輯關(guān)系，結(jié)果正確有效。

2）對(duì)比分析不同模式下的可靠性指標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)單一的配電系統(tǒng)及天然氣系統(tǒng)不論從系統(tǒng)可靠性還是各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的可靠性都沒有整個(gè)氣電耦合綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平高。

3）依據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理，可以識(shí)別系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為建設(shè)綜合能源系統(tǒng)提供可靠依據(jù)以及為系統(tǒng)檢修維護(hù)提供有價(jià)值的參考信息和方向。