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重慶大學(xué)團(tuán)隊(duì)特稿：區(qū)域電氣聯(lián)合系統(tǒng)全局靈敏度分析的新方法

原創(chuàng)電氣技術(shù)2020-08-29 11:55:00

團(tuán)隊(duì)介紹

胡瀟云，碩士研究生，2013年于重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，同年進(jìn)入重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榫C合能源系統(tǒng)建模與分析。

趙霞，博士，重慶大學(xué)副教授。主要從事綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃、國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目及多項(xiàng)自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目。以第一/通訊作者發(fā)表SCI/EI檢索論文30余篇、授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)、轉(zhuǎn)讓發(fā)明專利1項(xiàng)。

導(dǎo)語(yǔ)

電力-天然氣聯(lián)合系統(tǒng)中存在大量不確定因素，如何準(zhǔn)確評(píng)估這些不確定因素的影響是聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文以區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)為研究對(duì)象，考慮電/氣負(fù)荷、光伏電源以及天然氣管道參數(shù)等多種不確定性因素，提出一種基于Sobol′方法和稀疏多項(xiàng)式混沌展開（sPCE）的全局靈敏度分析方法。

項(xiàng)目研究背景

為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問(wèn)題，大力發(fā)展綜合能源系統(tǒng)（IES）成為國(guó)內(nèi)外能源領(lǐng)域的共識(shí)，其中，由電力和天然氣系統(tǒng)耦合形成的電-氣聯(lián)合系統(tǒng)是IES的一種典型形式。

電-氣聯(lián)合系統(tǒng)中存在源、荷波動(dòng)等大量不確定因素，其影響還可能通過(guò)耦合環(huán)節(jié)在電、氣子系統(tǒng)之間相互傳遞。如何定量評(píng)估這些不確定因素的影響是電-氣聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

靈敏度分析是一種定量評(píng)估不確定因素影響、幫助運(yùn)行人員識(shí)別關(guān)鍵影響因素或者薄弱環(huán)節(jié)的有效工具。然而，電-氣聯(lián)合系統(tǒng)靈敏度分析的現(xiàn)有研究大多局限于局部靈敏度分析，難以有效評(píng)估各輸入隨機(jī)變量及其綜合作用對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)的影響。

論文所解決的問(wèn)題及意義

針對(duì)局部靈敏度分析的局限，本文以區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)為對(duì)象，考慮電/氣負(fù)荷、光伏出力以及天然氣管道參數(shù)的不確定性，提出一種基于Sobol′方法和稀疏多項(xiàng)式混沌展開（sPCE）的全局靈敏度分析方法。所提方法可以量化各種不確定變量及其相關(guān)性對(duì)電-氣聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行的影響，有助于揭示電-氣聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與各種不確定因素之間的復(fù)雜關(guān)系。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文方法的基本思路如下：

首先，考慮電、氣負(fù)荷及光伏出力的隨機(jī)變化，并用秩相關(guān)系數(shù)和高斯Copula函數(shù)處理其相關(guān)性。此外，分別用均勻分布和正態(tài)分布描述天然氣管道參數(shù)的不確定性。

其次，基于Sobol′方法的方差分析，建立電-氣聯(lián)合系統(tǒng)各輸入變量的全局靈敏度指標(biāo)，以量化分析各輸入變量及其相互作用對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。全局靈敏度指標(biāo)一般可以通過(guò)蒙特卡羅模擬（MCS）進(jìn)行計(jì)算，但MCS計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。

為提高計(jì)算效率，本文基于sPCE理論建立區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)輸出變量關(guān)于輸入不確定變量的逼近模型，再結(jié)合Sobol′方法，利用逼近模型直接計(jì)算輸出變量的期望和方差，從而實(shí)現(xiàn)全局靈敏度指標(biāo)的快速計(jì)算。

用“IEEE 13配電網(wǎng)+11節(jié)點(diǎn)配氣網(wǎng)”形成的區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行算例分析。

首先，對(duì)比本文方法與MCS方法（樣本數(shù)20000）的計(jì)算結(jié)果和時(shí)間。以配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)13的a相電壓作為輸出變量，兩種方法所得全局靈敏度指標(biāo)如圖1?？梢?jiàn)，兩種方法的計(jì)算結(jié)果基本一致，而本文方法和MCS方法的計(jì)算時(shí)間分別為3.6s和163.1s。

圖1

其次，對(duì)比分析了源荷不確定性及相關(guān)性對(duì)全局靈敏度指標(biāo)的影響。

最后，設(shè)計(jì)5種場(chǎng)景以分析管道參數(shù)不確定性的影響。圖2給出5種場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)13的a相電壓對(duì)各輸入不確定變量的全局靈敏度示意圖，圖中圓形面積與靈敏度指標(biāo)成正比。

可見(jiàn)，當(dāng)不考慮管道參數(shù)的不確定性時(shí)（場(chǎng)景1），影響最大的前三個(gè)變量為配氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)2、3、4的氣負(fù)荷，而考慮管道參數(shù)的不確定性后（場(chǎng)景2~5），特別場(chǎng)景2、3中，配氣管道2-3和7-9的參數(shù)成為影響輸出變量的“重要變量”。以上結(jié)果表明管道參數(shù)的不確定性對(duì)全局靈敏度指標(biāo)有顯著影響。

圖2

結(jié)論

考慮電/氣負(fù)荷、光伏出力以及天然氣管道參數(shù)的不確定性，提出一種基于Sobol′方法和sPCE的區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的全局靈敏度分析方法。算例分析表明本文方法能夠定量評(píng)估各種不確定因素及其相關(guān)性對(duì)區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的影響、有助于揭示電-氣聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與各種不確定因素之間的復(fù)雜關(guān)系。算例結(jié)果同時(shí)論證了電-氣聯(lián)合系統(tǒng)全局靈敏度分析中考慮不確定變量相關(guān)性以及管道參數(shù)不確定性的必要性。

引用本文

胡瀟云, 趙霞, 馮欣欣. 基于稀疏多項(xiàng)式混沌展開的區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)全局靈敏度分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(13): 2805-2816. Hu Xiaoyun, Zhao Xia, Feng Xinxin. Global Sensitivity Analysis for Regional Integrated Electricity and Gas System Based on Sparse Polynomial Chaos Expansion. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2805-2816.