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重慶大學團隊特稿：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2020-08-29 11:55:00

團隊介紹

胡瀟云，碩士研究生，2013年于重慶大學電氣工程學院獲學士學位，同年進入重慶大學電氣工程學院攻讀碩士學位，主要研究方向為綜合能源系統(tǒng)建模與分析。

趙霞，博士，重慶大學副教授。主要從事綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行與風險評估方面的研究，主持國家自然科學基金青年項目1項，參與國家重點基礎研究計劃、國家科技支撐計劃重大項目及多項自然科學基金面上項目。以第一/通訊作者發(fā)表SCI/EI檢索論文30余篇、授權發(fā)明專利10余項、轉讓發(fā)明專利1項。

導語

電力-天然氣聯(lián)合系統(tǒng)中存在大量不確定因素，如何準確評估這些不確定因素的影響是聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃與運行的一項重要內容。本文以區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)為研究對象，考慮電/氣負荷、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′方法和稀疏多項式混沌展開（sPCE）的全局靈敏度分析方法。

項目研究背景

為應對日益嚴峻的能源和環(huán)境問題，大力發(fā)展綜合能源系統(tǒng)（IES）成為國內外能源領域的共識，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、荷波動等大量不確定因素，其影響還可能通過耦合環(huán)節(jié)在電、氣子系統(tǒng)之間相互傳遞。如何定量評估這些不確定因素的影響是電-氣聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃與運行的一項重要內容。

靈敏度分析是一種定量評估不確定因素影響、幫助運行人員識別關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，難以有效評估各輸入隨機變量及其綜合作用對聯(lián)合系統(tǒng)的影響。

論文所解決的問題及意義

針對局部靈敏度分析的局限，本文以區(qū)域電-氣聯(lián)合系統(tǒng)為對象，考慮電/氣負荷、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性對電-氣聯(lián)合系統(tǒng)運行的影響，有助于揭示電-氣聯(lián)合系統(tǒng)運行狀態(tài)與各種不確定因素之間的復雜關系。

論文方法及創(chuàng)新點

本文方法的基本思路如下：

首先，考慮電、氣負荷及光伏出力的隨機變化，并用秩相關系數(shù)和高斯Copula函數(shù)處理其相關性。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，以量化分析各輸入變量及其相互作用對系統(tǒng)輸出的影響。全局靈敏度指標一般可以通過蒙特卡羅模擬（MCS）進行計算，但MCS計算量大、計算時間長。

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

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

首先，對比本文方法與MCS方法（樣本數(shù)20000）的計算結果和時間。以配電網節(jié)點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如圖1?？梢姡瑑煞N方法的計算結果基本一致，而本文方法和MCS方法的計算時間分別為3.6s和163.1s。

圖1

其次，對比分析了源荷不確定性及相關性對全局靈敏度指標的影響。

最后，設計5種場景以分析管道參數(shù)不確定性的影響。圖2給出5種場景下，節(jié)點13的a相電壓對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成正比。

可見，當不考慮管道參數(shù)的不確定性時（場景1），影響最大的前三個變量為配氣網節(jié)點2、3、4的氣負荷，而考慮管道參數(shù)的不確定性后（場景2~5），特別場景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”。以上結果表明管道參數(shù)的不確定性對全局靈敏度指標有顯著影響。

圖2

結論

考慮電/氣負荷、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估各種不確定因素及其相關性對區(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)運行狀態(tài)與各種不確定因素之間的復雜關系。算例結果同時論證了電-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]. 電工技術學報, 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.