1、第51 卷 第12 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.12 2023年6月16日 Power System Protection and Control Jun.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221380 计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估 康海鹏，李长城，黄思琪(广西电力系统最优化与节能技术重点实验室(广西大学)，广西 南宁 530004)摘要：气电耦合系统中电转气负荷与气转电负荷为故障在电网与气网间的传播提供了通道，将电转气负荷与气转电负荷统称为能源转换负荷，其在电、气负荷中的占比与在阻断控制过程中的切除优先度可能对耦合系
2、统连锁故障的传播特性带来无法忽视的影响。为此，提出了一种计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估方法。首先，提出能源转换负荷占比与切除优先度模型，分析不同占比与切除优先度下故障在电、气网间连锁传播的机理与特性。然后，分别建立基于能源转换负荷占比与切除优先度的电力系统优化调度模型与天然气系统优化调度模型，两者交替迭代模拟连锁故障演化过程。基于此，提出表征拓扑完整性与物理运行特性的指标以定量评估连锁故障风险，从而构建气电耦合系统连锁故障评估模型。最后，利用 IEEE RTS 24 节点系统与 29 节点天然气系统构造气电耦合测试系统，通过对比不同场景，验证了所提方法可有效揭示能源转换负荷对连
3、锁故障的影响。关键词：气电耦合系统；连锁故障；影响评估；能源转换负荷占比；能源转换负荷切除优先度 Evaluation of cascading failures in an integrated gas and power system considering effects of energy conversion load KANG Haipeng,LI Changcheng,HUANG Siqi(Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology(Guangxi University),Na
4、nning 530004,China)Abstract:Power to gas and gas to power loads in the integrated gas and power system can provide a channel for fault propagation between the power grid and the natural gas network.They are defined as conversion load.Their different proportion in power load and natural gas load and
5、shedding priority in blocking control may have different impacts on the propagation characteristics of cascading failures.Therefore an evaluation method of cascading failures considering energy conversion load effects is proposed.First,the models of the proportion and shedding priority of energy con
6、version load are proposed to analyze the cascading propagation mechanisms and characteristics of the failures in the system at different proportions and shedding priority.Then,the optimal dispatching models of the power and the natural gas systems based on the proportion and shedding priority of ene
7、rgy conversion load are established respectively.The two models are iterated alternately to simulate cascading failures.From this,the indicators in topology and physics are proposed for quantitative evaluation of cascading failure risk.Thus,a cascading failure evaluation model of an integrated gas a
8、nd power system is built.Finally,the integrated gas and power test system composed of an IEEE RTS 24-bus system and a 29-bus gas system is employed to validate effectiveness of the proposed method in revealing cascading effect by comparing different scenarios.This work is supported by the Natural Sc
9、ience Foundation of Guangxi Province(No.2020GXNSFBA297069).Key words:integrated gas and power system;cascading failure;impact assessment;proportion of energy conversion load;shedding priority of energy conversion load 0 引言 近年来，多种异质能源的协调互补已成为推进 基金项目：广西自然科学基金项目资助(2020GXNSFBA297069)能源综合高效利用与能源结构绿色转型的有效
10、措施1-3。其中，气电耦合系统(integrated gas and powersystem,IGPS)是能源综合利用的典型形式之一4。随着燃气轮机(gas turbine,GT)的逐步应用与电转气(power-to-gas,P2G)技术的日趋成熟，IGPS-134-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 得到迅速发展5，考虑 P2G 过程等特性的 IGPS 调度运行方法已经取得不少成果6-8。但多种能源供应机制仍未完善，IGPS 相关协议指出，当任意子网发生故障或阻塞时，调度部门会优先切除能源转换负荷(energy conversion load,ECL)，即电网 P2G 负荷或气网 GT 负
11、荷9-11。因此，在电、气网间耦合程度日益紧密的背景下，任意网络发生故障或扰动均极有可能引发两网间往复传播的连锁影响12，从而对整个系统的安全可靠性造成严重威胁。例如，2011年美国西南部发生停电、停气事故13，该事故由天然气系统中气井、管道故障诱发，导致大量天然气负荷被切除，因而故障扰动从气网传播至电网。这导致电网中电力驱动加压站被迫退出运行，故障扰动又经耦合元件反过来传播至气网，进一步加重气网故障影响，如此反复进行诱发 IGPS 连锁故障。这对耦合系统安全稳定运行造成了极大危害。因此，研究 IGPS 故障传播问题具有重要的实践意义。目前，对 IGPS 故障传播的研究相对较少。文献9提出了一
12、种考虑天然气系统影响的电力系统连锁故障评估模型，研究了天然气系统随机故障对电力系统连锁故障的影响，但未考虑电力系统随机故障对天然气系统连锁故障的影响；文献14基于天然气动态传输模型，提出了一种电、气网交替调度的连锁故障评估模型；文献15提出了一种基于机器学习的 IGPS 连锁故障脆弱性评估方法，仿真结果表明所提方法不仅能够显著提高学习精度，而且计算耗时也具有更好的性能；文献16研究了天然气系统主要设备故障风险处于极限区域时对电力系统连锁故障的影响；文献17研究了天然气系统故障对电-气-热综合能源系统的影响；文献18结合基于电、气网交替调度的动态连锁故障分析模型与蒙特卡洛模拟方法，提出了一种计及
13、连锁影响的IGPS 节点可靠性评估方法；文献19为减轻故障传播造成的影响，提出了一种 IGPS 备用优化方法，实现电、气网备用的协同配置。然而，上述文献并未考虑到 ECL 对连锁故障的影响。尽管文献10提出了计及电、气网间相依特性的 IGPS 故障评估方法，分析了 P2G 和 GT 设备的传输功率占比对网间故障传播特性的影响，但并未充分探究 ECL 的作用。因此，现有文献在研究 IGPS 连锁故障传播机理时存在以下不足：1)未研究 ECL 的投入占比对电、气网间故障传播造成的潜在风险。这可能导致无法有效充足地规划备用容量，以保障 IGPS 的安全运行。2)未深入分析故障后的优化调度中 ECL
14、切除优先度对连锁故障传播的影响。尽管相关协议规定ECL 应优先被切除，但并未量化评估 ECL 切除优先度对连锁故障的影响，可能导致连锁故障缓解策略效果欠佳。3)未综合探究 ECL 的占比增加与切除优先度差异对连锁故障的影响。在 ECL 日益扩大的背景下，单独考虑 ECL 的占比变化或切除优先度差异无法揭示两者间不同关系对连锁故障的影响，因而盲目优先切除 ECL 可能会加重 IGPS 的运行风险。为此，本文提出了一种计及 ECL 影响的 IGPS连锁故障评估方法。首先，提出 ECL 占比与切除优先度模型，分析不同占比与切除优先度下连锁故障在电、气网间的传播特性；其次，基于天然气动态传输模型与电力
15、稳态直流潮流模型，分别建立电、气网优化调度模型，以协同仿真 IGPS 故障连锁过程；然后，建立结构损失指标和负荷损失指标以评估分析故障演化的影响，从而建立连锁故障评估模型；最后，利用 IEEE RTS 24 节点系统与 29 节点天然气系统构建测试系统验证所提模型的有效性。1 IGPS 负荷占比指标与切除优先度指标 图1表示电力系统发生初始故障进而诱发IGPS连锁故障的过程。当电力系统发生初始故障或扰动集1a时，调度部门将执行优化调度措施以平衡功率或消除过载。然而，优化调度将会改变耦合节点处的功率(即耦合功率，此时为能源转换设备 GT 的输出量和 P2G 的输入量)，这可能会将影响传播到天然气
16、系统中，造成天然气系统故障或扰动集 b1。同理，当天然气系统优化调度时也会通过改变耦合功率(此时为 GT 的输入量和 P2G 的输出量)对电力系统产生影响，导致电力系统故障或扰动集2a，甚至进一步引起天然气系统故障或扰动集2b。在连锁故障过程中，天然气系统与电力系统受故障或扰动影响的大小主要取决于耦合功率的变化程度。因此，本文从 ECL 角度出发，重点分析其占比与切除优先度对 IGPS 连锁故障的影响。图 1 IGPS 连锁故障传播过程 Fig.1 Propagation of cascading failures in integrated gas and power system ECL 不同的占比与切除优先度将会导致 IGPS网间能量传输发生改变，影响连锁故障在两网间的康海鹏，等 计及能源转换负荷影响的气电耦合系统连锁故障评估 -135-传播特性。因此，本文提出两类指标对不同 ECL 占比与切除优先度下连锁故障的影响进行分析。1)ECL 占比指标 IGPS 中的电力系统或天然气系统中均可能含有传统负荷与 ECL。为描述 ECL 在电力负荷或天然气负荷中所占比例对连锁故障的影响，本
