楊晨曦，高立艾，唐巍

（1.河北農業(yè)大學機電工程學院，河北 保定 071000；2.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

能源是社會賴以生存和發(fā)展的根本，在確保我們使用能源持續(xù)性的同時，有效減少對環(huán)境的污染，是現(xiàn)今世界共同關注的熱點。近些年來，社會生活生產對能源需求日益增加，面對人類社會能源的緊缺以及環(huán)境愈加惡化的雙重壓力，在現(xiàn)有能源結構格式上來提高能源的利用率，并加強對具有再生性的能源使用成為了研究界的一大熱點。在這一背景下，充分對新型能源使用的綜合系統(tǒng)應運而生。它可以有效調節(jié)不同的供能系統(tǒng)，使社會能源更加安全、靈活、可靠地供用?；谏鲜鲅芯勘尘埃壳白畛Ｒ姷氖桥潆?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，所以在當今社會新能源領域內備受青睞。

當前，綜合能源方面的研究處于起步階段，例如文獻[1]對電/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)，相對以往傳統(tǒng)的電力網系統(tǒng)，綜合能源系統(tǒng)初步可理解為：以電力系統(tǒng)為主導，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。結合成一個復雜的多網絡系統(tǒng)，與其他能源網絡（如天然氣網絡）進行緊密相連，主要采用解析及蒙特卡洛方法對其進行分析。

文獻[2]引入了能量樞紐的概念來描述分布式能源系統(tǒng)的多能量結合特性，并采用解析方法對包括儲能在內的分布式能源系統(tǒng)的可靠性進行了評價。但是其計算量復雜，求解困難。文獻[3]采用馬爾科夫鏈蒙特卡羅方法對配電網下分布式集成能源系統(tǒng)的可靠性進行了評價，并對系統(tǒng)的可靠性指標進行了定量評價。缺點在于不能識別系統(tǒng)故障后薄弱的環(huán)節(jié)。其次，從研究內容上，文獻[4-7]只分析了電力系統(tǒng)的可靠性。文獻[8-10]只是對燃氣系統(tǒng)的供能可靠性指標進行分析，并且沒有識別薄弱環(huán)節(jié)，這些文獻只是對單一系統(tǒng)進行研究。針對以上存在的問題，文中以氣電耦合系統(tǒng)為對象來進行研究，基于貝葉斯網絡對其可靠性方面進行分析，首先找出配電系統(tǒng)及天然氣系統(tǒng)各網絡中元件的邏輯關系，并對建立與其相應的貝葉斯網絡。其次建立整個氣電耦合互聯(lián)系統(tǒng)貝葉斯網絡，采用貝葉斯網絡時序模擬算法對氣電耦合系統(tǒng)進行可靠性研究，并對系統(tǒng)發(fā)生故障后，互聯(lián)系統(tǒng)中所存在薄弱的環(huán)節(jié)進行識別，最后結合實際算例進行研究分析。

1 基于貝葉斯網絡的天然氣系統(tǒng)可靠性分析

1.1 貝葉斯網絡邏輯關系

貝葉斯網絡其基本理論從本質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。利用這種關系性，可以利用數(shù)值推理（實質為一種聯(lián)合概率分布形式）表達出來，如下式：

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

求和各個節(jié)點對它的父節(jié)點依賴的程度，利用條件概率表現(xiàn)出來。針對所研究的具體系統(tǒng)，把系統(tǒng)中線路、管道等元件以及負荷點均等效為節(jié)點，分析節(jié)點間的邏輯關系，以此構建出相應的貝葉斯網絡，具體的邏輯關系可以劃分為與、或、聯(lián)合和因果關系，詳見參考文獻[11]。

1.2 天然氣系統(tǒng)貝葉斯網絡的建立

首先以11節(jié)點的天然氣系統(tǒng)為例，NSG11拓撲結構圖如圖1所示。系統(tǒng)中包含2個氣源點、8條輸氣管支路、2條燃氣壓縮驅動機支路、7個氣負荷節(jié)點。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拓撲結構圖Fig.1 NSG11 topological diagram

圖1中，天然氣系統(tǒng)氣源、壓縮機及管道參數(shù)，各個負荷節(jié)點所需天然氣及天然氣源的供氣量，天然氣網絡中負荷節(jié)點類型及其包含的用戶數(shù)，均見參考文獻[12]。

根據參數(shù)計算各個元件及管道故障率，氣源作為貝葉斯網絡的第1層節(jié)點，氣管道及壓縮機作為系統(tǒng)的第2層節(jié)點，各用氣負荷作為第3層節(jié)點，然后分析系統(tǒng)元件之間以及元件與系統(tǒng)之間的邏輯關系，例如同一氣源下各個管道與負荷間的與關系、不同氣源及其所對應的管道對同一用氣負荷的或關系、負荷與天然氣系統(tǒng)之間因果關系等，最后建立與其相對應的貝葉斯網絡，如圖2所示。

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

1.3 算例分析及結論

文中采用美國匹茲堡大學的可視化GeNIe2.0軟件平臺提供的貝葉斯網絡精準推理的算法，建立天然氣系統(tǒng)貝葉斯網絡，通過程序編寫自動生成DSL格式的貝葉斯網絡文件。將整個氣電耦合系統(tǒng)主要接線上的每個元器件作為一個節(jié)點來寫入貝葉斯網絡結構中，由此計算出天然氣系統(tǒng)的可靠性指標：失氣負荷概率（loss of gas load proba?bility，LOGLP）和氣量不足期望（expected gas not supplied，ENGS），如表1所示，其結果與文獻[12]解析法的結果一致，驗證了貝葉斯網絡邏輯關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 可靠性指標對比Tab.1 Reliability index comparison

由此可見，分析系統(tǒng)間元件的邏輯關系并利用貝葉斯網絡算法，所得出的結果精準，且計算精簡。并且可以根據所搭建的貝葉斯網絡結構來進行反推，識別系統(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

借助于貝葉斯網絡診斷推理，可以求解出天然氣系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)中各個氣源、管道、壓縮機等元件所發(fā)生故障的概率，通過圖3可知，氣源S1、管道P3故障率最高，由此識別系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，在制定系統(tǒng)檢修計劃時可以著重加強對可靠性較低的管道的保護，在實際運行中采取有效措施，例如縮減系統(tǒng)元件的修復時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 基于貝葉斯網絡的氣電耦合系統(tǒng)可靠性評估

2.1 氣電耦合系統(tǒng)基本原理

氣電耦合系統(tǒng)主要由一個配電系統(tǒng)和一個天然氣供氣網組成，通過電轉氣（power to gas，P2G）系統(tǒng)和燃氣輪機進行耦合，系統(tǒng)中的燃氣輪機和P2G作為系統(tǒng)間的轉換裝置是其關鍵的部分，就是將燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)以作為分布式電源，運用天然氣燃燒來使同步發(fā)電機發(fā)電，在配電系統(tǒng)這一側可以看作是一個電源，為配電系統(tǒng)部分用電用戶供電。P2G系統(tǒng)對于天然氣系統(tǒng)具有氣源特性，利用水和CO2將電能轉換為化學能的技術概念，為天然氣系統(tǒng)中部分負荷供氣。利用耦合裝置將其連接起來，從而形成互聯(lián)系統(tǒng)。

2.2 基于時序模擬氣電耦合系統(tǒng)可靠性算法

精確推理算法不能計算和頻率相關的指標，因此本小節(jié)結合上節(jié)所建立的天然氣系統(tǒng)貝葉斯網絡，采用基于貝葉斯網絡時序模擬算法，對氣電耦合系統(tǒng)進行可靠性方面的分析研究，運用C#.net2015編程，求出整體系統(tǒng)的可靠性指標。由于篇幅有限，僅截取系統(tǒng)部分故障累計時間的程序，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，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)各個電源以及負荷點的功率是隨著時間變化的，在進行時序模擬時，根據時變曲線將全年劃分成8 760個時間段，設定i=8 760。其次，計算出柴油機組所發(fā)出的功率PDG以及風電機組發(fā)出功率PWG，并考慮儲能裝置的加入，根據功率間的關系確定系統(tǒng)之間的潮流。然后對互聯(lián)系統(tǒng)中各部分元件狀態(tài)的持續(xù)時間進行比較，選取狀態(tài)持續(xù)的最小時段作為最小的持續(xù)時間。在最小的持續(xù)時間段里面，根據第1節(jié)所提到的貝葉斯網絡中的邏輯關系進行時序模擬分析，之后確定氣電耦合系統(tǒng)的負荷運行狀態(tài)，累計出各部分元器件的故障時間、系統(tǒng)發(fā)生故障時間、停電總時間、失氣總時間等，利用這些數(shù)據分析得出系統(tǒng)的可靠性指標，最后輸出數(shù)據，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配電網和比利時11節(jié)點天然氣系統(tǒng)為基礎，利用燃氣輪機和P2G裝置耦合構造出一個氣-電耦合系統(tǒng)來進行分析，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個負荷點、8條輸氣管支路、2條燃氣壓縮驅動機支路和7個氣負荷點，其中4，5，11為商業(yè)用氣負荷節(jié)點，3，8，9為居民使用負荷節(jié)點，10為加氣站用氣負荷節(jié)點，含有兩氣源點。天然氣網絡中的負荷數(shù)據、管道參數(shù)和壓縮機參數(shù)詳見參考文獻[12]。

圖6中天然氣節(jié)點5通過P2G裝置與配電系統(tǒng)相連，節(jié)點11經過燃氣輪機接入配電系統(tǒng)。根據所給參數(shù)運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)之間的邏輯關系，最后建立相應的氣電耦合能源系統(tǒng)的貝葉斯網絡，如圖7所示。

圖6 IEEE-RBTSBUS-6系統(tǒng)主饋線F4配電網和11節(jié)點天然氣系統(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)貝葉斯網絡Fig.7 Gas-electric coupled integrated energy system Bayesian network

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

表2 可靠性指標對比Tab.2 Reliability index comparison

表2中對氣電耦合系統(tǒng)所涉及到的可靠性指標為：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)內部平均停電持續(xù)的時間（system av?erage interruption duration index，SAIDI）、系統(tǒng)內部平均停電的頻率（system average interruption frequency index，SAIFI）、系統(tǒng)內部缺失電量的期望（expected energy not supplied，EENS）。其具體的計算公式可詳見參考文獻[12-14]。

通過表2可靠性指標的對比，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)可靠性還是各類負荷點的可靠性，都沒有整體氣電耦合綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平高。

根據貝葉斯網絡診斷推理，求解氣電耦合綜合能源系統(tǒng)故障時的各個元件的故障概率，識別系統(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轉換裝置以及燃氣輪機在耦合系統(tǒng)中對可靠性的影響最高，在今后構建耦合系統(tǒng)時，應加強對系統(tǒng)之間耦合裝置的保護或者選用可靠性較高的耦合元件。除耦合元件外，配電網線路L35-44，L53-58及天然氣管道P5對綜合系統(tǒng)可靠性影響較大，因為L35-44，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，連接元件及負荷較多，所以應加強對這些主要線路及管道加強保護。在系統(tǒng)故障時，為維修工人提供檢修維護的方向及目標，并提供極具參考價值的信息。

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

4 結論

本文針對氣電耦合綜合能源系統(tǒng)，利用貝葉斯網絡時序模擬的算法對其進行可靠性的研究與分析，結論如下：

1）相對于解析及蒙特卡洛法，文中所建立的貝葉斯網絡能清晰的表明系統(tǒng)內元件的邏輯關系，結果正確有效。

2）對比分析不同模式下的可靠性指標，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)可靠性還是各個負荷點的可靠性都沒有整個氣電耦合綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平高。

3）依據貝葉斯網絡診斷推理，可以識別系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為建設綜合能源系統(tǒng)提供可靠依據以及為系統(tǒng)檢修維護提供有價值的參考信息和方向。