[科普中国]-综合能源系统可靠性评估

背景

能源是人类赖以生存和发展的基础，是经济社会的命脉。由于煤炭、石油等传统化石能源不可再生，提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源综合利用，就成为解决社会经济快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择，在这样的背景下，综合能源系统的概念应运而生。综合能源系统是以电力系统为核心，打破供电、供气、供冷、供热等各种能源供应系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，在规划、设计、建设和运行的过程中，对各类能源的分配、转化、存储、消费等环节进行有机协调与优化，充分利用可再生能源的新型区域能源供应系统。1

把针对一个地区、一个城市或者一个城镇，在研究中计及电力、热力、天然气供应网络及其耦合关联，称之为区域或者城市综合能源系统；如果更多关注分布式能源终端及其耦合关联，则称为分布式综合能源系统。

发展综合能源系统对提高能源利用效率、促进可再生能源开发利用、提高国家基础设施利用率和能源供应安全具有十分重要的意义。

首先，通过电、气、冷/热等多种不同形式能源的供应系统在生产和消费等环节的协调规划和运行，综合能源系统可以实现能源的梯级利用，有效提高能源综合利用效率。例如利用燃气轮机或燃气内燃机燃烧天然气发电，对做功后的余热进一步回收，用来制冷、供暖和制备生活热水，实现对能源的阶梯利用，提高能源的综合利用效率。

其次，综合能源系统可以充分利用多种能源的时空耦合特性和互补替代性，弥补可再生能源具有明显的间歇性和随机波动性等问题，促进可再生能源的开发利用。例如，通过大量储热的方式消纳可再生能源，采用可再生能源发电制氢等。

另外，以供电为核心，电、气、冷/热等供能系统本身存在紧密的耦合关联，电能供应的终端可能导致其他供能系统停运，因此通过多个供能系统的协调规划和运行，可以避免单纯加大某一供能系统投入提高其安全系与自愈能力带来的弊端，从而有效提高多种能源供应的安全和可靠性。与现有的供电、供气、供冷/热一样，安全、可靠、经济是人们对综合能源系统最基本的要求。可靠性评估可以用定性或者定量的指标反映系统的能源供应中断的风险水平，从而指导综合能源系统的规划、运行等生产实践活动。随着经济社会的发展，人们对能源供给的可靠性要求越来越高，综合能源系统与电、气、冷及热等多种负荷在物理上直接相连，确保综合能源系统的供能可靠性显得尤为重要，开展其可靠性评估研究具有十分重要的意义。2

研究现状由于提高能源综合利用率、促进可再生能源开发利用以及保证能源供应安全可靠等一系列的优势，综合能源系统的发展已经得到国际社会的广泛关注，成为国际能源领域重要的战略研究方向。美国早在2001 年就提出了综合能源系统的发展计划，更于2007 年将综合能源系统的研究上升到国家能源战略的高度。欧洲和日本等70 余个地区和国家促进能源可持续利用的角度，开展了一系列的综合能源系统研究计划，并综合能源系统的概念、运行方式及经济性分析等方面的研究已取得了初步的成果。

相比国外，我国的综合能源系统研究也已经起步，并有一系列的研究成果发表。有研究人员将综合能源系统的相关研究归纳为建模与仿真、规划、运行与优化控制、安全性理论与方法、效益评估与运营机制等几个方面，具体分析了国内外综合能源系统的研究现状，针对我国综合能源系统发展中面临的一些问题给出了相应的建议，并指出我国综合能源系统的研究发展是关乎国家能源安全、涉及国家社会经济发展的战略问题。

由此可见，国内外综合能源系统的相关研究已经在综合能源系统的概念和框架、多能流分析与计算、建模与仿真、规划与运行控制以及经济性分析与优化等方面取得了初步的成果。然而，作为系统规划与运行的基础，针对综合能源系统可靠性评估的相关研究仍处于起步阶段。2

亟待解决的问题与单一供能系统的可靠性评估不同，综合能源系统包含电、气、冷/热等多种不同的能源形式，各种能源形式特性各异，例如电力与热力系统动态过程的时间尺度就具有显著的差异，采用的评估模型、评估算法以及评价指标各不相同。同时各种能源形式间还存在复杂的耦合关联，其中还包括具有显著不确定性的可再生能源发电与各种能源形式的时空耦合，这使得系统特性又不同于各单一供能系统，进而使得综合能源系统可靠性评估变得更加复杂。3

此外，在能源系统与新兴信息通信技术深度融合的发展趋势下，综合能源系统的运行更加智能化，各组成部分间存在信息交互，多种能源形式间的相互转换将基于信息交互经过一个协调优化的过程，这使得综合能源系统的运行模式将与传统的单一供能系统具有显著的差别。因此，传统的可靠性评估理论与方法将无法适用于综合能源系统，其可靠性评估亟需解决的问题包括：

1）如何对含有多种供能形式的综合能源系统进行可靠性评估建模，准确刻画不同能源形式的特性以及各种能源形式间的复杂耦合关联，是实现综合能源系统可靠性准确评估的关键，也是其可靠性评估迫切需要解决的问题。

首先，发展综合能源系统的目标之一是通过协调优化不同能源形式的转化、存储和消费以充分消纳可再生能源，可再生能源自身的不确定性以及可再生能源发电与电、气、冷/热等不同能源形式间时空耦合特性不仅直接影响可再生能源的消纳，同时对综合能源系统的可靠运行也有直接的影响，因此可靠性评估的建模研究需要解决上述特性的准确刻画问题。2

其次，不同能源供应形式间复杂的耦合关联将导致关联故障（某能源供应系统故障引起另一能源供应系统的故障）的发生，例如供气系统与配电系统通过燃气轮机耦合关联，供气系统的故障可能导致配电系统部分停运，进而对综合能源系统整体的可靠性产生显著的影响。在可靠性评估中必须建立耦合模型定量刻画这种耦合关联，以实现可靠性水平的准确评估。然而，考虑多种能源形式间不同耦合关联的可靠性建模问题十分复杂，现有的可靠性评估建模一般通过给定边界条件考虑外部系统的影响，对不同供能形式间的耦合关联涉及较少。Energy Hub 的提出给刻画多种能源形式的耦合关联提供了思路，但考虑能源转换装置正常、降额运行及故障的多种状态以及不同能源形式间的时间尺度差异等，现有模型的适用性还有待商榷。

2）综合能源系统的可靠性评估亟需突破现有算法无法对系统运行状态进行准确模拟和快速评估的限制。系统状态选取及故障后果分析是可靠性评估算法的核心，综合能源系统的可靠性评估算法必须能够适应其运行模式，以实现综合能源系统可靠性的精确评估。通过多种不同能源形式间转换的协调和优化，开展能源梯级利用，提高能源综合利用效率也是综合能源系统的发展目标之一，可靠性评估的算法首先需要在系统运行状态的模拟和评估中计及上述协调和优化过程，进而准确分析其对可靠性的影响。

其次，在信息能源高度融合的背景下，综合能源系统将信息通信及智能决策技术实现上述能源形式转化的协调和优化以及故障、修复、重构等多种状态和指令传递。信息通信技术的应用将对综合能源系统的运行模式产生重要的影响。如何适应这种全新的运行模式，在可靠性评估中准确模拟和快速评估系统的运行状态，对综合能源系统的可靠性评估算法提出了新的更高的要求。

此外，相对于电力系统，天然气及热力系统故障后果的影响具有明显的时延特性，因此综合能源系统中元件故障的后果不能简单地通过去掉故障元件后的系统稳定状态来反映，传统电力系统基于N−1，N−2 的系统状态评估方法不再适应，因此综合能源系统的可靠性评估算法亟需解决多时间尺度下系统运行状态的准确模拟和快速评估问题。

3）综合能源系统的可靠性水平需要通过相应的可靠性评价指标来描述和度量。建立合理的可靠性指标体系，对综合能源系统供电、供气、供冷、供热及系统整体的可靠性水平进行定量地刻画，也是综合能源系统可靠性评估研究的重要方面。目前，国内外针对供电可靠性已有相对完善的评价指标。

然而，除了电能外，综合能源系统还涉及气、冷/热等多种能源形式，它们的特性与电能有显著的区别，供能中断的影响也各不相同。例如电能传输速度极快、其能量的传输和变换以光速实现，几乎瞬间完成；而冷、热传输速度慢、具有较大延迟。由于这种时间尺度的不同，用户对能源供给中断的感受明显不同，例如电力供应的中断将导致电灯立即熄灭、用电设备即刻停止运行等，用户可以即时感受到；而冷/热供应的中断用户可能需要经过一段时间才能感受到，这样的特性对评价能源供应的可靠性具有显著的影响，因此定义合理的指标准确刻画

上述特性对综合能源系统供能可靠性评价的影响，是可靠性评价研究首先要解决的问题。此外，合理的可靠性指标体系，能够从不同的角度准确地反映系统的可靠性水平，同时还能够体现系统的薄弱环节，为提出有针对性的增强措施提供有力依据。因此如何通过指标反映不同供能形式中元件或者环节的重要程度，辨识系统薄弱环节也是可靠性评价亟需解决的问题。

综上所述，围绕综合能源系统的多能耦合及能源信息融合特性，对综合能源系统可靠性评估的模型、算法及评价指标体系进行深入系统的研究，解决电、气、冷、热等多种不同能源形式间复杂耦合关联的可靠性建模难题，突破新形势下综合能源系统运行状态准确模拟及快速评估面临的瓶颈，根据不同能源形式的特点建立有针对性的可靠性评价指标，为综合能源系统可靠性水平的定量评估提供有效的手段，都是综合能源系统可靠性评估未来亟需解决的问题。2

未来研究方向的展望多能源及其耦合关联、能源信息融合的发展趋势使得综合能源系统的可靠性评估在模型、算法及评价指标方面面临一系列的问题。针对这些问题梳理出可能的解决方案，进一步对未来的研究方向进行展望。

1、可靠性评估模型方面

为了准确刻画综合能源系统中可再生能源输出功率的不确定性，首先需要进行风力和太阳能等可再生能源的统计特性分析，然后通过一定的概率分布刻画这种特性，在此基础上建立输出功率与对应概率的可靠性评估模型，针对现有的Energy Hub 模型在刻画多种能源耦合关联时存在的局限性，在研究中首先应充分考虑Energy Hub 内部元件的运行特性，建立相应的多状态模型，然后通过状态空间法求解各状态的稳态概率。基于各状态的稳态概率，在可靠性评估中可采用蒙特卡罗法对元件状态进行采样，进而实现多状态的刻画。此外，针对多种能源形式的时间尺度差异，可将时变特性引入能量输出环节。

2、可靠性评估算法方面

能源信息高度融合是未来综合能源系统的发展方向，在物联网、互联网以及人工智能等技术快速发展的背景下，智能体通信技术近年来得到广泛的应用。智能体（Smart Agent）是具有高级行为特征（自治性、能动性、交互性等）的广泛智能实体，例如专家系统、机器人、计算机系统、求解单元甚至功能元件等。采用“智能体”刻画综合能源系统中具有接收、传递信息功能并能对信息进行分析做出决策的智能化元件或者环节（包括Energy Hub），通过智能体的通信、决策以及控制等行为刻画多种不同能源形式间转换的协调和优化过程，同时结合时序蒙特卡罗法模拟多能源系统动态时间过程，进而提出可靠性评估的智能体算法，将有望解决综合能源系统可靠性评估算法面临的问题。

围绕综合能源系统可靠性评估的智能体算法，未来的研究方向将主要包括智能体网络的架构、智能体间的通信规则以及智能体内部的分析决策算法，基于智能体间的信息通信及相应控制行为实现系统故障定位、隔离和恢复的关键技术等。

3、可靠性评价指标方面

综合能源系统不同于传统单一供能系统的特性要求建立不同于单一供能系统的可靠性评价指标体系。

首先，需要针对供电、供气、供冷/热等不同供能形式的特点，研究具有针对性的可靠性评价指标，解决多种供能形式可靠性水平全面度量的问题。

还需要研究各种能源形式供应间的耦合关联对各种能源供应及综合能源系统整体可靠性的影响指标，以全面和准确地量化综合能源系统的可靠性水平。

此外，研究综合能源系统关键元件或环节（包括Energy Hub）的重要度指标，与不同能源形式的针对性指标结合，反映各种形式能源供应的薄弱环节，也是可靠性评价指标未来的研究方向之一。2

结论化石能源的枯竭和环境日益恶化的双重压力下，综合能源系统的概念应运而生。综合能源系统的相关研究已经得到国际社会的广泛关注，然而其可靠性评估研究仍处于起步阶段。首先介绍了综合能源系统的定义、典型结构以及发展意义等，进而对其可靠性评估的研究现状及亟待解决的问题进行了归纳，最后围绕亟待解决的问题，从模型、算法及评价指标系统3 个方面对综合能源系统可靠性评估未来的研究方向进行展望。

综合能源系统涉及电、气、冷/热等多种不同的能源形式，各种能源形式在生产、传输、消费及存储等环节中存在明显的特性差异，同时它们之间还存在复杂的相互转化和耦合关联。此外，相对于传统的单一供能系统，能源系统与信息通信技术的深度融合使得综合能源系统的运行模式发生显著的变化。上述特性给综合能源系统可靠性评估的建模、算法及评价指标带来了一系列的问题，基于大数据、云计算以及机器学习的可靠性评估建模，充分利用信息流实现系统运行状态准确模拟和快速评估的可靠性评估算法，针对不同供能形式特性的可靠性评价指标体系将是综合能源系统可靠评估未来的研究方向。2