綜合能源系統可靠性評估

綜合能源系統可靠性評估是指用定性或者定量的指標反映系統的能源供應中斷的風險水平，從而指導綜合能源系統的規劃、運行等生產實踐活動。

基本介紹

• 中文名：綜合能源系統可靠性評估
• 外文名：Reliability evaluation of integrated energy system
• 現狀：起步階段
• 目的：提高能源綜合利用率
• 待解決問題：可靠性、信息融合等
• 展望：模型、算法、指標

背景

能源是人類賴以生存和發展的基礎，是經濟社會的命脈。由於煤炭、石油等傳統化石能源不可再生，提高能源利用效率、開發新能源、加強可再生能源綜合利用，就成為解決社會經濟快速發展過程中日益凸顯的能源需求增長與能源緊缺、能源利用與環境保護之間矛盾的必然選擇，在這樣的背景下，綜合能源系統的概念應運而生。綜合能源系統是以電力系統為核心，打破供電、供氣、供冷、供熱等各種能源供應系統單獨規劃、單獨設計和獨立運行的既有模式，在規劃、設計、建設和運行的過程中，對各類能源的分配、轉化、存儲、消費等環節進行有機協調與最佳化，充分利用可再生能源的新型區域能源供應系統。

把針對一個地區、一個城市或者一個城鎮，在研究中計及電力、熱力、天然氣供應網路及其耦合關聯，稱之為區域或者城市綜合能源系統；如果更多關注分散式能源終端及其耦合關聯，則稱為分散式綜合能源系統。

發展綜合能源系統對提高能源利用效率、促進可再生能源開發利用、提高國家基礎設施利用率和能源供應安全具有十分重要的意義。

首先，通過電、氣、冷/熱等多種不同形式能源的供應系統在生產和消費等環節的協調規劃和運行，綜合能源系統可以實現能源的梯級利用，有效提高能源綜合利用效率。例如利用燃氣輪機或燃氣內燃機燃燒天然氣發電，對做功後的餘熱進一步回收，用來製冷、供暖和製備生活熱水，實現對能源的階梯利用，提高能源的綜合利用效率。

其次，綜合能源系統可以充分利用多種能源的時空耦合特性和互補替代性，彌補可再生能源具有明顯的間歇性和隨機波動性等問題，促進可再生能源的開發利用。例如，通過大量儲熱的方式消納可再生能源，採用可再生能源發電制氫等。

另外，以供電為核心，電、氣、冷/熱等供能系統本身存在緊密的耦合關聯，電能供應的終端可能導致其他供能系統停運，因此通過多個供能系統的協調規劃和運行，可以避免單純加大某一供能系統投入提高其安全系與自愈能力帶來的弊端，從而有效提高多種能源供應的安全和可靠性。與現有的供電、供氣、供冷/熱一樣，安全、可靠、經濟是人們對綜合能源系統最基本的要求。可靠性評估可以用定性或者定量的指標反映系統的能源供應中斷的風險水平，從而指導綜合能源系統的規劃、運行等生產實踐活動。隨著經濟社會的發展，人們對能源供給的可靠性要求越來越高，綜合能源系統與電、氣、冷及熱等多種負荷在物理上直接相連，確保綜合能源系統的供能可靠性顯得尤為重要，開展其可靠性評估研究具有十分重要的意義。

研究現狀

由於提高能源綜合利用率、促進可再生能源開發利用以及保證能源供應安全可靠等一系列的優勢，綜合能源系統的發展已經得到國際社會的廣泛關注，成為國際能源領域重要的戰略研究方向。美國早在2001 年就提出了綜合能源系統的發展計畫，更於2007 年將綜合能源系統的研究上升到國家能源戰略的高度。歐洲和日本等70 余個地區和國家促進能源可持續利用的角度，開展了一系列的綜合能源系統研究計畫，並綜合能源系統的概念、運行方式及經濟性分析等方面的研究已取得了初步的成果。

相比國外，我國的綜合能源系統研究也已經起步，並有一系列的研究成果發表。有研究人員將綜合能源系統的相關研究歸納為建模與仿真、規劃、運行與最佳化控制、安全性理論與方法、效益評估與運營機制等幾個方面，具體分析了國內外綜合能源系統的研究現狀，針對我國綜合能源系統發展中面臨的一些問題給出了相應的建議，並指出我國綜合能源系統的研究發展是關乎國家能源安全、涉及國家社會經濟發展的戰略問題。

由此可見，國內外綜合能源系統的相關研究已經在綜合能源系統的概念和框架、多能流分析與計算、建模與仿真、規劃與運行控制以及經濟性分析與最佳化等方面取得了初步的成果。然而，作為系統規劃與運行的基礎，針對綜合能源系統可靠性評估的相關研究仍處於起步階段。

亟待解決的問題

與單一供能系統的可靠性評估不同，綜合能源系統包含電、氣、冷/熱等多種不同的能源形式，各種能源形式特性各異，例如電力與熱力系統動態過程的時間尺度就具有顯著的差異，採用的評估模型、評估算法以及評價指標各不相同。同時各種能源形式間還存在複雜的耦合關聯，其中還包括具有顯著不確定性的可再生能源發電與各種能源形式的時空耦合，這使得系統特性又不同於各單一供能系統，進而使得綜合能源系統可靠性評估變得更加複雜。

此外，在能源系統與新興信息通信技術深度融合的發展趨勢下，綜合能源系統的運行更加智慧型化，各組成部分間存在信息互動，多種能源形式間的相互轉換將基於信息互動經過一個協調最佳化的過程，這使得綜合能源系統的運行模式將與傳統的單一供能系統具有顯著的差別。因此，傳統的可靠性評估理論與方法將無法適用於綜合能源系統，其可靠性評估亟需解決的問題包括：

1）如何對含有多種供能形式的綜合能源系統進行可靠性評估建模，準確刻畫不同能源形式的特性以及各種能源形式間的複雜耦合關聯，是實現綜合能源系統可靠性準確評估的關鍵，也是其可靠性評估迫切需要解決的問題。

首先，發展綜合能源系統的目標之一是通過協調最佳化不同能源形式的轉化、存儲和消費以充分消納可再生能源，可再生能源自身的不確定性以及可再生能源發電與電、氣、冷/熱等不同能源形式間時空耦合特性不僅直接影響可再生能源的消納，同時對綜合能源系統的可靠運行也有直接的影響，因此可靠性評估的建模研究需要解決上述特性的準確刻畫問題。

其次，不同能源供應形式間複雜的耦合關聯將導致關聯故障（某能源供應系統故障引起另一能源供應系統的故障）的發生，例如供氣系統與配電系統通過燃氣輪機耦合關聯，供氣系統的故障可能導致配電系統部分停運，進而對綜合能源系統整體的可靠性產生顯著的影響。在可靠性評估中必須建立耦合模型定量刻畫這種耦合關聯，以實現可靠性水平的準確評估。然而，考慮多種能源形式間不同耦合關聯的可靠性建模問題十分複雜，現有的可靠性評估建模一般通過給定邊界條件考慮外部系統的影響，對不同供能形式間的耦合關聯涉及較少。Energy Hub 的提出給刻畫多種能源形式的耦合關聯提供了思路，但考慮能源轉換裝置正常、降額運行及故障的多種狀態以及不同能源形式間的時間尺度差異等，現有模型的適用性還有待商榷。

2）綜合能源系統的可靠性評估亟需突破現有算法無法對系統運行狀態進行準確模擬和快速評估的限制。系統狀態選取及故障後果分析是可靠性評估算法的核心，綜合能源系統的可靠性評估算法必須能夠適應其運行模式，以實現綜合能源系統可靠性的精確評估。通過多種不同能源形式間轉換的協調和最佳化，開展能源梯級利用，提高能源綜合利用效率也是綜合能源系統的發展目標之一，可靠性評估的算法首先需要在系統運行狀態的模擬和評估中計及上述協調和最佳化過程，進而準確分析其對可靠性的影響。

其次，在信息能源高度融合的背景下，綜合能源系統將信息通信及智慧型決策技術實現上述能源形式轉化的協調和最佳化以及故障、修復、重構等多種狀態和指令傳遞。信息通信技術的套用將對綜合能源系統的運行模式產生重要的影響。如何適應這種全新的運行模式，在可靠性評估中準確模擬和快速評估系統的運行狀態，對綜合能源系統的可靠性評估算法提出了新的更高的要求。

此外，相對於電力系統，天然氣及熱力系統故障後果的影響具有明顯的時延特性，因此綜合能源系統中元件故障的後果不能簡單地通過去掉故障元件後的系統穩定狀態來反映，傳統電力系統基於N−1，N−2 的系統狀態評估方法不再適應，因此綜合能源系統的可靠性評估算法亟需解決多時間尺度下系統運行狀態的準確模擬和快速評估問題。

3）綜合能源系統的可靠性水平需要通過相應的可靠性評價指標來描述和度量。建立合理的可靠性指標體系，對綜合能源系統供電、供氣、供冷、供熱及系統整體的可靠性水平進行定量地刻畫，也是綜合能源系統可靠性評估研究的重要方面。目前，國內外針對供電可靠性已有相對完善的評價指標。

然而，除了電能外，綜合能源系統還涉及氣、冷/熱等多種能源形式，它們的特性與電能有顯著的區別，供能中斷的影響也各不相同。例如電能傳輸速度極快、其能量的傳輸和變換以光速實現，幾乎瞬間完成；而冷、熱傳輸速度慢、具有較大延遲。由於這種時間尺度的不同，用戶對能源供給中斷的感受明顯不同，例如電力供應的中斷將導致電燈立即熄滅、用電設備即刻停止運行等，用戶可以即時感受到；而冷/熱供應的中斷用戶可能需要經過一段時間才能感受到，這樣的特性對評價能源供應的可靠性具有顯著的影響，因此定義合理的指標準確刻畫

上述特性對綜合能源系統供能可靠性評價的影響，是可靠性評價研究首先要解決的問題。此外，合理的可靠性指標體系，能夠從不同的角度準確地反映系統的可靠性水平，同時還能夠體現系統的薄弱環節，為提出有針對性的增強措施提供有力依據。因此如何通過指標反映不同供能形式中元件或者環節的重要程度，辨識系統薄弱環節也是可靠性評價亟需解決的問題。

綜上所述，圍繞綜合能源系統的多能耦合及能源信息融合特性，對綜合能源系統可靠性評估的模型、算法及評價指標體系進行深入系統的研究，解決電、氣、冷、熱等多種不同能源形式間複雜耦合關聯的可靠性建模難題，突破新形勢下綜合能源系統運行狀態準確模擬及快速評估面臨的瓶頸，根據不同能源形式的特點建立有針對性的可靠性評價指標，為綜合能源系統可靠性水平的定量評估提供有效的手段，都是綜合能源系統可靠性評估未來亟需解決的問題。

未來研究方向的展望

多能源及其耦合關聯、能源信息融合的發展趨勢使得綜合能源系統的可靠性評估在模型、算法及評價指標方面面臨一系列的問題。針對這些問題梳理出可能的解決方案，進一步對未來的研究方向進行展望。

1、可靠性評估模型方面

為了準確刻畫綜合能源系統中可再生能源輸出功率的不確定性，首先需要進行風力和太陽能等可再生能源的統計特性分析，然後通過一定的機率分布刻畫這種特性，在此基礎上建立輸出功率與對應機率的可靠性評估模型，針對現有的Energy Hub 模型在刻畫多種能源耦合關聯時存在的局限性，在研究中首先應充分考慮Energy Hub 內部元件的運行特性，建立相應的多狀態模型，然後通過狀態空間法求解各狀態的穩態機率。基於各狀態的穩態機率，在可靠性評估中可採用蒙特卡羅法對元件狀態進行採樣，進而實現多狀態的刻畫。此外，針對多種能源形式的時間尺度差異，可將時變特性引入能量輸出環節。

2、可靠性評估算法方面

能源信息高度融合是未來綜合能源系統的發展方向，在物聯網、網際網路以及人工智慧等技術快速發展的背景下，智慧型體通信技術近年來得到廣泛的套用。智慧型體（Smart Agent）是具有高級行為特徵（自治性、能動性、互動性等）的廣泛智慧型實體，例如專家系統、機器人、計算機系統、求解單元甚至功能元件等。採用“智慧型體”刻畫綜合能源系統中具有接收、傳遞信息功能並能對信息進行分析做出決策的智慧型化元件或者環節（包括Energy Hub），通過智慧型體的通信、決策以及控制等行為刻畫多種不同能源形式間轉換的協調和最佳化過程，同時結合時序蒙特卡羅法模擬多能源系統動態時間過程，進而提出可靠性評估的智慧型體算法，將有望解決綜合能源系統可靠性評估算法面臨的問題。

圍繞綜合能源系統可靠性評估的智慧型體算法，未來的研究方向將主要包括智慧型體網路的架構、智慧型體間的通信規則以及智慧型體內部的分析決策算法，基於智慧型體間的信息通信及相應控制行為實現系統故障定位、隔離和恢復的關鍵技術等。

3、可靠性評價指標方面

綜合能源系統不同於傳統單一供能系統的特性要求建立不同於單一供能系統的可靠性評價指標體系。

首先，需要針對供電、供氣、供冷/熱等不同供能形式的特點，研究具有針對性的可靠性評價指標，解決多種供能形式可靠性水平全面度量的問題。

還需要研究各種能源形式供應間的耦合關聯對各種能源供應及綜合能源系統整體可靠性的影響指標，以全面和準確地量化綜合能源系統的可靠性水平。

此外，研究綜合能源系統關鍵元件或環節（包括Energy Hub）的重要度指標，與不同能源形式的針對性指標結合，反映各種形式能源供應的薄弱環節，也是可靠性評價指標未來的研究方向之一。

結論

化石能源的枯竭和環境日益惡化的雙重壓力下，綜合能源系統的概念應運而生。綜合能源系統的相關研究已經得到國際社會的廣泛關注，然而其可靠性評估研究仍處於起步階段。首先介紹了綜合能源系統的定義、典型結構以及發展意義等，進而對其可靠性評估的研究現狀及亟待解決的問題進行了歸納，最後圍繞亟待解決的問題，從模型、算法及評價指標系統3 個方面對綜合能源系統可靠性評估未來的研究方向進行展望。

綜合能源系統涉及電、氣、冷/熱等多種不同的能源形式，各種能源形式在生產、傳輸、消費及存儲等環節中存在明顯的特性差異，同時它們之間還存在複雜的相互轉化和耦合關聯。此外，相對於傳統的單一供能系統，能源系統與信息通信技術的深度融合使得綜合能源系統的運行模式發生顯著的變化。上述特性給綜合能源系統可靠性評估的建模、算法及評價指標帶來了一系列的問題，基於大數據、雲計算以及機器學習的可靠性評估建模，充分利用信息流實現系統運行狀態準確模擬和快速評估的可靠性評估算法，針對不同供能形式特性的可靠性評價指標體系將是綜合能源系統可靠評估未來的研究方向。