综合能源系统可靠性评估的研究现状及展望

摘要：现阶段，我国的能源问题十分的显著。在能源危机和环境恶化的双重压力下，以电力系统为核心，通过电、气、冷/热等各类能源的分配、转化、存储、消费进行有机协调与优化，充分利用可再生能源的综合能源系统应运而生。作为规划与运行的基础，可靠性评估研究对推动综合能源系统的发展具有重要的意义。从综合能源系统提出的背景及意义、内涵和典型架构出发，对其可靠性评估的研究现状进行梳理，并从模型、算法及指标体系3个方面归纳了综合能源系统可靠性评估亟需解决的问题。在此基础上，对未来的研究方向进行展望，为综合能源系统可靠性评估的研究提供参考和建议。

关键词：综合能源系统；可靠性评估；研究现状；展望 引言

能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉，如何在确保人类社会能源可持续供应的同时减少用能过程中的环境污染，是当今世界各国共同关注的热点。由于煤炭、石油等传统化石能源不可再生，终将走向枯竭，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。而打破原有各能源供用(如供电、供气、供冷/热等)系统单独规划、单独设计和运行的既有模式，在规划、设计、建设和运行阶段，对不同供用能系统进行整体上的协调、配合和优化，并最终实现一体化的社会综合能源系统，是实现社会用能效率最优、促进可再生能源规模化利用、实现人类能源可持续发展的必经之路。

1综合能源系统的基本概念与特征

本文讨论的综合能源系统是指在规划、设计、建设和运行等过程中，通过对各类能源的产生、传输与分配(能源供应网络)、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，所形成的社会综合能源产供消一体化系统。建设社会综合能源系统的目的是有效提高社会能源的综合利用效率，实现社会能源的可持续供应，同时提高社会能源供用系统的灵活性、安全性、经济性和自愈能力。社会综合能源系统具有以下一些基本特征。社会综合能源系统可实现不同供用能系统间的有机协调，可提高社会能源供用的安全性、灵活性、可靠性。传统的社会供用能系统，如供电、供气、供热/冷等系统，往往是单独规划、单独设计、运行，彼此间缺乏协调，从而造成社会供用能系统整体安全性低和自愈能力差的问题。如 2008 年初我国南方的低温雨雪冰冻灾害，起初电力系统中的故障引发了多米诺骨牌效应，不仅殃及其他供用能系统，还引发交通、通信、金融、环境等多个要害部门瘫痪，不仅造成难以估量的社会经济损失，还危及国家和社会安全。这次灾难揭示出供电系统的一个致命隐患，即在大电网瓦解的极端情况下不具备足够的自愈能力。而电能供应是其他供用能系统可正常运行的前提，供电系统的这一缺陷将直接导致整个社会供用能系统整体安全性和自愈能力降低。已有研究已表明，单纯通过加大某一供能系统(如 供电系统)的投入来提高其安全性与自愈能力，会面临难以承受的高昂成本，同时会造成社会资源的极大浪费。因此，通过构建社会综合能源系统，利用其核心技术来实现各供用能系统间的有机协调与配合，是解决上述问题的一种可能途径。

2综合能源系统可靠性评估的研究现状

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。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。EnergyHub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。 3综合能源系统可靠性评估的展望 3.1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，例如文献[42]通过建立风电和光伏输出功率的通用停运表模型，实现可靠性评估中计及可再生能源的随机特性。类似的，可再生能源发电与多种能源消费之间耦合关联、协调互补的特性研究同样需要以统计特性分析为基础，同时需要引入多元相关性分析的有效方法，例如文献[43]采用Copula方法分析风电与光伏输出功率之间的相关性，并在可靠性评估中考虑这种相关性的影响。值得注意的是，随着大数据、云计算以及机器学习算法等新兴技术的发展，将为可靠性评估建模的基础即基于数据的统计特性分析提供更加有效的手段，这可能成为可靠性评估未来的重要研究方向之一。针对现有的EnergyHub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EnergyHub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，结合蒙特卡罗时序模拟，从而解决可靠性建模中的多时间尺度问题。 3.2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。在此基础上，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。 结语

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。 参考文献:

[1]贾宏杰，穆云飞，余晓丹. 对我国综合能源系统发展的思考[J]. 电力建设，2015，36(1)：16-25.

[2]余贻鑫，秦超． 智能电网基本理念阐释［J］． 中国科学:信息科学，2017(6): 694-701．