[科普中國(guó)]-綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估

背景

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)的命脈。由于煤炭、石油等傳統(tǒng)化石能源不可再生，提高能源利用效率、開發(fā)新能源、加強(qiáng)可再生能源綜合利用，就成為解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中日益凸顯的能源需求增長(zhǎng)與能源緊缺、能源利用與環(huán)境保護(hù)之間矛盾的必然選擇，在這樣的背景下，綜合能源系統(tǒng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。綜合能源系統(tǒng)是以電力系統(tǒng)為核心，打破供電、供氣、供冷、供熱等各種能源供應(yīng)系統(tǒng)單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計(jì)和獨(dú)立運(yùn)行的既有模式，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行的過程中，對(duì)各類能源的分配、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化，充分利用可再生能源的新型區(qū)域能源供應(yīng)系統(tǒng)。1

把針對(duì)一個(gè)地區(qū)、一個(gè)城市或者一個(gè)城鎮(zhèn)，在研究中計(jì)及電力、熱力、天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)及其耦合關(guān)聯(lián)，稱之為區(qū)域或者城市綜合能源系統(tǒng)；如果更多關(guān)注分布式能源終端及其耦合關(guān)聯(lián)，則稱為分布式綜合能源系統(tǒng)。

發(fā)展綜合能源系統(tǒng)對(duì)提高能源利用效率、促進(jìn)可再生能源開發(fā)利用、提高國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施利用率和能源供應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)在生產(chǎn)和消費(fèi)等環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)規(guī)劃和運(yùn)行，綜合能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，有效提高能源綜合利用效率。例如利用燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒天然氣發(fā)電，對(duì)做功后的余熱進(jìn)一步回收，用來制冷、供暖和制備生活熱水，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tǒng)可以充分利用多種能源的時(shí)空耦合特性和互補(bǔ)替代性，彌補(bǔ)可再生能源具有明顯的間歇性和隨機(jī)波動(dòng)性等問題，促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用。例如，通過大量?jī)?chǔ)熱的方式消納可再生能源，采用可再生能源發(fā)電制氫等。

另外，以供電為核心，電、氣、冷/熱等供能系統(tǒng)本身存在緊密的耦合關(guān)聯(lián)，電能供應(yīng)的終端可能導(dǎo)致其他供能系統(tǒng)停運(yùn)，因此通過多個(gè)供能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃和運(yùn)行，可以避免單純加大某一供能系統(tǒng)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(yīng)的安全和可靠性。與現(xiàn)有的供電、供氣、供冷/熱一樣，安全、可靠、經(jīng)濟(jì)是人們對(duì)綜合能源系統(tǒng)最基本的要求?？煽啃栽u(píng)估可以用定性或者定量的指標(biāo)反映系統(tǒng)的能源供應(yīng)中斷的風(fēng)險(xiǎn)水平，從而指導(dǎo)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行等生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)能源供給的可靠性要求越來越高，綜合能源系統(tǒng)與電、氣、冷及熱等多種負(fù)荷在物理上直接相連，確保綜合能源系統(tǒng)的供能可靠性顯得尤為重要，開展其可靠性評(píng)估研究具有十分重要的意義。2

研究現(xiàn)狀由于提高能源綜合利用率、促進(jìn)可再生能源開發(fā)利用以及保證能源供應(yīng)安全可靠等一系列的優(yōu)勢(shì)，綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)得到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，成為國(guó)際能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略研究方向。美國(guó)早在2001 年就提出了綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)劃，更于2007 年將綜合能源系統(tǒng)的研究上升到國(guó)家能源戰(zhàn)略的高度。歐洲和日本等70 余個(gè)地區(qū)和國(guó)家促進(jìn)能源可持續(xù)利用的角度，開展了一系列的綜合能源系統(tǒng)研究計(jì)劃，并綜合能源系統(tǒng)的概念、運(yùn)行方式及經(jīng)濟(jì)性分析等方面的研究已取得了初步的成果。

相比國(guó)外，我國(guó)的綜合能源系統(tǒng)研究也已經(jīng)起步，并有一系列的研究成果發(fā)表。有研究人員將綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)研究歸納為建模與仿真、規(guī)劃、運(yùn)行與優(yōu)化控制、安全性理論與方法、效益評(píng)估與運(yùn)營(yíng)機(jī)制等幾個(gè)方面，具體分析了國(guó)內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)我國(guó)綜合能源系統(tǒng)發(fā)展中面臨的一些問題給出了相應(yīng)的建議，并指出我國(guó)綜合能源系統(tǒng)的研究發(fā)展是關(guān)乎國(guó)家能源安全、涉及國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略問題。

由此可見，國(guó)內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)研究已經(jīng)在綜合能源系統(tǒng)的概念和框架、多能流分析與計(jì)算、建模與仿真、規(guī)劃與運(yùn)行控制以及經(jīng)濟(jì)性分析與優(yōu)化等方面取得了初步的成果。然而，作為系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的基礎(chǔ)，針對(duì)綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估的相關(guān)研究仍處于起步階段。2

亟待解決的問題與單一供能系統(tǒng)的可靠性評(píng)估不同，綜合能源系統(tǒng)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(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間尺度就具有顯著的差異，采用的評(píng)估模型、評(píng)估算法以及評(píng)價(jià)指標(biāo)各不相同。同時(shí)各種能源形式間還存在復(fù)雜的耦合關(guān)聯(lián)，其中還包括具有顯著不確定性的可再生能源發(fā)電與各種能源形式的時(shí)空耦合，這使得系統(tǒng)特性又不同于各單一供能系統(tǒng)，進(jìn)而使得綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估變得更加復(fù)雜。3

此外，在能源系統(tǒng)與新興信息通信技術(shù)深度融合的發(fā)展趨勢(shì)下，綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行更加智能化，各組成部分間存在信息交互，多種能源形式間的相互轉(zhuǎn)換將基于信息交互經(jīng)過一個(gè)協(xié)調(diào)優(yōu)化的過程，這使得綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行模式將與傳統(tǒng)的單一供能系統(tǒng)具有顯著的差別。因此，傳統(tǒng)的可靠性評(píng)估理論與方法將無法適用于綜合能源系統(tǒng)，其可靠性評(píng)估亟需解決的問題包括：

1）如何對(duì)含有多種供能形式的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估建模，準(zhǔn)確刻畫不同能源形式的特性以及各種能源形式間的復(fù)雜耦合關(guān)聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)可靠性準(zhǔn)確評(píng)估的關(guān)鍵，也是其可靠性評(píng)估迫切需要解決的問題。

首先，發(fā)展綜合能源系統(tǒng)的目標(biāo)之一是通過協(xié)調(diào)優(yōu)化不同能源形式的轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和消費(fèi)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(fā)電與電、氣、冷/熱等不同能源形式間時(shí)空耦合特性不僅直接影響可再生能源的消納，同時(shí)對(duì)綜合能源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行也有直接的影響，因此可靠性評(píng)估的建模研究需要解決上述特性的準(zhǔn)確刻畫問題。2

其次，不同能源供應(yīng)形式間復(fù)雜的耦合關(guān)聯(lián)將導(dǎo)致關(guān)聯(lián)故障（某能源供應(yīng)系統(tǒng)故障引起另一能源供應(yīng)系統(tǒng)的故障）的發(fā)生，例如供氣系統(tǒng)與配電系統(tǒng)通過燃?xì)廨啓C(jī)耦合關(guān)聯(lián)，供氣系統(tǒng)的故障可能導(dǎo)致配電系統(tǒng)部分停運(yùn)，進(jìn)而對(duì)綜合能源系統(tǒng)整體的可靠性產(chǎn)生顯著的影響。在可靠性評(píng)估中必須建立耦合模型定量刻畫這種耦合關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)可靠性水平的準(zhǔn)確評(píng)估。然而，考慮多種能源形式間不同耦合關(guān)聯(lián)的可靠性建模問題十分復(fù)雜，現(xiàn)有的可靠性評(píng)估建模一般通過給定邊界條件考慮外部系統(tǒng)的影響，對(duì)不同供能形式間的耦合關(guān)聯(lián)涉及較少。Energy Hub 的提出給刻畫多種能源形式的耦合關(guān)聯(lián)提供了思路，但考慮能源轉(zhuǎn)換裝置正常、降額運(yùn)行及故障的多種狀態(tài)以及不同能源形式間的時(shí)間尺度差異等，現(xiàn)有模型的適用性還有待商榷。

2）綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估亟需突破現(xiàn)有算法無法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬和快速評(píng)估的限制。系統(tǒng)狀態(tài)選取及故障后果分析是可靠性評(píng)估算法的核心，綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估算法必須能夠適應(yīng)其運(yùn)行模式，以實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)可靠性的精確評(píng)估。通過多種不同能源形式間轉(zhuǎn)換的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，開展能源梯級(jí)利用，提高能源綜合利用效率也是綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)之一，可靠性評(píng)估的算法首先需要在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬和評(píng)估中計(jì)及上述協(xié)調(diào)和優(yōu)化過程，進(jìn)而準(zhǔn)確分析其對(duì)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(tǒng)將信息通信及智能決策技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述能源形式轉(zhuǎn)化的協(xié)調(diào)和優(yōu)化以及故障、修復(fù)、重構(gòu)等多種狀態(tài)和指令傳遞。信息通信技術(shù)的應(yīng)用將對(duì)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行模式產(chǎn)生重要的影響。如何適應(yīng)這種全新的運(yùn)行模式，在可靠性評(píng)估中準(zhǔn)確模擬和快速評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估算法提出了新的更高的要求。

此外，相對(duì)于電力系統(tǒng)，天然氣及熱力系統(tǒng)故障后果的影響具有明顯的時(shí)延特性，因此綜合能源系統(tǒng)中元件故障的后果不能簡(jiǎn)單地通過去掉故障元件后的系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)來反映，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基于N?1，N?2 的系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估方法不再適應(yīng)，因此綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估算法亟需解決多時(shí)間尺度下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確模擬和快速評(píng)估問題。

3）綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平需要通過相應(yīng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)來描述和度量。建立合理的可靠性指標(biāo)體系，對(duì)綜合能源系統(tǒng)供電、供氣、供冷、供熱及系統(tǒng)整體的可靠性水平進(jìn)行定量地刻畫，也是綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估研究的重要方面。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)供電可靠性已有相對(duì)完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

然而，除了電能外，綜合能源系統(tǒng)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(qū)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(shí)現(xiàn)，幾乎瞬間完成；而冷、熱傳輸速度慢、具有較大延遲。由于這種時(shí)間尺度的不同，用戶對(duì)能源供給中斷的感受明顯不同，例如電力供應(yīng)的中斷將導(dǎo)致電燈立即熄滅、用電設(shè)備即刻停止運(yùn)行等，用戶可以即時(shí)感受到；而冷/熱供應(yīng)的中斷用戶可能需要經(jīng)過一段時(shí)間才能感受到，這樣的特性對(duì)評(píng)價(jià)能源供應(yīng)的可靠性具有顯著的影響，因此定義合理的指標(biāo)準(zhǔn)確刻畫

上述特性對(duì)綜合能源系統(tǒng)供能可靠性評(píng)價(jià)的影響，是可靠性評(píng)價(jià)研究首先要解決的問題。此外，合理的可靠性指標(biāo)體系，能夠從不同的角度準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的可靠性水平，同時(shí)還能夠體現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為提出有針對(duì)性的增強(qiáng)措施提供有力依據(jù)。因此如何通過指標(biāo)反映不同供能形式中元件或者環(huán)節(jié)的重要程度，辨識(shí)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)也是可靠性評(píng)價(jià)亟需解決的問題。

綜上所述，圍繞綜合能源系統(tǒng)的多能耦合及能源信息融合特性，對(duì)綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估的模型、算法及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，解決電、氣、冷、熱等多種不同能源形式間復(fù)雜耦合關(guān)聯(lián)的可靠性建模難題，突破新形勢(shì)下綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確模擬及快速評(píng)估面臨的瓶頸，根據(jù)不同能源形式的特點(diǎn)建立有針對(duì)性的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，為綜合能源系統(tǒng)可靠性水平的定量評(píng)估提供有效的手段，都是綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估未來亟需解決的問題。2

未來研究方向的展望多能源及其耦合關(guān)聯(lián)、能源信息融合的發(fā)展趨勢(shì)使得綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估在模型、算法及評(píng)價(jià)指標(biāo)方面面臨一系列的問題。針對(duì)這些問題梳理出可能的解決方案，進(jìn)一步對(duì)未來的研究方向進(jìn)行展望。

1、可靠性評(píng)估模型方面

為了準(zhǔn)確刻畫綜合能源系統(tǒng)中可再生能源輸出功率的不確定性，首先需要進(jìn)行風(fēng)力和太陽能等可再生能源的統(tǒng)計(jì)特性分析，然后通過一定的概率分布刻畫這種特性，在此基礎(chǔ)上建立輸出功率與對(duì)應(yīng)概率的可靠性評(píng)估模型，針對(duì)現(xiàn)有的Energy Hub 模型在刻畫多種能源耦合關(guān)聯(lián)時(shí)存在的局限性，在研究中首先應(yīng)充分考慮Energy Hub 內(nèi)部元件的運(yùn)行特性，建立相應(yīng)的多狀態(tài)模型，然后通過狀態(tài)空間法求解各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率?；诟鳡顟B(tài)的穩(wěn)態(tài)概率，在可靠性評(píng)估中可采用蒙特卡羅法對(duì)元件狀態(tài)進(jìn)行采樣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多狀態(tài)的刻畫。此外，針對(duì)多種能源形式的時(shí)間尺度差異，可將時(shí)變特性引入能量輸出環(huán)節(jié)。

2、可靠性評(píng)估算法方面

能源信息高度融合是未來綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展方向，在物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等技術(shù)快速發(fā)展的背景下，智能體通信技術(shù)近年來得到廣泛的應(yīng)用。智能體（Smart Agent）是具有高級(jí)行為特征（自治性、能動(dòng)性、交互性等）的廣泛智能實(shí)體，例如專家系統(tǒng)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、求解單元甚至功能元件等。采用“智能體”刻畫綜合能源系統(tǒng)中具有接收、傳遞信息功能并能對(duì)信息進(jìn)行分析做出決策的智能化元件或者環(huán)節(jié)（包括Energy Hub），通過智能體的通信、決策以及控制等行為刻畫多種不同能源形式間轉(zhuǎn)換的協(xié)調(diào)和優(yōu)化過程，同時(shí)結(jié)合時(shí)序蒙特卡羅法模擬多能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)間過程，進(jìn)而提出可靠性評(píng)估的智能體算法，將有望解決綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估算法面臨的問題。

圍繞綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估的智能體算法，未來的研究方向?qū)⒅饕ㄖ悄荏w網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、智能體間的通信規(guī)則以及智能體內(nèi)部的分析決策算法，基于智能體間的信息通信及相應(yīng)控制行為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障定位、隔離和恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)等。

3、可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)方面

綜合能源系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)單一供能系統(tǒng)的特性要求建立不同于單一供能系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

首先，需要針對(duì)供電、供氣、供冷/熱等不同供能形式的特點(diǎn)，研究具有針對(duì)性的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(yīng)間的耦合關(guān)聯(lián)對(duì)各種能源供應(yīng)及綜合能源系統(tǒng)整體可靠性的影響指標(biāo)，以全面和準(zhǔn)確地量化綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平。

此外，研究綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵元件或環(huán)節(jié)（包括Energy Hub）的重要度指標(biāo)，與不同能源形式的針對(duì)性指標(biāo)結(jié)合，反映各種形式能源供應(yīng)的薄弱環(huán)節(jié)，也是可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)未來的研究方向之一。2

結(jié)論化石能源的枯竭和環(huán)境日益惡化的雙重壓力下，綜合能源系統(tǒng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)研究已經(jīng)得到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，然而其可靠性評(píng)估研究仍處于起步階段。首先介紹了綜合能源系統(tǒng)的定義、典型結(jié)構(gòu)以及發(fā)展意義等，進(jìn)而對(duì)其可靠性評(píng)估的研究現(xiàn)狀及亟待解決的問題進(jìn)行了歸納，最后圍繞亟待解決的問題，從模型、算法及評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)3 個(gè)方面對(duì)綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估未來的研究方向進(jìn)行展望。

綜合能源系統(tǒng)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(chǎn)、傳輸、消費(fèi)及存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)中存在明顯的特性差異，同時(shí)它們之間還存在復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)化和耦合關(guān)聯(lián)。此外，相對(duì)于傳統(tǒng)的單一供能系統(tǒng)，能源系統(tǒng)與信息通信技術(shù)的深度融合使得綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行模式發(fā)生顯著的變化。上述特性給綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估的建模、算法及評(píng)價(jià)指標(biāo)帶來了一系列的問題，基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及機(jī)器學(xué)習(xí)的可靠性評(píng)估建模，充分利用信息流實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確模擬和快速評(píng)估的可靠性評(píng)估算法，針對(duì)不同供能形式特性的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將是綜合能源系統(tǒng)可靠評(píng)估未來的研究方向。2