能源系統可靠性研究綜述：從單一能源系統到綜合能源系統

李 通，韓明新2，任洪波，吳 瓊

(1.上海電力大學能源與機械工程學院，上海 200090;2.青島北洋建筑設計有限公司，青島 250101)

0 引 言

作為一種終端一體化多能互補節能減排方案，自綜合能源系統提出，國內外學者對其關注度就很高。綜合能源系統耦合多種單一能源系統，其響應時間、性能特性、所處環境等各不相同，如何讓系統整體安全可靠且穩定運行至關重要。能源系統可靠性評估即是通過定性或定量可靠性指標來反映系統能源供應程度，從而有效指導綜合能源系統可靠運行。

文中針對綜合能源系統涵蓋的電力、供氣、供熱三個子系統，總結各供能子系統可靠性評價指標和評價方法，以及多能耦合系統的可靠性研究現狀。同時，在既有可靠性研究評述的基礎上，對未來綜合系統可靠性發展做出展望，指出未來綜合能源系統可靠性研究的方向。

1 常規單一能源系統可靠性評價研究

1.1 可靠性評價指標體系

可靠性評價指標體系構建是能源系統可靠性研究的基礎。通過梳理單一能源系統可靠性評價指標，可以歸納出能夠準確全面反映能源系統整體的可靠性評價指標，從而構建適用于不同場景的能源系統可靠性評價指標體系。

1.1.1 電力系統可靠性評價指標

目前電力系統的可靠性指標相對比較完善，體系較為健全?？傮w而言，電力系統可靠性評估對象可以分為設備元件、系統和用戶三個方面。從電力系統元件角度來看主要包括了元件的故障率和修復率等指標；從電力系統整體來分析，主要有系統電力不足概率，系統電量不足期望等指標；而從用戶的角度來分析，有用戶平均停電時間和平均故障頻率等指標。相關評價指標見表1[1-5]。

本世紀初，自微電網概念提出以來，微電網的可靠性評價也引起國內外學者的廣泛關注。作為配電系統的重要補充形式，微電網接入配電系統，雖然有力促進整體電網的可靠性水平，但也帶來很多不穩定因素。由于微電網系統分布式電源較多，負荷和頻率不穩定，現有的電網可靠性指標不足以體現微網可靠性水平?？傮w而言，目前對于微電網可靠性指標主要圍繞分布式電源的負荷特性、連接點的接入特性、儲能裝置、孤島運行等幾個方面來開展。相關評價指標見表2[6-8]。

1.1.2 供氣系統可靠性評價指標

供氣系統從結構上可以分為干線管網和區域性管網，同時有閥門和泵站等設備構成，其可靠性評價指標研究對象可以分為設備、管網系統和用戶三方面。相關可靠性評價指標見表3[9-13]。

表3供氣系統可靠性評價指標

1.1.3 供熱系統可靠性評價指標

供熱系統可靠性研究興起于上世紀80年代，主要圍繞設備原件、整個網絡系統和用戶等幾個方面，相關可靠性評價指標見表4[14-17]。

表4供熱系統可靠性評價指標

1.2 可靠性評價方法

在得到各單一供能系統可靠性評價指標的基礎上，基于建立的可靠性評價模型，選取對應能源系統可靠性評價方法，旨在減少能源系統可靠性評估的干擾因素，準確反映系統可靠性，從而提高可靠性評估的計算精度和運算效率。

1.2.1 電力系統可靠性評價方法

電力系統可靠性研究早期采用的是基于概率論的比較法和因素分析法，隨后因為精度、計算效率等因素的影響，采用模擬法中蒙特卡洛可靠性評價法居多。采用模擬法，精度得到保障，易于在計算機上操作，但是耗費時間；而解析法可以針對具體設備元件故障對電力系統可靠性產生的影響進行評價，不適用結構過于復雜的電力系統。

針對發電系統可靠性，文獻[18]針對發電系統短期可靠性情況，提出一種基于馬爾科夫鏈離散化的短期可靠性解析方法，拓寬了電力系統可靠性研究。鑒于發電系統負荷數據量大，建模復雜和計算效率問題，文獻[19]在神經網絡法的基礎上改進了發電系統可靠性評價方法，提高了評價的精度和效率。文獻[20]利用蒙特卡洛模擬法模擬了影響電力系統可靠性各個部分的因素，經案例驗證所提方法有效性，有助于電力系統的可靠性規劃。

配電網主要承擔著電能傳輸的任務，配電網故障對電網可靠性影響較大，因此對配電網可靠性評估至關重要。文獻[21]考慮了設備各元件對配電網可靠性影響，提出一種基于最小路的可靠性評價方法，有助于找到影響可靠性的因素。文獻[22]考慮電壓穩定，提出一種基于電力系統可靠性評估的大干擾概率電壓穩定評估方法，直觀反映系統的可靠與安全性能。由于影響配電網可靠性因素較多，文獻[23]在對配電網進行可靠性評價時采用綜合評判法，引入云模型，可以更詳盡的描述配電網可靠性的 客觀實際。

針對微電網，文獻[24]建立了光伏、風電、分布式電源和儲能可靠性評估模型，在蒙特卡洛時序模擬法的基礎上改進了微電網的可靠性算法。為定量描述微電網在改善電能利用效率和可靠性方面的效果，文獻[25]在傳統故障模式影響分析法的基礎上考慮了饋線容量約束。解析法和模擬法各有優缺點，文獻[26] 建立了孤島斷電序列多狀態模型，提出一種基于斷電序列多狀態模型的可靠性評估算法，相比于蒙特卡洛模擬法，運行穩定性好且效率高。文獻[27]考慮到電網有功和無功功率平衡，用序貫蒙特卡洛對微網可靠性評價，解決了傳統可靠性方法在分析電網供能質量方面的不足。

1.2.2 供氣系統可靠性評價方法

早期供氣系統可靠性評價研究主要采用概率統計為主，考慮影響因素較單一。隨著供氣管網系統的發展，考慮系統結構本身和系統運行影響因素增多，可靠性評價方法基于系統單元和外部影響變化，最常用的是蒙特卡洛模擬法。如今，重點關注于管網的故障預測和模擬效率的提高，使得對管網系統可靠性評價更精準。

文獻[28]考慮到管網失效概率分布函數，根據故障樹分析法提出針對管網輸配系統用戶可靠性評價方法。針對干線供氣可靠性，文獻[29]基于建立的氣-網-調峰-用戶動態分析模型，在管網水熱力模擬的過程中，結合統計學對干線天然氣管道進行可靠性評價。文獻[30]將燃氣管網看作可修復的，在考慮水力條件的基礎上提出供氣系統可靠性計算方法，使得供氣可靠性評價符合實際。自然災害對供氣管網的可靠性影響很大，文獻[31]將蒙特卡洛模擬法用于分析網絡模型地震連接的可靠性，為城市燃氣管網的災害預測和改進方法提供借鑒。

1.2.3 供熱系統可靠性評價方法

供熱系統可靠性研究早期常采用專家評議法、安全檢查法、故障樹分析法等偏人工的評價方法，而后采用機器模擬熱網運行，主要有解析法和蒙特卡洛法。目前基于故障影響分析法研究供熱系統可靠性評價較為普遍。

文獻[32]研究環狀熱網的同時考慮到元件故障和熱網的水力故障影響，基于故障影響分析法對可修復多熱源環狀管網進行可靠性評價。文獻[33]基于圖論法，提出環狀熱網的拓撲重構法，可準確模擬故障工況熱網。文獻[34]提出了一種確定供熱系統組件最佳可靠性參數的方法，使得熱源和熱網組件的可靠性得以聯合優化。

2 多能耦合型綜合能源系統可靠性研究

綜合能源系統可靠性研究近幾年才得到發展?？煽啃栽u價指標研究一部分是參考電力系統進行改進和創新，以提高綜合能源系統的可靠性評估。同時，考慮到不同能源設備運行對能源系統整體可靠性的影響，主要可靠性評價指標見表5。

表5多能耦合綜合能源系統可靠性評價指標

關于電力-天然氣耦合系統可靠性研究已經有了進一步的深入，文獻[35]建立了氣、電耦合系統的可靠性評估模型，用解析法對氣、電耦合系統進行可靠性評價。考慮調度策略對電、氣耦合系統可靠性的影響，文獻[36]提出了一種快速分析方法來應對電力-燃氣綜合能源系統的可靠性評估。針對電-熱耦合系統的可靠性評價，文獻[37]提出了一種電熱耦合系統的可靠性評估方法，并考慮了多種類型的綜合需求響應。由于蒙特卡洛法無法研究設備隨機故障的時序關聯性，文獻[38]提出基于馬爾可夫過程蒙特卡洛法對綜合能源系統可靠性。文獻[39]提出了一種基于影響增量的狀態枚舉方法來評估綜合能源系統的可靠性，有助于應對大型能源網絡，提高計算效率和準確性。

3 結束語

文中在總結電/氣/熱網系統的可靠性指標和評價方法的基礎上，對多能耦合綜合能源系統可靠性研究也進行了分析?？傮w而言，隨著綜合能源理念的不斷滲透，其可靠性研究也日趨深入。既有可靠性研究大多是針對既有系統，通過設定評價指標，構建評估模型，確立影響系統可靠性的關鍵因素，從而進行針對性改進。未來研究應該從源頭出發，在綜合能源系統規劃初期即將可靠性因素納入一體化規劃體系，通過構建兼顧可靠性的優化模型，確立能達成一定可靠度的能源系統規劃設計方案。從模型層面而言，既可以將可靠性指標作為優化模型的約束條件，亦可通過設定相應目標函數形成多目標優化模型。通過源頭整合，有望進一步提升綜合能源系統的可靠性。