綜合能源系統(tǒng)的可靠性評估模型及算法研究

綜合能源系統(tǒng)對推動我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源體系具有重要戰(zhàn)略意義。以配電網(wǎng)為核心的綜合能源系統(tǒng)通常與電、氣、冷、熱等多種負荷在物理上直接相連，是向用戶分配和供應多種能源的重要環(huán)節(jié)，此外，綜合能源系統(tǒng)信息化程度高，系統(tǒng)運行模式與其智能元件間的信息通信關(guān)系密切。 本項目圍繞以配電網(wǎng)為核心的綜合能源系統(tǒng)的多領(lǐng)域特性，對其可靠性評估開展了系統(tǒng)深入的研究，主要內(nèi)容包括可靠性評估建模理論、可靠性評估算法和可靠性評價指標體系等方面。可靠性評估建模方面，建立了多輸入多輸出能源集線器的可靠性評估模型，為構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)可靠性評估算法奠定了良好的基礎(chǔ)，開展了考慮電力、天然氣系統(tǒng)差異性的短期充裕度可靠性評估研究；可靠性評估算法方面，提出了基于智能體通信的綜合能源系統(tǒng)可靠性評估算法，構(gòu)建了信息物理融合下的可靠性評估算法，以負荷點故障狀態(tài)集合作為訓練樣本集合，提出了基于感知器學習模型的配電網(wǎng)可靠性評估方法；綜合能源系統(tǒng)的可靠性評價指標體系方面，提出考慮了熱負荷反彈效應的綜合能源系統(tǒng)可靠性指標改進方法，提出了基于故障后果的配電網(wǎng)元件重要度指標評估方法，形成了綜合能源系統(tǒng)的可靠性評價指標體系。 本項目共發(fā)表學術(shù)論文15篇，其中SCI檢索論文1篇，EI檢索論文9篇,核心期刊論文5篇，申請國家發(fā)明專利2項。本項目培養(yǎng)博士研究生2名，培養(yǎng)碩士研究生3名，其中已畢業(yè)碩士研究生2名。 本項目的研究成果為綜合能源系統(tǒng)的可靠性評估提供了評估模型、評估算法及評價指標體系等理論依據(jù)，為解決多種能源形式間復雜耦合關(guān)聯(lián)的建模難題、突破系統(tǒng)運行狀態(tài)準確模擬及快速評估的瓶頸、實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)可靠性的準確定量評估提供了參考。 2100433B

綜合能源系統(tǒng)對節(jié)能減排，促進可再生能源利用具有重要的作用，其與電、氣、冷、熱等多種負荷在物理上直接相連，是向用戶分配和供應多種能源的重要環(huán)節(jié)，綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平對經(jīng)濟社會的發(fā)展具有重要影響。本項目將針對綜合能源系統(tǒng)的多領(lǐng)域特性，對其可靠性評估展開系統(tǒng)深入的研究，主要研究內(nèi)容包括：.1）建立多輸入多輸出能源集線器的可靠性評估模型，解決電、氣、冷、熱多種不同能源形式間復雜耦合關(guān)聯(lián)的通用化建模問題；.2）研究智能體通信規(guī)則及其分析決策算法，提出可靠性評估的智能體算法，突破現(xiàn)有算法難以實現(xiàn)信息能源高度融合下系統(tǒng)運行狀態(tài)準確模擬及快速評估的限制；.3）研究評價不同供能形式可靠性水平的針對性指標，定義元件或環(huán)節(jié)的重要度指標，形成可靠性評價指標體系。將所提模型、算法及指標體系應用于實際系統(tǒng)，為薄弱環(huán)節(jié)辨識及強化提供參考。.本項目對提高綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平，促進其進一步發(fā)展具有重要的意義。

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)的概念應運而生。綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)研究已經(jīng)得到國際社會的廣泛關(guān)注，然而其可靠性評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，進而對其可靠性評估的研究現(xiàn)狀及亟待解決的問題進行了歸納，最后圍繞亟待解決的問題，從模型、算法及評價指標系統(tǒng)3 個方面對綜合能源系統(tǒng)可靠性評估未來的研究方向進行展望。

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、消費及存儲等環(huán)節(jié)中存在明顯的特性差異，同時它們之間還存在復雜的相互轉(zhuǎn)化和耦合關(guān)聯(lián)。此外，相對于傳統(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)可靠性評估的建模、算法及評價指標帶來了一系列的問題，基于大數(shù)據(jù)、云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(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)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(tǒng)可靠評估未來的研究方向。 2100433B

多能源及其耦合關(guān)聯(lián)、能源信息融合的發(fā)展趨勢使得綜合能源系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計特性分析，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應概率的可靠性評估模型，針對現(xiàn)有的Energy Hub 模型在刻畫多種能源耦合關(guān)聯(lián)時存在的局限性，在研究中首先應充分考慮Energy Hub 內(nèi)部元件的運行特性，建立相應的多狀態(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，在可靠性評估中可采用蒙特卡羅法對元件狀態(tài)進行采樣，進而實現(xiàn)多狀態(tài)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(huán)節(jié)。

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(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用。智能體（Smart Agent）是具有高級行為特征（自治性、能動性、交互性等）的廣泛智能實體，例如專家系統(tǒng)、機器人、計算機系統(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信息進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，同時結(jié)合時序蒙特卡羅法模擬多能源系統(tǒng)動態(tài)時間過程，進而提出可靠性評估的智能體算法，將有望解決綜合能源系統(tǒng)可靠性評估算法面臨的問題。

圍繞綜合能源系統(tǒng)可靠性評估的智能體算法，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控制行為實現(xiàn)系統(tǒng)故障定位、隔離和恢復的關(guān)鍵技術(shù)等。

3、可靠性評價指標方面

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(guān)聯(lián)對各種能源供應及綜合能源系統(tǒng)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(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，與不同能源形式的針對性指標結(jié)合，反映各種形式能源供應的薄弱環(huán)節(jié)，也是可靠性評價指標未來的研究方向之一。

由于提高能源綜合利用率、促進可再生能源開發(fā)利用以及保證能源供應安全可靠等一系列的優(yōu)勢，綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)得到國際社會的廣泛關(guān)注，成為國際能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略研究方向。美國早在2001 年就提出了綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展計劃，更于2007 年將綜合能源系統(tǒng)的研究上升到國家能源戰(zhàn)略的高度。歐洲和日本等70 余個地區(qū)和國家促進能源可持續(xù)利用的角度，開展了一系列的綜合能源系統(tǒng)研究計劃，并綜合能源系統(tǒng)的概念、運行方式及經(jīng)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(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、運行與優(yōu)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(nèi)外綜合能源系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，針對我國綜合能源系統(tǒng)發(fā)展中面臨的一些問題給出了相應的建議，并指出我國綜合能源系統(tǒng)的研究發(fā)展是關(guān)乎國家能源安全、涉及國家社會經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略問題。

由此可見，國內(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、多能流分析與計算、建模與仿真、規(guī)劃與運行控制以及經(jīng)濟性分析與優(yōu)化等方面取得了初步的成果。然而，作為系統(tǒng)規(guī)劃與運行的基礎(chǔ)，針對綜合能源系統(tǒng)可靠性評估的相關(guān)研究仍處于起步階段。