綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估模型及算法研究結(jié)題摘要

綜合能源系統(tǒng)對(duì)推動(dòng)我國(guó)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(fù)荷在物理上直接相連，是向用戶分配和供應(yīng)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(yùn)行模式與其智能元件間的信息通信關(guān)系密切。 本項(xiàng)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(duì)其可靠性評(píng)估開展了系統(tǒng)深入的研究，主要內(nèi)容包括可靠性評(píng)估建模理論、可靠性評(píng)估算法和可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等方面?？煽啃栽u(píng)估建模方面，建立了多輸入多輸出能源集線器的可靠性評(píng)估模型，為構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)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(píng)估研究；可靠性評(píng)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(píng)估算法，構(gòu)建了信息物理融合下的可靠性評(píng)估算法，以負(fù)荷點(diǎn)故障狀態(tài)集合作為訓(xùn)練樣本集合，提出了基于感知器學(xué)習(xí)模型的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法；綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方面，提出考慮了熱負(fù)荷反彈效應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)可靠性指標(biāo)改進(jìn)方法，提出了基于故障后果的配電網(wǎng)元件重要度指標(biāo)評(píng)估方法，形成了綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。 本項(xiàng)目共發(fā)表學(xué)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(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)。本項(xiàng)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(xiàng)目的研究成果為綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估提供了評(píng)估模型、評(píng)估算法及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等理論依據(jù)，為解決多種能源形式間復(fù)雜耦合關(guān)聯(lián)的建模難題、突破系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確模擬及快速評(píng)估的瓶頸、實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)可靠性的準(zhǔn)確定量評(píng)估提供了參考。 2100433B

綜合能源系統(tǒng)對(duì)節(jié)能減排，促進(jìn)可再生能源利用具有重要的作用，其與電、氣、冷、熱等多種負(fù)荷在物理上直接相連，是向用戶分配和供應(yīng)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(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展具有重要影響。本項(xiàng)目將針對(duì)綜合能源系統(tǒng)的多領(lǐng)域特性，對(duì)其可靠性評(píng)估展開系統(tǒng)深入的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括：.1）建立多輸入多輸出能源集線器的可靠性評(píng)估模型，解決電、氣、冷、熱多種不同能源形式間復(fù)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(píng)估的智能體算法，突破現(xiàn)有算法難以實(shí)現(xiàn)信息能源高度融合下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確模擬及快速評(píng)估的限制；.3）研究評(píng)價(jià)不同供能形式可靠性水平的針對(duì)性指標(biāo)，定義元件或環(huán)節(jié)的重要度指標(biāo)，形成可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。將所提模型、算法及指標(biāo)體系應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)，為薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)及強(qiáng)化提供參考。.本項(xiàng)目對(duì)提高綜合能源系統(tǒng)的可靠性水平，促進(jìn)其進(jìn)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(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(lái)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(lái)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(lái)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(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(lái)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(yáng)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)的研究方向之一。

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。