综合能源系统的可靠性评估模型及算法研究

综合能源系统对推动我国能源战略转型，构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源体系具有重要战略意义。以配电网为核心的综合能源系统通常与电、气、冷、热等多种负荷在物理上直接相连，是向用户分配和供应多种能源的重要环节，此外，综合能源系统信息化程度高，系统运行模式与其智能元件间的信息通信关系密切。 本项目围绕以配电网为核心的综合能源系统的多领域特性，对其可靠性评估开展了系统深入的研究，主要内容包括可靠性评估建模理论、可靠性评估算法和可靠性评价指标体系等方面。可靠性评估建模方面，建立了多输入多输出能源集线器的可靠性评估模型，为构建综合能源系统可靠性评估算法奠定了良好的基础，开展了考虑电力、天然气系统差异性的短期充裕度可靠性评估研究；可靠性评估算法方面，提出了基于智能体通信的综合能源系统可靠性评估算法，构建了信息物理融合下的可靠性评估算法，以负荷点故障状态集合作为训练样本集合，提出了基于感知器学习模型的配电网可靠性评估方法；综合能源系统的可靠性评价指标体系方面，提出考虑了热负荷反弹效应的综合能源系统可靠性指标改进方法，提出了基于故障后果的配电网元件重要度指标评估方法，形成了综合能源系统的可靠性评价指标体系。 本项目共发表学术论文15篇，其中SCI检索论文1篇，EI检索论文9篇,核心期刊论文5篇，申请国家发明专利2项。本项目培养博士研究生2名，培养硕士研究生3名，其中已毕业硕士研究生2名。 本项目的研究成果为综合能源系统的可靠性评估提供了评估模型、评估算法及评价指标体系等理论依据，为解决多种能源形式间复杂耦合关联的建模难题、突破系统运行状态准确模拟及快速评估的瓶颈、实现综合能源系统可靠性的准确定量评估提供了参考。 2100433B

综合能源系统对节能减排，促进可再生能源利用具有重要的作用，其与电、气、冷、热等多种负荷在物理上直接相连，是向用户分配和供应多种能源的重要环节，综合能源系统的可靠性水平对经济社会的发展具有重要影响。本项目将针对综合能源系统的多领域特性，对其可靠性评估展开系统深入的研究，主要研究内容包括：.1）建立多输入多输出能源集线器的可靠性评估模型，解决电、气、冷、热多种不同能源形式间复杂耦合关联的通用化建模问题；.2）研究智能体通信规则及其分析决策算法，提出可靠性评估的智能体算法，突破现有算法难以实现信息能源高度融合下系统运行状态准确模拟及快速评估的限制；.3）研究评价不同供能形式可靠性水平的针对性指标，定义元件或环节的重要度指标，形成可靠性评价指标体系。将所提模型、算法及指标体系应用于实际系统，为薄弱环节辨识及强化提供参考。.本项目对提高综合能源系统的可靠性水平，促进其进一步发展具有重要的意义。

化石能源的枯竭和环境日益恶化的双重压力下，综合能源系统的概念应运而生。综合能源系统的相关研究已经得到国际社会的广泛关注，然而其可靠性评估研究仍处于起步阶段。首先介绍了综合能源系统的定义、典型结构以及发展意义等，进而对其可靠性评估的研究现状及亟待解决的问题进行了归纳，最后围绕亟待解决的问题，从模型、算法及评价指标系统3 个方面对综合能源系统可靠性评估未来的研究方向进行展望。

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。 2100433B

多能源及其耦合关联、能源信息融合的发展趋势使得综合能源系统的可靠性评估在模型、算法及评价指标方面面临一系列的问题。针对这些问题梳理出可能的解决方案，进一步对未来的研究方向进行展望。

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，针对现有的Energy Hub 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Energy Hub 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。

2、可靠性评估算法方面

能源信息高度融合是未来综合能源系统的发展方向，在物联网、互联网以及人工智能等技术快速发展的背景下，智能体通信技术近年来得到广泛的应用。智能体（Smart Agent）是具有高级行为特征（自治性、能动性、交互性等）的广泛智能实体，例如专家系统、机器人、计算机系统、求解单元甚至功能元件等。采用“智能体”刻画综合能源系统中具有接收、传递信息功能并能对信息进行分析做出决策的智能化元件或者环节（包括Energy Hub），通过智能体的通信、决策以及控制等行为刻画多种不同能源形式间转换的协调和优化过程，同时结合时序蒙特卡罗法模拟多能源系统动态时间过程，进而提出可靠性评估的智能体算法，将有望解决综合能源系统可靠性评估算法面临的问题。

围绕综合能源系统可靠性评估的智能体算法，未来的研究方向将主要包括智能体网络的架构、智能体间的通信规则以及智能体内部的分析决策算法，基于智能体间的信息通信及相应控制行为实现系统故障定位、隔离和恢复的关键技术等。

3、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。

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。

此外，研究综合能源系统关键元件或环节（包括Energy Hub）的重要度指标，与不同能源形式的针对性指标结合，反映各种形式能源供应的薄弱环节，也是可靠性评价指标未来的研究方向之一。

由于提高能源综合利用率、促进可再生能源开发利用以及保证能源供应安全可靠等一系列的优势，综合能源系统的发展已经得到国际社会的广泛关注，成为国际能源领域重要的战略研究方向。美国早在2001 年就提出了综合能源系统的发展计划，更于2007 年将综合能源系统的研究上升到国家能源战略的高度。欧洲和日本等70 余个地区和国家促进能源可持续利用的角度，开展了一系列的综合能源系统研究计划，并综合能源系统的概念、运行方式及经济性分析等方面的研究已取得了初步的成果。

相比国外，我国的综合能源系统研究也已经起步，并有一系列的研究成果发表。有研究人员将综合能源系统的相关研究归纳为建模与仿真、规划、运行与优化控制、安全性理论与方法、效益评估与运营机制等几个方面，具体分析了国内外综合能源系统的研究现状，针对我国综合能源系统发展中面临的一些问题给出了相应的建议，并指出我国综合能源系统的研究发展是关乎国家能源安全、涉及国家社会经济发展的战略问题。

由此可见，国内外综合能源系统的相关研究已经在综合能源系统的概念和框架、多能流分析与计算、建模与仿真、规划与运行控制以及经济性分析与优化等方面取得了初步的成果。然而，作为系统规划与运行的基础，针对综合能源系统可靠性评估的相关研究仍处于起步阶段。