李 通，韓明新2，任洪波，吳 瓊

(1.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090;2.青島北洋建筑設(shè)計(jì)有限公司，青島 250101)

0 引 言

作為一種終端一體化多能互補(bǔ)節(jié)能減排方案，自綜合能源系統(tǒng)提出，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其關(guān)注度就很高。綜合能源系統(tǒng)耦合多種單一能源系統(tǒng)，其響應(yīng)時(shí)間、性能特性、所處環(huán)境等各不相同，如何讓系統(tǒng)整體安全可靠且穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估即是通過定性或定量可靠性指標(biāo)來反映系統(tǒng)能源供應(yīng)程度，從而有效指導(dǎo)綜合能源系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

文中針對(duì)綜合能源系統(tǒng)涵蓋的電力、供氣、供熱三個(gè)子系統(tǒng)，總結(jié)各供能子系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，以及多能耦合系統(tǒng)的可靠性研究現(xiàn)狀。同時(shí)，在既有可靠性研究評(píng)述的基礎(chǔ)上，對(duì)未來綜合系統(tǒng)可靠性發(fā)展做出展望，指出未來綜合能源系統(tǒng)可靠性研究的方向。

1 常規(guī)單一能源系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究

1.1 可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建是能源系統(tǒng)可靠性研究的基礎(chǔ)。通過梳理單一能源系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以歸納出能夠準(zhǔn)確全面反映能源系統(tǒng)整體的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而構(gòu)建適用于不同場(chǎng)景的能源系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.1.1 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前電力系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)相對(duì)比較完善，體系較為健全。總體而言，電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估對(duì)象可以分為設(shè)備元件、系統(tǒng)和用戶三個(gè)方面。從電力系統(tǒng)元件角度來看主要包括了元件的故障率和修復(fù)率等指標(biāo)；從電力系統(tǒng)整體來分析，主要有系統(tǒng)電力不足概率，系統(tǒng)電量不足期望等指標(biāo)；而從用戶的角度來分析，有用戶平均停電時(shí)間和平均故障頻率等指標(biāo)。相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1[1-5]。

本世紀(jì)初，自微電網(wǎng)概念提出以來，微電網(wǎng)的可靠性評(píng)價(jià)也引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。作為配電系統(tǒng)的重要補(bǔ)充形式，微電網(wǎng)接入配電系統(tǒng)，雖然有力促進(jìn)整體電網(wǎng)的可靠性水平，但也帶來很多不穩(wěn)定因素。由于微電網(wǎng)系統(tǒng)分布式電源較多，負(fù)荷和頻率不穩(wěn)定，現(xiàn)有的電網(wǎng)可靠性指標(biāo)不足以體現(xiàn)微網(wǎng)可靠性水平?？傮w而言，目前對(duì)于微電網(wǎng)可靠性指標(biāo)主要圍繞分布式電源的負(fù)荷特性、連接點(diǎn)的接入特性、儲(chǔ)能裝置、孤島運(yùn)行等幾個(gè)方面來開展。相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2[6-8]。

1.1.2 供氣系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

供氣系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為干線管網(wǎng)和區(qū)域性管網(wǎng)，同時(shí)有閥門和泵站等設(shè)備構(gòu)成，其可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究對(duì)象可以分為設(shè)備、管網(wǎng)系統(tǒng)和用戶三方面。相關(guān)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3[9-13]。

表3供氣系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1.3 供熱系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

供熱系統(tǒng)可靠性研究興起于上世紀(jì)80年代，主要圍繞設(shè)備原件、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和用戶等幾個(gè)方面，相關(guān)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4[14-17]。

表4供熱系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 可靠性評(píng)價(jià)方法

在得到各單一供能系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，基于建立的可靠性評(píng)價(jià)模型，選取對(duì)應(yīng)能源系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法，旨在減少能源系統(tǒng)可靠性評(píng)估的干擾因素，準(zhǔn)確反映系統(tǒng)可靠性，從而提高可靠性評(píng)估的計(jì)算精度和運(yùn)算效率。

1.2.1 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法

電力系統(tǒng)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?yàn)榫?、?jì)算效率等因素的影響，采用模擬法中蒙特卡洛可靠性評(píng)價(jià)法居多。采用模擬法，精度得到保障，易于在計(jì)算機(jī)上操作，但是耗費(fèi)時(shí)間；而解析法可以針對(duì)具體設(shè)備元件故障對(duì)電力系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，不適用結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的電力系統(tǒng)。

針對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性，文獻(xiàn)[18]針對(duì)發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)可靠性研究。鑒于發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)量大，建模復(fù)雜和計(jì)算效率問題，文獻(xiàn)[19]在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的基礎(chǔ)上改進(jìn)了發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法，提高了評(píng)價(jià)的精度和效率。文獻(xiàn)[20]利用蒙特卡洛模擬法模擬了影響電力系統(tǒng)可靠性各個(gè)部分的因素，經(jīng)案例驗(yàn)證所提方法有效性，有助于電力系統(tǒng)的可靠性規(guī)劃。

配電網(wǎng)主要承擔(dān)著電能傳輸?shù)娜蝿?wù)，配電網(wǎng)故障對(duì)電網(wǎng)可靠性影響較大，因此對(duì)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估至關(guān)重要。文獻(xiàn)[21]考慮了設(shè)備各元件對(duì)配電網(wǎng)可靠性影響，提出一種基于最小路的可靠性評(píng)價(jià)方法，有助于找到影響可靠性的因素。文獻(xiàn)[22]考慮電壓穩(wěn)定，提出一種基于電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的大干擾概率電壓穩(wěn)定評(píng)估方法，直觀反映系統(tǒng)的可靠與安全性能。由于影響配電網(wǎng)可靠性因素較多，文獻(xiàn)[23]在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)時(shí)采用綜合評(píng)判法，引入云模型，可以更詳盡的描述配電網(wǎng)可靠性的 客觀實(shí)際。

針對(duì)微電網(wǎng)，文獻(xiàn)[24]建立了光伏、風(fēng)電、分布式電源和儲(chǔ)能可靠性評(píng)估模型，在蒙特卡洛時(shí)序模擬法的基礎(chǔ)上改進(jìn)了微電網(wǎng)的可靠性算法。為定量描述微電網(wǎng)在改善電能利用效率和可靠性方面的效果，文獻(xiàn)[25]在傳統(tǒng)故障模式影響分析法的基礎(chǔ)上考慮了饋線容量約束。解析法和模擬法各有優(yōu)缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[26] 建立了孤島斷電序列多狀態(tài)模型，提出一種基于斷電序列多狀態(tài)模型的可靠性評(píng)估算法，相比于蒙特卡洛模擬法，運(yùn)行穩(wěn)定性好且效率高。文獻(xiàn)[27]考慮到電網(wǎng)有功和無功功率平衡，用序貫蒙特卡洛對(duì)微網(wǎng)可靠性評(píng)價(jià)，解決了傳統(tǒng)可靠性方法在分析電網(wǎng)供能質(zhì)量方面的不足。

1.2.2 供氣系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法

早期供氣系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究主要采用概率統(tǒng)計(jì)為主，考慮影響因素較單一。隨著供氣管網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身和系統(tǒng)運(yùn)行影響因素增多，可靠性評(píng)價(jià)方法基于系統(tǒng)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(diǎn)關(guān)注于管網(wǎng)的故障預(yù)測(cè)和模擬效率的提高，使得對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)更精準(zhǔn)。

文獻(xiàn)[28]考慮到管網(wǎng)失效概率分布函數(shù)，根據(jù)故障樹分析法提出針對(duì)管網(wǎng)輸配系統(tǒng)用戶可靠性評(píng)價(jià)方法。針對(duì)干線供氣可靠性，文獻(xiàn)[29]基于建立的氣-網(wǎng)-調(diào)峰-用戶動(dòng)態(tài)分析模型，在管網(wǎng)水熱力模擬的過程中，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)干線天然氣管道進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[30]將燃?xì)夤芫W(wǎng)看作可修復(fù)的，在考慮水力條件的基礎(chǔ)上提出供氣系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法，使得供氣可靠性評(píng)價(jià)符合實(shí)際。自然災(zāi)害對(duì)供氣管網(wǎng)的可靠性影響很大，文獻(xiàn)[31]將蒙特卡洛模擬法用于分析網(wǎng)絡(luò)模型地震連接的可靠性，為城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的災(zāi)害預(yù)測(cè)和改進(jìn)方法提供借鑒。

1.2.3 供熱系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法

供熱系統(tǒng)可靠性研究早期常采用專家評(píng)議法、安全檢查法、故障樹分析法等偏人工的評(píng)價(jià)方法，而后采用機(jī)器模擬熱網(wǎng)運(yùn)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(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)較為普遍。

文獻(xiàn)[32]研究環(huán)狀熱網(wǎng)的同時(shí)考慮到元件故障和熱網(wǎng)的水力故障影響，基于故障影響分析法對(duì)可修復(fù)多熱源環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[33]基于圖論法，提出環(huán)狀熱網(wǎng)的拓?fù)渲貥?gòu)法，可準(zhǔn)確模擬故障工況熱網(wǎng)。文獻(xiàn)[34]提出了一種確定供熱系統(tǒng)組件最佳可靠性參數(shù)的方法，使得熱源和熱網(wǎng)組件的可靠性得以聯(lián)合優(yōu)化。

2 多能耦合型綜合能源系統(tǒng)可靠性研究

綜合能源系統(tǒng)可靠性研究近幾年才得到發(fā)展?？煽啃栽u(píng)價(jià)指標(biāo)研究一部分是參考電力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，以提高綜合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估。同時(shí)，考慮到不同能源設(shè)備運(yùn)行對(duì)能源系統(tǒng)整體可靠性的影響，主要可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)見表5。

表5多能耦合綜合能源系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

關(guān)于電力-天然氣耦合系統(tǒng)可靠性研究已經(jīng)有了進(jìn)一步的深入，文獻(xiàn)[35]建立了氣、電耦合系統(tǒng)的可靠性評(píng)估模型，用解析法對(duì)氣、電耦合系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)?？紤]調(diào)度策略對(duì)電、氣耦合系統(tǒng)可靠性的影響，文獻(xiàn)[36]提出了一種快速分析方法來應(yīng)對(duì)電力-燃?xì)饩C合能源系統(tǒng)的可靠性評(píng)估。針對(duì)電-熱耦合系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[37]提出了一種電熱耦合系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法，并考慮了多種類型的綜合需求響應(yīng)。由于蒙特卡洛法無法研究設(shè)備隨機(jī)故障的時(shí)序關(guān)聯(lián)性，文獻(xiàn)[38]提出基于馬爾可夫過程蒙特卡洛法對(duì)綜合能源系統(tǒng)可靠性。文獻(xiàn)[39]提出了一種基于影響增量的狀態(tài)枚舉方法來評(píng)估綜合能源系統(tǒng)的可靠性，有助于應(yīng)對(duì)大型能源網(wǎng)絡(luò)，提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

文中在總結(jié)電/氣/熱網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)多能耦合綜合能源系統(tǒng)可靠性研究也進(jìn)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(duì)既有系統(tǒng)，通過設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建評(píng)估模型，確立影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素，從而進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。未來研究應(yīng)該從源頭出發(fā)，在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃初期即將可靠性因素納入一體化規(guī)劃體系，通過構(gòu)建兼顧可靠性的優(yōu)化模型，確立能達(dá)成一定可靠度的能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。從模型層面而言，既可以將可靠性指標(biāo)作為優(yōu)化模型的約束條件，亦可通過設(shè)定相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)形成多目標(biāo)優(yōu)化模型。通過源頭整合，有望進(jìn)一步提升綜合能源系統(tǒng)的可靠性。