張冠宇，付 煒，陳 晨，李更豐，別朝紅

（西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049）

0 引言

近年來，由極端自然災(zāi)害和人為攻擊導(dǎo)致的電力系統(tǒng)破壞事件頻發(fā)，不僅造成電力系統(tǒng)的設(shè)備故障，而且引發(fā)了大量的停電事故。由于電力系統(tǒng)的N-1 防御機(jī)制不能完全抵御多個(gè)部件同時(shí)發(fā)生故障，因此提升電力系統(tǒng)應(yīng)對極端事件的恢復(fù)力至關(guān)重要。

恢復(fù)力是指系統(tǒng)針對“低概率-高損失”極端事件的抵御、吸收、響應(yīng)以及快速恢復(fù)負(fù)荷的能力[1]。研究系統(tǒng)恢復(fù)力的目的在于當(dāng)面臨無法避免的極端事件時(shí)，通過對相關(guān)資源進(jìn)行事前、事中、事后的靈活調(diào)度，最大程度減小極端事件對系統(tǒng)帶來的損失。目前國內(nèi)外對電力系統(tǒng)的恢復(fù)力已經(jīng)有諸多研究，包括極端事件發(fā)生前系統(tǒng)的強(qiáng)化策略[2]、極端事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度策略[3]、極端事件發(fā)生后系統(tǒng)的恢復(fù)策略[4]等。隨著電力系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)的聯(lián)系日漸加深，國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)從電力系統(tǒng)恢復(fù)力聚焦到整個(gè)能源系統(tǒng)的恢復(fù)力。2020 年習(xí)近平總書記提出實(shí)現(xiàn)2030 年碳排放達(dá)峰、2060 年碳中和的雙碳目標(biāo)[5]，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是未來發(fā)展的必然趨勢。分散式風(fēng)電、分布式光伏、燃?xì)夥植际侥茉丛谖磥黼娏ο到y(tǒng)發(fā)展中具有廣泛應(yīng)用前景。隨著分布式電源、燃?xì)鈾C(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組越來越多被使用，新型電力系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系也越來越深。為提高對波動性風(fēng)電、太陽能發(fā)電的接入和調(diào)控能力，提高能源的利用效率[1]，原有各種供電、供氣、供冷、供熱能源供用系統(tǒng)單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計(jì)和獨(dú)立運(yùn)行的既有模式被打破，逐步形成了綜合能源系統(tǒng)[6]。構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)、改變傳統(tǒng)能源系統(tǒng)建設(shè)路徑和發(fā)展模式，對實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)起著非常重要的作用[7]。由于不同能源系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，當(dāng)極端災(zāi)害發(fā)生時(shí)，可能形成能源系統(tǒng)間的連鎖故障，而如果恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用綜合能源系統(tǒng)耦合性帶來的優(yōu)勢，則可以通過能源系統(tǒng)間的協(xié)作提升綜合能源系統(tǒng)的整體恢復(fù)力。隨著高比例可再生能源接入能源系統(tǒng)，其間歇性和隨機(jī)性給綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)控帶來困難，且由于不同能源系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，針對綜合能源系統(tǒng)的彈性評估和彈性增強(qiáng)策略將變得更加復(fù)雜，因此對綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)力也提出更高的要求。

綜上所述，本文對綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力的研究進(jìn)行了總結(jié)，針對綜合能源系統(tǒng)耦合性對恢復(fù)力帶來的影響、綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力的建模、評估和提升策略進(jìn)行了評述，并對未來的研究方向和問題做出展望。

1 綜合能源系統(tǒng)耦合性對恢復(fù)力的影響

在綜合能源系統(tǒng)的背景下，能源系統(tǒng)互聯(lián)互補(bǔ)的趨勢日益突出。隨著綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，各能源系統(tǒng)的耦合性逐步提高，分析其恢復(fù)力時(shí)考慮不同能源系統(tǒng)間的相互依賴性至關(guān)重要。

現(xiàn)有電力系統(tǒng)的防御機(jī)制大量關(guān)注電力系統(tǒng)自身系統(tǒng)內(nèi)的故障，對不同能源系統(tǒng)間的連鎖故障關(guān)注不足。隨著綜合能源系統(tǒng)的形成，電-熱-氣等能源之間的聯(lián)系越來越緊密，故障可在能源系統(tǒng)中傳遞甚至導(dǎo)致連鎖故障的發(fā)生[8-9]，如極端天氣引發(fā)的停電導(dǎo)致天然氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)停止工作，進(jìn)而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)燃料不足進(jìn)一步擴(kuò)大電力系統(tǒng)的故障[10]。2008 年我國南方地區(qū)遭遇嚴(yán)重冰凍災(zāi)害，引發(fā)電力系統(tǒng)多處故障、造成大面積停電災(zāi)害，更由電網(wǎng)故障引發(fā)負(fù)責(zé)煤炭運(yùn)輸?shù)蔫F路系統(tǒng)中斷、煤炭等能源的供應(yīng)鏈被切斷、煤炭儲量降低，最終導(dǎo)致發(fā)電廠關(guān)停[11]。2012 年颶風(fēng)桑迪造成美國15 個(gè)州和華盛頓特區(qū)大約750 萬用戶斷電[12]，對天然氣輸送管道造成了嚴(yán)重破壞，影響了新澤西州約3.2 萬名天然氣用戶[13]，新澤西州電力供應(yīng)不足致使燃油泵斷電進(jìn)而導(dǎo)致加油站癱瘓，居民家用發(fā)電機(jī)難以加油重啟。2021 年美國得克薩斯州遭遇極端持續(xù)低溫寒潮影響，天然氣井口凍結(jié)導(dǎo)致天然氣電廠氣源供應(yīng)嚴(yán)重不足，風(fēng)力資源不足以及風(fēng)機(jī)葉片凍結(jié)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力驟降，引發(fā)得州400 多萬用戶停水停電，10 余人罹難[14]。

利用綜合能源系統(tǒng)耦合性對恢復(fù)力的作用，通過不同能源之間的相互轉(zhuǎn)化，在故障發(fā)生時(shí)可利用其他能源對緊缺能源進(jìn)行轉(zhuǎn)供，提高綜合能源系統(tǒng)整體的恢復(fù)能力。文獻(xiàn)[15]驗(yàn)證了在各種恢復(fù)策略中，天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)恢復(fù)策略能夠最大程度地提升綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)力。2011 年日本地震時(shí)，天然氣系統(tǒng)通過高抗震等級的中高壓天然氣管道向燃?xì)廨啓C(jī)提供燃料供應(yīng)，為處于孤島運(yùn)行狀態(tài)的仙臺微型綜合能源系統(tǒng)提供了主要電源[16]。分布式燃?xì)廨啓C(jī)作為一種可靠的分布式電源，通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和分布式電源協(xié)同運(yùn)行來提升配電系統(tǒng)的恢復(fù)力[17-18]。2016 年，臺風(fēng)和暴雨等極端天氣襲擊了新能源發(fā)電高占比的澳大利亞南部綜合能源系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致全州大停電，由于燃?xì)廨啓C(jī)均未切機(jī)而保障了部分負(fù)荷供電[19]。

綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展為提升電力系統(tǒng)恢復(fù)力帶來新的路徑和方法，與各能源系統(tǒng)孤立地進(jìn)行規(guī)劃、運(yùn)行、控制相比，綜合考慮各能源系統(tǒng)的不同特點(diǎn)及局限性，通過各能源系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)與配合來提高電力系統(tǒng)整體的安全性與自愈能力，不僅成效更加顯著且投資成本較低[6]。

2 綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力建模

現(xiàn)有研究常用電力系統(tǒng)的性能（一般通過負(fù)荷損失量來衡量）來描述電力系統(tǒng)的恢復(fù)力[1]，[18]，綜合能源系統(tǒng)則主要從電力、天然氣、熱力3 個(gè)系統(tǒng)的性能的角度衡量極端事件發(fā)生前后系統(tǒng)性能恢復(fù)力。綜合能源系統(tǒng)中極端事件發(fā)生前后電-氣-熱系統(tǒng)性能示意圖如圖1 所示。其中，0～t1，t1～t2，t2～t3，t3～t4，t4～t5分別為準(zhǔn)備階段、抵御階段、適應(yīng)階段、恢復(fù)階段和穩(wěn)定階段。

圖1 極端事件發(fā)生前后電-氣-熱系統(tǒng)性能示意圖Fig.1 Diagram showing operation performance of a electric-gas-thermal system responding to an extreme event

由圖1 可知，梯形圖[20]表示的綜合能源系統(tǒng)描述了典型的極端事件發(fā)生前、中、后綜合能源系統(tǒng)中各能源系統(tǒng)性能的變化情況，其中天然氣系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)較電力系統(tǒng)所擁有的的靈活資源較少，其恢復(fù)速度更慢。當(dāng)極端事件到來時(shí)，系統(tǒng)的性能開始下降，系統(tǒng)進(jìn)入抵御階段和適應(yīng)階段，之后系統(tǒng)進(jìn)入恢復(fù)階段，系統(tǒng)的性能開始上升，直到穩(wěn)定階段系統(tǒng)性能開始穩(wěn)定。

極端災(zāi)害下，由于電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)自身的耦合性可能導(dǎo)致出現(xiàn)連鎖故障，較獨(dú)立系統(tǒng)而言綜合能源各子系統(tǒng)性能下降的程度可能更大，若能采取有效的恢復(fù)力提升方法，其性能下降的程度會有所減小?，F(xiàn)有研究中，從抵御極端事件的時(shí)間t1開始到恢復(fù)階段的時(shí)間t5結(jié)束，系統(tǒng)的恢復(fù)力R可表達(dá)為：

式中：Fi(t)為t時(shí)間系統(tǒng)在極端事件i下的性能水平；φ為所針對的極端事件的集合；E(φ)為極端事件數(shù)量。

綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力建模的要素有以下4 部分：極端事件物理模型、極端事件對系統(tǒng)的影響模型、系統(tǒng)對極端事件的響應(yīng)模型、綜合能源系統(tǒng)物理模型[20]。綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力建模的要素組成如圖2 所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力建模的要素組成Fig.2 Diagram showing elements of resilience modeling of integrated energy system

由圖2 可知，極端事件物理模型建模需要對臺風(fēng)、地震、海嘯、網(wǎng)絡(luò)攻擊等極端災(zāi)害建立物理模型，模型要素的組成包括事件發(fā)生的頻率、持續(xù)時(shí)間、持續(xù)范圍、事件強(qiáng)度等；極端事件對系統(tǒng)的影響模型建模需要研究極端事件對綜合能源系統(tǒng)破壞的機(jī)理、不同系統(tǒng)不同元件發(fā)生故障的機(jī)理，從而獲得故障率、修復(fù)時(shí)間和脆弱度曲線等模型；系統(tǒng)對極端事件的響應(yīng)模型建模需要考慮系統(tǒng)的調(diào)度安排，如切負(fù)荷、維修人員調(diào)度、應(yīng)急設(shè)備管理等；綜合能源系統(tǒng)物理模型建模需要對耦合元件和電力、天然氣、熱力各系統(tǒng)的元件建模。

與電力系統(tǒng)比，綜合能源系統(tǒng)物理模型有較多的耦合元件需要建模，如燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、熱泵和電鍋爐等。其建模方式主要有能源樞紐建模和耦合設(shè)備精細(xì)化建模2 種。能源樞紐建模能夠通過耦合矩陣來描述不同系統(tǒng)間能源的轉(zhuǎn)化關(guān)系，其形式較為簡單[21-22]；耦合設(shè)備精細(xì)化建模能反映各系統(tǒng)的實(shí)際物理特性，反映各系統(tǒng)間的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，但其由于各模型涉及較多非線性項(xiàng)，其計(jì)算較為復(fù)雜[23]。

目前針對綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力建模已有部分研究成果。極端事件物理模型方面，文獻(xiàn)[24]從環(huán)境溫度、降水類型、降水強(qiáng)度、風(fēng)速等角度進(jìn)行建模描述冰雪災(zāi)害對電力線路的影響。文獻(xiàn)[25]從震中距離、地震等級和地震峰值加速度描述地震災(zāi)害。極端事件對系統(tǒng)的影響模型方面，文獻(xiàn)[26]考慮電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)之間的相互作用，提出一種電-熱-氣綜合傳輸網(wǎng)絡(luò)模型，并分析極端事件對系統(tǒng)的影響以及系統(tǒng)對其做出的響應(yīng)。文獻(xiàn)[27]采用網(wǎng)絡(luò)柵格法模擬了極端災(zāi)害對能源系統(tǒng)在空間地理上的破壞情況。文獻(xiàn)[28]采用支持向量機(jī)來得到元件故障概率，用來描述自然災(zāi)害對電-氣互聯(lián)系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)對極端事件的響應(yīng)模型方面，文獻(xiàn)[29]提出一種彈性機(jī)組組合模型，提高配電系統(tǒng)對多重故障的應(yīng)變能力。文獻(xiàn)[30]考慮采用天然氣管道網(wǎng)絡(luò)和熱力網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急儲能、熱力系統(tǒng)的熱慣性降低極端事件的影響。綜合能源系統(tǒng)物理模型方面，文獻(xiàn)[31]提出基于能源樞紐的能源系統(tǒng)建模的通用框架，包含電、熱、氣、生物質(zhì)等多種能源。文獻(xiàn)[32]提出用于氣-電系統(tǒng)動態(tài)分析的燃?xì)夤芫W(wǎng)等效模型。文獻(xiàn)[33]提出電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和燃?xì)廨啓C(jī)的模型。文獻(xiàn)[34]將較小區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)耦合元件建模為具有多個(gè)輸入輸出端口的能源集線器，在較大區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)中通過詳細(xì)的電力和天然氣約束對耦合元件建模。文獻(xiàn)[35]采用廣義網(wǎng)絡(luò)流模型描述電-氣-煤綜合能源系統(tǒng)，采用不同時(shí)間粒度表示不同能量子系統(tǒng)的能量傳輸速度。

3 綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力評估

綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力評估的主要內(nèi)容是建立系統(tǒng)的彈性評價(jià)指標(biāo)體系和評估方法，賦予各種恢復(fù)力指標(biāo)合理的權(quán)重，形成更加全面的多維度、多層次彈性評價(jià)指標(biāo)體系[20]，通過比較各種恢復(fù)力提升策略的優(yōu)劣，為系統(tǒng)選取最優(yōu)策略。綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力評估流程一般為：（1）極端事件場景生成；（2）分析極端災(zāi)害對綜合能源系統(tǒng)影響；（3）計(jì)算綜合能源系統(tǒng)彈性。

綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)力評估模式可分為離線評估和在線評估。離線評估主要研究綜合能源系統(tǒng)在某一時(shí)期內(nèi)一定范圍內(nèi)的彈性，系統(tǒng)無需遭遇真實(shí)的極端事件，可由災(zāi)害模擬器生成大量極端事件發(fā)生場景，需考慮極端事件和元件故障的不確定性，常用于評估系統(tǒng)整體的彈性，進(jìn)行不同系統(tǒng)之間彈性的比較或同一系統(tǒng)不同恢復(fù)力提升策略效果的比較分析，可為應(yīng)對極端事件的系統(tǒng)規(guī)劃提供依據(jù)，通常使用蒙特卡羅法計(jì)算。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[32]分別采用元件失效模型和馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，使用蒙特卡洛法計(jì)算評估了自然災(zāi)害下綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)力。在線評估主要研究綜合能源系統(tǒng)系統(tǒng)在某一極端事件發(fā)生時(shí)或某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的彈性實(shí)時(shí)變化，根據(jù)氣象臺或?yàn)?zāi)害預(yù)警部門發(fā)布的數(shù)據(jù)確定極端事件具體發(fā)生場景，無需考慮極端事件的不確定性，僅考慮元件故障的不確定性，常用于實(shí)時(shí)狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)警，配合實(shí)時(shí)更新的災(zāi)情預(yù)報(bào)在線進(jìn)行評估分析，為即將遭遇或正在遭遇極端事件的系統(tǒng)提供調(diào)度決策支撐，通常使用狀態(tài)估計(jì)法計(jì)算[20]。文獻(xiàn)[36]評估了在級聯(lián)故障發(fā)生時(shí)天然氣和電力耦合網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和相互依賴性。

綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力的常見評估指標(biāo)有電/氣/熱失負(fù)荷量、系統(tǒng)的冗余度、系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間等與電力系統(tǒng)恢復(fù)力相關(guān)的指標(biāo)，這些指標(biāo)分別反映了系統(tǒng)的魯棒性、充裕性、快速性。文獻(xiàn)[37]分別采用失負(fù)荷比例與故障頻率乘積、恢復(fù)速度、系統(tǒng)拓?fù)涞淖匀贿B通度作為評價(jià)指標(biāo)，反映地震災(zāi)害下海島綜合能源系統(tǒng)的魯棒性、快速性和充裕性。文獻(xiàn)[38]采用了恢復(fù)負(fù)荷量、開關(guān)次數(shù)、網(wǎng)損功率評估電-氣綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)決策。文獻(xiàn)[10]通過用電/氣失負(fù)荷量指標(biāo)、基建重建指標(biāo)與整體指標(biāo)建立恢復(fù)力評估體系來評價(jià)颶風(fēng)對綜合能源系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[39]采用實(shí)際溫度與最適合溫度之差的平方作為指標(biāo)反映電熱綜合能源系統(tǒng)中用戶對于溫度的不滿意度。

與電力系統(tǒng)的恢復(fù)力評估相比，綜合能源系統(tǒng)所涉及的負(fù)荷種類更加繁多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此需要建立新的彈性評價(jià)指標(biāo)體系，來評估極端事件對系統(tǒng)的影響程度以及各種應(yīng)對措施對系統(tǒng)彈性的改善情況。目前綜合能源系統(tǒng)所用的評估指標(biāo)與評估體系與電力系統(tǒng)較為相似，但由于綜合能源系統(tǒng)有著與電力系統(tǒng)不同的特點(diǎn)，因此其評價(jià)指標(biāo)較電力系統(tǒng)而言對全面程度要求更高。如對于天然氣用戶，由于天然氣并非在一天中連續(xù)性使用，而是在特定時(shí)間段內(nèi)使用，用戶不一定能及時(shí)感知天然氣的中斷；對于冷、熱負(fù)荷，由于其具有傳輸速度慢的特點(diǎn)，從被中斷到用戶感受到溫度變化需要一定時(shí)間，所以用戶對其中斷不如電力負(fù)荷中斷那樣敏感[40]。

綜上所述，在綜合能源系統(tǒng)中需要通過建立新的彈性評價(jià)指標(biāo)體系和借助各種評估方法，來評估極端事件對系統(tǒng)的影響程度以及應(yīng)對極端事件的各種措施對系統(tǒng)彈性的改善情況，達(dá)到準(zhǔn)確度量系統(tǒng)的彈性和選擇合適的措施提升系統(tǒng)恢復(fù)力的目的。

4 綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力提升策略

與電力系統(tǒng)相比，綜合能源系統(tǒng)能夠通過多能源系統(tǒng)協(xié)作，聯(lián)合提升整體的恢復(fù)力。電力系統(tǒng)和綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力提升策略對比如圖3 所示。

圖3 電力系統(tǒng)和綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力提升策略對比Fig.3 Comparison of strategies to enhance resilience between power system and integrated energy system

由圖3 可知，根據(jù)極端事件的性質(zhì)與發(fā)展過程，將恢復(fù)力提升階段分為3 個(gè)階段，每個(gè)階段都有與之對應(yīng)的策略?；謴?fù)力提升策略可分為3 類：事前準(zhǔn)備策略、事中響應(yīng)策略、事后恢復(fù)策略。事前準(zhǔn)備策略主要為加強(qiáng)系統(tǒng)元件對極端災(zāi)害的抵御能力，事中響應(yīng)策略主要為減少系統(tǒng)在極端災(zāi)害發(fā)生時(shí)的失負(fù)荷量，事后策略主要為最大程度加快系統(tǒng)的恢復(fù)速度。與電力系統(tǒng)相比，綜合能源系統(tǒng)擁有更多提升恢復(fù)力的資源和策略，能夠提升恢復(fù)力的方式更加復(fù)雜和多樣。

4.1 事前預(yù)防策略

事前預(yù)防策略主要指在事故發(fā)生前，系統(tǒng)對即將到來或?qū)砜赡馨l(fā)生的事故進(jìn)行積極的準(zhǔn)備，包括有針對性地加固薄弱環(huán)節(jié)、重新調(diào)度發(fā)電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、制定穩(wěn)壓措施和需求響應(yīng)機(jī)制等。文獻(xiàn)[41]將能量儲備作為供電側(cè)停電的輔助備用資源，建立集成彈性調(diào)度策略的兩級優(yōu)化規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[42]提出在颶風(fēng)登陸之前通過中斷天然氣、斷開上游電網(wǎng)、將汽油作為備用能源等準(zhǔn)備工作來提高綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)力。文獻(xiàn)[43]提出利用天然氣管道相較于電力線路有更強(qiáng)的抵御災(zāi)害能力的特點(diǎn)，在規(guī)劃階段采用地下天然氣管道代替部分電力線路作為能源輸送系統(tǒng)來提升電網(wǎng)的恢復(fù)力。

事前預(yù)防策略中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是在極端事件發(fā)生前對系統(tǒng)恢復(fù)力進(jìn)行加強(qiáng)，如加固脆弱元件、增加系統(tǒng)重要部分儲能、增加冗余線路、增加用于氣井的風(fēng)障、在氣體壓縮機(jī)位置安裝發(fā)電機(jī)、采用地下電纜和天然氣地下氣管道等[44]。該類策略對系統(tǒng)的改造部分較多，往往成本較高、效果較好，但如果不加區(qū)分地對系統(tǒng)所有部分進(jìn)行加強(qiáng)，從經(jīng)濟(jì)角度看是不合理的[45]，因此需要尋找系統(tǒng)關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行有針對性的強(qiáng)化[46]?，F(xiàn)有研究中較多采用雙層優(yōu)化模型對綜合能源系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行識別。文獻(xiàn)[47]通過改進(jìn)遺傳算法求解期望損失雙層優(yōu)化模型，篩選出期望損失最嚴(yán)重的多個(gè)故障狀態(tài)。文獻(xiàn)[48]考慮系統(tǒng)因網(wǎng)絡(luò)攻擊引起物理組件被破壞，從而導(dǎo)致服務(wù)中斷，提出基于能源樞紐的一種雙層優(yōu)化模型，通過對組件的數(shù)據(jù)包進(jìn)項(xiàng)加密來提高應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力。

在事前預(yù)防策略中，防御者-攻擊者-防御者模型（Defender-Attacker-Defender，D-A-D）為普遍的求解最佳系統(tǒng)強(qiáng)化方案的模型[49]。該模型為3 層模型，上層為防御者在攻擊者發(fā)起攻擊之前用以保護(hù)整個(gè)綜合能源系統(tǒng)（包括電力線路，天然氣管道和其他元件）而分配的防御資源；中層為攻擊者決定破壞且能夠造成最大損失的位置；下層為防御者發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)被破壞后用以最大程度減輕負(fù)荷損失所采取的措施（如求解最優(yōu)潮流問題）。文獻(xiàn)[44]提出燃?xì)庀到y(tǒng)的生產(chǎn)資源比電力系統(tǒng)更集中、更容易受到攻擊，由此設(shè)計(jì)一種基于電-氣綜合能源系統(tǒng)的D-A-D魯棒優(yōu)化模型，并使用嵌套的列和約束生成算法求解。文獻(xiàn)[50]采用對偶理論將三階問題轉(zhuǎn)換為二階問題，利用嵌套Benders 分解算法求解，驗(yàn)證了儲能系統(tǒng)對提升綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力的重要性。文獻(xiàn)[29]提出促使大區(qū)域和小區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作，以提高綜合能源系統(tǒng)對自然災(zāi)害的抗災(zāi)能力。文獻(xiàn)[51]提出使用地下配電線路和加固與翻新架空配電線路提升系統(tǒng)的恢復(fù)力。

盡管提升綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力的策略較多，但由于事前對系統(tǒng)恢復(fù)力進(jìn)行加強(qiáng)的投資成本有限和小概率事件的不可預(yù)測性等因素制約，綜合能源系統(tǒng)仍然無法杜絕突發(fā)的極端事件，因此需要研究事中和事后的恢復(fù)力提升策略[6]。

4.2 事中響應(yīng)策略

事中響應(yīng)策略是指極端事件發(fā)生過程中，綜合能源系統(tǒng)的一些緊急響應(yīng)方法，如最優(yōu)潮流切負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu)和災(zāi)中人員調(diào)度等。根據(jù)綜合能源系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)可動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)抵抗策略，達(dá)到獲取系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)、估計(jì)系統(tǒng)未來狀態(tài)、預(yù)估極端災(zāi)害影響的目的。文獻(xiàn)[52]提出對颶風(fēng)的整體方向、強(qiáng)度和影響范圍進(jìn)行建模，在颶風(fēng)來臨之前對可能受到影響的區(qū)域的關(guān)鍵部分進(jìn)行緊急加固，考慮颶風(fēng)動態(tài)發(fā)展過程在颶風(fēng)攻擊時(shí)持續(xù)更新數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測與調(diào)度。文獻(xiàn)[53]針對遭遇連續(xù)災(zāi)害的綜合能源基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，分析不同恢復(fù)策略對恢復(fù)力的影響，提出在連續(xù)災(zāi)難之間進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的恢復(fù)能顯著提升整個(gè)系統(tǒng)的彈性。文獻(xiàn)[39]考慮故障發(fā)生以及故障修復(fù)時(shí)間的不確定性，將綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)問題建模為有限時(shí)段馬爾可夫決策過程，并采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法求解。

事中響應(yīng)策略的主要目的是減少系統(tǒng)在極端災(zāi)害發(fā)生時(shí)的失負(fù)荷量，從而提升綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)力。事中響應(yīng)策略可在原有的綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上進(jìn)行資源的靈活調(diào)度，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低。

4.3 事后恢復(fù)策略

事后恢復(fù)策略包括優(yōu)化負(fù)荷恢復(fù)順序、燃?xì)廨啓C(jī)作為黑啟動電源、靈活調(diào)度備用資源（如移動應(yīng)急發(fā)電車）、重要負(fù)荷優(yōu)先供能等。采取網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、孤島運(yùn)行、優(yōu)化恢復(fù)順序等措施對綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)行指導(dǎo)，其目的在于快速恢復(fù)盡可能多的負(fù)荷（包括電負(fù)荷、燃?xì)庳?fù)荷和冷熱負(fù)荷）以減少系統(tǒng)的損失。文獻(xiàn)[54]考慮綜合能源系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的雙向耦合特性，建立時(shí)序混合整數(shù)規(guī)劃模型，得出故障恢復(fù)時(shí)最優(yōu)的線路開關(guān)操作順序，缺點(diǎn)在于僅考慮簡單的電-氣綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)，沒有考慮孤島區(qū)域劃分等復(fù)雜情況。文獻(xiàn)[55]提出一種電/氣系統(tǒng)聯(lián)合維修人員派遣方案，將維修人員調(diào)度問題轉(zhuǎn)化成多起點(diǎn)的車輛路徑優(yōu)化問題，同時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)重新配置后的孤島運(yùn)行情況。文獻(xiàn)[56]考慮熱力系統(tǒng)在時(shí)間上的熱慣性，如采用地暖的房間在停止供熱后仍然可以在很長時(shí)間內(nèi)保持舒適溫度，應(yīng)優(yōu)先滿足電力系統(tǒng)需求。文獻(xiàn)[54-55]中采取的方法均需考慮電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的信息高度透明化和調(diào)度統(tǒng)籌性，為解決信息不完全流通問題可以使用分布式算法。文獻(xiàn)[57]考慮電-氣綜合能源系統(tǒng)在信息層與物理層之間的耦合關(guān)系，將信息約束與配電網(wǎng)的重構(gòu)相結(jié)合，建立失負(fù)荷量最小與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化雙層框架，并采用自適應(yīng)步長的交替方向乘子法進(jìn)行分布式求解。

在實(shí)際應(yīng)用中，不應(yīng)孤立地看待系統(tǒng)各時(shí)段的恢復(fù)力提升策略，而應(yīng)將各種提升策略有機(jī)結(jié)合，達(dá)到提升系統(tǒng)整體恢復(fù)力到最優(yōu)的目標(biāo)。

5 綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力提升發(fā)展建議

隨著電力系統(tǒng)可再生能源滲透率不斷提高，如何利用電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)消納可再生能源以及利用資源提高綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力變得愈加重要。同時(shí)，電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)也引發(fā)了一系列難題，這些難題也是綜合能源恢復(fù)力未來的研究方向。綜合能源系統(tǒng)特點(diǎn)導(dǎo)致的難題如圖4 所示。

圖4 綜合能源系統(tǒng)特點(diǎn)導(dǎo)致的難題Fig.4 Difficult problems of resilience research caused by characteristics of integrated energy system

結(jié)合目前研究成果分析，未來有關(guān)綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力提升的發(fā)展和研究方向主要集中在以下方面：

1）準(zhǔn)確的描述故障對綜合能源系統(tǒng)的影響。極端事件對綜合能源系統(tǒng)的影響是復(fù)雜的、多方面的，其可能造成單能源系統(tǒng)單獨(dú)故障、單能源系統(tǒng)故障導(dǎo)致的連鎖故障、多種能源系統(tǒng)同時(shí)故障。如何準(zhǔn)確地描述極端事件對綜合能源系統(tǒng)的影響以及系統(tǒng)間故障傳遞的機(jī)理與方式是未來需要解決的問題。

2）處理綜合能源系統(tǒng)的多主體特點(diǎn)。與電力系統(tǒng)這樣的單一系統(tǒng)不同，電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)的所有權(quán)往往屬于不同主體，但現(xiàn)有研究往往假設(shè)有唯一主體能夠統(tǒng)領(lǐng)全局制定最優(yōu)的策略。在實(shí)際應(yīng)用中，如何協(xié)調(diào)各主體的利益、準(zhǔn)確地獲取并共享整個(gè)系統(tǒng)的信息以制定最佳的恢復(fù)力提升策略、統(tǒng)一協(xié)調(diào)與指導(dǎo)不同系統(tǒng)之間的聯(lián)合操作是未來需要解決的問題。

3）解決不同能源傳播的時(shí)間尺度不一致問題。電力傳播往往是瞬間完成，而天然氣在管道中傳播的動態(tài)過程和冷熱能在管道中傳輸?shù)倪^程較慢、需要時(shí)間較長。如何對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的建模、如何描述各個(gè)系統(tǒng)間的耦合關(guān)系、如何描述系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)操作維修過程中系統(tǒng)的變化是未來需要解決的問題。

4）建立合適的恢復(fù)力評估指標(biāo)體系?，F(xiàn)有綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力的評價(jià)指標(biāo)大都以電/氣/熱失負(fù)荷量或失負(fù)荷比例為主，缺點(diǎn)在于忽略了綜合能源系統(tǒng)負(fù)荷的特點(diǎn)（如冷、熱負(fù)荷短時(shí)間失負(fù)荷時(shí)用戶往往較難感知，天然氣負(fù)荷具有較強(qiáng)的間歇性和集中性）。如何建立新的多維度多層次的恢復(fù)力評價(jià)指標(biāo)與評級體系，更準(zhǔn)確地衡量系統(tǒng)的恢復(fù)力是未來需要解決的問題。

5）對綜合能源系統(tǒng)的恢復(fù)力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模?；隈詈暇仃嚥捎媚茉礃屑~的建模方法可方便地將各能源系統(tǒng)連接起來，但難以解決各系統(tǒng)中的非線性問題。如何在不同綜合能源系統(tǒng)的不同極端事件下，建立標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)展性強(qiáng)、適用分析恢復(fù)力的統(tǒng)一框架是未來需要解決的問題。

6）快速求取綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)決策的最優(yōu)解。在求解恢復(fù)力提升策略時(shí)，由于天然氣和熱力系統(tǒng)模型均為非凸模型，電力、天然氣和熱力系統(tǒng)均需考慮孤島劃分、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等問題，使恢復(fù)決策更加復(fù)雜，導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度高，求最優(yōu)解困難。如何快速求取復(fù)雜恢復(fù)決策非凸問題最優(yōu)解是未來需要解決的問題。

6 結(jié)語

電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)恢復(fù)力提升可以借鑒電力系統(tǒng)恢復(fù)力提升的研究方法，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化和改造。雖然綜合能源系統(tǒng)的形成為電力系統(tǒng)的恢復(fù)力提升提供了有效途徑，但如何提高整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)力將是巨大的挑戰(zhàn)。如何針對綜合能源系統(tǒng)各系統(tǒng)的特點(diǎn)協(xié)調(diào)綜合能源系統(tǒng)各主體，提高整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)力，是我們未來需要關(guān)注與研究的話題。