能源系统可靠性研究综述：从单一能源系统到综合能源系统

李 通，韩明新2，任洪波，吴 琼

(1.上海电力大学能源与机械工程学院，上海 200090;2.青岛北洋建筑设计有限公司，青岛 250101)

0 引 言

作为一种终端一体化多能互补节能减排方案，自综合能源系统提出，国内外学者对其关注度就很高。综合能源系统耦合多种单一能源系统，其响应时间、性能特性、所处环境等各不相同，如何让系统整体安全可靠且稳定运行至关重要。能源系统可靠性评估即是通过定性或定量可靠性指标来反映系统能源供应程度，从而有效指导综合能源系统可靠运行。

文中针对综合能源系统涵盖的电力、供气、供热三个子系统，总结各供能子系统可靠性评价指标和评价方法，以及多能耦合系统的可靠性研究现状。同时，在既有可靠性研究评述的基础上，对未来综合系统可靠性发展做出展望，指出未来综合能源系统可靠性研究的方向。

1 常规单一能源系统可靠性评价研究

1.1 可靠性评价指标体系

可靠性评价指标体系构建是能源系统可靠性研究的基础。通过梳理单一能源系统可靠性评价指标，可以归纳出能够准确全面反映能源系统整体的可靠性评价指标，从而构建适用于不同场景的能源系统可靠性评价指标体系。

1.1.1 电力系统可靠性评价指标

目前电力系统的可靠性指标相对比较完善，体系较为健全。总体而言，电力系统可靠性评估对象可以分为设备元件、系统和用户三个方面。从电力系统元件角度来看主要包括了元件的故障率和修复率等指标；从电力系统整体来分析，主要有系统电力不足概率，系统电量不足期望等指标；而从用户的角度来分析，有用户平均停电时间和平均故障频率等指标。相关评价指标见表1[1-5]。

本世纪初，自微电网概念提出以来，微电网的可靠性评价也引起国内外学者的广泛关注。作为配电系统的重要补充形式，微电网接入配电系统，虽然有力促进整体电网的可靠性水平，但也带来很多不稳定因素。由于微电网系统分布式电源较多，负荷和频率不稳定，现有的电网可靠性指标不足以体现微网可靠性水平。总体而言，目前对于微电网可靠性指标主要围绕分布式电源的负荷特性、连接点的接入特性、储能装置、孤岛运行等几个方面来开展。相关评价指标见表2[6-8]。

1.1.2 供气系统可靠性评价指标

供气系统从结构上可以分为干线管网和区域性管网，同时有阀门和泵站等设备构成，其可靠性评价指标研究对象可以分为设备、管网系统和用户三方面。相关可靠性评价指标见表3[9-13]。

表3供气系统可靠性评价指标

1.1.3 供热系统可靠性评价指标

供热系统可靠性研究兴起于上世纪80年代，主要围绕设备原件、整个网络系统和用户等几个方面，相关可靠性评价指标见表4[14-17]。

表4供热系统可靠性评价指标

1.2 可靠性评价方法

在得到各单一供能系统可靠性评价指标的基础上，基于建立的可靠性评价模型，选取对应能源系统可靠性评价方法，旨在减少能源系统可靠性评估的干扰因素，准确反映系统可靠性，从而提高可靠性评估的计算精度和运算效率。

1.2.1 电力系统可靠性评价方法

电力系统可靠性研究早期采用的是基于概率论的比较法和因素分析法，随后因为精度、计算效率等因素的影响，采用模拟法中蒙特卡洛可靠性评价法居多。采用模拟法，精度得到保障，易于在计算机上操作，但是耗费时间；而解析法可以针对具体设备元件故障对电力系统可靠性产生的影响进行评价，不适用结构过于复杂的电力系统。

针对发电系统可靠性，文献[18]针对发电系统短期可靠性情况，提出一种基于马尔科夫链离散化的短期可靠性解析方法，拓宽了电力系统可靠性研究。鉴于发电系统负荷数据量大，建模复杂和计算效率问题，文献[19]在神经网络法的基础上改进了发电系统可靠性评价方法，提高了评价的精度和效率。文献[20]利用蒙特卡洛模拟法模拟了影响电力系统可靠性各个部分的因素，经案例验证所提方法有效性，有助于电力系统的可靠性规划。

配电网主要承担着电能传输的任务，配电网故障对电网可靠性影响较大，因此对配电网可靠性评估至关重要。文献[21]考虑了设备各元件对配电网可靠性影响，提出一种基于最小路的可靠性评价方法，有助于找到影响可靠性的因素。文献[22]考虑电压稳定，提出一种基于电力系统可靠性评估的大干扰概率电压稳定评估方法，直观反映系统的可靠与安全性能。由于影响配电网可靠性因素较多，文献[23]在对配电网进行可靠性评价时采用综合评判法，引入云模型，可以更详尽的描述配电网可靠性的 客观实际。

针对微电网，文献[24]建立了光伏、风电、分布式电源和储能可靠性评估模型，在蒙特卡洛时序模拟法的基础上改进了微电网的可靠性算法。为定量描述微电网在改善电能利用效率和可靠性方面的效果，文献[25]在传统故障模式影响分析法的基础上考虑了馈线容量约束。解析法和模拟法各有优缺点，文献[26] 建立了孤岛断电序列多状态模型，提出一种基于断电序列多状态模型的可靠性评估算法，相比于蒙特卡洛模拟法，运行稳定性好且效率高。文献[27]考虑到电网有功和无功功率平衡，用序贯蒙特卡洛对微网可靠性评价，解决了传统可靠性方法在分析电网供能质量方面的不足。

1.2.2 供气系统可靠性评价方法

早期供气系统可靠性评价研究主要采用概率统计为主，考虑影响因素较单一。随着供气管网系统的发展，考虑系统结构本身和系统运行影响因素增多，可靠性评价方法基于系统单元和外部影响变化，最常用的是蒙特卡洛模拟法。如今，重点关注于管网的故障预测和模拟效率的提高，使得对管网系统可靠性评价更精准。

文献[28]考虑到管网失效概率分布函数，根据故障树分析法提出针对管网输配系统用户可靠性评价方法。针对干线供气可靠性，文献[29]基于建立的气-网-调峰-用户动态分析模型，在管网水热力模拟的过程中，结合统计学对干线天然气管道进行可靠性评价。文献[30]将燃气管网看作可修复的，在考虑水力条件的基础上提出供气系统可靠性计算方法，使得供气可靠性评价符合实际。自然灾害对供气管网的可靠性影响很大，文献[31]将蒙特卡洛模拟法用于分析网络模型地震连接的可靠性，为城市燃气管网的灾害预测和改进方法提供借鉴。

1.2.3 供热系统可靠性评价方法

供热系统可靠性研究早期常采用专家评议法、安全检查法、故障树分析法等偏人工的评价方法，而后采用机器模拟热网运行，主要有解析法和蒙特卡洛法。目前基于故障影响分析法研究供热系统可靠性评价较为普遍。

文献[32]研究环状热网的同时考虑到元件故障和热网的水力故障影响，基于故障影响分析法对可修复多热源环状管网进行可靠性评价。文献[33]基于图论法，提出环状热网的拓扑重构法，可准确模拟故障工况热网。文献[34]提出了一种确定供热系统组件最佳可靠性参数的方法，使得热源和热网组件的可靠性得以联合优化。

2 多能耦合型综合能源系统可靠性研究

综合能源系统可靠性研究近几年才得到发展。可靠性评价指标研究一部分是参考电力系统进行改进和创新，以提高综合能源系统的可靠性评估。同时，考虑到不同能源设备运行对能源系统整体可靠性的影响，主要可靠性评价指标见表5。

表5多能耦合综合能源系统可靠性评价指标

关于电力-天然气耦合系统可靠性研究已经有了进一步的深入，文献[35]建立了气、电耦合系统的可靠性评估模型，用解析法对气、电耦合系统进行可靠性评价。考虑调度策略对电、气耦合系统可靠性的影响，文献[36]提出了一种快速分析方法来应对电力-燃气综合能源系统的可靠性评估。针对电-热耦合系统的可靠性评价，文献[37]提出了一种电热耦合系统的可靠性评估方法，并考虑了多种类型的综合需求响应。由于蒙特卡洛法无法研究设备随机故障的时序关联性，文献[38]提出基于马尔可夫过程蒙特卡洛法对综合能源系统可靠性。文献[39]提出了一种基于影响增量的状态枚举方法来评估综合能源系统的可靠性，有助于应对大型能源网络，提高计算效率和准确性。

3 结束语

文中在总结电/气/热网系统的可靠性指标和评价方法的基础上，对多能耦合综合能源系统可靠性研究也进行了分析。总体而言，随着综合能源理念的不断渗透，其可靠性研究也日趋深入。既有可靠性研究大多是针对既有系统，通过设定评价指标，构建评估模型，确立影响系统可靠性的关键因素，从而进行针对性改进。未来研究应该从源头出发，在综合能源系统规划初期即将可靠性因素纳入一体化规划体系，通过构建兼顾可靠性的优化模型，确立能达成一定可靠度的能源系统规划设计方案。从模型层面而言，既可以将可靠性指标作为优化模型的约束条件，亦可通过设定相应目标函数形成多目标优化模型。通过源头整合，有望进一步提升综合能源系统的可靠性。