多能源耦合系统中的连锁故障演变机理及防御策略研究

At present, the research on the integrated energy system is mainly focused on the static multi-energy flow model and its analysis at home and abroad. There are almost no studies on the coupling and interaction among the different energy flow sub-systems with heterogeneous time scales from the dynamic angle, and then the propagation model, mechanism and defense of cascading failures in multi-energy coupling system. First, this project aims at establishing the dynamic model during the transient process for multi-energy system by integrating energy flow models of all the energy sub-systems with the obvious differences in physical characteristics, dynamic time scales, research methods within a united frame and considering the dynamic process model of energy sub-systems with low respond speed. Second, the propagation model of cascading failure is built by using dynamic model of multi-energy flow and considering the anticipated disturbances and failures triggers set, hidden failures of the energy sub-systems, and cumulative effects of failures. With the model, the propagation law and evolution mechanism of cascading failures are discovered, and the critical energy nodes and branches are identified considering topological and operational characteristics. Finally, the defense strategies against the cascading failures are researched from several aspects, such as storage property of natural gas network, loading level of electricity branch, and topological evolution of multi-energy system. The research of this project will advance the fundamental theory regarding the safe operation of integrated energy system and the transformation and development of national energy industry.

目前国内外在综合能源系统的研究大多局限于多能源耦合系统的静态多能流模型与分析，从动态角度考虑具有异质时间尺度的不同能流系统间的耦合交互，并进而开展多能耦合系统间的连锁故障传播模型、机理、防御的研究几乎为空白。本课题拟针对多能耦合系统的暂态过程，通过将物理特性、动态时间尺度、研究方法差异显著的多个能源子系统的能流模型集成在多能源系统统一的框架下，考虑慢时间特性能源子系统的动态过程模型，进而通过能源耦合元件研究多能流动态模型；再基于考虑各能源子系统的预想扰动和事故触发集、隐性故障、故障累积效应，通过多能流动态模型建立连锁故障传播模型，从拓扑特性、运行特性等角度揭示连锁故障传播规律与演变机理、关键能源节点支路的辨识；最后从燃气管网储能特性、电线路负载率、多能系统拓扑演化等几个角度研究连锁故障防御策略。本课题的研究对于我国未来综合能源系统的安全运行、能源产业的转型和发展均具有重要的理论意义。

综合能源系统集成供电、供气、供热等能源子系统，多种能源的源-网-荷深度耦合、紧密互动。大量多源异构、耦合互补的能源系统之间的协调优化一方面能显著提高能源的综合利用效率，另一方面强耦合的多能源系统必然会增加连锁故障跨能源系统传播的风险。本项目主要围绕综合能源系统动态能流模型、综合能源系统利用气或热管网储能特性以平抑不确定性可再生能源的优化调控、气电耦合的综合能源系统中扰动或故障传播机理与损失评估、气电耦合的综合能源系统的基于非合作动态博弈的多步攻防策略等几方面展开研究。在如下方面取得研究进展：气电耦合的综合能源系统中，可以通过对气源节点的压强进行鲁棒优化，实现利用气管网的柔性平抑电网中不确定能源的预测误差，实现两个能源子系统间的优势互补、协同优化；在热电耦合的综合能源系统中，可以利用动态能流模型对热管网的储能特性进行量化描述，进而当电网具有分时电价时，利用热管网的储能实现整个能源系统的经济运行，同时可以充分利用热管网水温越限所允许的概率上界，平抑可再生能源的不确定预测误差，实现热网和电网子系统间的刚柔并济；在气电耦合的综合能源系统连锁故障中，对于决定可靠供电的决定因素，电网的冗余备用重要程度要高于燃气轮机引发的耦合，燃气压缩机消耗电功率的变化会影响电网潮流分布，但是由于其功率占比较小，影响不大，但当压缩机附近的某些相关支路重载运行时，电网的某些扰动或故障有可能引发压缩机失电，进而造成燃气发电机组强制退出，尤其是在电力系统线路重载时，会导致整个电网的崩溃；由于天然气传输的慢时间尺度特性，以及天然气管网的径向拓扑结构，在较短时间内调整气源压力的调度策略对提高气电耦合系统可靠性效果有限；在气电耦合的综合能源系统攻防博弈策略的研究中，在有限的攻防资源约束下，防御者会优先防御燃气发电机等能源耦合元件。上述研究成果对提升气热电耦合的综合能源系统运行的安全性、可靠性、经济性有重要的科学意义。