面向電 - 氣綜合能源系統(tǒng)的彈性提升策略與實踐研究

面向電-氣綜合能源系統(tǒng)的彈性提升策略與實踐研究一、引言1.1研究背景與意義在全球積極推動能源轉(zhuǎn)型的大背景下，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系已成為世界各國的共同目標。隨著能源需求的不斷增長和能源結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整，傳統(tǒng)單一的能源系統(tǒng)已難以滿足經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的需求。在此形勢下，電-氣綜合能源系統(tǒng)憑借其能源綜合利用效率高、靈活性強以及能夠有效促進可再生能源消納等優(yōu)勢，逐漸成為能源領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展方向。電-氣綜合能源系統(tǒng)通過電力和天然氣系統(tǒng)的耦合，實現(xiàn)了兩種能源形式的相互轉(zhuǎn)化與協(xié)同優(yōu)化，如燃氣輪機可將天然氣轉(zhuǎn)化為電能，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備則能將電能轉(zhuǎn)化為天然氣。這種多能互補的特性不僅提高了能源利用效率，還增強了能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。在能源轉(zhuǎn)型的進程中，可再生能源的大規(guī)模接入是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，風(fēng)電、太陽能等可再生能源具有顯著的間歇性和波動性，這給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。而電-氣綜合能源系統(tǒng)能夠通過天然氣系統(tǒng)的儲能特性和靈活調(diào)節(jié)能力，有效平抑可再生能源的波動，促進其大規(guī)模消納，為能源轉(zhuǎn)型提供了有力支撐。盡管電-氣綜合能源系統(tǒng)具備諸多優(yōu)勢，但在實際運行過程中，它面臨著來自內(nèi)外部的多重挑戰(zhàn)，對其彈性提出了嚴峻考驗。從外部來看，近年來，極端天氣事件如暴雨、颶風(fēng)、暴雪等頻繁發(fā)生，對能源基礎(chǔ)設(shè)施造成了嚴重破壞。例如，2021年美國得克薩斯州遭遇罕見暴風(fēng)雪，導(dǎo)致該地區(qū)的電力和天然氣供應(yīng)系統(tǒng)大面積癱瘓，大量用戶停電停氣，給社會經(jīng)濟和居民生活帶來了巨大損失。此外，蓄意攻擊等人為因素也可能對電-氣綜合能源系統(tǒng)造成嚴重威脅，破壞系統(tǒng)的正常運行。從內(nèi)部來說，電-氣綜合能源系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和不確定性，如電力和天然氣負荷的隨機變化、能源價格的波動以及設(shè)備故障等，也增加了系統(tǒng)運行的風(fēng)險和難度。在這樣的背景下，提升電-氣綜合能源系統(tǒng)的彈性具有至關(guān)重要的意義，這也是保障能源安全和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。一方面，提升系統(tǒng)彈性能夠增強其應(yīng)對極端事件和不確定性因素的能力，確保在各種不利情況下仍能為用戶提供可靠的能源供應(yīng)，保障社會經(jīng)濟的正常運轉(zhuǎn)。可靠的能源供應(yīng)是工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)活動和居民生活正常進行的基礎(chǔ)，一旦能源供應(yīng)中斷，將導(dǎo)致生產(chǎn)停滯、商業(yè)活動受阻，給社會帶來巨大的經(jīng)濟損失。另一方面，提高系統(tǒng)彈性有助于促進能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，推動能源轉(zhuǎn)型的順利進行。在可再生能源占比不斷提高的情況下，只有具備足夠彈性的能源系統(tǒng)，才能有效應(yīng)對可再生能源的間歇性和波動性，實現(xiàn)能源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。綜上所述，深入研究面向電-氣綜合能源系統(tǒng)的彈性提升方法，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。通過本研究，旨在為電-氣綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、運行和管理提供科學(xué)的理論依據(jù)和有效的技術(shù)手段，提高系統(tǒng)的彈性和可靠性，為能源安全和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性提升成為能源領(lǐng)域的研究熱點，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度展開了深入研究，取得了一系列有價值的成果。在國外，美國學(xué)者[具體姓名1]等人針對極端天氣下電力和天然氣系統(tǒng)的耦合運行問題，提出了一種考慮多能源系統(tǒng)協(xié)同的彈性優(yōu)化調(diào)度模型。該模型通過優(yōu)化燃氣機組和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的運行，實現(xiàn)了電力和天然氣系統(tǒng)之間的能量互補，有效提高了系統(tǒng)在極端情況下的能源供應(yīng)能力。例如，在颶風(fēng)災(zāi)害導(dǎo)致部分電力線路受損時，通過增加燃氣機組的發(fā)電出力，利用天然氣系統(tǒng)的儲能優(yōu)勢，維持了關(guān)鍵負荷的電力供應(yīng)，減少了停電時間和負荷損失。歐洲的研究團隊[具體團隊名稱1]則重點研究了電-氣綜合能源系統(tǒng)的韌性評估方法，建立了一套全面的韌性指標體系，涵蓋了系統(tǒng)的可靠性、恢復(fù)能力和適應(yīng)性等多個方面。通過對實際系統(tǒng)的案例分析，驗證了該指標體系的有效性，為系統(tǒng)韌性提升提供了科學(xué)的評估依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者在電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性提升方面也取得了豐碩的成果。文獻[具體文獻1]提出了一種基于分布魯棒優(yōu)化的電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性提升策略，充分考慮了能源價格波動、負荷不確定性等因素的影響。通過建立分布魯棒優(yōu)化模型，求解出在不同不確定性場景下的最優(yōu)調(diào)度方案，提高了系統(tǒng)應(yīng)對不確定性的能力，實現(xiàn)了能源的高效利用和供需平衡。文獻[具體文獻2]研究了利用天然氣網(wǎng)絡(luò)管存提升電-氣綜合能源系統(tǒng)韌性的方法。將系統(tǒng)的故障防御與恢復(fù)過程分為多個階段，分析了天然氣管存在各階段內(nèi)的作用并建立了相應(yīng)的管存利用模型。通過算例驗證，該方法能夠有效減小故障后系統(tǒng)的加權(quán)負荷切除量，提高系統(tǒng)運行的安全性和韌性。盡管國內(nèi)外在電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性提升方面已經(jīng)取得了一定的進展，但現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。一方面，大部分研究主要集中在單一的優(yōu)化方法或技術(shù)手段上，缺乏對多種方法和技術(shù)的綜合應(yīng)用。例如，在應(yīng)對極端事件時，往往只考慮了設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度，而忽視了網(wǎng)絡(luò)拓撲重構(gòu)、儲能配置等其他方面的協(xié)同作用。另一方面，對于電-氣綜合能源系統(tǒng)中復(fù)雜的不確定性因素，如可再生能源的間歇性、負荷的隨機性以及能源市場的波動性等，現(xiàn)有研究在建模和處理上還不夠完善。部分模型對不確定性因素的描述過于簡化，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果的可靠性和實用性受到一定影響。此外，目前的研究大多側(cè)重于理論分析和模型構(gòu)建，在實際工程應(yīng)用方面還存在一定的差距，缺乏對實際系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的深入分析和驗證。如何將理論研究成果有效地應(yīng)用到實際工程中，實現(xiàn)電-氣綜合能源系統(tǒng)的彈性提升，仍是需要進一步解決的問題。1.3研究方法與創(chuàng)新點為實現(xiàn)對電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性提升方法的深入研究，本研究綜合運用多種研究方法，從不同角度對系統(tǒng)進行分析與優(yōu)化。本研究采用案例分析法，收集和分析國內(nèi)外典型電-氣綜合能源系統(tǒng)的實際運行案例，如[具體案例名稱1]、[具體案例名稱2]等。通過對這些案例在正常運行狀態(tài)和遭受極端事件時的表現(xiàn)進行深入剖析，總結(jié)系統(tǒng)在運行過程中面臨的問題以及現(xiàn)有彈性提升措施的優(yōu)缺點，為后續(xù)研究提供實踐依據(jù)。以[具體案例名稱1]為例，詳細分析其在遭遇[具體極端事件]時，電力和天然氣系統(tǒng)的故障情況、負荷損失以及恢復(fù)過程，從中獲取系統(tǒng)彈性方面的關(guān)鍵信息，如故障傳播路徑、薄弱環(huán)節(jié)等，為模型構(gòu)建和策略制定提供實際參考。建模優(yōu)化法也是本研究的重要方法之一。針對電-氣綜合能源系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，建立考慮多種因素的數(shù)學(xué)模型，如電力系統(tǒng)的潮流模型、天然氣系統(tǒng)的管網(wǎng)模型以及電-氣耦合設(shè)備的運行模型等。在電力系統(tǒng)潮流模型中，考慮線路電阻、電抗、節(jié)點注入功率等因素，準確描述電力的傳輸和分配過程；天然氣系統(tǒng)管網(wǎng)模型則考慮管道的長度、直徑、粗糙度以及氣體的壓力、流量等參數(shù)，精確模擬天然氣的流動特性。通過這些模型，全面反映電-氣綜合能源系統(tǒng)的運行特性。同時，引入分布魯棒優(yōu)化、隨機優(yōu)化等先進的優(yōu)化算法，對模型進行求解，以確定系統(tǒng)在不同場景下的最優(yōu)運行策略，實現(xiàn)系統(tǒng)彈性的提升。利用分布魯棒優(yōu)化算法，在考慮能源價格波動、負荷不確定性等因素的情況下，求解出既能滿足系統(tǒng)運行約束，又能有效應(yīng)對不確定性的最優(yōu)調(diào)度方案，提高系統(tǒng)的抗風(fēng)險能力。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：提出了一種綜合考慮多種因素的電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性提升策略。該策略不僅考慮了電力和天然氣系統(tǒng)的協(xié)同運行，還充分考慮了可再生能源的接入、儲能設(shè)備的配置以及需求響應(yīng)等因素的影響。通過優(yōu)化電力和天然氣的生產(chǎn)、傳輸、分配和消費過程，實現(xiàn)系統(tǒng)在不同工況下的高效運行和彈性提升。在制定策略時，將可再生能源的間歇性和波動性納入考慮范圍，通過合理配置儲能設(shè)備和實施需求響應(yīng)措施，平抑可再生能源的波動，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在建模過程中，建立了更加準確和完善的電-氣綜合能源系統(tǒng)不確定性模型。采用更加先進的概率分布和不確定性集合描述方法，充分考慮能源價格波動、負荷變化、可再生能源出力不確定性等多種不確定性因素之間的相關(guān)性和耦合性，提高模型的準確性和可靠性。運用Copula函數(shù)等方法來描述不同不確定性因素之間的相關(guān)性，使模型能夠更真實地反映系統(tǒng)的實際運行情況，為優(yōu)化決策提供更可靠的依據(jù)。本研究還將人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)優(yōu)化方法相結(jié)合，提出了一種新的求解算法。利用深度學(xué)習(xí)算法對大量的歷史數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)和分析，預(yù)測能源需求、可再生能源出力等關(guān)鍵變量的變化趨勢，為優(yōu)化算法提供更準確的輸入信息。將深度學(xué)習(xí)算法預(yù)測的結(jié)果作為優(yōu)化算法的初始值或約束條件，提高優(yōu)化算法的求解效率和精度，實現(xiàn)對復(fù)雜電-氣綜合能源系統(tǒng)模型的快速、準確求解。二、電-氣綜合能源系統(tǒng)概述2.1系統(tǒng)構(gòu)成與運行原理電-氣綜合能源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的能源體系，由電力子系統(tǒng)、天然氣子系統(tǒng)以及耦合設(shè)備構(gòu)成，各部分相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同工作，實現(xiàn)能源的高效利用和優(yōu)化配置。電力子系統(tǒng)是電-氣綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責(zé)電能的生產(chǎn)、傳輸、分配和消費。在電能生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包含多種發(fā)電方式，如火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及核能發(fā)電等。不同的發(fā)電方式具有各自的特點和優(yōu)勢，火力發(fā)電通過燃燒化石燃料將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有發(fā)電穩(wěn)定、可控性強的特點，能夠在電力需求高峰時提供可靠的電力支持；風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電則屬于可再生能源發(fā)電，具有清潔、環(huán)保的優(yōu)點，有助于減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低碳排放，但受自然條件影響較大，具有間歇性和波動性。在傳輸環(huán)節(jié)，通過高壓輸電線路將發(fā)電廠產(chǎn)生的電能輸送到各個地區(qū)，實現(xiàn)電能的遠距離傳輸。高壓輸電能夠有效降低輸電過程中的電能損耗，提高輸電效率。在分配環(huán)節(jié)，通過變電站將高壓電能轉(zhuǎn)換為適合用戶使用的低壓電能，并通過配電網(wǎng)將電能分配到各個用戶端，滿足不同用戶的用電需求。天然氣子系統(tǒng)主要負責(zé)天然氣的開采、輸送、儲存和消費。在開采環(huán)節(jié)，通過勘探和開采技術(shù)從地下獲取天然氣資源。輸送環(huán)節(jié)主要依靠長距離輸氣管道，將天然氣從產(chǎn)地輸送到各個城市和地區(qū)。長距離輸氣管道具有輸送量大、成本低的優(yōu)勢，是天然氣輸送的主要方式。在城市內(nèi)部，通過中低壓配氣管網(wǎng)將天然氣分配到各個用戶，包括居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶等。天然氣儲存對于保障天然氣供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義，常見的儲存方式有地下儲氣庫、液化天然氣儲罐等。地下儲氣庫利用地下的天然洞穴或人工構(gòu)造物儲存天然氣，儲存量大，能夠在天然氣供應(yīng)緊張時起到調(diào)節(jié)作用；液化天然氣儲罐則將天然氣冷卻至低溫狀態(tài)，使其變?yōu)橐簯B(tài)，便于儲存和運輸。耦合設(shè)備是實現(xiàn)電力子系統(tǒng)和天然氣子系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換和協(xié)同運行的關(guān)鍵部件，常見的耦合設(shè)備包括燃氣輪機、電轉(zhuǎn)氣（Power-to-Gas，P2G）設(shè)備等。燃氣輪機以天然氣為燃料，通過燃燒天然氣產(chǎn)生高溫高壓的燃氣，推動輪機旋轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)了天然氣到電能的轉(zhuǎn)換。燃氣輪機具有啟動迅速、調(diào)節(jié)靈活的特點，能夠快速響應(yīng)電力系統(tǒng)的負荷變化，在電力系統(tǒng)中起到調(diào)峰和備用電源的作用。例如，在夏季用電高峰時，燃氣輪機可以快速啟動，增加發(fā)電出力，滿足電力需求。電轉(zhuǎn)氣設(shè)備則是將電能轉(zhuǎn)化為天然氣，主要通過電解水制氫和甲烷化反應(yīng)兩個過程實現(xiàn)。首先，利用電能將水分解為氫氣和氧氣，然后將氫氣與二氧化碳在催化劑的作用下進行甲烷化反應(yīng)，生成甲烷（即天然氣的主要成分）。電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的應(yīng)用為電力系統(tǒng)的多余電能提供了一種有效的存儲方式，通過將電能轉(zhuǎn)化為天然氣儲存起來，在需要時再將天然氣轉(zhuǎn)化為電能或熱能，實現(xiàn)了能源的跨時間和空間轉(zhuǎn)移，提高了能源利用的靈活性和效率。電-氣綜合能源系統(tǒng)的運行原理基于能量守恒定律和能源轉(zhuǎn)換原理，通過各子系統(tǒng)和耦合設(shè)備之間的協(xié)同工作，實現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)換和利用。在正常運行狀態(tài)下，根據(jù)電力和天然氣的需求預(yù)測，合理安排發(fā)電設(shè)備和產(chǎn)氣設(shè)備的運行，確保能源的供需平衡。當電力需求增加時，優(yōu)先啟動高效的發(fā)電設(shè)備，如燃氣輪機、水力發(fā)電機組等，增加發(fā)電出力；同時，根據(jù)天然氣供應(yīng)情況，調(diào)整天然氣的輸送和分配，保障燃氣輪機的燃料供應(yīng)。當電力需求減少且存在多余電能時，利用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備將多余電能轉(zhuǎn)化為天然氣儲存起來，以備后續(xù)使用。在天然氣需求高峰時，除了增加天然氣的開采和輸送量外，還可以通過調(diào)整燃氣輪機的運行，將儲存的天然氣轉(zhuǎn)化為電能，滿足電力需求，實現(xiàn)能源的互補利用。例如，在一個典型的工業(yè)園區(qū)電-氣綜合能源系統(tǒng)中，白天工業(yè)生產(chǎn)用電需求較大，此時燃氣輪機啟動，利用天然氣發(fā)電，滿足部分電力需求；同時，太陽能光伏發(fā)電板也將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并入電網(wǎng)。晚上工業(yè)生產(chǎn)用電需求減少，但居民生活用氣需求增加，此時電轉(zhuǎn)氣設(shè)備利用夜間低谷電價時段的多余電能制取天然氣，儲存到儲氣設(shè)施中，供居民使用。通過這樣的協(xié)同運行，實現(xiàn)了電力和天然氣的優(yōu)化配置，提高了能源利用效率，降低了能源成本。2.2系統(tǒng)特點與優(yōu)勢電-氣綜合能源系統(tǒng)具有能源互補、高效利用等顯著特點，這些特點使其在能源利用效率、可靠性等方面展現(xiàn)出相較于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢。能源互補是電-氣綜合能源系統(tǒng)的核心特點之一。在該系統(tǒng)中，電力和天然氣兩種能源形式相互補充，通過耦合設(shè)備實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)換。當電力系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電充裕時，可利用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備將多余電能轉(zhuǎn)化為天然氣儲存起來，從而有效解決可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性問題，提高能源的穩(wěn)定性和可靠性。當天然氣供應(yīng)充足且價格相對較低時，可通過燃氣輪機將天然氣轉(zhuǎn)化為電能，滿足電力需求，實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置。在一個包含風(fēng)電場和天然氣氣源的電-氣綜合能源系統(tǒng)中，在風(fēng)力資源豐富的時段，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生大量電能，除滿足本地負荷需求外，剩余電能可用于驅(qū)動電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)化為天然氣儲存于儲氣設(shè)施中。在風(fēng)力較弱或無風(fēng)時段，儲存的天然氣則可用于燃氣輪機發(fā)電，保障電力供應(yīng)的連續(xù)性。該系統(tǒng)通過能源的梯級利用和協(xié)同優(yōu)化運行，顯著提高了能源利用效率。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，電力和天然氣通常獨立生產(chǎn)和供應(yīng)，能源轉(zhuǎn)換過程中存在大量的能量損耗。而電-氣綜合能源系統(tǒng)通過合理規(guī)劃和調(diào)度，實現(xiàn)了能源的多級利用。以燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)為例，燃氣輪機燃燒天然氣發(fā)電后，排出的高溫廢氣中仍含有大量熱能，通過余熱回收裝置將這些熱能用于供熱或制冷，實現(xiàn)了能源的梯級利用，提高了能源的綜合利用效率。與傳統(tǒng)的單一發(fā)電和供熱方式相比，燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率可提高20%-30%，有效減少了能源浪費。電-氣綜合能源系統(tǒng)的能源供應(yīng)可靠性也得到了顯著提升。通過電力和天然氣系統(tǒng)的相互支撐，當其中一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障或供應(yīng)不足時，另一個系統(tǒng)可以迅速補充，保障能源的穩(wěn)定供應(yīng)。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致部分地區(qū)停電時，燃氣輪機可以利用天然氣繼續(xù)發(fā)電，為關(guān)鍵負荷提供電力支持；反之，當天然氣供應(yīng)受阻時，可通過調(diào)整電力系統(tǒng)的發(fā)電計劃，增加其他發(fā)電方式的出力，滿足天然氣生產(chǎn)和輸送所需的電力，確保天然氣系統(tǒng)的正常運行。在2017年英國倫敦的一次電力系統(tǒng)故障中，當?shù)氐碾?氣綜合能源系統(tǒng)迅速啟動燃氣輪機發(fā)電，保障了醫(yī)院、交通樞紐等重要用戶的電力供應(yīng)，減少了停電對社會生產(chǎn)和生活的影響。該系統(tǒng)還具備良好的靈活性和可擴展性。隨著能源需求的變化和技術(shù)的發(fā)展，電-氣綜合能源系統(tǒng)可以方便地進行擴展和升級，通過增加發(fā)電設(shè)備、儲能裝置或耦合設(shè)備，提高系統(tǒng)的能源供應(yīng)能力和靈活性?？筛鶕?jù)實際需求增加電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的規(guī)模，提高系統(tǒng)對可再生能源的消納能力；或增加儲能設(shè)施，進一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，系統(tǒng)還能夠靈活適應(yīng)不同的能源市場環(huán)境和政策要求，通過優(yōu)化能源配置和運行策略，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的最大化。電-氣綜合能源系統(tǒng)在促進可再生能源消納方面具有重要作用。隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾?，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比逐漸提高。然而，可再生能源的間歇性和波動性給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)。電-氣綜合能源系統(tǒng)通過電轉(zhuǎn)氣等技術(shù)，將可再生能源產(chǎn)生的多余電能轉(zhuǎn)化為天然氣儲存起來，實現(xiàn)了可再生能源的跨時間存儲和利用，有效促進了可再生能源的大規(guī)模接入和消納。在一些風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，通過建設(shè)電-氣綜合能源系統(tǒng)，將棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)化為天然氣，不僅減少了能源浪費，還提高了能源利用的靈活性和可持續(xù)性。2.3發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢目前，電-氣綜合能源系統(tǒng)在國內(nèi)外均得到了廣泛關(guān)注和積極發(fā)展，在理論研究和實際應(yīng)用方面都取得了一定的成果。在國外，歐洲一直是綜合能源系統(tǒng)領(lǐng)域的先行者，眾多國家積極推動電-氣綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。德國的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略中，電-氣綜合能源系統(tǒng)占據(jù)重要地位，通過大力發(fā)展可再生能源和提高能源利用效率，實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。德國在哈茨地區(qū)建設(shè)的綜合能源項目，整合了風(fēng)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電以及天然氣儲能等多種能源形式，通過智能電網(wǎng)和天然氣管道的協(xié)同運行，實現(xiàn)了能源的高效供應(yīng)和靈活調(diào)配，有效提高了能源供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性。英國則在社區(qū)層面積極推廣分布式綜合能源系統(tǒng)，通過能源系統(tǒng)間能量流的集成，實現(xiàn)能源的本地化生產(chǎn)和消費，降低能源傳輸損耗。英國的能源與氣候變化部（DECC）和創(chuàng)新代理機構(gòu)（InnovateUK）與企業(yè)合作，資助了大量區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的研究和應(yīng)用項目，取得了顯著的成效。美國在電-氣綜合能源系統(tǒng)的理論研究和技術(shù)研發(fā)方面投入巨大，旨在提高清潔能源比重和供能系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性。美國的一些綜合能源項目，通過運用先進的能源管理系統(tǒng)和智能控制技術(shù)，實現(xiàn)了電力和天然氣系統(tǒng)的實時監(jiān)測與優(yōu)化調(diào)度，有效提升了系統(tǒng)的運行效率和響應(yīng)速度。此外，美國還在積極探索能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電-氣綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，實現(xiàn)能源信息的互聯(lián)互通和共享，為能源系統(tǒng)的智能化運行提供支持。在國內(nèi)，隨著能源轉(zhuǎn)型的加速和“雙碳”目標的提出，電-氣綜合能源系統(tǒng)迎來了重要的發(fā)展機遇。國家出臺了一系列政策支持綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展，推動能源的清潔化、高效化利用。在一些工業(yè)園區(qū)和大型商業(yè)綜合體，電-氣綜合能源系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。例如，某工業(yè)園區(qū)構(gòu)建了以燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)為核心的電-氣綜合能源系統(tǒng)，利用天然氣發(fā)電產(chǎn)生的余熱為園區(qū)內(nèi)的企業(yè)提供供熱和制冷服務(wù)，實現(xiàn)了能源的梯級利用，大幅提高了能源利用效率。同時，國內(nèi)企業(yè)和科研機構(gòu)在電-氣綜合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面也取得了重要突破，如分布式能源技術(shù)、儲能技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，為系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。展望未來，電-氣綜合能源系統(tǒng)在技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展方面具有廣闊的發(fā)展空間。在技術(shù)創(chuàng)新方面，隨著可再生能源技術(shù)的不斷進步，風(fēng)電、太陽能發(fā)電等可再生能源在電-氣綜合能源系統(tǒng)中的占比將進一步提高，這將促使系統(tǒng)在可再生能源消納和儲能技術(shù)方面取得更大突破。研發(fā)高效的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)和大容量的儲能設(shè)備，以解決可再生能源的間歇性和波動性問題，實現(xiàn)能源的穩(wěn)定供應(yīng)。人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)將與電-氣綜合能源系統(tǒng)深度融合，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化、精細化管理。利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)能源負荷的精準預(yù)測和設(shè)備的智能運維，通過大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化能源調(diào)度策略，借助區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)能源交易的安全、透明和可信。在應(yīng)用拓展方面，電-氣綜合能源系統(tǒng)將從工業(yè)園區(qū)、商業(yè)綜合體等特定區(qū)域向城市、區(qū)域乃至全國范圍擴展，實現(xiàn)能源的跨區(qū)域優(yōu)化配置和協(xié)同供應(yīng)。隨著能源市場的逐步開放，電-氣綜合能源系統(tǒng)將參與到電力市場、天然氣市場等多種能源市場的交易中，通過市場機制實現(xiàn)能源資源的高效配置，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和競爭力。電-氣綜合能源系統(tǒng)還將與交通、工業(yè)等其他領(lǐng)域深度融合，推動能源的綜合利用和產(chǎn)業(yè)升級。在交通領(lǐng)域，發(fā)展電動汽車與電-氣綜合能源系統(tǒng)的互動，實現(xiàn)電動汽車的有序充電和放電，為能源系統(tǒng)提供靈活的調(diào)節(jié)能力；在工業(yè)領(lǐng)域，根據(jù)工業(yè)企業(yè)的能源需求特點，優(yōu)化電-氣綜合能源系統(tǒng)的配置和運行，實現(xiàn)能源的定制化供應(yīng)，提高工業(yè)生產(chǎn)的能源利用效率。三、電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性需求分析3.1彈性的概念與內(nèi)涵在電-氣綜合能源系統(tǒng)中，彈性是指系統(tǒng)在面對各種內(nèi)外部擾動和不確定性因素時，能夠維持自身穩(wěn)定運行、保障能源可靠供應(yīng)，并快速恢復(fù)到正?；蚩山邮苓\行狀態(tài)的能力。這一概念涵蓋了系統(tǒng)在不同階段的多種能力表現(xiàn)，對于理解和提升電-氣綜合能源系統(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。從應(yīng)對突發(fā)事件的角度來看，電-氣綜合能源系統(tǒng)可能面臨自然災(zāi)害、設(shè)備故障、人為攻擊等多種突發(fā)事件的威脅。在面對自然災(zāi)害如地震、洪水、颶風(fēng)時，系統(tǒng)的能源生產(chǎn)設(shè)施、傳輸網(wǎng)絡(luò)等可能遭受嚴重破壞。2011年日本發(fā)生的東日本大地震，導(dǎo)致福島第一核電站事故，不僅造成了嚴重的核泄漏災(zāi)難，還對當?shù)丶爸苓叺貐^(qū)的電力和天然氣供應(yīng)系統(tǒng)造成了巨大沖擊，大面積停電停氣，給社會經(jīng)濟和居民生活帶來了長期的負面影響。設(shè)備故障也是常見的突發(fā)事件，如電力系統(tǒng)中的變壓器故障、輸電線路短路，天然氣系統(tǒng)中的壓縮機故障、管道泄漏等，都可能導(dǎo)致能源供應(yīng)中斷或減少。人為攻擊包括惡意破壞能源設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致系統(tǒng)控制失靈等，這些都對系統(tǒng)的正常運行構(gòu)成嚴重威脅。具備彈性的電-氣綜合能源系統(tǒng)能夠在突發(fā)事件發(fā)生時，迅速啟動應(yīng)急響應(yīng)機制，采取有效的防御措施，降低事件對系統(tǒng)的影響程度。通過合理調(diào)整能源生產(chǎn)和分配計劃，優(yōu)先保障關(guān)鍵負荷的能源供應(yīng)，維持社會基本功能的正常運轉(zhuǎn)。在電力系統(tǒng)部分線路因自然災(zāi)害受損時，可及時調(diào)整發(fā)電計劃，增加其他正常線路的輸電能力，同時啟動備用電源，如燃氣輪機發(fā)電，為重要用戶提供電力支持；在天然氣系統(tǒng)中，當管道出現(xiàn)泄漏時，能夠快速定位并隔離故障點，通過調(diào)節(jié)其他氣源和管網(wǎng)壓力，保障下游用戶的用氣需求。維持供需平衡是電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性的另一個重要內(nèi)涵。能源需求在不同時間段和不同季節(jié)具有顯著的波動性。在夏季高溫時段，空調(diào)負荷大幅增加，導(dǎo)致電力需求急劇上升；冬季供暖季節(jié)，天然氣需求則會大幅增長。而能源供應(yīng)方面，受到能源資源的可獲取性、能源生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)以及能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的限制等因素影響，也存在不確定性?？稍偕茉窗l(fā)電如風(fēng)電和太陽能發(fā)電，其出力受到自然條件的制約，具有明顯的間歇性和波動性。彈性良好的電-氣綜合能源系統(tǒng)能夠通過有效的需求響應(yīng)措施和能源優(yōu)化調(diào)度策略，實現(xiàn)能源供需的動態(tài)平衡。通過實施彈性電價政策，引導(dǎo)用戶在電力需求高峰時段減少用電，在低谷時段增加用電，從而削峰填谷，平抑電力負荷曲線；利用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和儲能裝置，將多余的電能轉(zhuǎn)化為天然氣儲存起來，或者將電能儲存起來，在能源需求高峰時釋放，以滿足負荷需求，實現(xiàn)能源在時間和空間上的優(yōu)化配置，保障能源供需的穩(wěn)定平衡。3.2彈性需求的來源與驅(qū)動因素電-氣綜合能源系統(tǒng)的彈性需求主要源于系統(tǒng)運行過程中面臨的各種不確定性和潛在風(fēng)險，這些因素可能導(dǎo)致能源供應(yīng)中斷、供需失衡以及系統(tǒng)運行效率下降等問題，進而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生威脅。極端天氣是引發(fā)彈性需求的重要外部因素之一。隨著全球氣候變化，極端天氣事件的發(fā)生頻率和強度呈上升趨勢，對電-氣綜合能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施和運行造成了嚴重影響。暴雨可能引發(fā)洪澇災(zāi)害，沖毀電力變電站和天然氣管道，導(dǎo)致能源供應(yīng)中斷；颶風(fēng)的強風(fēng)可能破壞輸電線路和天然氣設(shè)施，影響能源的傳輸和分配；暴雪會使輸電線路結(jié)冰，增加線路負荷，甚至導(dǎo)致線路斷裂，同時也會影響天然氣的輸送，造成供氣不足。2020年美國南部地區(qū)遭遇極寒天氣，導(dǎo)致天然氣供應(yīng)緊張，電力系統(tǒng)中的燃氣發(fā)電機組因缺乏燃料而無法正常運行，大量用戶停電，凸顯了極端天氣對電-氣綜合能源系統(tǒng)的巨大沖擊，使得系統(tǒng)對彈性的需求大幅增加。能源價格波動也是驅(qū)動彈性需求的關(guān)鍵因素。能源市場受到全球政治、經(jīng)濟、地緣政治等多種因素的影響，價格波動頻繁且劇烈。電力和天然氣價格的波動不僅會影響能源生產(chǎn)企業(yè)的成本和收益，還會對用戶的能源消費行為產(chǎn)生影響，進而導(dǎo)致能源供需關(guān)系的變化。當天然氣價格上漲時，燃氣發(fā)電成本增加，電力生產(chǎn)企業(yè)可能會減少燃氣發(fā)電，轉(zhuǎn)而增加其他發(fā)電方式的出力，這可能導(dǎo)致電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和電力供需的不平衡。對于用戶來說，能源價格的波動會促使他們調(diào)整能源消費策略，在價格高時減少能源使用，在價格低時增加使用，這種消費行為的變化對電-氣綜合能源系統(tǒng)的運行和調(diào)度提出了更高的要求，需要系統(tǒng)具備更強的彈性來應(yīng)對能源價格波動帶來的不確定性。設(shè)備故障是系統(tǒng)內(nèi)部引發(fā)彈性需求的常見因素。電-氣綜合能源系統(tǒng)包含大量的設(shè)備，如發(fā)電設(shè)備、輸電線路、變壓器、燃氣輪機、壓縮機、管道等，這些設(shè)備在長期運行過程中，由于老化、磨損、操作不當、維護不及時等原因，可能會發(fā)生故障。電力系統(tǒng)中的變壓器故障可能導(dǎo)致局部停電，影響電力的正常供應(yīng)；天然氣系統(tǒng)中的壓縮機故障會影響天然氣的輸送壓力和流量，導(dǎo)致供氣不穩(wěn)定。設(shè)備故障不僅會直接影響能源的生產(chǎn)和供應(yīng)，還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的其他部分出現(xiàn)故障，進一步加劇能源供應(yīng)的緊張局勢，因此需要系統(tǒng)具備彈性，能夠在設(shè)備故障時迅速采取措施，保障能源的可靠供應(yīng)。可再生能源的大規(guī)模接入也對電-氣綜合能源系統(tǒng)的彈性提出了挑戰(zhàn)。風(fēng)電、太陽能等可再生能源具有間歇性和波動性的特點，其發(fā)電出力受到自然條件的制約，如風(fēng)力的大小、光照的強度等，難以準確預(yù)測。這使得可再生能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中的占比增加時，會導(dǎo)致電力供應(yīng)的不確定性增大，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來困難。當風(fēng)力突然減弱或太陽能輻射強度降低時，可再生能源發(fā)電出力大幅下降，可能導(dǎo)致電力供需失衡，需要系統(tǒng)通過其他能源形式或儲能設(shè)備來補充電力供應(yīng)，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，這就要求電-氣綜合能源系統(tǒng)具備更強的彈性來適應(yīng)可再生能源的接入。電力和天然氣負荷的隨機變化也是產(chǎn)生彈性需求的重要原因。能源需求受到多種因素的影響，如季節(jié)變化、時間變化、經(jīng)濟發(fā)展、居民生活習(xí)慣等，具有很強的隨機性和不確定性。在夏季高溫時段，空調(diào)負荷大幅增加，導(dǎo)致電力需求急劇上升；冬季供暖季節(jié)，天然氣需求則會大幅增長。不同用戶的用電和用氣需求也存在差異，工業(yè)用戶的能源需求通常較大且相對穩(wěn)定，而居民用戶的能源需求則更加分散和隨機。這種負荷的隨機變化要求電-氣綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)整能源生產(chǎn)和供應(yīng)，以滿足不同用戶的需求，確保能源供需的平衡，從而產(chǎn)生了對彈性的需求。3.3彈性需求對系統(tǒng)運行的影響彈性需求對電-氣綜合能源系統(tǒng)運行的影響廣泛而深遠，涉及系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性等多個關(guān)鍵方面，這些影響既相互關(guān)聯(lián)又相互制約，共同塑造了系統(tǒng)的運行特性。在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，彈性需求能夠通過多種方式發(fā)揮積極作用。當系統(tǒng)面臨電力或天然氣負荷的突然變化時，彈性需求響應(yīng)機制可以迅速調(diào)整用戶的能源消費行為，從而有效緩解能源供需的不平衡狀態(tài)，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在夏季高溫時段，空調(diào)負荷的急劇增加可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)負荷迅速攀升，接近甚至超過系統(tǒng)的供電能力，此時，通過實施彈性電價策略，提高高峰時段的電價，激勵用戶減少空調(diào)使用或調(diào)整使用時間，可降低電力系統(tǒng)的峰值負荷，避免因負荷過高導(dǎo)致的電壓波動、頻率不穩(wěn)定等問題，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。彈性需求還可以通過與儲能系統(tǒng)的協(xié)同作用，進一步增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)能夠在能源供應(yīng)過剩時儲存能量，在能源需求高峰時釋放能量，與彈性需求響應(yīng)相結(jié)合，可實現(xiàn)對能源供需的精準調(diào)節(jié)，減少系統(tǒng)的波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。可靠性是衡量電-氣綜合能源系統(tǒng)性能的重要指標，彈性需求對其有著顯著的提升作用。通過需求側(cè)管理措施，如可中斷負荷、可平移負荷等，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或能源供應(yīng)不足時，能夠及時調(diào)整用戶的能源需求，優(yōu)先保障關(guān)鍵負荷的能源供應(yīng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。在電力系統(tǒng)發(fā)生局部故障導(dǎo)致部分地區(qū)停電時，可通過與用戶簽訂可中斷負荷協(xié)議，在緊急情況下暫時中斷部分非關(guān)鍵用戶的電力供應(yīng)，將有限的電力資源優(yōu)先分配給醫(yī)院、消防、交通樞紐等重要用戶，確保這些關(guān)鍵負荷的正常運行，減少停電對社會生產(chǎn)和生活的影響。天然氣系統(tǒng)中，通過引導(dǎo)用戶調(diào)整用氣時間和用氣量，可在天然氣供應(yīng)緊張時保障居民生活和重要工業(yè)用戶的用氣需求，提高天然氣供應(yīng)的可靠性。從經(jīng)濟性角度來看，彈性需求對電-氣綜合能源系統(tǒng)的運行成本和經(jīng)濟效益產(chǎn)生著重要影響。一方面，彈性需求可以通過優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)和時間分布，降低系統(tǒng)的運行成本。通過實施分時電價政策，引導(dǎo)用戶在電力低谷時段增加用電，此時電力供應(yīng)充足且發(fā)電成本較低，可充分利用系統(tǒng)的發(fā)電能力，減少發(fā)電設(shè)備的閑置，降低發(fā)電成本；同時，在天然氣系統(tǒng)中，通過合理安排用戶的用氣時間，可避免天然氣供應(yīng)高峰時段的管網(wǎng)壓力過高，減少天然氣輸送過程中的損耗和壓縮機的能耗，降低天然氣的輸送成本。另一方面，彈性需求還可以為用戶帶來經(jīng)濟效益。用戶通過參與需求響應(yīng)，根據(jù)電價和氣價的變化調(diào)整能源消費行為，可降低自身的能源費用支出。對于工業(yè)用戶來說，合理利用彈性需求響應(yīng)，優(yōu)化生產(chǎn)流程的能源使用時間，不僅可以降低能源成本，還可以提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。然而，彈性需求在實際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)，可能對系統(tǒng)運行產(chǎn)生一定的負面影響。用戶參與彈性需求響應(yīng)的積極性和響應(yīng)能力存在差異，部分用戶可能由于對需求響應(yīng)政策不了解、設(shè)備不具備調(diào)節(jié)能力或擔(dān)心影響自身生產(chǎn)生活等原因，難以有效參與需求響應(yīng)，這將影響彈性需求響應(yīng)的效果，進而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性產(chǎn)生不利影響。彈性需求響應(yīng)的實施需要建立完善的通信和控制技術(shù)體系，以實現(xiàn)對用戶能源消費行為的實時監(jiān)測和精準控制。如果通信和控制技術(shù)不完善，可能導(dǎo)致信息傳輸延遲、控制指令不準確等問題，影響彈性需求響應(yīng)的及時性和準確性，增加系統(tǒng)運行的風(fēng)險。四、彈性提升方法與策略4.1基于分布魯棒優(yōu)化的策略4.1.1分布魯棒優(yōu)化原理分布魯棒優(yōu)化是一種融合了魯棒優(yōu)化與隨機優(yōu)化思想的先進優(yōu)化方法，旨在應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)中廣泛存在的不確定性因素。在傳統(tǒng)的優(yōu)化方法中，隨機優(yōu)化通常假設(shè)不確定性因素服從已知的概率分布，通過對概率分布的精確描述來求解最優(yōu)解。但在實際應(yīng)用場景中，獲取準確的概率分布信息往往面臨諸多困難，且系統(tǒng)可能受到多種復(fù)雜因素的綜合影響，導(dǎo)致概率分布難以精確確定。魯棒優(yōu)化則側(cè)重于在不確定性集合內(nèi)尋找一個對所有可能情況都具有較好適應(yīng)性的解，其不依賴于概率分布的具體形式，更關(guān)注解在最壞情況下的性能表現(xiàn)。然而，這種方法有時會因過于保守而導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果在實際應(yīng)用中缺乏一定的經(jīng)濟性和靈活性。分布魯棒優(yōu)化巧妙地結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，它并不依賴于對不確定性因素的精確概率分布假設(shè)，而是通過構(gòu)建一個包含多種可能概率分布的模糊集來描述不確定性。在這個模糊集中，各種概率分布被視為同等重要的可能性，通過考慮在模糊集內(nèi)所有可能概率分布下的最壞情況，來尋求一個既具有一定魯棒性又能適應(yīng)不同概率分布情況的優(yōu)化解。這種方法在一定程度上平衡了魯棒性和經(jīng)濟性，既避免了隨機優(yōu)化對精確概率分布的依賴，又克服了魯棒優(yōu)化過于保守的缺點。分布魯棒優(yōu)化的基本原理可以通過數(shù)學(xué)模型來具體闡述。假設(shè)存在一個優(yōu)化問題，其目標函數(shù)為f(x,\xi)，其中x是決策變量，\xi是不確定性因素。傳統(tǒng)的隨機優(yōu)化問題通常表示為：\min_{x}\mathbb{E}_{\xi\sim\mathbb{P}}[f(x,\xi)]其中\(zhòng)mathbb{P}是不確定性因素\xi的已知概率分布，\mathbb{E}_{\xi\sim\mathbb{P}}[\cdot]表示在概率分布\mathbb{P}下的期望。而分布魯棒優(yōu)化問題則表示為：\min_{x}\max_{\mathbb{P}\in\mathcal{P}}\mathbb{E}_{\xi\sim\mathbb{P}}[f(x,\xi)]其中\(zhòng)mathcal{P}是一個包含多種可能概率分布的模糊集。這意味著在分布魯棒優(yōu)化中，需要在模糊集\mathcal{P}內(nèi)找到一個概率分布，使得目標函數(shù)的期望值在該分布下達到最大，然后再對決策變量x進行優(yōu)化，以最小化這個最大期望值。通過這種方式，分布魯棒優(yōu)化能夠在不同的不確定性場景下，找到一個相對穩(wěn)健且適應(yīng)性強的優(yōu)化解，有效提升系統(tǒng)應(yīng)對不確定性的能力。4.1.2策略設(shè)計與模型構(gòu)建基于分布魯棒優(yōu)化的原理，針對電-氣綜合能源系統(tǒng)的特點和彈性需求，設(shè)計以下彈性提升策略。在能源供應(yīng)側(cè)，充分考慮電力和天然氣供應(yīng)的不確定性，通過優(yōu)化發(fā)電設(shè)備和產(chǎn)氣設(shè)備的運行，實現(xiàn)能源的可靠供應(yīng)。在面對電力需求的不確定性時，合理安排各類發(fā)電設(shè)備的出力，包括火力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及燃氣輪機發(fā)電等，確保在不同的電力需求場景下都能滿足負荷需求。同時，考慮天然氣供應(yīng)的不確定性，優(yōu)化天然氣的開采、輸送和儲存策略，保障燃氣輪機等設(shè)備的燃料供應(yīng)。在能源需求側(cè)，引入需求響應(yīng)機制，根據(jù)能源價格和系統(tǒng)運行狀態(tài)，引導(dǎo)用戶調(diào)整用電和用氣行為，實現(xiàn)能源的高效利用。通過實施分時電價政策，在電力需求高峰時段提高電價，鼓勵用戶減少非必要的用電需求，如調(diào)整工業(yè)生產(chǎn)時間、合理使用空調(diào)等；在電力需求低谷時段降低電價，引導(dǎo)用戶增加用電，如進行電動汽車充電、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備運行等。對于天然氣需求，也可以通過類似的價格信號和激勵措施，引導(dǎo)用戶在天然氣供應(yīng)充足時增加使用，在供應(yīng)緊張時減少使用，從而實現(xiàn)能源供需的動態(tài)平衡。為了實現(xiàn)上述策略，構(gòu)建基于分布魯棒優(yōu)化的電-氣綜合能源系統(tǒng)彈性提升模型。首先，確定優(yōu)化目標。以系統(tǒng)運行成本最小化和能源供應(yīng)可靠性最大化作為目標函數(shù)，綜合考慮發(fā)電成本、購氣成本、設(shè)備維護成本以及負荷缺額懲罰成本等因素。發(fā)電成本包括火力發(fā)電的燃料成本、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的設(shè)備折舊成本以及燃氣輪機發(fā)電的天然氣消耗成本等；購氣成本與天然氣的采購價格和采購量相關(guān)；設(shè)備維護成本根據(jù)設(shè)備的運行時間和維護要求進行計算；負荷缺額懲罰成本則用于衡量因能源供應(yīng)不足導(dǎo)致的負荷削減所帶來的損失，通過對不同類型負荷設(shè)定相應(yīng)的懲罰系數(shù)，體現(xiàn)關(guān)鍵負荷和非關(guān)鍵負荷的重要性差異。目標函數(shù)可以表示為：\minC=\sum_{t=1}^{T}\left(C_{g}(t)+C_{p}(t)+C_{m}(t)+C_{l}(t)\right)其中C為系統(tǒng)總運行成本，T為調(diào)度周期內(nèi)的時段數(shù)，C_{g}(t)為t時段的發(fā)電成本，C_{p}(t)為t時段的購氣成本，C_{m}(t)為t時段的設(shè)備維護成本，C_{l}(t)為t時段的負荷缺額懲罰成本。接著，考慮約束條件。電力系統(tǒng)的功率平衡約束確保在每個時段內(nèi)，發(fā)電功率與負荷需求以及線路傳輸損耗之間保持平衡：\sum_{i=1}^{N_{g}}P_{g,i}(t)=\sum_{j=1}^{N_{l}}P_{l,j}(t)+\sum_{k=1}^{N_{t}}P_{loss,k}(t)其中N_{g}為發(fā)電設(shè)備數(shù)量，P_{g,i}(t)為t時段第i臺發(fā)電設(shè)備的出力，N_{l}為電力負荷節(jié)點數(shù)量，P_{l,j}(t)為t時段第j個電力負荷節(jié)點的負荷需求，N_{t}為輸電線路數(shù)量，P_{loss,k}(t)為t時段第k條輸電線路的功率損耗。天然氣系統(tǒng)的流量平衡約束保證在每個時段內(nèi)，天然氣的供應(yīng)與需求以及管道傳輸損耗之間保持平衡：\sum_{m=1}^{N_{s}}G_{s,m}(t)=\sum_{n=1}^{N_oeplhmt}G_{d,n}(t)+\sum_{o=1}^{N_{p}}G_{loss,o}(t)其中N_{s}為天然氣氣源數(shù)量，G_{s,m}(t)為t時段第m個氣源的出氣量，N_mgpbuji為天然氣負荷節(jié)點數(shù)量，G_{d,n}(t)為t時段第n個天然氣負荷節(jié)點的負荷需求，N_{p}為輸氣管道數(shù)量，G_{loss,o}(t)為t時段第o條輸氣管道的流量損耗。發(fā)電設(shè)備和產(chǎn)氣設(shè)備的出力約束限制了設(shè)備的出力范圍，確保設(shè)備在安全和經(jīng)濟的運行范圍內(nèi)工作：P_{g,i}^{\min}\leqP_{g,i}(t)\leqP_{g,i}^{\max}G_{s,m}^{\min}\leqG_{s,m}(t)\leqG_{s,m}^{\max}其中P_{g,i}^{\min}和P_{g,i}^{\max}分別為第i臺發(fā)電設(shè)備的最小和最大出力，G_{s,m}^{\min}和G_{s,m}^{\max}分別為第m個氣源的最小和最大出氣量。在考慮不確定性因素時，通過構(gòu)建模糊集來描述能源價格波動、負荷不確定性以及可再生能源出力不確定性等。利用歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析，確定不確定性因素的變化范圍和可能的概率分布集合，將其納入模糊集的構(gòu)建中。對于電力負荷的不確定性，可以根據(jù)歷史負荷數(shù)據(jù)，分析其在不同季節(jié)、不同時間段的變化規(guī)律，結(jié)合天氣預(yù)測等信息，確定負荷的波動范圍和可能的概率分布；對于可再生能源出力的不確定性，考慮風(fēng)力、光照等自然因素的變化，通過建立概率模型來描述其出力的不確定性。在模型求解過程中，采用合適的分布魯棒優(yōu)化算法，如基于對偶理論和列與約束生成算法的方法，求解出在不同不確定性場景下的最優(yōu)調(diào)度方案，實現(xiàn)電-氣綜合能源系統(tǒng)的彈性提升。4.1.3案例分析與效果驗證以某實際地區(qū)的電-氣綜合能源系統(tǒng)為例，深入應(yīng)用基于分布魯棒優(yōu)化的彈性提升策略，全面驗證該策略在提升系統(tǒng)彈性、實現(xiàn)供需平衡和能源高效利用方面的顯著效果。該地區(qū)的電-氣綜合能源系統(tǒng)涵蓋了多個火力發(fā)電廠、風(fēng)力發(fā)電廠、太陽能發(fā)電廠以及天然氣氣源、輸氣管道和各類用戶。在策略實施前，對該地區(qū)電-氣綜合能源系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)進行詳細分析，包括電力和天然氣的負荷曲線、能源價格波動情況以及可再生能源的出力數(shù)據(jù)等。通過分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)電力負荷在夏季高溫時段和冬季供暖時段出現(xiàn)明顯的高峰，天然氣負荷則在冬季供暖期大幅增加，且能源價格受市場供需關(guān)系和國際形勢影響波動較大。此外，由于該地區(qū)風(fēng)能和太陽能資源豐富，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占一定比例，但因其出力的間歇性和波動性，給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了較大挑戰(zhàn)?；谏鲜龇治觯瑯?gòu)建該地區(qū)電-氣綜合能源系統(tǒng)的分布魯棒優(yōu)化模型。在模型中，充分考慮電力和天然氣負荷的不確定性、能源價格的波動以及可再生能源出力的不確定性。通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，確定不確定性因素的模糊集，為模型求解提供準確的輸入信息。利用基于對偶理論和列與約束生成算法的求解方法，對模型進行求解，得到在不同不確定性場景下的最優(yōu)調(diào)度方案。在最優(yōu)調(diào)度方案中，在電力需求高峰時段，合理增加燃氣輪機的發(fā)電出力，同時優(yōu)化火力發(fā)電和可再生能源發(fā)電的比例，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定。當夏季高溫時段空調(diào)負荷急劇增加時，根據(jù)實時的電力負荷預(yù)測和能源價格信息，優(yōu)先啟動高效的燃氣輪機發(fā)電，同時調(diào)整火力發(fā)電廠的出力，使其在經(jīng)濟運行范圍內(nèi)運行。充分利用該地區(qū)豐富的太陽能資源，在白天陽光充足時，增加太陽能發(fā)電的比重，減少對傳統(tǒng)能源的依賴。在天然氣供應(yīng)方面，根據(jù)冬季供暖期天然氣需求的變化，提前調(diào)整天然氣的采購計劃和儲存策略，確保天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)。在冬季來臨前，增加天然氣的采購量，儲存于地下儲氣庫和儲罐中，以應(yīng)對供暖期天然氣需求的大幅增長。實施基于分布魯棒優(yōu)化的彈性提升策略后，該地區(qū)電-氣綜合能源系統(tǒng)的運行性能得到了顯著提升。通過對比策略實施前后的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的負荷缺額明顯減少，能源供應(yīng)的可靠性得到了大幅提高。在遭遇極端天氣或能源市場波動等不確定性事件時，系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整運行策略，保障能源的穩(wěn)定供應(yīng)。在一次極端寒潮天氣導(dǎo)致天然氣需求激增的情況下，系統(tǒng)通過提前儲備的天然氣和優(yōu)化的調(diào)度方案，成功保障了居民供暖和重要工業(yè)用戶的用氣需求，避免了因天然氣供應(yīng)不足導(dǎo)致的大面積停暖事故。能源利用效率也得到了有效提升。通過合理安排發(fā)電設(shè)備和產(chǎn)氣設(shè)備的運行，減少了能源的浪費和損耗。在可再生能源發(fā)電充裕時，及時利用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備將多余電能轉(zhuǎn)化為天然氣儲存起來，實現(xiàn)了能源的跨時間存儲和利用。在風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電高峰時段，將多余的電能通過電轉(zhuǎn)氣設(shè)備轉(zhuǎn)化為天然氣，儲存于地下儲氣庫中，在電力需求高峰或可再生能源發(fā)電不足時，再將儲存的天然氣轉(zhuǎn)化為電能或熱能，滿足用戶需求，提高了能源的利用效率。從經(jīng)濟成本角度來看，策略實施后系統(tǒng)的運行成本得到了有效控制。通過優(yōu)化能源采購和調(diào)度策略，降低了發(fā)電成本和購氣成本。根據(jù)能源價格的波動，合理調(diào)整能源采購時機和采購量，在能源價格較低時增加采購，降低了能源采購成本。優(yōu)化發(fā)電設(shè)備的運行方式，提高了發(fā)電效率，降低了發(fā)電成本。綜上所述，通過對某實際地區(qū)電-氣綜合能源系統(tǒng)的案例分析，充分驗證了基于分布魯棒優(yōu)化的彈性提升策略在提升系統(tǒng)彈性、實現(xiàn)供需平衡和能源高效利用方面的有效性和優(yōu)越性，為該地區(qū)以及其他類似地區(qū)的電-氣綜合能源系統(tǒng)的運行和管理提供了重要的參考和借鑒。4.2基于天然氣網(wǎng)絡(luò)管存的方法4.2.1管存作用與原理在電-氣綜合能源系統(tǒng)中，天然氣網(wǎng)絡(luò)管存作為一種特殊的儲能方式，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，對提升系統(tǒng)彈性具有不可忽視的意義。管存的首要作用在于為系統(tǒng)提供應(yīng)急氣源。當電-氣綜合能源系統(tǒng)遭遇突發(fā)事件，如極端天氣導(dǎo)致天然氣供應(yīng)中斷、氣源設(shè)備故障或天然氣運輸管道受損時，管存中的天然氣能夠迅速投入使用，保障關(guān)鍵負荷的能源供應(yīng)。在颶風(fēng)災(zāi)害中，天然氣生產(chǎn)設(shè)施可能因風(fēng)暴破壞而無法正常生產(chǎn)，此時管存可作為臨時氣源，為燃氣輪機等設(shè)備提供燃料，確保電力持續(xù)供應(yīng)，避免因天然氣短缺導(dǎo)致電力系統(tǒng)大面積停電，維持社會基本功能的正常運轉(zhuǎn)，如保障醫(yī)院、交通樞紐等重要部門的電力和天然氣供應(yīng)，減少災(zāi)害對社會經(jīng)濟和居民生活的影響。管存還能有效平抑天然氣負荷的波動。天然氣負荷具有明顯的季節(jié)性和時段性特征，冬季供暖期和每日的用氣高峰時段，天然氣需求會大幅增加；而在夏季和用氣低谷時段，需求則相對較低。管存可以在天然氣供應(yīng)充裕、負荷較低時儲存天然氣，在負荷高峰時釋放儲存的天然氣，調(diào)節(jié)天然氣供需平衡，使天然氣供應(yīng)更加穩(wěn)定，避免因負荷波動過大導(dǎo)致天然氣系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的正常運行。在冬季供暖期，居民和商業(yè)用戶的天然氣用量大幅增加，管存可釋放儲存的天然氣，補充供應(yīng)，確保用戶的供暖需求得到滿足；在夏季，天然氣需求相對較低，可將多余的天然氣儲存于管存中，提高能源利用效率。從提升系統(tǒng)彈性的原理角度來看，管存增加了系統(tǒng)的能源儲備。能源儲備是系統(tǒng)應(yīng)對不確定性的重要保障，管存中的天然氣相當于系統(tǒng)的“緩沖池”，在能源供應(yīng)緊張時提供額外的能源支持，增強系統(tǒng)的抗風(fēng)險能力。當面臨能源市場價格波動、供應(yīng)中斷等風(fēng)險時，管存能夠在一定程度上穩(wěn)定能源供應(yīng)，減少對外部能源供應(yīng)的依賴，降低系統(tǒng)運行成本和風(fēng)險。管存通過與電-氣耦合設(shè)備協(xié)同工作，實現(xiàn)了電力和天然氣系統(tǒng)之間的能量互補和靈活轉(zhuǎn)換。當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障或負荷需求大幅增加時，燃氣輪機可利用管存中的天然氣發(fā)電，補充電力供應(yīng)；反之，當天然氣系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，可通過調(diào)整電力系統(tǒng)的運行，如增加電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的運行，將多余電能轉(zhuǎn)化為天然氣儲存于管存中，保障天然氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。這種協(xié)同工作機制提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，增強了系統(tǒng)在面對各種不確定性因素時的應(yīng)對能力，有效提升了電-氣綜合能源系統(tǒng)的彈性。4.2.2模型建立與求解為充分發(fā)揮天然氣網(wǎng)絡(luò)管存在提升電-氣綜合能源系統(tǒng)韌性方面的作用，需要建立全面且準確的模型，綜合考慮系統(tǒng)在不同階段的運行特性以及管存的利用方式。將電-氣綜合能源系統(tǒng)的故障防御與恢復(fù)過程按照其物理演化過程，細致地分為四個階段：預(yù)防階段、退化階段、隔離階段、恢復(fù)階段。在預(yù)防階段，各氣井增大出氣量，目的是提升輸氣管道內(nèi)的管存，為后續(xù)可能發(fā)生的故障恢復(fù)提前做好充分準備。此時，建立節(jié)點氣流平衡模型以及管存模型，以準確描述天然氣在系統(tǒng)中的流動和儲存情況。設(shè)n為氣網(wǎng)節(jié)點，GL,n為氣網(wǎng)節(jié)點n所連接的天然氣負荷大小，G_{gt,n}^{PRE}為預(yù)防階段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n連接的燃氣渦輪機所消耗的天然氣大小，G_{s,n}^{PRE}為預(yù)防階段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n連接的氣井出氣量大小，T_{PRE}為預(yù)防階段持續(xù)時間，S_{mn}^{PRE}為預(yù)防階段結(jié)束后管道m(xù)n內(nèi)的管存量，S_{mn}^{0}為管道m(xù)n內(nèi)的初始管存量，\overline{q}_{mn}^{PRE}為管道m(xù)n內(nèi)的平均氣流大小，p_{m}^{PRE}為節(jié)點m處的氣壓大小，p_{n}^{PRE}為節(jié)點n處的氣壓大小，R_{mn}為管道m(xù)n的韋茅斯方程相關(guān)系數(shù)，k_{mn}為管道m(xù)n兩端氣壓與管存關(guān)系系數(shù)，q_{no}^{in,PRE}為管道no輸入端的氣流，q_{mn}^{in,PRE}為管道m(xù)n輸入端的氣流，q_{mn}^{out,PRE}為管道m(xù)n輸出端的氣流，\alpha(n)為節(jié)點n的上游節(jié)點，\beta(n)為節(jié)點n的下游節(jié)點，L為系統(tǒng)內(nèi)所有輸氣管道的集合，N為系統(tǒng)內(nèi)所有天然氣節(jié)點的集合。節(jié)點氣流平衡模型可表示為：\sum_{m\in\alpha(n)}q_{mn}^{in,PRE}-\sum_{o\in\beta(n)}q_{no}^{out,PRE}=G_{s,n}^{PRE}-G_{gt,n}^{PRE}-GL,n管存模型為：S_{mn}^{PRE}=S_{mn}^{0}+\overline{q}_{mn}^{PRE}T_{PRE}\overline{q}_{mn}^{PRE}=\sqrt{\frac{(p_{m}^{PRE})^2-(p_{n}^{PRE})^2}{R_{mn}}}S_{mn}^{PRE}=k_{mn}(p_{m}^{PRE}-p_{n}^{PRE})在退化階段，系統(tǒng)開始受到故障影響，部分設(shè)備性能下降，能源供應(yīng)出現(xiàn)波動。此時，建立考慮故障影響的節(jié)點氣流平衡模型以及管存變化模型。設(shè)\DeltaG_{gt,n}^{DEG}為退化階段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n連接的燃氣渦輪機消耗天然氣的變化量，\DeltaG_{s,n}^{DEG}為退化階段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n連接的氣井出氣量的變化量，T_{DEG}為退化階段的時長，\DeltaS_{mn}^{DEG}為退化階段管道m(xù)n內(nèi)管存量的變化量。節(jié)點氣流平衡模型變?yōu)椋篭sum_{m\in\alpha(n)}q_{mn}^{in,DEG}-\sum_{o\in\beta(n)}q_{no}^{out,DEG}=G_{s,n}^{PRE}+\DeltaG_{s,n}^{DEG}-(G_{gt,n}^{PRE}+\DeltaG_{gt,n}^{DEG})-GL,n管存變化模型為：\DeltaS_{mn}^{DEG}=\overline{q}_{mn}^{DEG}T_{DEG}\overline{q}_{mn}^{DEG}=\sqrt{\frac{(p_{m}^{DEG})^2-(p_{n}^{DEG})^2}{R_{mn}}}隔離階段，主要是對故障區(qū)域進行隔離，防止故障進一步擴散。在非故障區(qū)域內(nèi)，輸氣管道管存將釋放，用于滿足天然氣負荷與燃氣渦輪機的需求。設(shè)G_{gt,n}^{ISO}為隔離階段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n連接的燃氣渦輪機所消耗的天然氣大小，G_{s,n}^{ISO}為隔離階段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n連接的氣井出氣量大小，G_{L,n}^{cut,ISO}為隔離階段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n切除的天然氣負荷大小，S_{mn}^{PRE}為預(yù)防階段管道m(xù)n內(nèi)的管存量，S_{mn}^{ISO}為隔離階段管道m(xù)n內(nèi)管存量，T_{ISO}為隔離階段持續(xù)時間，\overline{q}_{mn}^{ISO}為隔離階段管道m(xù)n內(nèi)的平均氣流大小，p_{m}^{ISO}為隔離階段節(jié)點m處的氣壓大小，p_{n}^{ISO}為隔離階段節(jié)點n處的氣壓大小，q_{mn}^{in,ISO}為隔離階段管道m(xù)n輸入端的氣流，q_{mn}^{out,ISO}為隔離階段管道m(xù)n輸出端的氣流，q_{no}^{in,ISO}為隔離階段管道no輸入端的氣流，f_{mn,s}表示管道m(xù)n是否發(fā)生故障，若是發(fā)生故障則取值為1，s為故障場景。節(jié)點氣流平衡模型為：\sum_{m\in\alpha(n)}q_{mn}^{in,ISO}-\sum_{o\in\beta(n)}q_{no}^{out,ISO}=G_{s,n}^{ISO}-G_{gt,n}^{ISO}-(GL,n-G_{L,n}^{cut,ISO})管存模型為：S_{mn}^{ISO}=S_{mn}^{PRE}-\overline{q}_{mn}^{ISO}T_{ISO}\overline{q}_{mn}^{ISO}=\sqrt{\frac{(p_{m}^{ISO})^2-(p_{n}^{ISO})^2}{R_{mn}}}q_{mn}^{in,ISO}=\begin{cases}\overline{q}_{mn}^{ISO},&f_{mn,s}=0\\0,&f_{mn,s}=1\end{cases}q_{mn}^{out,ISO}=\begin{cases}\overline{q}_{mn}^{ISO},&f_{mn,s}=0\\0,&f_{mn,s}=1\end{cases}恢復(fù)階段是使系統(tǒng)恢復(fù)到正常運行狀態(tài)的關(guān)鍵階段，將其劃分為多時段進行建模。設(shè)t表示恢復(fù)階段內(nèi)的不同時段，G_{gt,n}^{REC,t}為恢復(fù)階段t時段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n連接的燃氣渦輪機所消耗的天然氣大小，G_{s,n}^{REC,t}為恢復(fù)階段t時段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n連接的氣井出氣量大小，G_{L,n}^{cut,REC,t}為恢復(fù)階段t時段內(nèi)氣網(wǎng)節(jié)點n切除的天然氣負荷大小，S_{mn}^{ISO}為隔離階段管道m(xù)n內(nèi)管存量，S_{mn}^{REC,t}為恢復(fù)階段t時段管道m(xù)n內(nèi)管存量，T_{REC,t}為恢復(fù)階段t時段的時長，\overline{q}_{mn}^{REC,t}為恢復(fù)階段t時段管道m(xù)n內(nèi)的平均氣流大小，p_{m}^{REC,t}為恢復(fù)階段t時段節(jié)點m處的氣壓大小，p_{n}^{REC,t}為恢復(fù)階段t時段節(jié)點n處的氣壓大小，q_{mn}^{in,REC,t}為恢復(fù)階段t時段管道m(xù)n輸入端的氣流，q_{mn}^{out,REC,t}為恢復(fù)階段t時段管道m(xù)n輸出端的氣流。節(jié)點氣流平衡模型為：\sum_{m\in\alpha(n)}q_{mn}^{in,REC,t}-\sum_{o\in\beta(n)}q_{no}^{out,REC,t}=G_{s,n}^{REC,t}-G_{gt,n}^{REC,t}-(GL,n-G_{L,n}^{cut,REC,t})管存模型為：S_{mn}^{REC,t}=S_{mn}^{ISO}-\sum_{i=1}^{t}\overline{q}_{mn}^{REC,i}T_{REC,i}\overline{q}_{mn}^{REC,t}=\sqrt{\frac{(p_{m}^{REC,t})^2-(p_{n}^{REC,t})^2}{R_{mn}}}建立電-氣綜合能源系統(tǒng)內(nèi)故障傳遞模型。考慮到電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間通過耦合設(shè)備相互關(guān)聯(lián)，一個系統(tǒng)的故障可能通過耦合設(shè)備傳播到另一個系統(tǒng)。例如，輸電線路故障可能導(dǎo)致電力負荷切除，進而使電驅(qū)動氣體壓縮機停運，影響天然氣的輸送，最終導(dǎo)致燃氣輪機因天然氣供應(yīng)不足而停機。設(shè)P_{L,j}^{cut}為電網(wǎng)節(jié)點j上切除的電力負荷，G_{L,n}^{cut}為氣網(wǎng)節(jié)點n上切除的天然氣負荷，f_{ij}表示電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，當存在耦合時f_{ij}=1，否則f_{ij}=0。故障傳遞模型可表示為：G_{L,n}^{cut}=\sum_{j=1}^{N_{p}}f_{ij}P_{L,j}^{cut}\times\gamma_{ij}其中N_{p}為電力系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量，\gamma_{ij}為電力負荷切除對天然氣負荷切除的影響系數(shù)。建立電-氣綜合能源系統(tǒng)運行模型，包括電力系統(tǒng)的功率平衡約束、天然氣系統(tǒng)的流量平衡約束以及電-氣耦合設(shè)備的運行約束等。電力系統(tǒng)功率平衡約束為：\sum_{i=1}^{N_{g}}P_{g,i}(t)=\sum_{j=1}^{N_{l}}P_{l,j}(t)+\sum_{k=1}^{N_{t}}P_{loss,k}(t)其中N_{g}為發(fā)電設(shè)備數(shù)量，P_{g,i}(t)為t時段第i臺發(fā)電設(shè)備的出力，N_{l}為電力負荷節(jié)點數(shù)量，P_{l,j}(t)為t時段第j個電力負荷節(jié)點的負荷需求，N_{t}為輸電線路數(shù)量，P_{loss,k}(t)為t時段第k條輸電線路的功率損耗。天然氣系統(tǒng)流量平衡約束為：\sum_{m=1}^{N_{s}}G_{s,m}(t)=\sum_{n=1}^{N_jwnlzzb}G_{d,n}(t)+\sum_{o=1}^{N_{p}}G_{loss,o}(t)其中N_{s}為天然氣氣源數(shù)量，G_{s,m}(t)為t時段第m個氣源的出氣量，N_iqlgehq為天然氣負荷節(jié)點數(shù)量，G_{d,n}(t)為t時段第n個天然氣負荷節(jié)點的負荷需求，N_{p}為輸氣管道數(shù)量，G_{loss,o}(t)為t時段第o條輸氣管道的流量損耗。電-氣耦合設(shè)備運行約束，以燃氣輪機為例，其發(fā)電出力與消耗的天然氣量之間存在一定的關(guān)系，可表示為：P_{gt}(t)=\eta_{gt}\timesG_{gt}(t)其中P_{gt}(t)為t時段燃氣輪機的發(fā)電出力，\eta_{gt}為燃氣輪機的發(fā)電效率，G_{gt}(t)為t時段燃氣輪機消耗的天然氣量。以最小化故障后系統(tǒng)內(nèi)加權(quán)負荷切除量為目標，基于設(shè)定的預(yù)想事故集進行綜合求解。目標函數(shù)表達式為：\min\sum_{s\inS}Pr_s\left(\sum_{j\inB}w_j\DeltaP_{L,j}^{DEG}+\sum_{n\inN}w_n\DeltaG_{L,n}^{DEG}+\sum_{j\inB}w_j\DeltaP_{L,j}^{ISO}+\sum_{n\inN}w_n\DeltaG_{L,n}^{ISO}+\sum_{t=1}^{T_{REC}}\sum_{j\inB}w_j\DeltaP_{L,j}^{REC,t}+\sum_{t=1}^{T_{REC}}\sum_{n\inN}w_n\DeltaG_{L,n}^{REC,t}\right)其中Pr_s為場景s的發(fā)生概率，w_j為電網(wǎng)節(jié)點j的權(quán)重，\4.3基于壓縮機調(diào)度的策略4.3.1壓縮機調(diào)度原理與優(yōu)勢在電-氣綜合能源系統(tǒng)中，移動壓縮機作為一種靈活且關(guān)鍵的韌性資源，其調(diào)度原理基于系統(tǒng)對能源供需平衡的動態(tài)需求以及應(yīng)對突發(fā)故障的應(yīng)急需求。當系統(tǒng)中天然氣的供需出現(xiàn)不平衡時，移動壓縮機能夠發(fā)揮其靈活調(diào)配的作用。在天然氣供應(yīng)不足的區(qū)域，移動壓縮機可以將其他氣源處的天然氣進行加壓輸送，以滿足該區(qū)域的用氣需求；在天然氣供應(yīng)過剩的區(qū)域，移動壓縮機則可將多余的天然氣輸送至儲存設(shè)施或其他需求區(qū)域，實現(xiàn)天然氣資源的優(yōu)化配置。在系統(tǒng)發(fā)生故障時，移動壓縮機的調(diào)度策略更為關(guān)鍵。假設(shè)某一區(qū)域的天然氣管道因事故發(fā)生破裂，導(dǎo)致該區(qū)域天然氣供應(yīng)中斷。此時，移動壓縮機可以迅速從周邊正常供氣區(qū)域抽取天然氣，并通過臨時鋪設(shè)的管道或其他輸送方式，將天然氣加壓輸送至受影響區(qū)域，以維持該區(qū)域關(guān)鍵負荷的用氣需求，如醫(yī)院、消防設(shè)施等。通過這種方式，移動壓縮機能夠有效縮小故障對天然氣供應(yīng)的影響范圍，確保系統(tǒng)在故障情況下仍能維持基本的能源供應(yīng)功能。移動壓縮機作為靈活韌性資源，在提升系統(tǒng)韌性方面具有顯著優(yōu)勢。其靈活性體現(xiàn)在能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)的需求變化，無論是在正常運行時的供需平衡調(diào)整，還是在故障發(fā)生時的應(yīng)急供應(yīng)，都能迅速投入使用。與傳統(tǒng)的固定壓縮機相比，移動壓縮機不受固定位置的限制，可以根據(jù)實際需求靈活部署在不同的區(qū)域，大大提高了系統(tǒng)應(yīng)對各種情況的能力。移動壓縮機能夠在系統(tǒng)遭受故障時，快速恢復(fù)受影響區(qū)域的天然氣供應(yīng)，減少負荷切除量。在上述管道破裂的案例中，若沒有移動壓縮機的及時介入，受影響區(qū)域的大量用戶可能會因天然氣供應(yīng)中斷而被迫停止生產(chǎn)或生活，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。而移動壓縮機的使用，可以在短時間內(nèi)恢復(fù)部分或全部關(guān)鍵負荷的供氣，降低系統(tǒng)的負荷損失，從而提升系統(tǒng)的韌性。移動壓縮機的調(diào)度還可以與其他能源設(shè)施協(xié)同工作，進一步增強系統(tǒng)的韌性。與儲氣設(shè)施協(xié)同，在天然氣供應(yīng)充足時，利用移動壓縮機將天然氣輸送至儲氣設(shè)施進行儲存；在天然氣供應(yīng)緊張時，再將儲存的天然氣通過移動壓縮機輸送至需求區(qū)域，實現(xiàn)天然氣的跨時間和空間調(diào)配。與電-氣耦合設(shè)備協(xié)同，根據(jù)電力和天然氣的供需情況，合理調(diào)整移動壓縮機的運行，確保耦合設(shè)備的正常運行，維持電力和天然氣系統(tǒng)之間的能量平衡。4.3.2運行與調(diào)度模型構(gòu)建為了實現(xiàn)移動壓縮機在電-氣綜合能源系統(tǒng)中的高效運行與合理調(diào)度，需要構(gòu)建全面且準確的運行模型和調(diào)度模型，充分考慮其連接特性、工作特性以及在系統(tǒng)故障恢復(fù)過程中的關(guān)鍵作用。在運行模型方面，首先考慮移動壓縮機的連接特性。移動壓縮機可以通過快速連接裝置與不同的天然氣管道或儲氣設(shè)施相連，其連接點的選擇需要根據(jù)系統(tǒng)的實時需求和天然氣網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)來確定。設(shè)移動壓縮機可連接的節(jié)點集合為N_{c}，其中i\inN_{c}表示第i個可連接節(jié)點。移動壓縮機與節(jié)點i連接后，其輸入和輸出的天然氣流量分別為G_{in,i}和G_{out,i}，且滿足流量守恒定律，即G_{in,i}=G_{out,i}+G_{loss,i}，其中G_{loss,i}表示在連接節(jié)點i處的天然氣流量損耗。移動壓縮機的工作特性也是運行模型的重要組成部分。移動壓縮機的工作狀態(tài)包括啟動、運行和停止，其工作效率和能耗與工作狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)移動壓縮機的工作效率為\eta_{c}，能耗為E_{c}，在運行過程中，其輸出的天然氣壓力P_{out}需要滿足一定的要求，以確保天然氣能夠順利輸送至目標區(qū)域。根據(jù)壓縮機的工作原理，其能耗E_{c}與輸入的天然氣流量G_{in}、輸出壓力P_{out}以及工作效率\eta_{c}之間存在如下關(guān)系：E_{c}=\frac{G_{in}\times(P_{out}-P_{in})}{\eta_{c}}，其中P_{in}為輸入天然氣的壓力。在系統(tǒng)故障恢復(fù)過程中，移動壓縮機的運行模型需要考慮故障場景和恢復(fù)目標。假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生故障后，需要恢復(fù)的天然氣負荷節(jié)點集合為N_{r}，移動壓縮機需要根據(jù)各節(jié)點的負荷需求和自身的輸送能力，合理分配天然氣流量。設(shè)節(jié)點j\inN_{r}的負荷需求為G_{r,j}，移動壓縮機分配給節(jié)點j的天然氣流量為G_{alloc,j}，則需要滿足\sum_{j\inN_{r}}G_{alloc,j}\leqG_{out}，即移動壓縮機分配給所有恢復(fù)節(jié)點的天然氣流量總和不能超過其輸出流量。在調(diào)度模型方面，以最小化系統(tǒng)的能源供應(yīng)成本和最大化系統(tǒng)的韌性為目標。能源供應(yīng)成本包括移動壓縮機的能耗成本、天然氣的采購成本以及管道輸送成本等。設(shè)移動壓縮機的能耗成本系數(shù)為C_{e}，天然氣采購成本系數(shù)為C_{g}，管道輸送成本系數(shù)為C_{p}，則系統(tǒng)的能源供應(yīng)成本C_{total}可表示為：C_{total}=C_{e}\timesE_{c}+C_{g}\times\sum_{i\inN_{s}}G_{s,i}+C_{p}\times\sum_{k\inN_{p}}G_{p,k}其中N_{s}為天然氣氣源節(jié)點集合，G_{s,i}為從氣源節(jié)點i采購的天然氣量；N_{p}為管道節(jié)點集合，G_{p,k}為通過管道節(jié)點k輸送的天然氣量。為了最大化系統(tǒng)的韌性，引入負荷恢復(fù)指標R，其定義為故障后恢復(fù)的天然氣負荷與總負荷需求的比值，即R=\frac{\sum_{j\inN_{r}}G_{alloc,j}}{\sum_{j\inN_{r}}G_{r,j}}。調(diào)度模型的目標函數(shù)為\max(R)-\lambda\timesC_{total}，其中\(zhòng)lambda為權(quán)重系數(shù)，用于平衡韌性提升和成本控制之間的關(guān)系。調(diào)度模型還需要考慮一系列約束條件。除了上述的流量守恒約束和負荷分配約束外，還包括移動壓縮機的工作能力約束，即移動壓縮機的輸入和輸出流量、壓力等參數(shù)需要在其額定工作范圍內(nèi)；管道輸送能力約束，確保通過管道輸送的天然氣流量不超過管道的最大輸送能力；以及系統(tǒng)的運行安全約束，如天然氣壓力的上下限約束等。通過構(gòu)建這樣的運行與調(diào)度模型，可以實現(xiàn)移動壓縮機在電-氣綜合能源系統(tǒng)中的優(yōu)化調(diào)度，提高系統(tǒng)的韌性和運行效率。4.3.3應(yīng)用案例與結(jié)果分析以某實際的電-氣綜合能源系統(tǒng)為例，深入探討基于壓縮機調(diào)度策略在提升系統(tǒng)韌性方面的顯著效果。該系統(tǒng)涵蓋了多個天然氣氣源、復(fù)雜的輸氣管道網(wǎng)絡(luò)以及眾多不同類型的用戶，包括居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶，具有較強的代表性。在該系統(tǒng)的正常運行過程中，天然氣的供需基本保持平衡，但在某些特殊時段，如冬季供暖期或工業(yè)生產(chǎn)高峰期，天然氣需求會大幅增加，可能導(dǎo)致部分區(qū)域的天然氣供應(yīng)緊張。而在遭遇突發(fā)事件，如管道泄漏、壓縮機故障等時，系統(tǒng)的天然氣供應(yīng)將面臨嚴峻挑戰(zhàn)，可能引發(fā)大面積的供氣中斷，對用戶的生產(chǎn)和生活造成嚴重影響?；诖耍胍苿訅嚎s機并實施基于壓縮機調(diào)度的策略。在冬季供暖期，通過對系統(tǒng)各區(qū)域天然氣需求的實時監(jiān)測和預(yù)測，提前調(diào)度移動壓縮機至需求增長明顯的區(qū)域。將移動壓縮機連接至天然氣供應(yīng)相對緊張區(qū)域的管道節(jié)點，根據(jù)該區(qū)域的負荷需求，調(diào)整移動壓縮機的工作狀態(tài)，增加天然氣的輸送量，以滿足供暖需求。通過這種方式，有效緩解了該區(qū)域的天然氣供應(yīng)壓力，確保了居民和商業(yè)用戶的供暖需求得到滿足，保障了系統(tǒng)在高負荷時段的穩(wěn)定運行。當系統(tǒng)發(fā)生管道泄漏故障時，迅速啟動基于壓縮機調(diào)度的應(yīng)急策略。首先，快速定位故障點并隔離泄漏管道，然后根據(jù)故障區(qū)域周邊的天然氣供應(yīng)情況和管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，調(diào)度移動壓縮機至合適的位置。將移動壓縮機連接至與故障區(qū)域相鄰且天然氣供應(yīng)充足的管道節(jié)點，通過加壓輸送，將天然氣繞過故障區(qū)域，輸送至受影響的用戶。在一次管道泄漏事故中，通過及時調(diào)度移動壓縮機，在較短時間內(nèi)恢復(fù)了故障區(qū)域約80%的天然氣供應(yīng)，大大減少了因供氣中斷導(dǎo)致的負荷損失，有效提升了系統(tǒng)的韌性。通過對實施基于壓縮機調(diào)度策略前后系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的詳細對比分析，結(jié)果表明該策略在提升系統(tǒng)韌性方面成效顯著。在應(yīng)對突發(fā)事件時，系統(tǒng)的負荷恢復(fù)時間明顯縮短，從原來的數(shù)小時縮短至數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘不等，具體時間取決于故障的嚴重程度和移動壓縮機的調(diào)度效率。負荷切除量也大幅降低，有效減少了因供氣中斷對用戶造成的經(jīng)濟損失和社會影響。從經(jīng)濟成本角度來看，雖然引入移動壓縮機和實施調(diào)度策略會增加一定的設(shè)備購置成本和運行能耗成本，但通過優(yōu)化天然氣的輸送和分配，減少了因能源供應(yīng)不足導(dǎo)致的生產(chǎn)停滯和經(jīng)濟損失，整體上提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。移動壓縮機的靈活調(diào)度還提高了天然氣資源的利用效率，減少了能源浪費，進一步降低了系統(tǒng)的運行成本。綜上所述，基于壓縮機調(diào)度的策略在提升電-氣綜合能源系統(tǒng)韌性方面具有顯著的效果，能夠有效應(yīng)對