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2024年, Sustainable Energy Technologies and Assessments期刊发表了一篇题为"Optimal scheduling of electricity-gas-heat integrated energy system with coordination of flexibility and reliability"的研究论文。该文分了IES运行灵活性与可靠性对系统运行影响的基础上，分别推导了运行灵活性与可靠性的评价指标，并定义了表证二者相互影响关系的协调指标。在此基础上，采用成本效益分析法和等响应风险方法，构建了计及运行灵活性与供能可靠性协调效应的IES优化调度模型。
大力发展清洁能源、持续推动能源绿色转型，已成为各国应对全球气候变暖、环境污染以及能源紧缺的共识。《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》指出要在2021-2030年，将煤炭能源的总消费量控制在60亿吨以内，非化石能源在能源总量中的占比达到20%左右，并明确提出新增能源需求主要依靠清洁能源来满足的要求。清洁能源大规模并网对系统的安全经济运行和弃风消纳都带来了极大的挑战，这使得电力系统的运行灵活性变得空前重要。目前影响电力系统供需平衡的因素主要有两方面：其一是净负荷连续不确定性波动的影响，其二是供电设备随机故障的影响。这就要求系统不仅需要具备应对净负荷连续波动的能力，即灵活性；还要具有应对瞬时性随机故障扰动的能力，即可靠性。同时，综合能源系统(Integrated Energy System, IES)因其多能流传输互济和多能源耦合的特点，使得系统的灵活性与可靠性均有一定的提升。因此，在IES中研究灵活性与可靠性的相互关系，有利于进一步明确灵活性与可靠性的提升机理，获取统筹考虑灵活性、可靠性以及经济性最优的调度策略。因此，在大规模新能源并网导致的系统安全经济调度日益复杂困难的背景下，进一步挖掘IES中的多元灵活性资源，并在综合能源系统的优化调度决策中有机的考虑IES网络提供的灵活性资源，以及研究多能耦合的IES中灵活性与可靠性的相互影响机理，对IES的安全经济调度具有重要意义。然而现有研究主要存在以下问题：
（1）缺乏对IES动态特性提供灵活性的精细数学模型。IES中天然气管道和热力管道的传输延时特性，能够作为备用增加系统的可用灵活性容量，而其传输延时特性难以用数学模型精细刻画。
（2）缺乏对IES网络传输特性提升系统供能可靠性的研究。现有研究仅从多能源系统之间的深度耦合来提升系统的供能可靠性，忽略了网络传输延时特性能够提供充足的灵活性和备用容量以保证系统安全稳定运行的优点。
（3）缺乏考虑灵活性、可靠性和经济性三者折衷的IES调度模型。目前多数研究是将系统的运行灵活性与供能可靠性独立分析，在IES优化调度中同时考虑运行灵活性约束和供能可靠性约束的研究尚不多见，调度策略无法同时兼顾灵活性、可靠性和经济性。
为解决上述问题和挑战，本文在分析IES运行灵活性与可靠性对系统运行影响的基础上，分别推导了运行灵活性与可靠性的评价指标，并定义了表证二者相互影响关系的协调指标。在此基础上，采用成本效益分析法和等响应风险方法，构建了计及运行灵活性与供能可靠性协调效应的IES优化调度模型。主要贡献如下：
（1）辨析了运行灵活性与供电可靠性在概念上的异同；据此分别推导了电、气、热系统提供运行灵活性的数学表达，并定义了上行灵活性不足导致的失负荷和下行灵活性不足导致的弃风的期望值(Expectation of Flexibility Insufficient, EFI)运行灵活性的评价指标，以及系统失负荷概率(Loss of Load Probability, LOLP)和系统电力不足期望值(Expected Electric Not Supply, EENS)表征的电力系统可靠性评估指标；基于此，定义了能够表征运行灵活性和供电可靠性两者间协调效应与失调效应关系的协调指标(Harmonious Index, HI)。
（2）采用成本效益分析法和等响应风险方法，将可靠性与电-气-热运行灵活性联合纳入到IES优化调度决策中，分析两者的相互响应机理，进而制定出计及运行灵活性和供能可靠性的综合能源系统优化调度策略。
运行灵活性被描述为系统在一定的时间尺度下能够有效应对由风、光等可再生能源并网带来的波动性以及不确定性的能力。源荷的不确定性会使得系统出现有功不平衡的问题，在不同功率平衡的情况下系统的灵活性也不同。同时需要考虑源荷不确定性发生的时间尺度与系统在该时间尺度内的响应能力是否相匹配。因此，灵活性在幅度上具有向上和向下两个方向；在频度上一般分为调频(≤15min)、爬坡(15min~4h)、调峰(24h)三种时间尺度。
系统供电可靠性主要包含两方面的内容：充裕性和安全性。前者反映电网的稳态特性，指具有足够的发电量来保证负荷在各时段的用电要求。后者反映电网的动态特性，指系统在发生故障时不发生失控，能够维持静态和暂态稳定性的要求。本文研究讨论的重点是考虑常规机组随机故障对供电可靠性的影响，并采用机组随机故障概率和电力不足期望值来描述供电可靠性。
运行灵活性与供电可靠性均反映维持电力系统有功平衡的能力，但各自的侧重点不同。灵活性主要指系统应对连续不确定性的能力，而可靠性主要指系统应对偶发不确定性的能力。电力系统运行灵活性与供电可靠性、经济性的变化趋势如图1所示。从可靠性角度考虑，随机故障会给系统的安全可靠运行带来威胁。因此，灵活性越高，系统应对随机故障的调节能力就越强，其相应的可靠性水平也就越高，但当灵活性水平增加到一定程度时，对灵活性资源的要求会更加苛刻，从而影响机组之间的出力分配，使得可靠性水平降低。灵活性水平提升后，系统的可调度空间将会增大，此时系统新能源的消纳能力与经济性均会提升；但对灵活性要求过高时，会使得系统通过损失一定的经济性来提供灵活性资源。
图1 运行灵活性与供电可靠性、经济性的相互关系
本文在综合能源系统优化调度模型中计及了灵活性与可靠性的约束，以研究两者的关系及其对系统的影响。所有能够对系统出力与负荷不确定性进行调节的资源都可视为电力系统的灵活性资源，本文考虑的IES灵活性资源有：可调节的火电机组、在计及动态特性之后，热网系统通过储放热提供的灵活性、天然气系统通过管存的储放气为系统提供的灵活性。
图2 火电机组供给灵活性示意图
天然气传递过程中的延时特性使得天然气管道中存有一定量的管存，管存的储存和释放可用来调节燃气轮机组的出力，从而提升电力系统的运行灵活性。图3(a)展示出天然气管道储存和释放天然气的过程，天然气管道的管存具有双向调节和快速响应的能力。气网在实时运行中提供运行灵活性的能力与管道的储放气状态密切相关，并受到天然气管道压强上下限和储放气运行时间的约束。热网管道传输延时和热量损失会产生一定的温差，从而会被动地存储或释放能量，可用来调节热电联产机组的出力，实现电力系统灵活性的提升。图3(b)展示出管道被动储热和放热的过程。热网管道在实时运行中提供运行灵活性的能力与管道的储放热状态密切相关，并受到实际管道温度上下限和储放热运行时间的约束。
图3 火电机组供给灵活性示意图
由运行灵活性和供电可靠性的数学模型可知，两者对系统的要求是不同的，运行灵活性的要求是在一定时间尺度下系统能够提供的总响应容量的大小；由于故障机组不能够提供备用，供电可靠性与响应容量在各机组之间的分配方式相关。
上行灵活性与供电可靠性均反映的是电力系统提高有功供给的能力。因此，本文定义两者的协调指标HI表征运行灵活性与供电可靠性两者的相互影响关系。依据灵活性指标EFI和可靠性指标EENS之间的协调关系，对不同的调度方案A和B，其HI指标可表示为：
如果括号内的表达式为正数其输出值为+1，若为负数则输出值为-1。因此，如果与
的变化趋势相同，HI为正，否则，HI为负。仅从提升系统有功供给的角度考虑，运行灵活性与供电可靠性具有很强的一致性。如果在灵活性提升的过程中，有部分机组发生故障，那么其余正常机组需提供更多的旋转备用，在同样的故障情况下，失负荷量将减小，因此供电可靠性的水平将得到提升。此时，HI为+1，本文将此响应称为灵活性与可靠性的协调效应。然而，在灵活性提升过程中，有功功率有可能从FOR较小的机组转移到FOR较大的机组来承担，如果这些强迫停运率较大的机组发生故障，那么系统的失负荷量会进一步增加，最终导致可靠性水平降低，此时，HI为-1，将此称作失调效应。
本文以电网24节点-气网20节点-热网16节点系统为例，对所提的计及运行灵活性与供电可靠性协调效应的IES优化调度模型的有效性进行验证。模拟调度时间周期为24h。
图4 常规机组出力变化 | 图5 上行灵活性供给变化 |
图6 上行灵活性不足情况 | 图7 下行灵活性不足情况 |
图8 不同情形下供能不足期望值
本文为研究运行灵活性与供电可靠性的相互关系，采用等响应风险和成本效益分析两种方法，构建了计及运行灵活性与供电可靠性约束的综合能源系统优化调度模型。同时，通过分析气热网动态特性，提出了气热网络供给电力系统灵活性容量的等效模型。主要结论如下：
（1）采用上述两种分析方法均验证了运行灵活性与供电可靠性两者之间并不具有必然的耦合关系，而是与机组的FOR紧密相关。
（2）提升运行灵活性与供电可靠性的水平均会使得经济性有所下降，应统筹考虑三者之间的关系；在综合能源系统中考虑灵活性与可靠性的要求在约束条件中的体现要比在目标函数中体现更合适。
（3）利用IES的动态特性，能够显著增加系统的柔性备用容量，增强系统的运行灵活性，同时灵活性水平的提高又能够有效提升系统应对随机故障的能力，从而提高系统的可靠性水平。
（4）充分利用IES动态特性提供的灵活性资源，能够减少火电机组的平均在线台数，增大风电接纳空间，有效提高系统运行的经济性。相比火电机组提供的灵活性资源，气热动态特性响应时间短，能够跟踪负荷的快速变化，但实际系统中气热管道不能长时间处于储能或者放能的状态下，因此需要气-热网络协调运行。
Y. Zhang, J. Li, X. Ji, et al. Optimal scheduling of electricity-gas-heat integrated energy system with coordination of flexibility and reliability[J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2024, 71: 103968.
张玉敏：山东科技大学电气与自动化工程学院副教授，硕士生导师。山东省泰山学者特聘专家团队核心成员，山东省大数据发展创新平台核心成员，《中国电力》、《发电技术》青年编委。主持国家自然科学基金青年项目1项，中国博士后科学基金面上项目1项，山东省自然科学基金青年项目1项，教育部重点实验室开放课题基金2项，国家电网公司科技项目5项。在国内外高水平SCI/EI期刊与会议发表论文50余篇，其中，高影响力论文5篇，高被引论文2篇。授权国家发明专利7项；参与出版专著2部，团标2项。荣获2023年度山东电力科技进步二等奖。主要研究方向：电力系统运行与控制、电力系统低碳经济调度、综合能源系统。
李竞锐：山东科技大学电气与自动化工程学院在读硕士研究生。山东科技大学优秀研究生，获研究生国家奖学金。在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》、《电力系统自动化》等多个SCI/EI期刊发表论文3篇。主要研究方向：电力系统低碳经济调度、综合能源系统、电力市场与碳市场。
吉兴全：山东科技大学电气与自动化工程学院副教授，博士生导师。主持山东省自然科学基金面上项目1项，山东省科技发展计划项目1项，作为骨干成员承担山东省自然科学基金项目2项，山东省优秀中青年科学家科研奖励基金1项，承担校企合作项目10余项。相关研究成果获得烟台市科技进步二等奖，山东电力科技进步三等奖，青岛经济技术开发区科学技术进步二等奖。在《IEEE Trans. Power Systems》、《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》等高水平SCI期刊以及《中国电机工程学报》等顶级中文EI期刊上发表论文80余篇。主要研究方向：配电系统分析优化、韧性提升与故障恢复、新能源与负荷预测。
杨明：山东大学电气工程学院教授，博士生导师。山东大学学术委员会委员，国家一流课程负责人。获评IET Fellow、山东省泰山学者特聘专家、山东省优秀科技工作者、连续多年入选爱思唯尔全球前2%顶尖科学家。兼任IEEE IAS I&CPS Asia Operation Committee执行主席、IEC国际电工委员会技术委、中国机械工业教育协会电力系统及其自动化专业委员会副主任委员等多个国内外协会职务，同时兼任IEEE Transactions on Power Systems、IEEE Transactions on Industry Applications等多个国内外期刊编委。出版学术专著5部，在国内外高水平SCI/EI期刊论文百余篇。主要研究方向：电力气象预报与新能源发电预测、鲁棒调度理论与有效安全域分析、电力市场运行机制与辅助决策。
叶平峰：山东科技大学储能技术学院讲师，硕士生导师。主持山东省自然科学基金青年项目1项，教育部重点实验室开放课题基金1项。以第一作者或通讯作者发表SCI/EI检索论文8篇，授权国家发明专利3项。担任了IEEE、IAS国际会议的Session chair和Track chair，并多次担任《IEEE Transactions on Power Systems》、《International Journal of Electrical Power and Energy Systems》和《中国电机工程学报》等国内外期刊的审稿人。主要研究方向：电力系统电网等值、电压稳定、无功优化、电力系统经济调度、机组组合理论。
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