学术研究报告：电-气耦合系统关键元件强化策略研究
作者及机构
本文由卞艺衡、张迪、张舜尧、李更丰、别朝红团队完成，作者单位均为西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室。研究发表于《电力系统自动化》（*Automation of Electric Power Systems*）2025年第49卷第15期。
学术背景
电-气耦合系统（Electricity-Gas Coupling System）是新型电力系统的重要组成部分，通过多能互补提升能源利用效率与系统韧性。然而，地震等极端事件可能同时破坏电力杆塔和天然气管道，导致连锁故障。现有研究多基于静态拓扑或单一故障后果分析，缺乏对灾后动态修复过程的综合考虑。为此，本研究提出了一种融合元件脆弱度（Vulnerability）和故障影响的两阶段强化策略，旨在通过差异化加固关键元件，最小化极端事件后的负荷损失。
研究流程与方法
1. 问题建模与场景生成
- 灾害模型：以地震为例，构建同时影响电力与天然气系统的灾害模型，量化元件故障概率。例如，配电线路故障率与杆型（混凝土杆、预应力杆）抗震强度相关，天然气管道故障率则基于峰值地面速度（PGV）和管道材料（韧性/脆性）计算。
- 多等级强化策略：定义不同强化等级（如配电线路采用C40非预应力杆、C40预应力杆、C50预应力杆；天然气管道分为韧性/脆性类型），并通过随机规划生成故障场景。
2. 两阶段优化框架
- 第一阶段：预排序（Pre-ranking）
- 目标：通过科普兰德排序法（Copeland Ranking）筛选关键元件，缩小优化问题规模。
- 方法：模拟大量故障场景下的抢修次序，计算元件修复时间的累积分布函数（CDF），根据修复优先级排序。例如，线路67-15因修复时间短于线路42-43，被判定为更关键。
- 第二阶段：随机规划（Stochastic Programming）
- 目标：在有限预算下优化强化方案，最小化切负荷成本。
- 约束条件：
- 配电网辐射状拓扑约束（通过虚拟功率流模型保障连通性）；
- 天然气系统Weymouth方程（描述气流动态）；
- 耦合设备（如燃气轮机、压缩机）的协同运行约束。
- 求解算法：采用逐步对冲算法（Progressive Hedging, PH）分解场景子问题，提升计算效率。
3. 算例验证
- 测试系统：70节点配电网与20节点天然气网络耦合系统，含5个分布式电源（DG）和3个压缩机。
- 对比方案：
- 方案1（本文方法）：预排序+随机规划；
- 方案2：忽略抢修次序的随机规划；
- 方案3：仅强化脆弱性最高的元件（如线路61-62、管道17-18）。
- 结果：方案1的切负荷成本最低（较方案2降低352.22%计算时间），且关键线路（如65-66、28-29）的修复优先级与实际优化抢修次序高度一致。
主要结果与逻辑链条
- 科普兰德排序的有效性：通过900次故障场景模拟，验证了排序结果能准确反映元件重要性。例如，线路65-66因修复时间分布最优，被列为最高优先级。
- 抢修次序的影响：案例显示，维修队起始位置和数量会显著改变排序结果（如增加抢修队后，线路28-29重要性上升）。
- 耦合系统韧性提升：强化关键元件（如配电线路66-67、管道3-4）后，系统在4小时内恢复全部负荷，而方案3因忽略故障影响导致恢复延迟。
结论与价值
- 科学价值：
- 提出首个融合脆弱度与故障动态修复的两阶段强化模型，解决了传统方法难以统筹规划与调度的难题。
- 科普兰德排序法为多能源系统关键性评估提供了新工具。
- 应用价值：
- 可为电网运营商提供差异化加固方案，优化防灾预算分配。
- 方法适用于台风、冰灾等多灾害场景，具有普适性。
研究亮点
- 创新方法：
- 预排序-随机规划两阶段框架，兼顾计算效率与建模精度；
- 引入修复时间累积分布函数量化元件重要性。
- 跨学科融合：结合电力系统重构、天然气潮流方程及维修路径优化（VRP），实现多能协同韧性提升。
其他发现
- 天然气系统对电力恢复的影响：管道3-4损坏导致配电网节点35的DG无法运行，凸显气网故障对电力供应的连锁效应。
- 人员调度敏感性：维修队数量和起始位置需作为强化决策的重要输入参数。
此研究为电-气耦合系统的防灾设计提供了理论支撑和实用工具，未来可扩展至交通受损等更复杂场景。