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电热能源网络在冰雪灾害下的级联故障韧性评估方法研究

1. 作者与发表信息

本研究由Songyuan Yu、Chuxi Wei、Fang Fang（通讯作者）等合作完成，作者单位包括中国North China Electric Power University（华北电力大学）和美国University of Utah（犹他大学）。论文发表于期刊Applied Energy第369卷（2024年），标题为《Resilience assessment of electric-thermal energy networks considering cascading failure under ice disasters》，DOI编号10.1016/j.apenergy.2024.123533。

2. 学术背景

研究领域：能源系统韧性（resilience）与复杂网络理论。
研究动机：近年来，暴雪、冻雨等极端天气频发，导致架空输电线路覆冰断裂、杆塔倒塌等故障，威胁电热耦合能源网络（electric-thermal energy networks）的安全运行。现有研究多关注单一电力网络的韧性评估，而忽略了电热网络间的故障传播（cascading failure）及冰雪灾害的持续影响。
科学问题：如何量化冰雪灾害下电热网络的级联故障过程，并建立兼顾组件与系统层面的韧性评估体系？
研究目标：提出一种结合复杂网络理论与故障传播机制的电热网络韧性评估方法，识别关键脆弱点，优化调度决策。

3. 研究方法与流程

研究分为四个核心步骤：

（1）线路脆弱性建模

• 覆冰故障模型：考虑导线断裂、杆塔倒塌和舞动（conductor galloping）三类失效模式。
  
  • 导线断裂：基于风-冰-重力复合载荷（wind–ice–gravity load）计算失效概率（式4），引入形状系数、覆冰厚度等参数（式1-3）。
    
  • 杆塔倒塌：通过不平衡张力载荷（unbalanced tension load）建模（式5-10）。
    
  • 导线舞动：基于偏心覆冰下的振幅与自然频率关系建模（式11-12）。
    
• 过载故障模型：结合风速调整线路功率限值（式14），动态计算过载跳闸概率（式15）。
  

（2）级联故障图构建

• 理论基础：基于复杂网络理论，将故障线路视为顶点（vertex），故障传播路径视为边（edge），权重（weight）反映故障传播的频率与后果（式20-21）。
  
• 故障传播机制：结合功率传输分布因子（PTDF, Power Transfer Distribution Factor）量化负荷转移（式16-19），区分覆冰直接触发（式17）与过载间接触发（式18）两类边。
  

（3）韧性指标体系设计

• 组件级指标：
  
  • 加权顶点度（WDV）：衡量线路的脆弱性与传播性（式22）。
    
  • 介数中心性（BC）：识别关键故障路径（式23）。
    
• 系统级指标：
  
  • 剩余电热负荷（RETL）：反映系统供能能力（式24）。
    
  • 平均负荷削减率（ARLS）：量化故障恢复速度（式25）。
    

（4）分布鲁棒韧性评估模型

• 两阶段优化：
  
  • 第一阶段：调整开关/阀门状态，最小化切换成本。
    
  • 第二阶段：考虑风电不确定性（Wasserstein距离模糊集，式31-32），优化机组出力，最小化负荷削减成本（式26）。
    
• 求解方法：转化为混合整数线性规划问题（式39），采用C&CG算法求解。
  

4. 主要结果

（1）级联故障图分析

• 以IEEE 33节点电网和14节点热网为例，冰雪灾害下线路失效呈现时空传播特性。例如，顶点𝑁20（连接CHP机组）的权重最高（?̂?𝑓,20=1），表明其失效对系统影响最严重（表2）。
  
• 过载触发的故障中，边𝑁18→𝑁3权重最大（?̂?18,3=0.53），说明𝑁18失效易引发𝑁3过载。
  

（2）韧性指标验证

• 案例对比：
  
  • 案例1（无重构）：RETL指数在292小时降为0，系统完全崩溃。
    
  • 案例3（电热联合重构）：RETL指数在256小时仍保持0.33，显著优于案例2（仅电网重构，RETL=0.26）（图6，表3）。
    
• 实际网络测试：在118节点系统中，案例3的总负荷削减比案例1降低25.58%（表4），验证了方法的可扩展性。
  

（3）关键发现

• 电热耦合设备的故障会通过CHP机组传播至热网，导致电热负荷连锁削减。
  
• 热网重构可减少17%的顶点加权度（WDV），间接提升电网韧性（图5a）。
  

5. 结论与价值

科学价值：
- 首次将复杂网络理论应用于电热耦合网络的级联故障分析，提出融合PTDF的故障图模型。
- 构建了兼顾组件与系统级的韧性指标体系，为多能源系统风险评估提供新范式。

应用价值：
- 可识别冰雪灾害下的关键脆弱线路（如𝑁20、𝑁15），指导防灾加固。
- 两阶段优化模型支持调度决策，提升极端天气下的供能可靠性。

6. 研究亮点

1. 创新模型：联合覆冰与过载故障概率模型，更贴合实际灾害场景。
   
2. 方法论突破：通过故障图量化级联传播路径，弥补了传统单一网络分析的不足。
   
3. 工程实用性：在真实东北地区电网中验证了方法的有效性（图7）。
   

7. 其他补充

• 数据与代码开源：模型参数参考中国东北地区实际线路（LGJ-120/20型导线）和热网数据（表1）。
  
• 局限性：未考虑修复策略对韧性的动态影响，未来可结合维修资源调度进一步优化。
  

（全文约2000字）