本文发表于《electric power automation equipment》2025年5月第45卷第5期，主要作者为蒋明轩（西安交通大学电气工程学院）、李更丰、卞艺衡，以及黄奇峰、庄重、杨世海、段梅梅（国网江苏省电力有限公司营销服务中心）。该研究是一项专注于综合能源系统可靠性评估与提升策略的原创性学术研究。
当前，全球正面临化石能源枯竭与生态环境破坏的双重挑战，能源结构改革与安全保障刻不容缓。综合能源系统（Integrated Energy System, IES）能够实现能源的梯级利用与多能互补，相较于单一能源系统，可显著提升能源利用效率、改善用户用能质量，并兼顾经济性与可靠性，对推动我国能源行业发展具有重大意义。尽管学界在IES的稳态多能流计算、优化调度等方面已有较多研究，但在整体性可靠性评估领域仍处于起步阶段。现有研究普遍存在三个关键问题：一是大多忽略了对多时间尺度下气/热惯性的动态特征以及故障恢复过程中传输延时性的定量刻画，导致评估结果准确性差、误差大；二是往往只针对电-气或电-热等部分子系统进行研究，缺乏对电-气-热耦合系统整体性的评估模型，且常忽略阀门、压缩机等控制元件及网络参数（如管道摩擦系数）的影响，导致模型失真；三是尽管电网可靠性提升策略已较成熟，但由于IES特性复杂、影响因素众多，缺乏系统性的可靠性提升策略及关键要素筛选方法，难以为系统规划建设提供有效指导。
针对上述问题，本研究旨在提出一套计及气/热惯性和延时性的电-气-热IES整体可靠性评估方法，并构建相应的可靠性提升策略模型与最优要素筛选模型，以填补现有研究的空白，为IES的精细化评估与优化提供理论与方法支持。
本研究的工作流程严谨且系统，主要包括五个核心环节：电-气-热多能流计算与负荷削减建模、气/热惯性与延时性影响分析、计及动态特性的可靠性评估方法构建、可靠性提升要素分析以及最优要素筛选模型建立。研究以一个由修改后的IEEE RBTS 6节点电力系统、15节点天然气系统和27节点热力系统构成的电-气-热IES试验工业园区为仿真对象，该系统包含热电联产机组、电转气装置、热泵和电锅炉等多种耦合元件。
首先，研究团队构建了IES的多能流计算模型。针对电、气、热子系统高度耦合、方程非线性的特点，采用了统一求解法，将所有方程和变量联立求解，其雅可比矩阵同时体现了各子系统内部及系统间的耦合作用，从而准确求解出系统的稳态运行状态变量，为后续评估提供基础参数。在故障场景下，研究建立了以中断电、气、热负荷所造成的系统整体经济损失最小为目标的负荷削减模型。该模型不仅考虑了不同类型负荷的重要性系数，还严格遵循了各子系统的物理约束（如电网的节点电压、支路容量约束，热网的供回热温度、管道流率约束，气网的节点气压、支路流量约束），并采用二阶锥松弛等方法处理非凸非线性问题，利用MATLAB+YALMIP+IPOPT工具进行高效求解。
其次，研究重点分析了气/热惯性与延时性对可靠性评估的影响机理。电能传输近乎光速，而气、热能依靠介质流动，存在显著的传输延时。更重要的是，发生供能中断时，电负荷点会立即停运，而气、热负荷点的状态（如温度、气压）由于系统惯性会在一段时间内维持在可接受水平。传统方法或忽略此特性，或仅用参数近似，导致评估偏差。本研究创新性地引入了气/热网络的暂态模型来定量刻画这一动态过程。对于热网，基于建筑物热力学的一阶动态方程，计算了从故障发生到室内温度降至最低允许值的时间以及恢复供能后温度回升至正常值的时间。对于气网，则基于天然气管道暂态模型（一组偏微分方程），通过转换至拉普拉斯域求解并逆变换回时域，得到了节点气压变化的动态时间参数。这些时间参数被用于修正传统评估中负荷点的实际故障状态和持续时间，从而更真实地反映系统可靠性。
第三，基于上述动态特性分析，研究提出了一套改进的计及气/热惯性和延时性的IES可靠性评估流程。该方法采用改进的序贯蒙特卡洛模拟法，在元件状态时序抽样后，利用前述暂态模型对气/热网故障元件的实际影响时间进行修正，生成更符合物理过程的系统状态转移时序。在此基础上，进行系统状态模拟（正常态多能流计算、故障态负荷削减求解），并计算修正后的负荷点缺供能次数和供能不达标时间。研究建立了包含供能不足频率、供能不达标时间、能源可用率和缺供能量四项指标的评价体系，对电、气、热各子系统及IES整体进行全面的可靠性量化评估。
第四，在获得可靠性评估结果的基础上，研究构建了适用于IES的可靠性提升策略模型。该模型从“规划级”和“运维级”两个维度，系统梳理了电、气、热各子系统的核心可靠性提升要素。规划级要素侧重于负荷层面的分布与转供能力，以及网络层面的网架结构、资源分布、关键元件选址和运行模式预设（如热网阀门配置、供回热温度设定、气网压缩机设置）。运维级要素则关注设备层面的更新加固，以及系统层面的运行管理、环境应对和应急处置能力（如建筑物热储备系数、综合停热/停气管理水平）。这一模型使可靠性提升工作更具系统性和针对性。
第五，面对众多提升要素，研究进一步提出了IES可靠性提升的最优要素筛选模型。该模型考虑了要素间的耦合作用与经济性，其目标函数用于计算每一种要素组合方案的可靠性提升效益，约束函数则计算相应的经济成本。模型引入了“灵敏度”反映某要素对IES可靠性的提升效益，“饱和系数”反映多要素叠加时效益的非线性饱和趋势。决策者可以通过枚举或转化为多目标优化问题，筛选出在给定经济预算下能带来最大可靠性提升效益的最优要素组合方案，为投资决策提供科学依据。
通过算例仿真，本研究取得了多项重要结果。在评估方法验证方面：1） 计及气/热惯性和延时性后，热网和气网各负荷点的故障率显著降低，系统级的供能不足频率、供能不达标时间和缺供能量均大幅下降，证明忽略这些动态特性将严重低估系统实际可靠性，导致评估结果误差巨大。例如，在热网侧，计及惯性后系统供能不足频率从0.70796次/年降至0.14617次/年。2） 耦合工作模式对可靠性的影响因系统而异。在算例中，电、热子系统在耦合工作模式下可靠性均得到提升（如热网缺供热量从29507.27 MJ/a降至15099.40 MJ/a），而气网侧可靠性因耦合元件（CHP、P2G）的故障连锁影响而略有降低，这表明多能耦合在提升整体可靠性的同时，可能对部分子系统带来新的风险，需具体分析。3） 忽略控制元件（阀门、压缩机）的调控作用和网络参数（开关位置、管径、摩擦系数）的影响，会导致可靠性评估结果出现偏差。算例显示，不计及阀门控制会使热网能源可用率高估约0.01%，证明在评估中必须考虑这些实际运行因素。
在提升策略验证方面：1） 研究验证了供/回热温差及热网质量流率作为可靠性提升要素的有效性。仿真表明，缩小供回热温差（如从20℃降至10℃）可显著提升热网可靠性（能源可用率提升约0.02%），但会导致所需质量流率大幅增加，对管道和泵送能力提出更高要求；提高供回热温度也能小幅提升可靠性，但会增加热源出力和管网损耗，涉及经济性权衡。2） 验证了建筑物热储备系数对可靠性的正向影响，其值增大会延长负荷点温度下降时间，从而提升可靠性。这些结果为要素的灵敏度分析提供了数据基础。3） 通过所提的最优要素筛选模型，决策者可以基于评估结果和实际需求（如重点提升热网可靠性），从预选的多个要素（如改善供回热温差、降低元件老化率、提高建筑物热储备系数）中，筛选出性价比最高的协同提升方案，实现了从评估到优化决策的闭环。
本研究的结论是：所提出的计及气/热惯性和延时性的IES可靠性评估方法，有效解决了传统方法误差大、无法量化动态影响的问题，评估结果更符合物理实际。同时，所构建的可靠性提升策略模型和最优要素筛选模型，能够系统性地指导决策者制定科学的IES可靠性提升方案，实现电-气-热多要素的协同优化，填补了该领域的研究空白。
本研究的价值与亮点在于：科学价值：首次将气/热网络的暂态模型系统性地引入IES可靠性评估中，实现了对多时间尺度动态特性的定量刻画，深化了对多能耦合系统失效机理的理解。所提的整体性评估框架和提升策略模型，推动了IES可靠性理论的发展。应用价值：为电网公司、能源规划部门等提供了从精细评估到优化提升的完整工具箱，有助于其在IES规划、设计、运行和维护的全生命周期中，更科学地配置资源、制定策略，提升能源供应的安全性与经济性。重要创新点：1） 方法创新：提出了基于暂态模型的动态可靠性评估修正方法，以及考虑要素耦合效应与经济性的最优筛选模型。2） 模型创新：构建了完全反映电-气-热网络特征、包含控制元件与网络参数的IES整体可靠性评估与提升模型。3） 视角创新：强调了多子系统耦合下可靠性变化的复杂性（可能此升彼降），并提供了系统性的要素梳理与协同优化路径。这些工作对促进综合能源系统的高质量发展与安全可靠运行具有重要意义。