0 引言

近年来全球经济快速发展，能源消耗量大幅增加，而化石能源日渐枯竭，环境污染和气候变化问题也日趋严峻，节能减排压力日益增大，世界能源行业面临诸多挑战，清洁能源和电能替代成为世界经济可持续发展的必然选择^[1]。

构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系是能源生产和消费革命的核心目标。综合能源系统作为能源互联网的核心组成部分，能够实现多种能源高效互补、消纳更多可再生能源、提高能源供给与利用效率、推进能源领域低碳绿色发展，是推动能源生产与消费革命的重要手段。随着化石能源短缺与环境污染问题愈加严重，在能源生产侧，风力、光伏等清洁可再生能源的占比得到提升；在能源消费侧，电动汽车逐渐普及。然而风电、光伏发电具有随机性与反调峰等特性，电动汽车充电也具有极大的随机性与波动性，将对电力系统安全稳定运行造成很大冲击。目前，电力与天然气、热力等单一能源系统之间相互独立、耦合较少，亟需多系统之间增加耦合，提高系统抗风险能力，保障综合能源系统的安全可靠性运行。

1 综合能源系统介绍 1.1 综合能源系统概念

综合能源系统作为能源互联网的物理载体，是实现能源革命必备的技术与管理平台^[2]。综合能源系统由电-气-储-热/冷-可再生能源等多种能源系统耦合而成，其结构如图 1所示。

相对于传统的电力网络，综合能源系统中交叉互联的各种能源使得系统运行和控制的复杂程度大大增加，系统的能量传送过程更加复杂。而随着系统规模的不断扩大以及各种能源耦合程度的不断加强，综合能源系统的安全可靠运行将面临更多严峻挑战。

综合能源系统作为能源领域未来的发展趋势与重大战略方向，已经得到了国内外众多学者的广泛关注与深入研究。文献[3]深入分析了国外多能源系统之间的交互影响，为综合能源系统的设计、规划与运行等奠定了理论基础。我国对综合能源系统研究的开始时间较晚，但是发展较为迅速，在概念与框架、统一能路、潮流分析及优化运行等方面均取得了一定的成果^[4-7]。

1.2 综合能源工程案例

目前国内已经落地多个综合能源系统：国网客服中心北方园区综合能源项目是国家电网运行较早的项目之一，该系统包含光伏发电系统、地源热泵、蓄热装置、储能微电网等多个子系统，实现了对园区内电、冷、热等多负荷需求的综合应用；上海电力大学临港校区综合能源项目首次集成了风光储一体、混合储能、空气源热泵及智慧能源管理系统等先进技术，实现了新能源消纳、用电故障快速响应、综合节能管理、电动汽车充电等。

由于各地气候、自然资源以及负荷状况等不同，所建综合能源项目也不尽相同，如上海电力大学临港校区综合能源项目所处位置风力资源丰富，风力发电占比较高；而国网客服中心北方园区综合能源项目地处天津，冬季供暖需求旺盛，项目含有更多供热设备。因此，各地综合能源系统的设计与应用也需因地制宜，按需设计。

2 综合能源系统可靠性研究

作为综合能源系统规划与运行的基础，对综合能源系统的可靠性研究十分重要。综合能源系统可靠性分析主要是识别系统中的薄弱环节，为保证综合能源系统安全可靠运行提供有力支撑。

2.1 综合能源系统可靠性评估

综合能源系统的可靠性评估主要是采用某种可靠的方法，通过定量或定性的可靠性指标对系统的可靠供应程度进行评估，从而更好地保障综合能源系统安全可靠运行。综合能源系统可靠性评估作为评估预测系统实时或短期运行风险的有效手段，在降低系统风险、保障系统安全运行等方面起着重要作用。

综合能源系统可靠性评估流程主要为：（1）基于系统运行环境与状态、设备故障情况及多能流耦合关系等建立系统可靠性评估概率模型；（2）考虑多重不确定因素，构建多维度的系统可靠性评估指标体系；（3）采用一定评估方法计算可靠性评估指标，对系统可靠性进行评估。文献[8]以重要程度为指标，采用马尔可夫过程蒙特卡洛法从供能量、占比率等方面评估设备变化对系统可靠性的影响及其重要性。文献[9]提出了基于智能代理通信（SAC）的综合能源系统可靠性评估方法，能够有效提高系统的建模与评估效率。文献[10]在考虑不同能源网络安全准则的基础上，通过对不同用能质量需求的分类，建立了综合能源系统可靠性评估指标体系，并采用序贯蒙特卡洛模拟法进行计算。文献[11]建立了计及多能流传输与热惰性的综合能源可靠性评估指标体系，并采用蒙特卡洛方法进行可靠性评估。

目前针对综合能源系统可靠性评估的研究尚处于起步阶段，研究内容较少，评估指标不完善，评估方法多采用蒙特卡洛或其改进方法，缺乏可靠的指标体系与详细的评估方法，尚需完善评估指标、丰富评估方法。

2.2 复杂网络视角下综合能源系统可靠性分析

复杂网络模型由大量的节点及连接节点的边组成，具有复杂的网络拓扑结构。目前基于复杂网络的可靠性分析正处于发展阶段，已经在电力系统、天然气网络等能源领域得到了一定的应用。文献[12]采用复杂网络理论对电力信息物理系统进行了健壮性分析，对识别系统薄弱环节和潜在威胁起到了重要作用。文献[13]将复杂网络与图论相结合对天然气管网的脆弱性进行了分析，通过识别、控制天然气管网的薄弱环节降低系统风险。

相对于传统的电力网络、天然气网络等单一能源系统，综合能源系统是由电力、天然气、供热供冷等多能源系统耦合而成，具有更庞大的节点规模、更复杂的网络拓扑结构以及更深远的故障传播机制。因此，不能用单一能源系统的拓扑结构分析综合能源系统，需要考虑多能源相互耦合特点。

虽然复杂网络理论在单一能源系统中得到一定的应用，但在综合能源系统中的应用相对较少。文献[14]认为综合能源系统具有典型的复杂网络特性，并从复杂网络视角下对综合能源系统的健壮性研究进行了展望。文献[15]将复杂网络理论应用于电-气-热综合能源系统，并分析了不同故障状态下综合能源系统的健壮性。文献[16]在改进复杂网络有关参数的基础上提出了综合能源系统可靠性分析指标，为综合能源系统规划提供了决策支持。

目前从复杂网络视角对综合能源系统的可靠性进行分析的研究较为匮乏，对综合能源系统的涵盖范围、耦合机制等方面的考虑尚不全面，缺少系统的理论研究与详细的分析方法，亟需对此进行深入研究。

3 综合能源系统利益分配机制研究

综合能源系统涉及供电、供气、供热、新能源及用户等多利益主体。合理的利益分配机制能够调动各主体积极性，有效激励综合能源系统参与电网调峰，促进可再生能源的消纳。

针对综合能源系统利益分配的研究成果较少，处于起步阶段，相关的研究理论与方法欠缺，需要更多学者参与。文献[17]在分析综合能源系统安全与经济性的基础上，提出的商业运营模式对增量收益进行分配，实现了参与主体的多方共赢。文献[18]提出了基于价值分析的运营商定价方法，用以合理分配各主体利益。文献[19]采用夏普利值理论对系统的调峰补偿收益进行优化分配，以提升电力系统调峰灵活性。

在利益分配机制研究方法方面，文献[20]基于合作博弈理论提出了风储联合系统的集群收益分配策略，实现个体利益和整体利益相协调，调动了风储系统的积极性；文献[21]利用区块链智能合约构建了电力供应链利益分配模型，并实现了供应链整体及各主体的利益最优。

4 综合能源系统优化运行

电力、天然气、供热等单一系统的独立运行导致了各能源利用率低。而随着光伏、风力及储能等系统的不断接入，综合能源系统规模不断扩大、各能源耦合强度不断增强，其结构更加复杂，亟需对综合能源系统的优化运行进行研究。

4.1 综合能源系统优化运行模型的建立

综合能源系统的运行与传输十分复杂，系统中的电力网络、天然气网、热网等的能流分析模型及各类设备的能流转换模型并不相同，各能源系统的运行相对独立，系统间缺乏必要的交流互动，多能设备之间难以相互配合，能源利用率较低。需要根据多能流系统的动态性能和耦合关系，结合多能流系统的物理特性，建立综合能源系统优化控制的数学模型，并采用合理方法对模型进行求解，提出保障系统安全可靠、提高能源利用效率与经济效益的优化运行方法。

当前对综合能源系统优化运行的研究处于快速发展阶段，且多集中于特定场景下，以经济、低碳等为目标，以供需平衡、容量限制、出力爬坡及转换效率等为约束条件，构建综合能源系统运行的优化模型。文献[22]在综合能源系统优化运行模型中考虑了风力发电、电动汽车、储能设备及环境污染成本，整体上增加了效益。文献[23]以能源供应商收益最大及用户购能成本最小为目标，建立了考虑新能源发电机综合需求响应的综合能源系统双层优化模型。文献[24]采用经济折算系数将系统的碳排放折算为成本，并将其计入总成本中，建立了以综合能源系统总成本最小为目标函数的优化运行模型。

由多能源系统组成的综合能源系统，由多个利益主体参与。为平衡不同参与方的利益，有学者以多方交互机制为基础建立了综合能源系统优化运行模型。文献[25]为平衡各主体的不同利益诉求，基于综合能源系统多主体主从博弈构建了系统优化运行模型。文献[26]为实现利益平均分配，采用纳什谈判方法对综合能源系统各参与主体进行利益分配，并由此建立了综合能源系统优化运行模型。文献[27]以系统运行费用及配电网满意度为效用函数，构建了综合能源系统重复博弈优化运行模型。

目前国内外学者在综合能源系统优化运行模型的研究中取得了一定的成果，主要以系统利益最大或运行成本最小为目标，并兼顾各方利益分配。但少有学者在优化运行模型中考虑系统安全可靠问题，综合能源系统涵盖范围尚不全面，对各系统之间的耦合问题考虑不足，耦合系统有待进一步优化，针对此问题尚需进行更深入、更全面的研究。

4.2 综合能源系统优化模型的求解

综合能源系统优化运行模型的求解属于高维、非线性、多约束的优化问题，求解过程较为复杂。针对此类问题，国内外学者多采用粒子群算法、遗传算法等传统优化算法进行求解。传统优化算法面对高维多峰的复杂问题时，存在早熟收敛和收敛性差等缺点，容易陷入局部最优。

为得到更优、更精确的运行策略，国内外学者采用改进传统算法、其他新型智能优化算法或求解优化软件对综合能源系统优化模型进行求解。文献[28]采用了布谷鸟搜索算法对四种场景下综合能源系统优化运行模型进行求解，并与粒子群、遗传算法所求结果进行比较分析，仿真结果表明，布谷鸟搜索算法所求结果更优。文献[29]采用CPLEX软件求解最优运行策略，验证了模型的有效性。

目前在综合能源系统求解的方法上已有了一定的研究，众多学者已经探索了诸多不同方法用于求解综合能源系统优化运行模型，但仍存在一定不足，需继续丰富求解方法。

5 研究展望 5.1 理论研究

（1）综合能源系统建模。目前，对综合能源系统的建模多是静态建模，涵盖范围尚不全面，对不同能源间的耦合关系与运行规律仍待深入研究。因此，有必要对综合能源系统运行中的动态过程进行研究，建立动态模型，考虑地热能、余热回收、电制氢、蓄冷槽等新型能源与技术，并积极开发相关仿真平台，进一步推动综合能源系统的发展。

（2）可再生能源出力预测。风能、太阳能等可再生能源的随机性、波动性和反调峰特性，给系统的安全、稳定和经济运行带来严重的负面影响。因此，需要加强对可再生能源出力预测的研究，以提前进行规划；对系统消纳可再生能源的能力进行评估，探寻可消纳再生能源的包络带。

5.2 应用技术

（1）需求响应。需求响应技术以价格为激励机制，引导用电客户改变原有用电习惯，使某一时刻的用电负荷减少或转移，以保障系统安全稳定运行。随着能源消费革命的蓬勃兴起，需求响应技术将会在更广范围内得到应用。为保障综合能源系统安全稳定运行，在未来的研究中，应在优化运行中计及需求响应，并进一步分析用户用电特性，加强用电负荷预测，完善实时电价与激励机制，开发更精准的数据收集系统。

（2）能源区块链技术。区块链技术具有去中心化、公开透明等特点，与含有分布式能源的综合能源系统非常契合。可以将其应用在综合能源系统利益分配、优化能源交易机制。用区块链技术进行综合能源系统中海量数据的管理，将更加安全可靠，但需着力解决区块链的效率问题。

5.3 系统中的设备

（1）电动汽车。作为未来出行的发展趋势，电动汽车市场占有率得到了极大地提升。随着电动汽车规模的快速扩大及快充技术的进一步发展，电动汽车无序充电将会拉大电网峰谷差，增大频率变化幅度，给系统安全稳定运行带来更多挑战。因此需要对综合能源系统中的电动汽车进行研究，分析用户用车与充电特性，用价格杠杆调节电动汽车的充放电时间。

（2）能源转换设备。综合能源系统涉及多种能源，在运行过程中各能源需要相互转换。比如电-气互转，虽然目前该技术尚未完全成熟，但是随着技术的进步以及转换效率的提升，系统中电-气互相转化将更为普遍，系统耦合程度也将更加复杂。在以后的研究对象中，应该增加更多的能源转换设备，进行更加全面的研究。

6 结束语

综合能源系统已得到众多学者的重视，并取得了一定的研究成果，但关于综合能源系统安全经济运行的研究尚缺乏系统的理论支撑与详细的运行策略。本文阐述了综合能源系统的可靠性研究、利益分配及优化运行等方面的研究现状，并对综合能源系统安全经济运行的后续研究进行了展望，供综合能源系统相关研究者参考。