伴隨著全球能源的低碳轉(zhuǎn)型，燃?xì)獍l(fā)電因其更低的碳排放和更強(qiáng)的靈活性逐漸取代傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電，成為電力系統(tǒng)的重要組成部分。然而，隨之而來的輸氣管網(wǎng)和電力網(wǎng)絡(luò)之間的相互依賴性也日漸增加。這種依賴性帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是氣網(wǎng)故障可能導(dǎo)致的大規(guī)模停電事故。例如，2021年2月，美國南部地區(qū)遭遇極寒天氣，導(dǎo)致輸氣管網(wǎng)發(fā)生故障，較多燃?xì)鈾C(jī)組失去燃料供應(yīng)，從而引發(fā)了大范圍停電事件。類似的情況在其他國家和地區(qū)也時有發(fā)生。該類事件表明，在氣網(wǎng)和電網(wǎng)高度耦合的系統(tǒng)中，一旦氣網(wǎng)發(fā)生故障，其影響不僅會局限在氣網(wǎng)內(nèi)部，還很可能蔓延到電力系統(tǒng)，帶來更為嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)。

因此，如何有效地應(yīng)對天然氣網(wǎng)絡(luò)故障，避免其對電網(wǎng)的負(fù)面影響，成為當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題之一。在這一背景下，孫宏斌教授團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新性的氣電連鎖故障早期預(yù)警系統(tǒng)，為解決這一問題提供了新的思路。相關(guān)成果以論文“Early Warning and Proactive Control Strategies for Power Blackouts Caused by Gas Network Malfunctions”發(fā)表在國際知名期刊《Nature Communications》上。論文通信作者為我院首席科學(xué)家孫宏斌教授。該論文同時被編輯推薦為《Nature Communications》期刊工程和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域(Engineering and Infrastructure)近期50篇最具突破性和影響力亮點(diǎn)論文之一(Editors’ Highlights)。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的氣電連鎖故障早期預(yù)警系統(tǒng)，類比地震預(yù)警原理，利用氣網(wǎng)真實(shí)故障傳播速度遠(yuǎn)低于預(yù)警信號傳播速度的物理特性，通過及時傳遞氣網(wǎng)故障信息并進(jìn)行電力系統(tǒng)的主動控制，有效降低了氣網(wǎng)故障對電力系統(tǒng)的負(fù)面影響。該系統(tǒng)的核心在于利用故障傳播延遲，使電力系統(tǒng)在故障影響到達(dá)前進(jìn)行主動調(diào)整。

圖1 氣電連鎖故障的早期預(yù)警系統(tǒng)原理

具體而言，氣電連鎖故障的早期預(yù)警系統(tǒng)包括感知模塊和決策模塊，通過這些模塊，電力系統(tǒng)可以獲得更多的故障響應(yīng)時間，以盡可能減少切負(fù)荷造成的損失。當(dāng)氣網(wǎng)發(fā)生故障時，故障信號會被傳送到氣網(wǎng)調(diào)度中心（GDC）。GDC對氣網(wǎng)故障信息進(jìn)行分析后，將生成的故障預(yù)警信號迅速傳遞到電力控制中心（EPCC）。EPCC在接收到故障信號后，啟動對電力系統(tǒng)的主動控制，而此時氣網(wǎng)的故障影響尚未傳播到電力系統(tǒng)。

圖2 預(yù)警信號的計(jì)算

研究團(tuán)隊(duì)引入了兩個關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)：可用逃生時間（AET）和可用氣體管存（ALP）。AET表示電力系統(tǒng)在氣網(wǎng)故障發(fā)生后的剩余反應(yīng)時間，ALP表示在氣體系統(tǒng)故障發(fā)生后，仍可供受影響燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行的管道存氣量。基于這兩個指標(biāo)，EPCC可以在無需其他氣網(wǎng)信息的情況下制定適當(dāng)?shù)碾娏ο到y(tǒng)主動控制策略。

圖3 電力系統(tǒng)主動控制原理

研究團(tuán)隊(duì)選擇了我國真實(shí)的氣電耦合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算例驗(yàn)證，模擬了氣源故障、輸氣管道破裂等主要故障場景。在每個場景中，氣網(wǎng)調(diào)度中心（GDC）在故障發(fā)生后立即將信息傳遞給電力控制中心（EPCC），EPCC基于AET和ALP兩個關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)，快速評估故障對電力系統(tǒng)的影響，并采取主動控制措施如啟動備用容量、調(diào)整電力負(fù)荷等。算例結(jié)果顯示，在這些場景下，早期預(yù)警系統(tǒng)顯著減少了電力系統(tǒng)的功率缺口，有效避免了電網(wǎng)的大停電事故。

氣電連鎖故障的早期預(yù)警系統(tǒng)的提出，為多能耦合系統(tǒng)連鎖故障的研究提供了一種新的思路，標(biāo)志著能源互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的重要進(jìn)展。盡管這項(xiàng)研究還有待在更廣泛的應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證，但初步結(jié)果顯示其在提高氣電耦合系統(tǒng)安全性方面的巨大潛力。孫宏斌教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，不僅有助于提高綜合能源系統(tǒng)的安全性，也為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了新的技術(shù)支撐。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48964-0