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伴随着全球能源的低碳转型，燃气发电因其更低的碳排放和更强的灵活性逐渐取代传统的燃煤发电，成为电力系统的重要组成部分。然而，随之而来的输气管网和电力网络之间的相互依赖性也日渐增加。这种依赖性带来了新的挑战，尤其是气网故障可能导致的大规模停电事故。例如，2021年2月，美国南部地区遭遇极寒天气，导致输气管网发生故障，较多燃气机组失去燃料供应，从而引发了大范围停电事件。类似的情况在其他国家和地区也时有发生。该类事件表明，在气网和电网高度耦合的系统中，一旦气网发生故障，其影响不仅会局限在气网内部，还很可能蔓延到电力系统，带来更为严重的连锁反应。

因此，如何有效地应对天然气网络故障，避免其对电网的负面影响，成为当前能源互联网领域亟待解决的关键问题之一。在这一背景下，孙宏斌教授团队提出了一种创新性的气电连锁故障早期预警系统，为解决这一问题提供了新的思路。相关成果以论文“Early Warning and Proactive Control Strategies for Power Blackouts Caused by Gas Network Malfunctions”发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。论文通信作者为我院首席科学家孙宏斌教授。该论文同时被编辑推荐为《Nature Communications》期刊工程和基础设施领域(Engineering and Infrastructure)近期50篇最具突破性和影响力亮点论文之一(Editors’ Highlights)。

研究团队设计的气电连锁故障早期预警系统，类比地震预警原理，利用气网真实故障传播速度远低于预警信号传播速度的物理特性，通过及时传递气网故障信息并进行电力系统的主动控制，有效降低了气网故障对电力系统的负面影响。该系统的核心在于利用故障传播延迟，使电力系统在故障影响到达前进行主动调整。

图1 气电连锁故障的早期预警系统原理

具体而言，气电连锁故障的早期预警系统包括感知模块和决策模块，通过这些模块，电力系统可以获得更多的故障响应时间，以尽可能减少切负荷造成的损失。当气网发生故障时，故障信号会被传送到气网调度中心（GDC）。GDC对气网故障信息进行分析后，将生成的故障预警信号迅速传递到电力控制中心（EPCC）。EPCC在接收到故障信号后，启动对电力系统的主动控制，而此时气网的故障影响尚未传播到电力系统。

图2 预警信号的计算

研究团队引入了两个关键预警指标：可用逃生时间（AET）和可用气体管存（ALP）。AET表示电力系统在气网故障发生后的剩余反应时间，ALP表示在气体系统故障发生后，仍可供受影响燃气轮机正常运行的管道存气量。基于这两个指标，EPCC可以在无需其他气网信息的情况下制定适当的电力系统主动控制策略。

图3 电力系统主动控制原理

研究团队选择了我国真实的气电耦合网络进行算例验证，模拟了气源故障、输气管道破裂等主要故障场景。在每个场景中，气网调度中心（GDC）在故障发生后立即将信息传递给电力控制中心（EPCC），EPCC基于AET和ALP两个关键预警指标，快速评估故障对电力系统的影响，并采取主动控制措施如启动备用容量、调整电力负荷等。算例结果显示，在这些场景下，早期预警系统显著减少了电力系统的功率缺口，有效避免了电网的大停电事故。

气电连锁故障的早期预警系统的提出，为多能耦合系统连锁故障的研究提供了一种新的思路，标志着能源互联网核心技术的重要进展。尽管这项研究还有待在更广泛的应用中进一步验证，但初步结果显示其在提高气电耦合系统安全性方面的巨大潜力。孙宏斌教授团队的这项研究，不仅有助于提高综合能源系统的安全性，也为实现碳中和目标提供了新的技术支撑。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48964-0