《Energy Strategy Reviews》：Resilience in energy systems – A systematic review of definitions, characteristics and metrics as a system-specific framework for different assessment approaches and resilience functions
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全球社会已同意限制温室气体排放以应对气候变化，然而一些主要国家目前正面临反弹。因此，能源基础设施必须向依赖可变可再生能源（Variable Renewable Energy, RE）的低碳或零碳发电转型。可靠的能源供应对所有国民经济都至关重要，能源安全（Ene
全球社会已同意限制温室气体排放以应对气候变化，然而一些主要国家目前正面临反弹。因此，能源基础设施必须向依赖可变可再生能源（Variable Renewable Energy, RE）的低碳或零碳发电转型。可靠的能源供应对所有国民经济都至关重要，能源安全（Energy Security）概念数十年来一直是关键议题。其最常见的定义包括以合理或可承受的价格获得可靠且不间断的能源供应。该定义考虑了传统已知的、可预期的风险，但并未涵盖未知扰动以及对未来需求的适应性。此外，它通常与由当局监管的既定指标和监测工具相关联。特别是在一个缺乏历史上建立的大型集中式化石燃料发电厂可控出力来源的未来系统中，确保长期能量平衡（Energy Balance）与常被分析的短期功率平衡（Power Balance）同样变得日益关键。为此，研究人员引入了一个全面的能源系统韧性（Resilience）概念，作为能源政策和系统设计战略决策的工具，其中能源安全被纳入并扩展至覆盖能源政策立法的其余目标，并包含长期系统发展与压力。近期前所未有的危机数量加剧了关于能源系统基础设施缓解和适应不断变化框架条件能力的辩论，凸显了这一更广泛视角的紧迫性。在本研究中，能源系统韧性从一个更广泛的视角被概念化，即提供安全能源供应的能力，同时尊重所有三个能源政策目标，并使能源系统能够适应和抵御未知干扰及未来挑战中的长期压力，即使在系统发生显著转变并跨越不同情景的情况下也是如此。在此背景下，一个能源系统包括参与能源服务生产、转换、传输、分配、储存和最终使用的一组技术、基础设施、资源和参与者。这包含了技术、经济和组织层面的相互作用，以确保可靠和可持续的能源供应。它涵盖了多种能源载体，如电力、天然气、热能、氢能和液体燃料，以及在韧性评估中被考虑的相关基础设施和供应链。本综述不限于特定地理区域，而是综合了适用于不同能源系统背景的韧性度量指标。为了提供更多关于能源系统背景下韧性理解的证据，研究人员探索了大量可用论文样本，通过展示初步搜索中被认为与该领域最相关的关键词，为读者提供了对该主题的初步印象。实际综述过程在第2节中描述。首先，一项基于关键词的分析，使用检索字符串“energy resilience”从三个常见数据库IEEE Xplore、ScienceDirect和Google Scholar中检索论文，初步了解了当前研究如何处理这一主题。去除重复项后，剩余的文献使用软件VOSviewer进行分类。结果显示，能源韧性在关键词研究中与不同的系统边界和属性紧密相连且相互交织。其定位和联系表明，在最近收录的出版物中，能源韧性不太可能与诸如韧性度量指标（Resilience Metrics）、应力（Stress）或鲁棒优化（Robust Optimization）等关键词相关联，这暗示了这些工作的定性重点。“韧性”一词在能源领域的应用、兴趣领域和系统配置中是一个广泛使用的术语。它围绕能源系统行为展开，包括气候变化、灾害和停电等关键挑战，但倾向于从短期、以负荷为中心和定性的角度来处理这些主题，而像度量指标、提供能量平衡和（长期）压力等关键词在近期且有影响力的出版物中则较为缺乏。这促使研究人员进行更深入的研究，以得出系统特定的分类，并纳入长期视角和韧性功能（即所追求的目标）。对文献的审视反映了对韧性的不同观点，这与Ahmadi等人的发现一致，即不存在普遍接受的定义。一个原因是韧性应用于多样化的系统背景，行动者对其有不同的解释。因此，用于描述和分析给定系统韧性的方法论方法也各不相同，部分取决于定义的边界。另一个可能的原因是现有研究中处理的不同韧性功能或目标。本文旨在通过系统特定的见解和对韧性功能的分析来证实这些假设。对量化评估的需求是众所周知的，然而在不同的系统配置中存在各种各样的方法。研究现状已经承认需要完善对韧性的概念理解，以描述干扰下的能源系统行为。然而，先前在此段落讨论的综述关注于韧性评估方法的特定方面，因此未能提供一个整合大量要求的全面框架。例如，一篇综述文章对大约20篇论文的韧性阶段、系统、指标公式和建模特征进行了分类，但没有涉及韧性目标的潜在多样性以及关键特征的完整谱系。另一篇综述文章比较了基于其目标、关键韧性增强因素和因子以及面向韧性的目标函数和优化方法的不同论文，但仅限于电力系统，忽略了预期维度，并且本质上局限于已知事件。Wang等人在其综述中也根据建模方法对30篇论文进行了分类，但其分析仍停留在定性层面。Hossain等人专注于电网韧性度量指标，这些指标仅限于该特定系统环境，主要解决事件后的系统行为。Jesse等人分析了定性定义韧性的论文，考察了各种系统维度及其在不同韧性阶段的静态和动态分布。所有这些综述都提供了关于能源系统韧性视角的见解，但它们有时只侧重于定性分析，或者受限于小样本量、狭窄的系统配置以及有限的特征集或期望目标。这限制了所得结论的有效性，因为对于决策者在长期系统规划讨论中所必需的全面韧性评估而言，关键方面和维度未被考虑。这也部分解释了为什么不同利益相关者对韧性的理解存在差异，因为每种系统配置在整个系统性能中都扮演着独特的角色。使这些差异透明化，可以进行全面的辩论和相关权衡。因此，以往的综述要么排除了定量韧性研究，要么侧重于基于事件的方法，这意味着它们主要关注特定（显式）或在概念上依赖于短期干扰后的效应，而非长期系统压力或缓慢演变的过程，从而忽略了提供长期功率和能量平衡的目标。这是与那些明确或隐含地仅仅依赖于短期高影响干扰的现有方法的一个重要区别。此外，韧性目标方面此前并未成为综述的一部分，而这为决策者有意识地权衡不同利益提供了一个基本方面，这些利益体现在经济效率、供应安全和环境保护的能源政策三角中。因此，研究人员提出了定量方法的事件依赖性假设，解决了常被忽视的系统对长期压力的反应，国际能源署（IEA）也将此视为韧性的一部分。总而言之，如果研究人员正在寻找适合其个体系统配置的韧性度量指标，他们无法参考单一来源来筛选出包含上述所有维度的最合适方法。由于没有普遍接受的韧性定义以及评估能源系统韧性的方法多种多样，由此产生了以下研究问题。首先，在涉及能源系统韧性的论文中，韧性是如何定义的？其次，哪些属性被赋予韧性，从而为评估方法奠定基础？第三，量化系统韧性通常使用哪些模型方法？韧性评估类型有哪些，它们如何基于不同的系统边界而有所不同？从所考虑研究论文的样本量来看，韧性分析在多大程度上依赖于某个事件？最后，研究人员考虑了哪些韧性功能，它们如何基于特定系统进行分配？所有这些问题的提出都促成了本次综述。考虑到这一点，本综述旨在强调定量评估研究中使用的能源系统韧性定义的共性，同时考察其评估各自分析系统中韧性的方法的特点和见解。此外，本文还审查了关于所考虑能源系统所需的资源与关键原材料供应链韧性进行的研究。本文将其数据集扩展到以往工作之外，以提供一个更深入的数据库，在此基础上进行分析，以检测韧性定义及其相关属性的共性，这些是定量评估的基础。此外，区分自行制定的定义与外部来源的定义，显示了韧性概念及其分阶段细分的成熟程度。其次，它通过比较不专门依赖于短期事件的定义比例与依赖于短期事件的定义比例，挑战了将韧性纯粹视为事件敏感性的观点。第三，它提供了常见韧性评估维度、系统配置和韧性功能（技术、经济和增强措施）的聚类分析，这是先前工作中被忽视的一个方面。这有助于识别和比较相似及不同系统配置下的韧性方法，从而解决因韧性概念化普遍狭隘而产生的差距。本研究还将材料供应链视为系统配置的一部分，这在其他综述论文中尚未包含。最后，它还讨论了开发可持续能源系统所需的韧性评估定量方法，并根据具体的韧性功能进行结构化。因此，它提出了一个更普遍适用于不同系统配置的“韧性”定义，并根据系统边界和文献的概念化进行量化，从而弥合了已识别的差距。为了强调本文的目标，本工作旨在提供韧性定义、所需特征以及针对系统和功能特定评估的关键考虑的全面概述。所提供的补充材料可以作为指导工具，帮助那些为其特定系统寻找评估方法和度量指标的人。所提出的框架对两组利益相关者尤其有帮助。一方面，寻求将韧性纳入能源系统分析的研究人员可以将补充材料作为结构化参考，以识别与其用例、研究目标、方法论方法和系统配置相一致的度量指标。此外，具有不同背景的决策者可以推导出在长期能源系统规划中应考虑的主要目标，并更好地理解能源系统研究结果的背景，这些研究往往对其基本假设、系统配置以及与韧性相关的设计选择提供的透明度有限。本文的结构如下：第2节展示了收集和筛选文献的方法论。随后，在第3节中，介绍了韧性定义中的共同特征和特性，并根据其韧性功能等对其定量评估进行了分类。最后，结果在第4节中进行讨论和总结。
论文主体内容总结
1. 引言
论文首先指出，全球社会虽已就限制温室气体排放达成共识，但部分主要国家正面临反弹，这使得能源基础设施必须向依赖可变可再生能源（Variable Renewable Energy, RE）的低碳或零碳发电转型。可靠的能源供应至关重要，因此能源安全（Energy Security）概念成为数十年的关键议题，其最常见定义为以合理价格获得可靠且不间断的能源供应。然而，该定义仅考虑传统已知的可预期风险，未涵盖未知扰动及对未来需求的适应性，且与既定指标和监测工具相关联。论文强调，在未来缺乏大型集中式化石燃料电厂可控出力的系统中，确保长期能量平衡（Energy Balance）与短期功率平衡（Power Balance）同等关键。因此，有必要引入一个全面的能源系统韧性（Resilience）概念，作为战略决策工具，将能源安全扩展至覆盖能源政策立法中的经济效率、供应安全和环境保护三大目标，并包含长期系统发展与压力。近期前所未有的危机凸显了这一更广泛视角的紧迫性。论文将能源系统韧性概念化为一种能力，即在尊重三大能源政策目标的同时，使系统能够适应和抵御未知干扰及长期压力，即使在系统发生显著转变并跨越不同情景下也能提供安全的能源供应。文中界定的能源系统包括一系列技术、基础设施、资源和参与者，涵盖多种能源载体（如电力、天然气、热能、氢能和液体燃料）及相关供应链。通过关键词分析，论文发现当前研究多从短期、定性的角度处理韧性，缺乏对度量指标、能量平衡和长期压力的关注，这促使作者进行更深入的研究，以得出系统特定的分类并纳入长期视角和韧性功能（Resilience Functions）。
2. 方法论
论文采用结构化和可追溯的文献研究方法。首先定义了纳入和排除标准以确保方法学质量和相关性。通过在IEEE Xplore、ScienceDirect和Google Scholar三个数据库中检索关键词“energy resilience”，去除重复项后获得711篇文献。随后通过摘要和标题预选，保留提及“量化韧性”的255篇。全文分析后，仅保留在能源系统中评估韧性并应用于案例研究的114篇论文。为了保持结果可管理性，直接引用的报告数量限制在约100篇，并通过引文回溯法扩展。研究后期，为涵盖供应链方面，增加了对“resilience”、“supply chain”和“materials”的检索，额外收集了16篇定量评估关键原材料韧性的论文。通过引文回溯法和外部网站补充，总计有315项研究被纳入综述过程。论文对这些文献进行了多层次分析：首先，分析定量评估论文中的韧性定义和关键特征；其次，按系统配置、建模方法和是否采用基于事件的方法来分析定量方法；最后，审查评估框架所涉及的类别、系统配置和目标。
3. 趋势与特征
3.1 韧性定义
论文分析了120个明确引入或引用的韧性定义。结果显示，大多数定义是引用而来，其中最常被引用的作者是Holling，他被认为是生态系统中韧性概念的奠基人。自2000年代末以来，国家和国际权威机构制定了将韧性纳入战略政策的框架。定义中最常用的词汇包括“ability”、“system”、“event”、“adapt”、“absorb”、“change”、“disruption”、“disturbance”和“structure”。这表明韧性被视为系统的一种能力，与中断系统状态的事件固有地联系在一起，吸收这种干扰并适应它。结合国际能源署（IEA）提到的长期压力维度，韧性可被描述为系统从事件或长期压力造成的干扰中恢复、吸收和适应的能力。尽管韧性概念已被广泛认可，但其解释因系统而异。论文还利用大型语言模型（LLM）验证了其发现与更广泛话语的一致性，结果显示基于常用短语的定义与LLM生成的答案高度相似。
3.2 脆弱性、可靠性与能源安全的相关概念
论文讨论了韧性与其他概念的区别。关于脆弱性（Vulnerability），部分学者认为脆弱性是韧性的对立面，而另一些学者则认为高韧性等同于低脆弱性。有的研究将脆弱性定义为增加系统易感性的特征或网络条件，也有学者将其视为韧性曲线中的一个阶段。关于可靠性（Reliability），多数观点认为韧性是一个比可靠性更宽泛的概念。可靠性侧重于已知的、低影响的威胁，评估系统的静态状态；而韧性则指系统承受罕见、高影响事件的能力，是一个动态概念，涵盖短期和长期，包括系统状态之间的过渡。可靠性被视为实现某些系统特性的技术概念，而韧性则是系统特性本身。关于能源安全（Energy Security），它与能源韧性共享属性，但传统上侧重于能源进口、不间断供应和可负担性，忽视了系统面临的威胁以及系统适应和转型的能力。论文认为，韧性应比这些概念更具包容性。
3.3 韧性特征
论文分析了127篇文献中与韧性相关的关键特征。结果显示，韧性特征呈现出明显的反应性特征，领先的关键词如“适应”、“恢复”、“鲁棒”、“吸收”强调了事件后的反应，而“预期”和“可靠性”处于中等排名。其他属性如“资源fulness”、“灵活性”、“多样性”、“安全性”、“效率”和“可用性”虽被提及但较少见。论文将这些特征归为四类：预期（Anticipate）、吸收（Absorb）、恢复（Recover）和适应（Adapt）。通过分析每篇论文提及的特征组合数量，发现大多数论文识别出恰好两个核心特征来衡量韧性，这暗示了阶段式韧性概念的直接或间接实施。研究表明，大多数研究者认为一个韧性系统包含多个关键特征，而多样性、灵活性和资源fulness常被忽略，恢复被认为最为关键。这突显了该概念对外生事件的反应性特征，而忽略了作为应对意外干扰或长期压力的主动设计工具的意图。
3.4 韧性量化
论文对164项定量研究进行了分析。首先，按系统配置分配，发现综合能源系统（Integrated Energy System）、电力系统（Power System）和配电系统（Power Distribution System）是最常被选择的系统类型。其次，按建模方法分类，优化模型（Optimization models）、随机模型（Stochastic models）和基于指标的模型（Indicator-based models）占主导地位。优化方法主要用于配电系统、微网、电力系统和电网；随机方法主要用于电网、电力系统和配电系统；基于指标的方法主要用于综合能源系统和供应系统。论文进一步将量化方法分为四种类型：基于性能的度量指标（Performance-based metrics）、基于指数的定义（Index-based definitions）、基于网络的分析（Network-based analysis）和混合方法（Mixed）。结果显示，混合方法占比最大，其次是基于性能的方法和指数定义。这表明研究者倾向于结合多种方法来衡量韧性。
