能源互聯(lián)網(wǎng)下的多能互補(bǔ)綜合能量管理

: “IEMS可以認(rèn)為是第四代能量管理系統(tǒng)(EMS)，可以解決多能流網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)控制問(wèn)題，即通過(guò)多能互補(bǔ)、源網(wǎng)荷協(xié)同實(shí)現(xiàn)安全供能前提下的效益最大化?！?

1. 能源互聯(lián)網(wǎng)從“概念年”走向“落地年”

去年和前年我認(rèn)為是能源互聯(lián)網(wǎng)的“概念年”，那時(shí)候大家還在討論“什么是能源互聯(lián)網(wǎng)”，“為什么要做能源互聯(lián)網(wǎng)”，“能源互聯(lián)網(wǎng)可能會(huì)長(zhǎng)什么樣子”。但是，今年已經(jīng)進(jìn)入到了能源互聯(lián)網(wǎng)的“落地年”，大家都在深入地討論應(yīng)該怎么去做。國(guó)家能源局、科技部有很多支持項(xiàng)目，資金投入量很大，比如今年國(guó)家能源局公布的首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目。

2. 追求效益最大化的最優(yōu)控制問(wèn)題

如何通過(guò)“多能互補(bǔ)、源網(wǎng)荷協(xié)同”實(shí)現(xiàn)安全供能前提下的效益最大化，這是在能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目的實(shí)施中，專(zhuān)家們都很關(guān)心的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。這實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易，從技術(shù)層面來(lái)看，這個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題可歸結(jié)為復(fù)雜的多能流網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)控制問(wèn)題。這個(gè)最優(yōu)控制問(wèn)題是要追求效益的最大化，效益=收入-費(fèi)用，約束前提是安全供能。這里的收入包括了售能、售服務(wù)，費(fèi)用有購(gòu)能、購(gòu)服務(wù)等。優(yōu)化的手段分布在冷、熱、氣、電、水、交通，源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)。約束條件包括供需平衡、運(yùn)行的物理范圍，以及供能安全等。這個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題最終是通過(guò)一套系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這套系統(tǒng)就叫做多能互補(bǔ)綜合能量管理系統(tǒng)(Integrated Energy Management System)，簡(jiǎn)稱(chēng)IEMS。

3. EMS的發(fā)展歷史

IEMS可以認(rèn)為是第四代能量管理系統(tǒng)(Energy Management System，EMS)。EMS是在電網(wǎng)調(diào)度控制中心應(yīng)用的在線分析、優(yōu)化和控制的計(jì)算機(jī)決策系統(tǒng)，是電網(wǎng)運(yùn)行的神經(jīng)中樞和調(diào)度指揮司令部，是大電網(wǎng)的智慧的核心。我們課題組研究EMS已有30多年。首先回顧一下EMS的歷史。

第一代EMS出現(xiàn)在1969年以前，叫做初期EMS。這種EMS僅包含SCADA供能，只是把數(shù)據(jù)采集起來(lái)，沒(méi)有實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析、優(yōu)化、協(xié)同控制，網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化主要靠離線計(jì)算，屬于經(jīng)驗(yàn)型調(diào)度?，F(xiàn)在的園區(qū)管理，絕對(duì)不能停留在經(jīng)驗(yàn)型調(diào)度的水平上，而是需要精益化的管理，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。

第二代EMS出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初到21世紀(jì)初，叫做傳統(tǒng)EMS。這一代EMS的奠基者是Dy-Liacco博士，他提出了電力系統(tǒng)安全控制的基本模式，發(fā)展了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析、優(yōu)化、協(xié)同控制，所以在上個(gè)世紀(jì)70年代，EMS得到了迅速發(fā)展。我國(guó)1988年完成四大電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的引進(jìn)，之后完成消化、吸收、再創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EMS。當(dāng)時(shí)清華承擔(dān)了東北電網(wǎng)EMS的引進(jìn)、消化和吸收，因?yàn)楫?dāng)時(shí)東北是重工業(yè)基地，東北電網(wǎng)的網(wǎng)調(diào)是最大的，全國(guó)負(fù)荷最大的就在東北。目前國(guó)內(nèi)的EMS已基本國(guó)產(chǎn)化，這一時(shí)期的調(diào)度已經(jīng)屬于分析型調(diào)度，上升到了新層次。

第三代EMS是源網(wǎng)荷協(xié)同的智能電網(wǎng)EMS，出現(xiàn)在大規(guī)模可再生能源發(fā)展之后，這時(shí)候還沒(méi)有多能橫向的協(xié)同，只有源網(wǎng)荷的協(xié)同。針對(duì)大規(guī)模可再生能源不可控、波動(dòng)性的特點(diǎn)，需要大量的靈活性資源，從源-輸，轉(zhuǎn)向荷-配，這時(shí)候的EMS可集成利用各類(lèi)分布式資源，發(fā)展分布自律-集中協(xié)同架構(gòu)，從源、網(wǎng)到荷，都有相應(yīng)的EMS。源有風(fēng)電場(chǎng)和光伏站的EMS，荷有電動(dòng)汽車(chē)、樓宇和家庭的EMS，網(wǎng)有輸電、配網(wǎng)、微網(wǎng)的EMS，這些EMS首先是自律，然后通過(guò)通信網(wǎng)聯(lián)結(jié)在一起形成協(xié)同，這時(shí)候就可以稱(chēng)為EMS家族了，EMS家族有很多成員，不同成員有不同特點(diǎn)，共同實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的源網(wǎng)荷協(xié)同。

第四代或者說(shuō)下一代EMS,稱(chēng)之為多能互補(bǔ)的綜合能量管理系統(tǒng),也就是IEMS。這里的綜合是把各種能源集成和綜合。由于各類(lèi)能源割裂，綜合能效低，所以需要綜合和梯級(jí)利用;同時(shí)由于靈活性資源嚴(yán)重不足，大量棄風(fēng)、棄水、棄光、所以需要拓展到多種能源互聯(lián)，從多種能源里面找到新的靈活性資源，來(lái)支持大規(guī)?？稍偕茉吹南{;通過(guò)效益最大化的綜合優(yōu)化調(diào)度，在保障供能安全和優(yōu)質(zhì)的前提下，降低用能成本，提高綜合能源服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益。

下圖給出的就是IEMS的示意圖。

它像一個(gè)大腦，底下是一個(gè)綜合能源系統(tǒng)，冷、熱、氣、電、水、交通，各種能流，叫多能流。前些天我在會(huì)上介紹了這個(gè)系統(tǒng)，大家公認(rèn)在世界上還沒(méi)有先例。今天上午在清華發(fā)布的最新成果“園區(qū)多能互補(bǔ)綜合能量管理系統(tǒng)”就是這世界上第一個(gè)IEMS產(chǎn)品。我們課題組將做了30年的電網(wǎng)EMS拓展成IEMS非常困難，學(xué)電的人不懂熱、氣、交通，這時(shí)候就需要學(xué)習(xí)熱能、燃?xì)夂推?chē)等其他學(xué)科的知識(shí)，我們團(tuán)隊(duì)最近五年一直在快速地學(xué)習(xí)，終于成功研制出了IEMS。當(dāng)然，如果沒(méi)有之前30年電網(wǎng)EMS的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，再用10年也做不出來(lái)。

4 IEMS的主要功能

(1)多能流SCADA

用于實(shí)現(xiàn)完整、高性能的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能，是后續(xù)預(yù)警、優(yōu)化和控制等功能的基礎(chǔ)，并利用系統(tǒng)軟件支撐平臺(tái)提供的服務(wù)。多能流SCADA是IEMS的“感官系統(tǒng)” ，基于能源物聯(lián)網(wǎng)，采集多能流數(shù)據(jù)(采樣頻率：電為秒級(jí)，熱/冷/氣為秒級(jí)或分鐘級(jí))，完成相應(yīng)的監(jiān)控功能，并將數(shù)據(jù)提供給狀態(tài)估計(jì)及后續(xù)高級(jí)應(yīng)用功能模塊，接收系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控指令，并通過(guò)遙控/遙調(diào)信號(hào)下發(fā)給系統(tǒng)設(shè)備執(zhí)行。多能流SCADA的功能界面包括能流分布、場(chǎng)站接線、系統(tǒng)功能、綜合監(jiān)視、操作信息、分析評(píng)估、智能報(bào)警等。

(2)多能流狀態(tài)估計(jì)

由于多能流傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)點(diǎn)分布廣、量測(cè)種類(lèi)多、數(shù)據(jù)質(zhì)量低、維護(hù)難度大、成本敏感度高，所以出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不全、錯(cuò)誤的情況在所難免。因此多能流網(wǎng)絡(luò)需要狀態(tài)估計(jì)技術(shù)提供實(shí)時(shí)、可靠、一致、完整的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，為IEMS的評(píng)估和決策提供基礎(chǔ)。多能流狀態(tài)估計(jì)通過(guò)補(bǔ)齊量測(cè)數(shù)據(jù)、剔除壞數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)壞數(shù)據(jù)的可估計(jì)、可檢測(cè)、可辨識(shí)，最終達(dá)到減少傳感器安裝數(shù)量、降低通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度、降低傳感網(wǎng)絡(luò)的投資和維護(hù)費(fèi)用的效果，通過(guò)提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性來(lái)提高評(píng)估與決策的可靠性，降低能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行事故風(fēng)險(xiǎn)。

(3)多能流安全評(píng)估與控制

安全的重要性不言而喻，而能源系統(tǒng)的安全尤其關(guān)乎生命和財(cái)產(chǎn)安全。一方面需要建立“N-1”安全準(zhǔn)則的概念，這個(gè)概念就是去關(guān)注最薄弱的環(huán)節(jié)，并且做出預(yù)案。上午我們成果的發(fā)布會(huì)上舉了一個(gè)例子，是說(shuō)臺(tái)灣近期的一次大停電是由氣的閥門(mén)故障導(dǎo)致的，那么那個(gè)閥門(mén)就是氣-電耦合綜合能源系統(tǒng)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。所以一定要時(shí)刻關(guān)注薄弱環(huán)節(jié)，出現(xiàn)問(wèn)題一定要有預(yù)案，否則會(huì)面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面要關(guān)注園區(qū)交易關(guān)口的安全控制，園區(qū)關(guān)口的容量配置和運(yùn)行的成本是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，一方面是容量越大變壓器的投資成本越高，另一方面容量越大電網(wǎng)公司收取的容量費(fèi)也越高。比如：50兆瓦容量和100兆瓦容量投資和運(yùn)行的總成本相差很大，如果設(shè)計(jì)成50兆瓦的容量，萬(wàn)一實(shí)際容量超過(guò)了，會(huì)燒掉變壓器。該怎么將關(guān)口潮流控制在50兆瓦以?xún)?nèi)，這就是安全控制問(wèn)題。在多能流系統(tǒng)中，不同能源系統(tǒng)相互耦合和影響，某一部分的故障和擾動(dòng)會(huì)影響到多能流系統(tǒng)的其他部分，有可能造成連鎖反應(yīng)，因此需要進(jìn)行耦合分析。可以利用熱、氣等系統(tǒng)的慣性提供的靈活性，為電系統(tǒng)的安全控制提供新手段，可以利用這些新手段，做協(xié)同安全控制。

(4)多能流優(yōu)化調(diào)度

這里有幾個(gè)重要的概念：?jiǎn)⑼Ｓ?jì)劃、日前調(diào)度、日內(nèi)調(diào)度、實(shí)時(shí)控制。一個(gè)園區(qū)或者是城市的三聯(lián)供、燃?xì)鈾C(jī)組、電鍋爐都是可以啟停的，有一些設(shè)備停下來(lái)可以降低成本，這就可以根據(jù)確定日前的最優(yōu)啟停計(jì)劃進(jìn)行啟停。然后在啟?；A(chǔ)上調(diào)節(jié)多少出力，這是日前調(diào)度。而日內(nèi)調(diào)度是由于風(fēng)光出力變了、負(fù)荷變了，所以日內(nèi)需要再調(diào)度，以此來(lái)適應(yīng)新的適合的發(fā)電出力，維持最優(yōu)的出力和負(fù)荷的平衡。最后到了秒級(jí)還要進(jìn)行控制，如對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題、調(diào)壓?jiǎn)栴}、調(diào)頻問(wèn)題，都需要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。調(diào)度的時(shí)間尺度較長(zhǎng)，一般以15分鐘為單位，控制是以秒為單位，時(shí)間尺度較短。在多能流系統(tǒng)中，其可調(diào)控的手段比單一能源系統(tǒng)要多，從源網(wǎng)荷儲(chǔ)的角度出發(fā)，可實(shí)現(xiàn)冷、熱、氣、電等的綜合調(diào)度和控制。

(5)多能流節(jié)點(diǎn)能價(jià)

一個(gè)園區(qū)或者是智慧城市，一定要考慮建設(shè)一個(gè)非常好的內(nèi)部的商業(yè)模式。內(nèi)部的商業(yè)模式不是對(duì)外的，不是對(duì)上的，而是對(duì)園區(qū)內(nèi)用戶(hù)的，這樣的一個(gè)商業(yè)模式應(yīng)該是什么樣?最科學(xué)的模式就是節(jié)點(diǎn)能價(jià)的模式。節(jié)點(diǎn)能價(jià)的模式首先需要通過(guò)計(jì)算確定各個(gè)地方的用能成本是多少，用能成本包括四個(gè)部分：一是能量發(fā)出來(lái)的成本;二是傳輸損耗的成本;三是網(wǎng)絡(luò)阻塞的成本;四是多能耦合的成本。然后需要科學(xué)精準(zhǔn)地計(jì)算各個(gè)結(jié)點(diǎn)的能價(jià)，包括冷價(jià)、熱價(jià)、氣價(jià)和電價(jià)，不同時(shí)刻、不同地點(diǎn)的價(jià)格，只有通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算，才能使園區(qū)總的用能成本顯著下降，因?yàn)榭梢杂脙r(jià)格的信號(hào)來(lái)引導(dǎo)用戶(hù)用能。這樣整個(gè)園區(qū)的用能成本則可以通過(guò)柔性的能價(jià)手段得到顯著下降。

節(jié)點(diǎn)能價(jià)根據(jù)供應(yīng)商的生產(chǎn)邊際成本制定，當(dāng)線路出現(xiàn)阻塞時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的價(jià)格根據(jù)所在位置的不同而呈現(xiàn)不同的價(jià)格，實(shí)時(shí)價(jià)格可以激發(fā)用戶(hù)側(cè)的靈活性。節(jié)點(diǎn)能價(jià)科學(xué)體現(xiàn)了成本，有利于建立公平的內(nèi)部市場(chǎng)機(jī)制。

(6)多能流虛擬電廠

虛擬電廠是對(duì)上級(jí)市場(chǎng)的商業(yè)模式，整個(gè)園區(qū)或城市都可以變成一個(gè)大的虛擬電廠，盡管不是物理電廠，但是有很多儲(chǔ)能和冷熱電三聯(lián)供等分布式電源，聯(lián)合起來(lái)就可以變成一個(gè)大的可調(diào)節(jié)的市場(chǎng)主體。因?yàn)榉植际劫Y源容量小、數(shù)量多，市場(chǎng)難以單獨(dú)管理，通過(guò)虛擬電廠的集合，可以通過(guò)軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多個(gè)分布式資源協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行，為外部市場(chǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等服務(wù)，有利于總體資源的優(yōu)化配置和利用。這樣的商業(yè)模式能夠帶來(lái)很高的經(jīng)濟(jì)收益，這在美國(guó)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

虛擬電廠在優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，可以將園區(qū)內(nèi)的分布式電源、可控負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置聚合成一個(gè)虛擬的可控集合整體，從而園區(qū)可以作為一個(gè)整體參與上級(jí)電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度。虛擬電廠協(xié)調(diào)上級(jí)電網(wǎng)與分布式資源間的矛盾，充分挖掘分布式資源為電網(wǎng)和用戶(hù)所帶來(lái)的價(jià)值和效益，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的友好互動(dòng)。

如下圖所示是多能流虛擬電廠的內(nèi)部組成架構(gòu)。

橫向來(lái)看依次是源網(wǎng)荷儲(chǔ)。源側(cè)包括常規(guī)的供電設(shè)備、CHP機(jī)組、燃?xì)忮仩t等設(shè)備，以及外部電網(wǎng)供電、可再生能源接入;網(wǎng)架分為冷熱電等傳輸系統(tǒng);荷側(cè)為園區(qū)內(nèi)部的電、熱、冷負(fù)荷;在儲(chǔ)能方面，不同能源子系統(tǒng)均有各自的儲(chǔ)能設(shè)備?？v向來(lái)看依次是電、氣、熱、冷多能互補(bǔ)運(yùn)行。不同的能源子系統(tǒng)分別用不同的顏色表示，多種能源轉(zhuǎn)化設(shè)備(熱泵、CHP、燃?xì)忮仩t、溴化鋰機(jī)組)將不同的能源子系統(tǒng)相耦合。園區(qū)內(nèi)部多種能源形式以虛擬電廠的形式組合在一起綜合運(yùn)行，在保證電、熱、冷負(fù)荷可靠供應(yīng)的前提下，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，提高能效，降低用能成本。并且對(duì)于波動(dòng)性很強(qiáng)的可再生能源而言，綜合能源系統(tǒng)具有更多的靈活性，促進(jìn)了可再生能源的接納，進(jìn)一步提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

5 IEMS的應(yīng)用案例

(1)成都高新西區(qū)的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目。成都高新西區(qū)是約40平方公里的工業(yè)園區(qū)，IEMS系統(tǒng)對(duì)這里進(jìn)行綜合能源的供應(yīng)與需求分析，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同優(yōu)化。以電、氣、冷、熱等對(duì)能源的需求為主，開(kāi)展基于清潔能源中樞(天然氣冷熱電三聯(lián)供、光伏、風(fēng)電等)的能源互聯(lián)網(wǎng)示范園區(qū)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高新西區(qū)內(nèi)天然氣、地?zé)崮?、風(fēng)光能、蒸汽、冷水、熱水、電等能源實(shí)施管理。

(2)廣州從化工業(yè)園區(qū)的綜合能量管理系統(tǒng)研發(fā)和示范項(xiàng)目。這個(gè)園區(qū)的核心部分大概12平方公里，也是典型的工業(yè)園區(qū)。工業(yè)園的能源格局呈現(xiàn)大容量、多能流、高滲透等特點(diǎn)，具有開(kāi)展多能協(xié)同、多能優(yōu)化調(diào)度等的良好基礎(chǔ)條件，是開(kāi)展“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源綜合能源服務(wù)業(yè)態(tài)模式示范較為適宜的區(qū)域。在園區(qū)內(nèi)建設(shè)IEMS系統(tǒng)，提出虛擬電廠和用戶(hù)需求側(cè)響應(yīng)模式，實(shí)現(xiàn)靈活性資源集群同步化控制技術(shù)，最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部署應(yīng)用。

(3)廣東東莞立沙島的智慧能源能量運(yùn)行控制系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目。東莞立沙島也是約12平方公里的工業(yè)園區(qū)，立沙島智慧能源系統(tǒng)分為以下四個(gè)層次：第一，熱電耦合下的園區(qū)能量調(diào)控;第二，政策沒(méi)有放開(kāi)的情況下，存在約束條件的園區(qū)能量管理;第三，政策完全放開(kāi)的情況下的區(qū)域能量管理;第四，未來(lái)和大系統(tǒng)之間的交互(交易)，打造綜合能源供應(yīng)商。其中能量管理系統(tǒng)的研發(fā)分為四個(gè)階段：第一，整體可觀，部分可控;第二，整體可控，部分優(yōu)化;第三，整體優(yōu)化，部分交互;第四，整體交互，聯(lián)合優(yōu)化。

(4)吉林省多能流綜合能量管理與優(yōu)化控制研究項(xiàng)目。吉林省火電機(jī)組占比多，沒(méi)有抽蓄、燃?xì)獾褥`活調(diào)節(jié)電源，并且吉林處于高寒地區(qū)，冬季供熱期長(zhǎng)達(dá)半年，90%以上火電機(jī)組為供熱機(jī)組，供熱期間，火電最小出力超過(guò)本省最小負(fù)荷，風(fēng)電消納壓力大棄風(fēng)問(wèn)題非常嚴(yán)重，主要原因是供熱機(jī)組的熱-電制約關(guān)系和“以熱定電”模式顯著降低了其調(diào)峰能力，擠占了風(fēng)電空間。怎么用市場(chǎng)的手段來(lái)激發(fā)多能流的管控和交易，是最具挑戰(zhàn)的問(wèn)題，為此部署了IEMS系統(tǒng)，來(lái)研究多能流綜合系統(tǒng)的市場(chǎng)交易機(jī)制，研究多元市場(chǎng)主體的成本效益，研究并設(shè)計(jì)示范區(qū)域內(nèi)的用能替代響應(yīng)，并提出多能流綜合能量管理優(yōu)化控制技術(shù)，在解決大規(guī)模風(fēng)電消納問(wèn)題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔供暖。