艾 芊, 郝 然

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海市 200240)

0 引言

能源是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力和基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)化石能源日益枯竭,提高能源利用效率、開發(fā)新能源、加強(qiáng)可再生能源的綜合利用成為解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的能源需求增長(zhǎng)與能源緊缺之間矛盾的必然選擇。2015年國(guó)家發(fā)改委、能源局在促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見中明確提出“加強(qiáng)能源互聯(lián),促進(jìn)多種能源優(yōu)化互補(bǔ)”[1]。

由于不同能源系統(tǒng)發(fā)展的差異,供能往往都是單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計(jì)、獨(dú)立運(yùn)行,彼此間缺乏協(xié)調(diào),由此造成了能源利用率低、供能系統(tǒng)整體安全性和自愈能力不強(qiáng)等問題。

多能互補(bǔ)并非一個(gè)全新的概念,在能源領(lǐng)域中,長(zhǎng)期存在著不同能源形式協(xié)同優(yōu)化的情況,幾乎每一種能源在其利用過程中,都需借助多種能源的轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)高效利用。而集成優(yōu)化是在能源系統(tǒng)源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)縱向優(yōu)化的基礎(chǔ)上,通過能源耦合關(guān)系對(duì)多種供能系統(tǒng)進(jìn)行橫向上的協(xié)調(diào)優(yōu)化,其目的是實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用和協(xié)同調(diào)度,為解決上述問題提供了新思路。

隨著分布式發(fā)電供能技術(shù),能源系統(tǒng)監(jiān)視、控制和管理技術(shù),以及新的能源交易方式的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,能源耦合緊密,互補(bǔ)互濟(jì)。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)作為多能互補(bǔ)在區(qū)域供能系統(tǒng)完整的功能實(shí)現(xiàn)單元,是本文的主要研究對(duì)象,其多種能源的源、網(wǎng)、荷深度融合、緊密互動(dòng)對(duì)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行提出了新的要求。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)一般涵蓋集成的供電、供氣、供暖、供冷、供氫和電氣化交通等能源系統(tǒng),以及相關(guān)的通信和信息基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)相互獨(dú)立的運(yùn)行模式無(wú)法適應(yīng)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)的能源生產(chǎn)和利用方式,在能量生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和管理的各個(gè)方面,都需要以考慮運(yùn)用系統(tǒng)化、集成化和精細(xì)化的方法來(lái)分析整個(gè)能源系統(tǒng),進(jìn)而提高系統(tǒng)魯棒性和用能效率,并顯著降低用能價(jià)格。

在能源消費(fèi)終端,多能市場(chǎng)是相互聯(lián)系的各類市場(chǎng)的有機(jī)整體,具有信息反饋、資源配置、多元化用能服務(wù)和利益均衡的功能。為分析基于政策的能源市場(chǎng)設(shè)計(jì)和市場(chǎng)分析,達(dá)到能源的供需均衡,能源市場(chǎng)應(yīng)是以物理系統(tǒng)為建?；A(chǔ)、以最大經(jīng)濟(jì)性為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)線性能源模型,可對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)中多種能源生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、消費(fèi)及收益均衡環(huán)節(jié)進(jìn)行描述。博弈論模型[2]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[3]、多代理仿真模型[4]等被廣泛應(yīng)用于能源市場(chǎng)分析。

為進(jìn)一步提高用能效率,促進(jìn)多種新能源的規(guī)?；?多種能源的源、網(wǎng)、荷深度融合、緊密互動(dòng)又是未來(lái)能量系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì),據(jù)此,多能互補(bǔ)協(xié)同優(yōu)化研究具有前瞻性和巨大的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文以多能互補(bǔ)集成優(yōu)化方面的關(guān)鍵技術(shù)為研究對(duì)象,首先,歸納總結(jié)了近年來(lái)能源互補(bǔ)集成的研究現(xiàn)狀。然后,通過多能流混合建模,對(duì)多能系統(tǒng)規(guī)劃、智能調(diào)控、協(xié)同控制與互動(dòng)、綜合評(píng)估、系統(tǒng)信息安全與通信及能源交易和商業(yè)服務(wù)運(yùn)行模式等關(guān)鍵問題進(jìn)行總結(jié)與歸納。最后,提供一種多能系統(tǒng)分析的思路,并對(duì)多能互補(bǔ)的研究進(jìn)行展望。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究與實(shí)踐

多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)一直受到世界各國(guó)的重視,不同國(guó)家往往結(jié)合自身需求和特點(diǎn),各自制定適合自身的綜合能源發(fā)展戰(zhàn)略。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也進(jìn)行了大量研究。

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Geidl和Andersson在文獻(xiàn)[5]中首次給出了能量樞紐(energy hub,EH)的概念[6],其概念和模型應(yīng)用到歐盟的EPIC-HUB項(xiàng)目中。作為多種能源和負(fù)荷需求的能源轉(zhuǎn)換單元,可為不同場(chǎng)景下的能源輸入輸出提供接口,并量化表征系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系,通過管理多種能源的消費(fèi)與供應(yīng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系,實(shí)現(xiàn)能源間的綜合優(yōu)化。

在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[7-9]綜合分析了熱/電/氣系統(tǒng)的運(yùn)行與協(xié)同調(diào)度問題。文獻(xiàn)[7]中的EH將區(qū)域內(nèi)的燃?xì)忮仩t、熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)技術(shù)和電力變壓器等元件統(tǒng)一建模為具有固定轉(zhuǎn)化特性的中間元件;文獻(xiàn)[9]分析了過量風(fēng)電轉(zhuǎn)換為熱能的調(diào)度方法和技術(shù)手段,方案促進(jìn)了風(fēng)能的消納能力,提高了風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著能量需求呈現(xiàn)多樣化和分布化趨勢(shì),以多能互補(bǔ)為中心的理論研究和工程實(shí)踐也在國(guó)外率先展開。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)最先于當(dāng)?shù)貐^(qū)域綜合能源系統(tǒng)開發(fā)了電/熱/氣系統(tǒng)與用戶交互平臺(tái),該平臺(tái)整合了用能模式、節(jié)能策略和需求響應(yīng)3個(gè)功能。歐盟資助的智能電網(wǎng)綜合研究計(jì)劃ELECTRA[10]致力于2030年未來(lái)高可再生能源系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行,利用自治網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)分布式多能源互聯(lián)。德國(guó)亞琛大學(xué)和德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和環(huán)境部通過需求管理實(shí)現(xiàn)了智能電表Smart Watts項(xiàng)目[7]和E-Energy項(xiàng)目[11],旨在能量流、信息流與資金流的高度融合,推動(dòng)能量服務(wù)的電子商務(wù)化,其成果在德國(guó)朗根費(fèi)爾德成功落地。歐盟確立了其2050電力生產(chǎn)無(wú)碳化發(fā)展目標(biāo)并發(fā)布了歐盟電網(wǎng)計(jì)劃新版路線圖,致力于融合各國(guó)能源系統(tǒng)構(gòu)建跨歐洲的搞笑能源系統(tǒng)[12]。日本早在2010年就成立了日本智能社區(qū)聯(lián)盟,致力于智能社區(qū)技術(shù)的研究與覆蓋全國(guó)的綜合能源系統(tǒng)示范[13]。

在國(guó)內(nèi)多能互補(bǔ)的研究實(shí)踐中,廣州明珠工業(yè)區(qū)結(jié)合城市電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展方向和技術(shù)需求,通過冷/熱/電/氣系統(tǒng)優(yōu)化提高能源綜合利用率,積極打造可再生能源大規(guī)模就地消納智能工業(yè)示范園。北京市延慶縣“城市能源互聯(lián)網(wǎng)”綜合示范工程[14]旨在建設(shè)支撐高滲透率新能源充分消納的區(qū)域能源系統(tǒng)。雄安新區(qū)多能互補(bǔ)工程的特點(diǎn)在于對(duì)地?zé)崮艿奶菁?jí)利用,以中深層地?zé)釣橹?淺層地?zé)?、再生水余熱、垃圾發(fā)電余熱為輔,提出了考慮燃?xì)獾饶茉礊檠a(bǔ)充的“地?zé)?”多能互補(bǔ)方案[15]。張家口張北風(fēng)光熱儲(chǔ)輸多能互補(bǔ)示范是國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)首批重點(diǎn)工程[16],綜合運(yùn)用多種儲(chǔ)能和光熱發(fā)電技術(shù),開創(chuàng)了規(guī)?；嗄芑パa(bǔ)發(fā)電的先例。

然而在實(shí)踐和研究過程中,各子系統(tǒng)通過大量的異質(zhì)元件耦合,耦合元件在不同的管理模式、運(yùn)行場(chǎng)景和控制策略下相互影響,呈現(xiàn)不同的電氣、熱力、水力特性,對(duì)所耦合的能源系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性、不確定的影響,多能系統(tǒng)無(wú)論在科學(xué)研究還是工程應(yīng)用方面仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)[17]。

2 多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

近年來(lái),多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化能源系統(tǒng)成為項(xiàng)目實(shí)踐中和理論研究的焦點(diǎn),其中的關(guān)鍵問題包含的幾個(gè)方面可歸納為圖1。多能流混合建模作為不同能源系統(tǒng)的統(tǒng)一描述,是多能系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、控制和互動(dòng)的研究基礎(chǔ);多能源流綜合評(píng)估依據(jù)多能流模型特性為規(guī)劃和運(yùn)行優(yōu)化提供目標(biāo)集;多能流交易、商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式作為系統(tǒng)的上層規(guī)則設(shè)計(jì),為運(yùn)行優(yōu)化提供多元驅(qū)動(dòng)力;而多能融合信息系統(tǒng)為多元定制化能源交易提供支撐平臺(tái),信息系統(tǒng)的安全問題也是評(píng)估系統(tǒng)可靠性和安全性的重要依據(jù)。

2.1 多能流混合建模

多個(gè)能源系統(tǒng)混合建模描述了各個(gè)能源系統(tǒng)運(yùn)行和互補(bǔ)轉(zhuǎn)化特性?；旌辖Ｗ鳛槎嗄芑パa(bǔ)系統(tǒng)的統(tǒng)一描述是集成優(yōu)化和其他關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)。

1)靜態(tài)EH模型

EH模型反映了能量系統(tǒng)間的靜態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系。大量相關(guān)研究已用于含有冷、熱、電、氣系統(tǒng)的耦合關(guān)系描述,并被廣泛應(yīng)用于各類綜合能源系統(tǒng)相關(guān)研究中。如文獻(xiàn)[18-19]引入EH的概念以刻畫綜合能源系統(tǒng)中電、氣、冷、熱等不同形式能源的耦合關(guān)系,該模型反映了能源在傳輸和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系,而無(wú)法描述能源系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為。

EH可等效為某一區(qū)域的能源多輸入多輸出的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu),C為能量轉(zhuǎn)換矩陣,其中每一個(gè)耦合系數(shù)代表某種能源與負(fù)荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系;輸入變量一般為能源向量P=[Pa,Pb,…,Pn]T,表示所有輸入該區(qū)域的能源;輸出變量一般為負(fù)荷向量L=[La,Lb,…,Ln]T,表示該區(qū)域所有終端的負(fù)荷;其多輸入多輸出的功率轉(zhuǎn)換公式如下:

L=CP

(1)

圖1 多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化研究關(guān)系圖Fig.1 Research diagram of multi-energy complementarity and integrated optimization

(2)

(3)

EH對(duì)不同能流載體之間的功率轉(zhuǎn)換關(guān)系建立了相應(yīng)的耦合矩陣,從協(xié)同理論的角度看,冗余的能流路徑為協(xié)同優(yōu)化提供了空間,系統(tǒng)優(yōu)化的目的即是在系統(tǒng)約束下搜索最優(yōu)的耦合矩陣。

2)多能穩(wěn)態(tài)混合潮流模型

無(wú)論是在規(guī)劃還是調(diào)度運(yùn)行中,能流計(jì)算作為靜態(tài)能源傳輸模型,一直是多能系統(tǒng)的靜態(tài)分析的一個(gè)關(guān)鍵問題。一般采用改進(jìn)的EH模型,考慮耦合單元作為平衡節(jié)點(diǎn)對(duì)于電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流的影響,形成該系統(tǒng)適用的潮流求解算法。

電力、熱力和天然氣系統(tǒng)為典型場(chǎng)景的多能互補(bǔ)靜態(tài)混合潮流模型一般表述形式為[1]:

(4)

式中:xe,xg,xh,xeh分別為電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和能量樞紐變量；F(·)為電力潮流方程;G(·)為天然氣系統(tǒng)代數(shù)方程,包括壓縮機(jī)方程、支路流量方程和壓力回路方程;H(·)為熱力系統(tǒng),包括熱功率計(jì)算方程、節(jié)點(diǎn)流量方程、壓力回路方程和節(jié)點(diǎn)溫度混合方程等;EH為EH輸入輸出轉(zhuǎn)化方程組。

相應(yīng)的研究可分為統(tǒng)一求解法和解耦求解法兩類。采用統(tǒng)一求解法時(shí),需要建立多能源潮流系統(tǒng)的混合模型,在統(tǒng)一的框架下建立多個(gè)能網(wǎng)狀態(tài)的潮流方程,最后對(duì)系統(tǒng)混合潮流進(jìn)行求解,在算法求解方面要求較高。文獻(xiàn)[20]考慮不同能源之間的復(fù)雜耦合關(guān)系,建立多能流系統(tǒng)綜合潮流模型。文獻(xiàn)[21]在混合潮流模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了擴(kuò)展Newton-Raphson算法。而解耦求解法需分析不同模式下多個(gè)系統(tǒng)的耦合關(guān)系,將電力潮流與天然氣及熱力系統(tǒng)解耦計(jì)算,因此可以在原有獨(dú)立的潮流計(jì)算模塊上增加電/氣/熱耦合分析模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),計(jì)算難度較小。

結(jié)合靜態(tài)EH和穩(wěn)態(tài)混合潮流模型,多能系統(tǒng)建模方案如圖2所示。

圖2 多能流穩(wěn)態(tài)建模方案Fig.2 Steady-state modeling scheme of multi-energy flow

3)多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)建模

多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)模型一般包括動(dòng)態(tài)EH和動(dòng)態(tài)能量連接器模型,分別描述轉(zhuǎn)換機(jī)組和能流傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)EH在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上,考慮能量轉(zhuǎn)換機(jī)組在狀態(tài)切換時(shí)的動(dòng)態(tài)特性;動(dòng)態(tài)能源連接器描述了電能、液態(tài)工質(zhì)或氣態(tài)燃料輸送環(huán)節(jié)的靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,研究?jī)啥藗鬟f和協(xié)調(diào)反饋環(huán)節(jié),對(duì)多個(gè)能源輸送環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一和協(xié)調(diào)控制[19-20]。

綜上,在多能互補(bǔ)靜態(tài)轉(zhuǎn)化和潮流建模方面較為成熟,部分研究考慮了多能流網(wǎng)絡(luò)約束。但是,對(duì)多能流、多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)特性研究較為薄弱[22],缺乏對(duì)傳輸和轉(zhuǎn)化過程的動(dòng)態(tài)描述,尚未形成成熟的建模方法。

2.2 多能流系統(tǒng)規(guī)劃

區(qū)域級(jí)多能流系統(tǒng)的規(guī)劃是基于多種能流負(fù)荷長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,既需要考慮CHP機(jī)組、電轉(zhuǎn)氣(P2G)裝置等能量轉(zhuǎn)化裝置的選址、定容,也需要規(guī)劃相應(yīng)的電、氣、熱網(wǎng)。規(guī)劃主問題是對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化,子問題是根據(jù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)部冷、熱、電、氣負(fù)荷預(yù)測(cè)值和已有的多能流供能網(wǎng)絡(luò),依據(jù)典型日優(yōu)化調(diào)度策略對(duì)CHP機(jī)組、P2G裝置和燃?xì)忮仩t等供能設(shè)備進(jìn)行選址、定容,并適當(dāng)配置儲(chǔ)熱、蓄冷、儲(chǔ)氣和儲(chǔ)電等設(shè)備。子問題設(shè)備配置方法確定后,根據(jù)運(yùn)行調(diào)度結(jié)果對(duì)配套的配電網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)進(jìn)行混合潮流校驗(yàn),如不滿足則需適當(dāng)擴(kuò)建線路、管道。

對(duì)于多能互補(bǔ)的協(xié)同規(guī)劃,規(guī)劃場(chǎng)景構(gòu)建與預(yù)測(cè)較傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)劃更加復(fù)雜。文獻(xiàn)[23]建立多階段下多能流源、網(wǎng)及能量轉(zhuǎn)化原件的聯(lián)合規(guī)劃模型,并通過混合潮流計(jì)算校驗(yàn)規(guī)劃方案的安全性和可行性。文獻(xiàn)[24]構(gòu)建了包含CHP機(jī)組和P2G裝置的綜合能源系統(tǒng)的非線性模型并進(jìn)行線性化處理,以該模型為基礎(chǔ)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃,同時(shí)對(duì)規(guī)劃方案的可靠性和電轉(zhuǎn)氣廠站消納可再生能源的效益進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[25]采用兩階段規(guī)劃模型,在第1階段,采用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化;第2階段,用混合整數(shù)規(guī)劃方法求解系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行問題。另外,隨著能源交易服務(wù)方式的改革,調(diào)度和日前市場(chǎng)中負(fù)荷預(yù)測(cè)、燃料費(fèi)用等不確定性因素帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越多地考慮在規(guī)劃中[26-27]。

綜合政策、市場(chǎng)等重要信息,構(gòu)建基于數(shù)據(jù)分析的規(guī)劃場(chǎng)景,依據(jù)源荷互補(bǔ)特性劃分互動(dòng)集群,基于分解協(xié)調(diào)思想實(shí)現(xiàn)互動(dòng)集群和互濟(jì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃。在各場(chǎng)景中,通過冷、熱、電負(fù)荷需求和不確定性分析用能需求的時(shí)空分布,考慮多能流潮流和系統(tǒng)及能量轉(zhuǎn)換能力,優(yōu)化規(guī)劃多能源網(wǎng)和能量轉(zhuǎn)化元件。

綜上,現(xiàn)階段多能互補(bǔ)規(guī)劃已經(jīng)形成一套較為成熟的規(guī)劃方法。然而,相關(guān)研究的規(guī)劃對(duì)象多集中于源網(wǎng)荷,較少涉及多種儲(chǔ)能的配置方法。并且,在不確定性分析、多時(shí)間常數(shù)系統(tǒng)建模、多能源系統(tǒng)可靠性分析及能源市場(chǎng)的影響還有待進(jìn)一步研究[28]。

2.3 多能系統(tǒng)智能調(diào)控

從系統(tǒng)的角度看,耦合不同的能量載體相對(duì)于常規(guī)的解耦能量供應(yīng)系統(tǒng)顯示出許多潛在的優(yōu)點(diǎn),冗余的能流路徑提供一定程度的自由度為多能系統(tǒng)智能調(diào)控提供了空間。從調(diào)控主體分類,區(qū)域綜合能源系統(tǒng)智能調(diào)控又可分為園區(qū)和用戶內(nèi)部智能調(diào)控。

1)園區(qū)多能流智能調(diào)控

園區(qū)調(diào)度中心通過能量系統(tǒng)互聯(lián)互通,改善不同能源在不同供需背景下的時(shí)空不平衡,實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)用能成本、提高用能的效率及增強(qiáng)系統(tǒng)供能可靠性的目標(biāo)。同時(shí),這也使得協(xié)同優(yōu)化問題的規(guī)模和求解難度也不斷提高,設(shè)計(jì)易于實(shí)施且優(yōu)化效果明顯的運(yùn)行策略一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[29]。

多能互補(bǔ)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度是多能系統(tǒng)規(guī)劃和市場(chǎng)互動(dòng)博弈的基礎(chǔ)。通過多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同合作,實(shí)現(xiàn)區(qū)域系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和能效目標(biāo),并促進(jìn)區(qū)域新能源的大規(guī)模消納。相反的,系統(tǒng)的耦合在取得互補(bǔ)增益的同時(shí),故障后發(fā)生的影響范圍和影響程度也會(huì)擴(kuò)大,特別是對(duì)于不同時(shí)間尺度的系統(tǒng)來(lái)說,很容易發(fā)生連鎖故障,因而對(duì)園區(qū)系統(tǒng)安全調(diào)控提出了新要求,電力系統(tǒng)在線安全分析和控制比較成熟,而對(duì)供熱、冷、天然氣及多能流故障交互影響的研究相對(duì)薄弱。

2)用戶多能流智能調(diào)控

用戶側(cè)的分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備將在需求響應(yīng)下得到更廣泛的應(yīng)用,冷、熱、電、氣多種能源形式在用能端的交叉耦合也將更為緊密,為用戶參與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)智能調(diào)控提供物質(zhì)基礎(chǔ)?！耙杂脩魹橹行摹钡母拍畋辉絹?lái)越多地應(yīng)用于系統(tǒng)建設(shè)中,未來(lái)的綜合能源系統(tǒng)能流傳輸不再是由供能服務(wù)商到用戶的單向流動(dòng),能源用戶也由單一的消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉聪M(fèi)者和服務(wù)商,傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中供給者、消費(fèi)者的概念被淡化,取而代之的是綜合能源系統(tǒng)供需雙側(cè)的智能交互。文獻(xiàn)[30]通過對(duì)家用電器運(yùn)行特性的分析建立混合能源協(xié)同控制的智能家庭能源優(yōu)化控制模型;文獻(xiàn)[31]考慮電熱不同的時(shí)間尺度,研究了分時(shí)電價(jià)下用戶電、熱、冷、氣的優(yōu)化問題及能流耦合對(duì)負(fù)荷峰值的影響;文獻(xiàn)[32]對(duì)樓宇多能系統(tǒng)用戶最優(yōu)調(diào)度和評(píng)估方法進(jìn)行了深入研究。然而,以上大部分的用戶多能流智能調(diào)控研究單純從自身的利益出發(fā),未充分考慮與多能源系統(tǒng)的交互,且主要面向穩(wěn)態(tài)問題。

2.4 多能系統(tǒng)協(xié)同控制與互動(dòng)

1)多能系統(tǒng)協(xié)同控制

隨著能源系統(tǒng)向著分布式的方向發(fā)展,多代理系統(tǒng)(MAS)的控制框架越來(lái)越多地應(yīng)用到多能互補(bǔ)控制架構(gòu)[33],如圖3所示。結(jié)合“弱中心化”的思想,在Web-of-Cell體系中,未來(lái)的電網(wǎng)被劃分為許多被定義為互聯(lián)的源、荷、儲(chǔ)的靈活組合的Cell,每個(gè)Cell在一定的電氣或地理邊界范圍內(nèi)都具有自治性,通過和鄰近個(gè)體的通信,一致性協(xié)調(diào)不同能源系統(tǒng)分布式個(gè)體,最終完成多能系統(tǒng)的穩(wěn)定和精確控制[34]。

圖3 基于MAS的多能互補(bǔ)控制框架Fig.3 Control framework of multi-energy complementarity based on MAS

現(xiàn)階段,電力系統(tǒng)源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)縱向的協(xié)同控制的研究較為領(lǐng)先,但多能系統(tǒng)間的橫向協(xié)同控制方法的研究還處于起步階段,多種能源設(shè)備調(diào)節(jié)速度差異導(dǎo)致難以有機(jī)配合。需要根據(jù)多能流動(dòng)態(tài)特性和相互作用,進(jìn)而提出最佳時(shí)間尺度配合的智能調(diào)控方法。

2)考慮用能替代的綜合需求響應(yīng)

多能互補(bǔ)系統(tǒng)用戶參與需求響應(yīng),響應(yīng)手段不僅限于傳統(tǒng)電能的削減和在時(shí)間上的平移,在傳統(tǒng)需求響應(yīng)調(diào)度的基礎(chǔ)上,將用戶對(duì)冷、熱、電等多種能源的需求納入廣義需求側(cè)資源的范疇中。另外,用能替代正逐漸成為綜合需求響應(yīng)的一個(gè)重要方式,能量的替代使用可降低用戶側(cè)的用能成本,在滿足用能需求的前提下響應(yīng)各個(gè)能源系統(tǒng)的調(diào)度期望,可觀的響應(yīng)收益為用戶相應(yīng)行為提供充足的驅(qū)動(dòng)力。

多能互補(bǔ)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)化設(shè)備運(yùn)營(yíng)商也可參與需求響應(yīng),考慮多種能源在價(jià)格、轉(zhuǎn)化方法、需求特性上的異質(zhì)性和能源轉(zhuǎn)化設(shè)備(如熱電冷聯(lián)產(chǎn)(CCHP)系統(tǒng)、電制冷設(shè)備)的運(yùn)行和調(diào)節(jié)特性,能源轉(zhuǎn)化設(shè)備運(yùn)營(yíng)商可調(diào)整EH的調(diào)度參數(shù),可建立基于多能互補(bǔ)的廣義需求響應(yīng)互動(dòng)優(yōu)化模型[35],一方面可以提高多能需求響應(yīng)能量并降低響應(yīng)的隨機(jī)性;另一方面運(yùn)營(yíng)商也可從中獲得輔助服務(wù)收益。目前,基于能源服務(wù)運(yùn)營(yíng)商和能源轉(zhuǎn)化設(shè)備的需求響應(yīng)的研究還在起步階段。

綜上,多能互補(bǔ)廣義需求響應(yīng)方案設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 多能互補(bǔ)廣義需求響應(yīng)方案Fig.4 Scheme for generalized demand response of multi-energy complementarity

2.5 多能系統(tǒng)綜合評(píng)估

作為系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的基礎(chǔ),多能系統(tǒng)綜合評(píng)估研究對(duì)多能系統(tǒng)智能化和實(shí)用化具有重要意義。建立不同能流的工作特性及各種能源間的耦合關(guān)聯(lián)模型是多能集成系統(tǒng)綜合評(píng)估的關(guān)鍵[36]。

多能系統(tǒng)綜合評(píng)估體系需滿足的條件:①適應(yīng)高滲透新能源規(guī)?；玫内厔?shì),對(duì)新能源隨機(jī)性建立概率模型并定量分析;②準(zhǔn)確描述高低能源品質(zhì)的差異;③評(píng)估算法須與其運(yùn)行模式有良好的適應(yīng)性,做到準(zhǔn)確模擬、快速評(píng)估。

基于以上原則,文獻(xiàn)[37]建立了計(jì)及風(fēng)電和光伏出力隨機(jī)性的微電網(wǎng)停運(yùn)模型,提出了兩步狀態(tài)采樣、區(qū)域劃分和最小路徑搜索等技術(shù)的蒙特卡洛模擬可靠性評(píng)估方法,較好地描述了可再生能源隨機(jī)特性對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響;文獻(xiàn)[38]對(duì)比了不同類別指標(biāo)、不同熱力指標(biāo)對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)園區(qū)多能聯(lián)供、能量梯級(jí)利用評(píng)估效果;對(duì)于綜合評(píng)估的算法實(shí)現(xiàn),文獻(xiàn)[39]提出將動(dòng)態(tài)權(quán)重函數(shù)、2維懲罰函數(shù)、突變決策理論和自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)用于多能互補(bǔ)系統(tǒng)評(píng)估;文獻(xiàn)[40]通過多代理的通信、分析、博弈及決策設(shè)計(jì)多能流優(yōu)化策略,并結(jié)合時(shí)序蒙特卡羅法的動(dòng)態(tài)過程仿真進(jìn)行可靠性評(píng)估。

綜上所述,多能系統(tǒng)可靠性和性能指標(biāo)體系和算法研究相對(duì)成熟,但是缺乏對(duì)耦合系統(tǒng)連鎖故障、需求響應(yīng)和市場(chǎng)交易不確定性等風(fēng)險(xiǎn)的研究,隨著系統(tǒng)集成程度和市場(chǎng)化水平的提高,更多更復(fù)雜的關(guān)系和不確定性勢(shì)必會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 多能系統(tǒng)信息安全

能量流與信息流的高度融合是未來(lái)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的主流發(fā)展方向,在大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)及人工智能等技術(shù)快速發(fā)展的背景下,分布式調(diào)度通信方式不斷成為研究的熱點(diǎn),然而在網(wǎng)絡(luò)和通信安全上還存在很大問題,2015年末網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊造成烏克蘭大停電就是該問題的一個(gè)佐證[41]。

隨著物理系統(tǒng)的融合[42],能源系統(tǒng)信息安全與通信逐漸拋棄了傳統(tǒng)單點(diǎn)化、孤立式的構(gòu)架,向著立體化、全局式的智能防護(hù)和分布式分層通信的體系發(fā)展,相應(yīng)的,國(guó)外信息安全研究人員提出的“木桶理論”[43]。另一方面,由于多能互補(bǔ),集成優(yōu)化系統(tǒng)覆蓋面廣,大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)逐漸顯露出其在跨區(qū)域、跨平臺(tái)能源互聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),然而也不可避免地引入了安全風(fēng)險(xiǎn)。基于虛擬化技術(shù)的信息安全通信與傳統(tǒng)信息系統(tǒng)有所區(qū)別,數(shù)據(jù)云、主站和子站的通信結(jié)構(gòu)均發(fā)生了改變,文獻(xiàn)[44]提出一種“云+端+邊界”的安全體系,即是一種新的云計(jì)算架構(gòu)方式。數(shù)據(jù)云可協(xié)調(diào)多個(gè)安全模塊之間的互動(dòng),涌現(xiàn)群集智能并提高信息系統(tǒng)安全防護(hù)水平。然而由于互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的信息安全風(fēng)險(xiǎn),國(guó)內(nèi)暫時(shí)缺乏相關(guān)工程實(shí)踐,該部分研究尚停留在理論研究階段。

多能互補(bǔ)信息系統(tǒng)間的耦合一方面提高了系統(tǒng)的量測(cè)冗余,如圖5所示,在一定程度上提高了系統(tǒng)的可觀測(cè)性。同時(shí),信息系統(tǒng)的耦合也使得能源系統(tǒng)信息安全關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),需要考慮信息攻擊引起多個(gè)能源系統(tǒng)連鎖故障的情況。因此,多能系統(tǒng)信息安全與通信的安全威脅有別于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息安全,需進(jìn)行多鏈條、多層次全面的安全防護(hù)[42]。

圖5 多能互補(bǔ)信息安全問題Fig.5 Information security problems of multi-energy complementarity

多能系統(tǒng)信息靈敏度分析中,其影響范圍不僅局限于單一能源系統(tǒng),特別需要重點(diǎn)考慮耦合信息節(jié)點(diǎn)受到攻擊的情況。但是信息耦合也增加了量測(cè)冗余,通過多能流混合系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)可辨識(shí)出錯(cuò)誤信息來(lái)源,一定程度上提高信息安全性。另外,不同信息平臺(tái)的融合使得其不同信道的可靠性也不同,優(yōu)化冗余通信信息的權(quán)重可以較好地規(guī)避信息安全風(fēng)險(xiǎn)。

目前,對(duì)于電力系統(tǒng)物理信息系統(tǒng)安全評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制的研究較多,而對(duì)于其他能源信息系統(tǒng)特別是多種能源信息融合的研究較少,缺少多能信息互補(bǔ)的安全評(píng)估方法,尚沒有形成成熟的多能流信息安全風(fēng)險(xiǎn)控制方法。

2.7 能源交易、綜合能源服務(wù)及商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)由電力公司、燃?xì)夤?、熱力公司等不同能源主體各自獨(dú)立規(guī)劃、獨(dú)立建設(shè)、運(yùn)行和管理,完成某一種能源從生產(chǎn)到傳輸銷售的所有過程,其市場(chǎng)相對(duì)獨(dú)立且封閉。為真正實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用,不可避免地需要推動(dòng)能源交易服務(wù)的體制改革,賦予不同能源符合其能源品味的商品屬性。文獻(xiàn)[45]提出一系列的市場(chǎng)化改革和發(fā)展建議,以期構(gòu)建優(yōu)良的能源市場(chǎng)環(huán)境促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)不同層級(jí)接入的公平競(jìng)爭(zhēng)。文獻(xiàn)[46]提出了一種以能源路由器為硬件基礎(chǔ)的分布式能源交易模式,能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分布式電源、電動(dòng)汽車和負(fù)荷能源的即插即用。

在能源市場(chǎng)分析方面,越來(lái)越多的市場(chǎng)建模和定量分析方法被設(shè)計(jì)出來(lái)以描述能源交易行為和市場(chǎng)供需關(guān)系,多能源市場(chǎng)分析方法分類見圖6。分析模型可概括為兩類:自底向上模型和自頂向下模型[44]。自頂向下模型采用宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)方法側(cè)重于市場(chǎng)過程的總體表征而不是具體的技術(shù)指導(dǎo),其主要缺點(diǎn)是該模型參照的歷史參數(shù)有時(shí)效性且無(wú)法分析策略變化的靈敏度,只能提供整體經(jīng)濟(jì)政策指導(dǎo);而自底向上模型是技術(shù)層面的基于政策的能源市場(chǎng)構(gòu)成的分析,根據(jù)功能差異又可分為優(yōu)化和仿真模型[47]。

圖6 多能源市場(chǎng)分析方法Fig.6 Analysis method of multi-energy market

多能互補(bǔ)系統(tǒng)能源交易與商業(yè)運(yùn)營(yíng)的參與主體主要包括綜合能量管理中心、綜合能源服務(wù)商、各類用戶、電動(dòng)汽車、新能源系統(tǒng)、儲(chǔ)能設(shè)備、CHP機(jī)組等。各類主體在互動(dòng)框架中扮演著不同的角色,新型的綜合能源服務(wù)公司直接面向用戶或增量能源市場(chǎng),業(yè)務(wù)范圍涵蓋多種不同品味的能源銷售。用戶根據(jù)自身的用電特性、風(fēng)險(xiǎn)偏好和響應(yīng)潛力,響應(yīng)電價(jià)信息和管理中心發(fā)布的中斷信息,調(diào)整自身負(fù)荷計(jì)劃,從而達(dá)到柔性互動(dòng)的目標(biāo)。然而主體眾多,不同的用戶利益訴求不同,其參與互動(dòng)的目標(biāo)也有所差異,因此一個(gè)能夠吸引用戶參加的健全的交易運(yùn)營(yíng)機(jī)制,應(yīng)在一定程度上滿足各個(gè)主體的利益訴求,一種多能典型交易服務(wù)機(jī)制設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 多能交易服務(wù)機(jī)制設(shè)計(jì)方案Fig.7 Design scheme of multi-energy interaction mechanism

綜上,整合能源交易市場(chǎng),兼顧各方利益的收益分?jǐn)倷C(jī)制,可增強(qiáng)多能互補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力,推動(dòng)綜合能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。電力市場(chǎng)研究較為成熟,而多能市場(chǎng)互補(bǔ)交易和收益分配研究基本處于空白狀態(tài)。

3 多能系統(tǒng)研究展望

為進(jìn)一步提高用能效率,促進(jìn)多種新能源的規(guī)?；?多種能源的源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)深度融合,緊密互動(dòng)又是未來(lái)能量系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。據(jù)此,多能互補(bǔ)研究具有前瞻性和巨大的工程應(yīng)用價(jià)值。同時(shí),現(xiàn)階段多能互補(bǔ)集成優(yōu)化依然面臨著上述難點(diǎn)和挑戰(zhàn),因此,未來(lái)多能系統(tǒng)應(yīng)解決以下問題。

1)系統(tǒng)集成程度更高

橫向上多種能源系統(tǒng)互補(bǔ)與縱向上分布式“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化相結(jié)合,兩個(gè)方面提高多能系統(tǒng)集成水平,多時(shí)間尺度優(yōu)化多能流時(shí)空分布,因而可以獲得更多的集成互補(bǔ)效益。

2)有序調(diào)控和故障處理能力

考慮不同能源系統(tǒng)時(shí)間常數(shù),綜合能量管理系統(tǒng)應(yīng)具有的多能流有序調(diào)控和故障處理能力,在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)自治調(diào)控和故障處理,降低大系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)控和安全動(dòng)作的工作壓力。

3)考慮更多不確定性因素

高可再生能源滲透率下,考慮實(shí)時(shí)電價(jià),運(yùn)行模式變化、需求響應(yīng)和開放市場(chǎng)等因素的隨機(jī)特性,使得系統(tǒng)的不確定性進(jìn)一步提高,再加上系統(tǒng)耦合互補(bǔ)使得能源系統(tǒng)規(guī)模成倍增加,具有更廣闊的開放性和更大的系統(tǒng)復(fù)雜性,需在系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度和安全分析與控制等階段加以考慮。

4)先進(jìn)的通信和數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)

應(yīng)用虛擬云技術(shù)整合現(xiàn)有的能源調(diào)度管理平臺(tái)、企業(yè)用能監(jiān)測(cè)和評(píng)估平臺(tái)、需求側(cè)管理平臺(tái)以及用戶用能優(yōu)化終端,融合成為一個(gè)多維度多能流的物理信息系統(tǒng),為分布式電源、CCHP技術(shù)、多種儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車等提供多元化物理接口,能夠精確量測(cè)、匯總、儲(chǔ)存并分析預(yù)測(cè)用能數(shù)據(jù)、能源價(jià)格信息和多能系統(tǒng)運(yùn)行整體運(yùn)行態(tài)勢(shì),形成運(yùn)行安全、用能經(jīng)濟(jì)、互動(dòng)有序的能源綜合服務(wù)平臺(tái)。

5)貫徹以“以用戶為中心”的理念

綜合負(fù)荷聚集商應(yīng)以用戶利益為中心,提供經(jīng)濟(jì)高效的綜合用能方案,引導(dǎo)用戶“綠色需求”。能源企業(yè)要樹立服務(wù)意識(shí)和社會(huì)意識(shí),高質(zhì)量滿足用戶用能需求,提供多方位保障服務(wù),促進(jìn)能源的梯級(jí)利用,提高能源利用效率并實(shí)現(xiàn)社會(huì)整體節(jié)能運(yùn)行。用戶應(yīng)發(fā)揮主觀能動(dòng)性,樹立節(jié)能意識(shí)和能源經(jīng)濟(jì)觀念。

6)多種能源服務(wù)、交易和運(yùn)營(yíng)模式相結(jié)合

完善并整合能源交易市場(chǎng),兼顧綜合能源服務(wù)商、各類用戶、電熱氣網(wǎng)運(yùn)營(yíng)公司等各個(gè)主體的利益,針對(duì)可調(diào)資源和需求響應(yīng)建立有效的互動(dòng)和收益分?jǐn)倷C(jī)制,創(chuàng)新綜合能源服務(wù)與交易機(jī)制,并推廣綜合能源服務(wù)商和聚合商的運(yùn)行模式。以經(jīng)濟(jì)手段為杠桿驅(qū)動(dòng)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化系統(tǒng)良性發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化即是通過物理信息上的互聯(lián)來(lái)涌現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)和群集智能,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化目標(biāo),其中心思想在于整合資源,協(xié)調(diào)優(yōu)化。現(xiàn)階段,能源系統(tǒng)呈現(xiàn)出智能化、去中心化、物聯(lián)化、市場(chǎng)化和電商化等演變趨勢(shì),將注定要顛覆現(xiàn)有的能源系統(tǒng)和行業(yè)運(yùn)營(yíng)模式,能源橫向和縱向上的互補(bǔ)協(xié)調(diào)是能源系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì),因此,多能互補(bǔ)研究具有前瞻性和巨大的工程應(yīng)用價(jià)值。與此同時(shí),多能互補(bǔ)集成優(yōu)化技術(shù)依然在多個(gè)方面面臨著諸多挑戰(zhàn),仍需在多能系統(tǒng)建模、規(guī)劃、智能調(diào)控等領(lǐng)域,考慮多時(shí)間尺度多不確定性等實(shí)際問題進(jìn)行深入研究。

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