邊廣泉

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題引起了越來越多人的擔(dān)心，為了應(yīng)對上述問題，各國積極研究分布式能源和可再生能源技術(shù)。然而，分布式能源和可再生能源技術(shù)的相關(guān)研究仍處于初步階段，接入各種分布式能源以及可再生能源會給現(xiàn)有能源網(wǎng)絡(luò)帶來波動性。因此，如何對這些分布式能源以及可再生能源進(jìn)行有效利用成為能源發(fā)展過程中亟需解決的問題。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);協(xié)同控制;能源預(yù)測

引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是分布式能源、可再生能源與信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是由分布式能源、儲能單元和多個能源管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)組成的混合能源系統(tǒng)_[1]，用于整合更多分布式能源，提高電能質(zhì)量和可靠性，減少溫室氣體排放。能源互聯(lián)網(wǎng)提供了一個開放的框架，用于將涉及能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、交換和消費(fèi)的每個設(shè)備通過信息通信技術(shù)集成在一起。由于集成的設(shè)備種類和數(shù)量越來越多，需要收集和分析的數(shù)據(jù)也越來越多，因此能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同控制變得比傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)更加復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)對能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同控制，對能源需求以及不斷普及的可再生能源的預(yù)測成為必不可少的步驟。因此，本文主要研究能源互聯(lián)網(wǎng)下的智能預(yù)測和以智能預(yù)測為基礎(chǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同控制。

1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能源互聯(lián)網(wǎng)能源預(yù)測

能源預(yù)測主要分為能源需求預(yù)測和能源生產(chǎn)預(yù)測，能源需求預(yù)測向來就是能源系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容，同時隨著風(fēng)能、太陽能等可再生能源在總的能源使用中所占比例的不斷提高，需要對風(fēng)電和太陽能發(fā)電進(jìn)行有效的預(yù)測，否則如果直接并網(wǎng)運(yùn)行，將大大降低能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時也會對能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。通過準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)能和太陽能，能源調(diào)度部門可以合理安排發(fā)電計劃和用電計劃，提高能源系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

能源生產(chǎn)預(yù)測主要是以風(fēng)能和太陽能為代表的可再生能源預(yù)測。風(fēng)能和太陽能作為支持不斷增長的能源需求的有前景的可再生能源，具有不可控性和部分不可預(yù)測性的缺點(diǎn)，給能源系統(tǒng)的大規(guī)模集成提出了挑戰(zhàn)，因此準(zhǔn)確預(yù)測至關(guān)重要。

經(jīng)過幾十年的電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)電已不再是滿足現(xiàn)代城市電力需求的瓶頸。相反，如何按需生產(chǎn)電能以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是關(guān)鍵問題。一方面，過度的發(fā)電會導(dǎo)致巨大的能源浪費(fèi)。另一方面，發(fā)電量不足會造成電力短缺或設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，造成機(jī)器損壞和經(jīng)濟(jì)損失。為了平衡供求關(guān)系，有必要對用電需求進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測，并按需發(fā)電。

到目前為止，研究人員開發(fā)了不同的需求預(yù)測技術(shù)。已有的需求預(yù)測方法主要包括傳統(tǒng)的預(yù)測方法和新近發(fā)展起來的智能預(yù)測方法，其中傳統(tǒng)的預(yù)測方法以經(jīng)典數(shù)學(xué)為理論依據(jù)，現(xiàn)代智能預(yù)測方法以智能技術(shù)為依托。傳統(tǒng)的預(yù)測方法主要有：基于時間序列的預(yù)測方法、回歸預(yù)測法等;現(xiàn)代智能預(yù)測方法主要有：專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法、灰色理論預(yù)測方法、模糊預(yù)測法等。近年來，在各種需求預(yù)測技術(shù)中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在能源系統(tǒng)需求預(yù)測中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。

2 基于短期預(yù)測的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同控制

能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同控制在能源互聯(lián)網(wǎng)中扮演著重要的角色，結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)能源預(yù)測模型，在短期預(yù)測的基礎(chǔ)上，研究一個包含產(chǎn)-銷-用三個層次的能源互聯(lián)網(wǎng)中的協(xié)同控制問題。該協(xié)同控制問題被建模為一個三階段問題，在第一階段，發(fā)電公司和獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（Independent System Operator， ISO）制定發(fā)電計劃和電力批發(fā)價格，該階段可被建模為一個經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，并提出了一種基于交替方向乘子法（Alternating Direction Method of Multipliers，ADMM）算法的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。在第二階段，電力零售商制定零售電價以最大化其利潤。在第三階段，基于短期預(yù)測和零售商價格，微電網(wǎng)制定內(nèi)部各發(fā)電單元的最優(yōu)發(fā)電計劃。針對第二階段和第三階段，建立零售商和微電網(wǎng)之間的主從博弈模型。最后，在短期預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度和主從博弈，提出一個基于短期預(yù)測的能源互聯(lián)網(wǎng)分布式協(xié)同控制方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。

3 計及預(yù)測誤差的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同控制

能源互聯(lián)網(wǎng)中對負(fù)載以及可再生能源的預(yù)測受到自然環(huán)境（如氣溫、風(fēng)速、光照）和人為活動的影響，難以對其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。以風(fēng)能為例，風(fēng)力發(fā)電依賴于大氣過程，單個風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)子掃過區(qū)域上的風(fēng)強(qiáng)度正相關(guān)，空氣從高壓區(qū)域到低壓區(qū)域的運(yùn)動，所以壓力差越大，產(chǎn)生的風(fēng)越強(qiáng)。自然條件如空氣密度、溫度、地形以及風(fēng)力渦輪機(jī)本身因素如渦輪摩擦情況等都將對最終的輸出功率產(chǎn)生影響。

能源系統(tǒng)維持著人類社會的正常運(yùn)行，能源預(yù)測對能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的作用，目前能源預(yù)測的結(jié)果通常都是一個確切的預(yù)測數(shù)值，但是該預(yù)測數(shù)值可能出現(xiàn)的概率及預(yù)測結(jié)果的波動范圍均無法得以估計和確定，因此能源預(yù)測是非精確性的。如果對預(yù)測結(jié)果的非精確性處理不好，將會破壞能源供需實(shí)時平衡，影響能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。相反，充分地考慮預(yù)測結(jié)果的非精確性，將有助于決策者更科學(xué)地進(jìn)行能源調(diào)度計劃、能源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、能源系統(tǒng)可靠性評估及風(fēng)險分析等工作，確保能源系統(tǒng)安全運(yùn)行，并提高能源企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。

所以，在能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同控制中，能源的預(yù)測只是一個參考，通過對未來能源生產(chǎn)、消耗的預(yù)測，為之后的控制提供參考。

4 展望

本文重點(diǎn)研究了能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源預(yù)測問題和協(xié)同控制問題，分別提出了一種基于改進(jìn)粒子群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、一種基于短期預(yù)測的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同控制方法以及一種計及預(yù)測誤差的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同控制方法。同時，本文的研究工作還一些有待拓展的地方，具體而言，可以從以下幾個方面進(jìn)行拓展：

（1）在能源預(yù)測方面，近年來機(jī)器學(xué)習(xí)的持續(xù)繁榮為能源預(yù)測提供了新的思路，可以嘗試?yán)眉蓪W(xué)習(xí)（如Ada Boost、Bagging、隨機(jī)森林）和深度學(xué)習(xí)（如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）對能源進(jìn)行預(yù)測。

（2）全面地考慮能源互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備。本論文主要考慮的是能源互聯(lián)網(wǎng)中的典型設(shè)備（例：風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏、燃料電池、微汽輪機(jī)、儲能系統(tǒng)）。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，設(shè)備種類會不斷增加，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會改變。需要盡可能全面地考慮能源互聯(lián)網(wǎng)中所有設(shè)備，從而更好地反映能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）考慮能源互聯(lián)網(wǎng)中的可調(diào)負(fù)荷。本論文單方面地假設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)中的負(fù)荷需求是固定的，并沒對能源互聯(lián)網(wǎng)中可調(diào)節(jié)負(fù)荷的存在性進(jìn)行討論。然而，可調(diào)負(fù)荷也是能源互聯(lián)網(wǎng)的組成部分，可調(diào)負(fù)荷的加入不僅可以充分發(fā)揮產(chǎn)能和用能設(shè)備的潛力，通過調(diào)節(jié)負(fù)荷還可以達(dá)到“削峰填谷”的目的，降低能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的成本，從而實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運(yùn)行。

（4）能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)收集監(jiān)測系統(tǒng)也是未來研究的方向，數(shù)據(jù)收集監(jiān)測系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)大腦，大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展也為數(shù)據(jù)收集監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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