【专题】能源互联网从“概念”走向“落地”

       如何实现区域能源互联网在概念上的优势呢，清华大学的孙宏斌教授系统地提出了：面向区域能源互联网的多能互补综合能量管理。在2015年小编到清华大学拜访孙教授时，他就曾提到该项研究。在2017年12月的国家能源互联网大会上，孙教授正式将这一研究成果进行分享、探讨。
       追求效益最大化的最优控制问题
       如何通过“多能互补、源网荷协同”实现安全供能前提下的效益最大化，这是在能源互联网示范项目的实施中，专家们都很关心的一个焦点问题。这实现起来并不容易，从技术层面来看，这个焦点问题可归结为复杂的多能流网络的最优控制问题。这个最优控制问题是要追求效益的最大化，效益=收入-费用，约束前提是安全供能。这里的收入包括了售能、售服务，费用有购能、购服务等。优化的手段分布在冷、热、气、电、水、交通，源、网、荷、储等各个环节。约束条件包括供需平衡、运行的物理范围，以及供能安全等。这个焦点问题最终是通过一套系统来实现的，这套系统就叫做多能互补综合能量管理系统（Integrated Energy Management System），简称IEMS。
       EMS的发展历史
       IEMS可以认为是第四代能量管理系统（Energy Management System，EMS）。EMS是在电网调度控制中心应用的在线分析、优化和控制的计算机决策系统，是电网运行的神经中枢和调度指挥司令部，是大电网的智慧的核心。孙教授的课题组研究EMS已有30多年。首先来回顾一下EMS的历史。
       第一代EMS出现在1969年以前，叫做初期EMS。这种EMS仅包含SCADA供能，只是把数据采集起来，没有实时网络分析、优化、协同控制，网络分析和优化主要靠离线计算，属于经验型调度。现在的园区管理，绝对不能停留在经验型调度的水平上，而是需要精益化的管理，提高核心竞争力。
       第二代EMS出现在20世纪70年代初～21世纪初，叫做传统EMS。这一代EMS的奠基者是Dy-Liacco博士，他提出了电力系统安全控制的基本模式，发展了实时网络分析、优化、协同控制，所以在上个世纪70年代，EMS得到了迅速发展。我国1988年完成四大电网调度自动化系统的引进，之后完成消化、吸收、再创新，开发出自主知识产权的EMS。当时清华大学承担了东北电网EMS的引进、消化和吸收，因为当时东北是重工业基地，东北电网的网调是最大的，全国负荷最大的就在东北。目前国内的EMS已基本国产化，这一时期的调度已经属于分析型调度，上升到了新层次。
       第三代EMS是源网荷协同的智能电网EMS。其出现在大规模可再生能源发展之后，这时候还没有多能横向的协同，只有源网荷的协同。针对大规模可再生能源不可控、波动性的特点，需要大量的灵活性资源，从源-输，转向荷-配，这时候的EMS可集成利用各类分布式资源，发展分布自律-集中协同架构，从源、网到荷，都有相应的EMS。源有风电场和光伏电站的EMS，荷有电动汽车、楼宇和家庭的EMS，网有输电、配网、微网的EMS，这些EMS首先是自律，然后通过通信网联结在一起形成协同，这时候就可以称为EMS家族了，EMS家族有很多成员，不同成员有不同特点，共同实现智能电网的源网荷协同。
       第四代或者说下一代EMS，称之为多能互补的综合能量管理系统,也就是IEMS。这里的综合是把各种能源集成和综合。由于各类能源割裂，综合能效低，所以需要综合和梯级利用；同时由于灵活性资源严重不足，大量弃风、弃水、弃光，所以需要拓展到多种能源互联，从多种能源里面找到新的灵活性资源，来支持大规模可再生能源的消纳；通过效益最大化的综合优化调度，在保障供能安全和优质的前提下，降低用能成本，提高综合能源服务的经济效益。
       下图给出的就是IEMS的示意图。

       它像一个大脑，底下是一个综合能源系统，冷、热、气、电、水、交通，各种能流，叫多能流。在英国召开的国际应用能源大会（ICAE）上，该系统被大家公认在世界上还没有先例。2017年在清华大学发布的最新成果“园区多能互补综合能量管理系统”是全球第一个IEMS产品。课题组将做了30年的电网EMS拓展成IEMS非常困难，通过5年的学习研发，也基于30年电网EMS的研发经验，终于成功研制出了IEMS。
       IEMS的主要功能
多能流SCADA。用于实现完整、高性能的准稳态实时数据采集和监控功能，是后续预警、优化和控制等功能的基础，并利用系统软件支撑平台提供的服务。多能流SCADA是IEMS的“感官系统” ，基于能源物联网，采集多能流数据（采样频率：电为秒级，热/冷/气为秒级或分钟级），完成相应的监控功能，并将数据提供给状态估计及后续高级应用功能模块，接收系统运行调控指令，并通过遥控/遥调信号下发给系统设备执行。多能流SCADA的功能界面包括能流分布、场站接线、系统功能、综合监视、操作信息、分析评估、智能报警等。
       多能流状态估计。由于多能流传感网络测点分布广、量测种类多、数据质量低、维护难度大、成本敏感度高，所以出现采集数据不全、错误的情况在所难免。因此多能流网络需要状态估计技术提供实时、可靠、一致、完整的网络状态，为IEMS的评估和决策提供基础。多能流状态估计通过补齐量测数据、剔除坏数据，可以实现坏数据的可估计、可检测、可辨识，最终达到减少传感器安装数量、降低通信网络复杂程度、降低传感网络的投资和维护费用的效果，通过提高基础数据的可靠性来提高评估与决策的可靠性，降低能源网络运行事故风险。
       多能流安全评估与控制。安全的重要性不言而喻，而能源系统的安全尤其关乎生命和财产安全。一方面需要建立“N-1”安全准则的概念，这个概念就是去关注最薄弱的环节，并且做出预案。上午我们成果的发布会上举了一个例子，是说台湾近期的一次大停电是由气的阀门故障导致的，那么那个阀门就是气-电耦合综合能源系统的一个薄弱环节。所以一定要时刻关注薄弱环节，出现问题一定要有预案，否则会面临巨大的风险。另一方面要关注园区交易关口的安全控制，园区关口的容量配置和运行的成本是个关键问题，一方面是容量越大变压器的投资成本越高，另一方面容量越大电网公司收取的容量费也越高。比如：50兆瓦容量和100兆瓦容量投资和运行的总成本相差很大，如果设计成50兆瓦的容量，万一实际容量超过了，会烧掉变压器。该怎么将关口潮流控制在50兆瓦以内，这就是安全控制问题。在多能流系统中，不同能源系统相互耦合和影响，某一部分的故障和扰动会影响到多能流系统的其他部分，有可能造成连锁反应，因此需要进行耦合分析。可以利用热、气等系统的惯性提供的灵活性，为电系统的安全控制提供新手段，可以利用这些新手段，做协同安全控制。
       多能流优化调度。这里有几个重要的概念：启停计划、日前调度、日内调度、实时控制。一个园区或者是城市的三联供、燃气机组、电锅炉都是可以启停的，有一些设备停下来可以降低成本，这就可以根据确定日前的最优启停计划进行启停。然后在启停基础上调节多少出力，这是日前调度。而日内调度是由于风光出力变了、负荷变了，所以日内需要再调度，以此来适应新的适合的发电出力，维持最优的出力和负荷的平衡。最后到了秒级还要进行控制，如对于网络安全问题、调压问题、调频问题，都需要进行实时控制。调度的时间尺度较长，一般以15分钟为单位，控制是以秒为单位，时间尺度较短。在多能流系统中，其可调控的手段比单一能源系统要多，从源网荷储的角度出发，可实现冷、热、气、电等的综合调度和控制。
       多能流节点能价。一个园区或者是智慧城市，一定要考虑建设一个非常好的内部的商业模式。内部的商业模式不是对外的，不是对上的，而是对园区内用户的，这样的一个商业模式应该是什么样？最科学的模式就是节点能价的模式。节点能价的模式首先需要通过计算确定各个地方的用能成本是多少，用能成本包括四个部分：一是能量发出来的成本；二是传输损耗的成本；三是网络阻塞的成本；四是多能耦合的成本。然后需要科学精准地计算各个结点的能价，包括冷价、热价、气价和电价，不同时刻、不同地点的价格，只有通过精准计算，才能使园区总的用能成本显著下降，因为可以用价格的信号来引导用户用能。这样整个园区的用能成本则可以通过柔性的能价手段得到显著下降。
节点能价根据供应商的生产边际成本制定，当线路出现阻塞时，各节点的价格根据所在位置的不同而呈现不同的价格，实时价格可以激发用户侧的灵活性。节点能价科学体现了成本，有利于建立公平的内部市场机制。
       多能流虚拟电厂。虚拟电厂是对上级市场的商业模式，整个园区或城市都可以变成一个大的虚拟电厂，尽管不是物理电厂，但是有很多储能和冷热电三联供等分布式电源，联合起来就可以变成一个大的可调节的市场主体。因为分布式资源容量小、数量多，市场难以单独管理，通过虚拟电厂的集合，可以通过软件架构实现多个分布式资源协同优化运行，为外部市场提供调峰、调频、调压等服务，有利于总体资源的优化配置和利用。这样的商业模式能够带来很高的经济收益，这在美国已经成为现实。
虚拟电厂在优化调度的基础上，可以将园区内的分布式电源、可控负荷和储能装置聚合成一个虚拟的可控集合整体，从而园区可以作为一个整体参与上级电网的运行和调度。虚拟电厂协调上级电网与分布式资源间的矛盾，充分挖掘分布式资源为电网和用户所带来的价值和效益，实现与电网的友好互动。
       如下图所示是多能流虚拟电厂的内部组成架构。

       横向来看依次是源网荷储。源侧包括常规的供电设备、CHP机组、燃气锅炉等设备，以及外部电网供电、可再生能源接入；网架分为冷热电等传输系统；荷侧为园区内部的电、热、冷负荷；在储能方面，不同能源子系统均有各自的储能设备。纵向来看依次是电、气、热、冷多能互补运行。不同的能源子系统分别用不同的颜色表示，多种能源转化设备（热泵、CHP、燃气锅炉、溴化锂机组）将不同的能源子系统相耦合。园区内部多种能源形式以虚拟电厂的形式组合在一起综合运行，在保证电、热、冷负荷可靠供应的前提下，实现了能源的梯级利用，提高能效，降低用能成本。并且对于波动性很强的可再生能源而言，综合能源系统具有更多的灵活性，促进了可再生能源的接纳，进一步提高系统经济性。