干货分享|面向区域能源互联网的多能互补综合能量管理

导读：

“IEMS可以认为是第四代能量管理系统(EMS)，可以解决多能流网络的最优控制问题，即通过多能互补、源网荷协同实现安全供能前提下的效益最大化。”

01.能源互联网从“概念年”走向“落地年”

去年和前年我认为是能源互联网的“概念年”，那时候大家还在讨论“什么是能源互联网”，“为什么要做能源互联网”，“能源互联网可能会长什么样子”。但是，今年已经进入到了能源互联网的“落地年”，大家都在深入地讨论应该怎么去做。国家能源局、科技部有很多支持项目，资金投入量很大，比如今年国家能源局公布的首批“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目。

02.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。

03.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。我们课题组研究EMS已有30多年。首先回顾一下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年代初到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，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。前些天我在会上介绍了这个系统，大家公认在世界上还没有先例。今天上午在清华发布的最新成果“园区多能互补综合能量管理系统”就是这世界上第一个IEMS产品。我们课题组将做了30年的电网EMS拓展成IEMS非常困难，学电的人不懂热、气、交通，这时候就需要学习热能、燃气和汽车等其他学科的知识，我们团队最近五年一直在快速地学习，终于成功研制出了IEMS。当然，如果没有之前30年电网EMS的研发经验，再用10年也做不出来。

04.IEMS的主要功能

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

05.IEMS的应用案例

(1)成都高新西区的“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目。成都高新西区是约40平方公里的工业园区，IEMS系统对这里进行综合能源的供应与需求分析，实现多能协同优化。以电、气、冷、热等对能源的需求为主，开展基于清洁能源中枢(天然气冷热电三联供、光伏、风电等)的能源互联网示范园区建设，实现对高新西区内天然气、地热能、风光能、蒸汽、冷水、热水、电等能源实施管理。

(2)广州从化工业园区的综合能量管理系统研发和示范项目。这个园区的核心部分大概12平方公里，也是典型的工业园区。工业园的能源格局呈现大容量、多能流、高渗透等特点，具有开展多能协同、多能优化调度等的良好基础条件，是开展“互联网+”智慧能源综合能源服务业态模式示范较为适宜的区域。在园区内建设IEMS系统，提出虚拟电厂和用户需求侧响应模式，实现灵活性资源集群同步化控制技术，最终系统实现部署应用。

(3)广东东莞立沙岛的智慧能源能量运行控制系统研发项目。东莞立沙岛也是约12平方公里的工业园区，立沙岛智慧能源系统分为以下四个层次：第一，热电耦合下的园区能量调控;第二，政策没有放开的情况下，存在约束条件的园区能量管理;第三，政策完全放开的情况下的区域能量管理;第四，未来和大系统之间的交互(交易)，打造综合能源供应商。其中能量管理系统的研发分为四个阶段：第一，整体可观，部分可控;第二，整体可控，部分优化;第三，整体优化，部分交互;第四，整体交互，联合优化。

(4)吉林省多能流综合能量管理与优化控制研究项目。吉林省火电机组占比多，没有抽蓄、燃气等灵活调节电源，并且吉林处于高寒地区，冬季供热期长达半年，90%以上火电机组为供热机组，供热期间，火电最小出力超过本省最小负荷，风电消纳压力大弃风问题非常严重，主要原因是供热机组的热-电制约关系和“以热定电”模式显著降低了其调峰能力，挤占了风电空间。怎么用市场的手段来激发多能流的管控和交易，是最具挑战的问题，为此部署了IEMS系统，来研究多能流综合系统的市场交易机制，研究多元市场主体的成本效益，研究并设计示范区域内的用能替代响应，并提出多能流综合能量管理优化控制技术，在解决大规模风电消纳问题的同时实现清洁供暖。

专家介绍

孙宏斌，清华大学教授，教务处副处长，能源互联网香山科学会议发起人和执行主席，中国能源互联网创新联盟执行理事长。国家级教学名师，IEEE Fellow，IET Fellow，长江学者特聘教授，杰出青年科学基金获得者，百千万人才工程入选者，国家有突出贡献中青年专家，国务院特殊津贴专家，科技部中青年科技领军人才，中组部万人计划科技领军人才。世界工程组织联合会(WFEO)能源委员会副主席，WFEO能源委员会能源互联网工作组主席，IEEE智能电网电压控制工作组主席。国际顶级期刊IEEE Trans on Smart Grid、Applied Energy、国际著名期刊IET RPG、IET GTD等编委。多年来一直从事能源互联网与智能电网技术领域的科研与教学，发表学术论文300余篇，合著3本，授权中国发明专利80余项、欧美专利3项，曾获国家技术发明奖二等奖1项，中国高校十大科技进展1项，获省部级科技一等奖4项、二等奖9项。主持研发的复杂电网自律-协同无功电压自动控制系统已在我国28个省级以上电网应用，控制了全国水/火电总装机的56%和全国风/光电总装机的37%，并在突破美国长达三年的严酷信息安全检查和壁垒后，将技术输出到北美最大区域电网PJM，用于控制包括美国首都在内的东部13个州的电压，占全美总用电1/6，是我国电网控制系统输出美国的首例，也是北美首个AVC，取得了巨大的社会经济效益，在国内外产生了重大影响，美国能源部顾问、工程院院士Prof. Bose认为该成果“使中国在电压控制领域遥遥领先于世界”。

作者丨孙宏斌，清华大学教授