“IEMS可以認為是第四代能量管理系統(tǒng)(EMS)，可以解決多能流網(wǎng)絡的最優(yōu)控制問題，即通過多能互補、源網(wǎng)荷協(xié)同實現(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”
去年和前年我認為是能源互聯(lián)網(wǎng)的“概念年”，那時候大家還在討論“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)可能會長什么樣子”。但是，今年已經(jīng)進入到了能源互聯(lián)網(wǎng)的“落地年”，大家都在深入地討論應該怎么去做。國家能源局、科技部有很多支持項目，資金投入量很大，比如今年國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))示范項目。
2. 追求效益最大化的最優(yōu)控制問題
如何通過“多能互補、源網(wǎng)荷協(xié)同”實現(xiàn)安全供能前提下的效益最大化，這是在能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目的實施中，專家們都很關心的一個焦點問題。這實現(xiàn)起來并不容易，從技術層面來看，這個焦點問題可歸結為復雜的多能流網(wǎng)絡的最優(yōu)控制問題。這個最優(yōu)控制問題是要追求效益的最大化，效益=收入-費用，約束前提是安全供能。這里的收入包括了售能、售服務，費用有購能、購服務等。優(yōu)化的手段分布在冷、熱、氣、電、水、交通，源、網(wǎng)、荷、儲等各個環(huán)節(jié)。約束條件包括供需平衡、運行的物理范圍，以及供能安全等。這個焦點問題最終是通過一套系統(tǒng)來實現(xiàn)的，這套系統(tǒng)就叫做多能互補綜合能量管理系統(tǒng)(Integrated Energy Management System)，簡稱IEMS。
3. EMS的發(fā)展歷史
IEMS可以認為是第四代能量管理系統(tǒng)(Energy Management System，EMS)。EMS是在電網(wǎng)調(diào)度控制中心應用的在線分析、優(yōu)化和控制的計算機決策系統(tǒng)，是電網(wǎng)運行的神經(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，沒有實時網(wǎng)絡分析、優(yōu)化、協(xié)同控制，網(wǎng)絡分析和優(yōu)化主要靠離線計算，屬于經(jīng)驗型調(diào)度。現(xiàn)在的園區(qū)管理，絕對不能停留在經(jīng)驗型調(diào)度的水平上，而是需要精益化的管理，提高核心競爭力。
第二代EMS出現(xiàn)在20世紀70年代初到21世紀初，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)展了實時網(wǎng)絡分析、優(yōu)化、協(xié)同控制，所以在上個世紀70年代，EMS得到了迅速發(fā)展。我國1988年完成四大電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的引進，之后完成消化、吸收、再創(chuàng)新，開發(fā)出自主知識產(chǎn)權的EMS。當時清華承擔了東北電網(wǎng)EMS的引進、消化和吸收，因為當時東北是重工業(yè)基地，東北電網(wǎng)的網(wǎng)調(diào)是最大的，全國負荷最大的就在東北。目前國內(nèi)的EMS已基本國產(chǎn)化，這一時期的調(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，這時候還沒有多能橫向的協(xié)同，只有源網(wǎng)荷的協(xié)同。針對大規(guī)模可再生能源不可控、波動性的特點，需要大量的靈活性資源，從源-輸，轉向荷-配，這時候的EMS可集成利用各類分布式資源，發(fā)展分布自律-集中協(xié)同架構，從源、網(wǎng)到荷，都有相應的EMS。源有風電場和光伏站的EMS，荷有電動汽車、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，然后通過通信網(wǎng)聯(lián)結在一起形成協(xié)同，這時候就可以稱為EMS家族了，EMS家族有很多成員，不同成員有不同特點，共同實現(xiàn)智能電網(wǎng)的源網(wǎng)荷協(xié)同。
第四代或者說下一代EMS,稱之為多能互補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。由于各類能源割裂，綜合能效低，所以需要綜合和梯級利用;同時由于靈活性資源嚴重不足，大量棄風、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，來支持大規(guī)模可再生能源的消納;通過效益最大化的綜合優(yōu)化調(diào)度，在保障供能安全和優(yōu)質的前提下，降低用能成本，提高綜合能源服務的經(jīng)濟效益。
下圖給出的就是IEMS的示意圖。
它像一個大腦，底下是一個綜合能源系統(tǒng)，冷、熱、氣、電、水、交通，各種能流，叫多能流。前些天我在會上介紹了這個系統(tǒng)，大家公認在世界上還沒有先例。今天上午在清華發(fā)布的最新成果“園區(qū)多能互補綜合能量管理系統(tǒng)”就是這世界上第一個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，學電的人不懂熱、氣、交通，這時候就需要學習熱能、燃氣和汽車等其他學科的知識，我們團隊最近五年一直在快速地學習，終于成功研制出了IEMS。當然，如果沒有之前30年電網(wǎng)EMS的研發(fā)經(jīng)驗，再用10年也做不出來。
4 IEMS的主要功能
(1)多能流SCADA
用于實現(xiàn)完整、高性能的準穩(wěn)態(tài)實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能，是后續(xù)預警、優(yōu)化和控制等功能的基礎，并利用系統(tǒng)軟件支撐平臺提供的服務。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，熱/冷/氣為秒級或分鐘級)，完成相應的監(jiān)控功能，并將數(shù)據(jù)提供給狀態(tài)估計及后續(xù)高級應用功能模塊，接收系統(tǒng)運行調(diào)控指令，并通過遙控/遙調(diào)信號下發(fā)給系統(tǒng)設備執(zhí)行。多能流SCADA的功能界面包括能流分布、場站接線、系統(tǒng)功能、綜合監(jiān)視、操作信息、分析評估、智能報警等。
(2)多能流狀態(tài)估計
由于多能流傳感網(wǎng)絡測點分布廣、量測種類多、數(shù)據(jù)質量低、維護難度大、成本敏感度高，所以出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不全、錯誤的情況在所難免。因此多能流網(wǎng)絡需要狀態(tài)估計技術提供實時、可靠、一致、完整的網(wǎng)絡狀態(tài)，為IEMS的評估和決策提供基礎。多能流狀態(tài)估計通過補齊量測數(shù)據(jù)、剔除壞數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)壞數(shù)據(jù)的可估計、可檢測、可辨識，最終達到減少傳感器安裝數(shù)量、降低通信網(wǎng)絡復雜程度、降低傳感網(wǎng)絡的投資和維護費用的效果，通過提高基礎數(shù)據(jù)的可靠性來提高評估與決策的可靠性，降低能源網(wǎng)絡運行事故風險。
(3)多能流安全評估與控制
安全的重要性不言而喻，而能源系統(tǒng)的安全尤其關乎生命和財產(chǎn)安全。一方面需要建立“N-1”安全準則的概念，這個概念就是去關注最薄弱的環(huán)節(jié)，并且做出預案。上午我們成果的發(fā)布會上舉了一個例子，是說臺灣近期的一次大停電是由氣的閥門故障導致的，那么那個閥門就是氣-電耦合綜合能源系統(tǒng)的一個薄弱環(huán)節(jié)。所以一定要時刻關注薄弱環(huán)節(jié)，出現(xiàn)問題一定要有預案，否則會面臨巨大的風險。另一方面要關注園區(qū)交易關口的安全控制，園區(qū)關口的容量配置和運行的成本是個關鍵問題，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)公司收取的容量費也越高。比如：50兆瓦容量和100兆瓦容量投資和運行的總成本相差很大，如果設計成50兆瓦的容量，萬一實際容量超過了，會燒掉變壓器。該怎么將關口潮流控制在50兆瓦以內(nèi)，這就是安全控制問題。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會影響到多能流系統(tǒng)的其他部分，有可能造成連鎖反應，因此需要進行耦合分析。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
這里有幾個重要的概念：啟停計劃、日前調(diào)度、日內(nèi)調(diào)度、實時控制。一個園區(qū)或者是城市的三聯(lián)供、燃氣機組、電鍋爐都是可以啟停的，有一些設備停下來可以降低成本，這就可以根據(jù)確定日前的最優(yōu)啟停計劃進行啟停。然后在啟停基礎上調(diào)節(jié)多少出力，這是日前調(diào)度。而日內(nèi)調(diào)度是由于風光出力變了、負荷變了，所以日內(nèi)需要再調(diào)度，以此來適應新的適合的發(fā)電出力，維持最優(yōu)的出力和負荷的平衡。最后到了秒級還要進行控制，如對于網(wǎng)絡安全問題、調(diào)壓問題、調(diào)頻問題，都需要進行實時控制。調(diào)度的時間尺度較長，一般以15分鐘為單位，控制是以秒為單位，時間尺度較短。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)荷儲的角度出發(fā)，可實現(xiàn)冷、熱、氣、電等的綜合調(diào)度和控制。
(5)多能流節(jié)點能價
一個園區(qū)或者是智慧城市，一定要考慮建設一個非常好的內(nèi)部的商業(yè)模式。內(nèi)部的商業(yè)模式不是對外的，不是對上的，而是對園區(qū)內(nèi)用戶的，這樣的一個商業(yè)模式應該是什么樣?最科學的模式就是節(jié)點能價的模式。節(jié)點能價的模式首先需要通過計算確定各個地方的用能成本是多少，用能成本包括四個部分：一是能量發(fā)出來的成本;二是傳輸損耗的成本;三是網(wǎng)絡阻塞的成本;四是多能耦合的成本。然后需要科學精準地計算各個結點的能價，包括冷價、熱價、氣價和電價，不同時刻、不同地點的價格，只有通過精準計算，才能使園區(qū)總的用能成本顯著下降，因為可以用價格的信號來引導用戶用能。這樣整個園區(qū)的用能成本則可以通過柔性的能價手段得到顯著下降。
節(jié)點能價根據(jù)供應商的生產(chǎn)邊際成本制定，當線路出現(xiàn)阻塞時，各節(jié)點的價格根據(jù)所在位置的不同而呈現(xiàn)不同的價格，實時價格可以激發(fā)用戶側的靈活性。節(jié)點能價科學體現(xiàn)了成本，有利于建立公平的內(nèi)部市場機制。
(6)多能流虛擬電廠
虛擬電廠是對上級市場的商業(yè)模式，整個園區(qū)或城市都可以變成一個大的虛擬電廠，盡管不是物理電廠，但是有很多儲能和冷熱電三聯(lián)供等分布式電源，聯(lián)合起來就可以變成一個大的可調(diào)節(jié)的市場主體。因為分布式資源容量小、數(shù)量多，市場難以單獨管理，通過虛擬電廠的集合，可以通過軟件架構實現(xiàn)多個分布式資源協(xié)同優(yōu)化運行，為外部市場提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等服務，有利于總體資源的優(yōu)化配置和利用。這樣的商業(yè)模式能夠帶來很高的經(jīng)濟收益，這在美國已經(jīng)成為現(xiàn)實。
虛擬電廠在優(yōu)化調(diào)度的基礎上，可以將園區(qū)內(nèi)的分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合整體，從而園區(qū)可以作為一個整體參與上級電網(wǎng)的運行和調(diào)度。虛擬電廠協(xié)調(diào)上級電網(wǎng)與分布式資源間的矛盾，充分挖掘分布式資源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價值和效益，實現(xiàn)與電網(wǎng)的友好互動。
如下圖所示是多能流虛擬電廠的內(nèi)部組成架構。
橫向來看依次是源網(wǎng)荷儲。源側包括常規(guī)的供電設備、CHP機組、燃氣鍋爐等設備，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);荷側為園區(qū)內(nèi)部的電、熱、冷負荷;在儲能方面，不同能源子系統(tǒng)均有各自的儲能設備。縱向來看依次是電、氣、熱、冷多能互補運行。不同的能源子系統(tǒng)分別用不同的顏色表示，多種能源轉化設備(熱泵、CHP、燃氣鍋爐、溴化鋰機組)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行，在保證電、熱、冷負荷可靠供應的前提下，實現(xiàn)了能源的梯級利用，提高能效，降低用能成本。并且對于波動性很強的可再生能源而言，綜合能源系統(tǒng)具有更多的靈活性，促進了可再生能源的接納，進一步提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。
5 IEMS的應用案例
(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)對這里進行綜合能源的供應與需求分析，實現(xiàn)多能協(xié)同優(yōu)化。以電、氣、冷、熱等對能源的需求為主，開展基于清潔能源中樞(天然氣冷熱電三聯(lián)供、光伏、風電等)的能源互聯(lián)網(wǎng)示范園區(qū)建設，實現(xiàn)對高新西區(qū)內(nèi)天然氣、地熱能、風光能、蒸汽、冷水、熱水、電等能源實施管理。
(2)廣州從化工業(yè)園區(qū)的綜合能量管理系統(tǒng)研發(fā)和示范項目。這個園區(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，具有開展多能協(xié)同、多能優(yōu)化調(diào)度等的良好基礎條件，是開展“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源綜合能源服務業(yè)態(tài)模式示范較為適宜的區(qū)域。在園區(qū)內(nèi)建設IEMS系統(tǒng)，提出虛擬電廠和用戶需求側響應模式，實現(xiàn)靈活性資源集群同步化控制技術，最終系統(tǒng)實現(xiàn)部署應用。
(3)廣東東莞立沙島的智慧能源能量運行控制系統(tǒng)研發(fā)項目。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)分為以下四個層次：第一，熱電耦合下的園區(qū)能量調(diào)控;第二，政策沒有放開的情況下，存在約束條件的園區(qū)能量管理;第三，政策完全放開的情況下的區(qū)域能量管理;第四，未來和大系統(tǒng)之間的交互(交易)，打造綜合能源供應商。其中能量管理系統(tǒng)的研發(fā)分為四個階段：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)化控制研究項目。吉林省火電機組占比多，沒有抽蓄、燃氣等靈活調(diào)節(jié)電源，并且吉林處于高寒地區(qū)，冬季供熱期長達半年，90%以上火電機組為供熱機組，供熱期間，火電最小出力超過本省最小負荷，風電消納壓力大棄風問題非常嚴重，主要原因是供熱機組的熱-電制約關系和“以熱定電”模式顯著降低了其調(diào)峰能力，擠占了風電空間。怎么用市場的手段來激發(fā)多能流的管控和交易，是最具挑戰(zhàn)的問題，為此部署了IEMS系統(tǒng)，來研究多能流綜合系統(tǒng)的市場交易機制，研究多元市場主體的成本效益，研究并設計示范區(qū)域內(nèi)的用能替代響應，并提出多能流綜合能量管理優(yōu)化控制技術，在解決大規(guī)模風電消納問題的同時實現(xiàn)清潔供暖。
