中國儲能網訊：“IEMS可以認為是第四代能量管理系統(tǒng)（EMS），可以解決多能流網絡的最優(yōu)控制問題，即通過多能互補、源網荷協同實現安全供能前提下的效益最大化?！?
圖：清華大學能源互聯網創(chuàng)新研究院能量管理與調控研究中心主任孫宏斌教授作專題報告
1. 能源互聯網從“概念年”走向“落地年”
去年和前年我認為是能源互聯網的“概念年”，那時候大家還在討論“什么是能源互聯網”，“為什么要做能源互聯網”，“能源互聯網可能會長什么樣子”。但是，今年已經進入到了能源互聯網的“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“互聯網+”智慧能源（能源互聯網）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、源網荷協同”實現安全供能前提下的效益最大化，這是在能源互聯網示范項目的實施中，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、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是在電網調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)，是電網運行的神經中樞和調度指揮司令部，是大電網的智慧的核心。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出現在1969年以前，叫做初期EMS。這種EMS僅包含SCADA供能，只是把數據采集起來，沒有實時網絡分析、優(yōu)化、協同控制，網絡分析和優(yōu)化主要靠離線計算，屬于經驗型調度?，F在的園區(qū)管理，絕對不能停留在經驗型調度的水平上，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)展了實時網絡分析、優(yōu)化、協同控制，所以在上個世紀70年代，EMS得到了迅速發(fā)展。我國1988年完成四大電網調度自動化系統(tǒng)的引進，之后完成消化、吸收、再創(chuàng)新，開發(fā)出自主知識產權的EMS。當時清華承擔了東北電網EMS的引進、消化和吸收，因為當時東北是重工業(yè)基地，東北電網的網調是最大的，全國負荷最大的就在東北。目前國內的EMS已基本國產化，這一時期的調度已經屬于分析型調度，上升到了新層次。
第三代EMS是源網荷協同的智能電網EMS，出現在大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)展之后，這時候還沒有多能橫向的協同，只有源網荷的協同。針對大規(guī)?？稍偕茉床豢煽亍⒉▌有缘奶攸c，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-集中協同架構，從源、網到荷，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，網有輸電、配網、微網的EMS，這些EMS首先是自律，然后通過通信網聯結在一起形成協同，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，共同實現智能電網的源網荷協同。
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，從多種能源里面找到新的靈活性資源，來支持大規(guī)?？稍偕茉吹南{;通過效益最大化的綜合優(yōu)化調度，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。前些天我在英國召開的國際應用能源大會（ICAE）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產品。我們課題組將做了30年的電網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EMS的研發(fā)經驗，再用10年也做不出來。
4 IEMS的主要功能
（1）多能流SCADA
用于實現完整、高性能的準穩(wěn)態(tài)實時數據采集和監(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)” ，基于能源物聯網，采集多能流數據（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，并將數據提供給狀態(tài)估計及后續(xù)高級應用功能模塊，接收系統(tǒng)運行調控指令，并通過遙控/遙調信號下發(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
由于多能流傳感網絡測點分布廣、量測種類多、數據質量低、維護難度大、成本敏感度高，所以出現采集數據不全、錯誤的情況在所難免。因此多能流網絡需要狀態(tài)估計技術提供實時、可靠、一致、完整的網絡狀態(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據、剔除壞數據，可以實現壞數據的可估計、可檢測、可辨識，最終達到減少傳感器安裝數量、降低通信網絡復雜程度、降低傳感網絡的投資和維護費用的效果，通過提高基礎數據的可靠性來提高評估與決策的可靠性，降低能源網絡運行事故風險。
（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，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，做協同安全控制。
（4）多能流優(yōu)化調度
這里有幾個重要的概念：啟停計劃、日前調度、日內調度、實時控制。一個園區(qū)或者是城市的三聯供、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，這就可以根據確定日前的最優(yōu)啟停計劃進行啟停。然后在啟?；A上調節(jié)多少出力，這是日前調度。而日內調度是由于風光出力變了、負荷變了，所以日內需要再調度，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，如對于網絡安全問題、調壓問題、調頻問題，都需要進行實時控制。調度的時間尺度較長，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，其可調控的手段比單一能源系統(tǒng)要多，從源網荷儲的角度出發(fā)，可實現冷、熱、氣、電等的綜合調度和控制。
（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部的商業(yè)模式。內部的商業(yè)模式不是對外的，不是對上的，而是對園區(qū)內用戶的，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)點能價根據供應商的生產邊際成本制定，當線路出現阻塞時，各節(jié)點的價格根據所在位置的不同而呈現不同的價格，實時價格可以激發(fā)用戶側的靈活性。節(jié)點能價科學體現了成本，有利于建立公平的內部市場機制。
（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供等分布式電源，聯合起來就可以變成一個大的可調節(jié)的市場主體。因為分布式資源容量小、數量多，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多個分布式資源協同優(yōu)化運行，為外部市場提供調峰、調頻、調壓等服務，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濟收益，這在美國已經成為現實。
虛擬電廠在優(yōu)化調度的基礎上，可以將園區(qū)內的分布式電源、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的運行和調度。虛擬電廠協調上級電網與分布式資源間的矛盾，充分挖掘分布式資源為電網和用戶所帶來的價值和效益，實現與電網的友好互動。
如下圖所示是多能流虛擬電廠的內部組成架構。
橫向來看依次是源網荷儲。源側包括常規(guī)的供電設備、CHP機組、燃氣鍋爐等設備，以及外部電網供電、可再生能源接入；網架分為冷熱電等傳輸系統(tǒng)；荷側為園區(qū)內部的電、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?？v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)經濟性。
5 IEMS的應用案例
（1）成都高新西區(qū)的“互聯網+”智慧能源（能源互聯網）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，實現多能協同優(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（天然氣冷熱電三聯供、光伏、風電等）的能源互聯網示范園區(qū)建設，實現對高新西區(qū)內天然氣、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)園的能源格局呈現大容量、多能流、高滲透等特點，具有開展多能協同、多能優(yōu)化調度等的良好基礎條件，是開展“互聯網+”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)內建設IEMS系統(tǒng)，提出虛擬電廠和用戶需求側響應模式，實現靈活性資源集群同步化控制技術，最終系統(tǒng)實現部署應用。
（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清潔供暖。
本文根據清華大學能源互聯網創(chuàng)新研究院能量管理與調控研究中心主任孫宏斌教授在國家能源互聯網產業(yè)及技術創(chuàng)新聯盟全體成員大會暨2017國家能源互聯網大會上的報告內容整理。相關鏈接：分論壇1：能源互聯網落地實踐與示范項目研討、分論壇2：棄風棄水棄光的破解之道、分論壇3：能源互聯網金融與商業(yè)模式探討。
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