中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：1、為什么要研究能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃？
人類生產(chǎn)、生活活動(dòng)對(duì)能源有著巨大的需求，但化石能源的儲(chǔ)量有限，不足以支撐社會(huì)的長(zhǎng)久發(fā)展，同時(shí)大規(guī)模化石能源的低效使用對(duì)環(huán)境造成了巨大的污染。能源危機(jī)、環(huán)境污染催生了人們對(duì)可持續(xù)、清潔、高效的能源系統(tǒng)的迫切需求。隨著能源利用技術(shù)的發(fā)展、信息技術(shù)的進(jìn)步，兩者的深度融合催生出了新的能源利用體系——能源互聯(lián)網(wǎng)。能源互聯(lián)網(wǎng)通過對(duì)多種能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，既可以接納大規(guī)模的可再生能源，也可以提高能源的利用效率。能源互聯(lián)網(wǎng)是未來能源系統(tǒng)的發(fā)展方向，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃是能源互聯(lián)網(wǎng)從理論到工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。只有在先進(jìn)的、合理的能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃理論的指導(dǎo)下，全面大規(guī)模的能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)工程才可以順利實(shí)施。現(xiàn)階段，國內(nèi)外的能源互聯(lián)網(wǎng)的眾多示范性項(xiàng)目正在如火如荼的建設(shè)，這些示范性工程的實(shí)施又可以幫助逐步完善規(guī)劃理論體系，為之后的能源互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模工程建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)。
2、為什么對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分？
能源互聯(lián)網(wǎng)包含電力、天然氣、熱等多種能源系統(tǒng)，規(guī)模龐大，元件眾多，作為整體進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化規(guī)劃難度過大。為了減小規(guī)劃難度，提升規(guī)劃模型的準(zhǔn)確性和可行性，本文根據(jù)不同的組成元素、環(huán)節(jié)任務(wù)將能源互聯(lián)網(wǎng)按照能源的生產(chǎn)環(huán)節(jié)（源）-能源的傳輸環(huán)節(jié)（網(wǎng)）-能源的消費(fèi)環(huán)節(jié)（荷）進(jìn)行劃分，由此可得能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)如圖 1所示。
圖 1 能源互聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)
基于能源互聯(lián)網(wǎng)劃分的“源-網(wǎng)-荷”結(jié)構(gòu)，考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的主要任務(wù)、特定約束、應(yīng)用影響因素等，可建立如表 1所示的各個(gè)環(huán)節(jié)的規(guī)劃模型。
表 1 能源互聯(lián)網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的規(guī)劃模型
3、能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建模的基礎(chǔ)？
能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃是已知規(guī)劃對(duì)象的物理特性和相應(yīng)的約束條件，選定合適的數(shù)學(xué)模型描述規(guī)劃對(duì)象的物理特性，求解滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求的合適的規(guī)劃方案。因而明確基礎(chǔ)的約束條件和建立描述設(shè)備運(yùn)行特性、耦合能量流的數(shù)學(xué)模型是能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建模的基礎(chǔ)。規(guī)劃模型的基礎(chǔ)約束條件是用戶的電、氣、熱多種能源的負(fù)荷需求。能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃所涉及的數(shù)學(xué)模型主要是多能流的耦合、轉(zhuǎn)化模型和多能流系統(tǒng)的潮流模型。多能流的耦合、轉(zhuǎn)化模型通常采用瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提出的能量樞紐模型；因?yàn)橐?guī)劃研究的是長(zhǎng)時(shí)間尺度的問題，所以規(guī)劃模型的多能流潮流模型采用穩(wěn)態(tài)潮流模型，即滿足節(jié)點(diǎn)能量平衡等物理特性的代數(shù)方程。
4、對(duì)能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)劃有哪些研究？
能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)規(guī)劃的任務(wù)是在滿足用戶的多種用能需求和達(dá)到各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的條件下，充分考慮各種形式能源的耦合和物理特性的互補(bǔ)，確定在何時(shí)、何地興建何種類型和何種規(guī)模的能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)設(shè)備，使規(guī)劃期內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)能接納大規(guī)?？稍偕茉床⑶揖哂休^好的經(jīng)濟(jì)效益。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，具有大容量?jī)?chǔ)能設(shè)備的熱力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)通過熱電聯(lián)供（CHP）機(jī)組、電轉(zhuǎn)氣等能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和電力系統(tǒng)互聯(lián)耦合。相比于電力系統(tǒng)，氣、熱系統(tǒng)都具有較大的慣性和時(shí)間常數(shù)，具有良好的可控性和可調(diào)性。大容量的儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣設(shè)備使得電力系統(tǒng)能夠在較大的時(shí)間尺度和空間范圍內(nèi)平抑可再生能源的間歇性和波動(dòng)性對(duì)能源系統(tǒng)的影響，進(jìn)而提升系統(tǒng)的可再生能源的消納能力。
以電-熱聯(lián)合的能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)的規(guī)劃為例，首先分析電鍋爐、CHP機(jī)組的出力特性，結(jié)合傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)模型，建立熱源模型和相應(yīng)的設(shè)備輸出功率約束。其次，充分考慮電和熱的互補(bǔ)性，在電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流的基礎(chǔ)上，建立合理的電-熱耦合潮流模型。最后通過設(shè)置多場(chǎng)景、多時(shí)段等方式模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)建立電-熱聯(lián)合系統(tǒng)的混合整數(shù)規(guī)劃模型。
5、對(duì)能源的源、網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的研究有哪些？
能源的遠(yuǎn)距離傳輸主要以電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)為主，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連耦合，將能源從源側(cè)向遠(yuǎn)端負(fù)荷大規(guī)模的傳輸?？稍偕茉吹牡乩矸植驾^為分散，風(fēng)電廠、光伏電站和電轉(zhuǎn)氣廠，需要根據(jù)已有電力傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的選址，便于能源的傳輸，而燃?xì)怆姀S也要根據(jù)天然氣網(wǎng)進(jìn)行選址，才能保證天然氣的供應(yīng)。所以電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的傳輸環(huán)節(jié)不能單一規(guī)劃，需要進(jìn)行源、網(wǎng)的協(xié)同規(guī)劃。對(duì)于源、網(wǎng)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)規(guī)劃，首先要對(duì)源側(cè)、負(fù)荷側(cè)的多能源系統(tǒng)進(jìn)行等效，將多能源的生產(chǎn)等效為氣源和電源（傳統(tǒng)電源、可再生能源），將負(fù)荷等效為氣負(fù)荷和電負(fù)荷，將模型簡(jiǎn)化為電-氣聯(lián)合系統(tǒng)。
電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的規(guī)劃，基本是以系統(tǒng)投資和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，最基礎(chǔ)的約束是電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行約束?？紤]不同的影響因素，可對(duì)電-氣聯(lián)合系統(tǒng)的規(guī)劃模型構(gòu)造分層迭代的優(yōu)化模型。主問題設(shè)置為能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)設(shè)備的投建、選址和電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)建，子問題是典型日或規(guī)劃年的優(yōu)化運(yùn)行，可分別設(shè)置可靠性、碳排放等子問題約束。主問題向子問題傳遞優(yōu)化后的系統(tǒng)拓?fù)浞桨?，子問題向主問題傳遞相應(yīng)的割集約束或罰函數(shù)，以保證規(guī)劃方案滿足可靠性、投資成本等問題邊界，通過多次主、子問題協(xié)調(diào)迭代獲得滿足約束的規(guī)劃方案。
6、對(duì)能源消費(fèi)環(huán)節(jié)規(guī)劃有哪些研究？
在能源的消費(fèi)環(huán)節(jié)，用戶的參與度獲得提升，用戶的積極參與可以幫助實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活可控。用戶的參與主要體現(xiàn)在兩方面：1）價(jià)格因素主導(dǎo)的需求側(cè)響應(yīng)；2）電動(dòng)汽車的充電服務(wù)。能源的消費(fèi)主要集中在城市地區(qū)，城市的多能源系統(tǒng)按照規(guī)?？蓜澐譃閰^(qū)域級(jí)的多能源系統(tǒng)和能源微網(wǎng)。區(qū)域級(jí)的多能源系統(tǒng)以大片居民區(qū)，商業(yè)區(qū)或工業(yè)園區(qū)為單位，包含CHP機(jī)組等能源轉(zhuǎn)換裝備、儲(chǔ)能裝置和多能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。能源微網(wǎng)以居民樓、醫(yī)院為單位，主要包含一套冷熱電聯(lián)供裝置和小型儲(chǔ)能設(shè)施。因而能源消費(fèi)側(cè)的規(guī)劃如圖 2所示可劃分為電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃，區(qū)域級(jí)的多能源系統(tǒng)規(guī)劃和能源微網(wǎng)的規(guī)劃。
圖 2 能源消費(fèi)環(huán)節(jié)的規(guī)劃內(nèi)容劃分
對(duì)于電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃，首先需要分析電動(dòng)汽車接入對(duì)電源發(fā)展、電網(wǎng)運(yùn)行的影響，建立電動(dòng)汽車各個(gè)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，仿真電動(dòng)汽車的行為。規(guī)劃模型需要考慮的約束條件主要有路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、充電站容量約束、充電等待時(shí)長(zhǎng)等，目標(biāo)函數(shù)可以設(shè)定為充電站和配電網(wǎng)的投資最小，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最小，充電站俘獲的交通流量最大。在實(shí)際生活中，交通系統(tǒng)和電力系統(tǒng)存在著復(fù)雜的交互影響，目前的研究還處于起步階段。
區(qū)域級(jí)的多能源系統(tǒng)的規(guī)劃，既需要考慮CHP機(jī)組、儲(chǔ)能設(shè)備等裝置的選址、定容，也需要規(guī)劃相應(yīng)的電、氣、熱配網(wǎng)。因而，首先需要建立CHP機(jī)組、儲(chǔ)能設(shè)備的功率轉(zhuǎn)化模型，可以采用能量樞紐模型，根據(jù)不同的需求進(jìn)行不同的配置。其次，將CHP機(jī)組等裝置作為耦合元件，以電、氣、熱耦合最優(yōu)潮流為基礎(chǔ)，設(shè)置不同的運(yùn)行場(chǎng)景，建立不同的規(guī)劃模型，以適應(yīng)實(shí)際情況。
能源微網(wǎng)的規(guī)劃主要是對(duì)冷熱電聯(lián)供設(shè)備選型和定容。以能源微網(wǎng)的冷、熱、電負(fù)荷預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，根據(jù)能源價(jià)格的變化和用戶可能參與的價(jià)格型需求側(cè)響應(yīng)，設(shè)置幾種不同的典型運(yùn)行方式，以系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)備的選型和定容。當(dāng)多個(gè)能源微網(wǎng)互聯(lián)協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)，還需要考慮多能源路由器的協(xié)調(diào)互濟(jì)作用。
7、對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃的研究，還有哪些關(guān)鍵問題需要解決？
1）在規(guī)劃模型中分析、仿真可再生能源機(jī)組的出力不確定性和用戶對(duì)不同能源需求的不確定性，例如風(fēng)電的出力模擬和用戶參與價(jià)格型需求側(cè)響應(yīng)的仿真。
2）研究不同能源系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)對(duì)耦合多能源系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換的影響。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，不同能源系統(tǒng)的暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間不同，電能需要瞬時(shí)平衡，而氣、熱系統(tǒng)的暫態(tài)過程相對(duì)緩慢，以分鐘、小時(shí)計(jì)。
3）能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃模型中，供能可靠性是重要的約束條件。需要先建立能源互聯(lián)網(wǎng)中能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)設(shè)備的可靠性模型，并基于此建立電-氣-熱耦合系統(tǒng)的可靠性評(píng)估體系，從而在規(guī)劃模型中加入可靠性約束或可靠性檢驗(yàn)迭代子模塊。
4）天然氣穩(wěn)態(tài)氣流模型和熱力網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)熱力-水力模型具有非凸非線性，使得電-氣-熱耦合系統(tǒng)的規(guī)劃模型是大規(guī)模的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，具有較大求解難度。因而需要采用線性化、二階錐松弛等方法處理非凸約束，并設(shè)計(jì)合理的優(yōu)化算法求解大規(guī)模系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃問題。
5）能源價(jià)格會(huì)對(duì)規(guī)劃模型的結(jié)果造成重要影響，能源互聯(lián)網(wǎng)中不同系統(tǒng)、不同環(huán)節(jié)都存在多種多樣的參與者，各類參與者的不同市場(chǎng)參與方式和不同的決策，會(huì)造成能源生產(chǎn)、消費(fèi)的不確定性。因而需要對(duì)能源價(jià)格因素進(jìn)行合理建模、分析，以應(yīng)對(duì)不同能源價(jià)格造成的不確定性因素。
引文信息
別朝紅，王旭，胡源．能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃研究綜述及展望[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（22）：6445-6462.
Bie Zhaohong, Wang Xu, Hu Yuan．Review and prospect of planning of energy internet[J]．Proceedings of the CSEE，2017，37（22）：6445-6462(in Chinese).
團(tuán)隊(duì)介紹
西安交通大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)研究團(tuán)隊(duì)是由管曉宏院士、別朝紅教授領(lǐng)導(dǎo)，依托陜西省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、教育部智能網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，由電氣工程、系統(tǒng)工程、能源動(dòng)力等多個(gè)學(xué)科教師共同組成的多學(xué)科交叉研究團(tuán)隊(duì)。
研究團(tuán)隊(duì)牽頭了2016年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)“能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行與交易基礎(chǔ)理論”項(xiàng)目，別朝紅教授為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，西安交通大學(xué)為項(xiàng)目牽頭單位，清華大學(xué)、中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院、東北大學(xué)、香港大學(xué)深圳研究院、上海交通大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院和國家電網(wǎng)公司西北分部為參與單位。該項(xiàng)目以能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真，能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃、市場(chǎng)設(shè)計(jì)與機(jī)制分析，多能源系統(tǒng)的隨機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度、資源分配與競(jìng)標(biāo)等為研究?jī)?nèi)容，旨在形成能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行與交易的基礎(chǔ)理論，建立仿真平臺(tái)，精細(xì)模擬多種能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、消費(fèi)，推進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。目前，項(xiàng)目進(jìn)展順利，并在能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理融合系統(tǒng)的建模分析、系統(tǒng)規(guī)劃與交易機(jī)制設(shè)計(jì)和能源互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃三個(gè)方面取得了階段性成果。
