“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?！?/p>

　　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(guān)心的一個焦點問題,。這實現(xiàn)起來并不容易，從技術(shù)層面來看,，這個焦點問題可歸結(jié)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?，F(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(quán)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)?？稍偕茉床豢煽?、波動性的特點，需要大量的靈活性資源,，從源-輸,，轉(zhuǎn)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(gòu),，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(jié)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)?？稍偕茉吹南{;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(zhì)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(chǔ)，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(zhì)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(shù)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(chǔ)。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(chǔ)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)注園區(qū)交易關(guān)口的安全控制,，園區(qū)關(guān)口的容量配置和運行的成本是個關(guān)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(guān)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?？梢岳脽?、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?；A(chǔ)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(jié)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(cè)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(gòu)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(chǔ)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(gòu),。

　　橫向來看依次是源網(wǎng)荷儲。源側(cè)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(cè)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(zhuǎn)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(chǔ)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(cè)響應模式，實現(xiàn)靈活性資源集群同步化控制技術(shù),，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(guān)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(shù)，在解決大規(guī)模風電消納問題的同時實現(xiàn)清潔供暖,。