金文德,江藝寶,丁 一
(1.國網浙江省電力公司,杭州 310007;2.浙江大學電氣工程學院,杭州 310027)
以用戶為中心的綜合能源系統優化管理關鍵問題研究現狀及展望
金文德1,江藝寶2,丁 一2
(1.國網浙江省電力公司,杭州 310007;2.浙江大學電氣工程學院,杭州 310027)
討論以用戶為中心的綜合能源系統的特點,從用戶側綜合能源現狀分析、用戶側綜合能源系統協同優化與能量管理、用戶能量優化管理軟/硬件支撐技術3個方面回顧了該系統研究現狀及其存在的不足,提出了優化管理關鍵科學問題及未來研究方向,為系統優化管理奠定理論基礎。
綜合能源系統;用戶側;管理;同優化
能源是人類賴以生存的物質基礎,是社會發展和文明進步的先決條件,能源領域的技術革新和體制變革貫穿人類社會的整個發展進程[1]。然而,社會生產力的飛躍式發展導致能源需求的急劇上升,傳統化石能源面臨過度開發與瀕臨枯竭的嚴重問題,由此引發的環境污染問題也日益嚴峻,傳統的能源利用體系亟待轉型與升級[2]。隨著分布式新能源、新型儲能技術、計算機技術、ICT(信息通信技術)、需求側響應機制的逐漸完善與成熟,能源利用體系正在孕育大量創新與變革,如智能電網[3,4]、能源互聯網[5,6]、綜合能源系統等[7,8]。其中綜合能源系統發展迅速,受到了各國的高度重視和學界的廣泛關注。美國能源部于2001年提出綜合能源系統發展計劃[9],推動清潔能源的高效利用,并以CCHP(冷-熱-電聯供)技術為基礎提高能源系統的供能可靠性。為促進供用能環節的IRP(綜合能源規劃),美國于2007年頒布EISA(能源獨立和安全法)[10]并追加6.5億美元的專項經費支持。德國聯邦經濟和技術部于2008年啟動了E-Energy促進項目[11],包含eTelligence和RegModHarz等6個子項目,旨在通過新型信息通信技術推動能源系統的安全供給和高效運行。加拿大能源委員會于2009年頒布了指導意見[12],推動ICES(社區綜合能源系統)的廣泛應用,以實現2050年溫室氣體減排目標。
綜合能源系統能夠促進多種能源子網絡的綜合規劃、運行管理和優化梯級利用,提高能源系統供能經濟性與可靠性[13]。除此之外,互聯網的快速發展增強了綜合能源系統中供需雙側的雙向互動,能源用戶可以通過互聯網平臺了解自身的用能信息和系統的運行狀態,并主動參與到能源系統的實時平衡和用能管理??照{、熱泵、電動汽車、分布式電源等用戶側靈活資源的大量普及,也為用戶參與綜合能源系統供需互動創造了有利條件,且各國政府普遍面臨著巨大的節能減排、促進新能源利用的發展壓力,新型能源市場和交易體制正處于革新之中,這些都促使能源利用體系由傳統的垂直化縱向分層體系向扁平化橫向平臺體系轉變,綜合能源系統的中心也逐漸向擁有巨大開發潛力的用戶側轉移,未來的能源利用體系將走向以用戶為中心的綜合能源系統。
隨著能源領域體制改革的逐步推進和用戶側資源的不斷豐富,未來的綜合能源系統將以用戶為中心,并由傳統的垂直化縱向分層體系到未來的扁平化橫向平臺體系的轉變。用戶側綜合能源供用單元(如微網、區域綜合能源系統等)和含大量靈活資源的終端用戶將是未來綜合能源系統發展和研究的重心。如用戶側大量擁有小型分布式供能設備的能源用戶可以形成區域能源服務商,參與綜合能源系統的運行與調度。含分布式設備的區域綜合能源系統[14]由于設備種類繁多、耦合關系密切和動態特性復雜,也需要從系統建模、規劃決策、仿真分析、優化運行的等角度開展相關研究。通過大數據技術分析不同種類用戶的用能需求、用能行為及用能特征,挖掘各類用戶群體的節能潛力,構建模型精確預測未來各類用戶負荷水平和用能結構,提高用戶側的能源利用效率,降低了電力投資成本,是建設節約型、可持續發展社會的重要保障。
雖然綜合能源系統已經受到了工業界和學術界的廣泛關注,并有大量相關研究陸續開展,國外相關研究中使用了較多的概念[15-17],然而目前還沒有關于綜合能源系統的統一定義,不過綜合能源系統一般均指涵蓋電、氣、冷、熱等多種類能源系統,促進源、網、荷深度融合,貫穿能量生產、傳輸、轉換、分配、儲存、使用等環節的綜合性、集成化、新一代能源系統。文獻[2]將綜合能源系統定義為包含供能網絡、能源交換環節、能源存儲環節、終端綜合能源供用單元和大量終端用戶在內的,實現能源生產、傳輸/分配、轉換、存儲、消費等環節有機協調等能源產供銷一體化系統。其中,供能網絡包含供電、供氣、供冷/熱等網絡;能源交換環節包含CCHP機組、發電機組、鍋爐、空調、熱泵等;能源存儲環節包含儲電、儲氣、儲熱、儲冷等。以用戶為中心的綜合能源系統也包含在上述定義之中,并且更側重于能源轉化和消費環節,以用戶側綜合能源供用單元(如微網、區域綜合能源系統等)和含大量靈活資源的終端用戶為重點研究對象。與綜合能源系統相比,以用戶為中心的綜合能源系統除了具備多種能源交叉互補、可提高能源供給的可靠性和經濟性、可促進大規??稍偕茉吹南{利用等特點之外,還具備如下特點:
(1)互聯網的普及為多元用戶主動參與綜合能源系統互動提供可能性。信息通信技術和互聯網技術的普及應用,促進了綜合能源系統、信息通信系統和互聯網的有機融合,能量流、信息流、業務流等特征各異的物理對象實現了緊密耦合且相互影響,實現了綜合能源系統中大量用戶的信息共享和系統狀態的實時感知,為多元用戶主動參與到能源系統的實時平衡和用能管理創造了有利條件。2011年歐洲啟動了FINSENY項目[18],通過促進互聯網和傳統能源系統信息管理系統的融合,實現能源領域的信息革命。
(2)用戶側靈活資源的大量普及為多元用戶主動參與綜合能源系統互動提供物質基礎。用戶側靈活資源主要涉及空調、熱泵、電動汽車、分布式電源等設備,指的是可以被直接控制或調度,輸出功率可以迅速向上或向下調節的電源資源[19]。隨著綜合能源系統的快速發展,諸如燃氣鍋爐、電轉氣裝置等其他用能設備和轉換設備的出現將使得綜合能源系統的用能換件更加緊密地耦合在一起,包含分布式電源在內的種類多、分布廣泛的靈活資源均可參與綜合能源系統的供需實時交互和有效能量管理,實現多元用戶與綜合能源系統的雙向協同互動。
(3)以用戶為中心的綜合能源系統呈現扁平化、分布式布局體系。隨著綜合能源系統中能源用戶的數量呈指數級上升趨勢,綜合能源系統的參與個體愈發廣泛,且受到“開放、互聯、平等、共享”的互聯網理念影響,未來以用戶為中心的能源系統將朝著平等開放、即插即用、智能互動的方向發展,以用戶為中心的綜合能源系統布局體系也將呈現扁平化、分布式發展趨勢,需要借助云計算、物聯網、大數據等熱點技術來促進大量多元用戶的廣泛交互和信息共享,實現能源生產、傳輸與使用的全過程優化。
(4)以用戶為中心的綜合能源系統具有供需雙側智能交互的運行特點。用戶側靈活資源的大量普及為多元用戶主動參與綜合能源系統互動提供物質基礎,使得未來的綜合能源系統不再是由供給側到用戶側的單向能量傳遞,能源用戶也由過去的能源使用者轉換成能源消費者和服務商,傳統能源系統中供給者、消費者的概念被淡化,取而代之的是綜合能源系統供需雙側的智能交互,意指能量的雙向交互和信息的開放共享。微網作為智能電網領域的一個重要概念,可以看做是未來區域綜合能源系統的雛形。用戶在微網中扮演重要角色,一方面是因為用戶側靈活資源(空調、熱泵、分布式電源、電動汽車)是實現微網孤島運行和能量供需平衡的重要基礎,另一方面,微網中的用戶能夠通過多種能源使用設備(電、氣、熱、冷等)實現微網環境下電/氣/冷/熱等多種能源的耦合。針對微網中多種能源的系統建模和優化分析已有很多相關研究[20,21],這為綜合能源系統的構建和發展提供了理論基礎。
(5)以用戶為中心的綜合能源系統將促進端對端能量交易的發展。隨著分布式電源、儲能技術、電動汽車的普及,能源用戶已具備形成小型分布式能源服務商或能源聚合商的發展空間,熱泵、空調、電動汽車等靈活資源的出現促進了用電、用氣、供暖、供冷等家庭用能環節的交叉耦合和相互影響。與傳統的能源公司相比,用戶側涌現的能源服務商具有更高的靈活性和適應性,能夠根據系統實際運行狀態和市場價格信號變更服務模式,且隨著互聯網的廣泛普及和深入應用,能源領域將催生P2P(端對端)甚至是C2C(用戶對用戶)等商業營銷模式,有效促進大范圍內能源系統資源的開放、對等、優化配置,提高能源市場運行效力和能源服務的品質價值。
基于上述特點,如圖1所示,以用戶為中心的綜合能源系統包含了分布式電源、空調、熱泵、電轉氣設備、電動汽車等用戶側靈活資源,實現了用能側電、氣、冷、熱等多種能源形式的交叉互補和優化管理。從橫向來看,以用戶為中心的綜合能源系統實現了生產、存儲、傳輸、使用等多環節的雙向智能交互;從縱向來看,綜合能源系統在生產側和用戶側實現了多種能源的交互耦合和優化管理。
近年來,各國紛紛調整能源政策鼓勵可再生能源、分布式能源相關技術的研究和應用,降低對化石燃料的依賴,促進經濟轉型和社會的可持續發展。以用戶為中心的綜合能源系統首先要對用戶側綜合能源現狀進行分析,包括用戶用能結構、用戶用能成本及經濟效益分析、靈活資源可調度潛力評估等,國內外相關研究機構已針對上述內容開展了廣泛深入的研究。
在用戶用能結構、用戶用能成本及經濟效益分析方面,蘭州大學研究團隊通過問卷調查的方式,調研了蘭州市150個家庭用能的能源種類和用能結構,并通過替代分析法估算了能源結構轉換所帶來的減排效果[22]。結果顯示,蘭州市人均能源消耗量為490.37 kgce/a,蘭州市家庭用戶所使用的能源種類有電、煤、天然氣、液化石油氣、汽油和太陽能,用能項目分為炊事、照明、取暖制冷、清潔衛生、娛樂、交通運輸和其他用途,其中取暖制冷、炊事和照明3項基本生活用能占87.87%。從能源結構來看,用煤、用電、天然氣、汽油、其他分別占67.27%,12.32%,11.72%,4.64%和4.05%。通過將家用煤替代為天然氣和太陽能,可以減少因冬季取暖燃煤而造成的空氣污染問題。文獻[23]分析了使用太陽能熱水器給津巴布韋帶來的社會、經濟效益,通過將原有的電力熱水器替代為太陽能熱水器,冬季用電尖峰平均下降13%,終端能源消耗水平下降27%,在過去25年CO2排放量降低29%。
在靈活資源可調度潛力評估方面,丹麥、西班牙等風電資源豐富的國家已就利用靈活資源消納可再生能源問題開展了大量研究[24,25]。文獻[26]提出了一種含風電系統的發用電一體化調度模型,融入電價信號、可中斷負荷、激勵政策等需求側響應機制,采用啟發式動態規劃算法進行求解,通過融入用電調度促進風電的大規模消納。文獻[27]引入負荷側柔性負荷并將其細化為4個時間尺度的調整響應模型,通過建立風電預測模型和負荷代理決策模型,考慮不確定性因素的影響建立多時間尺度的源-荷互動響應調度模型,解決因高滲透率風電帶來的調度運行控制的復雜性問題。柔性負荷參與系統調度是發展趨勢,柔性負荷的可調度潛力、互動交易模式、響應行為建模、多時間尺度協調調度機制、互動效應評估等內容需要進一步開展研究[28]。
目前,國內外相關研究機構已針對用戶用能結構、用戶用能成本及經濟效益分析、靈活資源可調度潛力評估等內容開展了相關研究,然而在電/氣/冷/熱的終端用能相互交互關系、考慮能源轉換技術的終端用能效益分析等內容方面的研究還很有限,仍需要以用戶為中心,結合逐漸成熟的電轉氣技術、儲能技術、電氣化交通等新興趨勢,分析用戶側綜合能源現狀。
在技術性方面,需要研究用戶側能源消費結構,分析以電力為主體、多種能源互補的能源消費情況,包括用能體量、比例及構成,綜合考慮風電、光伏、地熱等分布式新能源,分析以用戶為中心的綜合能源系統能量交互關系,并基于大數據技術分析不同種類用戶的用能需求、用能行為及用能特征,深入挖掘用戶側的節能潛力、靈活資源可調度潛力,構建模型精確預測未來各類用戶負荷水平、用能結構、節能潛力等方面的變化趨勢,評估多重不確定因素影響下靈活資源參與調控的運行風險。在經濟性方面,研究多元用戶綜合用能成本及經濟效益分析方法,考慮多元用戶中多種能源經濟、社會、環境綜合屬性,基于用戶側廣義最優價值,采用熵權法來確定指標權重,構建用戶經濟效益評價指標體系。

圖1 以用戶為中心的綜合能源系統結構
隨著綜合能源系統的快速發展,綜合能源系統的協同建模與優化分析、用戶側綜合能量優化管理與能效評估等內容受到了國內外學者和工程師的廣泛關注。在綜合能源系統的協同建模與優化分析方面,文獻[29]提出了多時間尺度的綜合能源系統協同分析模型,考慮熱電聯產電廠、熱泵、燃氣鍋爐等連接電氣系統、供熱網絡和天然氣系統的耦合元件,建立考慮各個能源子系統運行細節的協同潮流分析模型。其中網絡耦合部分通過多向量轉換效率矩陣進行表征,使用牛頓-拉夫遜方法求解曼徹斯特大學校園內的區域綜合能源系統。文獻[30]建立了天然氣和電力系統能源轉換和交互潮流的分析模型,并以最小化投資費用為目標分析了多時間階段的電-氣綜合能源系統協同規劃模型。文獻[31]提出了考慮安全約束的電-氣混合能源系統經濟調度模型,天然氣轉移因數用來表示天然氣供給和負荷對天然氣潮流的影響,最優目標為最小化考慮燃煤機組和燃氣機組的系統運行費用。文獻[32]建立了天然氣-電力混合網絡的動態分析模型,其中天然氣管道的動態過程用偏微分方程表示,而電力系統的動態過程用微分代數方程表示。文獻[33]通過能源樞紐構建由電、氣、熱等不同能源系統的綜合模型,并就規劃優化、可靠性評估、投資決策等問題進行了綜述。瑞士聯邦理工大學的Anderson教授提出了基于EH(能源集線器)[34]的綜合能源系統建模方法,通過引入轉換效率因數分析電、氣、熱等多種能源間的穩態交互關系,為綜合能源系統資源優化配置、投資決策、運行優化和可靠性評估奠定理論基礎,能源集線器如圖2所示。

圖2 包含3種能源形式的能源集線器
在用戶側綜合能量優化管理與能效評估方面,文獻[35]梳理智能小區的內涵特征和先進技術,在分析智能小區業務流、信息流的基礎上提出智能小區的互動綜合管理與服務架構,設計了智能小區業務功能和相應配置,如用電信息采集、小區配電自動化、電動汽車充電有序管理、分布式電源接入與控制、智能家居等內容,并介紹了包含電力線寬帶通信技術、以太無源光網絡等在內的小區集成通信技術、互動服務技術、小區配電自動化技術等。在上海世博會的智能電網示范工程中,一套包含展館樓宇自控系統、風電光伏子系統、V2G系統、空調系統在內的樓宇智能用電能量管理系統被安裝在了國家電網企業館,通過實時采集設備運行狀態、負荷消耗水平、場館報警信息等內容,根據環境參數、歷史用電和電價結構信號制定用電控制管理策略已達到樓宇節能和經濟最優的效果[36]。國家電網于2010年在北京、重慶、廊坊開展智能小區應用示范與試點工程,通過應用中斷負荷響應、電動汽車優化充電、清潔能源消納和PFTTH(電力光纖到戶)[37]建設滿足“三網融合”的智能小區。文獻[38]提出通用家居智能綜合能量管理策略,應用虛擬發電廠技術達到個體家庭與所有用戶的協同最優,家庭用戶能量流動如圖3所示。美國于2008年在博爾德地區為家庭用戶安裝了可編程家居控制器和家庭用能智慧管理系統,推動空調、冰箱、熱水器等可控負荷的優化管理和能效提升[39]。文獻[40]基于M2M(機-機)通信技術討論家庭能源管理系統的通用通信架構,通過完善的信息采集和電力需求管理給出最優的家庭能量管理策略和決策算法。

圖3 家庭用戶能量流動示意
國內外研究人員就綜合能源系統協同優化與能量管理問題已開展大量研究,主要集中在多能源系統協同建模、智慧能源、家庭用能管理、綜合用能評估等方面,然而仍需要從以下方面進行完善:
(1)以用戶為中心的綜合能源系統為多元用戶主動參與綜合能源系統互動提供可能,也促進了能量流、信息流、業務流等特性各異的物理對象的融合。多能源系統間的協同建模需要既考慮綜合能源系統中不同能源子系統之間的協同交互和作用機理,也要對信息流和能量流進行統一抽象分析,利用微分代數方程、有窮自動機和隨機過程等數學工具建立物理—信息系統的穩態、動態模型。
(2)以用戶為中心的綜合能源系具有供需雙側智能交互的運行特點,空調、熱泵、電動汽車、分布式電源等用戶側靈活資源的大量普及為多元用戶主動參與綜合能源系統互動提供物質基礎,使得未來的綜合能源系統不再是由供給側到用戶側的單向能量傳遞,而是供需雙側的智能交互,目前的研究所涉及的供需互動大多局限在單個用戶、樓宇、小區的范圍,無法挖掘多元用戶側靈活資源之間的能源互補潛力和設備關聯關系,難以體現大規模用戶同時參與綜合能源系統互動時所呈現的整體性和協調性。
綜合考慮上述因素,未來有關綜合能源系統協同優化與能量管理問題的研究將主要集中在考慮能量流、信息流、業務流融合情況下的綜合能量優化管理技術。具體來說,考慮電/氣/熱/冷等多種能源的供給容量限制、網絡傳輸容量限制、能量轉化效率、綜合用能需求等多維度約束,建立涉及物理—信息運行機理的綜合能源系統協同分析模型,以最大化供需雙側經濟效益為目標,研究滿足供能質量的最優能量管理使用方案,涉及能源優化調度方式和用戶能量優化使用方案,實現多元用戶之間靈活高效的綜合能量交互配置,并基于綜合能量優化管理技術,研究以用戶為中心的綜合能源系統可靠性評估模型。
綜合能源系統的協同建模與優化分析、用戶側綜合能量優化管理與能效評估是以用戶為中心的綜合能源系統的核心,除此之外,還需要用戶能量優化管理系統和智能終端等軟、硬件支撐技術實現用戶側綜合能量的優化管理與能效評估。
國外在用戶能量優化管理系統方面的研究起步較早。美國于1996年研發的Energy Plus平臺,通過對用能設備、建筑的仿真建模,實現對用能設備、系統和整個建筑物的能耗狀況評估和在線狀態監測[41]。施耐德電氣公司通過對空調控制、電機驅動、可再生能源接入和照明調控,為家庭用能監管平臺提供增效解決方案[42]。文獻[43]通過能源管理器收集用戶用能行為信息,并利用了平均一致算法分析大型住宅中用戶的用能行為情況。文獻[44]通過HEMS(家庭能量管理系統)和BEMS(樓宇能源管理系統)的系統架構和功能需求進行整合優化,開發適應于2套系統的協同調度方案,探索在這2套系統中應用可中斷負荷大的可靠性和適應性。針對建筑的整體用電量問題Chris Guy搭建了一個多代理系統,通過各代理之間的協調使用戶的用電量最低[45]。法國里爾大學的Alessandro Di Giorgio對智能家居用電設備的用電計劃進行優化,優化目標是建立在分時電價基礎上的用戶用電成本最低,以規劃時段內各用電設備的開啟時間為控制變量[46]。
我國也在用戶能量優化管理系統、智能終端技術等方面開展了相關理論研究和實踐探索,中國電力科學研究院曾基于面向電力無線專網的技術方案開發智能用電互動業務模式和智能用電體系框架[47],并考慮家庭用戶、商業用戶的設備用能特性,提出集信息采集、能效評估、設備控制、雙向互動于一體的智能用電技術方案[48]。國家電網公司應用載波抄表系統和智能用電服務系統,實現家庭用能安全監測、用電信息與物業管理等多樣化功能[49]。
目前,國內外相關研究機構已針對用戶用能狀況監測、智能終端計量和通信技術、綜合能效評估等內容開展了相關研究,然而考慮用戶側電/氣/冷/熱等不同種類終端能源互補交互關系、分布式儲能和供能設備等內容的綜合能源管理系統平臺尚無成熟的研究成果或工業產品,仍需要結合能源領域體制改革、需求側管理技術現狀、能源轉換技術等發展趨勢,建立以用戶為中心的綜合能量優化管理系統。
從軟件平臺方面來看,以用戶為中心的綜合能量優化管理系統需要借助互聯網技術,與傳統能源物理網絡和信息通信控制網絡相集成,研究含分布式新能源、靈活資源(如空調、熱泵等)在內的大規模用戶用能行為與控制方式,通過大數據技術和相關分析算法處理用戶側電/熱/冷/氣等多種能源消耗載體的用能狀況及交互關系,并基于需求側響應機制、電價互動信號和能量管理策略等核心算法,以經濟最優為指標給出當前用戶的最優能量使用方案和自適應控制策略,并模擬綜合能源系統中供需雙側的智能交互狀況,實現分布式電源、空調、熱泵、電動汽車等多樣化用戶設備用能監測和實時能量優化管理。
在終端硬件方面,需要研制面向用戶的智能互動終端核心模塊,實現針對大規模用戶的用能計量及設備監控,并根據最優能量使用方案和自適應控制策略控制用戶用能設備,為綜合能量優化管理系統提供技術支撐。具體來說,用能計量及監控設備是綜合能量優化管理系統的硬件支撐與核心模塊,智能互動終端在感知能量流狀態的基礎上,實現與用戶用能量測和傳感設備的方便連接和信息交互,為實現設備及信息的融合墊底物理基礎?;谟媚苡嬃考氨O控設備,考慮最優能量使用方案和自適應控制策略,綜合分析大規模用戶中分布式電源、空調、熱泵、電動汽車等多樣化靈活資源的用能成本和可調度潛力,在保障用能可靠性的前提下,以經濟最優為指標提出用戶用能自適應控制策略,并將控制信號輸出至分布式電源、空調、熱泵、電動汽車等多樣化靈活負荷。
隨著以用戶為中心的綜合能源系統理論研究的不斷深化和工程實踐的大范圍展開,用戶側的靈活資源、分布式電源、儲能設備將得到更加廣泛的應用,電、氣、冷、熱等多種能源形式在用能端的交叉耦合和相互轉換也將更為緊密,綜合能源系統優化管理的理論研究意義和工程應用價值將不斷提高,為未來能源行業的發展奠定理論基礎。
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(本文編輯:徐 晗)
Study on Critical Issues Correlated to Optimization and Management in Customer-Centered Integrated Energy System and the Prospect
JIN Wende1,JIANG Yibao2,DING Yi2
(1.State Grid Zhejiang Electric Power Corporation,Hangzhou 310007,China; 2.School of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)
The paper discusses the characteristics of customer-centered integrated energy systems and reflects the research status and disadvantages of the system in terms of customer-side integrated energy status,collaborative optimization and energy management of customer-side integrated energy system and customer energy optimization and management software/hardware support technology.In addition,it brings forward critical issues correlated to optimization and management as well as research direction in the future,laying a theoretical foundation for system optimization and management.
integrated energy systems;customer-side;management;collaborative optimization
F416.61
A
1007-1881(2016)10-0073-08
2016-08-26
金文德(1966),男,高級工程師,主要從事電力科技管理工作。