支撐居民智慧能源的多能源協調綜合控制技術

盧 婕， 劉向向， 周 琪， 李昊翔， 陳逸涵

（1.國網江西省電力有限公司供電服務管理中心， 江西 南昌 330001； 2.東南大學 電氣工程學院， 江蘇 南京210096）

0 引言

隨著能源短缺問題的日益突出，許多發達國家積極開展智慧能源建設，將水、電、油、氣、交通等公共服務資源信息通過泛在網絡有機地連接起來，實現對能源的智能響應。 目前，針對智慧能源的綜合協調技術應用尚未成熟，尤其是針對泛在感知技術在多級能源綜合利用的方式方法還需要繼續深入研究。

在智慧能源綜合應用技術方面，文獻[1]針對區域智慧能源綜合服務平臺建設進行了分析。 文獻[2]針對智慧能源管理系統架構進行了分析。 文獻[3]對綜合能源的發展模式進行了探究。 文獻[4]對綜合智慧能源的發展現狀及關鍵技術展開了研究。 文獻[5]分析了城市能源變革下智慧能源的系統建設。 文獻[6]介紹了智慧能源多能互補清潔供熱技術。 文獻[7]針對多能互補綜合能源管理系統進行了分析。 文獻[8]針對多能源的經濟調度進行了分析。 文獻[9]從源網荷的角度分析了電動汽車的優化調度。 可見，以上文獻均未對泛在感知技術等綜合控制技術在智慧能源中的應用進行分析。

本文針對綜合能源協調控制技術在居民智慧能源中的應用展開研究，并分析了智慧城市中多級智慧能源的綜合服務形式和調控技術。

1 居民智慧能源概述

1.1 居民智慧能源

居民智慧能源主要是指普通居民用戶在智能電網環境下合理、智能地應用各類能源的方式，包括電力、煤氣、交通等各個方面。 限于本文的研究內容，僅對電力能源展開研究。

如圖1 所示，本文居民智慧能源核心內容主要包括分布式發電、 電動汽車 （EV）、 儲能（BESS）、 可響應柔性負荷規模以及不可響應負荷等系統。

本文考慮將居民智慧能源分為5 個子系統：BESS 子系統、可控發電子系統、不可控負荷子系統、 可響應柔性負荷子系統以及分布式發電子系統，具體如表1 所示。

表1 居民智慧能源分類Table 1 Classification of residential smart energy

從特性上來說， 居民智慧能源系統是一種集成了交互功能的物理信息融合系統的異構子系統。 該子系統包括環境、技術以及居民，可以實現控制和適應內部或外部能源信息以及環境的功能。根據參與居民智慧能源的角色，又可以劃分為以下幾部分。

①居民部分。 居民智慧能源系統的中心是消費者也即用戶， 其活動和需求決定了能源消耗和消費管理的模式。 居民的日常能源消費行為可以表示為一系列描述符和不確定性和確定性的活動序列。 居民的活動順序呈現出內在的關聯。

此外，用戶的活動還受到描述因素（如地理區域）的影響。 例如，EV 的充電位置一般在家庭或者公司，較少有在出行途中進行充電的，這與充電樁的地理分布有關。 用戶的用能活動可以表示為設備和用電設備的活動子序列， 一般使用隨機模型描述。

②技術部分。 居民用戶在能源消費過程中需要與用能設備以及能源綜合系統進行交互。 這類設備系統的時間演變過程與用戶的行為息息相關，用戶如果觸發一些能源設備，就可以用剩余活動時間來表示。因此，不同能源設備之間的關聯性是智慧能源的一個典型特征， 可以用于區分不同的用戶類型、用戶狀態以及用戶行為。

這類能源設備的技術特性也會影響電網以及其他能源網絡的用能特性，觸發需求響應等信號。因此， 價格和激勵信號會影響居民用戶的用能行為。

③環境部分。環境變量主要包括氣候、室內外溫度等，對于智慧能源的動力系統有明顯的影響。因為溫度會影響用戶的用能行為， 外部環境的變化也可以在一定程度上預測居民用戶的用能變化。

④能源管理系統。 居民智慧能源的核心系統就是能量管理系統，該系統包括能源傳感器、信息處理單元以及控制環。基于搜集到的信息，能量管理系統能夠與多級能源網絡進行交互， 以成本最小、用戶舒適度最高、與電網配合度最佳等目標對用戶的能源使用方案進行調度，給出最優策略。用戶不僅是智慧能源的使用者， 同時也是智慧能源的動態參與者。 該系統能夠為智慧能源管理的升級提供相應服務。

1.2 居民智慧能源與源網荷之間的關系

居民智慧能源以最終實現居民用能的高效運行為目標，是智慧能源發展的終端環節，主要包括各種分布式電源、 微網、BESS 裝置以及各種可調度的負荷、EV、能效電廠等需求側資源。為了達到高效運行，須要根據智能電網的電源形式、電網結構和負荷構成等不同運行狀態及運行發展趨勢，確定不同的控制目標， 建立居民智慧能源自適應協調優化目標模型。 通過居民智慧能源與源網荷優化目標、空間尺度、時間尺度等方面的協調，實現能源系統的整體高效運行。

1.3 居民智慧能源主體建模

①智能樓宇

智能樓宇以熱電聯產 （Combined Cooling Heating and Power， CCHP）系統為核心，燃氣輪機燃燒天然氣輸出電能的同時， 熱能作為附加產能供用戶使用。另外，居民智能樓宇通過公共連接點對外與電網進行能量交互，在電能共享的基礎上，通過電網購電補充電能需求， 自產的多余電能返送至電網獲取收益[10]。

②可控發電系統

可控發電系統的特征主要是發電出力可以根據預測等信息進行提前知曉， 控制不易受外界影響。 其控制約束如下：

2 多級能源綜合協調技術

2.1 多級能源運行狀態感知技術

多級能源運行狀態感知是指包括對煤、氣、電等綜合能源的運行效果、運行方式、運行特征等多種狀態的感知技術。 感知的手段主要是各類能源系統的大數據信息， 應當充分應用居民用戶的智能樓宇等場所所提供的信息以及多元融合量測的數據。在廣域時空范圍內，依據用戶對新能源、EV、可中斷負荷等各類負荷的用能情況進行預測，準確有效地掌握用戶各類綜合能源的安全態勢，實現用戶多級能源的狀態估計和運行狀態感知。

2.2 多級能源運行態勢分析

多級能源運行態勢分析主要是針對居民智慧能源的負荷預測、負荷分布以及負荷特征的分析。具體的參考依據主要是基于數值天氣預報和歷史負荷數據資料、 基于多級能源運行態勢分析得到的用戶能源運行狀態以及包括分布式電源與負荷預測等結果，例如綜合負荷和分布式能源特性等。多級能源的態勢分析還應當包括能源使用狀態預警等內容，形成能源的態勢運行分析的基本形式。

2.3 多級能源協調優化技術

多級能源協調優化控制主要基于居民智慧能源的實際運行狀況和多級能源的分級協調目標，考慮在不同能源種類的需求響應驅動下多能源網絡單元的不同時間空間雙維度上的相關性和互補性特征， 實現多級能源在多時間尺度上的能源協同優化控制， 以及居民多級能源的利用與需求側負荷的高峰、低谷的實時平衡互補，提高源網荷的綜合能源利用效率。

2.4 居民智慧能源多級能源綜合協調技術

居民智慧能源的多級能源綜合協調技術主要是指多級能源運行狀態感知、運行態勢分析、協調優化控制3 種技術。 居民智慧能源包括的種類繁多，不同種類的能源控制形式也不盡相同，針對具體的能源種類，應采取有針對性的控制方法。根據本文所提的負荷模型， 考慮居民智慧能源的利用特性，針對能源的使用時間、利用方式以及激勵方式等方面提出居民智慧能源多級需求響應的調控方法。

3 智慧能源綜合服務平臺的泛在感知技術

3.1 居民智慧能源綜合服務

居民智慧能源綜合服務是指通過泛在網絡、物聯網絡等為支撐的，匯集物理層、感知層、網絡層、融合層和應用層的多層網架的、利用信息通信技術與人工智能等為居民用能提供指導或者建議的整體性服務。相比傳統能源，智慧能源綜合服務的使用重點是突出“智能”，提供能源預測、能源利用、能源方案等的數據化和智能化。將各類能源形式的利用進行一體化有機結合，實現多樣化、多維度、立體化的能源綜合服務。

通過全方位、廣視角的感知用戶的交通能源、信息能源以及電力能源的多源數據， 深度挖掘這類多級能源數據的特征以及核心價值， 為居民提供多樣化的增值服務，包括家居智能化使用、家居能源綜合使用、智能主動運維、節能優化設計等，不斷推廣綠色、清潔、高效的用能方式，從而提高能源的利用效率和電氣化水平， 促進清潔能源的發展。

3.2 智慧能源泛在感知技術

智慧能源的泛在感知技術主要是指通過泛在物聯網絡，依靠智能終端，全面地采集居民用戶的用能數據， 包括交通出行、EV 出行規律和充放電、新能源使用情況、傳統負荷參與需求響應等，為每個居民用戶打造專屬的用能分析體驗。

泛在感知技術主要依靠能源路由器負責獲取用戶在各方面用能特征的匯集， 形成為后期數據分析的數據源，不斷為用戶的用能提供增值服務。

按照居民智慧能源的發展歷程來看， 其發展將要經歷信息化、數字化、智能化3 個階段[12]。 物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術的推出， 使能源的綜合利用逐步向智能化發展。智慧城市能源注重信息資源的整合、共享、集成和服務， 強調提高多級綜合能源的運行效率、改善居民用能質量，強調能源層面內各級能源及其使用者行為的全面感知和互聯互通。能源形式的發展在智慧能源的發展中占有重要地位，智慧能源對能源系統的要求主要集中在分布式可再生能源協調應用、 多級能源需求響應策略優化、節能降耗推動清潔產業發展、提升能源供應安全水平、公共交通電氣化、應用能源新技術和創新商業模式上。

在智慧能源的調度中， 傳統集中式調度方法在優化過程中需要大量的終端用戶信息， 給通信系統帶來較大壓力， 同時存在用戶隱私暴露的風險。 但是通過泛在感知技術， 就能夠解決這一問題。泛在感知技術通過分布式的設備，選擇分布式優化調度，將各級能源問題分解，并由各能源用戶主體獨立求解，在保證用戶信息安全的前提下，通過交換少量信息進行交互迭代， 達到全局最優的目的[13]。

3.3 泛在感知技術具體應用

①智慧互動服務

通過泛在感知技術， 可以實現多極能源智慧互動的服務，具體包括用戶的用能故障情況分析、用能異常報警、用能問答服務等；可以為多種能源用戶提供相應的解答服務， 包括提供不同時間尺度、不同信息維度的信息查詢服務以及用電、用能建議等。

②自助終端服務

用戶的用能自助終端服務主要包括終端集成、證件讀取、人臉識別、高清拍照、指紋識別等。通過拓寬自助服務終端渠道， 可以提升能源服務質量，實現包括業務受理、用能交費、信息查詢等在內的多種形式的自助服務。例如，通過大數據分析，為EV 用戶提供相應的路徑規劃、充電設施用能情況查詢等。

③用能安全服務

用能安全服務主要是指針對用電、 用熱等能源服務的基本需求，通過泛在感知技術，可以提供基本的電流、電壓、頻率等能源特征的服務。 包括用戶的智能設備的用電異常、用電缺陷、用電危機等， 均可以通過安全服務對用戶進行警告或者通知，使得用戶在多種能源的使用過程中，安全得到不斷地提升和保障。

④能效管理服務

智慧能源多級綜合利用的主要目的是提高各級能源的使用效率， 通過泛在感知技術能夠不斷完善能效服務管理。 用戶可以通過相關的泛在服務終端，查看自己的用能行為。 通過大數據、云端計算、數據挖掘等技術，用能服務平臺能夠分析用戶內部外部的節能潛力， 為用戶多種能源形式的利用提供相應的支撐策略， 例如包括家庭可控負荷、需求響應參與負荷、出行使用EV 負荷等提供多樣化的信息加工服務。通過數據分析，全方位感知用戶的不同時間尺度的用能情況， 為用戶進行評級或者打分，以促進用戶用能習慣的不斷改善，實現用能效率的不斷提升。

⑤價值追蹤服務

智慧能源的多級能源綜合利用能夠提升能源管理者的盈利水平。 區別于以往傳統盈利能力分析和計算，通過泛在感知技術，能夠從根源上獲取各種能源的使用價值。 直接效益不僅僅體現在收入上， 還能夠通過用戶的用能行為反向追蹤得到環境收益、可靠性收益、降損收益等間接效益。 通過泛在物聯網，對不同項目、不同設備、不同功能及其效益進行分析，得到具體的效益歸屬，可以完善能源管理者的管理水平， 提升能源管理者的管理收益。從而在傳統的成本效益分析的基礎上，擴大多級能源使用的環境收益等間接收益， 使得用戶的用能不斷向高效低碳轉型， 也可以讓能源管理者的投資等更有動力。

⑥能源使用情況評估

通過泛在物聯網的泛在感知技術， 能夠實現對能源的生產、消費、技術和體制革命等重要機制的評估。 目前，能源發展形勢是“提高非化石能源發電比重，發展智能電網和分布式電源”[14]。 通過對多級能源綜合使用效果的分析， 從能量流和信息流角度出發， 以多能源協調控制技術和泛在感知技術為主要分析標準， 能夠建立相關的評價指標。 多級能源綜合利用主要包括分布式電源和多級能源協調控制效果， 可以通過相關的評估結果繼續研究其控制的協調性和靈活性， 實現多級能源交互性、實施性、全面性、準確性、可視性等多維度性能的不斷提升。

4 居民智慧能源響應控制分析

4.1 居民智慧能源響應系統

由于居民智慧能源種類眾多， 綜合調控技術的概念也較為寬廣， 本文試從需求響應的角度闡述居民智慧能源調控的可行性。

本文采用IEEE33 節點系統（圖2）對居民智慧能源進行分析， 將分布式光伏單元、EV 群、樓宇空調、BESS 系統以及不可調度負荷等分布于具體節點，考慮居民側為理性經濟人，以成本最低為目標[15]。同時，智慧能源調控側作為各類能源的集合商，目標為收益最大，也即總成本最小。

圖2 IEEE33 節點圖Fig.2 IEEE 33 bus system

本文居民智慧能源的分布如表2 所示。 EV及BESS 的相關參數如表3 所示。

表2 集合商所管理的分布式能源Table 2 Distributed energy resources managed by aggregator

表3 EV 及BESS 的相關參數Table 3 Parameters for EV and BESS

本文參考的基礎電價如圖3 所示。

圖3 基礎電價Fig.3 Day-ahead market price

4.2 居民智慧能源響應控制仿真分析

圖4 系統原始用能情況Fig.4 Original load curve

利用本文所提的模型和約束條件進行多級能源需求響應控制策略優化， 得到優化后的結果如圖5 所示。

圖5 優化后用能情況Fig.5 Optimized load curve

通過對比優化前后的兩種用能情況發現，優化后的總負荷在白天時波動性降低， 夜間負荷有所提高，說明在需求響應過程中，用戶能夠在一定程度上調整自身用能行為。另外，通過優化光伏和風機出力， 從電網注入的能源有所減少， 并且在BESS 充放電策略上也有所變動。

從用戶側角度來說， 多級能源的綜合利用需要相應的優化，以達到最佳的經濟環境效果。本文所提的模型能夠在一定程度上反映智慧能源在需求響應中的調控作用，實現能源的智慧管理。

5 結論

本文從多級能源綜合利用的角度分析了居民智慧能源的控制技術。 首先分析了居民智慧能源的構成，建立了居民能源主體的多種模型，分析了居民智慧能源與源網荷之間的關系； 然后分析了多級能源綜合協調技術，包括運行狀態感知技術、運行態勢分析技術和協調優化技術； 最后重點分析了智慧能源綜合服務平臺的泛在感知技術。 通過具體的算例分析，說明在一定的電價模式下，包括風光儲在內的居民多級能源在不同時刻的響應有所差別，EV 負荷以及BESS 的響應效果最佳，風電和光伏的響應效果一般， 不可調度負荷的響應效果最差。因此，應當重點在響應效果較好的負荷側進行綜合調控。