能源轉型視角下城市能源系統的形態演化及運行調控

賈宏杰，穆云飛，侯 愷，徐憲東，王梓博，余曉丹

（1.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津市 300072；2.天津市智慧能源與信息技術重點實驗室（天津大學），天津市 300072）

0 引言

隨著人類社會文明的發展，城市化進程不斷加速［1］，用能負荷密度不斷提高，城市成為現代社會能源消費最為集中的區域［2］。城市能源系統（urban energy system，UES）是指以柔性可控的各級配電網為核心，通過能源耦合設備與城市燃氣、供熱等多種形式能源網絡靈活互聯而形成的城市綜合能源供給系統。UES向上承接上級電力主網、輸氣網和集中式供熱站的能源輸入，向下承擔各類終端用戶的供能需求，是城市能源供應的核心。通過對UES中多種形式能源的集成優化、協同互補，可有效提升能源的綜合利用效率，促進可再生能源消納，提高能源系統的經濟性、可靠性、環保性等。

在能源轉型背景下，UES能源供應/消費日益多元化（電/氣/冷/熱環節不斷融合［3-4］、能源系統與智慧城市基礎設施深度融合［5］等），清潔化（可再生能源消納、交通運輸電氣化、電能替代等），智能化（信 息 物 理 系 統（cyber-physical system，CPS）融合等）［6］。

推動能源轉型，加速UES低碳化進程，已成為世界各國關注的焦點［7］。如日本橫濱的Smart City項目，通過家庭、建筑、區域的能量管理系統3層聯動，實現大容量可再生能源并網，提升了系統運行經濟性［8］；文獻［3，7］對比分析了UES建模、規劃設計及能耗分析工具的功能和特性，結合案例分析，為相關工具的開發及應用提供了參考；文獻［9］以中國蘇州市為例，提出了基于解釋結構模型及層次分析法的工業型UES綜合評價體系，為UES的轉型發展提供指導。

伴隨著相關技術發展，UES在滿足城市日益增長用能需求的同時，還面臨著能源轉型帶來的諸多挑戰。一方面，為提高能源綜合利用效率、降低污染物排放，UES中各類分布式能源（distributed energy resource，DER）獲得大力推廣，如冷熱電聯供（CCHP）、分布式光伏（PV）、風電（WT）、電轉氣（P2G）、分布式儲能（DES）、電動汽車（EV）等［10-11］。DER理論上可增加UES的調控手段，提高系統運行的靈活性，但也給UES引入更多不確定性（如PV、WT輸出存在隨機性和間歇性，EV充放電過程存在不確定性等），使UES的運行狀況更為復雜［12-13］；同時，由于DER投資運營主體各異，彼此之間往往缺乏有機協調，增加了UES運行調控的難度和復雜性［14］。2019年發生在美國紐約和英國倫敦的大停電事故［15-16］，都表明現代UES的安全性、靈活性和韌性均有待進一步提升。

與此同時，飛速發展的信息與通信技術（information and communications technology，ICT）正改變著人們的生產和生活方式［17］。ICT可為UES提供更多量測信息、運行優化和調控手段，使UES運行狀態的感知更精準、運行成本更低廉、優化手段更多樣、調控方式更靈活［18］。ICT與UES的融合，將構成一個典型的CPS［19］。信息和物理系統之間存在著復雜交互，一個子系統中的擾動，若未能及時調控，則可能在不同能源子系統中傳播，從而引發整個UES的癱瘓［20］。為此，CPS的運行調控，需關注物理和信息系統各類擾動之間的相互影響和故障傳播機理［21］。此外，如何提升UES智能化水平，以適應日益增長的多元化用能需求；如何通過多種能源的互補優化，降低用能成本；如何實現UES與其他基礎設施（如建筑、交通、社區等）的有機銜接，促進城市可持續發展等，都是UES運行調控面臨的挑戰［22］。

為此，本文面向能源轉型視角下的UES，針對未來發展多要素融合后所帶來的運行調控問題，從系統源-網-荷出現的新要素、新特征及其復合影響下的系統形態演變入手，重點闡述UES的分區互聯化演化形態及其對系統運行調控帶來的各類挑戰，并對相關技術問題的研究方向提出了一些見解和觀點，希望能為能源轉型下的UES運行調控理論與技術的發展提供有益的思考和借鑒。

1 UES的形態演化

1.1 UES形態演化驅動力

在能源、環保、信息技術發展以及能源市場不斷變革等因素的共同推動下，UES源-網-荷各側都將發生巨大變化，如表1所示。

表1 UES源-網-荷各側形態演化Table 1 Morphological evolution of each side of source,network and load for UES

在源端，隨著高滲透率DER的接入，UES中的配電網已由單電源輻射狀網絡（自上而下的單向供需關系）逐步轉變為各個產用能節點之間雙端乃至多端電源供電結構［23］。DER接入所帶來的配電網有源性提升［24］將給UES帶來多方面的影響。一方面，DER為UES提供了一定的功率輸出，在故障發生時，對負荷的變化跟蹤將更加靈活，可靠性可得到明顯改善，有助于更加靈活地消納可再生能源；但另一方面，DER出力的強間歇性，也會給UES帶來更多隨機擾動，此時供需平衡、安全穩定運行將面臨新的挑戰［25］。

在荷側，“碳達峰、碳中和”目標的提出給能源系統帶來了變革性挑戰，電能替代成為UES荷側發展的重要形式，電動汽車、空調等柔性負荷接入比例不斷提升，UES源-網-荷耦合互動特性日益凸顯。例如，借助源-荷間協調互動，微網（MG）可在滿足用戶冷/熱/電多種用能需求的同時，提高供能可靠性、降低用能成本［26］；借助ICT，可實現不同微網之間能量的端對端（P2P）交易，此時UES可視為一種分布式發電供能單元（distributed generation and energy supply unit，DGESU），其自組織形式包括微網、自能源網、產消者（prosumer）、能源胞體（CELL）等［27］。同時，柔性負荷具有主動響應能力，從而使用戶參與UES的供需互動成為可能［28］。中國及歐美均開展了負荷虛擬電廠（VPP）的研究與應用，其中國外側重于將虛擬電廠作為一個整體參與電力市場的競標決策，實現虛擬電廠所在區域發電和用電的綜合效益最優；而中國虛擬電廠的研究關注通過虛擬電廠的運行調控支撐傳統能源與可再生能源發電之間的互補協同，最大程度平抑可再生能源電力的隨機性和波動性，提升可再生能源發電消納能力和利用水平［29］。

在網絡側，柔性互聯與多能源網絡耦合已成為UES的重要發展趨勢。國際上正積極開展交直流柔性互聯混合配電網相關研究工作，如歐盟IGREENGrid項 目［30］、IDE4L項 目［31］，英 國Angle-DC項 目 和CLASS項 目［32］，美 國Flexible Interconnect Capacity Solutions（FICS）項 目［33］等。美國弗吉尼亞理工大學電力電子系統研究中心提出了交直流配電分層連接的混合配電網結構，并根據電壓等級將配電網依次分為子網、微網、納網、皮網，各網絡單元之間通過電力電子裝置進行互聯［28］。英國、瑞士及意大利等國合作開展了“Universal and Flexible Power Management”項目，旨在通過混合配電網實現對分布式能源的靈活管理［34］。在配電網中，柔性互聯裝置以電力電子技術為基礎，實現配電網分區柔性互聯和潮流靈活控制，主要包括智能軟開關（soft open point，SOP）、環網潮流控制器等。其中，SOP［35］采用可控的電力電子變換器代替基于斷路器的饋線聯絡開關，實現饋線間常態化的柔性“軟連接”，提供靈活、快速、精準的功率交換控制與潮流優化能力，是一種典型的配電網柔性互聯設備。

基于SOP等可控電力電子變換器如圖1所示，其可在傳統交流配電網的基礎上，根據實際負荷需求建立分區柔性互聯的交直流混合配電網，甚至全直流配電網。引入直流配電網的意義在于可直接接入光伏、電池儲能、空調等大量直流源-荷-儲設備，避免負荷側接入數量龐大的交直流變化設備，有效降低損耗；還可解決三相不平衡問題，并有效隔離交流側擾動和故障。因此，中國也開展了“交直流混合配電系統關鍵技術”和“基于柔性互聯的源-網-荷-儲協同主動配電系統”等方面的研究，旨在實現城市不同供電分區之間的柔性直流互聯和交直流混合環網閉環運行控制，解決高密度可再生能源的接入問題［36-37］。

圖1 基于SOP的柔性互聯技術Fig.1 SOP-based flexible interconnection technology

同時，隨著城市不同區域各類分布式能源站的大規模建設，能源耦合設備如CCHP、P2G等也成為UES的重要多能柔性互聯設備。正常狀態下，該類設備可對城市多能源網絡進行耦合互聯，通過連續調節冷/熱/電出力，靈活控制電/氣/熱潮流，實現UES高效、經濟運行，并且促進可再生能源的高效消納；當系統發生故障時，能源耦合環節可以快速隔離故障，通過多能耦合為不同能源子系統提供能量支撐，進而提高UES的安全性與經濟性。由此可見，以能源耦合設備為核心的分布式能源站將城市配電、配氣、配水、熱力網絡緊密耦合在一起，多能源網絡耦合程度不斷增強。文獻［38］提出了基于能源集線器（EH）的系統形態描述方法，可通過連接多種能源供給方和需求方，優化控制能源耦合環節，獲得不同需求下的能源供給方案。中國相繼開展了一批與綜合能源系統相關的研究項目，例如“以可再生能源為主的冷熱電聯供微網系統關鍵技術研究”和“以電力-天然氣-熱能為核心的微能源網分層優化控制策略研究”等［39］。

1.2 UES分區互聯結構的演化

從以上分析可以看出，UES源-網-荷組成方案和結構特征將隨著相關技術的發展發生顯著變化，不同層面有源性不斷增強。分區自治和柔性互聯將成為未來UES形態的重要發展方向。

傳統UES遵循“由源及荷”的多級輻射式能量流通路徑，源-網-荷各司其職，但由于信息交互不完備，彼此之間缺乏有效互動。而未來UES中，從一次側看，大量DER在不同區域密集接入，各類柔性負荷大量應用，形態各異的DGESU大量形成，系統源-網-荷角色定位變得愈加模糊。如集成了DER的DGESU，在自身用電需求得到滿足且有富余的情況下，可向電網或其他DGESU供電，轉變為系統中的一個源，具備產消者的雙重屬性；柔性互聯設備的應用，可實現不同DGESU之間能量的靈活互動，一定程度上促進了可再生能源的互補互濟與就地消納，分區多能互補將成為UES一種全新的運行模式。從二次側看，隨著“大云物移”等技術的飛速發展，UES可實現信息流與能源流的高效融合，系統全局及各分區DGESU的可觀、可控性不斷增強。

上述因素將導致UES形態從傳統自上而下的供用能結構轉變為由DER、DGESU、微網（群）、能源胞體、交直流混聯網絡等組成的復雜分區互聯結構，各分區具備源-荷-儲功能，擁有自我調控能力，覆蓋范圍小到一個家庭、建筑，大到一個街區、園區，甚至城區。各分區間可通過柔性互聯設備互聯，通過UES二次環節的有效調控，實現分區能源自給、可再生能源消納、分區間能量交易等功能；整個UES也呈現出蜂窩狀分層互聯互濟的發展態勢，形成以可控六邊形饋線網格為基礎的多環自相似結構，從而具備全系統精細端對端能量傳輸控制能力。如圖2所示，分層互濟形態是由一個個DGESU互聯形成的復雜供能網絡，每一個DGESU均包括與終端用戶直接相連的電力、熱力、燃氣網絡，負責供應下轄用戶的基本能源供應。圖中：VSC表示電壓源換流器；DR表示需求響應；ESS表示儲能系統；DG表示分布式發電。而DGESU之間還可以通過柔性開關互聯，實現不同DGESU之間的能量交換和互補支撐，因而該形態下UES將具有很強的運行靈活性。以其中的配電環節為例，可能含有各種DER設備、儲能、各類電力電子變換器等，其動態過程既有離散特征，又有連續特征；既有快動態過程，也有穩態乃至中長期過程，系統復雜性和多態性顯著增加。此外，在DGESU內也存在電力、熱力、燃氣系統的諸多融合，涉及大量機理未明確知曉或狀態不可觀等因素。可以看出，物理動態和信息環節相互交織，系統運行和能量交易過程混雜等因素，使得即使是UES的一個分區，其行為特征和運行機理也異常復雜。

圖2 UES蜂窩狀分層互聯互濟形態Fig.2 Cellular hierarchical interconnected and mutual aid form of UES

1.3 物物融合和信物融合是UES重要特征

物物和信物融合是UES形態演化的重要特征，如圖3所示。

圖3 UES與ICT的融合發展Fig.3 Integrated development of UES and ICT

首先，以不同能源形式深度融合為代表的物物融合，是UES發展的一個顯著趨勢［40］。這一顯著變化將導致UES未來將發展成為一個典型的綜合能源系統。運營主體也將由傳統的電力、燃氣和熱力公司各自獨立、分而治之的模式，逐漸轉變為由綜合能源服務商來為用戶提供集成能源服務。在上述過程中，電力系統由于其自身能量變換快捷、系統調控靈活等優點，必將成為未來UES運行調控的核心環節。

其次，信物融合體現在包括能源系統在內的城市基礎設施與ICT的深度融合，是城市發展的另一顯著趨勢。ICT的引入在提升已有基礎設施運行能力的同時，所需資金相對較少，因此成為現代城市基礎設施改造的首選。在這方面，能源互聯網強調綜合能源系統與ICT的深度融合，以發揮綜合能源系統內在潛力，實現綜合能源系統的類互聯網化運行；而智慧城市更是希望利用ICT對城市基礎設施的功能實現再造，以滿足人類社會對未來城市的各類需求［11，41］。

最后，物物和信物融合，在運行環節將引發UES形態結構的顯著變化。僅從物理層面考慮UES（可稱為一次環節），其連接方式和形態結構在短期內必然難以發生根本性的變化。這源于UES一次環節由各類物理介質和設備組成，如SOP、統一潮流控制器（UPFC）、電力彈簧、CCHP等，建設涉及大量資金投入，除非出現重大技術革命，否則UES一次環節的形態結構演變必將非常緩慢。與一次環節相比，二次環節資金投入占比較小，卻能對整個UES效能的提升起到決定性作用。如裝備了各類遠程終端單元（RTU）、饋線終端單元（FTU）、配電終端單元（DTU）、保護設備與監控設備后，城市電網已成為當今社會一個高度自動化的電力運行系統。類似于城市電網的這種ICT與物理設備深度融合的情況，在UES中隨時都在發生。由此可知，UES一次環節中的電/氣/冷/熱能源網絡主體架構可能近期不會發生根本性變化，但可以在一些關鍵耦合點增加CCHP、SOP等設備，利用二次環節對其實施優化調控。例如，利用各個節點之間SOP的平滑柔性操控能力，可以實現能源系統拓撲和連接方式的動態調整；進一步，結合CCHP的多能耦合與柔性調節能力，可以實現系統拓撲優化、效能提升、分區自治、虛擬存儲、故障隔離、快速恢復等功能，大大增加UES的運行靈活性。

2 新形態下UES運行調控的挑戰

物物融合和信物融合下的新形態UES，在運行調控方面將面臨諸多挑戰。

挑戰1：UES中源-網-荷-儲角色定位將發生動態變化，彼此間界線日漸模糊，亟待適用的分析方法來揭示這種變化對整個UES運行調控的影響。

1）缺乏科學描述UES源-網-荷-儲角色定位變化的分析手段。隨著二次環節的介入和優化，整個UES的運行機制會有很大變化，導致其中源-網-荷-儲的角色定位將發生顯著變化，彼此界線日漸模糊。如圖4所示，未來UES中的DGESU兼具了能源供應、能源消費乃至能源存儲服務等多重功能，角色定位更為復雜。在運行階段，不同的DGESU可借助ICT和關鍵調控設備進行在線的動態優化調控以達到更好運行效果。所有這些變化均需科學的分析模型和分析手段，以揭示DGESU內部、DGESU與DGESU之間、DGESU與UES的 復雜耦合特性和運行規律。

圖4 包含DGESU的UESFig.4 UES with DGESU

2）缺乏刻畫UES一、二次融合運行調控特性的量化分析手段。以往UES的電力、燃氣、熱力及其輔助二次部分，均分別由各自所屬公司進行投資建設和運行維護，進而發展起相應的分析方法和調控手段。分析過程中內部不存在數據隱私保護等問題。在未來UES中，很多DGESU的內部數據和運行信息往往需要保密，這為系統分析計算和運行優化帶來了新的問題，目前尚不具備相應的量化分析手段。

3）缺乏對UES互補調控能力的科學分析手段。UES借助ICT可提高各環節的運行調控能力，實現多能互補和虛擬儲能［42］，為UES提供輔助服務。盡管目前相關研究已有很多，但仍存在諸多問題亟待突破，例如：如何描述包含隨機因素的調控單元（如DGESU）的可信調控能力；如何描述具有多元耦合特征調控手段的多端調控能力；如何形成通用模型和分析方法，科學描述一個多能互補設備以及虛擬儲能單元內部特性；如何對不同種類的儲能進行有機協調。

挑戰2：UES在運行結構方面的變化亟需適用的狀態估計、態勢感知、趨勢預測和故障預警分析方法。

ICT的廣泛介入使未來UES量測能力大大加強，系統可以充分利用量測冗余，更準確地分析系統的運行狀態。目前，不完備量測狀態下難以完成的UES狀態估計、態勢感知和狀態預警有了實現的可能性。與此同時，ICT等新技術的介入也給UES的運行帶來了新的挑戰。

1）缺少成熟可靠的狀態估計方法。目前學術界對于UES狀態估計的相關技術已經取得了初步的研究成果，如文獻［43］在傳統加權最小二乘的基礎上，分別研究了電-熱互聯與電-氣互聯綜合能源系統的狀態估計。文獻［44］進一步研究了綜合能源系統的抗差狀態估計問題。文獻［45］提出了針對多能源系統的多時間尺度狀態估計思路和框架。文獻［44］在此基礎上給出了電-氣綜合能源系統多時間斷面的狀態估計方法，為UES動態狀態估計奠定了基礎。但由于UES網絡拓撲結構復雜，測量裝置安裝數量多、種類雜，量測數據龐大且數據質量參差不齊，如何篩選合適的測量變量，實現系統狀態的準確估計，目前仍缺乏有效方法。

2）缺少適用于UES分析的態勢感知方法。隨著UES的發展，其在運行過程中面臨的不確定性因素日漸增多，包括大量電動汽車充放電導致電能消費隨時間和空間同時變化，大量DER的調控能力引入以及DGESU之間未來可能引入P2P交易行為導致的系統運行數據難以準確獲取的情況，均會為UES的態勢感知引入更多不確定性因素。此外，信息系統的高度集成，一方面為態勢感知提供了數據基礎，另一方面也對態勢感知算法提出了全新的挑戰。

3）缺少適用于UES的狀態預警方法。大量能源耦合設備的引入，使得UES的產能、用能、儲能、能量傳輸和能量轉換等環節都發生了很大變化，電網中的任何波動與故障極易擴展到其他系統；而其他相關系統的擾動也可通過這些耦合環節影響電力系統。異構式通信手段的使用導致UES需耐受時延特性不同導致的數據同步難問題；在能源環節，需考慮大量多時標、多耦合、強隨機、非線性等復雜因素。在進行UES狀態預警時，要統籌考慮各種不確定因素，兼顧系統穩態運行狀態優化和故障預警調控的雙重需求，相關研究的難度更大。

挑戰3：為提高UES的運行安全性與靈活性，亟需適用于UES關鍵耦合環節的調控分析手段。

1）缺少面向多運行場景的UES柔性互聯調控技術。未來的UES中，大量DGESU可通過SOP、UPFC、電力彈簧、CCHP等柔性裝備實現互聯，并利用二次協同調控技術實現能量的交易和有效調節。然而，SOP、UPFC和電力彈簧等作為新興的調控手段，其適用的硬件拓撲結構、不同場景下的運行模式、不同控制目標下的控制策略等還需要進一步研究，以滿足UES在不同運行場景下的調控需要。此外，隨著大量基于電力電子技術的柔性裝置在UES中接入的比例增加，如何實現電力電子快動態與UES多尺度動態的有機融合，是SOP等柔性電力電子裝置接入系統后UES運行控制必須解決的關鍵問題之一。這里包括2個方面，一是如何利用電力電子裝置的快動態調節其他能源系統的動態特性，如利用變頻泵調節熱網水流流速實現熱功率交換的調控；二是如何利用其他能源系統大慣性，幫助解決電力電子化電力系統帶來的低慣性問題，如利用熱網和電鍋爐消納風電，平抑可再生能源給電網帶來的波動。與其對應的多尺度連續-離散混雜動態系統在多能源耦合網絡約束下的最優控制則是解決這一問題的核心技術。

2）缺少與UES形態演進相適應的分布式控制架構及方法。目前，UES運行控制的實現主要采用集中調控方式，在采集整個系統數據的基礎上進行全局優化運行。對未來UES而言，這種模式存在重大缺陷：其一，在時間上很難滿足未來UES運行調控的快速性要求；其二，在信息物理深度融合場景下，集中調控主節點一旦喪失，極易引發大范圍故障；其三，海量DGESU用戶的用能行為屬于個人隱私，出于保護隱私的需要，無法提供集中調控所需詳盡信息，使之難以在未來應用；其四，DGESU之間進行能源交互需要科學合理的市場政策作為基礎，實現多方互利是促進用戶間互動的基本動力。

挑戰4：在日益復雜的運行場景下，亟待適用于UES的靈活性和韌性提升理論與方法。

UES的韌性是指系統在遭受極端災害的情況下，維持系統供能并快速恢復到正常狀態的能力。近年來，臺風、地震、冰災等極端災害屢屢發生，造成了多次大范圍的停電、停氣、停熱等事故。在規劃階段對UES的韌性進行評估，并根據評估結果進行有針對性的升級改造，可以有效提高UES的抗災能力，保障極端災害下用戶的供能安全。然而，盡管韌性已經成為國內外關注的熱點［46］，相關研究仍然面臨較多挑戰。

1）缺少兼顧UES靈活性和韌性提升需求的設備級協調控制策略。未來UES源-網-荷環節將出現大量具備調控能力的單元設備，而這些設備彼此之間往往缺乏協調，在正常運行階段可能會導致系統運行性能和調控能力的下降；而在故障場景下，它們各自為營，極易引發系統重大事故。針對這一問題，文獻［47］建立了以韌性最大化為目標的配電網供電恢復模型，實現了對配電網內部關鍵負荷的快速恢復。文獻［48］將配電網預先劃分為若干分區子系統，一旦災害發生，配電網可迅速將被破壞的分區切除，保證其他分區關鍵負荷的正常供電并限制停電范圍。文獻［49］提出了一種主動操作策略，可在發生極端災害時增強系統韌性以進行防御。文獻［50］指出，綜合韌性響應與獨立的預防響應和應急響應相比，具有效果更好的提升作用。然而，現有研究仍然主要集中在電力系統韌性提升，相關方法和策略日趨完善，但尚未形成以UES為對象的完善的韌性提升策略體系，相關研究仍待進行。

2）缺少考慮多要素、多場景、多目標協調的UES靈活性和韌性提升方法。UES中不同能源控制手段的調節精度、響應速度等動態性能各有不同，物理特性差異巨大，需要準確描述多能源控制手段的各自特性及其互動特征，并從系統層面對其進行有機協調，以實現各自調控手段的統籌協調。綜合能源的多時間尺度特征使其供電恢復問題從單一時間斷面擴展為時序動態過程，又進一步與信息系統相互影響，其混雜特征及新的運行場景給UES的高靈活性和高韌性運行帶來困難。針對上述問題，文獻［51］提出了一種利用儲能系統提高綜合能源微網系統抗災能力的方法。文獻［52］從電力系統和燃氣系統協調規劃的角度，提出了利用抗颶風能力較強的燃氣地埋管道提升電網韌性的方法。文獻［53］綜合分析了颶風對相互依賴的電力和燃氣系統的影響。文獻［54］利用電-熱-氣一體化建模評估了燃氣供應側沖擊對綜合能源系統整體韌性的影響。文獻［55］提出了一種電力-燃氣綜合能源傳輸網絡的3階段魯棒優化模型，可有效提升綜合能源系統的整體韌性。然而，現有方法主要討論單次極端災害對UES韌性的影響，缺乏評估多種潛在極端災害綜合影響下UES維持用戶供能的能力。此外，現有韌性評估方法多數沿用傳統可靠性評估方法，效率低下，無法做到對種類眾多、參數變化復雜的極端災害進行全面的韌性分析。

3 UES運行調控關鍵技術

面對上述挑戰，需要在現有電網運行調控技術的基礎上，以能源與信息環節的有機協調為技術手段，形成有效的UES運行優化和協調調控理論、方法和技術，全面提升UES運行的安全性、經濟性、靈活性和韌性。如圖5所示，本文將從互補潛力分析、運行態勢感知、柔性互聯控制、可靠性評估與韌性提升4個方面對UES運行調控關鍵技術展開討論。其中，互補潛力分析可為其他關鍵技術提供靈活性資源的量化分析結果，在此基礎上通過運行態勢感知發現UES潛在的安全威脅，并通過柔性互聯控制實現UES高效安全運行，最終實現UES可靠性與韌性的有效提升。

圖5 UES運行調控關鍵技術架構Fig.5 Architecture of key technologies for UES operation and regulation

3.1 分區多能源互補潛力分析技術

未來UES的分區結構深刻影響著運行過程中多能環節的互補耦合特性，主要體現在3個方面：首先，分區內部往往存在電/氣/冷/熱等多種耦合環節，需要掌握不同能源在分區內的時空耦合特性，以便更好地加以協調，從而降低用戶用能成本；其次，各分區之間在不同時空尺度的互補耦合特征下，可能存在正向或反向的交互影響，通過優化協調可實現系統不同時間尺度上的分層能量供需平衡，以及空間尺度上的分區能量互濟；此外，整個UES需要對彼此之間存在復雜交互影響的各類分區進行有機協調，以便保證整個能源系統的優化運行。

當前研究一方面集中于能源系統網絡層面，如將電力網絡與燃氣網絡進行有機協調，以增強整個系統的運行靈活性［56］。而在系統終端層面，從研究對象角度劃分：①多能源互補的角度，主要關注多能源網絡之間的相互影響機制［57］；②社區及微網能源系統互補的角度，主要關注社區級的綜合能源系統，研究內容涵蓋了這一層級系統的靜態耦合特性分析［58］，以及用戶側的分布式能源、負荷需求響應、復合儲能、CCHP、電動汽車之間互補特性分析；③設備層面的多能源互補角度，主要關注某類具體設備運 行 互 補 能 力，如CCHP設 備［59］、復 合 儲 能 設 備等［60］。綜上所述，UES涉及特性各異的不同能源環節，多時空尺度互補潛力存在明顯差異性。從UES源-網-荷-儲全環節、多時空尺度互補角度來看，其互補潛力目前依然未得到充分掌握，加之未來UES所形成的多能源分區互補關系，還有進一步挖掘的空間，且目前研究在量化互補特性時缺乏多場景下的適用性指標。

綜上，為實現UES多能互補優化，需突破UES能量時空互補特性的量化分析關鍵技術，并建立精確模型，具體包括：①需要結合不同能源業務需求，從核心參數、互補能力、響應速度和響應時間尺度等角度，構建多能源分區互補特性量化指標體系（如可調控互補容量/持續響應時間等）；②需要掌握各分區內單體或集群能源設備互補能力的有效分析手段，以便通過分區內源-網-荷-儲的自組織優化，呈現出對外可靠的互補響應潛力；③需要實現不同分區之間多種能源系統耦合后的整體互補調節潛力分析，并從整個系統角度考慮跨空間區域的能流互補特性分析。

3.2 狀態估計與運行態勢感知技術

隨著DER、電動汽車、能源耦合轉化等技術的大量應用，UES面臨著更為復雜多樣的不確定因素，此外，多種特征迥異的能源系統深度耦合使得UES的狀態估計所需數據量大大增加，導致現有配電系統狀態估計和態勢感知方法不再適用。同時，ICT的深度介入雖然為UES的狀態估計提供了更加全面的數據采集和通信支持，但市場化機制下不同供能分區（如DGESU）的利益主體，出于自身利益考慮和保護隱私的需要，很難做到信息的完全共享。因此，在有限信息條件下，如何進行UES的狀態估計和態勢感知是一項極具挑戰性的工作。

在狀態估計方面，文獻［61］利用高級量測體系（AMI）實時量測數據，將配電網進行節點分層以及解耦，實現狀態估計的分層以及并行計算，提高了狀態估計的計算效率。文獻［62］將電力系統按照關鍵輸電線路劃分為若干子區域，利用上級調度中心對關鍵輸電線路的狀態估計結果，進一步在區、縣調度中心實現子區域狀態估計。然而，目前系統狀態估計實現方式仍是在給定的網絡接線、支路參數和量測信息條件下，依據量測值求解最優狀態估計值，尚未充分考慮未來UES用戶信息可能不完整、不完備場景下的實際情況。在運行態勢感知方面，現有研究多集中于城市配電網的相關研究，文獻［63］依據智能電網在廣域監控、信息交互和安全防控等方面的國際標準，提出了廣域態勢感知系統的架構及其評估控制系統，包括安全穩定性評估、頻率控制、電壓控制及過負荷控制等功能。文獻［64］應用情景分析理論對影響配電網運行風險的因素進行風險情景界定，建立了完整的未來情景集。并運用電網風險評估理論建立了一套全面的風險指標來進行配電網運行情景風險表達。但是，計算各類風險指標所需的基礎數據需要根據大量歷史運行數據統計，實用性不強，且所設置的情景集過于簡單，不能反映配電網運行的復雜多變性。

為解決上述問題，需結合UES的實際特征，從以下幾個方面實現狀態估計與運行態勢感知關鍵技術突破：①需要考慮網絡中信息系統與物理系統時空異構性和網絡中量測數據缺失等問題，在不損失能源系統原始數據主要信息的前提下，建立可表征信息-物理融合特性的全系統狀態估計方法；②需要分析不同能源系統的差異化時間尺度，明確UES態勢感知的統一時間框架及斷面間隔，進而確定態勢感知所需數據的范圍、精度、時效性、顆粒度需求；③需要考慮可再生能源出力波動、多能負荷時空相關性、柔性負荷調控能力變化、多種能源耦合互動等不確定因素，研究數據驅動的UES態勢理解技術，將系統態勢變化關鍵特征信息與全系統狀態模型有機整合，高效準確地理解系統的運行態勢并進行降維呈現。

3.3 柔性互聯與分布式控制技術

分區自治和柔性互聯將成為未來UES的形態演變趨勢，其核心在于靈活可控的柔性互聯裝備，具體包括2種。一種是以SOP為代表的電力電子柔性互聯裝置，根據應用場景不同，可采用雙有源橋（DAB）、模塊化多電平換流器（MMC）等不同的電力電子模式，構成雙端、多端等不同拓撲結構。文獻［65］面向配電網實際需求展望了智能配電網柔性互聯技術，并對柔性互聯網技術理念、特征與優勢進行詳細闡述；文獻［66］對SOP運行原理、運行邊界進行了分析，提出了正常運行狀態/故障發生狀態下SOP的運行控制策略；文獻［67］提出一種適用于基于有限控制集模型預測控制的三端柔性多狀態開關的協同控制策略。另一種是以CCHP為代表的多能耦合柔性互聯裝置，借助于ICT，多能耦合設備不僅可以實現多能網絡耦合互聯，還可以通過信息流精準調控能量流，實現多種能量耦合形式。文獻［68］對多能耦合設備進行了詳細的數學建模，并對燃氣輪機的運行特性進行了仿真研究；文獻［69］基于通用能流母線結構對多能耦合微網進行優化調度，通過控制耦合設備實現多能優化運行。但相比于獨立控制的能源系統，柔性互聯的分區UES運行控制十分復雜，不僅需要考慮柔性互聯環節自身的運行控制策略，還需要根據UES的運行需求，提供能量耦合模式、端口功率精確調控、快速供能恢復等服務功能。在未來UES中，一方面，電/氣/冷/熱能源網絡不斷融合，系統運行場景、運行約束日益增多，柔性調控設備的運行控制策略需要適用這種新的運行需求；另一方面，UES運行過程中的各種隨機不確定性因素日漸增多，對柔性調控設備的運行調控策略的適應性、快速性等也提出更高要求。考慮多運行場景、多調控需求、多隨機因素，適應未來UES分區結構運行需求的柔性調控策略尚不具備，還需要加以深入研究。

在分布式控制方面，靈活的柔性互聯技術使UES具備分區運行能力，因而具有快速應變能力和更為智能的分布式控制架構，將成為未來UES的必然選擇。該控制框架需要充分利用系統內部各區域的就地信息以及信息交互能力，將分布式計算的思想融入整個控制架構中，使各個局部的能源系統控制器具備更強的智能化自主決策能力，并通過有限通信來實現多能源系統協同，保證系統控制策略實現的快速性和可靠性。文獻［70］利用多代理技術執行調度、協調和市場清算等功能，證明其在微電網分布式能量管理中的有效性。文獻［71］利用平均一致性定理挖掘全局信息，提出了具有自適應性的分布式負荷供電恢復算法。但在控制策略實現方面，目前的研究多采用基于全局信息的集中式控制方法，缺少能夠滿足運行策略實現快速性要求的分布式智能化控制體系架構的研究，諸多技術細節需進一步探索。另外，隨著能源市場逐步放開，需求響應業務大規模實施，能源市場中將會出現更多的交易實體，大量出現的DGESU致使未來能源服務發生極大變化，如何實現低成本、大規模參與用戶交互成為當前研究的關注點［72］。同時，出于保護隱私的需要，DGESU往往無法提供集中調控所需詳盡信息，使集中式控制方式難以應用。分布式賬本技術（distributed ledger technology，DLT）是區塊鏈技術的記賬方式，不僅可以解決自動需求響應業務中的記假賬、記錯賬問題，還可以建立一套完整的可追溯交易體系，為每一筆參與交易資金的結算進行監管。文獻［73］指出，DLT的去中心化、透明性、公平性以及公開性使其在能源互聯網中具有廣泛的應用潛力。文獻［74］為解決集中式控制存在的效率問題，提出了去中心化的配電網運行模式和方法，建立了分布式控制的配電網交易機制和模型。

綜上，未來UES分區運行模式亟需柔性互聯與分布式控制關鍵技術的支撐，為此應從以下幾方面開展關鍵技術研究：①以低電磁干擾（EMI）、低損耗、高可靠性、低噪音和體積小為目標，采用DAB、MMC等不同的電力電子實現形式，形成柔性互聯設備雙端、多端等不同拓撲結構，以適應UES多區域廣泛柔性互聯的應用需求；②以減小綜合線損、系統電壓偏差和均衡饋線負載為目標，考慮配電柔性互聯設備與分布式電源、儲能、聯絡開關等多種手段協調配合，建立含柔性互聯設備的UES定制化運行調控模型，并在此基礎上建立面向故障狀態的供電模式快速切換技術，為失電區域提供電壓支撐，實現UES對重要負荷的快速恢復供電；③針對UES的多能耦合協調運行，建立基于多能耦合柔性互聯設備的優化調控模型，考慮多能動態過程的相互影響，實現UES在安全約束下的高效運行；④基于UES分區特征，引入區塊鏈、分布式賬本等去中心化技術，建立端對端式交互規則，形成UES分布式控制新模式，明確描述各分區能源系統的控制責任，并完善相應的市場機制，實現分區間能源互濟。

3.4 可靠性評估與韌性提升技術

隨著UES中多能耦合程度不斷加深，用戶端需求更加多樣，對系統可靠性、韌性提出了越來越高的要求。UES可靠性評估重點在于如何模擬電/氣/冷/熱能源系統運行特性以及彼此間的耦合和相互影響。故障狀態下，單一能源系統事故將可能通過耦合元件傳播至其他能源系統。此外，不同能源系統也可能在事故狀態下相互提供多能耦合支撐。文獻［75］利用能源集線器模型，研究了多能源耦合環節對系統可靠性的影響，發現合理的能源集線器運行模式有助于實現不同能源系統的相互支撐，有利于提高系統整體可靠性。文獻［76］提出了一種基于智能代理通信的綜合能源可靠性評估方法，并利用該方法對各子系統之間的相互影響進行了量化分析，結果顯示各子能源系統之間的能量轉換能顯著影響系統整體可靠性。但目前研究尚局限于多能源耦合環節或小規模測試系統的可靠性評估，缺乏適應實際UES特點的高效、準確的可靠性評估方法，且現有UES可靠性評估方法效率和精度仍有待提高。

在復雜場景下，UES還需要具備強大的韌性以應對來自系統內外的各類擾動［77］，韌性一方面指系統對故障的感知與防御能力，另一方面則強調系統在面對故障時主動適應運行狀態變化并迅速恢復失電負荷的能力［78］。當前，負荷供電快速恢復和分布式能源孤島運行是提升UES韌性的核心手段。文獻［79］采用網絡重構改變拓撲結構進行供電恢復，并通過魯棒優化保證分布式電源和負荷出力波動時供電恢復策略的有效性。但是，供電恢復問題與復雜運行問題深度耦合，需進行多時空尺度手段配合、多目標混雜的時序演進優化。因此，在故障發生后，需要有效發揮多能源調節手段的多尺度與多目標運行控制能力，黏合和溝通系統中的多能源可控資源，實現故障狀態下UES的快速供電恢復。文獻［80］考慮了聯絡開關在孤島劃分問題中的影響，用貪心算法求解樹上背包問題的孤島劃分模型；文獻［81］根據孤島區域的不同運行狀況，將圖論的概念與數學規劃方法相結合，提出基于有向圖模型的孤島劃分策略。然而，由于UES中光伏、風機等分布式能源的出力具有很強的隨機性，不考慮上述因素時負荷恢復水平往往較低，需要系統孤島運行策略具有應對不確定性的能力。且僅以某一時間斷面負荷恢復量最大作為孤島運行的目標，難以保證在系統恢復正常運行前對重要負荷進行持續供電，應充分考慮重要負荷持續運行時間對孤島運行策略的影響。

基于上述需求，需要從以下幾方面實現UES可靠性評估與韌性提升關鍵技術突破：①針對多能耦合下UES故障傳播機理和特征，研究適合于UES形態特征的可靠性評估技術，進一步提升現有可靠性評估方法的適應性和效率；②挖掘故障情況下多能源互動調節手段的支撐潛力，建立基于多能源調節手段協調配合的快速供電恢復技術，為失電區域提供電壓支撐和功率支持，實現失電區域的高比例恢復供電；③建立以柔性互聯設備為核心、多時空多能源手段相協調的緊急孤島運行模式，并考慮能源孤島中光伏、風機等分布式能源出力的隨機性與波動性，研究多能源系統孤島安全運行策略。

4 結語

伴隨著能源轉型的步伐，物物融合和信物融合下的分區互聯結構將是未來UES的重要形態特征之一。多要素融合帶來的不確定性因素給UES的運行調控帶來重大挑戰。傳統運行調控手段一方面難以充分挖掘UES的大量靈活性資源來實現不同能源及信息環節的互補協同；同時無法有效應對大量復雜隨機性所帶來的系統運行風險，難以適應未來UES的發展需求，成為亟待解決的關鍵問題。

本文面向能源轉型視角下UES的形態演化及運行調控問題，從UES形態演化驅動力入手，闡述了信息物理融合的UES分區互聯化形態特征，剖析了新形態下UES運行調控面臨的挑戰，進而對UES互補潛力分析、運行態勢感知、柔性互聯控制、可靠性評估與韌性提升4項運行調控關鍵技術展開討論與展望，希望能夠為能源轉型下UES運行調控技術的研究應用提供思路和借鑒。