多能流能量管理研究:挑战与展望
DOI:10.7500/AEPS20160522006
孙宏斌,潘昭光,郭庆来
近年来，能源互联网和综合能源系统已成为新的研究热点和前沿，而多能流耦合是其区别于智能电网的关键特征之一。传统面向电网的能量管理系统（EnergyManagementSystem,EMS）已较成熟，在保障电网安全和高效运行方面发挥了核心作用，被公认为电网运行的“神经中枢和大脑”。而多能流系统显然更为复杂，为了保证多能流系统的安全高效运行，实现提高综合能效和可再生能源消纳的目标，亟需发展面向多能流的能量管理系统。
一技术挑战
与传统智能电网的能量管理相比，多能流能量管理面临新的技术挑战，主要体现在以下三个方面：
1）多能流耦合
多能流系统最基本的特点就是由多类异质能流系统耦合（图1）形成复杂的大系统，各系统模型各异，特性差异大，有不同的建模、分析和控制方法。随着耦合的不断增强，耦合带来的系统特性变化越来越明显和复杂，传统单能流系统的方法已无法直接应用。因此需要深入研究多能流耦合下的建模、分析、优化和控制方法，发挥多能流协同的作用，避免耦合带来的不利影响。
图1多能流耦合示意图
2）多时间尺度
不同能流系统在时间尺度上具有显著不同的动态过程（图2），电力系统的惯性最小，调节速度快；天然气系统次之；热力等系统再次之。这使得不同能流间的相互作用变得复杂，这是传统单能流系统中没有的特点。需要深入研究不同能流间相互作用的时间尺度关系，进而提出时间尺度配合最佳的能量管理方法，提高供能安全性评估的科学性，同时挖掘综合能量管理的效益潜力。
图2多时间尺度示意图
3）多管理主体
未来能源系统中仍会存在多个管理主体分别管理不同层级、不同类型、不同环节的能源和设备（图3），从而存在信息隐私、操作权限和目标差异等问题。因此需要深入研究分布式的能量管理方法，在信息分布的情况下，通过交换必要的边界信息，实现多能流的自律-协同控制，满足全局安全和高效的目标。
图3多管理主体示意图
二国内外研究现状
虽然近几年国内外在多能流领域做了不少研究，但与电网能量管理问题不同，多能流能量管理问题尚未形成研究体系，主要还是在某些方面做了部分理论研究，尚未形成EMS的整个架构，EMS的不少基本概念和方法在多能流系统中尚处于空白，研究空间很大。
1）建模和计算方面
单能流系统和单设备的建模已经比较成熟，未考虑网络具体特性约束的模型已得到大量应用，多能流网络的联合建模取得初步成果，但在具体应用问题中有待改进，如多能流的高效求解、仿真。
2）状态估计方面
电网状态估计的研究已经比较成熟，而热网、天然气网络的状态估计研究还比较初步，多能流状态估计基本处于空白状态。
3）安全分析与安全控制方面
在电力系统领域比较成熟，而在供热/冷和天然气网络方面相对薄弱，已有研究关注不同系统间的相互影响和最优能流，但适用于在线运行的系统性的多能流安全分析和安全控制的概念和方法还比较初步，有待深入研究。
4）优化调度方面
多能流优化调度的研究相对比较丰富，部分研究考虑了不同能流系统的网络约束和动态过程，但还比较初步，尚未充分考虑多时间尺度特性和多管理主体对优化调度方法的影响。
5）能量管理系统架构方面
电网的集中式EMS已经很成熟，分布式EMS正在发展中，而供热/冷系统和天然气系统的EMS还不够完善，缺乏适应多能流特点的EMS功能架构设计，尚无成熟的多能流EMS问世。
三研究展望
针对多能流能量管理的“多能流耦合、多时间尺度和多管理主体”三方面挑战，需要将传统电网能量管理问题拓展到包含电力、天然气和冷热等多能流系统的综合能量管理问题，包括以下几个方面：
1）多能流实时建模与状态估计
建立多能流耦合的综合量测方程和多能流耦合的综合状态估计模型；应对多能流量测类型、数值、精度和时间尺度的差异，提出多能流耦合的可观测性分析、数值求解、坏数据辨识、抗差状态估计、动态状态估计等方法；由于多主体管理不同能流和不同供能区域的实际需求，需要研究分布式状态估计算法。
2）多能流多时间尺度安全分析和安全控制
研究多能流预想事故集的定义和建模方法、不同能流之间的耦合及其相互作用机理；针对多时间尺度特征，研究不同能流安全性指标随时间变化的规律及其事故严重性评估指标，并提高多能协同分析的效率；在此基础上，研究多能流的预防控制、校正控制、紧急控制和恢复控制方法，发挥不同能流网络相互支撑的作用；研究分布式方法。
3）多能流混合时间尺度优化调度
研究不同能流响应特性在时间尺度上的差异性，分析多能流系统的多动态变化过程、特征及其对调度指令的响应行为；研究不同能流的互补性和灵活性，及其消纳可再生能源的潜力；提出多能流调度中不同能流的差异化优化周期的确定方法，建立基于混合时间尺度的多能流优化调度模型；研究分布式方法。
4）多能流EMS设计、开发和验证
在功能架构上，多能流EMS需要包括上述核心模块（图4）；在分布式架构上，形成多能流EMS家族（图5），适应多主体管理的自律协同需求。在此基础上研发EMS系统，并利用大数据、云计算、物联网和移动互联网等互联网新技术，拓展多能流EMS的应用场景，让智慧无处不在。搭建多能流系统数字仿真平台，对EMS功能和性能进行仿真验证，并在实际多能流系统中进行现场验证。
图4 多能流EMS功能架构
图5多能流EMS家族
作者及团队介绍
孙宏斌，博士，清华大学电机系教授，博士生导师，长江学者特聘教授，杰出青年基金获得者，国家级教学名师，IETFellow。能源互联网香山科学会议发起人和执行主席，IEEETransonSmartGrid杂志编委和编辑，主要从事能源互联网、智能电网、自动电压控制、电力系统信息论等领域的研究。
潘昭光，清华大学电机系在读博士生，主要研究方向：综合能源系统能量管理，需求侧响应。
郭庆来，清华大学电机系副教授，博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者。茅以升北京青年科技奖获得者。IEEESeniorMember，IEEE智能电网电压控制工作组副主席，IEEE大数据与电压稳定工作组委员，CIGRE电压控制工作组委员、秘书。国际期刊IETRenewablePowerGeneration编委，能源局能源互联网行动计划预研课题负责人。主要从事能量管理技术、电压稳定与电压控制、信息物理系统（CPS）、电动汽车等领域的研究。
清华大学电机系智能电网能量管理团队由张伯明教授、孙宏斌教授、吴文传教授、郭庆来副教授组成，还拥有博士后2人、研究生20余人。主要从事电力系统能量管理技术、无功电压控制、新能源并网和能源互联网等领域的研究工作。曾获国家级科技奖励2次，入选中国高校十大科技进步奖1次。近5年团队发表或录用SCI论文60余篇，其中近40篇发表在IEEETransactions等高水平期刊。研发的能量管理系统软件、自动电压控制软件等在国内二十余个网省应用，并推广到PJM等海外电网。
团队在清华大学能源互联网创新研究院成立了能量管理与调控研究中心，在多能流能量管理领域已有深入的研究和丰富的成果，在多能流建模、求解、状态估计、安全分析、优化调度等方面已发表10余篇学术论文，申请的《多能流能量管理的基础研究》获得自然科学基金重点项目资助，参与国家科技支撑课题《消纳风电的热-电联合优化规划及运行控制技术》、国家电网公司科学技术项目《基于分布式低碳能源站的多空间尺度能源互联互济关键技术研究与应用》，正在承担多家工商业园区的能源互联网规划和运行项目。
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原标题：【观点】清华大学 孙宏斌等：面向能源互联网的多能流能量管理：挑战与展望
