“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(luò)的最優(yōu)控制問題草巡，即通過多能互補臭膊、源網(wǎng)荷協(xié)同實現(xiàn)安全供能前提下的效益最大化。”

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”铝穷，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”搭独。但是婴削，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(yīng)該怎么去做牙肝。國家能源局唉俗、科技部有很多支持項目，資金投入量很大配椭，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))示范項目虫溜。

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股缸，這是在能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目的實施中衡楞，專家們都很關(guān)心的一個焦點問題。這實現(xiàn)起來并不容易敦姻，從技術(shù)層面來看瘾境，這個焦點問題可歸結(jié)為復(fù)雜的多能流網(wǎng)絡(luò)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镰惦，效益=收入-費用迷守，約束前提是安全供能。這里的收入包括了售能娩伴、售服務(wù)脯纽，費用有購能、購服務(wù)等厘举。優(yōu)化的手段分布在冷阳框、熱、氣屋赌、電旦氓、水、交通瓜坎，源汛刻、網(wǎng)、荷瞪歹、儲等各個環(huán)節(jié)瘾色。約束條件包括供需平衡、運行的物理范圍蛇热，以及供能安全等梗爸。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)讹蘑，簡稱IEMS末盔。

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)座慰。EMS是在電網(wǎng)調(diào)度控制中心應(yīng)用的在線分析陨舱、優(yōu)化和控制的計算機決策系統(tǒng)翠拣，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)的智慧的核心游盲。我們課題組研究EMS已有30多年误墓。首先回顧一下EMS的歷史。

第一代EMS出現(xiàn)在1969年以前益缎，叫做初期EMS谜慌。這種EMS僅包含SCADA供能，只是把數(shù)據(jù)采集起來链峭，沒有實時網(wǎng)絡(luò)分析畦娄、優(yōu)化、協(xié)同控制弊仪，網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化主要靠離線計算熙卡，屬于經(jīng)驗型調(diào)度。現(xiàn)在的園區(qū)管理冠八，絕對不能停留在經(jīng)驗型調(diào)度的水平上选曼，而是需要精益化的管理，提高核心競爭力串题。

第二代EMS出現(xiàn)在20世紀70年代初到21世紀初失傍，叫做傳統(tǒng)EMS。這一代EMS的奠基者是Dy-Liacco博士宽舱，他提出了電力系統(tǒng)安全控制的基本模式民沈，發(fā)展了實時網(wǎng)絡(luò)分析、優(yōu)化荸脂、協(xié)同控制浸速，所以在上個世紀70年代，EMS得到了迅速發(fā)展奕辖。我國1988年完成四大電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的引進就灸，之后完成消化、吸收鲫肿、再創(chuàng)新泡嘴，開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的EMS。當時清華承擔(dān)了東北電網(wǎng)EMS的引進逆济、消化和吸收酌予，因為當時東北是重工業(yè)基地，東北電網(wǎng)的網(wǎng)調(diào)是最大的奖慌，全國負荷最大的就在東北霎终。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，上升到了新層次莱褒。

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)南雅可再生能源發(fā)展之后广凸，這時候還沒有多能橫向的協(xié)同，只有源網(wǎng)荷的協(xié)同蛛枚。針對大規(guī)牧潞＃可再生能源不可控、波動性的特點蹦浦，需要大量的靈活性資源扭吁，從源-輸，轉(zhuǎn)向荷-配跃恍，這時候的EMS可集成利用各類分布式資源袱黎，發(fā)展分布自律-集中協(xié)同架構(gòu)，從源态置、網(wǎng)到荷道夭，都有相應(yīng)的EMS。源有風(fēng)電場和光伏站的EMS垄获，荷有電動汽車倾断、樓宇和家庭的EMS，網(wǎng)有輸電彻虾、配網(wǎng)守皆、微網(wǎng)的EMS，這些EMS首先是自律溅宅，然后通過通信網(wǎng)聯(lián)結(jié)在一起形成協(xié)同砸镀，這時候就可以稱為EMS家族了，EMS家族有很多成員俏汇，不同成員有不同特點鹿响，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谷饿。這里的綜合是把各種能源集成和綜合惶我。由于各類能源割裂，綜合能效低博投，所以需要綜合和梯級利用;同時由于靈活性資源嚴重不足绸贡，大量棄風(fēng)、棄水毅哗、棄光听怕、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)哪虿t？稍偕茉吹南{;通過效益最大化的綜合優(yōu)化調(diào)度闽烙，在保障供能安全和優(yōu)質(zhì)的前提下，降低用能成本声搁，提高綜合能源服務(wù)的經(jīng)濟效益黑竞。

下圖給出的就是IEMS的示意圖。
 

它像一個大腦尤吟，底下是一個綜合能源系統(tǒng)拘能，冷、熱翁骗、氣侣沐、電、水引笛、交通笆低，各種能流，叫多能流衙文。前些天我在會上介紹了這個系統(tǒng)辩芦，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)品浆菇。我們課題組將做了30年的電網(wǎng)EMS拓展成IEMS非常困難遥加，學(xué)電的人不懂熱、氣竣伍、交通观复，這時候就需要學(xué)習(xí)熱能、燃氣和汽車等其他學(xué)科的知識页畦，我們團隊最近五年一直在快速地學(xué)習(xí)胖替，終于成功研制出了IEMS。當然豫缨，如果沒有之前30年電網(wǎng)EMS的研發(fā)經(jīng)驗独令，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)完整好芭、高性能的準穩(wěn)態(tài)實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能燃箭，是后續(xù)預(yù)警、優(yōu)化和控制等功能的基礎(chǔ)舍败，并利用系統(tǒng)軟件支撐平臺提供的服務(wù)招狸。多能流SCADA是IEMS的“感官系統(tǒng)” ，基于能源物聯(lián)網(wǎng)邻薯，采集多能流數(shù)據(jù)(采樣頻率：電為秒級裙戏，熱/冷/氣為秒級或分鐘級)乘凸，完成相應(yīng)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(yīng)用功能模塊累榜，接收系統(tǒng)運行調(diào)控指令营勤，并通過遙控/遙調(diào)信號下發(fā)給系統(tǒng)設(shè)備執(zhí)行。多能流SCADA的功能界面包括能流分布癣辉、場站接線集蛛、系統(tǒng)功能、綜合監(jiān)視忌舔、操作信息、分析評估秆刑、智能報警等同肆。

(2)多能流狀態(tài)估計

由于多能流傳感網(wǎng)絡(luò)測點分布廣、量測種類多唧谊、數(shù)據(jù)質(zhì)量低末尤、維護難度大、成本敏感度高露惑，所以出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不全非阿、錯誤的情況在所難免。因此多能流網(wǎng)絡(luò)需要狀態(tài)估計技術(shù)提供實時钢老、可靠湾关、一致、完整的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)猎塞，為IEMS的評估和決策提供基礎(chǔ)试读。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)荠耽，可以實現(xiàn)壞數(shù)據(jù)的可估計钩骇、可檢測、可辨識铝量，最終達到減少傳感器安裝數(shù)量倘屹、降低通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度、降低傳感網(wǎng)絡(luò)的投資和維護費用的效果慢叨，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纽匙，降低能源網(wǎng)絡(luò)運行事故風(fēng)險。

(3)多能流安全評估與控制

安全的重要性不言而喻插爹，而能源系統(tǒng)的安全尤其關(guān)乎生命和財產(chǎn)安全哄辣。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)赠尾，并且做出預(yù)案力穗。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(dǎo)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)褪鸳。所以一定要時刻關(guān)注薄弱環(huán)節(jié)蛾岳，出現(xiàn)問題一定要有預(yù)案，否則會面臨巨大的風(fēng)險揣响。另一方面要關(guān)注園區(qū)交易關(guān)口的安全控制簿睦，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儿猪，另一方面容量越大電網(wǎng)公司收取的容量費也越高派暴。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(shè)計成50兆瓦的容量相梳，萬一實際容量超過了咏逛，會燒掉變壓器。該怎么將關(guān)口潮流控制在50兆瓦以內(nèi)奢惋，這就是安全控制問題预隆。在多能流系統(tǒng)中，不同能源系統(tǒng)相互耦合和影響啸盲，某一部分的故障和擾動會影響到多能流系統(tǒng)的其他部分膳灶，有可能造成連鎖反應(yīng)，因此需要進行耦合分析立由≡觯可以利用熱、氣等系統(tǒng)的慣性提供的靈活性拆吆，為電系統(tǒng)的安全控制提供新手段聋迎，可以利用這些新手段，做協(xié)同安全控制枣耀。

(4)多能流優(yōu)化調(diào)度

這里有幾個重要的概念：啟停計劃霉晕、日前調(diào)度、日內(nèi)調(diào)度捞奕、實時控制牺堰。一個園區(qū)或者是城市的三聯(lián)供、燃氣機組颅围、電鍋爐都是可以啟停的伟葫，有一些設(shè)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)啟停計劃進行啟停院促。然后在啟途瓶酰基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)多少出力，這是日前調(diào)度满傍。而日內(nèi)調(diào)度是由于風(fēng)光出力變了渡表、負荷變了娶讽，所以日內(nèi)需要再調(diào)度，以此來適應(yīng)新的適合的發(fā)電出力赐罪，維持最優(yōu)的出力和負荷的平衡涉等。最后到了秒級還要進行控制，如對于網(wǎng)絡(luò)安全問題详础、調(diào)壓問題程挑、調(diào)頻問題，都需要進行實時控制普易。調(diào)度的時間尺度較長臊耳，一般以15分鐘為單位，控制是以秒為單位畜股，時間尺度較短绢贵。在多能流系統(tǒng)中，其可調(diào)控的手段比單一能源系統(tǒng)要多坏瞄，從源網(wǎng)荷儲的角度出發(fā)，可實現(xiàn)冷甩卓、熱鸠匀、氣、電等的綜合調(diào)度和控制逾柿。

(5)多能流節(jié)點能價

一個園區(qū)或者是智慧城市缀棍，一定要考慮建設(shè)一個非常好的內(nèi)部的商業(yè)模式。內(nèi)部的商業(yè)模式不是對外的机错，不是對上的爬范，而是對園區(qū)內(nèi)用戶的，這樣的一個商業(yè)模式應(yīng)該是什么樣?最科學(xué)的模式就是節(jié)點能價的模式弱匪。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青瀑，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(luò)阻塞的成本;四是多能耦合的成本。然后需要科學(xué)精準地計算各個結(jié)點的能價萧诫，包括冷價斥难、熱價、氣價和電價帘饶，不同時刻蟹梗、不同地點的價格，只有通過精準計算疯煮，才能使園區(qū)總的用能成本顯著下降尚稍，因為可以用價格的信號來引導(dǎo)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特掀。

節(jié)點能價根據(jù)供應(yīng)商的生產(chǎn)邊際成本制定竭珊，當線路出現(xiàn)阻塞時人蕊，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)的靈活性梆载。節(jié)點能價科學(xué)體現(xiàn)了成本摇蝗，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)模式撵刷，整個園區(qū)或城市都可以變成一個大的虛擬電廠裆蛆，盡管不是物理電廠，但是有很多儲能和冷熱電三聯(lián)供等分布式電源褐袒，聯(lián)合起來就可以變成一個大的可調(diào)節(jié)的市場主體啼术。因為分布式資源容量小、數(shù)量多载碌，市場難以單獨管理猜嘱，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)化運行嫁艇，為外部市場提供調(diào)峰朗伶、調(diào)頻、調(diào)壓等服務(wù)步咪，有利于總體資源的優(yōu)化配置和利用论皆。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)實猾漫。

虛擬電廠在優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上点晴，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悯周，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)度粒督。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禽翼，實現(xiàn)與電網(wǎng)的友好互動屠橄。

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)荷儲硫忆。源側(cè)包括常規(guī)的供電設(shè)備蘸错、CHP機組、燃氣鍋爐等設(shè)備俯炮，以及外部電網(wǎng)供電冬溯、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、熱敦浅、冷負荷;在儲能方面录教，不同能源子系統(tǒng)均有各自的儲能設(shè)備∪粒縱向來看依次是電字瘫、氣触迄、熱、冷多能互補運行借街。不同的能源子系統(tǒng)分別用不同的顏色表示惦参，多種能源轉(zhuǎn)化設(shè)備(熱泵、CHP听想、燃氣鍋爐腥刹、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汉买，在保證電衔峰、熱、冷負荷可靠供應(yīng)的前提下蛙粘，實現(xiàn)了能源的梯級利用垫卤，提高能效，降低用能成本出牧。并且對于波動性很強的可再生能源而言穴肘，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舔痕，進一步提高系統(tǒng)經(jīng)濟性梢褐。

5 IEMS的應(yīng)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)赵讯，IEMS系統(tǒng)對這里進行綜合能源的供應(yīng)與需求分析，實現(xiàn)多能協(xié)同優(yōu)化耿眉。以電边翼、氣、冷溅鞠、熱等對能源的需求為主徽七，開展基于清潔能源中樞(天然氣冷熱電三聯(lián)供、光伏仙茴、風(fēng)電等)的能源互聯(lián)網(wǎng)示范園區(qū)建設(shè)蛹柔，實現(xiàn)對高新西區(qū)內(nèi)天然氣、地?zé)崮芮┧蟆L(fēng)光能电尖、蒸汽、冷水稻悴、熱水勺帜、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)和示范項目赫裂。這個園區(qū)的核心部分大概12平方公里晤哩，也是典型的工業(yè)園區(qū)寝话。工業(yè)園的能源格局呈現(xiàn)大容量、多能流侈净、高滲透等特點尊勿，具有開展多能協(xié)同、多能優(yōu)化調(diào)度等的良好基礎(chǔ)條件畜侦，是開展“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源綜合能源服務(wù)業(yè)態(tài)模式示范較為適宜的區(qū)域元扔。在園區(qū)內(nèi)建設(shè)IEMS系統(tǒng)，提出虛擬電廠和用戶需求側(cè)響應(yīng)模式夏伊，實現(xiàn)靈活性資源集群同步化控制技術(shù)摇展，最終系統(tǒng)實現(xiàn)部署應(yīng)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)項目溺忧。東莞立沙島也是約12平方公里的工業(yè)園區(qū)咏连，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;第二鲁森，政策沒有放開的情況下祟滴，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;第四歌溉，未來和大系統(tǒng)之間的交互(交易)垄懂，打造綜合能源供應(yīng)商。其中能量管理系統(tǒng)的研發(fā)分為四個階段：第一痛垛，整體可觀秋衡，部分可控;第二，整體可控晚簇，部分優(yōu)化;第三挑卫，整體優(yōu)化，部分交互;第四食召，整體交互贩普，聯(lián)合優(yōu)化。

(4)吉林省多能流綜合能量管理與優(yōu)化控制研究項目付杰。吉林省火電機組占比多研脸，沒有抽蓄、燃氣等靈活調(diào)節(jié)電源蚓橡，并且吉林處于高寒地區(qū)或怜，冬季供熱期長達半年，90%以上火電機組為供熱機組抠佩，供熱期間鸿挠，火電最小出力超過本省最小負荷，風(fēng)電消納壓力大棄風(fēng)問題非常嚴重姻蚓，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)峰能力宋梧，擠占了風(fēng)電空間匣沼。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)的問題捂龄，為此部署了IEMS系統(tǒng)释涛，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倦沧，研究并設(shè)計示范區(qū)域內(nèi)的用能替代響應(yīng)唇撬，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(fēng)電消納問題的同時實現(xiàn)清潔供暖展融。