區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)規(guī)劃決策關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

張利軍，徐晨博，范娟娟，袁 翔，徐 汶，莊崢宇

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,浙江杭州 310008；2.浙江華云信息科技有限公司，浙江杭州 310008；3.浙江華云電力工程設(shè)計咨詢有限公司，浙江杭州 310008)

0 引 言

在能源互聯(lián)網(wǎng)研究創(chuàng)新熱潮中，能源互聯(lián)網(wǎng)的概念、內(nèi)涵、框架體系與關(guān)鍵技術(shù)等迅速成為社會各界關(guān)注的焦點，美國、德國、丹麥、日本及我國均從各方面開展了相關(guān)研究。國內(nèi)外相關(guān)各類研究與實踐中，以多能耦合為代表的多能系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成[1-5]，電能、燃?xì)?、熱能等各類能源的廣域協(xié)調(diào)與優(yōu)化控制是提高能源利用效率、優(yōu)化用能方式、降低用能成本的關(guān)鍵舉措，因此，針對多能耦合的分析研究占有重要地位。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院提出了可表征不同能源設(shè)施與負(fù)荷的接口的能源集線器[6]概念，Krause[7]基于這一概念進(jìn)一步進(jìn)行了建模分析。德國“E-Energy”計劃中的Moma項目和RegModHarz項目[8]分別對多種能源融合構(gòu)建泛能網(wǎng)絡(luò)與實現(xiàn)多種用能終端的智能互聯(lián)開展了探索，主要采用集中式的能量管理架構(gòu)。此外，加拿大、英國和我國也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的研究，涵蓋多能耦合機(jī)理、多能優(yōu)化調(diào)度等。

但在實際能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)構(gòu)建過程中，對于多能耦合不同網(wǎng)絡(luò)中響應(yīng)特性差異性分析、多能系統(tǒng)智能規(guī)劃等分析技術(shù)仍有待完善，結(jié)合現(xiàn)有能源企業(yè)信息系統(tǒng)構(gòu)建多能管理系統(tǒng)還需進(jìn)一步探索。本文在考慮區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)對多能耦合功能需求的基礎(chǔ)上，針對其規(guī)劃決策關(guān)鍵技術(shù)開展研究與應(yīng)用，并基于現(xiàn)有電網(wǎng)企業(yè)信息系統(tǒng)架構(gòu)探索構(gòu)建具有較強(qiáng)實操性的多能系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)。

1 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)

1.1 概念內(nèi)涵

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)是指在具有一定相似性或者特定地域范圍的區(qū)域中，依托靈活有效的規(guī)劃決策技術(shù)，基于先進(jìn)信息通信技術(shù)，將電、氣、熱等能源網(wǎng)絡(luò)中生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費等環(huán)節(jié)有機(jī)互聯(lián)，實現(xiàn)能源協(xié)同耦合、統(tǒng)籌優(yōu)化配置的多能源協(xié)調(diào)運行體系。

在其發(fā)展期，將長期呈現(xiàn)以電為核心，電、氣、熱等多種能源網(wǎng)絡(luò)間耦合互聯(lián)，多種能源形式間協(xié)調(diào)互補(bǔ)的發(fā)展格局，如圖1所示。隨著電網(wǎng)與熱網(wǎng)、氣網(wǎng)的耦合逐步緊密，考慮到電能品位高、質(zhì)量好、傳輸距離遠(yuǎn)、損耗小的特性以及電網(wǎng)規(guī)模大、自動化智能化程度高的優(yōu)勢，電網(wǎng)勢必成為多能系統(tǒng)優(yōu)化互補(bǔ)的橋梁與核心。

圖1 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)協(xié)調(diào)互補(bǔ)Fig.1 The multi-energy coupling of regional energy internet

1.2 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)

相比傳統(tǒng)電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)獨立發(fā)展獨立運行的模式，區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展期多能系統(tǒng)的能源耦合模式將相對單一化的獨立能源輸配用網(wǎng)絡(luò)拓寬升級為多元智能能源配置網(wǎng)絡(luò)，能量流與信息流融合度不斷提高，并面臨以下挑戰(zhàn)：

1.2.1上下游隨機(jī)問題

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用戶與電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的雙向互動程度將大幅提高，分布式發(fā)電、儲能大規(guī)模并網(wǎng)，冷熱電三聯(lián)供等能源耦合節(jié)點不斷增加，能源生產(chǎn)與消費的界限日趨模糊，能源生產(chǎn)消費上下游的高隨機(jī)性容易引發(fā)供需雙側(cè)的不匹配，影響多能系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.2.2內(nèi)部耦合邊界不確定性

多能系統(tǒng)難以用統(tǒng)一的方法描繪不同能源系統(tǒng)邊界的能量流向，單一能源系統(tǒng)內(nèi)事件或擾動對于多能系統(tǒng)的影響程度需要準(zhǔn)確刻畫。多能系統(tǒng)的能量管理將不再是簡單的能量調(diào)度分配，而是必須在實現(xiàn)與需求側(cè)互動響應(yīng)的基礎(chǔ)上，綜合考量各節(jié)點的能量輸出能力、各能量通道負(fù)載能力與節(jié)點的可調(diào)度潛力，統(tǒng)籌分析實現(xiàn)能量的優(yōu)化調(diào)度分配。

1.2.3多能系統(tǒng)運行優(yōu)化與評價問題

多能系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)相對獨立但高度關(guān)聯(lián)，各類擾動與系統(tǒng)間的交互影響更加復(fù)雜，各節(jié)點單元間協(xié)調(diào)配置難度加大。需要合理評估各類能源生產(chǎn)節(jié)點(重點是新能源發(fā)電節(jié)點)的互補(bǔ)協(xié)調(diào)能力分析，加深氣網(wǎng)、熱網(wǎng)與電網(wǎng)的融合，通過多能互補(bǔ)協(xié)同彌補(bǔ)系統(tǒng)隨機(jī)性帶來的系統(tǒng)可控性降低。同時，對于多能系統(tǒng)的運行與演化，需要建立系統(tǒng)化的指標(biāo)評價體系，對系統(tǒng)運行質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)控并為系統(tǒng)演化完善提供數(shù)據(jù)支撐。

因此，研究完善以系統(tǒng)合理規(guī)劃、科學(xué)優(yōu)化為目標(biāo)的多能系統(tǒng)規(guī)劃決策關(guān)鍵技術(shù)及其管理系統(tǒng)對于推進(jìn)多能互補(bǔ)、推動能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有重要的應(yīng)用價值。

2 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)規(guī)劃決策關(guān)鍵技術(shù)

圖2 關(guān)鍵技術(shù)邏輯框架Fig.2 The logic structure of the key technologies

前述區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)所面臨的三大挑戰(zhàn)，實質(zhì)上是未來多能系統(tǒng)在規(guī)劃、運行和評價方面迫切需要解決的問題。相對應(yīng)地，本文提出計及多能不確定性的系統(tǒng)能量規(guī)劃分析技術(shù)、需求側(cè)激勵響應(yīng)建模與可調(diào)度潛力預(yù)測、多能系統(tǒng)評估評價體系，分別為多能系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃、精準(zhǔn)運行與合理評估提供可行方案。同時，考慮到先進(jìn)信息通信技術(shù)是未來能源系統(tǒng)實現(xiàn)智慧化的基礎(chǔ)，是破解區(qū)域多能互聯(lián)面臨挑戰(zhàn)的重要支撐，本文嘗試建立以“大云物移”(大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用)技術(shù)為核心的信息通信支撐體系。

2.1 計及多能不確定性的系統(tǒng)能量規(guī)劃分析技術(shù)

可再生能源發(fā)電的間歇性與氣網(wǎng)、熱網(wǎng)的隨機(jī)性相疊加，給傳統(tǒng)基于日前規(guī)劃與實時校正的調(diào)度管理模式帶來了挑戰(zhàn)，可借助機(jī)會約束規(guī)劃模型[9]處理多能協(xié)同規(guī)劃問題。對于以多能系統(tǒng)能量利用最大化為目標(biāo)的規(guī)劃問題，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的概率大于一定的置信度水平下，實現(xiàn)多種能源的復(fù)合最大化利用，其機(jī)會約束規(guī)劃模型如下：

(1)

(2)

(3)

Pgenmin≤Pgenerator≤Pgenmax

(4)

(5)

目標(biāo)函數(shù)(1)表示多能系統(tǒng)中所有能源生產(chǎn)節(jié)點的能源輸出總和，其中Pe、Pg與Ph分別表示為電網(wǎng)中各可再生能源裝機(jī)容量、氣網(wǎng)和熱網(wǎng)各節(jié)點能量產(chǎn)出值的向量。概率不等式約束(2)表示電網(wǎng)、氣網(wǎng)和熱網(wǎng)的支路過負(fù)荷機(jī)會約束。以電網(wǎng)為例，其中Ple為輸配電線路有功功率向量；其為風(fēng)速向量v；光照強(qiáng)度向量s；風(fēng)電裝機(jī)容量Pwind；光伏發(fā)電裝機(jī)容量Psolar；常規(guī)發(fā)電機(jī)組有功功率向量Pme和負(fù)荷向量Pde的函數(shù)；α為事先給定的置信度水平。不等式約束(3)表示關(guān)于系統(tǒng)備用的機(jī)會約束，其中Pgenmax為系統(tǒng)電網(wǎng)常規(guī)機(jī)組以及熱網(wǎng)、氣網(wǎng)和儲能系統(tǒng)中能量出力最大值向量；Pre表示系統(tǒng)要求的備用容量，包括電網(wǎng)中的旋轉(zhuǎn)備用以及儲能系統(tǒng)容量等；β為系統(tǒng)備用的置信水平。不等式約束(4)表示多能網(wǎng)絡(luò)中機(jī)組出力值約束。Pgenmin和Pgenmax為考慮多能耦合的各類機(jī)組最小和最大出力。等式約束(5)為系統(tǒng)能量流平衡方程。

進(jìn)一步，考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電隨機(jī)性強(qiáng)，因此，采用概率分布魯棒機(jī)會約束[10]來求解電網(wǎng)在可再生能源發(fā)電功率處于極端概率分布情況下，系統(tǒng)線路不過負(fù)荷的概率要求。優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)為式(6)，其目標(biāo)為多能系統(tǒng)擴(kuò)建改建費用最經(jīng)濟(jì)。其中，nij為節(jié)點i-j之間可擴(kuò)建(改建)的能源傳輸線路數(shù)目，Ω為可規(guī)劃的線路集，cij為節(jié)點i-j間線路改、擴(kuò)建費用，αε為線路過負(fù)荷懲罰因子，εij定義為支路i-j的過負(fù)荷程度：

(6)

該目標(biāo)函數(shù)的約束主要為系統(tǒng)能量潮流的平衡、系統(tǒng)出力約束與概率分布魯棒機(jī)會約束，其核心是在所有可再生能源發(fā)電功率概率分布情況下，多能系統(tǒng)各條線路不過負(fù)荷的概率都要大于給定置信度水平。因此，多能系統(tǒng)的規(guī)劃問題可轉(zhuǎn)化為可求解的確定性的優(yōu)化問題。

在具體應(yīng)用中，采用我國東部某市62節(jié)點電網(wǎng)進(jìn)行分析，并考慮常規(guī)火電機(jī)組、風(fēng)電場、氣電機(jī)組、氣轉(zhuǎn)電裝置接入。分別計算了該多能系統(tǒng)算例中線路不過負(fù)荷置信水平從0.6至1.0的系統(tǒng)規(guī)劃方案，提出因置信水平不同而差異化的系統(tǒng)線路擴(kuò)建方案，為考慮電-氣耦合與新能源消納的電網(wǎng)提供了兼顧可靠性與經(jīng)濟(jì)性的規(guī)劃方法。

2.2 需求側(cè)激勵響應(yīng)建模分析與可調(diào)度潛力預(yù)測

智能用能的發(fā)展是多能系統(tǒng)中能源消費側(cè)的重要部分，有必要對各能源消費(生產(chǎn))節(jié)點的激勵響應(yīng)進(jìn)行分析，并對各節(jié)點可調(diào)度潛力進(jìn)行預(yù)測以保障系統(tǒng)運行穩(wěn)定。運用集對理論[11]構(gòu)建能源產(chǎn)銷節(jié)點對激勵機(jī)制響應(yīng)行為的分析模型，其核心思想是統(tǒng)籌考慮確定、不確定系統(tǒng)，運用同異反聯(lián)系度表達(dá)式來具體描述系統(tǒng)中的確定、不確定問題。系統(tǒng)分析中，將對節(jié)點的激勵響應(yīng)，轉(zhuǎn)化為特定問題背景下集對的聯(lián)系度u描述：

u=s+px+qy

(7)

式中:s表示兩個集合的同一程度；p表示兩個集合的差異不確定程度；q表示兩個集合的對立程度?？紤]到響應(yīng)分析的動態(tài)性，利用馬爾可夫鏈與考慮元素權(quán)重的集對分析模型相結(jié)合，在t時刻將節(jié)點用能響應(yīng)度按照St、Pt、Qt的順序排序，針對聯(lián)系度表達(dá)式分別計算St、Pt、Qt,在[t,t+T]時段內(nèi)歸一化后轉(zhuǎn)移向量，得到戶用電響應(yīng)轉(zhuǎn)移矩陣M為

(8)

u=H+Mx+Ly

(9)

根據(jù)H、M、L的大小，能源產(chǎn)銷節(jié)點的響應(yīng)度的動態(tài)變化可以進(jìn)行排序，并對系統(tǒng)整體響應(yīng)情況進(jìn)行評估。

隨著分布式能源技術(shù)的成熟應(yīng)用，多能系統(tǒng)中能源消費者往往也具備能源生產(chǎn)能力與雙向能量互動能力。因此，科學(xué)評估該類節(jié)點的可調(diào)度潛力是實現(xiàn)系統(tǒng)、用戶雙向友好互動的前提?；谇笆隹紤]電價信號、激勵機(jī)制或調(diào)度控制指令等外部激勵互動機(jī)制下的響應(yīng)分析，結(jié)合各能源產(chǎn)銷節(jié)點用能、產(chǎn)能歷史數(shù)據(jù)，得到多重能源產(chǎn)銷節(jié)點的可調(diào)度潛力模型。通過分析不同類型可調(diào)度節(jié)點所占的比重，整體聚合的可調(diào)度潛力的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表征模型可表示為

(10)

式中：crk(t)為第r類能源產(chǎn)銷節(jié)點的第k個體的可調(diào)度潛力；βm(t)為該類能源產(chǎn)銷節(jié)點所占比重；P(t)為多重整體聚合在時刻t的可調(diào)度潛力。通過建立多重聚合可調(diào)度潛力模型，得到可調(diào)度潛力評估指標(biāo)如等效備用容量、響應(yīng)時間和持續(xù)時間等，為合理分析評估區(qū)域能源互聯(lián)調(diào)峰能力奠定了基礎(chǔ)。

在具體應(yīng)用中，以多能系統(tǒng)中居民用電激勵響應(yīng)建模為例開展激勵響應(yīng)分析，主要綜合考慮居民家中電器配備情況、使用習(xí)慣、各類電器功率等，設(shè)置各類電器調(diào)節(jié)對居民用電響應(yīng)的權(quán)重。將全天24h分為以每2h為一個時段，分析不同時段居民對不同用電設(shè)備的調(diào)節(jié)程度的變化，表1所示即為以我國東部某省會城市為案例，結(jié)合峰谷電價的時段設(shè)置分析得到的居民用電設(shè)備調(diào)節(jié)情況。經(jīng)求解，即居民用電激勵響應(yīng)穩(wěn)態(tài)聯(lián)系度為u=0.441+0.335x+0.224y。可以看出居民用電潛在的響應(yīng)度同一趨勢很強(qiáng)，應(yīng)建立充分的激勵機(jī)制來挖掘居民用戶的響應(yīng)潛力。同理，對工商業(yè)用戶采用相同分析方法可以得到對應(yīng)激勵響應(yīng)表達(dá)式，如針對大型商場類典型商業(yè)用戶，其激勵響應(yīng)穩(wěn)態(tài)聯(lián)系度為u=0.183+0.315x+0.502y，用電設(shè)備的響應(yīng)程度較低，對立程度較強(qiáng)。

2.3 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)評估評價體系

構(gòu)建多能系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益，其發(fā)展受到區(qū)域能源態(tài)勢、政策環(huán)境、市場形勢和技術(shù)創(chuàng)新等因素的影響，為全面描述影響系統(tǒng)發(fā)展演化的驅(qū)動因素，以政策導(dǎo)向類、市場環(huán)境類、技術(shù)革新類和系統(tǒng)運行類，構(gòu)建了“雙向四維”評價指標(biāo)體系，如圖3所示。

表1 居民用戶用電設(shè)備調(diào)節(jié)情況Tab.1 The electrical equipment regulation of resident users

圖3 多能系統(tǒng)“雙向四維”評價指標(biāo)體系Fig.3 The evaluation index system of the multi-energy system

其中政策導(dǎo)向類和市場環(huán)境類重點從外部評判多能系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢，為外部評價指標(biāo)，主要評估系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的協(xié)調(diào)適應(yīng)程度；技術(shù)革新類和系統(tǒng)運行類重點從系統(tǒng)內(nèi)部新技術(shù)應(yīng)用和運行經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性方面評判系統(tǒng)效能，為內(nèi)部評價指標(biāo)，主要評判系統(tǒng)自身發(fā)展運行的客觀水平。

在實際應(yīng)用中，對于構(gòu)建的評價指標(biāo)體系，進(jìn)一步采用逼近理想解排序法[12]計算確定各指標(biāo)的最優(yōu)權(quán)重。對于多能耦合系統(tǒng)不同階段進(jìn)行n次指標(biāo)評價，構(gòu)建指標(biāo)矩陣V=[V1，V2，…，Vn]T，經(jīng)規(guī)范化和加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化后，計算評價樣本到正理想解、負(fù)理想解的歐幾里得距離矩陣。同時計算評價樣本與正理想解、負(fù)理想解灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣U+、U-。綜合考慮無量綱化與規(guī)范化后的歐幾里得距離與灰色關(guān)聯(lián)度，得到評判指標(biāo)δ作為各評價指標(biāo)的加權(quán)權(quán)重。

進(jìn)一步，參考Lotka-Volterra模型[13]，將多能系統(tǒng)演化發(fā)展過程中的驅(qū)動力分為他組織、自組織和復(fù)合組織3類組織機(jī)理，引入競爭和合作系數(shù)，建立自組織和他組織驅(qū)動因素協(xié)同動力學(xué)模型，實現(xiàn)多能耦合系統(tǒng)的發(fā)展評價。式(11)、(12)中，a12表示他組織對自組織的競爭抵消作用，a21表示自組織對他組織的競爭抵消作用，N1表示他組織因素的驅(qū)動作用水平，N2表示自組織因素的驅(qū)動作用水平。

江西省修水縣八洞灣位于贛西北幕阜山地區(qū)，區(qū)域上為北北東向麻城(湖北)～幕阜山斷裂帶南段，為挽近期活動性斷裂，該斷裂帶有多處溫泉出露，以緊鄰研究區(qū)北部修水白嶺溫泉為代表，自流水溫83 ℃，刷新了江西省自流最高水溫記錄；研究區(qū)及其周邊巖漿巖比較發(fā)育，主要為幕阜山超單元(J3MF)黑云母花崗二長巖；地下水以風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主。

(11)

(12)

案例驗證中，選取浙江省作為能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)評價樣本。參考2010-2015年《浙江能源與利用狀況白皮書》和《浙江電力行業(yè)節(jié)能環(huán)保白皮書》，確定評估評價指標(biāo)體系(部分如表2所示)。采用逼近理想解排序法計算得到最優(yōu)權(quán)重后，計算得到協(xié)同動力學(xué)模型參數(shù)中a12

表2 實際評估指標(biāo)Tab.2 The actual evaluation indexes

2.4 基于“大云物移”新技術(shù)的信息通信支撐體系

多能系統(tǒng)中能量流與信息流的高度融合、多向互通，需充分應(yīng)用先進(jìn)的信息通信技術(shù)支撐多元化能源生產(chǎn)、智能用能、能源傳輸、能源交易、用戶服務(wù)等功能。隨著以“大云物移”為代表的信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，信息傳輸與處理能力的不斷提升，實現(xiàn)多能系統(tǒng)全景全息感知、狀態(tài)仿真、精準(zhǔn)識別、智能調(diào)度、協(xié)調(diào)控制和開放互動的信息化條件已漸趨完備，多能耦合互補(bǔ)、能源優(yōu)化配置、開放互聯(lián)互動將擁有更強(qiáng)大的技術(shù)保障。

在保障多能耦合互聯(lián)方面，進(jìn)一步加強(qiáng)以大容量骨干網(wǎng)為核心的信息網(wǎng)絡(luò)。一方面，通過在多能系統(tǒng)各設(shè)備、節(jié)點中嵌入智能控制與通信能力，擴(kuò)展現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息的全域采集；另一方面兼容異種網(wǎng)絡(luò)的便捷對接，實現(xiàn)不同通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的即插即用，支持分布式能源的多點智能接入，真正實現(xiàn)多能系統(tǒng)的協(xié)同運行。同時，充分借助移動智能終端、移動無線通信網(wǎng)絡(luò)提升通信靈活性、拓展通信通達(dá)度。

在提升系統(tǒng)運行效率方面，利用云平臺所提供的分布式存儲和分布式計算技術(shù)，將數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)計算任務(wù)合理優(yōu)化。借用云平臺海量基礎(chǔ)設(shè)施提供的運算和存儲能力，有效接納多能耦合系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時高效處理，提高數(shù)據(jù)(信息)存儲能力和利用效率。同時實現(xiàn)對于多類型能源網(wǎng)絡(luò)全景全息感知、實時狀態(tài)分析、精準(zhǔn)識別、協(xié)同控制、交互管理等新型智能業(yè)務(wù)的創(chuàng)新整合。

在促進(jìn)系統(tǒng)良性發(fā)展方面，構(gòu)建堅強(qiáng)多元的信息一體化平臺，為系統(tǒng)各環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)、計算、軟件等技術(shù)服務(wù)。構(gòu)建安全、穩(wěn)定、可靠、高效的信息處理和服務(wù)平臺，保障平臺、通信、數(shù)據(jù)存儲、信息轉(zhuǎn)化、業(yè)務(wù)實現(xiàn)等各環(huán)節(jié)，支撐多能互聯(lián)策略優(yōu)化、多能系統(tǒng)發(fā)展決策。

3 多能系統(tǒng)綜合能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

服務(wù)于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的多能系統(tǒng)綜合能源管理系統(tǒng)面向整個能源產(chǎn)銷鏈的各參與主體，以多能規(guī)劃決策技術(shù)為依托，基于“大云物移”信息通信技術(shù)，以多能協(xié)同規(guī)劃、多能耦合智能分析、多能系統(tǒng)運行評估為核心，具備統(tǒng)籌配置、精準(zhǔn)調(diào)度、協(xié)調(diào)控制、開放共享、友好互動等功能?？蓪崿F(xiàn)能量流、信息流廣泛融合與多向互通，在保障多能耦合系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下為各參與主體提供評估分析服務(wù)與專業(yè)預(yù)測服務(wù)。

浙江省內(nèi)清潔能源和智能電網(wǎng)發(fā)展迅速，電網(wǎng)信息通信體系已經(jīng)過多年建設(shè)完善，具備能源互聯(lián)網(wǎng)先行發(fā)展的基礎(chǔ)條件與廣闊空間。因此，以浙江為例，對面向浙江能源互聯(lián)網(wǎng)的綜合能源管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計對于多能系統(tǒng)的建設(shè)具有借鑒意義。

3.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)業(yè)務(wù)涵蓋能量管理、綜合能源信息管理、社會公共服務(wù)三大領(lǐng)域。其中能量管理是系統(tǒng)實現(xiàn)綜合能效提高與分布式可再生能源消納的核心功能，其滿足能源生產(chǎn)、能源調(diào)配、能源消費各階段全用戶對能量的管理，包括能源接入容量分析、多能系統(tǒng)智能規(guī)劃、系統(tǒng)可調(diào)度潛力計算、能源產(chǎn)銷節(jié)點激勵響應(yīng)分析、多能互補(bǔ)綜合方案、多能協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 綜合能源管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.4 The business structure of integrated energy management system

3.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、分析及服務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)、公共服務(wù)數(shù)據(jù)及平臺運行數(shù)據(jù)構(gòu)成。對于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)篩選、抽取、清洗和轉(zhuǎn)換，形成完備的體系化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的計算分析與決策評價提供數(shù)據(jù)支撐?；A(chǔ)數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)的運行經(jīng)營分析及趨勢分析等應(yīng)用形成可直接應(yīng)用于系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化配置的運行分析支撐數(shù)據(jù),該類數(shù)據(jù)包括可再生能源接入規(guī)模、多能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)架約束等，可被系統(tǒng)能量規(guī)劃分析、激勵響應(yīng)建模、節(jié)點可調(diào)度潛力預(yù)測、系統(tǒng)評估評價等核心計算模塊直接調(diào)用。經(jīng)系統(tǒng)核心模塊計算處理后，運行分析支撐數(shù)據(jù)將進(jìn)一步整合為系統(tǒng)運行評價數(shù)據(jù)與公共服務(wù)數(shù)據(jù)，形成不斷更新修正的系統(tǒng)規(guī)劃方案、運行方案、故障處理方案、系統(tǒng)診斷信息等，通過與電網(wǎng)或其他能源企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口、移動應(yīng)用平臺或其他途徑進(jìn)行展現(xiàn)，為能源產(chǎn)銷鏈上的各相關(guān)主體提供服務(wù)。數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 綜合能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)Fig.5 The data structure of integrated energy management system

3.3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)根據(jù)其數(shù)據(jù)流向與功能設(shè)計劃分為5層架構(gòu)，如圖6所示。

信息采集層通過廣泛分布與電網(wǎng)、氣網(wǎng)與熱網(wǎng)不同網(wǎng)絡(luò)中的智能傳感器與分布式控制系統(tǒng)高精度、實時、穩(wěn)定地采集能量產(chǎn)銷各環(huán)節(jié)的信息，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信號以多樣化的傳輸信道、傳輸協(xié)議提供至接口轉(zhuǎn)換層。

圖6 綜合能源管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.6 The technology structure of integrated energy management system

接口轉(zhuǎn)換層具備采集數(shù)據(jù)接口服務(wù)和系統(tǒng)集成接口服務(wù)。采集數(shù)據(jù)接口將信息采集層的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整化與預(yù)處理，確保多能網(wǎng)絡(luò)中的信息以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的格式傳送至處理控制層。系統(tǒng)集成接口將相關(guān)專業(yè)管理系統(tǒng)(如SAP ERP、營銷管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng))等業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)導(dǎo)入，實現(xiàn)橫向縱向數(shù)據(jù)匯通。

處理控制層是系統(tǒng)功能核心，依托部署于“大云物移”信息通信支撐體系云平臺中的Hadoop技術(shù)，以接口轉(zhuǎn)換層上傳的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃運行需要調(diào)用能量管理系統(tǒng)規(guī)劃、分析、控制、評價的核心算法，完成系統(tǒng)核心實現(xiàn)系統(tǒng)多功能分析與多節(jié)點控制。

應(yīng)用服務(wù)層基于處理控制層核心模塊的調(diào)用計算結(jié)果向外提供服務(wù)支持，根據(jù)實際的服務(wù)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，主要包括能量管理、綜合能源信息管理、社會公共服務(wù)三大類，完成多能耦合的全域感知與全局掌控。

交互展示層負(fù)責(zé)將應(yīng)用服務(wù)層的分析結(jié)果與態(tài)勢分析通過圖表、語音、視頻等多元化方式進(jìn)行直觀展示，或通過系統(tǒng)集成接口將運算處理結(jié)果反饋回各業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

3.4 系統(tǒng)布置

在系統(tǒng)實際布置應(yīng)用中，綜合能源管理系統(tǒng)可依托省級電網(wǎng)公司信息內(nèi)網(wǎng)云平臺為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的存儲和處理。具體布置方案中，系統(tǒng)核心算法、功能模塊與管理平臺數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一布置于信息內(nèi)網(wǎng)；系統(tǒng)公共服務(wù)外網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器布置在信息外網(wǎng)。系統(tǒng)對外通過防火墻訪問信息外網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器，外網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器通過隔離閘單向訪問部署在云平臺中的數(shù)據(jù)庫；對內(nèi)，應(yīng)用服務(wù)器采用SLB(負(fù)載均衡)方式訪問不同的ECS(應(yīng)用服務(wù)器)，所有的ECS都訪問統(tǒng)一的云數(shù)據(jù)庫，同時，云平臺也可以通過企業(yè)服務(wù)總線集成營銷系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、短信平臺等其他服務(wù)。

4 結(jié) 論

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)由概念設(shè)計逐步向構(gòu)建實施過渡，以電力為核心的多能系統(tǒng)也將逐漸成形。本文首先討論了區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵，分析了區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)發(fā)展運行所面臨的主要挑戰(zhàn)，結(jié)合多能系統(tǒng)規(guī)劃決策的關(guān)鍵問題，提出了計及多能不確定性的規(guī)劃分析技術(shù)、系統(tǒng)節(jié)點激勵響應(yīng)分析與可調(diào)度潛力預(yù)測技術(shù)，研究構(gòu)建了信息通信支撐體系和系統(tǒng)評估評價體系，并依據(jù)浙江能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的實際，開展了針對性案例應(yīng)用，設(shè)計了綜合能量管理系統(tǒng)可行架構(gòu)，為能源互聯(lián)網(wǎng)多能系統(tǒng)的應(yīng)用與管理提供參考借鑒。

未來將繼續(xù)深化能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理系統(tǒng)決策分析技術(shù)的應(yīng)用研究，進(jìn)一步推動綜合能量管理系統(tǒng)從設(shè)計方案到落地實施的跨越。