可以說2016年、2017年是能源互聯網的“概念年”，那時候大家還在討論“什么是能源互聯網”、“為什么要做能源互聯網”、“能源互聯網可能會長什么樣子”。但是，2018年已經進入到了能源互聯網的“落地年”，大家都在深入地討論應該怎么去做。國家能源局、科技部有很多支持項目，資金投入量也很大，比如2018年國家能源局公布的首批“互聯網+”智慧能源（能源互聯網）示范項目。
 
就在前不久，2018全球能源互聯網大會在京隆重召開，來自全球30多個國家和地區(qū)的800多位行業(yè)大咖共聚一堂，圍繞“全球能源互聯網——從中國倡議走向世界行動”的大會主題，交流思想、分享成果，共商全球能源互聯網發(fā)展大計。
 
可以說，大家都十分期待實現能源互聯，期待能源互聯網給人類生活帶來新的改變。2017年底的“中國制造2025高峰論壇”上，漢能集團副總裁張彬先生在“圓桌對話——制造業(yè)復興：中國與世界對話”中也表達他對未來能源互聯網的理解。
 
能源互聯網發(fā)展到今天，提出了很多新問題、新觀點以及關鍵技術，隨著研究的深入，區(qū)域能源互聯網被大家提出，如何定義區(qū)域能源互聯網：若將能源互聯網看作是以互聯網理念構建的多能源信息融合“廣域網”，相對應可以把區(qū)域能源看成是一個“局域網”，叫做“區(qū)域能源網”，其對外與“廣域網” 進行信息交互及能源結算，對內提供區(qū)域用戶的能源管理和服務。
 
區(qū)域能源網

區(qū)域能源網是多能源系統(tǒng)分析的基礎，也是多能源系統(tǒng)特性的具體體現。從功能角度來說，多能源系統(tǒng)可將多種形式能源有機整合，根據價格、對環(huán)境的影響等因素進行分配調節(jié);從能源服務角度來說，將用戶的多種需求統(tǒng)計考慮，通過合理調度達到削峰填谷、合理用能的目的;從能源網絡來說，通過協(xié)同分析電氣網絡、天然氣網絡、熱網等網絡，促進多種能源技術的發(fā)展。區(qū)域可以大到一個城市、城鎮(zhèn)、社區(qū)，小到一個工業(yè)園區(qū)、大型企業(yè)、樓宇，其一般涵蓋集成的供電、供氣、供暖、供氫和電氣化交通等能源系統(tǒng)，以及相關的通信和信息基礎設施，其基本特征是應該具備能源的發(fā)生、傳輸、轉換、存儲、消耗等環(huán)節(jié)，在這個多種能源交互融合的區(qū)域網絡內，信息的載體有“電力流”、“天然氣流”、“信息流”、“物質流”等。區(qū)域能源網由于其規(guī)模相對較小，因此可以由政府、能源公司和大型工業(yè)企業(yè)來牽頭進行建設和實施，具備更強的實用價值。區(qū)域能源網是能源互聯網的一部分，涉及多種能源環(huán)節(jié)，且形式、特性各異，既包含易于控制的能源環(huán)節(jié)，也包含具有間歇性和難以控制的能源環(huán)節(jié);既包含難以大容量存儲的能源，也包含易于存儲和中轉的能源;既存在能源產生端的協(xié)同供給，也存在能源消耗端的協(xié)調優(yōu)化。
 
區(qū)域能源互聯網主要特征

與跨區(qū)域的主干能源互聯網相比，區(qū)域能源互聯網以局部范圍內的各類工業(yè)企業(yè)和居民為用戶群體，通過搜集能源生產、消費、傳輸、存儲等信息數據，憑借數據分析、能源協(xié)調與優(yōu)化調度機制滿足域內用戶的負荷需求。與此對應，跨區(qū)級能源互聯網作為不同區(qū)域能源互聯網的聯系紐帶，通過大型輸電、輸氣等系統(tǒng)骨干網絡，實現區(qū)域間能源的遠距離輸送，保證所覆蓋范圍內各區(qū)域能源互聯網的安全穩(wěn)定運行，在區(qū)域互聯網出現能源溢出和缺口時提供能源外部接口。為適應局部區(qū)域內的能源供需格局，在充分吸納因特網發(fā)展過程的優(yōu)秀經驗的基礎上，區(qū)域能源互聯網形成了自身區(qū)別于跨區(qū)域能源互聯網的一些特性。
 
一是多能互補

為滿足區(qū)域內復雜的用戶負荷需求，區(qū)域能源互聯網范圍內布局大量分布式能源設施，種類涵蓋分布式冷熱電三聯供 CCHP、熱電聯產 CHP、光伏發(fā)電、太陽能集熱、制氫站、地源熱泵等多種形式，構成了集電、熱、冷、氣等多種能源形式的復合供應系統(tǒng)，有效實現能源的梯級利用。同時，區(qū)域能源互聯網為各類分布式能源接入提供即插即用的標準接口，不過這也給能源互聯網的優(yōu)化和控制提出了更高要求。為此，氣電間協(xié)調規(guī)劃、P2G技術、V2G 技術以及燃料電池技術等推動多能融合的技術會在未來發(fā)揮更為重要的作用。
 
二是雙向互動

區(qū)域能源互聯網將打破現有的源-網-荷的能源流動模式，形成自由雙向可控的多端能源流動模式，分布式的能源路由器將使得區(qū)域內任意節(jié)點的能源互聯成為可能。能源轉換站或能源集線器的設置將使原有熱力公司、電力公司和燃氣公司之間的行業(yè)壁壘被打破，裝備分布式發(fā)電設備的居民有望與其他能源供應商一道參與能源互聯網的能源供應。未來，伴隨電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，以智能電動汽車為主體的交通網絡也將融入現有能源互聯網模式中。
 
三是充分自治

區(qū)別于傳統(tǒng)的能源利用格局，區(qū)域能源互聯網充分利用區(qū)域內各類能源資源，構建區(qū)域內自給自足的能源體系，充分消納區(qū)域內部的分布式能源，實現各類能源設施的高效利用。同時，作為主干能源互聯網的基本組成部分，區(qū)域能源互聯網與主干能源網絡之間保持雙向可控的能源流動形式，借助大型主干能源網絡與其他區(qū)域能源互聯網間進行能源和信息的雙向交流。
 
綜合上述特點，區(qū)域能源互聯網的主要特征是利用“互聯網+”思維重置能源網絡需要，實現能源與信息的高度融合，推進能源網絡信息化基礎設施的建設。通過引入在線交易平臺、大數據處理等技術，能源互聯網將充分挖掘能源生產、傳輸、消費、轉換、存儲等大量信息，借由能源需求預測、需求側響應等信息挖掘技術指導能源生產和調度。
 
如何實現區(qū)域能源互聯網在概念上的優(yōu)勢呢，清華大學的孫宏斌教授系統(tǒng)地提出了：面向區(qū)域能源互聯網的多能互補綜合能量管理。在2015年小編到清華大學拜訪孫教授時，他就曾提到該項研究。在2017年12月的國家能源互聯網大會上，孫教授正式將這一研究成果進行分享、探討。
 
追求效益最大化的最優(yōu)控制問題

如何通過“多能互補、源網荷協(xié)同”實現安全供能前提下的效益最大化，這是在能源互聯網示范項目的實施中，專家們都很關心的一個焦點問題。這實現起來并不容易，從技術層面來看，這個焦點問題可歸結為復雜的多能流網絡的最優(yōu)控制問題。這個最優(yōu)控制問題是要追求效益的最大化，效益=收入-費用，約束前提是安全供能。這里的收入包括了售能、售服務，費用有購能、購服務等。優(yōu)化的手段分布在冷、熱、氣、電、水、交通，源、網、荷、儲等各個環(huán)節(jié)。約束條件包括供需平衡、運行的物理范圍，以及供能安全等。這個焦點問題最終是通過一套系統(tǒng)來實現的，這套系統(tǒng)就叫做多能互補綜合能量管理系統(tǒng)（Integrated EnergyManagement System），簡稱IEMS。
 
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）。EMS是在電網調度控制中心應用的在線分析、優(yōu)化和控制的計算機決策系統(tǒng)，是電網運行的神經中樞和調度指揮司令部，是大電網的智慧的核心。孫教授的課題組研究EMS已有30多年。首先來回顧一下EMS的歷史。
 
第一代EMS出現在1969年以前，叫做初期EMS。這種EMS僅包含SCADA供能，只是把數據采集起來，沒有實時網絡分析、優(yōu)化、協(xié)同控制，網絡分析和優(yōu)化主要靠離線計算，屬于經驗型調度。現在的園區(qū)管理，絕對不能停留在經驗型調度的水平上，而是需要精益化的管理，提高核心競爭力。
 
第二代EMS出現在20世紀70年代初～21世紀初，叫做傳統(tǒng)EMS。這一代EMS的奠基者是Dy-Liacco博士，他提出了電力系統(tǒng)安全控制的基本模式，發(fā)展了實時網絡分析、優(yōu)化、協(xié)同控制，所以在上個世紀70年代，EMS得到了迅速發(fā)展。我國1988年完成四大電網調度自動化系統(tǒng)的引進，之后完成消化、吸收、再創(chuàng)新，開發(fā)出自主知識產權的EMS。當時清華大學承擔了東北電網EMS的引進、消化和吸收，因為當時東北是重工業(yè)基地，東北電網的網調是最大的，全國負荷最大的就在東北。目前國內的EMS已基本國產化，這一時期的調度已經屬于分析型調度，上升到了新層次。
 
第三代EMS是源網荷協(xié)同的智能電網EMS。其出現在大規(guī)模可再生能源發(fā)展之后，這時候還沒有多能橫向的協(xié)同，只有源網荷的協(xié)同。針對大規(guī)模可再生能源不可控、波動性的特點，需要大量的靈活性資源，從源-輸，轉向荷-配，這時候的EMS可集成利用各類分布式資源，發(fā)展分布自律-集中協(xié)同架構，從源、網到荷，都有相應的EMS。源有風電場和光伏電站的EMS，荷有電動汽車、樓宇和家庭的EMS，網有輸電、配網、微網的EMS，這些EMS首先是自律，然后通過通信網聯結在一起形成協(xié)同，這時候就可以稱為EMS家族了，EMS家族有很多成員，不同成員有不同特點，共同實現智能電網的源網荷協(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。這里的綜合是把各種能源集成和綜合。由于各類能源割裂，綜合能效低，所以需要綜合和梯級利用;同時由于靈活性資源嚴重不足，大量棄風、棄水、棄光，所以需要拓展到多種能源互聯，從多種能源里面找到新的靈活性資源，來支持大規(guī)模可再生能源的消納;通過效益最大化的綜合優(yōu)化調度，在保障供能安全和優(yōu)質的前提下，降低用能成本，提高綜合能源服務的經濟效益。
 
它像一個大腦，底下是一個綜合能源系統(tǒng)，冷、熱、氣、電、水、交通，各種能流，叫多能流。在英國召開的國際應用能源大會（ICAE）上，該系統(tǒng)被大家公認在世界上還沒有先例。2017年在清華大學發(fā)布的最新成果“園區(qū)多能互補綜合能量管理系統(tǒng)”是全球第一個IEMS產品。課題組將做了30年的電網EMS拓展成IEMS非常困難，通過5年的學習研發(fā)，也基于30年電網EMS的研發(fā)經驗，終于成功研制出了IEMS。
 
IEMS的主要功能

多能流SCADA。用于實現完整、高性能的準穩(wěn)態(tài)實時數據采集和監(jiān)控功能，是后續(xù)預警、優(yōu)化和控制等功能的基礎，并利用系統(tǒng)軟件支撐平臺提供的服務。多能流SCADA是IEMS的“感官系統(tǒng)” ，基于能源物聯網，采集多能流數據（采樣頻率：電為秒級，熱/冷/氣為秒級或分鐘級），完成相應的監(jiān)控功能，并將數據提供給狀態(tài)估計及后續(xù)高級應用功能模塊，接收系統(tǒng)運行調控指令，并通過遙控/遙調信號下發(fā)給系統(tǒng)設備執(zhí)行。多能流SCADA的功能界面包括能流分布、場站接線、系統(tǒng)功能、綜合監(jiān)視、操作信息、分析評估、智能報警等。
 
多能流狀態(tài)估計。由于多能流傳感網絡測點分布廣、量測種類多、數據質量低、維護難度大、成本敏感度高，所以出現采集數據不全、錯誤的情況在所難免。因此多能流網絡需要狀態(tài)估計技術提供實時、可靠、一致、完整的網絡狀態(tài)，為IEMS的評估和決策提供基礎。多能流狀態(tài)估計通過補齊量測數據、剔除壞數據，可以實現壞數據的可估計、可檢測、可辨識，最終達到減少傳感器安裝數量、降低通信網絡復雜程度、降低傳感網絡的投資和維護費用的效果，通過提高基礎數據的可靠性來提高評估與決策的可靠性，降低能源網絡運行事故風險。
 
多能流安全評估與控制。安全的重要性不言而喻，而能源系統(tǒng)的安全尤其關乎生命和財產安全。一方面需要建立“N-1”安全準則的概念，這個概念就是去關注最薄弱的環(huán)節(jié)，并且做出預案。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)。所以一定要時刻關注薄弱環(huán)節(jié)，出現問題一定要有預案，否則會面臨巨大的風險。另一方面要關注園區(qū)交易關口的安全控制，園區(qū)關口的容量配置和運行的成本是個關鍵問題，一方面是容量越大變壓器的投資成本越高，另一方面容量越大電網公司收取的容量費也越高。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，如果設計成50兆瓦的容量，萬一實際容量超過了，會燒掉變壓器。該怎么將關口潮流控制在50兆瓦以內，這就是安全控制問題。在多能流系統(tǒng)中，不同能源系統(tǒng)相互耦合和影響，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，有可能造成連鎖反應，因此需要進行耦合分析。可以利用熱、氣等系統(tǒng)的慣性提供的靈活性，為電系統(tǒng)的安全控制提供新手段，可以利用這些新手段，做協(xié)同安全控制。
 
多能流優(yōu)化調度。這里有幾個重要的概念：啟停計劃、日前調度、日內調度、實時控制。一個園區(qū)或者是城市的三聯供、燃氣機組、電鍋爐都是可以啟停的，有一些設備停下來可以降低成本，這就可以根據確定日前的最優(yōu)啟停計劃進行啟停。然后在啟停基礎上調節(jié)多少出力，這是日前調度。而日內調度是由于風光出力變了、負荷變了，所以日內需要再調度，以此來適應新的適合的發(fā)電出力，維持最優(yōu)的出力和負荷的平衡。最后到了秒級還要進行控制，如對于網絡安全問題、調壓問題、調頻問題，都需要進行實時控制。調度的時間尺度較長，一般以15分鐘為單位，控制是以秒為單位，時間尺度較短。在多能流系統(tǒng)中，其可調控的手段比單一能源系統(tǒng)要多，從源網荷儲的角度出發(fā)，可實現冷、熱、氣、電等的綜合調度和控制。
 
多能流節(jié)點能價。一個園區(qū)或者是智慧城市，一定要考慮建設一個非常好的內部的商業(yè)模式。內部的商業(yè)模式不是對外的，不是對上的，而是對園區(qū)內用戶的，這樣的一個商業(yè)模式應該是什么樣？最科學的模式就是節(jié)點能價的模式。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，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;三是網絡阻塞的成本;四是多能耦合的成本。然后需要科學精準地計算各個結點的能價，包括冷價、熱價、氣價和電價，不同時刻、不同地點的價格，只有通過精準計算，才能使園區(qū)總的用能成本顯著下降，因為可以用價格的信號來引導用戶用能。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。
 
節(jié)點能價根據供應商的生產邊際成本制定，當線路出現阻塞時，各節(jié)點的價格根據所在位置的不同而呈現不同的價格，實時價格可以激發(fā)用戶側的靈活性。節(jié)點能價科學體現了成本，有利于建立公平的內部市場機制。
 
多能流虛擬電廠。虛擬電廠是對上級市場的商業(yè)模式，整個園區(qū)或城市都可以變成一個大的虛擬電廠，盡管不是物理電廠，但是有很多儲能和冷熱電三聯供等分布式電源，聯合起來就可以變成一個大的可調節(jié)的市場主體。因為分布式資源容量小、數量多，市場難以單獨管理，通過虛擬電廠的集合，可以通過軟件架構實現多個分布式資源協(xié)同優(yōu)化運行，為外部市場提供調峰、調頻、調壓等服務，有利于總體資源的優(yōu)化配置和利用。這樣的商業(yè)模式能夠帶來很高的經濟收益，這在美國已經成為現實。
 
虛擬電廠在優(yōu)化調度的基礎上，可以將園區(qū)內的分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合整體，從而園區(qū)可以作為一個整體參與上級電網的運行和調度。虛擬電廠協(xié)調上級電網與分布式資源間的矛盾，充分挖掘分布式資源為電網和用戶所帶來的價值和效益，實現與電網的友好互動。

橫向來看依次是源網荷儲。源側包括常規(guī)的供電設備、CHP機組、燃氣鍋爐等設備，以及外部電網供電、可再生能源接入;網架分為冷熱電等傳輸系統(tǒng);荷側為園區(qū)內部的電、熱、冷負荷;在儲能方面，不同能源子系統(tǒng)均有各自的儲能設備。縱向來看依次是電、氣、熱、冷多能互補運行。不同的能源子系統(tǒng)分別用不同的顏色表示，多種能源轉化設備（熱泵、CHP、燃氣鍋爐、溴化鋰機組）將不同的能源子系統(tǒng)相耦合。園區(qū)內部多種能源形式以虛擬電廠的形式組合在一起綜合運行，在保證電、熱、冷負荷可靠供應的前提下，實現了能源的梯級利用，提高能效，降低用能成本。并且對于波動性很強的可再生能源而言，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，進一步提高系統(tǒng)經濟性。
 
IEMS的應用案例

成都高新西區(qū)的“互聯網+”智慧能源（能源互聯網）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)，IEMS系統(tǒng)對這里進行綜合能源的供應與需求分析，實現多能協(xié)同優(yōu)化。以電、氣、冷、熱等對能源的需求為主，開展基于清潔能源中樞（天然氣冷熱電三聯供、光伏、風電等）的能源互聯網示范園區(qū)建設，實現對高新西區(qū)內天然氣、地熱能、風光能、蒸汽、冷水、熱水、電等能源實施管理。
 
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。這個園區(qū)的核心部分大概12平方公里，也是典型的工業(yè)園區(qū)。工業(yè)園的能源格局呈現大容量、多能流、高滲透等特點，具有開展多能協(xié)同、多能優(yōu)化調度等的良好基礎條件，是開展“互聯網+”智慧能源綜合能源服務業(yè)態(tài)模式示范較為適宜的區(qū)域。在園區(qū)內建設IEMS系統(tǒng)，提出虛擬電廠和用戶需求側響應模式，實現靈活性資源集群同步化控制技術，最終系統(tǒng)實現部署應用。
 
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。東莞立沙島也是約12平方公里的工業(yè)園區(qū)，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)能量調控;第二，政策沒有放開的情況下，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，未來和大系統(tǒng)之間的交互（交易），打造綜合能源供應商。其中能量管理系統(tǒng)的研發(fā)分為四個階段：第一，整體可觀，部分可控;第二，整體可控，部分優(yōu)化;第三，整體優(yōu)化，部分交互;第四，整體交互，聯合優(yōu)化。
 
吉林省多能流綜合能量管理與優(yōu)化控制研究項目。吉林省火電機組占比多，沒有抽蓄、燃氣等靈活調節(jié)電源，并且吉林處于高寒地區(qū)，冬季供熱期長達半年，90%以上火電機組為供熱機組，供熱期間，火電最小出力超過本省最小負荷，風電消納壓力大棄風問題非常嚴重，主要原因是供熱機組的熱-電制約關系和“以熱定電”模式顯著降低了其調峰能力，擠占了風電空間。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，為此部署了IEMS系統(tǒng)，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，研究并設計示范區(qū)域內的用能替代響應，并提出多能流綜合能量管理優(yōu)化控制技術，在解決大規(guī)模風電消納問題的同時實現清潔供暖。
 
在能源互聯網從“概念”走向“落地”的過程中，還有很多新思路、新技術、新應用，今后加以整理再與大家分享，希望對大家的工作和學習有所幫助。