李 揚,宋天立,王子健
(東南大學 電氣工程學院,南京 210096)
我國正處于能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時期,能源互聯(lián)網(wǎng)的提出引發(fā)了能源系統(tǒng)的深刻變革,打破了傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)之間的供需界限。能源互聯(lián)網(wǎng)下的綜合能源服務(wù)(integrated energy services,IES)將極大地促進一、二次能源的互聯(lián)、互通、互轉(zhuǎn),實現(xiàn)能源資源的合理優(yōu)化配置,推進能源生產(chǎn)和消費革命,帶動實體經(jīng)濟發(fā)展,具有良好的社會經(jīng)濟效益[1—2]。因此,IES成為各國及各企業(yè)新的戰(zhàn)略競爭和合作的焦點。
IES強調(diào)綜合能源和綜合服務(wù)。綜合能源涵蓋電力、天然氣和冷、熱等。綜合服務(wù)則包括工程服務(wù)、投資服務(wù)和運營服務(wù)等。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下,能源供需雙側(cè)互動頻繁,IES的中心已逐漸向具有巨大開發(fā)潛力的用戶側(cè)轉(zhuǎn)移[3]。用戶的用能模式趨于多樣化,負荷劃分更加精細。用戶對供用能服務(wù)功能的需求已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的買賣模式,而對個性化互動服務(wù)模式的需求不斷增加。如何利用生產(chǎn)、消費、交易各環(huán)節(jié)的海量供用能數(shù)據(jù),對其進行多維深度分析,挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在價值以制定用戶的綜合用能增值服務(wù),對于滿足用戶差異化需求、提升能源企業(yè)水平、服務(wù)社會發(fā)展具有重要意義[4—5]。
本文結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)背景下IES發(fā)展現(xiàn)狀,討論基于用戶數(shù)據(jù)深度挖掘的IES關(guān)鍵問題,從用戶數(shù)據(jù)分析、用戶用能策略、增值服務(wù)業(yè)務(wù)和軟件平臺開發(fā)等幾部分加以闡述。
多領(lǐng)域能源大數(shù)據(jù)的采集和融合的關(guān)鍵問題在于跨系統(tǒng)、多維度海量數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)不斷融合創(chuàng)新,能源被賦予了新的信息屬性。如圖1所示,基于能源互聯(lián)的IES信息通信架構(gòu)通過“感知層-網(wǎng)絡(luò)層-認知層-控制層”的緊密聯(lián)系,以“能源-互聯(lián)網(wǎng)-信息通信系統(tǒng)-信息能源系統(tǒng)”為主要體系,各主體、各環(huán)節(jié)、各層次兼容開放的通信信息交互,最終實現(xiàn)將用戶側(cè)能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲和分享的協(xié)同聯(lián)動。
在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié),感知層將傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)不斷融合,推動新能源與可再生能源接入技術(shù)的發(fā)展;在能源傳輸過程中,網(wǎng)絡(luò)層將能源通信技術(shù)和信息通信技術(shù)(information communications technology,ICT)結(jié)合,傳遞能源和數(shù)據(jù)信息,并對能源傳輸路徑實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化;在能源存儲部分,認知層基于云存儲的大容量儲能技術(shù)存儲間歇式能源,通過云計算推動能源系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展;在能源分享環(huán)節(jié),控制層通過對在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)、能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)等進行集成,實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測、保護和配電管理,并圍繞能源系統(tǒng)調(diào)度控制技術(shù)實現(xiàn)可感可控和自我決策,讓能源在網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)共享。
圖1 異構(gòu)能源信息貫通共享集成架構(gòu)
在此架構(gòu)下,通過能源互連用戶、能源企業(yè)之間的相互交互,收集企業(yè)發(fā)布的能源價格,同時實時收集用戶使用能源的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,如:能源使用記錄、使用習慣、繳費記錄等,通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,進而分析用戶用能習慣、預(yù)測未來一段時間能源使用情況,從而達到支持政府能源監(jiān)測,優(yōu)化能源管理,為客戶提供個性化、差別化服務(wù)的目的。
綜合能源服務(wù)的大數(shù)據(jù)涉及能源資源、生產(chǎn)、消費、傳輸、加工轉(zhuǎn)換、儲存、排放、效率和金融等全生命周期及其他相關(guān)領(lǐng)域的海量數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)主體眾多,內(nèi)容復(fù)雜,面向用戶側(cè)供用能海量數(shù)據(jù),宜將其進行分類[4]。
(1)用戶側(cè)冷熱電三聯(lián)供、熱泵、工業(yè)余熱余壓等綜合能源利用。
(2)分布式可再生能源接入計量及其與天然氣、氫氣等分布式能源的協(xié)同。
(3)儲電、儲熱、儲冷等多類型集中式或分散式儲能接入。
(4)智能家居、智能樓宇和智慧工廠等綜合能源消耗。
(5)充電樁、加油站、港口碼頭等各類交通能耗。
由于受到信號干擾、軟件故障、設(shè)備性能等情況的影響,用戶供用能數(shù)據(jù)經(jīng)常會出現(xiàn)未全面采集或者失真的現(xiàn)象,故首先需要對數(shù)據(jù)進行清洗、修正和篩選。然后進行數(shù)據(jù)挖掘算法設(shè)計(包括決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類和支持向量機等[6—7])。最后,根據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)挖掘算法,對用戶負荷數(shù)據(jù)進行挖掘分析。目前,數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要包括:數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)、高性能計算技術(shù)和分析挖掘技術(shù)等。其具體內(nèi)涵見表1。
在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下,用戶側(cè)的樣本數(shù)量較大,特征向量維數(shù)較多,若單獨采用一種數(shù)據(jù)方法,效果往往不是很理想。因此,為了更客觀準確地識別樣本類型,提高分類效率,必須找到一種或者多種可以適合大樣本、高維度的挖掘算法進行負荷特性分析。傳統(tǒng)電力負荷特性分析通常按照電價或者行業(yè)進行分類。在能源互聯(lián)網(wǎng)下,面向多類型用戶個體/群體的供用能特征,應(yīng)當從時間維度、類屬維度、響應(yīng)維度對供能、用能以及供用能數(shù)據(jù)進行多維度信息提取,結(jié)合聚類方法、模糊處理、數(shù)據(jù)挖掘等大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法進行精細化分析,形成能夠適應(yīng)不同場景、不同業(yè)務(wù)、不同用戶需求的靈活信息處理分析方法。
表1 數(shù)據(jù)技術(shù)及其內(nèi)涵范疇
首先,對用戶供用能數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計性、相關(guān)性、因果性研究多維數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性進行分析,其次,面向用戶個體,挖掘其供用能行為和心理特征,建立個體能源用戶在短期-長期-實時等多個時間尺度對多類型供用能特征集合多維數(shù)理矩陣模型。最后,基于用戶個體能源用戶的供用能特征模型,建立用戶群體的供用能聚合特征模型,研究以多場景應(yīng)用為目標多類型用戶個體/群體“供能-儲能-用能”數(shù)據(jù)信息共享下的供用能特征分析技術(shù)。
當前,由于面臨電力市場和天然氣市場的日前出清時刻不同,電力負荷變化劇烈且需實時平衡,然而冷熱負荷則變化緩慢且允許一定程度的非同時性等問題,故綜合優(yōu)化調(diào)度較為困難[8]??紤]建立區(qū)域調(diào)度中心,通過開展面向能源終端用戶的用能大數(shù)據(jù)信息服務(wù),對用能行為進行實時感知和動態(tài)分析。通過能量系統(tǒng)間的互聯(lián)與互通,改善在不同時空尺度下,不同能源的供需不平衡狀態(tài),以實現(xiàn)綜合能源高效利用、降低系統(tǒng)運行成本和提供功能可靠性等目標。
面向綜合能源系統(tǒng),需要考慮多能流狀態(tài)估計,為綜合能源系統(tǒng)快/慢動態(tài)耦合的多能流協(xié)同調(diào)度決策提供支持。同時,用戶側(cè)的儲能設(shè)備、分布式電源等通過需求響應(yīng)得到廣泛地應(yīng)用。結(jié)合區(qū)域特征及供需特性等外部條件,協(xié)同多類能源整體最優(yōu)、能源損耗最低等問題,需要對綜合能源系統(tǒng)進行規(guī)劃。在規(guī)劃配置的基礎(chǔ)上,對能源線路、設(shè)備種類、運行情況以及儲能應(yīng)用進行進一步分析。最后,針對運行中的各類設(shè)備投運情況進行綜合用能診斷。
IES安全風險包括物理安全和數(shù)據(jù)安全。
在物理安全方面,強耦合的綜合能源系統(tǒng)可能增加系統(tǒng)級聯(lián)事故的風險,如:電力系統(tǒng)的故障可能導致供氣或者供暖的中斷[9]。故需要從結(jié)構(gòu)風險、技術(shù)風險和設(shè)備風險等角度考慮綜合能源系統(tǒng)中的在線安全分析和安全控制,研究不同系統(tǒng)間的相互影響和最優(yōu)能流。通過態(tài)勢感知等技術(shù)使得工作人員能夠?qū)Ξ斍跋到y(tǒng)所處狀態(tài)和發(fā)展趨勢進行判斷,并且在能源系統(tǒng)即將遭受大規(guī)模攻擊時提前采取有效的防御措施和應(yīng)對手段。
在數(shù)據(jù)安全方面,多能系統(tǒng)信息靈敏度分析的影響范圍不僅局限于單一能源系統(tǒng),特別需要重點考慮耦合信息節(jié)點受到攻擊的情況。但是信息耦合也增加了量測冗余,通過多能流混合系統(tǒng)狀態(tài)估計可辨識出錯誤信息來源,一定程度上提高信息安全性。
在開展綜合能源服務(wù)時,考慮主體眾多,不同的用戶利益訴求不同,其參與互動的目標也有所差異,故可以依據(jù)服務(wù)的不同特征,將服務(wù)模式分為標準化用戶服務(wù)模式和VIP用戶服務(wù)模式。
通過對用戶的資產(chǎn)信息、用能信息和用戶信息等資源進行深度挖掘,綜合能源服務(wù)商可以根據(jù)分析用戶的供用能特性,細分客戶群體和類別,設(shè)計綜合能源套餐、單項能源套餐、應(yīng)急能源套餐、電動汽車充電服務(wù)等基礎(chǔ)綜合能源套餐,為客戶提供廣泛、全面的能源套餐,積極與客戶簽訂長期能源供應(yīng)合同,滿足客戶不同的基礎(chǔ)用能需求,提供便捷的全方位供電、供熱、供水、公共交通等綜合能源服務(wù),粘連客戶。同時,通過分析市場環(huán)境下用戶用能特性及其影響因素,用戶可以和綜合能源服務(wù)商或者負荷聚合商簽訂單獨用電或者其他用能合同。
目前,冷/熱、電、氣等多種能源市場獨立運行。電力市場存在雙邊交易和集中競價等多時間尺度交易模式。而冷/熱市場則無集中競價市場,用戶直接和熱源提供方簽訂能源合同。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下,多能源供需耦合互補,價格相互影響,能源的交易形式將從單純向用戶或能源網(wǎng)供能變?yōu)槟茉?、信息、使用?quán)和服務(wù)等多項交易。同時,多層級能源大數(shù)據(jù)開放共享會進一步挖掘和釋放用戶側(cè)大數(shù)據(jù)的價值,促進靈活交易。
在綜合能源交易模式下,不同類型用戶可以根據(jù)自身的用能特性、風險偏好和利益訴求,面向“互聯(lián)網(wǎng)+”的B2B、B2C、C2B、C2C等多種形態(tài)的新型商業(yè)模式,選擇參與不同交易模式下的能源交易。
(1)大用戶直接與能源供應(yīng)商開展B2B交易。
(2)綜合能源服務(wù)商通過交易平臺兜售不同類型的用能套餐,實現(xiàn)B2C交易。
(3)個體用戶之間基于C2C的互濟余缺的能量交易,實現(xiàn)能量交易的電子商務(wù)化。
(4)用戶自行發(fā)布其用能需求,綜合能源服務(wù)商根據(jù)需求為其提供相應(yīng)的定制化套餐,從而實現(xiàn)個性化的C2B服務(wù)。
能源互聯(lián)網(wǎng)的核心思想和目標可以概括為分布式產(chǎn)生的能量、本地化能量的供給以及能量的互聯(lián)互通[4]。分布式能源指分布在用戶側(cè)的能源綜合利用系統(tǒng),包括燃氣輪機、往復(fù)式發(fā)動機、太陽能光伏和燃料電池等,其具有體積小、可擴展性高和分布式能源技術(shù)位于需求點附近等優(yōu)點[10]。目前,隨著分布式資源利用范圍不斷擴大,分布式能源系統(tǒng)開發(fā)利用形式呈現(xiàn)出從單一能源向多元集成系統(tǒng)發(fā)展的態(tài)勢。
以天然氣分布式能源為例,天然氣分布式能源的特點是以冷、熱、電三聯(lián)供等方式,在負荷中心就近實現(xiàn)對多種用戶的能源供應(yīng)。在有效區(qū)域內(nèi),對冷、熱、電能源需求的用戶越集中,其優(yōu)勢就越明顯,效益將越大。隨著大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)有的和政府建設(shè)的工、農(nóng)、商業(yè)的大數(shù)據(jù)庫將囊括方方面面的資料和數(shù)據(jù)。通過對大數(shù)據(jù)的分析,企業(yè)能根據(jù)獲取有效區(qū)域內(nèi)用戶對冷、熱、電相關(guān)能源的需求數(shù)據(jù),優(yōu)化項目建設(shè)方案,牢牢占據(jù)最佳地緣優(yōu)勢,為獲得最大收益奠定堅實基礎(chǔ)。
綠色交通包括電動汽車、電氣化鐵路、電力推進船舶、電力推進風機等。交通網(wǎng)的能源涉及石油、天然氣、電力等多種能源,是一個典型的多能源融合網(wǎng)絡(luò)。在綠色交通中,不僅可以實現(xiàn)多能源的融合,還能夠?qū)崿F(xiàn)交通網(wǎng)和其他能源網(wǎng)絡(luò)的互動運行。
以電動汽車為例,在電力市場化環(huán)境下,電動汽車的充電價格將會出現(xiàn)變化。受到不同電價的刺激,電動汽車車主將會表現(xiàn)出不同的充電行為。如何通過用戶的充電行為進行數(shù)據(jù)自學習,以推測每個用戶的出行特性,為用戶定制個性化的充電路徑,或提供充電出行建議,是值得思考的議題之一。同時,電動汽車本身也可作為儲能,電動汽車電池中的儲能也可在高電價時段反送至電網(wǎng),并從中賺取收益。故面向不同種類的電動汽車,在選定的區(qū)域內(nèi),在深度挖掘其充放電特性的基礎(chǔ)上,應(yīng)當考慮耦合電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、交通網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)及電動汽車充電站的規(guī)劃建設(shè),兼顧充電時間、交通流量及用戶滿意度的充電路徑優(yōu)化策略,從而最大程度的挖掘電動汽車的靈活性和儲能潛力。
需求響應(yīng)(demand response,DR)通過價格機制和控制手段,激勵用戶實現(xiàn)用能需求在時間上和空間上的合理分配,其技術(shù)示意圖如圖2所示。綜合能源DR將用戶對冷、熱、電等多種能源的需求納入廣義需求側(cè)資源的范疇中,DR方式除用能削減外還包括用能替代,由此可在不影響用戶舒適度的前提下滿足用戶的用能需求,減少用能費用。
圖2 需求響應(yīng)技術(shù)示意圖
對于綜合能源服務(wù)商,建設(shè)客戶用能監(jiān)控分析平臺,分析客戶用能特點及系統(tǒng)供能特點,改造客戶用能設(shè)備,建設(shè)余熱回收利用設(shè)備,調(diào)控、運維空調(diào)、電動汽車、蓄熱電鍋爐等柔性負荷參與容量市場、輔助服務(wù)市場、可中斷負荷項目,優(yōu)化客戶用能,代理參與DR,創(chuàng)造能源增值收益,增強客戶粘性。同時,對于用戶,通過響應(yīng)能源價格信息和管理中心發(fā)布的負荷中斷信息,調(diào)整自身的用能計劃,從而達到柔性互動的目標。
用戶的供用能數(shù)據(jù)是社會經(jīng)濟運行的“風向標”,通過可視化的“能源地圖”,可以輔助投資決策,并為城市規(guī)劃、綜合能源系統(tǒng)建設(shè)提供依據(jù)[11—12]。
(1)對于政府:通過對用戶能耗的波動情況進行分析,政府可以了解本地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展狀況,對是否需要調(diào)整地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行決策。
(2)對于用戶:通過提供更精細粒度能耗視圖,提高收費透明度,并直觀了解自身用能習慣,根據(jù)電價等因素適當調(diào)整自己的用能行為。
(3)對于綜合能源服務(wù)商:通過對用戶大數(shù)據(jù)相關(guān)的仿真模型分析,對用戶能效管理政策進行調(diào)整,從而提升用戶滿意度,優(yōu)化綜合能源服務(wù)企業(yè)水平,最終實現(xiàn)服務(wù)社會發(fā)展、助力節(jié)能減排的目的。
從軟件平臺方面來看,以用戶為中心的綜合能源服務(wù)系統(tǒng)需要借助云計算、信息通信、智能感知和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)與物理網(wǎng)絡(luò)和信息通信控制網(wǎng)絡(luò)相集成,實現(xiàn)建有大量分布式電源、電動汽車以及用戶參與需求響應(yīng)情況下的用戶最優(yōu)能量使用方案和自適應(yīng)控制策略。因此,需要考慮搭建信息數(shù)據(jù)平臺、能量綜合優(yōu)化管理平臺、能源交易平臺、增值服務(wù)平臺等IES價值應(yīng)用平臺,如圖3所示。
圖3 綜合能源服務(wù)應(yīng)用平臺
為了充分利用供、用、儲海量數(shù)據(jù),挖掘其內(nèi)在價值,實現(xiàn)信息共享和服務(wù)升級,需要建立基于供用能數(shù)據(jù)的智慧用能服務(wù)模式,為此需要分析、細化具體服務(wù)內(nèi)容及所需數(shù)據(jù)信息。
構(gòu)建支持異構(gòu)能源系統(tǒng)交易與運行的開放、兼容的大數(shù)據(jù)平臺,實現(xiàn)能源大數(shù)據(jù)的安全共享[13]。該平臺以國家及各省地市各級能源大數(shù)據(jù)平臺為核心,打破數(shù)據(jù)信息壁壘,能夠安全可靠地與各類能源管理中心交互數(shù)據(jù)。在用戶側(cè),該平臺將獲取用戶供用能信息、設(shè)備狀態(tài)信息等詳盡數(shù)據(jù),按需定制,提供不同類型的大數(shù)據(jù)服務(wù)。
(1)能量優(yōu)化管理系統(tǒng)
作為綜合能源系統(tǒng)的“大腦”,能量綜合優(yōu)化管理系統(tǒng)不僅需要解決單個系統(tǒng)的能量供需平衡問題,還需考慮多系統(tǒng)多能耦合情況下各類用戶互動的技術(shù)支持[14]。綜合能源系統(tǒng)中多種形式的能量相互耦合,可再生能源滲透率高,預(yù)測精度差,使其能量管理變得困難。建立起一個用戶側(cè)的設(shè)備能量管理控制系統(tǒng),可根據(jù)需求響應(yīng)信號自動優(yōu)化控制負荷,支持綜合能源系統(tǒng)下多能類型源荷互動,通過采取日前/日中/實時多時間尺度優(yōu)化策略,實現(xiàn)自動需求響應(yīng)。同時,支撐交易結(jié)果執(zhí)行,保障能源網(wǎng)絡(luò)運行安全。
(2)多類型能源交易平臺
搭建具有統(tǒng)一入口、多類型用戶參與的廣義能源交易平臺,可以實現(xiàn)各種類型、不同規(guī)模用戶主體以直接或者間接等方式自主參與能源及其衍生品交易。針對多元能源及其衍生品的分布式交易,建議構(gòu)建以區(qū)塊鏈賬本加密技術(shù)、分布式共識算法和智能合約等為支撐的分布式交易市場,保證用戶的交易經(jīng)濟性與過程便利性。此外,還需提出各市場主體的準入機制并研究適用于小微用戶的報價策略、出清機制和結(jié)算方法[15]。
(3)多類型增值服務(wù)平臺
基于現(xiàn)有的主要業(yè)務(wù)形態(tài)和營銷服務(wù)市場,考慮用能信息、網(wǎng)絡(luò)交易、用電管理、設(shè)備管理方面的數(shù)據(jù)增值服務(wù);面向分布式電源、綠色交通、綜合需求響應(yīng)等能源互聯(lián)下客戶側(cè)智能資源,基于用戶個性化互動服務(wù)及市場需求,搭建用戶側(cè)能源互聯(lián)下典型業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)增值服務(wù)平臺。
綜合能源服務(wù)是能源生產(chǎn)、輸送、消費和信息通信高度融合的系統(tǒng)工程,具有多能、開放、交互和共享等特征,故可以看成是由內(nèi)、外部數(shù)據(jù)構(gòu)成的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。而用戶側(cè)資源,如:分布式電源、電動汽車、柔性負荷等靈活資源的快速發(fā)展,極大地豐富了用戶側(cè)資源的種類和規(guī)模,為用戶側(cè)能源互聯(lián)網(wǎng)奠定了實踐基礎(chǔ)。
基于用戶供用能數(shù)據(jù)進行多維度的關(guān)聯(lián)性分析,可以研究客戶側(cè)能源互聯(lián)下的智能用電策略,探討客戶側(cè)能源互聯(lián)下潛在的數(shù)據(jù)增值服務(wù),開發(fā)適應(yīng)新型業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)增值分析模塊等多項業(yè)務(wù),在能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。然而,基于用戶數(shù)據(jù)深度挖掘的綜合能源服務(wù)研究及其應(yīng)用剛剛起步,仍面臨很多困難,需要在技術(shù)、運營、政策等多層面協(xié)調(diào)發(fā)展,故需要制定合理的發(fā)展戰(zhàn)略,多方通力合作,才能穩(wěn)步推進,獲得應(yīng)有的成效。D
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