支撐居民智慧能源的多能源協(xié)調(diào)綜合控制技術(shù)

盧 婕， 劉向向， 周 琪， 李昊翔， 陳逸涵

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心， 江西 南昌 330001； 2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 江蘇 南京210096）

0 引言

隨著能源短缺問題的日益突出，許多發(fā)達(dá)國家積極開展智慧能源建設(shè)，將水、電、油、氣、交通等公共服務(wù)資源信息通過泛在網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地連接起來，實現(xiàn)對能源的智能響應(yīng)。 目前，針對智慧能源的綜合協(xié)調(diào)技術(shù)應(yīng)用尚未成熟，尤其是針對泛在感知技術(shù)在多級能源綜合利用的方式方法還需要繼續(xù)深入研究。

在智慧能源綜合應(yīng)用技術(shù)方面，文獻(xiàn)[1]針對區(qū)域智慧能源綜合服務(wù)平臺建設(shè)進(jìn)行了分析。 文獻(xiàn)[2]針對智慧能源管理系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了分析。 文獻(xiàn)[3]對綜合能源的發(fā)展模式進(jìn)行了探究。 文獻(xiàn)[4]對綜合智慧能源的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。 文獻(xiàn)[5]分析了城市能源變革下智慧能源的系統(tǒng)建設(shè)。 文獻(xiàn)[6]介紹了智慧能源多能互補(bǔ)清潔供熱技術(shù)。 文獻(xiàn)[7]針對多能互補(bǔ)綜合能源管理系統(tǒng)進(jìn)行了分析。 文獻(xiàn)[8]針對多能源的經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行了分析。 文獻(xiàn)[9]從源網(wǎng)荷的角度分析了電動汽車的優(yōu)化調(diào)度。 可見，以上文獻(xiàn)均未對泛在感知技術(shù)等綜合控制技術(shù)在智慧能源中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

本文針對綜合能源協(xié)調(diào)控制技術(shù)在居民智慧能源中的應(yīng)用展開研究，并分析了智慧城市中多級智慧能源的綜合服務(wù)形式和調(diào)控技術(shù)。

1 居民智慧能源概述

1.1 居民智慧能源

居民智慧能源主要是指普通居民用戶在智能電網(wǎng)環(huán)境下合理、智能地應(yīng)用各類能源的方式，包括電力、煤氣、交通等各個方面。 限于本文的研究內(nèi)容，僅對電力能源展開研究。

如圖1 所示，本文居民智慧能源核心內(nèi)容主要包括分布式發(fā)電、 電動汽車 （EV）、 儲能（BESS）、 可響應(yīng)柔性負(fù)荷規(guī)模以及不可響應(yīng)負(fù)荷等系統(tǒng)。

本文考慮將居民智慧能源分為5 個子系統(tǒng)：BESS 子系統(tǒng)、可控發(fā)電子系統(tǒng)、不可控負(fù)荷子系統(tǒng)、 可響應(yīng)柔性負(fù)荷子系統(tǒng)以及分布式發(fā)電子系統(tǒng)，具體如表1 所示。

表1 居民智慧能源分類Table 1 Classification of residential smart energy

從特性上來說， 居民智慧能源系統(tǒng)是一種集成了交互功能的物理信息融合系統(tǒng)的異構(gòu)子系統(tǒng)。 該子系統(tǒng)包括環(huán)境、技術(shù)以及居民，可以實現(xiàn)控制和適應(yīng)內(nèi)部或外部能源信息以及環(huán)境的功能。根據(jù)參與居民智慧能源的角色，又可以劃分為以下幾部分。

①居民部分。 居民智慧能源系統(tǒng)的中心是消費者也即用戶， 其活動和需求決定了能源消耗和消費管理的模式。 居民的日常能源消費行為可以表示為一系列描述符和不確定性和確定性的活動序列。 居民的活動順序呈現(xiàn)出內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。

此外，用戶的活動還受到描述因素（如地理區(qū)域）的影響。 例如，EV 的充電位置一般在家庭或者公司，較少有在出行途中進(jìn)行充電的，這與充電樁的地理分布有關(guān)。 用戶的用能活動可以表示為設(shè)備和用電設(shè)備的活動子序列， 一般使用隨機(jī)模型描述。

②技術(shù)部分。 居民用戶在能源消費過程中需要與用能設(shè)備以及能源綜合系統(tǒng)進(jìn)行交互。 這類設(shè)備系統(tǒng)的時間演變過程與用戶的行為息息相關(guān)，用戶如果觸發(fā)一些能源設(shè)備，就可以用剩余活動時間來表示。因此，不同能源設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)性是智慧能源的一個典型特征， 可以用于區(qū)分不同的用戶類型、用戶狀態(tài)以及用戶行為。

這類能源設(shè)備的技術(shù)特性也會影響電網(wǎng)以及其他能源網(wǎng)絡(luò)的用能特性，觸發(fā)需求響應(yīng)等信號。因此， 價格和激勵信號會影響居民用戶的用能行為。

③環(huán)境部分。環(huán)境變量主要包括氣候、室內(nèi)外溫度等，對于智慧能源的動力系統(tǒng)有明顯的影響。因為溫度會影響用戶的用能行為， 外部環(huán)境的變化也可以在一定程度上預(yù)測居民用戶的用能變化。

④能源管理系統(tǒng)。 居民智慧能源的核心系統(tǒng)就是能量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能源傳感器、信息處理單元以及控制環(huán)?；谒鸭降男畔ⅲ芰抗芾硐到y(tǒng)能夠與多級能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互， 以成本最小、用戶舒適度最高、與電網(wǎng)配合度最佳等目標(biāo)對用戶的能源使用方案進(jìn)行調(diào)度，給出最優(yōu)策略。用戶不僅是智慧能源的使用者， 同時也是智慧能源的動態(tài)參與者。 該系統(tǒng)能夠為智慧能源管理的升級提供相應(yīng)服務(wù)。

1.2 居民智慧能源與源網(wǎng)荷之間的關(guān)系

居民智慧能源以最終實現(xiàn)居民用能的高效運(yùn)行為目標(biāo)，是智慧能源發(fā)展的終端環(huán)節(jié)，主要包括各種分布式電源、 微網(wǎng)、BESS 裝置以及各種可調(diào)度的負(fù)荷、EV、能效電廠等需求側(cè)資源。為了達(dá)到高效運(yùn)行，須要根據(jù)智能電網(wǎng)的電源形式、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷構(gòu)成等不同運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行發(fā)展趨勢，確定不同的控制目標(biāo)， 建立居民智慧能源自適應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)模型。 通過居民智慧能源與源網(wǎng)荷優(yōu)化目標(biāo)、空間尺度、時間尺度等方面的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的整體高效運(yùn)行。

1.3 居民智慧能源主體建模

①智能樓宇

智能樓宇以熱電聯(lián)產(chǎn) （Combined Cooling Heating and Power， CCHP）系統(tǒng)為核心，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒天然氣輸出電能的同時， 熱能作為附加產(chǎn)能供用戶使用。另外，居民智能樓宇通過公共連接點對外與電網(wǎng)進(jìn)行能量交互，在電能共享的基礎(chǔ)上，通過電網(wǎng)購電補(bǔ)充電能需求， 自產(chǎn)的多余電能返送至電網(wǎng)獲取收益[10]。

②可控發(fā)電系統(tǒng)

可控發(fā)電系統(tǒng)的特征主要是發(fā)電出力可以根據(jù)預(yù)測等信息進(jìn)行提前知曉， 控制不易受外界影響。 其控制約束如下：

2 多級能源綜合協(xié)調(diào)技術(shù)

2.1 多級能源運(yùn)行狀態(tài)感知技術(shù)

多級能源運(yùn)行狀態(tài)感知是指包括對煤、氣、電等綜合能源的運(yùn)行效果、運(yùn)行方式、運(yùn)行特征等多種狀態(tài)的感知技術(shù)。 感知的手段主要是各類能源系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)信息， 應(yīng)當(dāng)充分應(yīng)用居民用戶的智能樓宇等場所所提供的信息以及多元融合量測的數(shù)據(jù)。在廣域時空范圍內(nèi)，依據(jù)用戶對新能源、EV、可中斷負(fù)荷等各類負(fù)荷的用能情況進(jìn)行預(yù)測，準(zhǔn)確有效地掌握用戶各類綜合能源的安全態(tài)勢，實現(xiàn)用戶多級能源的狀態(tài)估計和運(yùn)行狀態(tài)感知。

2.2 多級能源運(yùn)行態(tài)勢分析

多級能源運(yùn)行態(tài)勢分析主要是針對居民智慧能源的負(fù)荷預(yù)測、負(fù)荷分布以及負(fù)荷特征的分析。具體的參考依據(jù)主要是基于數(shù)值天氣預(yù)報和歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)資料、 基于多級能源運(yùn)行態(tài)勢分析得到的用戶能源運(yùn)行狀態(tài)以及包括分布式電源與負(fù)荷預(yù)測等結(jié)果，例如綜合負(fù)荷和分布式能源特性等。多級能源的態(tài)勢分析還應(yīng)當(dāng)包括能源使用狀態(tài)預(yù)警等內(nèi)容，形成能源的態(tài)勢運(yùn)行分析的基本形式。

2.3 多級能源協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)

多級能源協(xié)調(diào)優(yōu)化控制主要基于居民智慧能源的實際運(yùn)行狀況和多級能源的分級協(xié)調(diào)目標(biāo)，考慮在不同能源種類的需求響應(yīng)驅(qū)動下多能源網(wǎng)絡(luò)單元的不同時間空間雙維度上的相關(guān)性和互補(bǔ)性特征， 實現(xiàn)多級能源在多時間尺度上的能源協(xié)同優(yōu)化控制， 以及居民多級能源的利用與需求側(cè)負(fù)荷的高峰、低谷的實時平衡互補(bǔ)，提高源網(wǎng)荷的綜合能源利用效率。

2.4 居民智慧能源多級能源綜合協(xié)調(diào)技術(shù)

居民智慧能源的多級能源綜合協(xié)調(diào)技術(shù)主要是指多級能源運(yùn)行狀態(tài)感知、運(yùn)行態(tài)勢分析、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制3 種技術(shù)。 居民智慧能源包括的種類繁多，不同種類的能源控制形式也不盡相同，針對具體的能源種類，應(yīng)采取有針對性的控制方法。根據(jù)本文所提的負(fù)荷模型， 考慮居民智慧能源的利用特性，針對能源的使用時間、利用方式以及激勵方式等方面提出居民智慧能源多級需求響應(yīng)的調(diào)控方法。

3 智慧能源綜合服務(wù)平臺的泛在感知技術(shù)

3.1 居民智慧能源綜合服務(wù)

居民智慧能源綜合服務(wù)是指通過泛在網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等為支撐的，匯集物理層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、融合層和應(yīng)用層的多層網(wǎng)架的、利用信息通信技術(shù)與人工智能等為居民用能提供指導(dǎo)或者建議的整體性服務(wù)。相比傳統(tǒng)能源，智慧能源綜合服務(wù)的使用重點是突出“智能”，提供能源預(yù)測、能源利用、能源方案等的數(shù)據(jù)化和智能化。將各類能源形式的利用進(jìn)行一體化有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)多樣化、多維度、立體化的能源綜合服務(wù)。

通過全方位、廣視角的感知用戶的交通能源、信息能源以及電力能源的多源數(shù)據(jù)， 深度挖掘這類多級能源數(shù)據(jù)的特征以及核心價值， 為居民提供多樣化的增值服務(wù)，包括家居智能化使用、家居能源綜合使用、智能主動運(yùn)維、節(jié)能優(yōu)化設(shè)計等，不斷推廣綠色、清潔、高效的用能方式，從而提高能源的利用效率和電氣化水平， 促進(jìn)清潔能源的發(fā)展。

3.2 智慧能源泛在感知技術(shù)

智慧能源的泛在感知技術(shù)主要是指通過泛在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，依靠智能終端，全面地采集居民用戶的用能數(shù)據(jù)， 包括交通出行、EV 出行規(guī)律和充放電、新能源使用情況、傳統(tǒng)負(fù)荷參與需求響應(yīng)等，為每個居民用戶打造專屬的用能分析體驗。

泛在感知技術(shù)主要依靠能源路由器負(fù)責(zé)獲取用戶在各方面用能特征的匯集， 形成為后期數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)源，不斷為用戶的用能提供增值服務(wù)。

按照居民智慧能源的發(fā)展歷程來看， 其發(fā)展將要經(jīng)歷信息化、數(shù)字化、智能化3 個階段[12]。 物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的推出， 使能源的綜合利用逐步向智能化發(fā)展。智慧城市能源注重信息資源的整合、共享、集成和服務(wù)， 強(qiáng)調(diào)提高多級綜合能源的運(yùn)行效率、改善居民用能質(zhì)量，強(qiáng)調(diào)能源層面內(nèi)各級能源及其使用者行為的全面感知和互聯(lián)互通。能源形式的發(fā)展在智慧能源的發(fā)展中占有重要地位，智慧能源對能源系統(tǒng)的要求主要集中在分布式可再生能源協(xié)調(diào)應(yīng)用、 多級能源需求響應(yīng)策略優(yōu)化、節(jié)能降耗推動清潔產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提升能源供應(yīng)安全水平、公共交通電氣化、應(yīng)用能源新技術(shù)和創(chuàng)新商業(yè)模式上。

在智慧能源的調(diào)度中， 傳統(tǒng)集中式調(diào)度方法在優(yōu)化過程中需要大量的終端用戶信息， 給通信系統(tǒng)帶來較大壓力， 同時存在用戶隱私暴露的風(fēng)險。 但是通過泛在感知技術(shù)， 就能夠解決這一問題。泛在感知技術(shù)通過分布式的設(shè)備，選擇分布式優(yōu)化調(diào)度，將各級能源問題分解，并由各能源用戶主體獨立求解，在保證用戶信息安全的前提下，通過交換少量信息進(jìn)行交互迭代， 達(dá)到全局最優(yōu)的目的[13]。

3.3 泛在感知技術(shù)具體應(yīng)用

①智慧互動服務(wù)

通過泛在感知技術(shù)， 可以實現(xiàn)多極能源智慧互動的服務(wù)，具體包括用戶的用能故障情況分析、用能異常報警、用能問答服務(wù)等；可以為多種能源用戶提供相應(yīng)的解答服務(wù)， 包括提供不同時間尺度、不同信息維度的信息查詢服務(wù)以及用電、用能建議等。

②自助終端服務(wù)

用戶的用能自助終端服務(wù)主要包括終端集成、證件讀取、人臉識別、高清拍照、指紋識別等。通過拓寬自助服務(wù)終端渠道， 可以提升能源服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)包括業(yè)務(wù)受理、用能交費、信息查詢等在內(nèi)的多種形式的自助服務(wù)。例如，通過大數(shù)據(jù)分析，為EV 用戶提供相應(yīng)的路徑規(guī)劃、充電設(shè)施用能情況查詢等。

③用能安全服務(wù)

用能安全服務(wù)主要是指針對用電、 用熱等能源服務(wù)的基本需求，通過泛在感知技術(shù)，可以提供基本的電流、電壓、頻率等能源特征的服務(wù)。 包括用戶的智能設(shè)備的用電異常、用電缺陷、用電危機(jī)等， 均可以通過安全服務(wù)對用戶進(jìn)行警告或者通知，使得用戶在多種能源的使用過程中，安全得到不斷地提升和保障。

④能效管理服務(wù)

智慧能源多級綜合利用的主要目的是提高各級能源的使用效率， 通過泛在感知技術(shù)能夠不斷完善能效服務(wù)管理。 用戶可以通過相關(guān)的泛在服務(wù)終端，查看自己的用能行為。 通過大數(shù)據(jù)、云端計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，用能服務(wù)平臺能夠分析用戶內(nèi)部外部的節(jié)能潛力， 為用戶多種能源形式的利用提供相應(yīng)的支撐策略， 例如包括家庭可控負(fù)荷、需求響應(yīng)參與負(fù)荷、出行使用EV 負(fù)荷等提供多樣化的信息加工服務(wù)。通過數(shù)據(jù)分析，全方位感知用戶的不同時間尺度的用能情況， 為用戶進(jìn)行評級或者打分，以促進(jìn)用戶用能習(xí)慣的不斷改善，實現(xiàn)用能效率的不斷提升。

⑤價值追蹤服務(wù)

智慧能源的多級能源綜合利用能夠提升能源管理者的盈利水平。 區(qū)別于以往傳統(tǒng)盈利能力分析和計算，通過泛在感知技術(shù)，能夠從根源上獲取各種能源的使用價值。 直接效益不僅僅體現(xiàn)在收入上， 還能夠通過用戶的用能行為反向追蹤得到環(huán)境收益、可靠性收益、降損收益等間接效益。 通過泛在物聯(lián)網(wǎng)，對不同項目、不同設(shè)備、不同功能及其效益進(jìn)行分析，得到具體的效益歸屬，可以完善能源管理者的管理水平， 提升能源管理者的管理收益。從而在傳統(tǒng)的成本效益分析的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大多級能源使用的環(huán)境收益等間接收益， 使得用戶的用能不斷向高效低碳轉(zhuǎn)型， 也可以讓能源管理者的投資等更有動力。

⑥能源使用情況評估

通過泛在物聯(lián)網(wǎng)的泛在感知技術(shù)， 能夠?qū)崿F(xiàn)對能源的生產(chǎn)、消費、技術(shù)和體制革命等重要機(jī)制的評估。 目前，能源發(fā)展形勢是“提高非化石能源發(fā)電比重，發(fā)展智能電網(wǎng)和分布式電源”[14]。 通過對多級能源綜合使用效果的分析， 從能量流和信息流角度出發(fā)， 以多能源協(xié)調(diào)控制技術(shù)和泛在感知技術(shù)為主要分析標(biāo)準(zhǔn)， 能夠建立相關(guān)的評價指標(biāo)。 多級能源綜合利用主要包括分布式電源和多級能源協(xié)調(diào)控制效果， 可以通過相關(guān)的評估結(jié)果繼續(xù)研究其控制的協(xié)調(diào)性和靈活性， 實現(xiàn)多級能源交互性、實施性、全面性、準(zhǔn)確性、可視性等多維度性能的不斷提升。

4 居民智慧能源響應(yīng)控制分析

4.1 居民智慧能源響應(yīng)系統(tǒng)

由于居民智慧能源種類眾多， 綜合調(diào)控技術(shù)的概念也較為寬廣， 本文試從需求響應(yīng)的角度闡述居民智慧能源調(diào)控的可行性。

本文采用IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)（圖2）對居民智慧能源進(jìn)行分析， 將分布式光伏單元、EV 群、樓宇空調(diào)、BESS 系統(tǒng)以及不可調(diào)度負(fù)荷等分布于具體節(jié)點，考慮居民側(cè)為理性經(jīng)濟(jì)人，以成本最低為目標(biāo)[15]。同時，智慧能源調(diào)控側(cè)作為各類能源的集合商，目標(biāo)為收益最大，也即總成本最小。

圖2 IEEE33 節(jié)點圖Fig.2 IEEE 33 bus system

本文居民智慧能源的分布如表2 所示。 EV及BESS 的相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表2 集合商所管理的分布式能源Table 2 Distributed energy resources managed by aggregator

表3 EV 及BESS 的相關(guān)參數(shù)Table 3 Parameters for EV and BESS

本文參考的基礎(chǔ)電價如圖3 所示。

圖3 基礎(chǔ)電價Fig.3 Day-ahead market price

4.2 居民智慧能源響應(yīng)控制仿真分析

圖4 系統(tǒng)原始用能情況Fig.4 Original load curve

利用本文所提的模型和約束條件進(jìn)行多級能源需求響應(yīng)控制策略優(yōu)化， 得到優(yōu)化后的結(jié)果如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后用能情況Fig.5 Optimized load curve

通過對比優(yōu)化前后的兩種用能情況發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的總負(fù)荷在白天時波動性降低， 夜間負(fù)荷有所提高，說明在需求響應(yīng)過程中，用戶能夠在一定程度上調(diào)整自身用能行為。另外，通過優(yōu)化光伏和風(fēng)機(jī)出力， 從電網(wǎng)注入的能源有所減少， 并且在BESS 充放電策略上也有所變動。

從用戶側(cè)角度來說， 多級能源的綜合利用需要相應(yīng)的優(yōu)化，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效果。本文所提的模型能夠在一定程度上反映智慧能源在需求響應(yīng)中的調(diào)控作用，實現(xiàn)能源的智慧管理。

5 結(jié)論

本文從多級能源綜合利用的角度分析了居民智慧能源的控制技術(shù)。 首先分析了居民智慧能源的構(gòu)成，建立了居民能源主體的多種模型，分析了居民智慧能源與源網(wǎng)荷之間的關(guān)系； 然后分析了多級能源綜合協(xié)調(diào)技術(shù)，包括運(yùn)行狀態(tài)感知技術(shù)、運(yùn)行態(tài)勢分析技術(shù)和協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)； 最后重點分析了智慧能源綜合服務(wù)平臺的泛在感知技術(shù)。 通過具體的算例分析，說明在一定的電價模式下，包括風(fēng)光儲在內(nèi)的居民多級能源在不同時刻的響應(yīng)有所差別，EV 負(fù)荷以及BESS 的響應(yīng)效果最佳，風(fēng)電和光伏的響應(yīng)效果一般， 不可調(diào)度負(fù)荷的響應(yīng)效果最差。因此，應(yīng)當(dāng)重點在響應(yīng)效果較好的負(fù)荷側(cè)進(jìn)行綜合調(diào)控。