比特驅(qū)動(dòng)的瓦特變革-信息能源系統(tǒng)研究綜述

孫秋野 王一帆 楊凌霄 張化光

可再生能源高速發(fā)展、信息智能技術(shù)深度融合以及終端用能的多樣化需求使得能源生產(chǎn)、分配及消費(fèi)形式均出現(xiàn)顯著變化,呈現(xiàn)出時(shí)空異步、信能融合、多能互補(bǔ)以及智物協(xié)同的新趨勢(shì)[1],這使得終端信息能源系統(tǒng)的平衡、協(xié)同、管控必須與之相適應(yīng).如何在需求側(cè)通過源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同、多種能源互補(bǔ)、信息能源耦合實(shí)現(xiàn)終端的能源綠色高效利用,成為全球廣為關(guān)注的焦點(diǎn)問題[2].早在2008 年,美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)提出能源互聯(lián)網(wǎng)理念雛形,并開展“未來可再生電能傳輸與管理系統(tǒng)”項(xiàng)目以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用;同年,德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部提出E-Energy 理念和能源互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃.近些年,在信息技術(shù)和能源技術(shù)的高速發(fā)展背景下,日本在2016 年發(fā)布的《能源環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》中提出利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能、先進(jìn)傳感和IoT 技術(shù)構(gòu)建多種智能能源集成的管理系統(tǒng).歐盟在2018 年提出了綜合能源系統(tǒng)2050 愿景,即建立低碳、安全、可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)高效、以市場(chǎng)為導(dǎo)向的泛歐綜合能源系統(tǒng).據(jù)2018 年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示,有可再生能源目標(biāo)和支持政策的國(guó)家數(shù)量攀升至179 個(gè).

到2017 年底,有87 個(gè)國(guó)家制定了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可再生能源發(fā)電目標(biāo),而我國(guó)政府也針對(duì)綜合能源系統(tǒng)先后出臺(tái)了一系列支持政策,開展重大研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)研究,并部署了一批多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程和“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目.

在國(guó)際和國(guó)內(nèi)能源系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略的大力推進(jìn)下,智慧能源的建設(shè)勢(shì)在必行,而以信息驅(qū)動(dòng)的能源系統(tǒng)高度清潔化、高效化、智能化發(fā)展是其至關(guān)重要的研究課題.

1 信息與能源的耦合關(guān)系

當(dāng)前的能源系統(tǒng)正經(jīng)歷一個(gè)多世紀(jì)以來最大的“瓦特變革”.首先,新能源的高比例滲透以及分布式的接入方式使其控制優(yōu)化問題充滿挑戰(zhàn).其次,產(chǎn)消者的興起使用戶由單一消費(fèi)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)消費(fèi)一體化模式,能源的雙向傳輸以及多能源網(wǎng)絡(luò)的疊加使其交互模式更加復(fù)雜.再者,能源網(wǎng)絡(luò)分布式、扁平化的發(fā)展態(tài)勢(shì)使數(shù)據(jù)、分析和連通性成為能源網(wǎng)絡(luò)外圍產(chǎn)消者的重要決策信息.“瓦特變革”呈現(xiàn)出由“集中”向“分布”、“垂直”向“扁平”、“電源驅(qū)動(dòng)”向“用戶驅(qū)動(dòng)”、“高碳”向“低碳”的發(fā)展特點(diǎn),能源系統(tǒng)趨于自下而上的,以用戶為主導(dǎo)的能源信息化發(fā)展模式.利用信息技術(shù)來滿足能源系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)在需求日益增長(zhǎng)[3].

同時(shí),互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等信息技術(shù)也進(jìn)入階躍式發(fā)展的快車道.信息時(shí)代的發(fā)展驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步,信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的特征越來越明顯.新興信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)為能源系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的支撐.“比特驅(qū)動(dòng)”成為能源變革強(qiáng)大的推動(dòng)力.

“比特驅(qū)動(dòng)”主要體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)技術(shù)可快速、有效地處理海量能源信息,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)建模和特征提取,從而保障能源系統(tǒng)協(xié)同控制的可靠性.人工智能技術(shù)可應(yīng)對(duì)參與優(yōu)化調(diào)度的能源終端更為智能化、靈活化、自主化的發(fā)展需求.云計(jì)算、邊緣計(jì)算則可提高能源系統(tǒng)的計(jì)算能力,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的低時(shí)延和高可靠性,由此滿足能源系統(tǒng)在用戶驅(qū)動(dòng)下的實(shí)時(shí)管理和資源分配.5G 無線技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在通信方面具有超可靠、低時(shí)延、廣域連接的優(yōu)勢(shì),有利于能源系統(tǒng)高度自動(dòng)化和精準(zhǔn)控制,可推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智慧城市的發(fā)展.

作為與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活息息相關(guān)的重要領(lǐng)域,能源系統(tǒng)是信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)理想載體.清潔低碳、安全可靠、泛在互聯(lián)、高效互動(dòng)、智能開放的能源系統(tǒng)將推動(dòng)信息技術(shù)與先進(jìn)能源技術(shù)的深度融合.由此,實(shí)現(xiàn)信息和能源的一體化發(fā)展成為了研究的熱點(diǎn)[4].

國(guó)內(nèi)外對(duì)于信息能源系統(tǒng)的研究主要從“比特驅(qū)動(dòng)”和“瓦特驅(qū)動(dòng)”兩類視角分別進(jìn)行.“比特驅(qū)動(dòng)”主要從信息及互聯(lián)網(wǎng)角度,研究如何利用先進(jìn)的信息處理技術(shù)與能源系統(tǒng)相疊加,優(yōu)化計(jì)算資源和信息處理能力,以人工智能、云計(jì)算、移動(dòng)應(yīng)用等新興技術(shù)為手段[5?6],力爭(zhēng)使能源系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)工作點(diǎn).“瓦特驅(qū)動(dòng)”從電氣熱多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)的角度,研究如何通過現(xiàn)代優(yōu)化控制及電力電子技術(shù),實(shí)現(xiàn)多能梯次利用、可再生能源高效消納以及源網(wǎng)荷儲(chǔ)立體協(xié)同,達(dá)到保證信息能源系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的目的[7].

信息與能源系統(tǒng)的深度耦合協(xié)同、高度智能化仍然是一個(gè)亟待深入研究的廣闊領(lǐng)域[8].隨著未來一次能源逐步由有限化石能源轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)光等永續(xù)清潔能源,能源的稀缺性將被打破.通過高速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù),充分發(fā)揮能源終端的互動(dòng)調(diào)節(jié)能力,構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)模式下的能源生態(tài),將信息與能源深度融合,實(shí)現(xiàn)能源的安全、高效、經(jīng)濟(jì)消納成為核心需求.

本文針對(duì)信息能源系統(tǒng),運(yùn)用科學(xué)知識(shí)圖譜進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、知識(shí)計(jì)量和圖形繪制,從而研究和揭示信息能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),并進(jìn)一步展示其相關(guān)熱點(diǎn)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容.文中數(shù)據(jù)來源于中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science (WoS),針對(duì)2000 年～ 2020 年的論文,其中CNKI 檢索關(guān)鍵詞為“信息能源系統(tǒng)”、“能源互聯(lián)網(wǎng)”和“綜合能源系統(tǒng)”,共1 114 條中文文獻(xiàn)記錄(SCI 來源期刊、EI 來源期刊、核心期刊、CSSCI 和CSCD);WoS 檢索關(guān)鍵詞為“Cyber energy system*”、“Energy Internet”、“Internet of energy”、“Integrat* energy system”、“Comprehensive energy system”、“Energy integration”和“Energy interconnect*”,共2 019 條英文文獻(xiàn)記錄(WoS 核心集,文獻(xiàn)類型為Article 或Review).通過對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,包括對(duì)文獻(xiàn)合并除重,補(bǔ)全缺失信息及去除領(lǐng)域不相關(guān)的文獻(xiàn),最終得到675 篇密切相關(guān)中文文獻(xiàn)和1 013 篇密切相關(guān)英文文獻(xiàn).

通過對(duì)文章的參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以快速找到領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn),見表1.其中GCS (Global citation score)表示全球施引次數(shù),此處表示W(wǎng)oS網(wǎng)站上給出的引用次數(shù);進(jìn)一步計(jì)算可得到該文章的本地施引次數(shù)LCS (Local citation score),表示該文章在本地文獻(xiàn)庫(即本文選取的密切相關(guān)文獻(xiàn))中的施引次數(shù).通過這些值可以快速得到信息能源領(lǐng)域內(nèi)的重要英文文獻(xiàn),例如,某文獻(xiàn)的LCS值很高,意味著它非?？赡苁窃撗芯款I(lǐng)域內(nèi)的重要文獻(xiàn).因此相比而言,LCS 比GCS 能更清晰地反映該文獻(xiàn)對(duì)于細(xì)分領(lǐng)域的貢獻(xiàn)度,LCS 高的文章極有可能是研究領(lǐng)域內(nèi)的里程碑文獻(xiàn).CR (Cited references) 表示該文章引用的參考文獻(xiàn)數(shù)量;LCR(Local cited references)表示本地參考文獻(xiàn)數(shù)量,即該文章引用的所有文獻(xiàn)中,存在于當(dāng)前本地文獻(xiàn)庫的文章數(shù).通過LCR 可以快速找出最新的文獻(xiàn)中與領(lǐng)域內(nèi)研究方向最相關(guān)的文章.

表1 領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)文獻(xiàn)Table 1 Hot research literature in the field

通過CiteSpace 軟件對(duì)CNKI 和WoS 的混合數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析[19],得到表2 中2000 年后引文強(qiáng)度最高的27 個(gè)關(guān)鍵詞,這些關(guān)鍵詞通常為某時(shí)間段的研究熱點(diǎn)(表中加粗部分).表中強(qiáng)度值越大表示該關(guān)鍵詞在該領(lǐng)域某個(gè)時(shí)段的熱點(diǎn)程度越高,起始時(shí)間和終止時(shí)間分別表示該關(guān)鍵詞成為研究熱點(diǎn)的開始和結(jié)束時(shí)間.

截至2020 年8 月,統(tǒng)計(jì)2001 年～ 2019 年CNKI及WoS 每年發(fā)文的數(shù)量見圖1.可以發(fā)現(xiàn)信息能源系統(tǒng)密切相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)量正處于穩(wěn)步上升趨勢(shì),且2015 年開始增長(zhǎng)趨勢(shì)加快.

通過關(guān)鍵詞搜索和聚類,對(duì)其研究熱點(diǎn)分布進(jìn)行可視化展示,圖2 為基于CNKI 的中文論文研究熱點(diǎn)分布,圖3 為基于WoS 的SCI 論文研究熱點(diǎn)分布.

圖2 和圖3 中,圓圈表示關(guān)鍵詞,圓的大小表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次;連線表示節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間曾經(jīng)共現(xiàn)過;連線的密集程度表示該研究主題與其他主題聯(lián)系的緊密程度.兩幅圖中,通過進(jìn)行聚類可視化操作,將信息能源系統(tǒng)的研究領(lǐng)域聚集成多個(gè)集群,這些集群將聯(lián)系程度更緊密的關(guān)鍵詞結(jié)合在一起.

基于圖2 和圖3 的聚類分析,可以看出,從信息的相關(guān)方法層面聚類,信息能源系統(tǒng)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域主要包括:優(yōu)化調(diào)度、一致控制、用戶驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化管理、信息能源深度融合系統(tǒng).

如圖4 所示,優(yōu)化調(diào)度的研究建立在能源網(wǎng)與信息網(wǎng)的交互環(huán)境下,研究多源信息融合的(準(zhǔn))實(shí)時(shí)的能源優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、低碳運(yùn)行;一致控制的研究主要針對(duì)信息能源系統(tǒng)的底層能源終端,考慮如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)調(diào)運(yùn)行;用戶驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化管理則進(jìn)一步上升至云平臺(tái),研究在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算支撐下,能源市場(chǎng)的配置和用戶資源的管理;而信息能源深度融合系統(tǒng)則更深度聚焦信息技術(shù)與能源網(wǎng)絡(luò),研究計(jì)算、通信、物理過程高度集成的系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài).

表2 中英文混合關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析Table 2 Emergence analysis of keywords in Chinese and English

圖1 2001～ 2019 年發(fā)文數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of published papers from 2001 to 2019

圖2 CNKI 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析Fig.2 CNKI keywords co-occurrence analysis

圖3 WoS 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析Fig.3 WoS keywords co-occurrence analysis

圖4 信息能源系統(tǒng)與熱點(diǎn)研究領(lǐng)域Fig.4 Cyber energy system and hot research fields

從能源領(lǐng)域的發(fā)展路徑看,“瓦特變革”的初期,在社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的推進(jìn)下,分布式能源大規(guī)模接入能源網(wǎng)絡(luò),終端能源主動(dòng)參與的需求日益增加,能源結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的單一能源向清潔的綜合能源轉(zhuǎn)變.隨之,不同類型的能源終端之間耦合更加緊密,多種能源的時(shí)空差異使能源網(wǎng)絡(luò)趨于復(fù)雜、靈活,催生出海量信息,對(duì)信息技術(shù)的依賴逐漸增強(qiáng).在近幾年信息技術(shù)的飛速發(fā)展下,以綜合能源系統(tǒng)為依托,信息物理系統(tǒng)逐漸受到關(guān)注.由此,在總體技術(shù)路徑的驅(qū)動(dòng)下,上述4 個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域?qū)?yīng)于信息能源系統(tǒng)中的4 個(gè)研究階段,其從底層能源終端到能源網(wǎng)與信息網(wǎng)的交互,再到云平臺(tái)的廣域協(xié)同,最終延伸至信息和能源系統(tǒng)的深度融合,自下而上地反映了信息能源系統(tǒng)中各層級(jí)的研究重點(diǎn)和技術(shù)價(jià)值.

本文將針對(duì)這4 個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域進(jìn)行深入可視化分析和文獻(xiàn)綜述,以挖掘其研究趨勢(shì).

2 信息驅(qū)動(dòng)的信息能源系統(tǒng)優(yōu)化

研究信息能源系統(tǒng)的優(yōu)化問題有助于發(fā)揮多能互補(bǔ)效應(yīng),保障系統(tǒng)高效、安全運(yùn)行.隨著通信技術(shù)發(fā)展、信息能源耦合程度加深,如何適應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展帶來的信息類型變化、信息能源深度融合帶來的能源主體變化,實(shí)現(xiàn)信息能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn).截至2020 年8 月,我們檢索到相關(guān)論文1 185 篇.如圖5 所示,核心關(guān)鍵詞圍繞“優(yōu)化運(yùn)行”和“multi-energy systems”,表明此研究方向得到了眾多學(xué)者的關(guān)注.早期通信網(wǎng)絡(luò)低帶寬、高時(shí)延限制了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和處理的能力,針對(duì)少量的靜態(tài)能流數(shù)據(jù),“混合線性整數(shù)規(guī)劃”是較為常用的方法.隨著通信網(wǎng)絡(luò)向高帶寬、低時(shí)延的發(fā)展,可再生能源接入和電動(dòng)汽車的隨機(jī)充電行為所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以被挖掘和利用,關(guān)鍵詞“不確定性”、“uncertainty”成為研究熱點(diǎn).信息網(wǎng)絡(luò)和能源網(wǎng)絡(luò)的深度融合賦予了能源終端更高的智能性,“能源樞紐”、“energy hub”等成為優(yōu)化研究領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn).其中,文獻(xiàn)[20]于2004 年以包含可逆供熱模式的綠色供暖系統(tǒng)為背景,基于電熱耦合多能網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)能流信息,對(duì)綜合能源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了初步研究.文獻(xiàn)[21]基于風(fēng)力發(fā)電的實(shí)時(shí)信息,研究基于區(qū)間優(yōu)化的電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化運(yùn)行策略,在該研究領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注.

圖5 優(yōu)化相關(guān)領(lǐng)域的聚類Fig.5 Clustering of optimize related fields

上述分析結(jié)果表明,隨著“比特”技術(shù)的發(fā)展,信息類型實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)能流數(shù)據(jù)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)了優(yōu)化從日前優(yōu)化轉(zhuǎn)向更實(shí)時(shí)的優(yōu)化.然而,“比特”信息不僅體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上,還體現(xiàn)在信息能源深度融合下終端能源的智慧性和自主性,從論文的關(guān)鍵詞可以看出,在這類“比特”信息驅(qū)動(dòng)下,能源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)終端能源到智慧能源樞紐的“瓦特變革”.隨著能源主體智慧性和自主性的提升,能源的交互不再是自上而下的模式,而是自下而上的.相應(yīng)地,優(yōu)化研究也從集中式優(yōu)化逐漸轉(zhuǎn)向分布式優(yōu)化.針對(duì)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于信息類型變化和終端能源發(fā)展,從靜態(tài)能流信息、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息和新型信息能源耦合主體的角度入手,對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了研究.

2.1 基于靜態(tài)能流信息的優(yōu)化

早期通信網(wǎng)絡(luò)低帶寬和高時(shí)延大大限制了系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)信息的捕捉和處理能力,能源系統(tǒng)的優(yōu)化問題大多基于靜態(tài)能流信息.部分學(xué)者基于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)能流信息,從經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性等角度對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[22?23]考慮煤炭和天然氣供應(yīng)端到電力負(fù)荷中心的傳輸損耗,提出一種多階段廣義能量流模型及其仿真模型.這兩篇文獻(xiàn)集中于對(duì)電力能流模型的刻畫,未考慮多能耦合交互的影響和多能流交織的特點(diǎn),所提出的模型不能夠很好地適應(yīng)當(dāng)前的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[24]考慮包含風(fēng)電和電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)的電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)安全運(yùn)行約束和耦合約束,建立雙層經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型.文獻(xiàn)[25]針對(duì)電-熱-冷耦合的多能源微電網(wǎng),考慮電力流和熱流的靜態(tài)安全約束,建立多能源微電網(wǎng)多節(jié)點(diǎn)模型.在采集靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)能流信息的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[26]將環(huán)境因素納入考慮,建立綜合經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素的混合整數(shù)線性規(guī)劃優(yōu)化模型.

2.2 基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息的優(yōu)化

隨著5G 等先進(jìn)通信技術(shù)的發(fā)展,信息網(wǎng)絡(luò)逐漸具備高帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn),數(shù)據(jù)的傳輸和處理能力大大提高,這使得可再生能源隨機(jī)波動(dòng)、電動(dòng)汽車無序充電所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息能夠被充分地挖掘和利用,考慮實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息的優(yōu)化逐漸成為研究熱點(diǎn).國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于能源網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)信息,對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行研究.文獻(xiàn)[27]基于可再生能源的實(shí)時(shí)出力,計(jì)及儲(chǔ)能荷電狀態(tài)等因素,研究了基于離散傅里葉變換頻譜分析的系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化定容方法.文獻(xiàn)[28]基于動(dòng)態(tài)能源價(jià)格,針對(duì)電-氣-熱集成網(wǎng)絡(luò)提出一個(gè)包含混合整數(shù)線性規(guī)劃和非線性網(wǎng)絡(luò)方程線性逼近的兩階段迭代模型,但缺乏對(duì)綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度特性的考慮.文獻(xiàn)[29]考慮可再生能源、負(fù)荷和能源交易價(jià)格等動(dòng)態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)了多能源微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行,但是該文獻(xiàn)只考慮了熱能小范圍內(nèi)的就地供應(yīng),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,沒有考慮熱力網(wǎng)絡(luò)和燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)互聯(lián)對(duì)優(yōu)化的影響.文獻(xiàn)[30]基于電動(dòng)汽車充電的動(dòng)態(tài)能量需求和風(fēng)力發(fā)電的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),針對(duì)源荷不匹配的問題,提出基于仿真的分布式策略改進(jìn)方法.但該文獻(xiàn)中電動(dòng)汽車充電模式單一,未能考慮多種充電模式切換所致動(dòng)態(tài)信息變化帶來的影響.文獻(xiàn)[31]進(jìn)一步考慮系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)演化,提出基于事件的優(yōu)化模型及其策略迭代算法,實(shí)現(xiàn)分布式風(fēng)力發(fā)電與電動(dòng)汽車充電的協(xié)調(diào)優(yōu)化.

2.3 基于新型信息能源耦合主體的優(yōu)化

隨著通信網(wǎng)絡(luò)與能源終端的廣泛互聯(lián),邊緣計(jì)算能力向終端下沉,能源終端逐漸具備更強(qiáng)的傳輸和處理數(shù)據(jù)的能力,多種信息能源深度耦合的新型能源主體應(yīng)運(yùn)而生.能源主體中能源產(chǎn)消角色一體化的轉(zhuǎn)變、智慧程度的提升,改變了能源系統(tǒng)自上而下的優(yōu)化模式,使得優(yōu)化具有顯著的分布式特征.

文獻(xiàn)[32]提出一種能源產(chǎn)消一體、多能耦合的能源主體,針對(duì)該能源主體提出一種分布式一致性交替方向乘子法算法,解決了能源互聯(lián)網(wǎng)的最優(yōu)能量管理問題.文獻(xiàn)[33]考慮信息物理融合特性,構(gòu)建計(jì)及產(chǎn)消者交互的局域和廣域兩級(jí)協(xié)同優(yōu)化架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)消雙方電力資源最優(yōu)分配.該文獻(xiàn)只考慮電力與信息深度融合,考慮多種能源與信息深度融合的優(yōu)化問題仍有待深入研究.文獻(xiàn)[34]對(duì)能源樞紐的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行和優(yōu)化進(jìn)行了研究.在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[35]基于改進(jìn)的等增量消耗原理,提出一種兼顧安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的能源樞紐雙重優(yōu)化控制方案.文獻(xiàn)[36]研究以能源路由器為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)分布式設(shè)備協(xié)調(diào)優(yōu)化及能量調(diào)度分配問題.文獻(xiàn)[37]研究以能源轉(zhuǎn)換中心為樞紐的智能船舶綜合能源系統(tǒng),提出可容納復(fù)雜干擾的分布式優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了智能船舶綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度.該文獻(xiàn)充分利用能源信息深度融合特性,考慮數(shù)據(jù)的預(yù)處理和特征提取,為研究信息能源深度融合下的能源系統(tǒng)優(yōu)化提供了有益的參考.文獻(xiàn)[38]在建立家庭能源局域網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上,采用模型預(yù)測(cè)控制方法,實(shí)現(xiàn)該能源局域網(wǎng)的在線能量?jī)?yōu)化管理.

2.4 研究展望

現(xiàn)有研究依托多種類型信息,結(jié)合遺傳算法等智能優(yōu)化算法、混合整數(shù)線性規(guī)劃等方法,實(shí)現(xiàn)了信息能源系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行.國(guó)家發(fā)改委和能源局發(fā)布的《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016-2030)》中指出“能源新技術(shù)與現(xiàn)代信息、材料和先進(jìn)制造技術(shù)深度融合,···,將帶來人類生產(chǎn)生活方式深刻變化”的能源網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì),提出了“集中攻關(guān)能源互聯(lián)網(wǎng)核心裝備技術(shù)、系統(tǒng)支撐技術(shù),重點(diǎn)推進(jìn)面向多能流的能源交換路由器技術(shù)、···、能源大數(shù)據(jù)技術(shù)”的技術(shù)要求.隨著通信技術(shù)的發(fā)展,海量數(shù)據(jù)涌入將大大降低現(xiàn)有方法的準(zhǔn)確性和高效性.因此,考慮海量數(shù)據(jù)對(duì)于優(yōu)化過程的影響,研究具備高效數(shù)據(jù)處理能力的智能優(yōu)化方法是具有研究前景的課題.同時(shí),隨著信息能源融合程度的加深,能源主體、能源交換路由器等的智慧性和自主性逐步提升,系統(tǒng)內(nèi)多能源主體的交互將更加復(fù)雜多樣,因此未來的研究需要考慮更復(fù)雜多樣的交互機(jī)制,研究多能源主體間的分布式優(yōu)化方法.

3 多能源主體的信息一致控制

控制是多能源主體的必要環(huán)節(jié),如何利用恰當(dāng)有效的信息一致控制以保證和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定且高效靈活運(yùn)行是一個(gè)重要的研究目標(biāo).截至2020 年8 月,我們檢索到相關(guān)論文315 篇.如圖6 所示,核心關(guān)鍵詞“可再生能源”與“控制”相互結(jié)合,表明此研究方向得到了眾多學(xué)者的關(guān)注.而從研究方法的角度來看,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,關(guān)鍵詞“協(xié)同控制”、“智能控制”、“預(yù)測(cè)控制”、“優(yōu)化控制”等成為關(guān)注熱點(diǎn).其中,在2015 年,文獻(xiàn)[11]探討了應(yīng)用多智能體解決能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域參數(shù)協(xié)同控制問題,在該領(lǐng)域獲得了較高關(guān)注.

圖6 控制相關(guān)領(lǐng)域的聚類Fig.6 Clustering of control related fields

上述分析結(jié)果表明,“比特”信息不僅僅只體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上,還體現(xiàn)在邊緣上先進(jìn)的控制優(yōu)化算法上,這些都是“比特驅(qū)動(dòng)”的一部分.其中,通過分布式的無通信連接的控制方法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的按容量比例分擔(dān),是多能源網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)關(guān)鍵問題.這在很大程度上能降低網(wǎng)絡(luò)的投資成本,同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈活擴(kuò)展性.另外,針對(duì)下垂控制方法存在功率分擔(dān)的不精確性,基于多智能體一致性理論的分布式方法應(yīng)運(yùn)而生.考慮到工業(yè)過程往往具有非線性、時(shí)變性、強(qiáng)耦合和不確定性等特點(diǎn),預(yù)測(cè)控制在工業(yè)實(shí)踐過程中逐漸發(fā)展起來.針對(duì)協(xié)同一致控制的研究,眾多科研人員根據(jù)研究方法差異,將其分為多能源終端的分布式協(xié)同控制、信息能源終端的智能優(yōu)化控制以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式能源預(yù)測(cè)控制三類.

3.1 多能源終端的分布式協(xié)同控制

考慮信息網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬和時(shí)延方面的限制,部分學(xué)者基于局部信息的分布式協(xié)同控制規(guī)律,從穩(wěn)定性和安全性角度對(duì)多能源終端的綜合能源系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[16]采取一定的分布式協(xié)同控制策略,實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)功率的優(yōu)化調(diào)度和協(xié)調(diào)分配,同時(shí)使控制系統(tǒng)輸出相角和頻率偏差穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),保證了網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行.然而并沒有考慮通信、變時(shí)延等問題,面對(duì)實(shí)際工程中通信問題和更多的不確定因素,其與實(shí)際應(yīng)用推廣還有很大的距離.文獻(xiàn)[39]較早提出并研究一種含有單相/單相可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其在孤島時(shí)的功率分擔(dān)協(xié)同控制策略.但提出的解決方案需要額外安裝功率分配單元(Power sharing unit,PSU)設(shè)備,這將會(huì)增加額外成本.進(jìn)一步地,文獻(xiàn)[40]提出了一種基于多智能體系統(tǒng)的事件觸發(fā)混合控制方法,并建立了4 種差分混合Petri 網(wǎng)控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)分層混合控制.考慮到綜合能源系統(tǒng)[41]之間的相互作用更加靈活和復(fù)雜,文獻(xiàn)[42]建立了集成電力和供熱系統(tǒng)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)一體化模型.此外,文獻(xiàn)[43]通過研究混合能源系統(tǒng)的狀態(tài)偏移率,通過分析策略選擇最優(yōu)運(yùn)行模式,該研究為充分利用熱電聯(lián)產(chǎn)的調(diào)節(jié)能力提供了一種有效的方法.

3.2 信息能源終端的智能優(yōu)化控制

隨著信息網(wǎng)絡(luò)與能源網(wǎng)絡(luò)的深度融合,數(shù)據(jù)處理能力向能源終端下沉,終端具備更強(qiáng)的與環(huán)境交互的能力,智能性逐步提升,這種變化使得信息能源終端的智能優(yōu)化控制[44?45]成為研究的熱點(diǎn).具體地,針對(duì)能量管理問題,文獻(xiàn)[46]設(shè)計(jì)了基于模糊邏輯的能量管理優(yōu)化控制器,合理分配雙能量源存儲(chǔ)系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容兩者的功率,使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能.在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[47]設(shè)計(jì)了多智能體的有向協(xié)同控制律,這可以應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)區(qū)域的信息優(yōu)化采集.進(jìn)一步地,文獻(xiàn)[48]將能量管理問題轉(zhuǎn)化為隨機(jī)最優(yōu)控制問題,并用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解.但利用的是基于網(wǎng)格方法的算法,這需要大量的時(shí)間和空間來求解.文獻(xiàn)[49]提出了以風(fēng)電-儲(chǔ)能-集群空調(diào)負(fù)荷聯(lián)合輸出為滑模面的滑?？刂撇呗?這為能源互聯(lián)網(wǎng)中能量合理調(diào)配、減少儲(chǔ)能配置問題提供了新的技術(shù)途徑.但該研究側(cè)重于控制策略的仿真,在考慮虛擬儲(chǔ)能輔助調(diào)度決策方面的研究還不夠明確.

3.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式能源預(yù)測(cè)控制

隨著5G 等先進(jìn)通信技術(shù)的崛起,信息網(wǎng)絡(luò)逐漸具備超可靠低時(shí)延和超帶寬的特點(diǎn),這使得綜合能源系統(tǒng)信息的獲取和發(fā)送更具實(shí)時(shí)化,考慮具有波動(dòng)性和間歇性的大規(guī)模可再生能源發(fā)電的接入所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息的預(yù)測(cè)控制[50]逐漸成為研究熱點(diǎn).具體地,考慮到新能源出力波動(dòng)或負(fù)荷投切等導(dǎo)致微網(wǎng)內(nèi)瞬時(shí)功率失衡,文獻(xiàn)[51]提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法.但該模型較復(fù)雜,收斂性未考證,沒有考慮虛擬同步發(fā)電機(jī)的出力成本,而且缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[52]提出了積分模型預(yù)測(cè)電流控制來消除電流控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,從而提高其閉環(huán)性能.文獻(xiàn)[53]提出了一種新的多能源系統(tǒng)通用建?？蚣?特別適合(但不限于)預(yù)測(cè)控制應(yīng)用,但仍然局限于能量交換區(qū)方法.這使得串聯(lián)連接的建模成為一項(xiàng)繁瑣的任務(wù).進(jìn)一步地,為促進(jìn)可再生能源的使用,文獻(xiàn)[54]利用區(qū)域鍋爐的全局模型,模型預(yù)測(cè)控制器生成最優(yōu)指令序列,使得化石燃料消耗、二氧化碳排放量和運(yùn)行成本顯著降低.文獻(xiàn)[55]基于PID與模型預(yù)測(cè)控制器相結(jié)合控制室內(nèi)溫度的方案,降低了能源消耗.

3.4 研究展望

上述分析結(jié)果表明,現(xiàn)有研究結(jié)合多能源終端的分布式協(xié)同控制,信息能源終端的智能優(yōu)化控制以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式能源預(yù)測(cè)控制等來實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.其中,美國(guó)工程院院士G.Heydt 聯(lián)合三位IEEE Fellow 在國(guó)際權(quán)威刊物Proceedings of the IEEE上指出“分布式多智能體協(xié)同控制方法是解決能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)問題的重要方向”.但在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過程中,還有一些困境問題和未來趨勢(shì)有待深入和完善.例如,隨著5G 等先進(jìn)通信技術(shù)的發(fā)展,大規(guī)模的問題不再受現(xiàn)有平臺(tái)計(jì)算能力和問題計(jì)算復(fù)雜性的限制,可以實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化控制.同時(shí),隨著信息與能源網(wǎng)絡(luò)融合程度的加深,能源主體更具智慧和自主能力,多能源主體交互的網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜.因此,在此基礎(chǔ)上如何全面地分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性并從理論上給出設(shè)計(jì)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的指導(dǎo)方法仍然值得深入研究.

4 用戶行為驅(qū)動(dòng)優(yōu)化管理

作為能源終端的用戶側(cè)是信息能源網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié),如何利用先進(jìn)的信息技術(shù)以及能源市場(chǎng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的能源管理效力,進(jìn)一步提高能源網(wǎng)絡(luò)的靈活性是一個(gè)重要的研究方向.截至2020 年8 月,我們檢索到相關(guān)論文840 篇.如圖7 所示,核心關(guān)鍵詞“需求側(cè)管理”與“能源市場(chǎng)”相互結(jié)合,表明此研究方向得到了眾多學(xué)者的關(guān)注.而從研究對(duì)象的角度來看,由于對(duì)象模型以及對(duì)系統(tǒng)影響的差異性,關(guān)鍵詞“需求側(cè)”、“分布式電網(wǎng)”、“綜合能源系統(tǒng)”、“Energy Internet”等成為關(guān)注熱點(diǎn).文獻(xiàn)[56]在2004 年提出了考慮用戶滿意度的需求側(cè)管理價(jià)格決策模型,較早地將能源市場(chǎng)與用戶管理進(jìn)行結(jié)合.而Huang 等[10]在2011 年提出能源互聯(lián)網(wǎng)概念,并提出通過信息與電力電子技術(shù)結(jié)合、能量雙向流動(dòng)等手段提高用戶在能源網(wǎng)絡(luò)中的參與度,獲得了能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注.

上述分析結(jié)果表明,隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及與能源系統(tǒng)的結(jié)合,能源系統(tǒng)優(yōu)化管理也整體呈現(xiàn)出扁平化的趨勢(shì),用戶在能源市場(chǎng)中的參與度大大提升,“比特”推進(jìn)了相應(yīng)的“瓦特變革”.高速低時(shí)延的通信技術(shù)是需求側(cè)大規(guī)模參與能源管理的基礎(chǔ);大數(shù)據(jù)技術(shù)為用戶行為驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化管理提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持;同時(shí),邊緣計(jì)算、云計(jì)算等技術(shù)降低了用戶參與所需的信息處理成本.在多種先進(jìn)信息技術(shù)的支持下,能源系統(tǒng)管理模式從過去的市場(chǎng)集中管理發(fā)展為用戶行為驅(qū)動(dòng)主導(dǎo),管理方式由集中式發(fā)展向分布式過渡,對(duì)應(yīng)研究的能源系統(tǒng)逐漸從大電網(wǎng)發(fā)展到分布式電網(wǎng),進(jìn)而發(fā)展為多能耦合的綜合能源系統(tǒng).針對(duì)優(yōu)化管理的研究,眾多科研人員針對(duì)不同類型的能源系統(tǒng)模型以及不同的能源市場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)研究對(duì)象差異與“瓦特變革”的發(fā)展趨勢(shì),可以分為直接需求側(cè)、分布式電網(wǎng)以及綜合能源系統(tǒng)三類.

圖7 管理相關(guān)領(lǐng)域的聚類Fig.7 Clustering of manage related fields

4.1 直接需求側(cè)管理與市場(chǎng)調(diào)節(jié)

大數(shù)據(jù)技術(shù)的推進(jìn)與應(yīng)用為能源系統(tǒng)提供了更精準(zhǔn)的用戶行為畫像.部分研究從需求側(cè)的角度出發(fā),探討對(duì)基于用戶行為的直接調(diào)節(jié)會(huì)對(duì)大型電力網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)與運(yùn)行產(chǎn)生的影響.薛禹勝等[57]在2007 年討論可中斷負(fù)荷市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償模型及報(bào)價(jià)清算規(guī)則,并且對(duì)可中斷負(fù)荷的市場(chǎng)引導(dǎo)方式進(jìn)行分類分析,但用戶在能源市場(chǎng)中的功能較為單一.在此基礎(chǔ)上,盧強(qiáng)等[58]在2014 年討論了市場(chǎng)與用戶之間的關(guān)系,梳理了博弈論在需求側(cè)管理中的應(yīng)用,推進(jìn)了博弈論在能源市場(chǎng)中的應(yīng)用.文獻(xiàn)[59]提出了一種改進(jìn)混沌優(yōu)化的遺傳算法并應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,為需求側(cè)管理提供了方法支持.文獻(xiàn)[60]建立了以年為單位的長(zhǎng)期優(yōu)化策略,在考慮需求側(cè)的前提下針對(duì)季節(jié)性儲(chǔ)能的變化進(jìn)行分析.

4.2 分布式電網(wǎng)的能源市場(chǎng)與用戶管理

隨著新能源的開發(fā)以及低時(shí)延通信技術(shù)的發(fā)展,越來越多的研究開始關(guān)注于在新能源參與下,能源供給與需求呈現(xiàn)分布式的能源市場(chǎng)與用戶行為管理.文獻(xiàn)[61]提出了一種經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗(yàn)的多準(zhǔn)則模糊算法并應(yīng)用于包含光伏的需求側(cè)管理中,但并未考慮能源市場(chǎng)的變化.在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[62]提出了基于多代理系統(tǒng)的微電網(wǎng)能量管理策略,利用市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略來實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理.文獻(xiàn)[63]在考慮動(dòng)態(tài)能源價(jià)格和用戶滿意度的情況下討論了含風(fēng)電的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度,將發(fā)電資源與負(fù)荷資源共同進(jìn)行協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的消納,但文章并未將用戶作為行為主體進(jìn)行討論.文獻(xiàn)[64]提出了基于多智能體的微網(wǎng)群內(nèi)電力市場(chǎng)交易策略,通過使用單純形法和博弈論納什均衡解來確定最優(yōu)售電方案,再通過求解需求側(cè)最優(yōu)購電模型來確定最優(yōu)購電方案.文獻(xiàn)提供了一種微電網(wǎng)中用戶深度參與市場(chǎng)交易的方式,但在獎(jiǎng)懲機(jī)制與博弈方式上還有進(jìn)一步挖掘的空間.

4.3 綜合能源系統(tǒng)的能源市場(chǎng)與用戶管理

在諸如5G、云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)的支撐下,不同能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的越來越緊密,更多的研究專注于在多能耦合的網(wǎng)絡(luò)中能源市場(chǎng)的變化以及如何進(jìn)一步提高用戶參與度.Lund 等[65]在2006 年首次在綜合能源系統(tǒng)中利用區(qū)域能源市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)度與需求側(cè)管理,文章從區(qū)域監(jiān)管機(jī)制的角度出發(fā),利用相應(yīng)機(jī)制驅(qū)動(dòng)用戶行為.并且多角度分析了增加系統(tǒng)靈活性的方法,并最終給出了一種利用熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined heat and power,CHP)對(duì)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行消納的方式.基于文獻(xiàn)[65],文獻(xiàn)[66]進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的靈活性.文獻(xiàn)[67]建立了針對(duì)小規(guī)模冷-熱-電系統(tǒng)的矩陣優(yōu)化模型,為基于市場(chǎng)的綜合能源系統(tǒng)需求側(cè)管理提供模型基礎(chǔ),但對(duì)能源市場(chǎng)的變化與用戶的行為模式缺乏分析.文獻(xiàn)[68]給出了一種考慮多種不確定性的綜合能源系統(tǒng)投資評(píng)價(jià)方式,利用數(shù)據(jù)分析了用戶行為對(duì)投資價(jià)值的影響.文獻(xiàn)[17]進(jìn)一步探究綜合能源系統(tǒng)特性,提出了針對(duì)多時(shí)間尺度多能量形式的調(diào)度策略,利用能源特性與動(dòng)態(tài)市場(chǎng)機(jī)制驅(qū)動(dòng)用戶行為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度.但在綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度多能量形式特性上還存在繼續(xù)挖掘的空間.文獻(xiàn)[18,69]則從市場(chǎng)的角度深入分析了能源互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在的發(fā)展及未來的發(fā)展方向,為綜合能源系統(tǒng)的能源市場(chǎng)后續(xù)研究提供了思路.

4.4 研究展望

從上述分析中可以看到,基于先進(jìn)信息技術(shù),現(xiàn)有研究中用戶側(cè)更加積極地與市場(chǎng)側(cè)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化管理,同時(shí)用戶參與的能源從電能也擴(kuò)展到了綜合能源系統(tǒng).國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》中也提到“構(gòu)建以多能融合、開放共享、雙向通信和智能調(diào)控為特征,各類用能終端靈活融入的微平衡系統(tǒng)”.但在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過程中,還存在諸多待解決的問題,例如隨著用戶側(cè)的參與程度增加,如何對(duì)用戶側(cè)實(shí)施合理且有效的約束,保證用戶側(cè)的信息安全與能源質(zhì)量.由于綜合能源系統(tǒng)中能源類型不同,生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)都存在著不同的時(shí)間尺度與特性,用戶與市場(chǎng)如何利用如智能算法、邊緣計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)多能耦合智能優(yōu)化管理,都是未來具有研究前景的新課題.

5 信息能源深度融合系統(tǒng)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)逐漸滲透能源行業(yè),為能源行業(yè)帶來巨大的變革,能源系統(tǒng)受到傳感、監(jiān)控、控制、能量管理及調(diào)度等信息的作用,反映出在信息流對(duì)能量流的強(qiáng)耦合融合背景下,能源互聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的新一代信息能源系統(tǒng)的形態(tài).截至2020 年8 月,我們檢索到相關(guān)論文86 篇.如圖8 所示,“建?！币约啊熬W(wǎng)絡(luò)攻擊”與“信息安全”相互結(jié)合的核心關(guān)鍵詞表明這兩個(gè)研究方向得到了眾多學(xué)者的關(guān)注.而從研究類型的角度來看,關(guān)鍵詞“Cyberphysical energy system”、“Cyber-physical-social system”等成為關(guān)注熱點(diǎn).在2010 年,文獻(xiàn)[70]中Ili? 等提出了一種依賴于支持物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的動(dòng)力學(xué)模型,較早地將快速發(fā)展的能源系統(tǒng)建模為基于網(wǎng)絡(luò)的物理系統(tǒng),后續(xù)眾多研究者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了更為深入的研究.

圖8 CPS 相關(guān)領(lǐng)域的聚類Fig.8 Clustering of CPS related fields

上述分析結(jié)果表明,隨著信息技術(shù)和能源系統(tǒng)融合逐步深入,能源系統(tǒng)正迅速發(fā)展成為復(fù)雜的信息能源融合系統(tǒng),要實(shí)現(xiàn)未來能源系統(tǒng)的目標(biāo),就必須系統(tǒng)地嵌入能夠監(jiān)測(cè)、通信和控制不斷發(fā)展的物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù).從論文的關(guān)鍵詞可以看出,能源系統(tǒng)必須表現(xiàn)出適應(yīng)性的性能,如靈活性、效率、可持續(xù)性、可靠性和安全性.不同能源實(shí)體之間日益復(fù)雜的相互作用需要一個(gè)安全、高效和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施.針對(duì)這個(gè)方向,多數(shù)研究者基于信息能源融合系統(tǒng)建模與仿真、信息能源融合系統(tǒng)綜合安全和信息物理能源系統(tǒng)(Cyber-physical energy systems,CPES)及信息物理社會(huì)系統(tǒng)(Cyber-physical-social systems,CPSS)進(jìn)行了研究.

5.1 信息能源融合系統(tǒng)建模與仿真

信息能源融合系統(tǒng)的建模與仿真是信息能源融合系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一,許多文獻(xiàn)在系統(tǒng)異構(gòu)問題、信息系統(tǒng)時(shí)間特性、信息模型等方面取得了一定成果.文獻(xiàn)[71]在分析了對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行信息物理融合建模與評(píng)估的必要性去驅(qū)動(dòng)力后,提出了一種信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical system,CPS)融合建模構(gòu)想.文獻(xiàn)[72]提出了一種基于區(qū)塊鏈的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)設(shè)施模型.文獻(xiàn)[73]描述了分別基于連續(xù)時(shí)間和離散事件的網(wǎng)絡(luò)物理能量系統(tǒng)模型,說明了兩種基本不同的建模原則的優(yōu)缺點(diǎn).文獻(xiàn)[74]根據(jù)自能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了一種基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(Generative adversarial networks,GAN)技術(shù)的數(shù)據(jù)-機(jī)理混合驅(qū)動(dòng)方法對(duì)自能源模型參數(shù)辨識(shí).文獻(xiàn)[75]研究智能電力系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)監(jiān)控通信策略的設(shè)計(jì)問題,并且在廣泛使用的商用工具PSCAD 中提供一個(gè)嵌入式仿真環(huán)境.文獻(xiàn)[76]提出了一種基于高層體系結(jié)構(gòu)(High level architecture,HLA) 的電力與通信技術(shù)(Information and communications technology,ICT)系統(tǒng)實(shí)時(shí)評(píng)估協(xié)同仿真環(huán)境(IEEE Standard 1516-2010),認(rèn)為基于連續(xù)時(shí)間的電力系統(tǒng)仿真和基于離散事件的信息和通信技術(shù)(ICT)網(wǎng)絡(luò)仿真是研究未來智能電網(wǎng)的關(guān)鍵.

5.2 信息能源融合系統(tǒng)綜合安全

CPS 借助大量傳感設(shè)備與復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)使現(xiàn)代電力系統(tǒng)形成一個(gè)實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制與信息服務(wù)的多維異構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng),信息流交互使得信息能源融合系統(tǒng)面臨更多潛在威脅.文獻(xiàn)[77]提出了電力CPS 領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)攻擊的定義,從通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)攻擊目的兩方面對(duì)攻擊行為進(jìn)行分類.文獻(xiàn)[78]介紹了CPS 的概念與安全現(xiàn)狀,給出了CPS 綜合安全的定義;提出了CPS 的綜合安全威脅模型;對(duì)現(xiàn)有CPS 攻擊和防御方法進(jìn)行了分類和總結(jié),并探討CPS 綜合安全的研究方向.文獻(xiàn)[79]提出了一種新的基于區(qū)間狀態(tài)預(yù)測(cè)器的防御機(jī)制來有效地檢測(cè)惡意攻擊.研究者提出了一種基于深度置信網(wǎng)絡(luò)(Deep belief network,DBN)的電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法,這種方法可以減少預(yù)測(cè)誤差.然而,由于天氣系統(tǒng)的混沌性和不穩(wěn)定性,預(yù)報(bào)誤差是不可避免的.為了進(jìn)一步闡明跨空間連鎖故障對(duì)電力 CPS 安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害,文獻(xiàn)[80]提出一種基于改進(jìn)攻擊圖的量化評(píng)估方法.文獻(xiàn)[81]在傳統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)注入攻擊的基礎(chǔ)上,提出了一種考慮能量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性且可以用來描述惡意攻擊者的攻擊行為的動(dòng)態(tài)攻擊模型.文獻(xiàn)[82]分析了CPS 的基本概念和特征,并對(duì)CPS 的體系架構(gòu)、中間件系統(tǒng)、實(shí)時(shí)性、安全和隱私等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說明.文獻(xiàn)[83]提出了一種分布式多智能體方案來檢測(cè)和識(shí)別電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)威脅.

5.3 CPES 及CPSS

一些研究者考慮能夠充分感知環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)信息,對(duì)能源生產(chǎn)和消耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè),統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度和控制的CPES 以及CPS 中因存在人和社會(huì)層面而提出的CPSS.薛禹勝等在文獻(xiàn)[84]中研究了電力(能源)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用,并通過若干課題的研究,歸納大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)提高能源流在不同時(shí)間尺度及空間中的經(jīng)濟(jì)性與可靠性的作用與途徑.文獻(xiàn)[85]提出了由電網(wǎng)信息物理融合建模技術(shù)、電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)分析方法、基于融合模型的電網(wǎng)控制技術(shù)、基于融合模型的形式化驗(yàn)證4 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)組成的研究體系.而文獻(xiàn)[86]從并行調(diào)度的角度系統(tǒng)地提出了基于復(fù)雜CPSS 的能源互聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)度概念和框架,并深入研究了如何利用智能人工社會(huì)建模實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的并行調(diào)度與控制,同時(shí)考慮了人為因素和社會(huì)因素,這是對(duì)單一智能廣域機(jī)器人概念的重大延伸和理論改進(jìn).而文獻(xiàn)中的研究對(duì)象是群并行調(diào)度機(jī)器人(Parallel dispatching robot,PDR),無論是名義模型還是鏡像模型,都必須是一個(gè)具有并行計(jì)算能力的分布式建模與仿真系統(tǒng).這與很多電力系統(tǒng)仿真軟件平臺(tái)采用集中建模和集中離線仿真方法的軟件平臺(tái)有本質(zhì)區(qū)別.Wang 在文獻(xiàn)[87]中提出必須增加和解決CPS 中存在的人與社會(huì)層面.人與社會(huì)的動(dòng)態(tài)應(yīng)被視為任何有效的CPS 設(shè)計(jì)和運(yùn)行的一個(gè)組成部分,CPS 中引入“社會(huì)”具有一定合理性.

5.4 研究展望

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)于CPS 的研究情況整體來說還處于發(fā)展的初期,有待成熟化.2018 年薛禹勝在《能源評(píng)論》 中提出:未來要拓展到更大的物理系統(tǒng)中,要從電力系統(tǒng)向它的上游拓展,要研究煤炭、風(fēng)電等不同類型的能源品類出力變化的關(guān)聯(lián)、可再生能源的波動(dòng)性如何引起負(fù)荷和一次能源的不平衡與損失等.由此可見,推動(dòng)CPS 和多能源融合發(fā)展是信息能源融合系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì).從CPS 的應(yīng)用角度,如何將通信、計(jì)算和控制能力嵌入能源設(shè)備,應(yīng)用于各類能源系統(tǒng),得出有效的智能設(shè)備和自治系統(tǒng),如何針對(duì)信息系統(tǒng)和能源系統(tǒng)進(jìn)行合理建模并對(duì)新的系統(tǒng)模型搭建與之相適應(yīng)的、合理的仿真算法,如何在大型工業(yè)系統(tǒng)中充分考慮CPS 的安全和隱私等都是亟需解決的問題.

6 結(jié)論

信息與能源的深度融合將有效提高能源系統(tǒng)的安全高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力,增強(qiáng)可再生能源的接納能力,提高用戶的參與程度,加強(qiáng)能源系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性,推動(dòng)未來能源系統(tǒng)的高速發(fā)展.本文運(yùn)用科學(xué)知識(shí)圖譜的方法,對(duì)CNKI 和WoS 所載2000～ 2020 年文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析,獲取信息能源系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)分布,并深入挖掘其內(nèi)在聯(lián)系和潛在趨勢(shì).在當(dāng)前的研究中,依托于我國(guó)在能源領(lǐng)域較為領(lǐng)先的研究基礎(chǔ),在以清潔、環(huán)保為目標(biāo)的能源轉(zhuǎn)型的迫切需求以及互聯(lián)網(wǎng)良好的發(fā)展生態(tài)的背景下,以“比特驅(qū)動(dòng)瓦特”的研究在能源系統(tǒng)的控制、優(yōu)化、管理等多個(gè)層面都取得了較大的進(jìn)展,同時(shí)信息能源深度耦合的影響研究也獲得了諸多關(guān)注.未來,在包含泛在感知、數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算等技術(shù)在內(nèi)的新基建大力推進(jìn)下,如何以清潔、高效、經(jīng)濟(jì)、智慧的能源系統(tǒng)支撐能源需求高速增長(zhǎng)的信息系統(tǒng)的發(fā)展,并通過信息能源系統(tǒng)的耦合,實(shí)現(xiàn)對(duì)能源數(shù)據(jù)價(jià)值的充分挖掘都是未來具有廣闊科研前景和重大國(guó)家需求的新課題.