能源轉(zhuǎn)型視角下城市能源系統(tǒng)的形態(tài)演化及運(yùn)行調(diào)控

賈宏杰，穆云飛，侯 愷，徐憲東，王梓博，余曉丹

（1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072；2.天津市智慧能源與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072）

0 引言

隨著人類社會(huì)文明的發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加速［1］，用能負(fù)荷密度不斷提高，城市成為現(xiàn)代社會(huì)能源消費(fèi)最為集中的區(qū)域［2］。城市能源系統(tǒng)（urban energy system，UES）是指以柔性可控的各級(jí)配電網(wǎng)為核心，通過能源耦合設(shè)備與城市燃?xì)?、供熱等多種形式能源網(wǎng)絡(luò)靈活互聯(lián)而形成的城市綜合能源供給系統(tǒng)。UES向上承接上級(jí)電力主網(wǎng)、輸氣網(wǎng)和集中式供熱站的能源輸入，向下承擔(dān)各類終端用戶的供能需求，是城市能源供應(yīng)的核心。通過對(duì)UES中多種形式能源的集成優(yōu)化、協(xié)同互補(bǔ)，可有效提升能源的綜合利用效率，促進(jìn)可再生能源消納，提高能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、環(huán)保性等。

在能源轉(zhuǎn)型背景下，UES能源供應(yīng)/消費(fèi)日益多元化（電/氣/冷/熱環(huán)節(jié)不斷融合［3-4］、能源系統(tǒng)與智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施深度融合［5］等），清潔化（可再生能源消納、交通運(yùn)輸電氣化、電能替代等），智能化（信 息 物 理 系 統(tǒng)（cyber-physical system，CPS）融合等）［6］。

推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型，加速UES低碳化進(jìn)程，已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)［7］。如日本橫濱的Smart City項(xiàng)目，通過家庭、建筑、區(qū)域的能量管理系統(tǒng)3層聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大容量可再生能源并網(wǎng)，提升了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性［8］；文獻(xiàn)［3，7］對(duì)比分析了UES建模、規(guī)劃設(shè)計(jì)及能耗分析工具的功能和特性，結(jié)合案例分析，為相關(guān)工具的開發(fā)及應(yīng)用提供了參考；文獻(xiàn)［9］以中國蘇州市為例，提出了基于解釋結(jié)構(gòu)模型及層次分析法的工業(yè)型UES綜合評(píng)價(jià)體系，為UES的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供指導(dǎo)。

伴隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展，UES在滿足城市日益增長用能需求的同時(shí)，還面臨著能源轉(zhuǎn)型帶來的諸多挑戰(zhàn)。一方面，為提高能源綜合利用效率、降低污染物排放，UES中各類分布式能源（distributed energy resource，DER）獲得大力推廣，如冷熱電聯(lián)供（CCHP）、分布式光伏（PV）、風(fēng)電（WT）、電轉(zhuǎn)氣（P2G）、分布式儲(chǔ)能（DES）、電動(dòng)汽車（EV）等［10-11］。DER理論上可增加UES的調(diào)控手段，提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，但也給UES引入更多不確定性（如PV、WT輸出存在隨機(jī)性和間歇性，EV充放電過程存在不確定性等），使UES的運(yùn)行狀況更為復(fù)雜［12-13］；同時(shí)，由于DER投資運(yùn)營主體各異，彼此之間往往缺乏有機(jī)協(xié)調(diào)，增加了UES運(yùn)行調(diào)控的難度和復(fù)雜性［14］。2019年發(fā)生在美國紐約和英國倫敦的大停電事故［15-16］，都表明現(xiàn)代UES的安全性、靈活性和韌性均有待進(jìn)一步提升。

與此同時(shí)，飛速發(fā)展的信息與通信技術(shù)（information and communications technology，ICT）正改變著人們的生產(chǎn)和生活方式［17］。ICT可為UES提供更多量測(cè)信息、運(yùn)行優(yōu)化和調(diào)控手段，使UES運(yùn)行狀態(tài)的感知更精準(zhǔn)、運(yùn)行成本更低廉、優(yōu)化手段更多樣、調(diào)控方式更靈活［18］。ICT與UES的融合，將構(gòu)成一個(gè)典型的CPS［19］。信息和物理系統(tǒng)之間存在著復(fù)雜交互，一個(gè)子系統(tǒng)中的擾動(dòng)，若未能及時(shí)調(diào)控，則可能在不同能源子系統(tǒng)中傳播，從而引發(fā)整個(gè)UES的癱瘓［20］。為此，CPS的運(yùn)行調(diào)控，需關(guān)注物理和信息系統(tǒng)各類擾動(dòng)之間的相互影響和故障傳播機(jī)理［21］。此外，如何提升UES智能化水平，以適應(yīng)日益增長的多元化用能需求；如何通過多種能源的互補(bǔ)優(yōu)化，降低用能成本；如何實(shí)現(xiàn)UES與其他基礎(chǔ)設(shè)施（如建筑、交通、社區(qū)等）的有機(jī)銜接，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展等，都是UES運(yùn)行調(diào)控面臨的挑戰(zhàn)［22］。

為此，本文面向能源轉(zhuǎn)型視角下的UES，針對(duì)未來發(fā)展多要素融合后所帶來的運(yùn)行調(diào)控問題，從系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷出現(xiàn)的新要素、新特征及其復(fù)合影響下的系統(tǒng)形態(tài)演變?nèi)胧?，重點(diǎn)闡述UES的分區(qū)互聯(lián)化演化形態(tài)及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控帶來的各類挑戰(zhàn)，并對(duì)相關(guān)技術(shù)問題的研究方向提出了一些見解和觀點(diǎn)，希望能為能源轉(zhuǎn)型下的UES運(yùn)行調(diào)控理論與技術(shù)的發(fā)展提供有益的思考和借鑒。

1 UES的形態(tài)演化

1.1 UES形態(tài)演化驅(qū)動(dòng)力

在能源、環(huán)保、信息技術(shù)發(fā)展以及能源市場(chǎng)不斷變革等因素的共同推動(dòng)下，UES源-網(wǎng)-荷各側(cè)都將發(fā)生巨大變化，如表1所示。

表1 UES源-網(wǎng)-荷各側(cè)形態(tài)演化Table 1 Morphological evolution of each side of source,network and load for UES

在源端，隨著高滲透率DER的接入，UES中的配電網(wǎng)已由單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)（自上而下的單向供需關(guān)系）逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€(gè)產(chǎn)用能節(jié)點(diǎn)之間雙端乃至多端電源供電結(jié)構(gòu)［23］。DER接入所帶來的配電網(wǎng)有源性提升［24］將給UES帶來多方面的影響。一方面，DER為UES提供了一定的功率輸出，在故障發(fā)生時(shí)，對(duì)負(fù)荷的變化跟蹤將更加靈活，可靠性可得到明顯改善，有助于更加靈活地消納可再生能源；但另一方面，DER出力的強(qiáng)間歇性，也會(huì)給UES帶來更多隨機(jī)擾動(dòng)，此時(shí)供需平衡、安全穩(wěn)定運(yùn)行將面臨新的挑戰(zhàn)［25］。

在荷側(cè)，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出給能源系統(tǒng)帶來了變革性挑戰(zhàn)，電能替代成為UES荷側(cè)發(fā)展的重要形式，電動(dòng)汽車、空調(diào)等柔性負(fù)荷接入比例不斷提升，UES源-網(wǎng)-荷耦合互動(dòng)特性日益凸顯。例如，借助源-荷間協(xié)調(diào)互動(dòng)，微網(wǎng)（MG）可在滿足用戶冷/熱/電多種用能需求的同時(shí)，提高供能可靠性、降低用能成本［26］；借助ICT，可實(shí)現(xiàn)不同微網(wǎng)之間能量的端對(duì)端（P2P）交易，此時(shí)UES可視為一種分布式發(fā)電供能單元（distributed generation and energy supply unit，DGESU），其自組織形式包括微網(wǎng)、自能源網(wǎng)、產(chǎn)消者（prosumer）、能源胞體（CELL）等［27］。同時(shí)，柔性負(fù)荷具有主動(dòng)響應(yīng)能力，從而使用戶參與UES的供需互動(dòng)成為可能［28］。中國及歐美均開展了負(fù)荷虛擬電廠（VPP）的研究與應(yīng)用，其中國外側(cè)重于將虛擬電廠作為一個(gè)整體參與電力市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)決策，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠所在區(qū)域發(fā)電和用電的綜合效益最優(yōu)；而中國虛擬電廠的研究關(guān)注通過虛擬電廠的運(yùn)行調(diào)控支撐傳統(tǒng)能源與可再生能源發(fā)電之間的互補(bǔ)協(xié)同，最大程度平抑可再生能源電力的隨機(jī)性和波動(dòng)性，提升可再生能源發(fā)電消納能力和利用水平［29］。

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，柔性互聯(lián)與多能源網(wǎng)絡(luò)耦合已成為UES的重要發(fā)展趨勢(shì)。國際上正積極開展交直流柔性互聯(lián)混合配電網(wǎng)相關(guān)研究工作，如歐盟IGREENGrid項(xiàng) 目［30］、IDE4L項(xiàng) 目［31］，英 國Angle-DC項(xiàng) 目 和CLASS項(xiàng) 目［32］，美 國Flexible Interconnect Capacity Solutions（FICS）項(xiàng) 目［33］等。美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子系統(tǒng)研究中心提出了交直流配電分層連接的混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)電壓等級(jí)將配電網(wǎng)依次分為子網(wǎng)、微網(wǎng)、納網(wǎng)、皮網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò)單元之間通過電力電子裝置進(jìn)行互聯(lián)［28］。英國、瑞士及意大利等國合作開展了“Universal and Flexible Power Management”項(xiàng)目，旨在通過混合配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源的靈活管理［34］。在配電網(wǎng)中，柔性互聯(lián)裝置以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)分區(qū)柔性互聯(lián)和潮流靈活控制，主要包括智能軟開關(guān)（soft open point，SOP）、環(huán)網(wǎng)潮流控制器等。其中，SOP［35］采用可控的電力電子變換器代替基于斷路器的饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)饋線間常態(tài)化的柔性“軟連接”，提供靈活、快速、精準(zhǔn)的功率交換控制與潮流優(yōu)化能力，是一種典型的配電網(wǎng)柔性互聯(lián)設(shè)備。

基于SOP等可控電力電子變換器如圖1所示，其可在傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求建立分區(qū)柔性互聯(lián)的交直流混合配電網(wǎng)，甚至全直流配電網(wǎng)。引入直流配電網(wǎng)的意義在于可直接接入光伏、電池儲(chǔ)能、空調(diào)等大量直流源-荷-儲(chǔ)設(shè)備，避免負(fù)荷側(cè)接入數(shù)量龐大的交直流變化設(shè)備，有效降低損耗；還可解決三相不平衡問題，并有效隔離交流側(cè)擾動(dòng)和故障。因此，中國也開展了“交直流混合配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”和“基于柔性互聯(lián)的源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同主動(dòng)配電系統(tǒng)”等方面的研究，旨在實(shí)現(xiàn)城市不同供電分區(qū)之間的柔性直流互聯(lián)和交直流混合環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行控制，解決高密度可再生能源的接入問題［36-37］。

圖1 基于SOP的柔性互聯(lián)技術(shù)Fig.1 SOP-based flexible interconnection technology

同時(shí)，隨著城市不同區(qū)域各類分布式能源站的大規(guī)模建設(shè)，能源耦合設(shè)備如CCHP、P2G等也成為UES的重要多能柔性互聯(lián)設(shè)備。正常狀態(tài)下，該類設(shè)備可對(duì)城市多能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行耦合互聯(lián)，通過連續(xù)調(diào)節(jié)冷/熱/電出力，靈活控制電/氣/熱潮流，實(shí)現(xiàn)UES高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并且促進(jìn)可再生能源的高效消納；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能源耦合環(huán)節(jié)可以快速隔離故障，通過多能耦合為不同能源子系統(tǒng)提供能量支撐，進(jìn)而提高UES的安全性與經(jīng)濟(jì)性。由此可見，以能源耦合設(shè)備為核心的分布式能源站將城市配電、配氣、配水、熱力網(wǎng)絡(luò)緊密耦合在一起，多能源網(wǎng)絡(luò)耦合程度不斷增強(qiáng)。文獻(xiàn)［38］提出了基于能源集線器（EH）的系統(tǒng)形態(tài)描述方法，可通過連接多種能源供給方和需求方，優(yōu)化控制能源耦合環(huán)節(jié)，獲得不同需求下的能源供給方案。中國相繼開展了一批與綜合能源系統(tǒng)相關(guān)的研究項(xiàng)目，例如“以可再生能源為主的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”和“以電力-天然氣-熱能為核心的微能源網(wǎng)分層優(yōu)化控制策略研究”等［39］。

1.2 UES分區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)的演化

從以上分析可以看出，UES源-網(wǎng)-荷組成方案和結(jié)構(gòu)特征將隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展發(fā)生顯著變化，不同層面有源性不斷增強(qiáng)。分區(qū)自治和柔性互聯(lián)將成為未來UES形態(tài)的重要發(fā)展方向。

傳統(tǒng)UES遵循“由源及荷”的多級(jí)輻射式能量流通路徑，源-網(wǎng)-荷各司其職，但由于信息交互不完備，彼此之間缺乏有效互動(dòng)。而未來UES中，從一次側(cè)看，大量DER在不同區(qū)域密集接入，各類柔性負(fù)荷大量應(yīng)用，形態(tài)各異的DGESU大量形成，系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷角色定位變得愈加模糊。如集成了DER的DGESU，在自身用電需求得到滿足且有富余的情況下，可向電網(wǎng)或其他DGESU供電，轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)中的一個(gè)源，具備產(chǎn)消者的雙重屬性；柔性互聯(lián)設(shè)備的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)不同DGESU之間能量的靈活互動(dòng)，一定程度上促進(jìn)了可再生能源的互補(bǔ)互濟(jì)與就地消納，分區(qū)多能互補(bǔ)將成為UES一種全新的運(yùn)行模式。從二次側(cè)看，隨著“大云物移”等技術(shù)的飛速發(fā)展，UES可實(shí)現(xiàn)信息流與能源流的高效融合，系統(tǒng)全局及各分區(qū)DGESU的可觀、可控性不斷增強(qiáng)。

上述因素將導(dǎo)致UES形態(tài)從傳統(tǒng)自上而下的供用能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒁ER、DGESU、微網(wǎng)（群）、能源胞體、交直流混聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等組成的復(fù)雜分區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，各分區(qū)具備源-荷-儲(chǔ)功能，擁有自我調(diào)控能力，覆蓋范圍小到一個(gè)家庭、建筑，大到一個(gè)街區(qū)、園區(qū)，甚至城區(qū)。各分區(qū)間可通過柔性互聯(lián)設(shè)備互聯(lián)，通過UES二次環(huán)節(jié)的有效調(diào)控，實(shí)現(xiàn)分區(qū)能源自給、可再生能源消納、分區(qū)間能量交易等功能；整個(gè)UES也呈現(xiàn)出蜂窩狀分層互聯(lián)互濟(jì)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，形成以可控六邊形饋線網(wǎng)格為基礎(chǔ)的多環(huán)自相似結(jié)構(gòu)，從而具備全系統(tǒng)精細(xì)端對(duì)端能量傳輸控制能力。如圖2所示，分層互濟(jì)形態(tài)是由一個(gè)個(gè)DGESU互聯(lián)形成的復(fù)雜供能網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)DGESU均包括與終端用戶直接相連的電力、熱力、燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)供應(yīng)下轄用戶的基本能源供應(yīng)。圖中：VSC表示電壓源換流器；DR表示需求響應(yīng)；ESS表示儲(chǔ)能系統(tǒng)；DG表示分布式發(fā)電。而DGESU之間還可以通過柔性開關(guān)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)不同DGESU之間的能量交換和互補(bǔ)支撐，因而該形態(tài)下UES將具有很強(qiáng)的運(yùn)行靈活性。以其中的配電環(huán)節(jié)為例，可能含有各種DER設(shè)備、儲(chǔ)能、各類電力電子變換器等，其動(dòng)態(tài)過程既有離散特征，又有連續(xù)特征；既有快動(dòng)態(tài)過程，也有穩(wěn)態(tài)乃至中長期過程，系統(tǒng)復(fù)雜性和多態(tài)性顯著增加。此外，在DGESU內(nèi)也存在電力、熱力、燃?xì)庀到y(tǒng)的諸多融合，涉及大量機(jī)理未明確知曉或狀態(tài)不可觀等因素?？梢钥闯?，物理動(dòng)態(tài)和信息環(huán)節(jié)相互交織，系統(tǒng)運(yùn)行和能量交易過程混雜等因素，使得即使是UES的一個(gè)分區(qū)，其行為特征和運(yùn)行機(jī)理也異常復(fù)雜。

圖2 UES蜂窩狀分層互聯(lián)互濟(jì)形態(tài)Fig.2 Cellular hierarchical interconnected and mutual aid form of UES

1.3 物物融合和信物融合是UES重要特征

物物和信物融合是UES形態(tài)演化的重要特征，如圖3所示。

圖3 UES與ICT的融合發(fā)展Fig.3 Integrated development of UES and ICT

首先，以不同能源形式深度融合為代表的物物融合，是UES發(fā)展的一個(gè)顯著趨勢(shì)［40］。這一顯著變化將導(dǎo)致UES未來將發(fā)展成為一個(gè)典型的綜合能源系統(tǒng)。運(yùn)營主體也將由傳統(tǒng)的電力、燃?xì)夂蜔崃靖髯元?dú)立、分而治之的模式，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛删C合能源服務(wù)商來為用戶提供集成能源服務(wù)。在上述過程中，電力系統(tǒng)由于其自身能量變換快捷、系統(tǒng)調(diào)控靈活等優(yōu)點(diǎn)，必將成為未來UES運(yùn)行調(diào)控的核心環(huán)節(jié)。

其次，信物融合體現(xiàn)在包括能源系統(tǒng)在內(nèi)的城市基礎(chǔ)設(shè)施與ICT的深度融合，是城市發(fā)展的另一顯著趨勢(shì)。ICT的引入在提升已有基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行能力的同時(shí)，所需資金相對(duì)較少，因此成為現(xiàn)代城市基礎(chǔ)設(shè)施改造的首選。在這方面，能源互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)綜合能源系統(tǒng)與ICT的深度融合，以發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)內(nèi)在潛力，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的類互聯(lián)網(wǎng)化運(yùn)行；而智慧城市更是希望利用ICT對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施的功能實(shí)現(xiàn)再造，以滿足人類社會(huì)對(duì)未來城市的各類需求［11，41］。

最后，物物和信物融合，在運(yùn)行環(huán)節(jié)將引發(fā)UES形態(tài)結(jié)構(gòu)的顯著變化。僅從物理層面考慮UES（可稱為一次環(huán)節(jié)），其連接方式和形態(tài)結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)必然難以發(fā)生根本性的變化。這源于UES一次環(huán)節(jié)由各類物理介質(zhì)和設(shè)備組成，如SOP、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、電力彈簧、CCHP等，建設(shè)涉及大量資金投入，除非出現(xiàn)重大技術(shù)革命，否則UES一次環(huán)節(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu)演變必將非常緩慢。與一次環(huán)節(jié)相比，二次環(huán)節(jié)資金投入占比較小，卻能對(duì)整個(gè)UES效能的提升起到?jīng)Q定性作用。如裝備了各類遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、饋線終端單元（FTU）、配電終端單元（DTU）、保護(hù)設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備后，城市電網(wǎng)已成為當(dāng)今社會(huì)一個(gè)高度自動(dòng)化的電力運(yùn)行系統(tǒng)。類似于城市電網(wǎng)的這種ICT與物理設(shè)備深度融合的情況，在UES中隨時(shí)都在發(fā)生。由此可知，UES一次環(huán)節(jié)中的電/氣/冷/熱能源網(wǎng)絡(luò)主體架構(gòu)可能近期不會(huì)發(fā)生根本性變化，但可以在一些關(guān)鍵耦合點(diǎn)增加CCHP、SOP等設(shè)備，利用二次環(huán)節(jié)對(duì)其實(shí)施優(yōu)化調(diào)控。例如，利用各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間SOP的平滑柔性操控能力，可以實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)拓?fù)浜瓦B接方式的動(dòng)態(tài)調(diào)整；進(jìn)一步，結(jié)合CCHP的多能耦合與柔性調(diào)節(jié)能力，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化、效能提升、分區(qū)自治、虛擬存儲(chǔ)、故障隔離、快速恢復(fù)等功能，大大增加UES的運(yùn)行靈活性。

2 新形態(tài)下UES運(yùn)行調(diào)控的挑戰(zhàn)

物物融合和信物融合下的新形態(tài)UES，在運(yùn)行調(diào)控方面將面臨諸多挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：UES中源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)角色定位將發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，彼此間界線日漸模糊，亟待適用的分析方法來揭示這種變化對(duì)整個(gè)UES運(yùn)行調(diào)控的影響。

1）缺乏科學(xué)描述UES源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)角色定位變化的分析手段。隨著二次環(huán)節(jié)的介入和優(yōu)化，整個(gè)UES的運(yùn)行機(jī)制會(huì)有很大變化，導(dǎo)致其中源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)的角色定位將發(fā)生顯著變化，彼此界線日漸模糊。如圖4所示，未來UES中的DGESU兼具了能源供應(yīng)、能源消費(fèi)乃至能源存儲(chǔ)服務(wù)等多重功能，角色定位更為復(fù)雜。在運(yùn)行階段，不同的DGESU可借助ICT和關(guān)鍵調(diào)控設(shè)備進(jìn)行在線的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)控以達(dá)到更好運(yùn)行效果。所有這些變化均需科學(xué)的分析模型和分析手段，以揭示DGESU內(nèi)部、DGESU與DGESU之間、DGESU與UES的 復(fù)雜耦合特性和運(yùn)行規(guī)律。

圖4 包含DGESU的UESFig.4 UES with DGESU

2）缺乏刻畫UES一、二次融合運(yùn)行調(diào)控特性的量化分析手段。以往UES的電力、燃?xì)狻崃捌漭o助二次部分，均分別由各自所屬公司進(jìn)行投資建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)，進(jìn)而發(fā)展起相應(yīng)的分析方法和調(diào)控手段。分析過程中內(nèi)部不存在數(shù)據(jù)隱私保護(hù)等問題。在未來UES中，很多DGESU的內(nèi)部數(shù)據(jù)和運(yùn)行信息往往需要保密，這為系統(tǒng)分析計(jì)算和運(yùn)行優(yōu)化帶來了新的問題，目前尚不具備相應(yīng)的量化分析手段。

3）缺乏對(duì)UES互補(bǔ)調(diào)控能力的科學(xué)分析手段。UES借助ICT可提高各環(huán)節(jié)的運(yùn)行調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和虛擬儲(chǔ)能［42］，為UES提供輔助服務(wù)。盡管目前相關(guān)研究已有很多，但仍存在諸多問題亟待突破，例如：如何描述包含隨機(jī)因素的調(diào)控單元（如DGESU）的可信調(diào)控能力；如何描述具有多元耦合特征調(diào)控手段的多端調(diào)控能力；如何形成通用模型和分析方法，科學(xué)描述一個(gè)多能互補(bǔ)設(shè)備以及虛擬儲(chǔ)能單元內(nèi)部特性；如何對(duì)不同種類的儲(chǔ)能進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)。

挑戰(zhàn)2：UES在運(yùn)行結(jié)構(gòu)方面的變化亟需適用的狀態(tài)估計(jì)、態(tài)勢(shì)感知、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和故障預(yù)警分析方法。

ICT的廣泛介入使未來UES量測(cè)能力大大加強(qiáng)，系統(tǒng)可以充分利用量測(cè)冗余，更準(zhǔn)確地分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。目前，不完備量測(cè)狀態(tài)下難以完成的UES狀態(tài)估計(jì)、態(tài)勢(shì)感知和狀態(tài)預(yù)警有了實(shí)現(xiàn)的可能性。與此同時(shí)，ICT等新技術(shù)的介入也給UES的運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)。

1）缺少成熟可靠的狀態(tài)估計(jì)方法。目前學(xué)術(shù)界對(duì)于UES狀態(tài)估計(jì)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)取得了初步的研究成果，如文獻(xiàn)［43］在傳統(tǒng)加權(quán)最小二乘的基礎(chǔ)上，分別研究了電-熱互聯(lián)與電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)。文獻(xiàn)［44］進(jìn)一步研究了綜合能源系統(tǒng)的抗差狀態(tài)估計(jì)問題。文獻(xiàn)［45］提出了針對(duì)多能源系統(tǒng)的多時(shí)間尺度狀態(tài)估計(jì)思路和框架。文獻(xiàn)［44］在此基礎(chǔ)上給出了電-氣綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間斷面的狀態(tài)估計(jì)方法，為UES動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)奠定了基礎(chǔ)。但由于UES網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量裝置安裝數(shù)量多、種類雜，量測(cè)數(shù)據(jù)龐大且數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，如何篩選合適的測(cè)量變量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)，目前仍缺乏有效方法。

2）缺少適用于UES分析的態(tài)勢(shì)感知方法。隨著UES的發(fā)展，其在運(yùn)行過程中面臨的不確定性因素日漸增多，包括大量電動(dòng)汽車充放電導(dǎo)致電能消費(fèi)隨時(shí)間和空間同時(shí)變化，大量DER的調(diào)控能力引入以及DGESU之間未來可能引入P2P交易行為導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲取的情況，均會(huì)為UES的態(tài)勢(shì)感知引入更多不確定性因素。此外，信息系統(tǒng)的高度集成，一方面為態(tài)勢(shì)感知提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，另一方面也對(duì)態(tài)勢(shì)感知算法提出了全新的挑戰(zhàn)。

3）缺少適用于UES的狀態(tài)預(yù)警方法。大量能源耦合設(shè)備的引入，使得UES的產(chǎn)能、用能、儲(chǔ)能、能量傳輸和能量轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)都發(fā)生了很大變化，電網(wǎng)中的任何波動(dòng)與故障極易擴(kuò)展到其他系統(tǒng)；而其他相關(guān)系統(tǒng)的擾動(dòng)也可通過這些耦合環(huán)節(jié)影響電力系統(tǒng)。異構(gòu)式通信手段的使用導(dǎo)致UES需耐受時(shí)延特性不同導(dǎo)致的數(shù)據(jù)同步難問題；在能源環(huán)節(jié)，需考慮大量多時(shí)標(biāo)、多耦合、強(qiáng)隨機(jī)、非線性等復(fù)雜因素。在進(jìn)行UES狀態(tài)預(yù)警時(shí)，要統(tǒng)籌考慮各種不確定因素，兼顧系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化和故障預(yù)警調(diào)控的雙重需求，相關(guān)研究的難度更大。

挑戰(zhàn)3：為提高UES的運(yùn)行安全性與靈活性，亟需適用于UES關(guān)鍵耦合環(huán)節(jié)的調(diào)控分析手段。

1）缺少面向多運(yùn)行場(chǎng)景的UES柔性互聯(lián)調(diào)控技術(shù)。未來的UES中，大量DGESU可通過SOP、UPFC、電力彈簧、CCHP等柔性裝備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，并利用二次協(xié)同調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量的交易和有效調(diào)節(jié)。然而，SOP、UPFC和電力彈簧等作為新興的調(diào)控手段，其適用的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不同場(chǎng)景下的運(yùn)行模式、不同控制目標(biāo)下的控制策略等還需要進(jìn)一步研究，以滿足UES在不同運(yùn)行場(chǎng)景下的調(diào)控需要。此外，隨著大量基于電力電子技術(shù)的柔性裝置在UES中接入的比例增加，如何實(shí)現(xiàn)電力電子快動(dòng)態(tài)與UES多尺度動(dòng)態(tài)的有機(jī)融合，是SOP等柔性電力電子裝置接入系統(tǒng)后UES運(yùn)行控制必須解決的關(guān)鍵問題之一。這里包括2個(gè)方面，一是如何利用電力電子裝置的快動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其他能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如利用變頻泵調(diào)節(jié)熱網(wǎng)水流流速實(shí)現(xiàn)熱功率交換的調(diào)控；二是如何利用其他能源系統(tǒng)大慣性，幫助解決電力電子化電力系統(tǒng)帶來的低慣性問題，如利用熱網(wǎng)和電鍋爐消納風(fēng)電，平抑可再生能源給電網(wǎng)帶來的波動(dòng)。與其對(duì)應(yīng)的多尺度連續(xù)-離散混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在多能源耦合網(wǎng)絡(luò)約束下的最優(yōu)控制則是解決這一問題的核心技術(shù)。

2）缺少與UES形態(tài)演進(jìn)相適應(yīng)的分布式控制架構(gòu)及方法。目前，UES運(yùn)行控制的實(shí)現(xiàn)主要采用集中調(diào)控方式，在采集整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行全局優(yōu)化運(yùn)行。對(duì)未來UES而言，這種模式存在重大缺陷：其一，在時(shí)間上很難滿足未來UES運(yùn)行調(diào)控的快速性要求；其二，在信息物理深度融合場(chǎng)景下，集中調(diào)控主節(jié)點(diǎn)一旦喪失，極易引發(fā)大范圍故障；其三，海量DGESU用戶的用能行為屬于個(gè)人隱私，出于保護(hù)隱私的需要，無法提供集中調(diào)控所需詳盡信息，使之難以在未來應(yīng)用；其四，DGESU之間進(jìn)行能源交互需要科學(xué)合理的市場(chǎng)政策作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多方互利是促進(jìn)用戶間互動(dòng)的基本動(dòng)力。

挑戰(zhàn)4：在日益復(fù)雜的運(yùn)行場(chǎng)景下，亟待適用于UES的靈活性和韌性提升理論與方法。

UES的韌性是指系統(tǒng)在遭受極端災(zāi)害的情況下，維持系統(tǒng)供能并快速恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力。近年來，臺(tái)風(fēng)、地震、冰災(zāi)等極端災(zāi)害屢屢發(fā)生，造成了多次大范圍的停電、停氣、停熱等事故。在規(guī)劃階段對(duì)UES的韌性進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行有針對(duì)性的升級(jí)改造，可以有效提高UES的抗災(zāi)能力，保障極端災(zāi)害下用戶的供能安全。然而，盡管韌性已經(jīng)成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)［46］，相關(guān)研究仍然面臨較多挑戰(zhàn)。

1）缺少兼顧UES靈活性和韌性提升需求的設(shè)備級(jí)協(xié)調(diào)控制策略。未來UES源-網(wǎng)-荷環(huán)節(jié)將出現(xiàn)大量具備調(diào)控能力的單元設(shè)備，而這些設(shè)備彼此之間往往缺乏協(xié)調(diào)，在正常運(yùn)行階段可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行性能和調(diào)控能力的下降；而在故障場(chǎng)景下，它們各自為營，極易引發(fā)系統(tǒng)重大事故。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)［47］建立了以韌性最大化為目標(biāo)的配電網(wǎng)供電恢復(fù)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)內(nèi)部關(guān)鍵負(fù)荷的快速恢復(fù)。文獻(xiàn)［48］將配電網(wǎng)預(yù)先劃分為若干分區(qū)子系統(tǒng)，一旦災(zāi)害發(fā)生，配電網(wǎng)可迅速將被破壞的分區(qū)切除，保證其他分區(qū)關(guān)鍵負(fù)荷的正常供電并限制停電范圍。文獻(xiàn)［49］提出了一種主動(dòng)操作策略，可在發(fā)生極端災(zāi)害時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)韌性以進(jìn)行防御。文獻(xiàn)［50］指出，綜合韌性響應(yīng)與獨(dú)立的預(yù)防響應(yīng)和應(yīng)急響應(yīng)相比，具有效果更好的提升作用。然而，現(xiàn)有研究仍然主要集中在電力系統(tǒng)韌性提升，相關(guān)方法和策略日趨完善，但尚未形成以UES為對(duì)象的完善的韌性提升策略體系，相關(guān)研究仍待進(jìn)行。

2）缺少考慮多要素、多場(chǎng)景、多目標(biāo)協(xié)調(diào)的UES靈活性和韌性提升方法。UES中不同能源控制手段的調(diào)節(jié)精度、響應(yīng)速度等動(dòng)態(tài)性能各有不同，物理特性差異巨大，需要準(zhǔn)確描述多能源控制手段的各自特性及其互動(dòng)特征，并從系統(tǒng)層面對(duì)其進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)各自調(diào)控手段的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。綜合能源的多時(shí)間尺度特征使其供電恢復(fù)問題從單一時(shí)間斷面擴(kuò)展為時(shí)序動(dòng)態(tài)過程，又進(jìn)一步與信息系統(tǒng)相互影響，其混雜特征及新的運(yùn)行場(chǎng)景給UES的高靈活性和高韌性運(yùn)行帶來困難。針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)［51］提出了一種利用儲(chǔ)能系統(tǒng)提高綜合能源微網(wǎng)系統(tǒng)抗災(zāi)能力的方法。文獻(xiàn)［52］從電力系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的角度，提出了利用抗颶風(fēng)能力較強(qiáng)的燃?xì)獾芈窆艿捞嵘娋W(wǎng)韌性的方法。文獻(xiàn)［53］綜合分析了颶風(fēng)對(duì)相互依賴的電力和燃?xì)庀到y(tǒng)的影響。文獻(xiàn)［54］利用電-熱-氣一體化建模評(píng)估了燃?xì)夤?yīng)側(cè)沖擊對(duì)綜合能源系統(tǒng)整體韌性的影響。文獻(xiàn)［55］提出了一種電力-燃?xì)饩C合能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的3階段魯棒優(yōu)化模型，可有效提升綜合能源系統(tǒng)的整體韌性。然而，現(xiàn)有方法主要討論單次極端災(zāi)害對(duì)UES韌性的影響，缺乏評(píng)估多種潛在極端災(zāi)害綜合影響下UES維持用戶供能的能力。此外，現(xiàn)有韌性評(píng)估方法多數(shù)沿用傳統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，效率低下，無法做到對(duì)種類眾多、參數(shù)變化復(fù)雜的極端災(zāi)害進(jìn)行全面的韌性分析。

3 UES運(yùn)行調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，需要在現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，以能源與信息環(huán)節(jié)的有機(jī)協(xié)調(diào)為技術(shù)手段，形成有效的UES運(yùn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào)調(diào)控理論、方法和技術(shù)，全面提升UES運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性和韌性。如圖5所示，本文將從互補(bǔ)潛力分析、運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知、柔性互聯(lián)控制、可靠性評(píng)估與韌性提升4個(gè)方面對(duì)UES運(yùn)行調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)展開討論。其中，互補(bǔ)潛力分析可為其他關(guān)鍵技術(shù)提供靈活性資源的量化分析結(jié)果，在此基礎(chǔ)上通過運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知發(fā)現(xiàn)UES潛在的安全威脅，并通過柔性互聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)UES高效安全運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)UES可靠性與韌性的有效提升。

圖5 UES運(yùn)行調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)Fig.5 Architecture of key technologies for UES operation and regulation

3.1 分區(qū)多能源互補(bǔ)潛力分析技術(shù)

未來UES的分區(qū)結(jié)構(gòu)深刻影響著運(yùn)行過程中多能環(huán)節(jié)的互補(bǔ)耦合特性，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：首先，分區(qū)內(nèi)部往往存在電/氣/冷/熱等多種耦合環(huán)節(jié)，需要掌握不同能源在分區(qū)內(nèi)的時(shí)空耦合特性，以便更好地加以協(xié)調(diào)，從而降低用戶用能成本；其次，各分區(qū)之間在不同時(shí)空尺度的互補(bǔ)耦合特征下，可能存在正向或反向的交互影響，通過優(yōu)化協(xié)調(diào)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同時(shí)間尺度上的分層能量供需平衡，以及空間尺度上的分區(qū)能量互濟(jì)；此外，整個(gè)UES需要對(duì)彼此之間存在復(fù)雜交互影響的各類分區(qū)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)，以便保證整個(gè)能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

當(dāng)前研究一方面集中于能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層面，如將電力網(wǎng)絡(luò)與燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)，以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性［56］。而在系統(tǒng)終端層面，從研究對(duì)象角度劃分：①多能源互補(bǔ)的角度，主要關(guān)注多能源網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響機(jī)制［57］；②社區(qū)及微網(wǎng)能源系統(tǒng)互補(bǔ)的角度，主要關(guān)注社區(qū)級(jí)的綜合能源系統(tǒng)，研究內(nèi)容涵蓋了這一層級(jí)系統(tǒng)的靜態(tài)耦合特性分析［58］，以及用戶側(cè)的分布式能源、負(fù)荷需求響應(yīng)、復(fù)合儲(chǔ)能、CCHP、電動(dòng)汽車之間互補(bǔ)特性分析；③設(shè)備層面的多能源互補(bǔ)角度，主要關(guān)注某類具體設(shè)備運(yùn) 行 互 補(bǔ) 能 力，如CCHP設(shè) 備［59］、復(fù) 合 儲(chǔ) 能 設(shè) 備等［60］。綜上所述，UES涉及特性各異的不同能源環(huán)節(jié)，多時(shí)空尺度互補(bǔ)潛力存在明顯差異性。從UES源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)全環(huán)節(jié)、多時(shí)空尺度互補(bǔ)角度來看，其互補(bǔ)潛力目前依然未得到充分掌握，加之未來UES所形成的多能源分區(qū)互補(bǔ)關(guān)系，還有進(jìn)一步挖掘的空間，且目前研究在量化互補(bǔ)特性時(shí)缺乏多場(chǎng)景下的適用性指標(biāo)。

綜上，為實(shí)現(xiàn)UES多能互補(bǔ)優(yōu)化，需突破UES能量時(shí)空互補(bǔ)特性的量化分析關(guān)鍵技術(shù)，并建立精確模型，具體包括：①需要結(jié)合不同能源業(yè)務(wù)需求，從核心參數(shù)、互補(bǔ)能力、響應(yīng)速度和響應(yīng)時(shí)間尺度等角度，構(gòu)建多能源分區(qū)互補(bǔ)特性量化指標(biāo)體系（如可調(diào)控互補(bǔ)容量/持續(xù)響應(yīng)時(shí)間等）；②需要掌握各分區(qū)內(nèi)單體或集群能源設(shè)備互補(bǔ)能力的有效分析手段，以便通過分區(qū)內(nèi)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)的自組織優(yōu)化，呈現(xiàn)出對(duì)外可靠的互補(bǔ)響應(yīng)潛力；③需要實(shí)現(xiàn)不同分區(qū)之間多種能源系統(tǒng)耦合后的整體互補(bǔ)調(diào)節(jié)潛力分析，并從整個(gè)系統(tǒng)角度考慮跨空間區(qū)域的能流互補(bǔ)特性分析。

3.2 狀態(tài)估計(jì)與運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知技術(shù)

隨著DER、電動(dòng)汽車、能源耦合轉(zhuǎn)化等技術(shù)的大量應(yīng)用，UES面臨著更為復(fù)雜多樣的不確定因素，此外，多種特征迥異的能源系統(tǒng)深度耦合使得UES的狀態(tài)估計(jì)所需數(shù)據(jù)量大大增加，導(dǎo)致現(xiàn)有配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)和態(tài)勢(shì)感知方法不再適用。同時(shí)，ICT的深度介入雖然為UES的狀態(tài)估計(jì)提供了更加全面的數(shù)據(jù)采集和通信支持，但市場(chǎng)化機(jī)制下不同供能分區(qū)（如DGESU）的利益主體，出于自身利益考慮和保護(hù)隱私的需要，很難做到信息的完全共享。因此，在有限信息條件下，如何進(jìn)行UES的狀態(tài)估計(jì)和態(tài)勢(shì)感知是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。

在狀態(tài)估計(jì)方面，文獻(xiàn)［61］利用高級(jí)量測(cè)體系（AMI）實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)，將配電網(wǎng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分層以及解耦，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)的分層以及并行計(jì)算，提高了狀態(tài)估計(jì)的計(jì)算效率。文獻(xiàn)［62］將電力系統(tǒng)按照關(guān)鍵輸電線路劃分為若干子區(qū)域，利用上級(jí)調(diào)度中心對(duì)關(guān)鍵輸電線路的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果，進(jìn)一步在區(qū)、縣調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)子區(qū)域狀態(tài)估計(jì)。然而，目前系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)實(shí)現(xiàn)方式仍是在給定的網(wǎng)絡(luò)接線、支路參數(shù)和量測(cè)信息條件下，依據(jù)量測(cè)值求解最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)值，尚未充分考慮未來UES用戶信息可能不完整、不完備場(chǎng)景下的實(shí)際情況。在運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知方面，現(xiàn)有研究多集中于城市配電網(wǎng)的相關(guān)研究，文獻(xiàn)［63］依據(jù)智能電網(wǎng)在廣域監(jiān)控、信息交互和安全防控等方面的國際標(biāo)準(zhǔn)，提出了廣域態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的架構(gòu)及其評(píng)估控制系統(tǒng)，包括安全穩(wěn)定性評(píng)估、頻率控制、電壓控制及過負(fù)荷控制等功能。文獻(xiàn)［64］應(yīng)用情景分析理論對(duì)影響配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)情景界定，建立了完整的未來情景集。并運(yùn)用電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論建立了一套全面的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)來進(jìn)行配電網(wǎng)運(yùn)行情景風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)。但是，計(jì)算各類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要根據(jù)大量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)用性不強(qiáng)，且所設(shè)置的情景集過于簡(jiǎn)單，不能反映配電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜多變性。

為解決上述問題，需結(jié)合UES的實(shí)際特征，從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)與運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知關(guān)鍵技術(shù)突破：①需要考慮網(wǎng)絡(luò)中信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)時(shí)空異構(gòu)性和網(wǎng)絡(luò)中量測(cè)數(shù)據(jù)缺失等問題，在不損失能源系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)主要信息的前提下，建立可表征信息-物理融合特性的全系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法；②需要分析不同能源系統(tǒng)的差異化時(shí)間尺度，明確UES態(tài)勢(shì)感知的統(tǒng)一時(shí)間框架及斷面間隔，進(jìn)而確定態(tài)勢(shì)感知所需數(shù)據(jù)的范圍、精度、時(shí)效性、顆粒度需求；③需要考慮可再生能源出力波動(dòng)、多能負(fù)荷時(shí)空相關(guān)性、柔性負(fù)荷調(diào)控能力變化、多種能源耦合互動(dòng)等不確定因素，研究數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的UES態(tài)勢(shì)理解技術(shù)，將系統(tǒng)態(tài)勢(shì)變化關(guān)鍵特征信息與全系統(tǒng)狀態(tài)模型有機(jī)整合，高效準(zhǔn)確地理解系統(tǒng)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)并進(jìn)行降維呈現(xiàn)。

3.3 柔性互聯(lián)與分布式控制技術(shù)

分區(qū)自治和柔性互聯(lián)將成為未來UES的形態(tài)演變趨勢(shì)，其核心在于靈活可控的柔性互聯(lián)裝備，具體包括2種。一種是以SOP為代表的電力電子柔性互聯(lián)裝置，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，可采用雙有源橋（DAB）、模塊化多電平換流器（MMC）等不同的電力電子模式，構(gòu)成雙端、多端等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［65］面向配電網(wǎng)實(shí)際需求展望了智能配電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術(shù)，并對(duì)柔性互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理念、特征與優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)闡述；文獻(xiàn)［66］對(duì)SOP運(yùn)行原理、運(yùn)行邊界進(jìn)行了分析，提出了正常運(yùn)行狀態(tài)/故障發(fā)生狀態(tài)下SOP的運(yùn)行控制策略；文獻(xiàn)［67］提出一種適用于基于有限控制集模型預(yù)測(cè)控制的三端柔性多狀態(tài)開關(guān)的協(xié)同控制策略。另一種是以CCHP為代表的多能耦合柔性互聯(lián)裝置，借助于ICT，多能耦合設(shè)備不僅可以實(shí)現(xiàn)多能網(wǎng)絡(luò)耦合互聯(lián)，還可以通過信息流精準(zhǔn)調(diào)控能量流，實(shí)現(xiàn)多種能量耦合形式。文獻(xiàn)［68］對(duì)多能耦合設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模，并對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真研究；文獻(xiàn)［69］基于通用能流母線結(jié)構(gòu)對(duì)多能耦合微網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，通過控制耦合設(shè)備實(shí)現(xiàn)多能優(yōu)化運(yùn)行。但相比于獨(dú)立控制的能源系統(tǒng)，柔性互聯(lián)的分區(qū)UES運(yùn)行控制十分復(fù)雜，不僅需要考慮柔性互聯(lián)環(huán)節(jié)自身的運(yùn)行控制策略，還需要根據(jù)UES的運(yùn)行需求，提供能量耦合模式、端口功率精確調(diào)控、快速供能恢復(fù)等服務(wù)功能。在未來UES中，一方面，電/氣/冷/熱能源網(wǎng)絡(luò)不斷融合，系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景、運(yùn)行約束日益增多，柔性調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行控制策略需要適用這種新的運(yùn)行需求；另一方面，UES運(yùn)行過程中的各種隨機(jī)不確定性因素日漸增多，對(duì)柔性調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行調(diào)控策略的適應(yīng)性、快速性等也提出更高要求?？紤]多運(yùn)行場(chǎng)景、多調(diào)控需求、多隨機(jī)因素，適應(yīng)未來UES分區(qū)結(jié)構(gòu)運(yùn)行需求的柔性調(diào)控策略尚不具備，還需要加以深入研究。

在分布式控制方面，靈活的柔性互聯(lián)技術(shù)使UES具備分區(qū)運(yùn)行能力，因而具有快速應(yīng)變能力和更為智能的分布式控制架構(gòu)，將成為未來UES的必然選擇。該控制框架需要充分利用系統(tǒng)內(nèi)部各區(qū)域的就地信息以及信息交互能力，將分布式計(jì)算的思想融入整個(gè)控制架構(gòu)中，使各個(gè)局部的能源系統(tǒng)控制器具備更強(qiáng)的智能化自主決策能力，并通過有限通信來實(shí)現(xiàn)多能源系統(tǒng)協(xié)同，保證系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)的快速性和可靠性。文獻(xiàn)［70］利用多代理技術(shù)執(zhí)行調(diào)度、協(xié)調(diào)和市場(chǎng)清算等功能，證明其在微電網(wǎng)分布式能量管理中的有效性。文獻(xiàn)［71］利用平均一致性定理挖掘全局信息，提出了具有自適應(yīng)性的分布式負(fù)荷供電恢復(fù)算法。但在控制策略實(shí)現(xiàn)方面，目前的研究多采用基于全局信息的集中式控制方法，缺少能夠滿足運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)快速性要求的分布式智能化控制體系架構(gòu)的研究，諸多技術(shù)細(xì)節(jié)需進(jìn)一步探索。另外，隨著能源市場(chǎng)逐步放開，需求響應(yīng)業(yè)務(wù)大規(guī)模實(shí)施，能源市場(chǎng)中將會(huì)出現(xiàn)更多的交易實(shí)體，大量出現(xiàn)的DGESU致使未來能源服務(wù)發(fā)生極大變化，如何實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模參與用戶交互成為當(dāng)前研究的關(guān)注點(diǎn)［72］。同時(shí)，出于保護(hù)隱私的需要，DGESU往往無法提供集中調(diào)控所需詳盡信息，使集中式控制方式難以應(yīng)用。分布式賬本技術(shù)（distributed ledger technology，DLT）是區(qū)塊鏈技術(shù)的記賬方式，不僅可以解決自動(dòng)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)中的記假賬、記錯(cuò)賬問題，還可以建立一套完整的可追溯交易體系，為每一筆參與交易資金的結(jié)算進(jìn)行監(jiān)管。文獻(xiàn)［73］指出，DLT的去中心化、透明性、公平性以及公開性使其在能源互聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)［74］為解決集中式控制存在的效率問題，提出了去中心化的配電網(wǎng)運(yùn)行模式和方法，建立了分布式控制的配電網(wǎng)交易機(jī)制和模型。

綜上，未來UES分區(qū)運(yùn)行模式亟需柔性互聯(lián)與分布式控制關(guān)鍵技術(shù)的支撐，為此應(yīng)從以下幾方面開展關(guān)鍵技術(shù)研究：①以低電磁干擾（EMI）、低損耗、高可靠性、低噪音和體積小為目標(biāo)，采用DAB、MMC等不同的電力電子實(shí)現(xiàn)形式，形成柔性互聯(lián)設(shè)備雙端、多端等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)UES多區(qū)域廣泛柔性互聯(lián)的應(yīng)用需求；②以減小綜合線損、系統(tǒng)電壓偏差和均衡饋線負(fù)載為目標(biāo)，考慮配電柔性互聯(lián)設(shè)備與分布式電源、儲(chǔ)能、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等多種手段協(xié)調(diào)配合，建立含柔性互聯(lián)設(shè)備的UES定制化運(yùn)行調(diào)控模型，并在此基礎(chǔ)上建立面向故障狀態(tài)的供電模式快速切換技術(shù)，為失電區(qū)域提供電壓支撐，實(shí)現(xiàn)UES對(duì)重要負(fù)荷的快速恢復(fù)供電；③針對(duì)UES的多能耦合協(xié)調(diào)運(yùn)行，建立基于多能耦合柔性互聯(lián)設(shè)備的優(yōu)化調(diào)控模型，考慮多能動(dòng)態(tài)過程的相互影響，實(shí)現(xiàn)UES在安全約束下的高效運(yùn)行；④基于UES分區(qū)特征，引入?yún)^(qū)塊鏈、分布式賬本等去中心化技術(shù)，建立端對(duì)端式交互規(guī)則，形成UES分布式控制新模式，明確描述各分區(qū)能源系統(tǒng)的控制責(zé)任，并完善相應(yīng)的市場(chǎng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)分區(qū)間能源互濟(jì)。

3.4 可靠性評(píng)估與韌性提升技術(shù)

隨著UES中多能耦合程度不斷加深，用戶端需求更加多樣，對(duì)系統(tǒng)可靠性、韌性提出了越來越高的要求。UES可靠性評(píng)估重點(diǎn)在于如何模擬電/氣/冷/熱能源系統(tǒng)運(yùn)行特性以及彼此間的耦合和相互影響。故障狀態(tài)下，單一能源系統(tǒng)事故將可能通過耦合元件傳播至其他能源系統(tǒng)。此外，不同能源系統(tǒng)也可能在事故狀態(tài)下相互提供多能耦合支撐。文獻(xiàn)［75］利用能源集線器模型，研究了多能源耦合環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)合理的能源集線器運(yùn)行模式有助于實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)的相互支撐，有利于提高系統(tǒng)整體可靠性。文獻(xiàn)［76］提出了一種基于智能代理通信的綜合能源可靠性評(píng)估方法，并利用該方法對(duì)各子系統(tǒng)之間的相互影響進(jìn)行了量化分析，結(jié)果顯示各子能源系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換能顯著影響系統(tǒng)整體可靠性。但目前研究尚局限于多能源耦合環(huán)節(jié)或小規(guī)模測(cè)試系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，缺乏適應(yīng)實(shí)際UES特點(diǎn)的高效、準(zhǔn)確的可靠性評(píng)估方法，且現(xiàn)有UES可靠性評(píng)估方法效率和精度仍有待提高。

在復(fù)雜場(chǎng)景下，UES還需要具備強(qiáng)大的韌性以應(yīng)對(duì)來自系統(tǒng)內(nèi)外的各類擾動(dòng)［77］，韌性一方面指系統(tǒng)對(duì)故障的感知與防御能力，另一方面則強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)在面對(duì)故障時(shí)主動(dòng)適應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)變化并迅速恢復(fù)失電負(fù)荷的能力［78］。當(dāng)前，負(fù)荷供電快速恢復(fù)和分布式能源孤島運(yùn)行是提升UES韌性的核心手段。文獻(xiàn)［79］采用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行供電恢復(fù)，并通過魯棒優(yōu)化保證分布式電源和負(fù)荷出力波動(dòng)時(shí)供電恢復(fù)策略的有效性。但是，供電恢復(fù)問題與復(fù)雜運(yùn)行問題深度耦合，需進(jìn)行多時(shí)空尺度手段配合、多目標(biāo)混雜的時(shí)序演進(jìn)優(yōu)化。因此，在故障發(fā)生后，需要有效發(fā)揮多能源調(diào)節(jié)手段的多尺度與多目標(biāo)運(yùn)行控制能力，黏合和溝通系統(tǒng)中的多能源可控資源，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下UES的快速供電恢復(fù)。文獻(xiàn)［80］考慮了聯(lián)絡(luò)開關(guān)在孤島劃分問題中的影響，用貪心算法求解樹上背包問題的孤島劃分模型；文獻(xiàn)［81］根據(jù)孤島區(qū)域的不同運(yùn)行狀況，將圖論的概念與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法相結(jié)合，提出基于有向圖模型的孤島劃分策略。然而，由于UES中光伏、風(fēng)機(jī)等分布式能源的出力具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，不考慮上述因素時(shí)負(fù)荷恢復(fù)水平往往較低，需要系統(tǒng)孤島運(yùn)行策略具有應(yīng)對(duì)不確定性的能力。且僅以某一時(shí)間斷面負(fù)荷恢復(fù)量最大作為孤島運(yùn)行的目標(biāo)，難以保證在系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行前對(duì)重要負(fù)荷進(jìn)行持續(xù)供電，應(yīng)充分考慮重要負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行時(shí)間對(duì)孤島運(yùn)行策略的影響。

基于上述需求，需要從以下幾方面實(shí)現(xiàn)UES可靠性評(píng)估與韌性提升關(guān)鍵技術(shù)突破：①針對(duì)多能耦合下UES故障傳播機(jī)理和特征，研究適合于UES形態(tài)特征的可靠性評(píng)估技術(shù)，進(jìn)一步提升現(xiàn)有可靠性評(píng)估方法的適應(yīng)性和效率；②挖掘故障情況下多能源互動(dòng)調(diào)節(jié)手段的支撐潛力，建立基于多能源調(diào)節(jié)手段協(xié)調(diào)配合的快速供電恢復(fù)技術(shù)，為失電區(qū)域提供電壓支撐和功率支持，實(shí)現(xiàn)失電區(qū)域的高比例恢復(fù)供電；③建立以柔性互聯(lián)設(shè)備為核心、多時(shí)空多能源手段相協(xié)調(diào)的緊急孤島運(yùn)行模式，并考慮能源孤島中光伏、風(fēng)機(jī)等分布式能源出力的隨機(jī)性與波動(dòng)性，研究多能源系統(tǒng)孤島安全運(yùn)行策略。

4 結(jié)語

伴隨著能源轉(zhuǎn)型的步伐，物物融合和信物融合下的分區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)將是未來UES的重要形態(tài)特征之一。多要素融合帶來的不確定性因素給UES的運(yùn)行調(diào)控帶來重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控手段一方面難以充分挖掘UES的大量靈活性資源來實(shí)現(xiàn)不同能源及信息環(huán)節(jié)的互補(bǔ)協(xié)同；同時(shí)無法有效應(yīng)對(duì)大量復(fù)雜隨機(jī)性所帶來的系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，難以適應(yīng)未來UES的發(fā)展需求，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

本文面向能源轉(zhuǎn)型視角下UES的形態(tài)演化及運(yùn)行調(diào)控問題，從UES形態(tài)演化驅(qū)動(dòng)力入手，闡述了信息物理融合的UES分區(qū)互聯(lián)化形態(tài)特征，剖析了新形態(tài)下UES運(yùn)行調(diào)控面臨的挑戰(zhàn)，進(jìn)而對(duì)UES互補(bǔ)潛力分析、運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知、柔性互聯(lián)控制、可靠性評(píng)估與韌性提升4項(xiàng)運(yùn)行調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)展開討論與展望，希望能夠?yàn)槟茉崔D(zhuǎn)型下UES運(yùn)行調(diào)控技術(shù)的研究應(yīng)用提供思路和借鑒。