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能源互联网下的多能互补综合能量管理

北极星储能网  来源:清华能源互联网研究院  作者:孙宏斌  2018/1/4 11:34:29  我要投稿  

北极星储能网讯: “IEMS可以认为是第四代能量管理系统(EMS),可以解决多能流网络的最优控制问题,即通过多能互补、源网荷协同实现安全供能前提下的效益最大化。”

1. 能源互联网从“概念年”走向“落地年”

去年和前年我认为是能源互联网的“概念年”,那时候大家还在讨论“什么是能源互联网”,“为什么要做能源互联网”,“能源互联网可能会长什么样子”。但是,今年已经进入到了能源互联网的“落地年”,大家都在深入地讨论应该怎么去做。国家能源局、科技部有很多支持项目,资金投入量很大,比如今年国家能源局公布的首批“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目。

2. 追求效益最大化的最优控制问题

如何通过“多能互补、源网荷协同”实现安全供能前提下的效益最大化,这是在能源互联网示范项目的实施中,专家们都很关心的一个焦点问题。这实现起来并不容易,从技术层面来看,这个焦点问题可归结为复杂的多能流网络的最优控制问题。这个最优控制问题是要追求效益的最大化,效益=收入-费用,约束前提是安全供能。这里的收入包括了售能、售服务,费用有购能、购服务等。优化的手段分布在冷、热、气、电、水、交通,源、网、荷、储等各个环节。约束条件包括供需平衡、运行的物理范围,以及供能安全等。这个焦点问题最终是通过一套系统来实现的,这套系统就叫做多能互补综合能量管理系统(Integrated  Energy Management System),简称IEMS。

3. EMS的发展历史

IEMS可以认为是第四代能量管理系统(Energy Management  System,EMS)。EMS是在电网调度控制中心应用的在线分析、优化和控制的计算机决策系统,是电网运行的神经中枢和调度指挥司令部,是大电网的智慧的核心。我们课题组研究EMS已有30多年。首先回顾一下EMS的历史。

第一代EMS出现在1969年以前,叫做初期EMS。这种EMS仅包含SCADA供能,只是把数据采集起来,没有实时网络分析、优化、协同控制,网络分析和优化主要靠离线计算,属于经验型调度。现在的园区管理,绝对不能停留在经验型调度的水平上,而是需要精益化的管理,提高核心竞争力。

第二代EMS出现在20世纪70年代初到21世纪初,叫做传统EMS。这一代EMS的奠基者是Dy-Liacco博士,他提出了电力系统安全控制的基本模式,发展了实时网络分析、优化、协同控制,所以在上个世纪70年代,EMS得到了迅速发展。我国1988年完成四大电网调度自动化系统的引进,之后完成消化、吸收、再创新,开发出自主知识产权的EMS。当时清华承担了东北电网EMS的引进、消化和吸收,因为当时东北是重工业基地,东北电网的网调是最大的,全国负荷最大的就在东北。目前国内的EMS已基本国产化,这一时期的调度已经属于分析型调度,上升到了新层次。

第三代EMS是源网荷协同的智能电网EMS,出现在大规模可再生能源发展之后,这时候还没有多能横向的协同,只有源网荷的协同。针对大规模可再生能源不可控、波动性的特点,需要大量的灵活性资源,从源-输,转向荷-配,这时候的EMS可集成利用各类分布式资源,发展分布自律-集中协同架构,从源、网到荷,都有相应的EMS。源有风电场和光伏站的EMS,荷有电动汽车、楼宇和家庭的EMS,网有输电、配网、微网的EMS,这些EMS首先是自律,然后通过通信网联结在一起形成协同,这时候就可以称为EMS家族了,EMS家族有很多成员,不同成员有不同特点,共同实现智能电网的源网荷协同。

第四代或者说下一代EMS,称之为多能互补的综合能量管理系统,也就是IEMS。这里的综合是把各种能源集成和综合。由于各类能源割裂,综合能效低,所以需要综合和梯级利用;同时由于灵活性资源严重不足,大量弃风、弃水、弃光、所以需要拓展到多种能源互联,从多种能源里面找到新的灵活性资源,来支持大规模可再生能源的消纳;通过效益最大化的综合优化调度,在保障供能安全和优质的前提下,降低用能成本,提高综合能源服务的经济效益。

下图给出的就是IEMS的示意图。

它像一个大脑,底下是一个综合能源系统,冷、热、气、电、水、交通,各种能流,叫多能流。前些天我在会上介绍了这个系统,大家公认在世界上还没有先例。今天上午在清华发布的最新成果“园区多能互补综合能量管理系统”就是这世界上第一个IEMS产品。我们课题组将做了30年的电网EMS拓展成IEMS非常困难,学电的人不懂热、气、交通,这时候就需要学习热能、燃气和汽车等其他学科的知识,我们团队最近五年一直在快速地学习,终于成功研制出了IEMS。当然,如果没有之前30年电网EMS的研发经验,再用10年也做不出来。

4 IEMS的主要功能

(1)多能流SCADA

用于实现完整、高性能的准稳态实时数据采集和监控功能,是后续预警、优化和控制等功能的基础,并利用系统软件支撑平台提供的服务。多能流SCADA是IEMS的“感官系统”  ,基于能源物联网,采集多能流数据(采样频率:电为秒级,热/冷/气为秒级或分钟级),完成相应的监控功能,并将数据提供给状态估计及后续高级应用功能模块,接收系统运行调控指令,并通过遥控/遥调信号下发给系统设备执行。多能流SCADA的功能界面包括能流分布、场站接线、系统功能、综合监视、操作信息、分析评估、智能报警等。

(2)多能流状态估计

由于多能流传感网络测点分布广、量测种类多、数据质量低、维护难度大、成本敏感度高,所以出现采集数据不全、错误的情况在所难免。因此多能流网络需要状态估计技术提供实时、可靠、一致、完整的网络状态,为IEMS的评估和决策提供基础。多能流状态估计通过补齐量测数据、剔除坏数据,可以实现坏数据的可估计、可检测、可辨识,最终达到减少传感器安装数量、降低通信网络复杂程度、降低传感网络的投资和维护费用的效果,通过提高基础数据的可靠性来提高评估与决策的可靠性,降低能源网络运行事故风险。

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