區(qū)域智能供能系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)概述

謝玉榮，梁曉莉，孫利鵬，蔣杰，程友發(fā)，何國中

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江杭州310030；3.江蘇華電通州熱電有限公司，江蘇南通226000）

區(qū)域智能供能系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)概述

謝玉榮1，梁曉莉2，孫利鵬1，蔣杰3，程友發(fā)3，何國中3

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江杭州310030；3.江蘇華電通州熱電有限公司，江蘇南通226000）

隨著“智能電網(wǎng)”概念到“智能能源網(wǎng)”的轉(zhuǎn)變，區(qū)域智能供能系統(tǒng)不再局限于區(qū)域供電，而是涵蓋電能、熱能以及冷能的供應(yīng)。區(qū)域智能供能系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：多種能源來源進(jìn)行互補(bǔ)的供能系統(tǒng)、科學(xué)高效的能量管理系統(tǒng)、及時(shí)精確的用戶側(cè)監(jiān)測系統(tǒng)以及可靠的通信系統(tǒng)。本文首先簡單介紹了區(qū)域供能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并分析了區(qū)域供能系統(tǒng)的供能側(cè)及用戶側(cè)特性。基于對大量文獻(xiàn)的閱讀與分析，對應(yīng)用于區(qū)域智能供能系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行分析歸納，在介紹能量管理策略的基礎(chǔ)上總結(jié)了幾種較為經(jīng)典的適用于區(qū)域智能供能系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法。

區(qū)域供能；能量管理；多能互補(bǔ)

0 引言

區(qū)域供能系統(tǒng)是指設(shè)置在用戶端或距離用戶現(xiàn)場較近、能夠獨(dú)立輸出電能、熱能和冷能的系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含節(jié)能環(huán)保的發(fā)電裝置，充分利用發(fā)電余熱進(jìn)行供暖和制冷，有效提高諸如天然氣、沼氣等一次能源的利用率[1]。國內(nèi)已有一批區(qū)域供能試點(diǎn)工程，如浦東機(jī)場一期工程、上海世博會50kW分布式供能系統(tǒng)項(xiàng)目等[2]。

目前，區(qū)域供能系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，對于該系統(tǒng)的研究主要集中于能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）的開發(fā)和研制。EMS系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、能量管理以及網(wǎng)絡(luò)分析[3]。楊洋[4]針對上海虹橋商務(wù)區(qū)設(shè)計(jì)了一套SCADA系統(tǒng)，對生產(chǎn)、運(yùn)輸、換能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和經(jīng)濟(jì)調(diào)度。馬曉娟[5]借助防電磁學(xué)算法對并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)/光/蓄多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行能量優(yōu)化的模型求解，以最大化程度利用可再生能源為原則進(jìn)行調(diào)度管理。楊琦[6]基于改進(jìn)微分進(jìn)化算法，提出一種風(fēng)光互補(bǔ)混合供電系統(tǒng)優(yōu)化方式。以綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，該算法具有較好的全局收斂性和快速性。

本文介紹了區(qū)域供能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并分析了區(qū)域供能系統(tǒng)的供能側(cè)及用戶側(cè)特性，然后對應(yīng)用于區(qū)域供能系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行了簡單介紹，重點(diǎn)列舉了幾種典型的多目標(biāo)優(yōu)化方法，并總結(jié)對比了多目標(biāo)優(yōu)化方法的性能。

1 區(qū)域供能系統(tǒng)

區(qū)域供能系統(tǒng)作為智能能源網(wǎng)的分支，具有以下特點(diǎn)：能源梯度利用、燃料來源范圍廣、能量損失少、調(diào)度運(yùn)行智能化、設(shè)備系統(tǒng)小型化、對環(huán)境友好等。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

區(qū)域供能系統(tǒng)一般包含多能互補(bǔ)的供能系統(tǒng)、進(jìn)行調(diào)度管理的能量管理系統(tǒng)、用戶側(cè)監(jiān)測系統(tǒng)以及將這些系統(tǒng)相互聯(lián)系的通信系統(tǒng)。較為完整的區(qū)域供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 供能側(cè)特性

區(qū)域供能系統(tǒng)中的供能側(cè)一般包含多種能量源和儲能設(shè)備，如圖1所示，風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、天然氣分布式供能、地源熱泵、冰蓄冷、燃料電池等技術(shù)可以供給用戶側(cè)所需的電、熱、冷能，稱為多能互補(bǔ)技術(shù)。

1.2.1 風(fēng)力發(fā)電數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電的輸出功率受環(huán)境的影響具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性[7]，風(fēng)機(jī)出力Pw與風(fēng)速、空氣密度、風(fēng)機(jī)葉片半徑之間的特性關(guān)系由下式給出：

式中Pw—風(fēng)機(jī)出力，W；

式中β—槳葉節(jié)距角，rad；

λ—葉尖速比。

1.2.2 光伏發(fā)電模型

太陽能光伏發(fā)電易受周圍環(huán)境（光照、溫度、陰影等）的影響，在局部陰影下其輸出電流-電壓（I-U）曲線會呈現(xiàn)多階梯性，功率-電壓曲線會呈現(xiàn)多峰值性[8]。

光伏電池Ps-U特性的工程數(shù)學(xué)模型如下式：

ρ—空氣密度，g/m3；

r—風(fēng)機(jī)葉片半徑，m;

v—風(fēng)速，m/s；

Cp—風(fēng)能利用系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中Ps—光伏出力，W；

Im—最大功率點(diǎn)電流，A；

Isc—短路電流，A;

Uoc—開路電壓，V；

Um—最大功率點(diǎn)電壓，V；

C1，C2—分別是在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，與開路電壓Uoc和短路電流Isc，最大功率點(diǎn)電流Im和電壓Um等因素有關(guān)的兩個(gè)無量綱量，具體計(jì)算方法如下：

1.2.3 燃?xì)廨啓C(jī)模型

微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率與燃料量成正比，即輸出功率是可控且可預(yù)測的[9]。燃?xì)廨啓C(jī)透平輸出功率Pg為：

式中Pg—燃機(jī)出力，W；

qT—透平質(zhì)量流量，g/s；

cpg—平均比定壓熱容，J/(kg·K);

T3—透平入口溫度，K；γg—空氣等熵指數(shù)；

πT—透平壓比；

ηT—透平等熵效率，%。

1.2.4 燃料電池模型

燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有電解質(zhì)、電極和正負(fù)極連接端子等，陰陽兩級分別充滿電解液，電極間則為具有滲透性的薄膜。聯(lián)網(wǎng)的燃料電池[10]瞬時(shí)輸出功率Pc為：

式中Pc—燃料電池，W；

E—電池電動(dòng)勢，V；

m—換流器調(diào)制度；

US—區(qū)域供能系統(tǒng)的電壓，V；

XS—區(qū)域供能系統(tǒng)等效阻抗，Ω；

XT—變壓器阻抗，Ω；

δFC—功率調(diào)節(jié)器超前角，rad；

RFC—電池內(nèi)阻，Ω。

1.3 用戶側(cè)特性

對于一個(gè)區(qū)域內(nèi)的用戶來說，對電能、冷能、熱能都有著不同程度的需求，故供能側(cè)必須要包含能夠供應(yīng)不同能源的設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、天然氣分布式發(fā)電系統(tǒng)、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備等，而為了保障能源供應(yīng)的可靠性，需要添加一些儲能設(shè)備。上述設(shè)備都通過用戶側(cè)區(qū)域供能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相互連接，共同滿足用戶側(cè)對于不同能量的要求。

基于用戶側(cè)安全可靠用能的要求，需要有一套靈活有效的控制策略進(jìn)行供能側(cè)的管理與用戶側(cè)的負(fù)荷分配，即能量管理系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，能夠迅速響應(yīng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)匹配，滿足負(fù)荷需求。

圖1 區(qū)域智能供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 能量管理系統(tǒng)

目前能量管理系統(tǒng)主要針對發(fā)輸電系統(tǒng)，對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度決策管理以及控制，旨在提高電能質(zhì)量，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行以及改善電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。隨著智能能源網(wǎng)概念的提出與推廣，能量管理系統(tǒng)不再局限于對電網(wǎng)的管理與調(diào)度，而延伸到能源網(wǎng)領(lǐng)域，在電網(wǎng)管理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對冷、熱能等的管理。

2.1 能量管理策略

區(qū)域供能系統(tǒng)的能量管理策略主要可以分為兩種：并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的管理以及獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的管理。

獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，區(qū)域供能系統(tǒng)一般由于主電網(wǎng)故障等原因需要切斷與主電網(wǎng)的聯(lián)系以保障區(qū)域供能安全穩(wěn)定。此時(shí)，需要最大限度地調(diào)動(dòng)系統(tǒng)中的各種分布式能源保證區(qū)域內(nèi)所有用戶對各種能源的需求。然而，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等的分布式能源具有很強(qiáng)的波動(dòng)性和隨機(jī)性，無法滿足長期穩(wěn)定的供能需求。獨(dú)立狀態(tài)下，能量管理系統(tǒng)需要對分布式能源單元進(jìn)行調(diào)節(jié)控制保證穩(wěn)定供能、保證供能質(zhì)量、調(diào)節(jié)供需平衡，盡力減少能源供應(yīng)的損耗，通常以網(wǎng)損最小作為運(yùn)行控制目標(biāo)的首選。

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，區(qū)域供能系統(tǒng)既可以對用戶供能又可將電能送入電網(wǎng)。在供能側(cè)無法滿足用戶側(cè)的能量需求時(shí)，可將大電網(wǎng)的能量供給用戶；在供能側(cè)能量無法被用戶消納時(shí)又可將多余能量送入大電網(wǎng)，故不存在供需不平衡的問題。在此狀態(tài)下，系統(tǒng)需要考慮的主要問題為供能的能量質(zhì)量問題，特別是送入電網(wǎng)的電能質(zhì)量能否滿足相關(guān)規(guī)定的要求。此時(shí)，能量管理策略以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，需要能量管理系統(tǒng)在維持能量平衡的基礎(chǔ)上，合理地調(diào)配供能側(cè)、用戶側(cè)與大電網(wǎng)之間的能量交換，通過與電網(wǎng)的電能交換獲得更多的經(jīng)濟(jì)利益。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化方法

能量管理系統(tǒng)中管理策略的目標(biāo)是在降低系統(tǒng)的綜合運(yùn)行成本的同時(shí)保證區(qū)域供能系統(tǒng)能夠在不同運(yùn)行狀態(tài)、不同工作環(huán)境下都能達(dá)到最優(yōu)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)出力。多目標(biāo)優(yōu)化算法是一種常用的進(jìn)行各種機(jī)組經(jīng)濟(jì)調(diào)度的方法。

進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化首先要確立優(yōu)化模型，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行模式確定目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的約束條件，進(jìn)而使用智能算法進(jìn)行模型求解，獲得最佳方案。

優(yōu)化規(guī)劃目標(biāo)通常包括系統(tǒng)可靠性、污染物排放量以及系統(tǒng)成本三大類[11]，可靠性指標(biāo)包含供能不足時(shí)間、供能不足時(shí)間概率、供能不足容量概率等；污染物排放量指燃料轉(zhuǎn)化過程形成的污染物總量，包括CO、CO2、未燃盡碳?xì)浠衔铩⒘蚧锖偷趸锷a(chǎn)量；系統(tǒng)成本指標(biāo)包括全壽命周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化成本和凈費(fèi)用等。

大量文獻(xiàn)針對區(qū)域供能系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型求解問題進(jìn)行相應(yīng)研究，提出了一些多目標(biāo)優(yōu)化方法，下文介紹幾種典型的基于智能優(yōu)化的多目標(biāo)優(yōu)化方法。

2.2.1 粒子群算法

粒子群優(yōu)化算法[12]（Particle Swarm Optimization，PSO）中，每個(gè)粒子都被視為優(yōu)化問題的潛在解，在每次迭代的過程中，粒子i通過2個(gè)極值點(diǎn)來更新自己所在的位置參數(shù)以及速度vik參數(shù)：一個(gè)是粒子本身找到的最優(yōu)解pibest；另一個(gè)是整個(gè)群體的最優(yōu)解gbest。

式中ω—慣性權(quán)重；

c1，c2—學(xué)習(xí)因子，通常取值在[0，2]之間；

r1，r2—0～1之間的隨機(jī)數(shù)。

采用PSO算法進(jìn)行模型求解的步驟如下：

（1）系統(tǒng)進(jìn)行初始化，向系統(tǒng)中輸入風(fēng)機(jī)、光伏、天然氣分布式機(jī)組、蓄電池、換流器等設(shè)備的參數(shù)。

（2）設(shè)置粒子群的種群規(guī)模，學(xué)習(xí)因子、最大迭代次數(shù)等參數(shù)，并隨機(jī)選擇粒子的初始位置和速度。

（3）計(jì)算出所有粒子的適應(yīng)度，分別將粒子i所處的最優(yōu)位置和適應(yīng)度記錄為pibest，將種群中最優(yōu)個(gè)體所在的位置和適應(yīng)度記錄為gbest。

（4）判斷整個(gè)求解過程是否已經(jīng)滿足最大迭代次數(shù)，是則回到步驟（5），否則回到步驟（3）繼續(xù)尋優(yōu)。

（5）輸出計(jì)算結(jié)果，即gbest及其對應(yīng)的最優(yōu)適應(yīng)度函數(shù)值，算法運(yùn)行結(jié)束，得出最優(yōu)解。

2.2.2 NSGA-II算法

精英非支配解排序遺傳算法（Elitist Non-dominated Sorting GA，NSGA-Ⅱ）[13]對比單目標(biāo)進(jìn)化算法的優(yōu)勢在于不需要選取每個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。算法需要對選取的種群進(jìn)行非支配排序，每個(gè)解的適應(yīng)度就是它的非支配水平。NSGA-Ⅱ算法的步驟如下：

（1）初始化系統(tǒng)，輸入系統(tǒng)各部分參數(shù)。使用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生初始化種群P0，通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)仿真的方法來計(jì)算P0個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)值。然后按照個(gè)體支配關(guān)系對P0進(jìn)行排序并計(jì)算聚集距離。

（2）從父代種群Pt中通過進(jìn)行選擇、交叉和變異這三種操作從而得到子代種群Qt。將這兩個(gè)種群混合在一起就為新種群Rt，對Rt使用Pareto排序法進(jìn)行排序，確定Rt全部的非支配解前沿面，選取排序高的個(gè)體為選擇算子。

（3）對新產(chǎn)生的子代群體進(jìn)行非支配排序，并采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)仿真策略來計(jì)算出在每個(gè)選定的時(shí)間步長內(nèi)的指標(biāo)，包括各設(shè)備出力和運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)未滿足負(fù)荷量和浪費(fèi)功率等[11]。

（4）分別計(jì)算出處于非支配層的各個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)和約束值，并將其作為個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)的評價(jià)指標(biāo)來計(jì)算各個(gè)體之間的支配關(guān)系，對個(gè)體使用Pareto排序法進(jìn)行排序，并計(jì)算聚集距離。

（5）根據(jù)排序結(jié)果，從Rt中選擇最優(yōu)的N個(gè)個(gè)體再通過交叉、變異等產(chǎn)生新的父代種群Pt+1。

（6）判斷終止條件，若滿足，則，輸出得到最終的優(yōu)化結(jié)果，否則返回步驟（2）。

3 區(qū)域智能供能系統(tǒng)發(fā)展趨勢

區(qū)域智能供能系統(tǒng)作為一種新興事物，其發(fā)展方向處于摸索前進(jìn)的狀態(tài)。但不可否認(rèn)的是區(qū)域智能供能系統(tǒng)的發(fā)展和推廣將為能源的開發(fā)利用帶來前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

規(guī)模大型化：智能能源網(wǎng)提出了“標(biāo)準(zhǔn)先行、地方先動(dòng)”的行動(dòng)準(zhǔn)則，首先從地方政府著手，以600多個(gè)市級單位為主導(dǎo)，推動(dòng)集成化改革[14]，在地方推進(jìn)區(qū)域智能供能系統(tǒng)示范，再輻射擴(kuò)大。

能量低碳化：第四次能源革命被稱為新能源革命，在建立可持續(xù)化發(fā)展的能源系統(tǒng)過程中，需要逐步淘汰煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源，以低碳可再生的新能源作為替代。雖然這個(gè)過程可能持續(xù)上百年，但卻是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，也是區(qū)域供能系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

供能多樣化：目前，區(qū)域供能系統(tǒng)主要包括供電、供熱以及供冷，未來能源網(wǎng)將電力、燃?xì)?、水?wù)、熱力、儲能、數(shù)據(jù)、有線電視等資源整合為整體資源，能夠極大程度滿足用戶的各種需求。

4 結(jié)語

本文對區(qū)域智能供能系統(tǒng)進(jìn)行了全面的論述，首先介紹了區(qū)域供能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并分析了供能側(cè)及用戶側(cè)特性。對應(yīng)用于區(qū)域智能供能系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行分析歸納，分析不同運(yùn)行模式下的能量管理策略，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了幾種較為經(jīng)典的適用于區(qū)域智能供能系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法。未來區(qū)域智能供能系統(tǒng)可能以規(guī)模大型化、能量低碳化、供能多樣化為發(fā)展趨勢，滿足用戶側(cè)對多種類型能量的需求。

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修回日期：2016-11-22

華電電力科學(xué)研究院介紹

華電電力科學(xué)研究院（簡稱“華電電科院”）成立于1956年。2003年電力體制改革時(shí)歸屬于中國華電集團(tuán)公司，是國有全資的科研機(jī)構(gòu)。

歷經(jīng)幾代人50多年的積累、創(chuàng)新和發(fā)展，在發(fā)電領(lǐng)域取得了驕人成績，形成了“發(fā)電技術(shù)監(jiān)督管理與服務(wù)、發(fā)電技術(shù)研究與應(yīng)用、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與檢測、水利水電裝備研究與制造成套”四大業(yè)務(wù)板塊。

華電電科院建有“空調(diào)蓄能與建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，正在籌建國家能源局“國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心”。華電集團(tuán)的“動(dòng)力技術(shù)研究中心、煤炭質(zhì)檢計(jì)量中心”、“國家電力水電施工設(shè)備、電力金屬結(jié)構(gòu)檢測中心”掛靠我院。我院先后建立了博士后科研工作站、院士工作站、浙江大學(xué)研究生教育實(shí)踐基地等，并與浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生。

華電電科院擁有兩家全資子公司和五家參股公司，是院體系開展產(chǎn)業(yè)化的平臺，主要開展技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用、節(jié)能降耗項(xiàng)目的合同能源管理等業(yè)務(wù)。

華電電科院堅(jiān)持以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，以創(chuàng)造可持續(xù)價(jià)值發(fā)展為引領(lǐng)，以科技創(chuàng)新、服務(wù)華電為戰(zhàn)略定位、堅(jiān)持以人為本、科技創(chuàng)新，秉承“自強(qiáng)求變、厚德求進(jìn)”的企業(yè)精神和“誠信、求真、和諧、創(chuàng)新”的核心價(jià)值觀，為發(fā)電企業(yè)的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)能環(huán)保運(yùn)行提供可持續(xù)的技術(shù)服務(wù)和創(chuàng)新支持，努力為電力行業(yè)的科學(xué)發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

Review on Energy Management System Applied to Regional Intelligent Power System

XIE Yu-rong1，LIANG Xiao-li2，SUN Li-peng1，JIANG Jie3，CHENG You-fa3，HE Guo-zhong3
（1.Huadian Electric Power Research Institute of Hangzhou 310030，China；2.Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310030，China；3.Jiangsu Huadian Tongzhou Thermal Power Co.，Ltd，Nantong 226000，China）

As the transformation of the concept from “smart grid”to “smart energy grid”，regional intelligent power system is no longer limited to the electricity supply but covers the supply of electricity，heat energy and cold energy. Regional intelligence system is composed of multi-energy complement system，energy management system，user monitoring system and communication system. At first，structure of regional intelligent power system is introduced and the characteristics of both power and user side are analyzed. Based on the reading and analysis of a large number of literatures，energy management system corresponding to intelligent power system is analyzed，energy management strategy is introduced and several multi-objective algorithms suitable for intelligent power system are summarized.

regional power supply；energy management system （EMS）array；multi-energy complement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.001

TM615

A

2095-3429（2016）06-0001-05

謝玉榮（1982-），男，江蘇揚(yáng)州人，博士，主要從事光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)研究；梁曉莉（1990－），女，浙江臺州人，研究生，主要從事光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)研究；孫利鵬（1990-），男，江蘇泰州人，研究生，主要從事光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)研究。

2016-09-22