以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化管理關(guān)鍵問題研究現(xiàn)狀及展望

金文德，江藝寶，丁 一

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化管理關(guān)鍵問題研究現(xiàn)狀及展望

金文德1，江藝寶2，丁 一2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

討論以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn)，從用戶側(cè)綜合能源現(xiàn)狀分析、用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化與能量管理、用戶能量優(yōu)化管理軟/硬件支撐技術(shù)3個(gè)方面回顧了該系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及其存在的不足，提出了優(yōu)化管理關(guān)鍵科學(xué)問題及未來研究方向，為系統(tǒng)優(yōu)化管理奠定理論基礎(chǔ)。

綜合能源系統(tǒng)；用戶側(cè)；管理；同優(yōu)化

1 綜合能源系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會發(fā)展和文明進(jìn)步的先決條件，能源領(lǐng)域的技術(shù)革新和體制變革貫穿人類社會的整個(gè)發(fā)展進(jìn)程[1]。然而，社會生產(chǎn)力的飛躍式發(fā)展導(dǎo)致能源需求的急劇上升，傳統(tǒng)化石能源面臨過度開發(fā)與瀕臨枯竭的嚴(yán)重問題，由此引發(fā)的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的能源利用體系亟待轉(zhuǎn)型與升級[2]。隨著分布式新能源、新型儲能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、ICT（信息通信技術(shù)）、需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的逐漸完善與成熟，能源利用體系正在孕育大量創(chuàng)新與變革，如智能電網(wǎng)[3，4]、能源互聯(lián)網(wǎng)[5，6]、綜合能源系統(tǒng)等[7，8]。其中綜合能源系統(tǒng)發(fā)展迅速，受到了各國的高度重視和學(xué)界的廣泛關(guān)注。美國能源部于2001年提出綜合能源系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃[9]，推動清潔能源的高效利用，并以CCHP（冷-熱-電聯(lián)供）技術(shù)為基礎(chǔ)提高能源系統(tǒng)的供能可靠性。為促進(jìn)供用能環(huán)節(jié)的IRP（綜合能源規(guī)劃），美國于2007年頒布EISA（能源獨(dú)立和安全法）[10]并追加6.5億美元的專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持。德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部于2008年啟動了E-Energy促進(jìn)項(xiàng)目[11]，包含eTelligence和RegModHarz等6個(gè)子項(xiàng)目，旨在通過新型信息通信技術(shù)推動能源系統(tǒng)的安全供給和高效運(yùn)行。加拿大能源委員會于2009年頒布了指導(dǎo)意見[12]，推動ICES（社區(qū)綜合能源系統(tǒng)）的廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)2050年溫室氣體減排目標(biāo)。

綜合能源系統(tǒng)能夠促進(jìn)多種能源子網(wǎng)絡(luò)的綜合規(guī)劃、運(yùn)行管理和優(yōu)化梯級利用，提高能源系統(tǒng)供能經(jīng)濟(jì)性與可靠性[13]。除此之外，互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展增強(qiáng)了綜合能源系統(tǒng)中供需雙側(cè)的雙向互動，能源用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)平臺了解自身的用能信息和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并主動參與到能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡和用能管理。空調(diào)、熱泵、電動汽車、分布式電源等用戶側(cè)靈活資源的大量普及，也為用戶參與綜合能源系統(tǒng)供需互動創(chuàng)造了有利條件，且各國政府普遍面臨著巨大的節(jié)能減排、促進(jìn)新能源利用的發(fā)展壓力，新型能源市場和交易體制正處于革新之中，這些都促使能源利用體系由傳統(tǒng)的垂直化縱向分層體系向扁平化橫向平臺體系轉(zhuǎn)變，綜合能源系統(tǒng)的中心也逐漸向擁有巨大開發(fā)潛力的用戶側(cè)轉(zhuǎn)移，未來的能源利用體系將走向以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)。

隨著能源領(lǐng)域體制改革的逐步推進(jìn)和用戶側(cè)資源的不斷豐富，未來的綜合能源系統(tǒng)將以用戶為中心，并由傳統(tǒng)的垂直化縱向分層體系到未來的扁平化橫向平臺體系的轉(zhuǎn)變。用戶側(cè)綜合能源供用單元（如微網(wǎng)、區(qū)域綜合能源系統(tǒng)等）和含大量靈活資源的終端用戶將是未來綜合能源系統(tǒng)發(fā)展和研究的重心。如用戶側(cè)大量擁有小型分布式供能設(shè)備的能源用戶可以形成區(qū)域能源服務(wù)商，參與綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)度。含分布式設(shè)備的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)[14]由于設(shè)備種類繁多、耦合關(guān)系密切和動態(tài)特性復(fù)雜，也需要從系統(tǒng)建模、規(guī)劃決策、仿真分析、優(yōu)化運(yùn)行的等角度開展相關(guān)研究。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)分析不同種類用戶的用能需求、用能行為及用能特征，挖掘各類用戶群體的節(jié)能潛力，構(gòu)建模型精確預(yù)測未來各類用戶負(fù)荷水平和用能結(jié)構(gòu)，提高用戶側(cè)的能源利用效率，降低了電力投資成本，是建設(shè)節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展社會的重要保障。

2 以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn)

雖然綜合能源系統(tǒng)已經(jīng)受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并有大量相關(guān)研究陸續(xù)開展，國外相關(guān)研究中使用了較多的概念[15-17]，然而目前還沒有關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的統(tǒng)一定義，不過綜合能源系統(tǒng)一般均指涵蓋電、氣、冷、熱等多種類能源系統(tǒng)，促進(jìn)源、網(wǎng)、荷深度融合，貫穿能量生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、分配、儲存、使用等環(huán)節(jié)的綜合性、集成化、新一代能源系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]將綜合能源系統(tǒng)定義為包含供能網(wǎng)絡(luò)、能源交換環(huán)節(jié)、能源存儲環(huán)節(jié)、終端綜合能源供用單元和大量終端用戶在內(nèi)的，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、傳輸/分配、轉(zhuǎn)換、存儲、消費(fèi)等環(huán)節(jié)有機(jī)協(xié)調(diào)等能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。其中，供能網(wǎng)絡(luò)包含供電、供氣、供冷/熱等網(wǎng)絡(luò)；能源交換環(huán)節(jié)包含CCHP機(jī)組、發(fā)電機(jī)組、鍋爐、空調(diào)、熱泵等；能源存儲環(huán)節(jié)包含儲電、儲氣、儲熱、儲冷等。以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)也包含在上述定義之中，并且更側(cè)重于能源轉(zhuǎn)化和消費(fèi)環(huán)節(jié)，以用戶側(cè)綜合能源供用單元（如微網(wǎng)、區(qū)域綜合能源系統(tǒng)等）和含大量靈活資源的終端用戶為重點(diǎn)研究對象。與綜合能源系統(tǒng)相比，以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)除了具備多種能源交叉互補(bǔ)、可提高能源供給的可靠性和經(jīng)濟(jì)性、可促進(jìn)大規(guī)?？稍偕茉吹南{利用等特點(diǎn)之外，還具備如下特點(diǎn)：

（1）互聯(lián)網(wǎng)的普及為多元用戶主動參與綜合能源系統(tǒng)互動提供可能性。信息通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用，促進(jìn)了綜合能源系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)融合，能量流、信息流、業(yè)務(wù)流等特征各異的物理對象實(shí)現(xiàn)了緊密耦合且相互影響，實(shí)現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)中大量用戶的信息共享和系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，為多元用戶主動參與到能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡和用能管理創(chuàng)造了有利條件。2011年歐洲啟動了FINSENY項(xiàng)目[18]，通過促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)能源系統(tǒng)信息管理系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域的信息革命。

（2）用戶側(cè)靈活資源的大量普及為多元用戶主動參與綜合能源系統(tǒng)互動提供物質(zhì)基礎(chǔ)。用戶側(cè)靈活資源主要涉及空調(diào)、熱泵、電動汽車、分布式電源等設(shè)備，指的是可以被直接控制或調(diào)度，輸出功率可以迅速向上或向下調(diào)節(jié)的電源資源[19]。隨著綜合能源系統(tǒng)的快速發(fā)展，諸如燃?xì)忮仩t、電轉(zhuǎn)氣裝置等其他用能設(shè)備和轉(zhuǎn)換設(shè)備的出現(xiàn)將使得綜合能源系統(tǒng)的用能換件更加緊密地耦合在一起，包含分布式電源在內(nèi)的種類多、分布廣泛的靈活資源均可參與綜合能源系統(tǒng)的供需實(shí)時(shí)交互和有效能量管理，實(shí)現(xiàn)多元用戶與綜合能源系統(tǒng)的雙向協(xié)同互動。

（3）以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)呈現(xiàn)扁平化、分布式布局體系。隨著綜合能源系統(tǒng)中能源用戶的數(shù)量呈指數(shù)級上升趨勢，綜合能源系統(tǒng)的參與個(gè)體愈發(fā)廣泛，且受到“開放、互聯(lián)、平等、共享”的互聯(lián)網(wǎng)理念影響，未來以用戶為中心的能源系統(tǒng)將朝著平等開放、即插即用、智能互動的方向發(fā)展，以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)布局體系也將呈現(xiàn)扁平化、分布式發(fā)展趨勢，需要借助云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等熱點(diǎn)技術(shù)來促進(jìn)大量多元用戶的廣泛交互和信息共享，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、傳輸與使用的全過程優(yōu)化。

（4）以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)具有供需雙側(cè)智能交互的運(yùn)行特點(diǎn)。用戶側(cè)靈活資源的大量普及為多元用戶主動參與綜合能源系統(tǒng)互動提供物質(zhì)基礎(chǔ)，使得未來的綜合能源系統(tǒng)不再是由供給側(cè)到用戶側(cè)的單向能量傳遞，能源用戶也由過去的能源使用者轉(zhuǎn)換成能源消費(fèi)者和服務(wù)商，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中供給者、消費(fèi)者的概念被淡化，取而代之的是綜合能源系統(tǒng)供需雙側(cè)的智能交互，意指能量的雙向交互和信息的開放共享。微網(wǎng)作為智能電網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)重要概念，可以看做是未來區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的雛形。用戶在微網(wǎng)中扮演重要角色，一方面是因?yàn)橛脩魝?cè)靈活資源（空調(diào)、熱泵、分布式電源、電動汽車）是實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)孤島運(yùn)行和能量供需平衡的重要基礎(chǔ)，另一方面，微網(wǎng)中的用戶能夠通過多種能源使用設(shè)備（電、氣、熱、冷等）實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)環(huán)境下電/氣/冷/熱等多種能源的耦合。針對微網(wǎng)中多種能源的系統(tǒng)建模和優(yōu)化分析已有很多相關(guān)研究[20，21]，這為綜合能源系統(tǒng)的構(gòu)建和發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

（5）以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)將促進(jìn)端對端能量交易的發(fā)展。隨著分布式電源、儲能技術(shù)、電動汽車的普及，能源用戶已具備形成小型分布式能源服務(wù)商或能源聚合商的發(fā)展空間，熱泵、空調(diào)、電動汽車等靈活資源的出現(xiàn)促進(jìn)了用電、用氣、供暖、供冷等家庭用能環(huán)節(jié)的交叉耦合和相互影響。與傳統(tǒng)的能源公司相比，用戶側(cè)涌現(xiàn)的能源服務(wù)商具有更高的靈活性和適應(yīng)性，能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和市場價(jià)格信號變更服務(wù)模式，且隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及和深入應(yīng)用，能源領(lǐng)域?qū)⒋呱鶳2P（端對端）甚至是C2C（用戶對用戶）等商業(yè)營銷模式，有效促進(jìn)大范圍內(nèi)能源系統(tǒng)資源的開放、對等、優(yōu)化配置，提高能源市場運(yùn)行效力和能源服務(wù)的品質(zhì)價(jià)值。

基于上述特點(diǎn)，如圖1所示，以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)包含了分布式電源、空調(diào)、熱泵、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、電動汽車等用戶側(cè)靈活資源，實(shí)現(xiàn)了用能側(cè)電、氣、冷、熱等多種能源形式的交叉互補(bǔ)和優(yōu)化管理。從橫向來看，以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、存儲、傳輸、使用等多環(huán)節(jié)的雙向智能交互；從縱向來看，綜合能源系統(tǒng)在生產(chǎn)側(cè)和用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)了多種能源的交互耦合和優(yōu)化管理。

3 用戶側(cè)綜合能源現(xiàn)狀分析

近年來，各國紛紛調(diào)整能源政策鼓勵(lì)可再生能源、分布式能源相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用，降低對化石燃料的依賴，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和社會的可持續(xù)發(fā)展。以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)首先要對用戶側(cè)綜合能源現(xiàn)狀進(jìn)行分析，包括用戶用能結(jié)構(gòu)、用戶用能成本及經(jīng)濟(jì)效益分析、靈活資源可調(diào)度潛力評估等，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已針對上述內(nèi)容開展了廣泛深入的研究。

在用戶用能結(jié)構(gòu)、用戶用能成本及經(jīng)濟(jì)效益分析方面，蘭州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過問卷調(diào)查的方式，調(diào)研了蘭州市150個(gè)家庭用能的能源種類和用能結(jié)構(gòu)，并通過替代分析法估算了能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換所帶來的減排效果[22]。結(jié)果顯示，蘭州市人均能源消耗量為490.37 kgce/a，蘭州市家庭用戶所使用的能源種類有電、煤、天然氣、液化石油氣、汽油和太陽能，用能項(xiàng)目分為炊事、照明、取暖制冷、清潔衛(wèi)生、娛樂、交通運(yùn)輸和其他用途，其中取暖制冷、炊事和照明3項(xiàng)基本生活用能占87.87%。從能源結(jié)構(gòu)來看，用煤、用電、天然氣、汽油、其他分別占67.27%，12.32%，11.72%，4.64%和4.05%。通過將家用煤替代為天然氣和太陽能，可以減少因冬季取暖燃煤而造成的空氣污染問題。文獻(xiàn)[23]分析了使用太陽能熱水器給津巴布韋帶來的社會、經(jīng)濟(jì)效益，通過將原有的電力熱水器替代為太陽能熱水器，冬季用電尖峰平均下降13%，終端能源消耗水平下降27%，在過去25年CO2排放量降低29%。

在靈活資源可調(diào)度潛力評估方面，丹麥、西班牙等風(fēng)電資源豐富的國家已就利用靈活資源消納可再生能源問題開展了大量研究[24，25]。文獻(xiàn)[26]提出了一種含風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)用電一體化調(diào)度模型，融入電價(jià)信號、可中斷負(fù)荷、激勵(lì)政策等需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，采用啟發(fā)式動態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行求解，通過融入用電調(diào)度促進(jìn)風(fēng)電的大規(guī)模消納。文獻(xiàn)[27]引入負(fù)荷側(cè)柔性負(fù)荷并將其細(xì)化為4個(gè)時(shí)間尺度的調(diào)整響應(yīng)模型，通過建立風(fēng)電預(yù)測模型和負(fù)荷代理決策模型，考慮不確定性因素的影響建立多時(shí)間尺度的源-荷互動響應(yīng)調(diào)度模型，解決因高滲透率風(fēng)電帶來的調(diào)度運(yùn)行控制的復(fù)雜性問題。柔性負(fù)荷參與系統(tǒng)調(diào)度是發(fā)展趨勢，柔性負(fù)荷的可調(diào)度潛力、互動交易模式、響應(yīng)行為建模、多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度機(jī)制、互動效應(yīng)評估等內(nèi)容需要進(jìn)一步開展研究[28]。

目前，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已針對用戶用能結(jié)構(gòu)、用戶用能成本及經(jīng)濟(jì)效益分析、靈活資源可調(diào)度潛力評估等內(nèi)容開展了相關(guān)研究，然而在電/氣/冷/熱的終端用能相互交互關(guān)系、考慮能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的終端用能效益分析等內(nèi)容方面的研究還很有限，仍需要以用戶為中心，結(jié)合逐漸成熟的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)、儲能技術(shù)、電氣化交通等新興趨勢，分析用戶側(cè)綜合能源現(xiàn)狀。

在技術(shù)性方面，需要研究用戶側(cè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，分析以電力為主體、多種能源互補(bǔ)的能源消費(fèi)情況，包括用能體量、比例及構(gòu)成，綜合考慮風(fēng)電、光伏、地?zé)岬确植际叫履茉矗治鲆杂脩魹橹行牡木C合能源系統(tǒng)能量交互關(guān)系，并基于大數(shù)據(jù)技術(shù)分析不同種類用戶的用能需求、用能行為及用能特征，深入挖掘用戶側(cè)的節(jié)能潛力、靈活資源可調(diào)度潛力，構(gòu)建模型精確預(yù)測未來各類用戶負(fù)荷水平、用能結(jié)構(gòu)、節(jié)能潛力等方面的變化趨勢，評估多重不確定因素影響下靈活資源參與調(diào)控的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。在經(jīng)濟(jì)性方面，研究多元用戶綜合用能成本及經(jīng)濟(jì)效益分析方法，考慮多元用戶中多種能源經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境綜合屬性，基于用戶側(cè)廣義最優(yōu)價(jià)值，采用熵權(quán)法來確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建用戶經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)指標(biāo)體系。

圖1 以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化與能量管理

隨著綜合能源系統(tǒng)的快速發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同建模與優(yōu)化分析、用戶側(cè)綜合能量優(yōu)化管理與能效評估等內(nèi)容受到了國內(nèi)外學(xué)者和工程師的廣泛關(guān)注。在綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同建模與優(yōu)化分析方面，文獻(xiàn)[29]提出了多時(shí)間尺度的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同分析模型，考慮熱電聯(lián)產(chǎn)電廠、熱泵、燃?xì)忮仩t等連接電氣系統(tǒng)、供熱網(wǎng)絡(luò)和天然氣系統(tǒng)的耦合元件，建立考慮各個(gè)能源子系統(tǒng)運(yùn)行細(xì)節(jié)的協(xié)同潮流分析模型。其中網(wǎng)絡(luò)耦合部分通過多向量轉(zhuǎn)換效率矩陣進(jìn)行表征，使用牛頓-拉夫遜方法求解曼徹斯特大學(xué)校園內(nèi)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)。文獻(xiàn)[30]建立了天然氣和電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換和交互潮流的分析模型，并以最小化投資費(fèi)用為目標(biāo)分析了多時(shí)間階段的電-氣綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[31]提出了考慮安全約束的電-氣混合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，天然氣轉(zhuǎn)移因數(shù)用來表示天然氣供給和負(fù)荷對天然氣潮流的影響，最優(yōu)目標(biāo)為最小化考慮燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組的系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。文獻(xiàn)[32]建立了天然氣-電力混合網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)分析模型，其中天然氣管道的動態(tài)過程用偏微分方程表示，而電力系統(tǒng)的動態(tài)過程用微分代數(shù)方程表示。文獻(xiàn)[33]通過能源樞紐構(gòu)建由電、氣、熱等不同能源系統(tǒng)的綜合模型，并就規(guī)劃優(yōu)化、可靠性評估、投資決策等問題進(jìn)行了綜述。瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)的Anderson教授提出了基于EH（能源集線器）[34]的綜合能源系統(tǒng)建模方法，通過引入轉(zhuǎn)換效率因數(shù)分析電、氣、熱等多種能源間的穩(wěn)態(tài)交互關(guān)系，為綜合能源系統(tǒng)資源優(yōu)化配置、投資決策、運(yùn)行優(yōu)化和可靠性評估奠定理論基礎(chǔ)，能源集線器如圖2所示。

圖2 包含3種能源形式的能源集線器

在用戶側(cè)綜合能量優(yōu)化管理與能效評估方面，文獻(xiàn)[35]梳理智能小區(qū)的內(nèi)涵特征和先進(jìn)技術(shù)，在分析智能小區(qū)業(yè)務(wù)流、信息流的基礎(chǔ)上提出智能小區(qū)的互動綜合管理與服務(wù)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了智能小區(qū)業(yè)務(wù)功能和相應(yīng)配置，如用電信息采集、小區(qū)配電自動化、電動汽車充電有序管理、分布式電源接入與控制、智能家居等內(nèi)容，并介紹了包含電力線寬帶通信技術(shù)、以太無源光網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的小區(qū)集成通信技術(shù)、互動服務(wù)技術(shù)、小區(qū)配電自動化技術(shù)等。在上海世博會的智能電網(wǎng)示范工程中，一套包含展館樓宇自控系統(tǒng)、風(fēng)電光伏子系統(tǒng)、V2G系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)在內(nèi)的樓宇智能用電能量管理系統(tǒng)被安裝在了國家電網(wǎng)企業(yè)館，通過實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷消耗水平、場館報(bào)警信息等內(nèi)容，根據(jù)環(huán)境參數(shù)、歷史用電和電價(jià)結(jié)構(gòu)信號制定用電控制管理策略已達(dá)到樓宇節(jié)能和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的效果[36]。國家電網(wǎng)于2010年在北京、重慶、廊坊開展智能小區(qū)應(yīng)用示范與試點(diǎn)工程，通過應(yīng)用中斷負(fù)荷響應(yīng)、電動汽車優(yōu)化充電、清潔能源消納和PFTTH（電力光纖到戶）[37]建設(shè)滿足“三網(wǎng)融合”的智能小區(qū)。文獻(xiàn)[38]提出通用家居智能綜合能量管理策略，應(yīng)用虛擬發(fā)電廠技術(shù)達(dá)到個(gè)體家庭與所有用戶的協(xié)同最優(yōu)，家庭用戶能量流動如圖3所示。美國于2008年在博爾德地區(qū)為家庭用戶安裝了可編程家居控制器和家庭用能智慧管理系統(tǒng)，推動空調(diào)、冰箱、熱水器等可控負(fù)荷的優(yōu)化管理和能效提升[39]。文獻(xiàn)[40]基于M2M（機(jī)-機(jī)）通信技術(shù)討論家庭能源管理系統(tǒng)的通用通信架構(gòu)，通過完善的信息采集和電力需求管理給出最優(yōu)的家庭能量管理策略和決策算法。

圖3 家庭用戶能量流動示意

國內(nèi)外研究人員就綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化與能量管理問題已開展大量研究，主要集中在多能源系統(tǒng)協(xié)同建模、智慧能源、家庭用能管理、綜合用能評估等方面，然而仍需要從以下方面進(jìn)行完善：

（1）以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)為多元用戶主動參與綜合能源系統(tǒng)互動提供可能，也促進(jìn)了能量流、信息流、業(yè)務(wù)流等特性各異的物理對象的融合。多能源系統(tǒng)間的協(xié)同建模需要既考慮綜合能源系統(tǒng)中不同能源子系統(tǒng)之間的協(xié)同交互和作用機(jī)理，也要對信息流和能量流進(jìn)行統(tǒng)一抽象分析，利用微分代數(shù)方程、有窮自動機(jī)和隨機(jī)過程等數(shù)學(xué)工具建立物理—信息系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)模型。

（2）以用戶為中心的綜合能源系具有供需雙側(cè)智能交互的運(yùn)行特點(diǎn)，空調(diào)、熱泵、電動汽車、分布式電源等用戶側(cè)靈活資源的大量普及為多元用戶主動參與綜合能源系統(tǒng)互動提供物質(zhì)基礎(chǔ)，使得未來的綜合能源系統(tǒng)不再是由供給側(cè)到用戶側(cè)的單向能量傳遞，而是供需雙側(cè)的智能交互，目前的研究所涉及的供需互動大多局限在單個(gè)用戶、樓宇、小區(qū)的范圍，無法挖掘多元用戶側(cè)靈活資源之間的能源互補(bǔ)潛力和設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系，難以體現(xiàn)大規(guī)模用戶同時(shí)參與綜合能源系統(tǒng)互動時(shí)所呈現(xiàn)的整體性和協(xié)調(diào)性。

綜合考慮上述因素，未來有關(guān)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化與能量管理問題的研究將主要集中在考慮能量流、信息流、業(yè)務(wù)流融合情況下的綜合能量優(yōu)化管理技術(shù)。具體來說，考慮電/氣/熱/冷等多種能源的供給容量限制、網(wǎng)絡(luò)傳輸容量限制、能量轉(zhuǎn)化效率、綜合用能需求等多維度約束，建立涉及物理—信息運(yùn)行機(jī)理的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同分析模型，以最大化供需雙側(cè)經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，研究滿足供能質(zhì)量的最優(yōu)能量管理使用方案，涉及能源優(yōu)化調(diào)度方式和用戶能量優(yōu)化使用方案，實(shí)現(xiàn)多元用戶之間靈活高效的綜合能量交互配置，并基于綜合能量優(yōu)化管理技術(shù)，研究以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)可靠性評估模型。

5 用戶能量優(yōu)化管理軟/硬件支撐技術(shù)

綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同建模與優(yōu)化分析、用戶側(cè)綜合能量優(yōu)化管理與能效評估是以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)的核心，除此之外，還需要用戶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)和智能終端等軟、硬件支撐技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)綜合能量的優(yōu)化管理與能效評估。

國外在用戶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)方面的研究起步較早。美國于1996年研發(fā)的Energy Plus平臺，通過對用能設(shè)備、建筑的仿真建模，實(shí)現(xiàn)對用能設(shè)備、系統(tǒng)和整個(gè)建筑物的能耗狀況評估和在線狀態(tài)監(jiān)測[41]。施耐德電氣公司通過對空調(diào)控制、電機(jī)驅(qū)動、可再生能源接入和照明調(diào)控，為家庭用能監(jiān)管平臺提供增效解決方案[42]。文獻(xiàn)[43]通過能源管理器收集用戶用能行為信息，并利用了平均一致算法分析大型住宅中用戶的用能行為情況。文獻(xiàn)[44]通過HEMS（家庭能量管理系統(tǒng)）和BEMS（樓宇能源管理系統(tǒng)）的系統(tǒng)架構(gòu)和功能需求進(jìn)行整合優(yōu)化，開發(fā)適應(yīng)于2套系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度方案，探索在這2套系統(tǒng)中應(yīng)用可中斷負(fù)荷大的可靠性和適應(yīng)性。針對建筑的整體用電量問題Chris Guy搭建了一個(gè)多代理系統(tǒng)，通過各代理之間的協(xié)調(diào)使用戶的用電量最低[45]。法國里爾大學(xué)的Alessandro Di Giorgio對智能家居用電設(shè)備的用電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)是建立在分時(shí)電價(jià)基礎(chǔ)上的用戶用電成本最低，以規(guī)劃時(shí)段內(nèi)各用電設(shè)備的開啟時(shí)間為控制變量[46]。

我國也在用戶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)、智能終端技術(shù)等方面開展了相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索，中國電力科學(xué)研究院曾基于面向電力無線專網(wǎng)的技術(shù)方案開發(fā)智能用電互動業(yè)務(wù)模式和智能用電體系框架[47]，并考慮家庭用戶、商業(yè)用戶的設(shè)備用能特性，提出集信息采集、能效評估、設(shè)備控制、雙向互動于一體的智能用電技術(shù)方案[48]。國家電網(wǎng)公司應(yīng)用載波抄表系統(tǒng)和智能用電服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家庭用能安全監(jiān)測、用電信息與物業(yè)管理等多樣化功能[49]。

目前，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已針對用戶用能狀況監(jiān)測、智能終端計(jì)量和通信技術(shù)、綜合能效評估等內(nèi)容開展了相關(guān)研究，然而考慮用戶側(cè)電/氣/冷/熱等不同種類終端能源互補(bǔ)交互關(guān)系、分布式儲能和供能設(shè)備等內(nèi)容的綜合能源管理系統(tǒng)平臺尚無成熟的研究成果或工業(yè)產(chǎn)品，仍需要結(jié)合能源領(lǐng)域體制改革、需求側(cè)管理技術(shù)現(xiàn)狀、能源轉(zhuǎn)換技術(shù)等發(fā)展趨勢，建立以用戶為中心的綜合能量優(yōu)化管理系統(tǒng)。

從軟件平臺方面來看，以用戶為中心的綜合能量優(yōu)化管理系統(tǒng)需要借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與傳統(tǒng)能源物理網(wǎng)絡(luò)和信息通信控制網(wǎng)絡(luò)相集成，研究含分布式新能源、靈活資源（如空調(diào)、熱泵等）在內(nèi)的大規(guī)模用戶用能行為與控制方式，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和相關(guān)分析算法處理用戶側(cè)電/熱/冷/氣等多種能源消耗載體的用能狀況及交互關(guān)系，并基于需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制、電價(jià)互動信號和能量管理策略等核心算法，以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為指標(biāo)給出當(dāng)前用戶的最優(yōu)能量使用方案和自適應(yīng)控制策略，并模擬綜合能源系統(tǒng)中供需雙側(cè)的智能交互狀況，實(shí)現(xiàn)分布式電源、空調(diào)、熱泵、電動汽車等多樣化用戶設(shè)備用能監(jiān)測和實(shí)時(shí)能量優(yōu)化管理。

在終端硬件方面，需要研制面向用戶的智能互動終端核心模塊，實(shí)現(xiàn)針對大規(guī)模用戶的用能計(jì)量及設(shè)備監(jiān)控，并根據(jù)最優(yōu)能量使用方案和自適應(yīng)控制策略控制用戶用能設(shè)備，為綜合能量優(yōu)化管理系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。具體來說，用能計(jì)量及監(jiān)控設(shè)備是綜合能量優(yōu)化管理系統(tǒng)的硬件支撐與核心模塊，智能互動終端在感知能量流狀態(tài)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)與用戶用能量測和傳感設(shè)備的方便連接和信息交互，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備及信息的融合墊底物理基礎(chǔ)?；谟媚苡?jì)量及監(jiān)控設(shè)備，考慮最優(yōu)能量使用方案和自適應(yīng)控制策略，綜合分析大規(guī)模用戶中分布式電源、空調(diào)、熱泵、電動汽車等多樣化靈活資源的用能成本和可調(diào)度潛力，在保障用能可靠性的前提下，以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為指標(biāo)提出用戶用能自適應(yīng)控制策略，并將控制信號輸出至分布式電源、空調(diào)、熱泵、電動汽車等多樣化靈活負(fù)荷。

6 結(jié)語

隨著以用戶為中心的綜合能源系統(tǒng)理論研究的不斷深化和工程實(shí)踐的大范圍展開，用戶側(cè)的靈活資源、分布式電源、儲能設(shè)備將得到更加廣泛的應(yīng)用，電、氣、冷、熱等多種能源形式在用能端的交叉耦合和相互轉(zhuǎn)換也將更為緊密，綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化管理的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值將不斷提高，為未來能源行業(yè)的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

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（本文編輯：徐 晗）

Study on Critical Issues Correlated to Optimization and Management in Customer-Centered Integrated Energy System and the Prospect

JIN Wende1，JIANG Yibao2，DING Yi2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Corporation，Hangzhou 310007，China; 2.School of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

The paper discusses the characteristics of customer-centered integrated energy systems and reflects the research status and disadvantages of the system in terms of customer-side integrated energy status，collaborative optimization and energy management of customer-side integrated energy system and customer energy optimization and management software/hardware support technology.In addition，it brings forward critical issues correlated to optimization and management as well as research direction in the future，laying a theoretical foundation for system optimization and management.

integrated energy systems；customer-side；management；collaborative optimization

F416.61

A

1007-1881（2016）10-0073-08

2016-08-26

金文德（1966），男，高級工程師，主要從事電力科技管理工作。