清华大学孙宏斌：面向区域能源互联网的多能互补能量管理
2017-08-30 14:00:08
摘要：清华大学能源互联网创新研究院能量管理与调控研究中心主任孙宏斌表示，IEMS，它像一个大脑。底下是一个综合的能源系统，冷热气电交通，各种能流，叫多能流。
以下为孙宏斌发言文字实录：
孙宏斌：尊敬的各位领导、同行：大家下午好。
抱歉我这个刚从英国回来所以发烧，所以我声音低一点，我声音其实很大，但是刚才发现还说不出那么大的声音，非常抱歉。
这次在英国参加的是欧洲的应用能源年度大会，大概1千多人，欧洲能源大家知道做得非常好，尤其是综合能源系统，冷热气电耦合，我做了一个关于能源互联网的报告，从共享能源的角度切入，他们还是非常感兴趣的，因为他们认为我们在一个视角上在引领着潮流。所以这个想先简单跟大家分享一点。
今天这个题目事实上是一个比较技术型的，因为今天上午郭庆来老师是我的科研助手，他做了一个产品的展示发布，就是这样的一个多能综合能源系统，非常炫酷，在座的很多同事们在这儿也看到了，所以我不会重复他的内容。我会讲一些更深入的东西，事实上我们该讨论一些更深入的一些问题了。
这个是大家可能在网上关注的2015年4月份的“香山科学会议”，很有意思，是国家科技的一种战略的引领，定方向一样的会议，当时我发起了这样一个“香山科学会议”，去年前年我称之为能源互联网的概念之年，大家还是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。但是今年的话不一样，今年我们会倾向于称之为落地之年，也就是怎么去做。非常深入的不停留在表面上的这样一些落地，这样的落地国家能源局包括科技部有很多的项目在支持，这里列出来，资金的投入的体量也很大，过一会儿李凤玲老师也会作一些全面的介绍，关于示范项目。
前一个礼拜我去英国之前参加了雄安新区的能源系统的国家的一个讨论，规划的一个讨论。大家慢慢开始聚焦一个非常大的核心的一个问题，我们称之为焦点问题。就是如何来通过多能互补原网和协同实现安全供能前提下的效益最大化。事实上大家都关心这个问题，无论是园区还是智慧城市一样，但是说起来容易做起来难。要实现它，在技术上的核心问题归结为复杂的多能流网络的最优控制问题。这是核心的技术问题。
这样一个技术问题我不想写数学公式，这个PPT是在这次回来的飞机上我琢磨着今天的报告该怎么作。不想写公式，但是我们看到它的焦点问题，实际上是一个优化问题。这个优化问题是要什么样的最大化，要效益的最大化。效益等于收入-费用。我们的能源服务商都在思考这样的问题，你的精准的管理，你的精细化的管理是你的核心竞争力，你不是来做售电公司，皮包公司这么简单的。所以他会想如何最大化，但是前提是一个约束叫：安全供能。你不能跑路了，一下雨台风来了，跟你没关，钱不赚了，跑了。所以这里的问题是归结为这样一个复杂的问题。当然这里的收入的话包括了售能、售服务，否用有购能、购服务等。优化的手段就分布在冷热气电、交通，原网和储能各个环节，你可以发现里面最大的价值，这是你真正想要做的。当然这个约束包括你的供需平衡，运行的物理范围，以及安全，过一会儿我会强调安全。如果不强调安全，你的园区管理是失败的。当然这个焦点问题最后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，简称IEMS。
这里我回顾一下EMS的历史。它叫管理一个能量的系统，这样的系统我们这个画面里面能看到，我们的调控中心，这是华北局，管理着发输配用，这个是电网的大脑，就装在计算机的监测、分析、控制这样一个复杂的计算机的神经中枢和调度指挥司令部，它是大电网的智慧的核心。当然我这个课题组做这件事30多年。
从历史上来看，我大概归结了三代的EMS的出现。第一代是1969年以前，叫初期的EMS，你看不到、摸不到，是把数据采来，各种网络协同控制是没有的。然后这个优化和分析主要靠离线，我们称之为经验型调度。现在园区去管理，绝对不能停留在经验型调度的水平上，肯定是精益化的管理。
第二代是七十年代初开始到二十一世纪初是传统的EMS，惦记者是这位老先生，1米8左右的DY-拉克（音）先生，90多岁，现在还活着。在我们国家是以1988年开始的四大电网调度自动化系统引进作为标志，消化、吸收、再创新自主知识产权，现在是引领。这样的一个EMS基本上国内国产化，当时青花承担了东北的引进消化和吸收，因为大家知道东北当时是最大的网调，全国负荷最大的是在东北，那时候东北是重工业基地。这时候是分析型调度，上升到新层次。那时候这是我们工作组计算机还很笨，在上面分析开发控制的软垫。
第三代是智能电网。这是大规模可再生资源之后是源网荷协同，这时候还没有多能横向的协同，只有源网荷的协同。我们针对大规模可再生能源不可控，多动，里面的灵活性资源转到配荷，发展了一整套的EMS的家族，从源到网到荷。源有风厂的EMS，荷有电动汽车、楼宇、家庭、围网、配网，你发现EMS出现了家族，有很多的成员，各种特点，通过通信网联结在一起形成协同，这叫做EMS家族开始出现了，这是我们说的是智能电网的源网荷协同。
接下去第四代或者说下一代我们称之为多能互补的综合能量管理系统。这里的综合是把各种能源集成和综合。我们会发现综合的能效偏低，包括我们设备的利用率偏低，能源相互割裂，所以需要综合利用。同时我们发现弃风、弃光、弃水灵活性不够，需要从多能里面找到新的灵活性资源，所以我们需要这样一个新的发展。
这个画面给出来就是IEMS，它像一个大脑。底下是一个综合的能源系统，冷热气电交通，各种能流，叫多能流，这样一个管理在世界上没有先例，这次我到英国去介绍了这个，大家认为世界上没有先例，这是第一个，今天上午在清华发布的这是第一个IEMS系统。我们做电网的EMS做了30多年现在要拓展成IEMS非常困难，我们学电的不懂热、气、交通、移动，这时候我们需要学习热能，学汽车来讲系的东西，这对他们有挑战，我们最近五年一直在学。所以做了这个事情。
功能的话不介绍了。关于SCADA，最重要的是“四遥”，四摇报警针对的是多能耦合的在一起的。
这是一些画面已经开发的在广州民族工业园做的一些画面。这是针对今天上午展示的那个3D的动画的一些SCADA系统。
我想重点说一下状态估计。大家知道园区里面你的成长网络在末端冷热气电，量多分布广啊，出错是难免的，你能基于错误的数据进行调度和决策吗？不行。所以你很重要的一个任务是当你采集到了多能数据的时候如何融合。这里非常核心的就是状态估计。这里非常重要的就是要补齐两侧，你不要寄希望于把什么都采来，成本太高，不会的。所以你一定要利用网络方程推算出一些你采不到的东西。
第二是冗余坏数据，怎么像把它剔除这是非常重要的。几乎每一个园区的断面都有坏数据，所以你必须要剔除坏数据。怎么剔除？这里有一套非常复杂的数学。比如说热力管道，首末端有压力、流量，通过这个能算出三个流量。如果第一个流量是15，第二个流量是10.1，第三个流量是9.8，你可以很快判断出15是坏数据把它扔了，原因是它离中心点最远，这是最简单的例子。你复杂的网络这样的坏数据如何剔除。当然我们如果做好这些工作你能降低安装传感网络的成本，通讯成本，能提高后面决策的可靠性，这是最基础的。别老想着优化调度的事，你首先要想到这个事。
是坏数据变死，良策补齐的展示。
第二个是安全的问题。一次安全事故可以把你多年赚的钱全部赔掉。大家现在没感觉，我们公司耗热，买了电赚差价。事实上不那么简单，能源系统的安全影响着生命。第一个是N-1，你发现安全最薄弱的环节在他里？上午说了一个台湾的大停电是气的阀门的问题导致电的大停电。那那个阀门是一个薄弱环节。就像人，人的器官是有薄弱和非薄弱之分，比如一个手指砍了没事，心脏挖了就死掉了。你一定发现心脏在哪儿，你的网络的心脏在哪儿，手指无所谓，掉就掉一下，还不影响整个园区的能源系统，你一定要时刻关注最薄弱的环节，一般出现问题一定要有预案，否则会面临巨大的挑战。
还有安全控制。什么地方是你最焦虑的？就是交易的关口，那个容量配置通常是要花很多钱的，50兆瓦和100兆瓦钱差多了。你设置成50兆瓦的时候你想着不能超过，如果超过了怎么办，这就是安全控制。你能把边界上面的快速解除，使得50兆瓦仍然处在安全的状态，这里有大量的技术的这样一些问题，由于时间关系不详细介绍了。
是今天上午介绍的如何来解除关口上面的电力阻塞的这样一个案例。由于内部的风电突然没来，大量的电要从外部来。
再接着就是多能流的优化调度。这个大家谈的很多了，但是真正细致的再问几句，不知道。这里有几个重要的概念：启停计划、日前调度、日内角度、实时控制。我们知道一个园区或者是城市三联供，燃气机组，电锅炉都是可以启停，你知道有一些停下来成本很低的，这里你要确定日前的启停计划，什么时候该停，什么时候该启，那是非常科学的。再接着在启停基础上触力多少，这是日前调度。日内调度，风光由于天气变化也变了，日内要再调度，使得适应符合发电的新的状态。再到秒级还要控制，比如说安全出问题了，或者是其他的还有别的因素，有调压的问题，调频的问题，需要实时控制。调度是时间尺度长的，以15分钟为单位，控制是以秒为单位，这是很不一样的，具体的内容就不讲了，包括源网荷储，冷热气电交通综合的这样一个优化的调度。
这是今天上午介绍的一个画面，关于多能的优化调度。
再接着这个非常有意思是多能流的结点能价。因为我们拿到一个园区或者是智慧城市，这里一定要考虑建设一个非常好的内部的商业模式。内部的商业模式不是对外的，不是对上的，而是对自己底下园区用户的，这样的一个商业模式应该是什么？最好的最科学的模式是结点能够价的模式。我要知道各个地方的用能成本到底是多少，这个成本包括几个部分，一个是发能，能量发出来的成本。第二是传输中损耗的成本。第三是网络阻塞的成本。第四是多能耦合的成本。你用科学精准计算各个结点的能价，冷价多少，热价多少，不同地方价格不一样，不同时刻价格不一样，你要精准计算，才能使得园区的总的用能成本显著下降，原因是用价格的信号来引导大家用能。那个贵了就少用点，便宜了就多用点，你会非常愉快，整个园区的用能成本通过柔性的能价的手段显著下降，这下降的幅度是极大的。
当然会把优化问题建立起来，多巴能的边际成本能计算出来，这就是一个多能的分时的分布的结点能价的这样一个画面，冷热气电，在历史上没有过，只有结点电价，没有结点能价。
这是虚拟电厂。对上面的商业模式，整个城市都可以变成一个大的虚拟电厂，尽管不是物理电厂，但是有很多的内部的储能、有很多CCSP联合在一起就可以变成大的主体，提供调频、调压、调风等等很多的服务，这样的服务赚来的钱可能比你增加能效，节省用能还要多，这在美国已经成为现实。所以这一块是非常值得大家关注的，这是对外的商业模式，很大的赚钱的机会。
当然这里面有很多的技术内容。包括能量管理是如何跟上级能量管理系统和市场进行虚拟电厂的这样一个关系。
这是虚拟电厂的一些效果，不详细说了。
这样一个IEMS目前在现场实施中，我这里介绍的是四个地方。这是成都高新西区大概40平方公里，是工业园区，我们要做这里的综合能源的供应与需求分析，多能协同优化，IEMS系统要搭建部署和应用。这是它的多能的一个骨干图。
这个是在广州也要搭建这样一个IEMS，实现灵活资源的同步化控制，虚拟电厂和需求在响应。这是大概12平方公里，也在典型的工业园区，我们要传感网络布下去进行协调。
然后这个是在东莞立沙岛是一个半岛差不多也是12平方公里左右的，这里是一个工业园区，包括CCSP，冷热电负荷非常重，怎么样形成运行模式和能源价格机制，怎么做能量的管控，这个还是蛮有意思的。
这个是吉林省今天吴越总也来了，因为吉林风电消纳是最大的挑战，冬季的清洁供暖又是一个挑战，加在一起怎么用市场的手段来激发多能流的管控和交易，是最具挑战的问题。
最后一页跟第一页相呼应。第一页是“香山会议”，最后一页是IEEE能源互联网和能源系统集成学术会议，包括PES的主席，还有欧盟能源委员会的主席都会来，所以这是一个非常盛大的国际会议，我们希望把能源互联网走上国际。谢谢。（能源新闻网）
