多能優(yōu)化調(diào)度在智慧能源管控平臺(tái)中的應(yīng)用

張 舵 ，馬 超， 李嘉逸

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.中國電力工程顧問集團(tuán)智能電網(wǎng)技術(shù)中心，四川 成都 610021)

0 引 言

國家電網(wǎng)公司在2019年工作會(huì)議中指出，要聚焦建設(shè)世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，推動(dòng)公司轉(zhuǎn)型升級(jí)，打造“三型”(樞紐型、平臺(tái)型、共享型)企業(yè)，建設(shè)運(yùn)營“兩網(wǎng)”(堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng))[1]，并將綜合能源服務(wù)作為主營業(yè)務(wù)，積極推進(jìn)綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)發(fā)展。

綜合能源系統(tǒng)利用化石燃料(以天然氣為主)，通過微型燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t和制冷裝置，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、制冷、供熱，使得能源多級(jí)利用并以此提高能源利用效率，綜合能源利用效率在90%以上，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)集中式發(fā)電廠效率。綜合能源系統(tǒng)的核心問題包括對終端能源單元系統(tǒng)的管理以及其如何處理與傳統(tǒng)社會(huì)供能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合[2]。

1 智慧能源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式

在能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的研究和建設(shè)方面，美國FREEDM中心、普渡大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校[3]提出能源互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。該理論以骨干大電網(wǎng)、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)為研究對象，強(qiáng)調(diào)借鑒互聯(lián)網(wǎng)開放的思想及理念提出了新型的能源網(wǎng)。德國提出的“E-Energy”[4]計(jì)劃強(qiáng)調(diào)將信息網(wǎng)絡(luò)定位為能源互聯(lián)網(wǎng)的支持決策網(wǎng)，在現(xiàn)有電力能量管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加通信寬帶以及信息收集、分析和決策，從而指導(dǎo)能源網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行調(diào)度。日本提出“intenergy”[5]的概念，強(qiáng)調(diào)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和能源網(wǎng)絡(luò)的深度融合，采用集中式和分布式耦合的分層遞階的能量管理系統(tǒng)。在中國，目前清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)研究院提出融合了信息網(wǎng)和能源網(wǎng)的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并采用能量路由器作為其核心單元[6]。 “energy hub”是瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)基于計(jì)算機(jī)科學(xué)中集線器的概念,用以刻畫多能耦合單元的關(guān)系模型。在該模型中能量耦合單元被稱為能源集線器，負(fù)責(zé)能源的耦合與轉(zhuǎn)換(冷、熱、電)，它是對現(xiàn)有各類綜合能源單元方案的一種高度的抽象化。

2 智慧能源綜合管控平臺(tái)

隨著多能源互聯(lián)程度的不斷提高以及配售電業(yè)務(wù)市場次第放開，多能源的聯(lián)合供給將成為未來能源服務(wù)商(擁有配電網(wǎng)資產(chǎn)的售電公司)搶奪終端用戶的主要競爭手段。如何實(shí)現(xiàn)多種能源供應(yīng)、用戶需求管理、設(shè)備運(yùn)維、生產(chǎn)調(diào)度等多種功能需求的一體化管控，將是未來售電公司急需解決的問題。

相比于電網(wǎng)公司、發(fā)電公司、設(shè)備廠家，電力設(shè)計(jì)院除具有包括電源、電網(wǎng)、技經(jīng)、系統(tǒng)、通信、計(jì)算機(jī)等完備的專業(yè)體系以及涵蓋電力系統(tǒng)整體與分項(xiàng)工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、調(diào)控的工程經(jīng)驗(yàn)之外，還與電力系統(tǒng)各利益相關(guān)方(政府、發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、售電公司、交易中心、調(diào)度中心、科研院所)都具有良好關(guān)系，位置中立，經(jīng)常與各方合作，既熟悉政策又明白各方需求，同時(shí)還有一定的科研開發(fā)能力，具備開發(fā)一套發(fā)供配用售營一體化綜合管控平臺(tái)的基礎(chǔ)條件。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧能源管控平臺(tái)是提供以需求為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)挖掘與精準(zhǔn)服務(wù)應(yīng)用，通過開發(fā)相關(guān)工具與產(chǎn)品，提升與客戶的互動(dòng)參與度，為項(xiàng)目提供從規(guī)劃設(shè)計(jì)到調(diào)度運(yùn)維的全壽命周期增值服務(wù)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)。平臺(tái)可支持統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算等技術(shù)，為平臺(tái)用戶提供用能預(yù)測、潛在客戶分析、設(shè)備故障感知與預(yù)警、能效提升、風(fēng)光儲(chǔ)新能源消納評(píng)估以及需求側(cè)響應(yīng)柔性負(fù)荷評(píng)估等多元化的綜合能源服務(wù)。

智慧能源綜合管控平臺(tái)是基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)，由多個(gè)分布式子站系統(tǒng)集成的綜合能源大數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)，圖1展示了智慧能用管控平臺(tái)的功能架構(gòu)，該平臺(tái)由數(shù)據(jù)倉庫模塊、算法引擎模塊、功能組件模塊、應(yīng)用方案以及應(yīng)用業(yè)務(wù)組成，可提供智慧能源大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、分析、應(yīng)用等功能。

圖1 智慧能源管控平臺(tái)功能架構(gòu)

通過“數(shù)據(jù)+規(guī)則”的訓(xùn)練方式實(shí)現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和規(guī)則的理解，模擬政府、智慧能源發(fā)輸配售企業(yè)、用戶等的思維決策，提供負(fù)荷預(yù)測、新能源出力預(yù)測、多能優(yōu)化互補(bǔ)、能耗分析等服務(wù)。平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)多能流信息可監(jiān)控。將電、水、氣、熱多能信息統(tǒng)一采集處理；光伏、儲(chǔ)能等多能源系統(tǒng)深度耦合；能源生產(chǎn)使用消費(fèi)統(tǒng)一管控，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和使用的友好互動(dòng)。

2)全壽命周期可管理。從項(xiàng)目的長期經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，全面考慮項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、檢修、更新或改造。

3)多源數(shù)據(jù)可挖掘。通過深度學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)挖掘手段對智慧能源系統(tǒng)進(jìn)行診斷、優(yōu)化和預(yù)測。

4)根據(jù)用戶需求，平臺(tái)主要功能及業(yè)務(wù)模塊可定制，可自由組合，可集成，也可分散。

2.2 功能組件

主要功能組件如下[6]:

1)多能流實(shí)時(shí)監(jiān)測。平臺(tái)能對所監(jiān)控園區(qū)內(nèi)多個(gè)分布式能源廠站如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、冷熱電三聯(lián)供廠站、儲(chǔ)能站、電動(dòng)汽車充(換)電站等場景，以保證供電(冷熱)安全性、經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，可提高電站發(fā)電(供熱)效益，最大限度提高廠站監(jiān)控、運(yùn)維水平。

2)多能優(yōu)化調(diào)度。平臺(tái)將所得到的能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行，合理安排調(diào)度計(jì)劃，促進(jìn)多能耦合及轉(zhuǎn)化能力，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和能源綜合利用。

3)能源銷售一體化管理。系統(tǒng)打通傳統(tǒng)業(yè)務(wù)相互隔離的信息壁壘，通過數(shù)據(jù)集成及信息融合，實(shí)現(xiàn)發(fā)配用一體化管理。

4)智能運(yùn)維。通過科學(xué)合理的安排檢修工作，以最少的資源保持設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行能力。

5)智慧能源增值服務(wù)。能夠利用其大規(guī)模存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析以及可視化展示等相關(guān)技術(shù)從海量數(shù)據(jù)中獲取有價(jià)值的信息，更好地支撐智慧能源的建設(shè)。

3 多能優(yōu)化調(diào)度策略

運(yùn)行管控策略可分為啟發(fā)式調(diào)度策略和優(yōu)化調(diào)度策略兩種類型，其中優(yōu)化策略又可分為混合目標(biāo)優(yōu)化和日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化。啟發(fā)式調(diào)度策略以事先擬定的設(shè)備啟停優(yōu)先級(jí)制定運(yùn)行規(guī)則，該優(yōu)先級(jí)不隨系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境發(fā)生改變；其中，日前優(yōu)化策略以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，通過日前調(diào)度區(qū)域內(nèi)各供能設(shè)備(光伏、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、溴化鋰制冷機(jī)、蓄熱蓄冷設(shè)備)的運(yùn)行方式和出力，可以降低系統(tǒng)的日運(yùn)行費(fèi)用并保持區(qū)域內(nèi)的排放最優(yōu)。

1)啟發(fā)式調(diào)度模式

作為綜合能源系統(tǒng)中最常見的兩種調(diào)度策略，“以電定熱”和“以熱定電”模式在應(yīng)用場景和研究對象的差別較大。文獻(xiàn)[7]將提升能源利用效率為目標(biāo)，將集成邊界(IPC)為約束，通過樓宇型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)證明了控制策略的可行性。文獻(xiàn)[8]以熱電聯(lián)供系統(tǒng)為研究對象，不同熱電比下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并找出了最優(yōu)熱電平衡點(diǎn)下的最大經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效益。

2)日前優(yōu)化模式

要保證冷熱電混合能源系統(tǒng)能夠高效地正常運(yùn)行，必須對系統(tǒng)控制中心下發(fā)日前調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃，該計(jì)劃類似電網(wǎng)日前發(fā)電計(jì)劃。在日前調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃中，以日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度的研究最多。文獻(xiàn)[9]面向商務(wù)樓宇型冷熱電混合能源系統(tǒng)，以系統(tǒng)的日運(yùn)行費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)建立了系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)果表明通過應(yīng)用所提調(diào)度策略，該商務(wù)樓宇系統(tǒng)可節(jié)約11%的年運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)減少8%的年碳排放量。

4 多能優(yōu)化調(diào)度模型

園區(qū)智慧能源系統(tǒng)包括熱、電和氣3種能源形式，具有負(fù)荷種類多樣、供能設(shè)備豐富的特點(diǎn)。下面在MATLAB環(huán)境下對多種供能設(shè)備(含電儲(chǔ)能)進(jìn)行建模，采用CPLEX求解混合整數(shù)規(guī)劃問題，并建立智慧能源系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型。

基于某工業(yè)園區(qū)分布式能源站工程的系統(tǒng)供能架構(gòu)及邊界條件，建立智慧園區(qū)系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，模型的輸入包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)忮仩t、蓄電池、光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備型號(hào)及容量，還包括購電價(jià)格、電熱負(fù)荷、風(fēng)速和光照強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模型框架

在建立多種設(shè)備數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮購電電價(jià)影響，建立系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過求解經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，達(dá)到合理制定運(yùn)行策略的目的。假設(shè)系統(tǒng)的設(shè)備出力是連續(xù)變量，并且在優(yōu)化運(yùn)行期間無故障導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)。

4.1 目標(biāo)及約束

1) 目標(biāo)函數(shù)

使智慧能源系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用最小的目標(biāo)函數(shù)為

minCost=min(Cgrid+Cfuel)

(1)

式中：Cgrid為與電網(wǎng)交互的功率費(fèi)用；Cfuel為燃料費(fèi)用。

2)約束條件

約束條件包括功率平衡約束、設(shè)備容量約束及設(shè)備運(yùn)行約束。

(2)

(3)

對于微型燃?xì)廨啓C(jī)：

(4)

對于燃?xì)忮仩t：

(5)

對于蓄電池：

(6)

4.2 算例場景及邊界條件設(shè)定

系統(tǒng)采用自發(fā)自用，并網(wǎng)不上網(wǎng)原則。主要設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、蓄電池、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)及分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過一個(gè)公共并網(wǎng)點(diǎn)和電網(wǎng)交換電力，在電力系統(tǒng)供應(yīng)不足時(shí)向國網(wǎng)購電，在系統(tǒng)電力富余時(shí)向儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，儲(chǔ)能電池選用磷酸鐵鋰電池組。

按照當(dāng)前電價(jià)，設(shè)定容量電價(jià)和功率電價(jià)為0，電度電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)。豐枯季節(jié)、峰谷時(shí)段劃分，即豐水期為6至10月，枯水期為1至4月、12月，平水期為5月、11月。銷售側(cè)豐枯電價(jià)調(diào)整為枯水期電價(jià)上浮5%，豐水期電價(jià)下浮5%。峰谷分時(shí)浮動(dòng)電價(jià)繼續(xù)按高峰時(shí)段在豐枯浮動(dòng)基礎(chǔ)上上浮50%，低谷時(shí)段在豐枯浮動(dòng)基礎(chǔ)上下浮50%。該地區(qū)天然氣價(jià)和不同季節(jié)、不同時(shí)段的電價(jià)如表1所示。

算例中的相關(guān)參數(shù)如表2、表3所示。

4.3 仿真與結(jié)果

通過求解經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，得到該智慧能源系統(tǒng)各類供能及儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)度計(jì)劃和各類負(fù)荷平衡曲線，見圖3。

表1 園區(qū)購電電價(jià)(豐、枯、平期)

表2 功能設(shè)備參數(shù)

表3 儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)

圖3 電負(fù)荷平衡日前優(yōu)化調(diào)度設(shè)備出力曲線

由圖3可知，系統(tǒng)在電價(jià)較低時(shí)段0：00-7：00啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)組開始工作，以滿足系統(tǒng)的電負(fù)荷需求；光伏在10：00-17：00進(jìn)入可發(fā)電時(shí)刻，光伏按照預(yù)測出力滿發(fā)，以減少系統(tǒng)內(nèi)的電力供應(yīng)需求。在0：00-24：00向國網(wǎng)購電以彌補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電不足，其中在7：00-20：00由于受燃?xì)廨啓C(jī)最大出力限制，此時(shí)段外購電量約占全天的70%，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)在此時(shí)向系統(tǒng)放電，以賺取峰谷價(jià)差。

圖4 熱負(fù)荷平衡日前優(yōu)化調(diào)度設(shè)備出力曲線

由圖4可知，系統(tǒng)的蒸汽熱負(fù)荷需求由余熱鍋爐及燃?xì)忮仩t提供，在0：00-7：00時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)處于低負(fù)載率運(yùn)行，在8：00-21：00時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)處于高負(fù)載率運(yùn)行，同時(shí)為了滿足高峰負(fù)荷需求，在16：00-18：00時(shí)1號(hào)燃?xì)忮仩t開啟。

綜上，優(yōu)化后的供能方案可以滿足智慧園區(qū)能源系統(tǒng)的全部能源需求，系統(tǒng)未出現(xiàn)棄風(fēng)、光和棄熱現(xiàn)象。表4給出了系統(tǒng)優(yōu)化前后的日運(yùn)行費(fèi)用對比。

表4 不同調(diào)度策略下系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用

其中，優(yōu)化后的系統(tǒng)采用所提的調(diào)度策略，日運(yùn)行費(fèi)用為220 947.21元；未優(yōu)化是指系統(tǒng)的電負(fù)荷全部由公共電網(wǎng)接入，熱負(fù)荷由燃?xì)鈾C(jī)組和燃?xì)忮仩t提供，日運(yùn)行費(fèi)用為328 562.84元。系統(tǒng)在使用了優(yōu)化調(diào)度策略后可以使運(yùn)行費(fèi)用降低32.7%，因此通過智慧能源系統(tǒng)內(nèi)各供能設(shè)備的運(yùn)行方式和出力，可以顯著降低系統(tǒng)的日運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行。

5 結(jié) 語

由仿真結(jié)論得知，多能優(yōu)化調(diào)度功能可顯著降低系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用。多能優(yōu)化調(diào)度作為智慧能源系統(tǒng)的核心功能，可有效提高系統(tǒng)的能源利用效率、促進(jìn)資源的優(yōu)化配置以及提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

智慧能源管控平臺(tái)的建設(shè)，首先應(yīng)搭建多能互補(bǔ)的智慧能源基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測并上傳智慧能源系統(tǒng)的運(yùn)行、環(huán)境及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)傳輸；之后建立廣泛參與的“泛在能源物聯(lián)網(wǎng)”；最后通過培養(yǎng)多樣化的能源商業(yè)新模式，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與方案的統(tǒng)一。