以用户为中心的综合能源系统优化管理关键问题研究现状及展望

金文德，江艺宝，丁 一

（1.国网浙江省电力公司，杭州 310007；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

以用户为中心的综合能源系统优化管理关键问题研究现状及展望

金文德1，江艺宝2，丁 一2

（1.国网浙江省电力公司，杭州 310007；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

讨论以用户为中心的综合能源系统的特点，从用户侧综合能源现状分析、用户侧综合能源系统协同优化与能量管理、用户能量优化管理软/硬件支撑技术3个方面回顾了该系统研究现状及其存在的不足，提出了优化管理关键科学问题及未来研究方向，为系统优化管理奠定理论基础。

综合能源系统；用户侧；管理；同优化

1 综合能源系统研究现状

能源是人类赖以生存的物质基础，是社会发展和文明进步的先决条件，能源领域的技术革新和体制变革贯穿人类社会的整个发展进程[1]。然而，社会生产力的飞跃式发展导致能源需求的急剧上升，传统化石能源面临过度开发与濒临枯竭的严重问题，由此引发的环境污染问题也日益严峻，传统的能源利用体系亟待转型与升级[2]。随着分布式新能源、新型储能技术、计算机技术、ICT（信息通信技术）、需求侧响应机制的逐渐完善与成熟，能源利用体系正在孕育大量创新与变革，如智能电网[3，4]、能源互联网[5，6]、综合能源系统等[7，8]。其中综合能源系统发展迅速，受到了各国的高度重视和学界的广泛关注。美国能源部于2001年提出综合能源系统发展计划[9]，推动清洁能源的高效利用，并以CCHP（冷-热-电联供）技术为基础提高能源系统的供能可靠性。为促进供用能环节的IRP（综合能源规划），美国于2007年颁布EISA（能源独立和安全法）[10]并追加6.5亿美元的专项经费支持。德国联邦经济和技术部于2008年启动了E-Energy促进项目[11]，包含eTelligence和RegModHarz等6个子项目，旨在通过新型信息通信技术推动能源系统的安全供给和高效运行。加拿大能源委员会于2009年颁布了指导意见[12]，推动ICES（社区综合能源系统）的广泛应用，以实现2050年温室气体减排目标。

综合能源系统能够促进多种能源子网络的综合规划、运行管理和优化梯级利用，提高能源系统供能经济性与可靠性[13]。除此之外，互联网的快速发展增强了综合能源系统中供需双侧的双向互动，能源用户可以通过互联网平台了解自身的用能信息和系统的运行状态，并主动参与到能源系统的实时平衡和用能管理。空调、热泵、电动汽车、分布式电源等用户侧灵活资源的大量普及，也为用户参与综合能源系统供需互动创造了有利条件，且各国政府普遍面临着巨大的节能减排、促进新能源利用的发展压力，新型能源市场和交易体制正处于革新之中，这些都促使能源利用体系由传统的垂直化纵向分层体系向扁平化横向平台体系转变，综合能源系统的中心也逐渐向拥有巨大开发潜力的用户侧转移，未来的能源利用体系将走向以用户为中心的综合能源系统。

随着能源领域体制改革的逐步推进和用户侧资源的不断丰富，未来的综合能源系统将以用户为中心，并由传统的垂直化纵向分层体系到未来的扁平化横向平台体系的转变。用户侧综合能源供用单元（如微网、区域综合能源系统等）和含大量灵活资源的终端用户将是未来综合能源系统发展和研究的重心。如用户侧大量拥有小型分布式供能设备的能源用户可以形成区域能源服务商，参与综合能源系统的运行与调度。含分布式设备的区域综合能源系统[14]由于设备种类繁多、耦合关系密切和动态特性复杂，也需要从系统建模、规划决策、仿真分析、优化运行的等角度开展相关研究。通过大数据技术分析不同种类用户的用能需求、用能行为及用能特征，挖掘各类用户群体的节能潜力，构建模型精确预测未来各类用户负荷水平和用能结构，提高用户侧的能源利用效率，降低了电力投资成本，是建设节约型、可持续发展社会的重要保障。

2 以用户为中心的综合能源系统的特点

虽然综合能源系统已经受到了工业界和学术界的广泛关注，并有大量相关研究陆续开展，国外相关研究中使用了较多的概念[15-17]，然而目前还没有关于综合能源系统的统一定义，不过综合能源系统一般均指涵盖电、气、冷、热等多种类能源系统，促进源、网、荷深度融合，贯穿能量生产、传输、转换、分配、储存、使用等环节的综合性、集成化、新一代能源系统。文献[2]将综合能源系统定义为包含供能网络、能源交换环节、能源存储环节、终端综合能源供用单元和大量终端用户在内的，实现能源生产、传输/分配、转换、存储、消费等环节有机协调等能源产供销一体化系统。其中，供能网络包含供电、供气、供冷/热等网络；能源交换环节包含CCHP机组、发电机组、锅炉、空调、热泵等；能源存储环节包含储电、储气、储热、储冷等。以用户为中心的综合能源系统也包含在上述定义之中，并且更侧重于能源转化和消费环节，以用户侧综合能源供用单元（如微网、区域综合能源系统等）和含大量灵活资源的终端用户为重点研究对象。与综合能源系统相比，以用户为中心的综合能源系统除了具备多种能源交叉互补、可提高能源供给的可靠性和经济性、可促进大规模可再生能源的消纳利用等特点之外，还具备如下特点：

（1）互联网的普及为多元用户主动参与综合能源系统互动提供可能性。信息通信技术和互联网技术的普及应用，促进了综合能源系统、信息通信系统和互联网的有机融合，能量流、信息流、业务流等特征各异的物理对象实现了紧密耦合且相互影响，实现了综合能源系统中大量用户的信息共享和系统状态的实时感知，为多元用户主动参与到能源系统的实时平衡和用能管理创造了有利条件。2011年欧洲启动了FINSENY项目[18]，通过促进互联网和传统能源系统信息管理系统的融合，实现能源领域的信息革命。

（2）用户侧灵活资源的大量普及为多元用户主动参与综合能源系统互动提供物质基础。用户侧灵活资源主要涉及空调、热泵、电动汽车、分布式电源等设备，指的是可以被直接控制或调度，输出功率可以迅速向上或向下调节的电源资源[19]。随着综合能源系统的快速发展，诸如燃气锅炉、电转气装置等其他用能设备和转换设备的出现将使得综合能源系统的用能换件更加紧密地耦合在一起，包含分布式电源在内的种类多、分布广泛的灵活资源均可参与综合能源系统的供需实时交互和有效能量管理，实现多元用户与综合能源系统的双向协同互动。

（3）以用户为中心的综合能源系统呈现扁平化、分布式布局体系。随着综合能源系统中能源用户的数量呈指数级上升趋势，综合能源系统的参与个体愈发广泛，且受到“开放、互联、平等、共享”的互联网理念影响，未来以用户为中心的能源系统将朝着平等开放、即插即用、智能互动的方向发展，以用户为中心的综合能源系统布局体系也将呈现扁平化、分布式发展趋势，需要借助云计算、物联网、大数据等热点技术来促进大量多元用户的广泛交互和信息共享，实现能源生产、传输与使用的全过程优化。

（4）以用户为中心的综合能源系统具有供需双侧智能交互的运行特点。用户侧灵活资源的大量普及为多元用户主动参与综合能源系统互动提供物质基础，使得未来的综合能源系统不再是由供给侧到用户侧的单向能量传递，能源用户也由过去的能源使用者转换成能源消费者和服务商，传统能源系统中供给者、消费者的概念被淡化，取而代之的是综合能源系统供需双侧的智能交互，意指能量的双向交互和信息的开放共享。微网作为智能电网领域的一个重要概念，可以看做是未来区域综合能源系统的雏形。用户在微网中扮演重要角色，一方面是因为用户侧灵活资源（空调、热泵、分布式电源、电动汽车）是实现微网孤岛运行和能量供需平衡的重要基础，另一方面，微网中的用户能够通过多种能源使用设备（电、气、热、冷等）实现微网环境下电/气/冷/热等多种能源的耦合。针对微网中多种能源的系统建模和优化分析已有很多相关研究[20，21]，这为综合能源系统的构建和发展提供了理论基础。

（5）以用户为中心的综合能源系统将促进端对端能量交易的发展。随着分布式电源、储能技术、电动汽车的普及，能源用户已具备形成小型分布式能源服务商或能源聚合商的发展空间，热泵、空调、电动汽车等灵活资源的出现促进了用电、用气、供暖、供冷等家庭用能环节的交叉耦合和相互影响。与传统的能源公司相比，用户侧涌现的能源服务商具有更高的灵活性和适应性，能够根据系统实际运行状态和市场价格信号变更服务模式，且随着互联网的广泛普及和深入应用，能源领域将催生P2P（端对端）甚至是C2C（用户对用户）等商业营销模式，有效促进大范围内能源系统资源的开放、对等、优化配置，提高能源市场运行效力和能源服务的品质价值。

基于上述特点，如图1所示，以用户为中心的综合能源系统包含了分布式电源、空调、热泵、电转气设备、电动汽车等用户侧灵活资源，实现了用能侧电、气、冷、热等多种能源形式的交叉互补和优化管理。从横向来看，以用户为中心的综合能源系统实现了生产、存储、传输、使用等多环节的双向智能交互；从纵向来看，综合能源系统在生产侧和用户侧实现了多种能源的交互耦合和优化管理。

3 用户侧综合能源现状分析

近年来，各国纷纷调整能源政策鼓励可再生能源、分布式能源相关技术的研究和应用，降低对化石燃料的依赖，促进经济转型和社会的可持续发展。以用户为中心的综合能源系统首先要对用户侧综合能源现状进行分析，包括用户用能结构、用户用能成本及经济效益分析、灵活资源可调度潜力评估等，国内外相关研究机构已针对上述内容开展了广泛深入的研究。

在用户用能结构、用户用能成本及经济效益分析方面，兰州大学研究团队通过问卷调查的方式，调研了兰州市150个家庭用能的能源种类和用能结构，并通过替代分析法估算了能源结构转换所带来的减排效果[22]。结果显示，兰州市人均能源消耗量为490.37 kgce/a，兰州市家庭用户所使用的能源种类有电、煤、天然气、液化石油气、汽油和太阳能，用能项目分为炊事、照明、取暖制冷、清洁卫生、娱乐、交通运输和其他用途，其中取暖制冷、炊事和照明3项基本生活用能占87.87%。从能源结构来看，用煤、用电、天然气、汽油、其他分别占67.27%，12.32%，11.72%，4.64%和4.05%。通过将家用煤替代为天然气和太阳能，可以减少因冬季取暖燃煤而造成的空气污染问题。文献[23]分析了使用太阳能热水器给津巴布韦带来的社会、经济效益，通过将原有的电力热水器替代为太阳能热水器，冬季用电尖峰平均下降13%，终端能源消耗水平下降27%，在过去25年CO2排放量降低29%。

在灵活资源可调度潜力评估方面，丹麦、西班牙等风电资源丰富的国家已就利用灵活资源消纳可再生能源问题开展了大量研究[24，25]。文献[26]提出了一种含风电系统的发用电一体化调度模型，融入电价信号、可中断负荷、激励政策等需求侧响应机制，采用启发式动态规划算法进行求解，通过融入用电调度促进风电的大规模消纳。文献[27]引入负荷侧柔性负荷并将其细化为4个时间尺度的调整响应模型，通过建立风电预测模型和负荷代理决策模型，考虑不确定性因素的影响建立多时间尺度的源-荷互动响应调度模型，解决因高渗透率风电带来的调度运行控制的复杂性问题。柔性负荷参与系统调度是发展趋势，柔性负荷的可调度潜力、互动交易模式、响应行为建模、多时间尺度协调调度机制、互动效应评估等内容需要进一步开展研究[28]。

目前，国内外相关研究机构已针对用户用能结构、用户用能成本及经济效益分析、灵活资源可调度潜力评估等内容开展了相关研究，然而在电/气/冷/热的终端用能相互交互关系、考虑能源转换技术的终端用能效益分析等内容方面的研究还很有限，仍需要以用户为中心，结合逐渐成熟的电转气技术、储能技术、电气化交通等新兴趋势，分析用户侧综合能源现状。

在技术性方面，需要研究用户侧能源消费结构，分析以电力为主体、多种能源互补的能源消费情况，包括用能体量、比例及构成，综合考虑风电、光伏、地热等分布式新能源，分析以用户为中心的综合能源系统能量交互关系，并基于大数据技术分析不同种类用户的用能需求、用能行为及用能特征，深入挖掘用户侧的节能潜力、灵活资源可调度潜力，构建模型精确预测未来各类用户负荷水平、用能结构、节能潜力等方面的变化趋势，评估多重不确定因素影响下灵活资源参与调控的运行风险。在经济性方面，研究多元用户综合用能成本及经济效益分析方法，考虑多元用户中多种能源经济、社会、环境综合属性，基于用户侧广义最优价值，采用熵权法来确定指标权重，构建用户经济效益评价指标体系。

图1 以用户为中心的综合能源系统结构

4 用户侧综合能源系统协同优化与能量管理

随着综合能源系统的快速发展，综合能源系统的协同建模与优化分析、用户侧综合能量优化管理与能效评估等内容受到了国内外学者和工程师的广泛关注。在综合能源系统的协同建模与优化分析方面，文献[29]提出了多时间尺度的综合能源系统协同分析模型，考虑热电联产电厂、热泵、燃气锅炉等连接电气系统、供热网络和天然气系统的耦合元件，建立考虑各个能源子系统运行细节的协同潮流分析模型。其中网络耦合部分通过多向量转换效率矩阵进行表征，使用牛顿-拉夫逊方法求解曼彻斯特大学校园内的区域综合能源系统。文献[30]建立了天然气和电力系统能源转换和交互潮流的分析模型，并以最小化投资费用为目标分析了多时间阶段的电-气综合能源系统协同规划模型。文献[31]提出了考虑安全约束的电-气混合能源系统经济调度模型，天然气转移因数用来表示天然气供给和负荷对天然气潮流的影响，最优目标为最小化考虑燃煤机组和燃气机组的系统运行费用。文献[32]建立了天然气-电力混合网络的动态分析模型，其中天然气管道的动态过程用偏微分方程表示，而电力系统的动态过程用微分代数方程表示。文献[33]通过能源枢纽构建由电、气、热等不同能源系统的综合模型，并就规划优化、可靠性评估、投资决策等问题进行了综述。瑞士联邦理工大学的Anderson教授提出了基于EH（能源集线器）[34]的综合能源系统建模方法，通过引入转换效率因数分析电、气、热等多种能源间的稳态交互关系，为综合能源系统资源优化配置、投资决策、运行优化和可靠性评估奠定理论基础，能源集线器如图2所示。

图2 包含3种能源形式的能源集线器

在用户侧综合能量优化管理与能效评估方面，文献[35]梳理智能小区的内涵特征和先进技术，在分析智能小区业务流、信息流的基础上提出智能小区的互动综合管理与服务架构，设计了智能小区业务功能和相应配置，如用电信息采集、小区配电自动化、电动汽车充电有序管理、分布式电源接入与控制、智能家居等内容，并介绍了包含电力线宽带通信技术、以太无源光网络等在内的小区集成通信技术、互动服务技术、小区配电自动化技术等。在上海世博会的智能电网示范工程中，一套包含展馆楼宇自控系统、风电光伏子系统、V2G系统、空调系统在内的楼宇智能用电能量管理系统被安装在了国家电网企业馆，通过实时采集设备运行状态、负荷消耗水平、场馆报警信息等内容，根据环境参数、历史用电和电价结构信号制定用电控制管理策略已达到楼宇节能和经济最优的效果[36]。国家电网于2010年在北京、重庆、廊坊开展智能小区应用示范与试点工程，通过应用中断负荷响应、电动汽车优化充电、清洁能源消纳和PFTTH（电力光纤到户）[37]建设满足“三网融合”的智能小区。文献[38]提出通用家居智能综合能量管理策略，应用虚拟发电厂技术达到个体家庭与所有用户的协同最优，家庭用户能量流动如图3所示。美国于2008年在博尔德地区为家庭用户安装了可编程家居控制器和家庭用能智慧管理系统，推动空调、冰箱、热水器等可控负荷的优化管理和能效提升[39]。文献[40]基于M2M（机-机）通信技术讨论家庭能源管理系统的通用通信架构，通过完善的信息采集和电力需求管理给出最优的家庭能量管理策略和决策算法。

图3 家庭用户能量流动示意

国内外研究人员就综合能源系统协同优化与能量管理问题已开展大量研究，主要集中在多能源系统协同建模、智慧能源、家庭用能管理、综合用能评估等方面，然而仍需要从以下方面进行完善：

（1）以用户为中心的综合能源系统为多元用户主动参与综合能源系统互动提供可能，也促进了能量流、信息流、业务流等特性各异的物理对象的融合。多能源系统间的协同建模需要既考虑综合能源系统中不同能源子系统之间的协同交互和作用机理，也要对信息流和能量流进行统一抽象分析，利用微分代数方程、有穷自动机和随机过程等数学工具建立物理—信息系统的稳态、动态模型。

（2）以用户为中心的综合能源系具有供需双侧智能交互的运行特点，空调、热泵、电动汽车、分布式电源等用户侧灵活资源的大量普及为多元用户主动参与综合能源系统互动提供物质基础，使得未来的综合能源系统不再是由供给侧到用户侧的单向能量传递，而是供需双侧的智能交互，目前的研究所涉及的供需互动大多局限在单个用户、楼宇、小区的范围，无法挖掘多元用户侧灵活资源之间的能源互补潜力和设备关联关系，难以体现大规模用户同时参与综合能源系统互动时所呈现的整体性和协调性。

综合考虑上述因素，未来有关综合能源系统协同优化与能量管理问题的研究将主要集中在考虑能量流、信息流、业务流融合情况下的综合能量优化管理技术。具体来说，考虑电/气/热/冷等多种能源的供给容量限制、网络传输容量限制、能量转化效率、综合用能需求等多维度约束，建立涉及物理—信息运行机理的综合能源系统协同分析模型，以最大化供需双侧经济效益为目标，研究满足供能质量的最优能量管理使用方案，涉及能源优化调度方式和用户能量优化使用方案，实现多元用户之间灵活高效的综合能量交互配置，并基于综合能量优化管理技术，研究以用户为中心的综合能源系统可靠性评估模型。

5 用户能量优化管理软/硬件支撑技术

综合能源系统的协同建模与优化分析、用户侧综合能量优化管理与能效评估是以用户为中心的综合能源系统的核心，除此之外，还需要用户能量优化管理系统和智能终端等软、硬件支撑技术实现用户侧综合能量的优化管理与能效评估。

国外在用户能量优化管理系统方面的研究起步较早。美国于1996年研发的Energy Plus平台，通过对用能设备、建筑的仿真建模，实现对用能设备、系统和整个建筑物的能耗状况评估和在线状态监测[41]。施耐德电气公司通过对空调控制、电机驱动、可再生能源接入和照明调控，为家庭用能监管平台提供增效解决方案[42]。文献[43]通过能源管理器收集用户用能行为信息，并利用了平均一致算法分析大型住宅中用户的用能行为情况。文献[44]通过HEMS（家庭能量管理系统）和BEMS（楼宇能源管理系统）的系统架构和功能需求进行整合优化，开发适应于2套系统的协同调度方案，探索在这2套系统中应用可中断负荷大的可靠性和适应性。针对建筑的整体用电量问题Chris Guy搭建了一个多代理系统，通过各代理之间的协调使用户的用电量最低[45]。法国里尔大学的Alessandro Di Giorgio对智能家居用电设备的用电计划进行优化，优化目标是建立在分时电价基础上的用户用电成本最低，以规划时段内各用电设备的开启时间为控制变量[46]。

我国也在用户能量优化管理系统、智能终端技术等方面开展了相关理论研究和实践探索，中国电力科学研究院曾基于面向电力无线专网的技术方案开发智能用电互动业务模式和智能用电体系框架[47]，并考虑家庭用户、商业用户的设备用能特性，提出集信息采集、能效评估、设备控制、双向互动于一体的智能用电技术方案[48]。国家电网公司应用载波抄表系统和智能用电服务系统，实现家庭用能安全监测、用电信息与物业管理等多样化功能[49]。

目前，国内外相关研究机构已针对用户用能状况监测、智能终端计量和通信技术、综合能效评估等内容开展了相关研究，然而考虑用户侧电/气/冷/热等不同种类终端能源互补交互关系、分布式储能和供能设备等内容的综合能源管理系统平台尚无成熟的研究成果或工业产品，仍需要结合能源领域体制改革、需求侧管理技术现状、能源转换技术等发展趋势，建立以用户为中心的综合能量优化管理系统。

从软件平台方面来看，以用户为中心的综合能量优化管理系统需要借助互联网技术，与传统能源物理网络和信息通信控制网络相集成，研究含分布式新能源、灵活资源（如空调、热泵等）在内的大规模用户用能行为与控制方式，通过大数据技术和相关分析算法处理用户侧电/热/冷/气等多种能源消耗载体的用能状况及交互关系，并基于需求侧响应机制、电价互动信号和能量管理策略等核心算法，以经济最优为指标给出当前用户的最优能量使用方案和自适应控制策略，并模拟综合能源系统中供需双侧的智能交互状况，实现分布式电源、空调、热泵、电动汽车等多样化用户设备用能监测和实时能量优化管理。

在终端硬件方面，需要研制面向用户的智能互动终端核心模块，实现针对大规模用户的用能计量及设备监控，并根据最优能量使用方案和自适应控制策略控制用户用能设备，为综合能量优化管理系统提供技术支撑。具体来说，用能计量及监控设备是综合能量优化管理系统的硬件支撑与核心模块，智能互动终端在感知能量流状态的基础上，实现与用户用能量测和传感设备的方便连接和信息交互，为实现设备及信息的融合垫底物理基础。基于用能计量及监控设备，考虑最优能量使用方案和自适应控制策略，综合分析大规模用户中分布式电源、空调、热泵、电动汽车等多样化灵活资源的用能成本和可调度潜力，在保障用能可靠性的前提下，以经济最优为指标提出用户用能自适应控制策略，并将控制信号输出至分布式电源、空调、热泵、电动汽车等多样化灵活负荷。

6 结语

随着以用户为中心的综合能源系统理论研究的不断深化和工程实践的大范围展开，用户侧的灵活资源、分布式电源、储能设备将得到更加广泛的应用，电、气、冷、热等多种能源形式在用能端的交叉耦合和相互转换也将更为紧密，综合能源系统优化管理的理论研究意义和工程应用价值将不断提高，为未来能源行业的发展奠定理论基础。

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（本文编辑：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，高级工程师，主要从事电力科技管理工作。