支撑居民智慧能源的多能源协调综合控制技术

卢 婕， 刘向向， 周 琪， 李昊翔， 陈逸涵

（1.国网江西省电力有限公司供电服务管理中心， 江西 南昌 330001； 2.东南大学 电气工程学院， 江苏 南京210096）

0 引言

随着能源短缺问题的日益突出，许多发达国家积极开展智慧能源建设，将水、电、油、气、交通等公共服务资源信息通过泛在网络有机地连接起来，实现对能源的智能响应。 目前，针对智慧能源的综合协调技术应用尚未成熟，尤其是针对泛在感知技术在多级能源综合利用的方式方法还需要继续深入研究。

在智慧能源综合应用技术方面，文献[1]针对区域智慧能源综合服务平台建设进行了分析。 文献[2]针对智慧能源管理系统架构进行了分析。 文献[3]对综合能源的发展模式进行了探究。 文献[4]对综合智慧能源的发展现状及关键技术展开了研究。 文献[5]分析了城市能源变革下智慧能源的系统建设。 文献[6]介绍了智慧能源多能互补清洁供热技术。 文献[7]针对多能互补综合能源管理系统进行了分析。 文献[8]针对多能源的经济调度进行了分析。 文献[9]从源网荷的角度分析了电动汽车的优化调度。 可见，以上文献均未对泛在感知技术等综合控制技术在智慧能源中的应用进行分析。

本文针对综合能源协调控制技术在居民智慧能源中的应用展开研究，并分析了智慧城市中多级智慧能源的综合服务形式和调控技术。

1 居民智慧能源概述

1.1 居民智慧能源

居民智慧能源主要是指普通居民用户在智能电网环境下合理、智能地应用各类能源的方式，包括电力、煤气、交通等各个方面。 限于本文的研究内容，仅对电力能源展开研究。

如图1 所示，本文居民智慧能源核心内容主要包括分布式发电、 电动汽车 （EV）、 储能（BESS）、 可响应柔性负荷规模以及不可响应负荷等系统。

本文考虑将居民智慧能源分为5 个子系统：BESS 子系统、可控发电子系统、不可控负荷子系统、 可响应柔性负荷子系统以及分布式发电子系统，具体如表1 所示。

表1 居民智慧能源分类Table 1 Classification of residential smart energy

从特性上来说， 居民智慧能源系统是一种集成了交互功能的物理信息融合系统的异构子系统。 该子系统包括环境、技术以及居民，可以实现控制和适应内部或外部能源信息以及环境的功能。根据参与居民智慧能源的角色，又可以划分为以下几部分。

①居民部分。 居民智慧能源系统的中心是消费者也即用户， 其活动和需求决定了能源消耗和消费管理的模式。 居民的日常能源消费行为可以表示为一系列描述符和不确定性和确定性的活动序列。 居民的活动顺序呈现出内在的关联。

此外，用户的活动还受到描述因素（如地理区域）的影响。 例如，EV 的充电位置一般在家庭或者公司，较少有在出行途中进行充电的，这与充电桩的地理分布有关。 用户的用能活动可以表示为设备和用电设备的活动子序列， 一般使用随机模型描述。

②技术部分。 居民用户在能源消费过程中需要与用能设备以及能源综合系统进行交互。 这类设备系统的时间演变过程与用户的行为息息相关，用户如果触发一些能源设备，就可以用剩余活动时间来表示。因此，不同能源设备之间的关联性是智慧能源的一个典型特征， 可以用于区分不同的用户类型、用户状态以及用户行为。

这类能源设备的技术特性也会影响电网以及其他能源网络的用能特性，触发需求响应等信号。因此， 价格和激励信号会影响居民用户的用能行为。

③环境部分。环境变量主要包括气候、室内外温度等，对于智慧能源的动力系统有明显的影响。因为温度会影响用户的用能行为， 外部环境的变化也可以在一定程度上预测居民用户的用能变化。

④能源管理系统。 居民智慧能源的核心系统就是能量管理系统，该系统包括能源传感器、信息处理单元以及控制环。基于搜集到的信息，能量管理系统能够与多级能源网络进行交互， 以成本最小、用户舒适度最高、与电网配合度最佳等目标对用户的能源使用方案进行调度，给出最优策略。用户不仅是智慧能源的使用者， 同时也是智慧能源的动态参与者。 该系统能够为智慧能源管理的升级提供相应服务。

1.2 居民智慧能源与源网荷之间的关系

居民智慧能源以最终实现居民用能的高效运行为目标，是智慧能源发展的终端环节，主要包括各种分布式电源、 微网、BESS 装置以及各种可调度的负荷、EV、能效电厂等需求侧资源。为了达到高效运行，须要根据智能电网的电源形式、电网结构和负荷构成等不同运行状态及运行发展趋势，确定不同的控制目标， 建立居民智慧能源自适应协调优化目标模型。 通过居民智慧能源与源网荷优化目标、空间尺度、时间尺度等方面的协调，实现能源系统的整体高效运行。

1.3 居民智慧能源主体建模

①智能楼宇

智能楼宇以热电联产 （Combined Cooling Heating and Power， CCHP）系统为核心，燃气轮机燃烧天然气输出电能的同时， 热能作为附加产能供用户使用。另外，居民智能楼宇通过公共连接点对外与电网进行能量交互，在电能共享的基础上，通过电网购电补充电能需求， 自产的多余电能返送至电网获取收益[10]。

②可控发电系统

可控发电系统的特征主要是发电出力可以根据预测等信息进行提前知晓， 控制不易受外界影响。 其控制约束如下：

2 多级能源综合协调技术

2.1 多级能源运行状态感知技术

多级能源运行状态感知是指包括对煤、气、电等综合能源的运行效果、运行方式、运行特征等多种状态的感知技术。 感知的手段主要是各类能源系统的大数据信息， 应当充分应用居民用户的智能楼宇等场所所提供的信息以及多元融合量测的数据。在广域时空范围内，依据用户对新能源、EV、可中断负荷等各类负荷的用能情况进行预测，准确有效地掌握用户各类综合能源的安全态势，实现用户多级能源的状态估计和运行状态感知。

2.2 多级能源运行态势分析

多级能源运行态势分析主要是针对居民智慧能源的负荷预测、负荷分布以及负荷特征的分析。具体的参考依据主要是基于数值天气预报和历史负荷数据资料、 基于多级能源运行态势分析得到的用户能源运行状态以及包括分布式电源与负荷预测等结果，例如综合负荷和分布式能源特性等。多级能源的态势分析还应当包括能源使用状态预警等内容，形成能源的态势运行分析的基本形式。

2.3 多级能源协调优化技术

多级能源协调优化控制主要基于居民智慧能源的实际运行状况和多级能源的分级协调目标，考虑在不同能源种类的需求响应驱动下多能源网络单元的不同时间空间双维度上的相关性和互补性特征， 实现多级能源在多时间尺度上的能源协同优化控制， 以及居民多级能源的利用与需求侧负荷的高峰、低谷的实时平衡互补，提高源网荷的综合能源利用效率。

2.4 居民智慧能源多级能源综合协调技术

居民智慧能源的多级能源综合协调技术主要是指多级能源运行状态感知、运行态势分析、协调优化控制3 种技术。 居民智慧能源包括的种类繁多，不同种类的能源控制形式也不尽相同，针对具体的能源种类，应采取有针对性的控制方法。根据本文所提的负荷模型， 考虑居民智慧能源的利用特性，针对能源的使用时间、利用方式以及激励方式等方面提出居民智慧能源多级需求响应的调控方法。

3 智慧能源综合服务平台的泛在感知技术

3.1 居民智慧能源综合服务

居民智慧能源综合服务是指通过泛在网络、物联网络等为支撑的，汇集物理层、感知层、网络层、融合层和应用层的多层网架的、利用信息通信技术与人工智能等为居民用能提供指导或者建议的整体性服务。相比传统能源，智慧能源综合服务的使用重点是突出“智能”，提供能源预测、能源利用、能源方案等的数据化和智能化。将各类能源形式的利用进行一体化有机结合，实现多样化、多维度、立体化的能源综合服务。

通过全方位、广视角的感知用户的交通能源、信息能源以及电力能源的多源数据， 深度挖掘这类多级能源数据的特征以及核心价值， 为居民提供多样化的增值服务，包括家居智能化使用、家居能源综合使用、智能主动运维、节能优化设计等，不断推广绿色、清洁、高效的用能方式，从而提高能源的利用效率和电气化水平， 促进清洁能源的发展。

3.2 智慧能源泛在感知技术

智慧能源的泛在感知技术主要是指通过泛在物联网络，依靠智能终端，全面地采集居民用户的用能数据， 包括交通出行、EV 出行规律和充放电、新能源使用情况、传统负荷参与需求响应等，为每个居民用户打造专属的用能分析体验。

泛在感知技术主要依靠能源路由器负责获取用户在各方面用能特征的汇集， 形成为后期数据分析的数据源，不断为用户的用能提供增值服务。

按照居民智慧能源的发展历程来看， 其发展将要经历信息化、数字化、智能化3 个阶段[12]。 物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的推出， 使能源的综合利用逐步向智能化发展。智慧城市能源注重信息资源的整合、共享、集成和服务， 强调提高多级综合能源的运行效率、改善居民用能质量，强调能源层面内各级能源及其使用者行为的全面感知和互联互通。能源形式的发展在智慧能源的发展中占有重要地位，智慧能源对能源系统的要求主要集中在分布式可再生能源协调应用、 多级能源需求响应策略优化、节能降耗推动清洁产业发展、提升能源供应安全水平、公共交通电气化、应用能源新技术和创新商业模式上。

在智慧能源的调度中， 传统集中式调度方法在优化过程中需要大量的终端用户信息， 给通信系统带来较大压力， 同时存在用户隐私暴露的风险。 但是通过泛在感知技术， 就能够解决这一问题。泛在感知技术通过分布式的设备，选择分布式优化调度，将各级能源问题分解，并由各能源用户主体独立求解，在保证用户信息安全的前提下，通过交换少量信息进行交互迭代， 达到全局最优的目的[13]。

3.3 泛在感知技术具体应用

①智慧互动服务

通过泛在感知技术， 可以实现多极能源智慧互动的服务，具体包括用户的用能故障情况分析、用能异常报警、用能问答服务等；可以为多种能源用户提供相应的解答服务， 包括提供不同时间尺度、不同信息维度的信息查询服务以及用电、用能建议等。

②自助终端服务

用户的用能自助终端服务主要包括终端集成、证件读取、人脸识别、高清拍照、指纹识别等。通过拓宽自助服务终端渠道， 可以提升能源服务质量，实现包括业务受理、用能交费、信息查询等在内的多种形式的自助服务。例如，通过大数据分析，为EV 用户提供相应的路径规划、充电设施用能情况查询等。

③用能安全服务

用能安全服务主要是指针对用电、 用热等能源服务的基本需求，通过泛在感知技术，可以提供基本的电流、电压、频率等能源特征的服务。 包括用户的智能设备的用电异常、用电缺陷、用电危机等， 均可以通过安全服务对用户进行警告或者通知，使得用户在多种能源的使用过程中，安全得到不断地提升和保障。

④能效管理服务

智慧能源多级综合利用的主要目的是提高各级能源的使用效率， 通过泛在感知技术能够不断完善能效服务管理。 用户可以通过相关的泛在服务终端，查看自己的用能行为。 通过大数据、云端计算、数据挖掘等技术，用能服务平台能够分析用户内部外部的节能潜力， 为用户多种能源形式的利用提供相应的支撑策略， 例如包括家庭可控负荷、需求响应参与负荷、出行使用EV 负荷等提供多样化的信息加工服务。通过数据分析，全方位感知用户的不同时间尺度的用能情况， 为用户进行评级或者打分，以促进用户用能习惯的不断改善，实现用能效率的不断提升。

⑤价值追踪服务

智慧能源的多级能源综合利用能够提升能源管理者的盈利水平。 区别于以往传统盈利能力分析和计算，通过泛在感知技术，能够从根源上获取各种能源的使用价值。 直接效益不仅仅体现在收入上， 还能够通过用户的用能行为反向追踪得到环境收益、可靠性收益、降损收益等间接效益。 通过泛在物联网，对不同项目、不同设备、不同功能及其效益进行分析，得到具体的效益归属，可以完善能源管理者的管理水平， 提升能源管理者的管理收益。从而在传统的成本效益分析的基础上，扩大多级能源使用的环境收益等间接收益， 使得用户的用能不断向高效低碳转型， 也可以让能源管理者的投资等更有动力。

⑥能源使用情况评估

通过泛在物联网的泛在感知技术， 能够实现对能源的生产、消费、技术和体制革命等重要机制的评估。 目前，能源发展形势是“提高非化石能源发电比重，发展智能电网和分布式电源”[14]。 通过对多级能源综合使用效果的分析， 从能量流和信息流角度出发， 以多能源协调控制技术和泛在感知技术为主要分析标准， 能够建立相关的评价指标。 多级能源综合利用主要包括分布式电源和多级能源协调控制效果， 可以通过相关的评估结果继续研究其控制的协调性和灵活性， 实现多级能源交互性、实施性、全面性、准确性、可视性等多维度性能的不断提升。

4 居民智慧能源响应控制分析

4.1 居民智慧能源响应系统

由于居民智慧能源种类众多， 综合调控技术的概念也较为宽广， 本文试从需求响应的角度阐述居民智慧能源调控的可行性。

本文采用IEEE33 节点系统（图2）对居民智慧能源进行分析， 将分布式光伏单元、EV 群、楼宇空调、BESS 系统以及不可调度负荷等分布于具体节点，考虑居民侧为理性经济人，以成本最低为目标[15]。同时，智慧能源调控侧作为各类能源的集合商，目标为收益最大，也即总成本最小。

图2 IEEE33 节点图Fig.2 IEEE 33 bus system

本文居民智慧能源的分布如表2 所示。 EV及BESS 的相关参数如表3 所示。

表2 集合商所管理的分布式能源Table 2 Distributed energy resources managed by aggregator

表3 EV 及BESS 的相关参数Table 3 Parameters for EV and BESS

本文参考的基础电价如图3 所示。

图3 基础电价Fig.3 Day-ahead market price

4.2 居民智慧能源响应控制仿真分析

图4 系统原始用能情况Fig.4 Original load curve

利用本文所提的模型和约束条件进行多级能源需求响应控制策略优化， 得到优化后的结果如图5 所示。

图5 优化后用能情况Fig.5 Optimized load curve

通过对比优化前后的两种用能情况发现，优化后的总负荷在白天时波动性降低， 夜间负荷有所提高，说明在需求响应过程中，用户能够在一定程度上调整自身用能行为。另外，通过优化光伏和风机出力， 从电网注入的能源有所减少， 并且在BESS 充放电策略上也有所变动。

从用户侧角度来说， 多级能源的综合利用需要相应的优化，以达到最佳的经济环境效果。本文所提的模型能够在一定程度上反映智慧能源在需求响应中的调控作用，实现能源的智慧管理。

5 结论

本文从多级能源综合利用的角度分析了居民智慧能源的控制技术。 首先分析了居民智慧能源的构成，建立了居民能源主体的多种模型，分析了居民智慧能源与源网荷之间的关系； 然后分析了多级能源综合协调技术，包括运行状态感知技术、运行态势分析技术和协调优化技术； 最后重点分析了智慧能源综合服务平台的泛在感知技术。 通过具体的算例分析，说明在一定的电价模式下，包括风光储在内的居民多级能源在不同时刻的响应有所差别，EV 负荷以及BESS 的响应效果最佳，风电和光伏的响应效果一般， 不可调度负荷的响应效果最差。因此，应当重点在响应效果较好的负荷侧进行综合调控。