综合能源系统关键技术与典型案例 何泽家，李德智主编
1、综合能源系统运行管控平台技术发展现状
在综合能源服务蓝海市场驱动下，作为能源和互联网跨界融合中枢产品，综合能源服务平台取得了较大进展。综合能源服务平台属性示意图如图3-47所示。
在平台类型上，当前项目级物联网平台、能源服务电商平台共存，未来二者有机链接的层次化平台体系成为重要发展方向。当前国内综合能源服务平台主要有两种类型：项目级物联网平台和能源服务电商平台。项目级物联网平台数量最多，建设目的主要是依托物理系统开展用能监测分析、优化运行、智能运维等服务，是综合能源服务各类主体的重要切入点。但当前该类平台存在两方面问题：一是大多还仅能实现工业数据的分析与可视化，与行业背景和业务需求的深度结合还有待提升；二是平台依托物理系统呈散点式分布，彼此割裂且没有数据、经验与知识的交流，物理、信息、价值多流尚未贯通，导致服务质量无法迭代提升，用户黏性不足，难以建立产业生态。鉴于综合能源服务的产业特征，未来项目级物联网平台和能源服务电商平台将会共存，并通过连接平台打通项目级物联网平台构成的“数据孤岛”，最终形成混合一体化平台。综合能源服务平台概念示意图如图3-48所示。
在技术发展上，综合能源服务平台尚处于数据存储、分析、展示的初级阶段，深度结合应用场景的数据沉淀和机理模型开发成为提升面向能源服务商赋能能力的核心关键。综合能源服务平台技术的发展创新尚处于起步阶段，但从其定位来看，应具备促成交易、赋能服务商的双重目的，因此在发展过程中需把握两条主线：一是基于互联网技术的平台架构与应用开发技术创新，通过云计算、微服务等技术不断提升平台资源利用效率，推动功能解耦与复用，加速应用开发与创新；二是通过工业模型沉淀和场景化，二次开发所带来的平台服务功能提升，通过各类工业模型的沉淀、面向综合能源服务业务特点的数据管理和分析，以及平台功能向业务现场的不断下沉，持续提升平台服务能力。综合能源服务一体化平台蓝图如图3-49所示。
在商业模式方面，现阶段还是主要以提供专业服务或将平台作为产品直接销售为主，未来功能订阅、金融服务、应用商店分成等模式将会兴起，在产品交易、服务交易的基础上，逐步向知识交易演进。当前，综合能源服务平台商业模式尚处于探索的初级阶段，主要还是立足业务场景开展专业服务或将平台作为产品直接销售。在未来发展过程中，随着互联网模式的加速渗透，电子商务、广告竞价、应用分成、金融服务、专业服务、功能订阅等互联网平台典型商业模式必将占有一席之地。综合能源服务平台发展现状及未来趋势示意图如图3-50所示。
2、综合能源系统运行管控平台架构与功能
2.1、平台架构
综合能源系统运行管控平台架构按照感知层、网络层、平台层、应用层4层总体设计，满足不同用户的差异化需求。综合能源系统运行管控平台总体架构如图3-51所示。
感知层具有冷、热、气、电等多种能源的智能终端，可以实现能源信息的标准化采集和智能控制。网络层采用标准化的通信协议和多种网络传输技术，实现设备、平台和服务之间的互联。平台层是综合能源数据中心，可以支撑综合能源服务。应用层是具有PC、移动应用和大屏系统的系统展示层。
2.2、平台主要功能
综合能源系统运行管控平台的主要功能有：运行数据监控，系统规划设计，系统方案优化，智能维护，能效评价，市场交易，等等。图3-52为综合能源系统运行管控平台结构图。
1.运行数据监控
数据监控是平台的基本功能模块。通过“冷、热、电、气”的水平连接，以及能源“生产、运输、储存、使用”的垂直延伸，实现了可测量的多维实时全景能量监测，提供科学、详细的能源数据，提高能源利用的经济性和有效性。该模块是系统的数据监控和存储模块，负责信息的感知和主要监控信息的采集、分析和验证的预处理。获取的信息包括光伏、储能、蓄热、蓄冷设备综合监测数据和气象监测数据。能源监测主要为系统提供负荷预测、运行优化、故障预测等模块的监测数据。
2.系统规划设计
利用仿真模块对系统进行规划设计。仿真模块采用联合仿真的架构，支持冷、热、电的联合仿真，可以规划较长时间下多能流耦合的综合能源系统，并对设计方案、运行优化策略进行快速验证。通常还具有仿真结果分析功能，支撑多种能源、多主体之间的耦合互动机理仿真研究。建模仿真界面目前主要包括菜单栏、元件库、绘图区3个区域。利用模型库中大量的模型、元件，用户可以进行系统设计并仿真。
3.系统方案优化
对由感知层获取的多维度、全方位的能源数据进行能源分析，利用大数据和人工智能技术，结合专家团队，提供专业化、可视化、智能化的能源分析报告，开展区域能源智能分析、企业能源智能分析、综合能耗能效分析、异常用能智能分析，帮助用户节约用能成本，提高能源利用效率，对系统进行优化。
4.智能维护
智能维护包括状态估计、预测性维护、故障诊断等功能。针对未来做短期内的预测，例如时间间隔为15min，并绘制曲线，包括发电功率、电负荷功率、热/冷负荷功率。状态估计基于人工神经网络，根据不同的日期类型建立相应的预测模型，可较为精准地预测未来的情况，并进行预测性维护，减少或规避异常现象的发生。故障发生前，数据开始明显波动，将该时间段标注为危险状态；故障发生后，数据超过正常范围，并稳定在正常范围外，此时进行故障诊断。故障诊断基于机器学习等方法，通过系统的运行状态和异常情况，找出故障原因。
5.综合评价
综合能源系统设计完成后，可基于一定的指标体系和评价方法，结合仿真结果对其进行系统全方面、多维度的综合评价。平台对综合能源系统的评价指标如表3-10所示。
6.市场交易
在一定的门槛准入条件和辅助服务机制下，能源交易为区域内分布式能源(储能)和能源用户在统一平台上提供冷、热、电等多种能源的一站式交易服务。此功能支持基于区块链技术的交易模式，主要包括能源结算、电能交易和区域能源配额交易等功能。
碳交易是能源市场交易的重要部分。自2021年2月1日开始实行的《碳排放权交易管理办法(试行)》规定，全国碳市场的交易产品为碳排放配额，生态环境部可以根据国家有关规定适时增加其他交易产品。被纳入碳交易市场的企业有对应的碳排放配额，设计综合能源系统时在碳排放量上需要注意碳配额。利用综合能源系统运行管控平台可在设计系统时对碳交易成本进行优化，减少碳排放量，对“双碳”目标的实现与响应可持续发展政策具有很大帮助。
3、综合能源系统运行管控平台技术的主要平台
能源和环境问题日益严峻，能源的有效利用是响应可持续发展战略的重要举措。综合能源系统是对各类能源进行协调与优化、形成综合能源一体化的系统。寻找合适的平台对不同能源项目的开发具有重要意义。平台支持能源类型对比如表 3-11所示。
3.1、国外的主要平台介绍
1.HOMER
HOMER Energy LLC是UL公司的全资子公司。高级经济学家 Peter Lilienthal博士认为，将HOMER混合动力系统优化软件转向商业产品的时机已经成熟。该软件于2009年成功实现商业化。如今，HOMER 已发展成为一个国际品牌，是微电网和分布式能源(DER)领域决策制定的全球标准。
HOMER Energy的重点是HOMER的持续开发、分发和支持，它已被重新架建和设计，并逐渐更新为具体的产品和网络工具，以及支持多个API的开放式架构。自发布以来，HOMER已在193个国家和地区被超过25万人下载。这是一个由可再生能源和分布式能源领域的先驱从业者组成的全球社区。
HOMER的核心是一个仿真模型。它可以把用户考虑的所有可能组合模拟成一个可行的系统。根据用户设置问题的方式，HOMER可能会模拟数百个甚至数千个系统。HOMER模拟混合微电网整年的运行情况，时间从1分钟到1小时，且最多可定制9个独立模块，以满足用户不同的建模需求。HOMER平台界面如图3-53所示。
2.DER-CAM
分布式能源资源客户采用模型(DER-CAM)是一种强大且全面的决策支持工具，主要用于在建筑物或多能源微电网的背景下寻找最佳分布式能源(DER)投资。
DER-CAM技术成熟且通过了同行评审，自2000年以来一直由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员开发改进。此平台系统可用于寻找各种DER的最佳组合、尺寸、布局和调度，同时共同优化多个堆叠价值流，包括负载转移、调峰、电力出口协议或参与辅助的服务市场。DER-CAM的目标函数常被定义为一个站点的年度能源供应的总成本，包括未来和现有的分布式能源成本、运营和维护成本、燃料成本等。
DER-CAM可以提出微电网最佳DER解决方案，包括：满足该微电网特定需求的最佳DER组合，最低成本的理想装机容量，减少总客户能源费用的设备出力，微电网中分布式能源的安装位置，保证电压稳定的方法，确保弹性目标的同时最小化成本的最佳DER解决方案。
DER-CAM使用先进的数学建模技术将最优多能源微电网设计问题表述为混合整数线性规划(MILP)问题。与基于模拟的模型或基于启发式和非线性公式的优化模型不同，DER-CAM可以快速找到这个高度复杂问题的全局最优解。如何表达不同非线性问题的线性公式是此领域的关键挑战，而DER-CAM解决了这一问题。在其优化算法的支持下，世界各地的用户可通过DER-CAM平台的图形用户界面解决分布式能源和微电网背景下的众多问题。
3.2、国内的主要平台介绍
1.清华大学四川能源互联网研究院CloudPSS
清华大学四川能源互联网研究院云仿真与智能决策团队开发的云端能源互联网建模仿真平台CloudPSS是一款结合互联网、云计算、并行计算技术的能源网络综合分析工具。
CloudPSS平台可提升能源行业客户的分析和决策能力，并赋予客户市场竞争的优势和丰厚的经济收益。CloudPSS掌握了两项核心技术，即云端数字镜像和人工智能决策，提供包含建模仿真、规划设计、教育培训、监控运维和智能调控等功能的综合技术解决方案，全面支撑智能电网和能源互联网的建设和运行。
CloudPSS平台提供了最为先进的交直流电网分析工具，包括基于GPU加速的电网潮流、连续潮流、优化潮流分析等功能，以及含有多种类型直流输电的交直流电网全电磁暂态仿真分析功能。平台拥有各种新能源发电装备的模型，包括双馈风机、永磁同步风机、光伏电池、逆变器和储能装置等。同时，平台具有GPU加速电磁暂态仿真技术，可以实现大规模新能源电站的无简化详细电磁暂态快速仿真。
能源互联网是面向未来的综合能源供给解决方案。为了满足能源互联网系统优化规划设计和运行控制需求，CloudPSS提供了热、电、气等能源网络和关键装备的仿真模型。用户可以构架单一供能网络拓扑进行随机生产模拟，研究系统优化配置方案。
CloudPSS的云端监控和运维功能适用于多种工业应用场景，包括光伏电站运维、校园能效监控、供能设备缺陷监测和微能源网监控等。通过建立监控工业系统的数字镜像，CloudPSS平台自主开展海量仿真分析，并利用仿真大数据训练人工智能决策引擎，实现精准预测、异常识别和智能调控等关键功能。在人工智能决策引擎支撑下，帮助客户实现复杂工业系统多目标自趋优闭环控制，提高设备可靠性和系统安全性，降低系统损耗，引导合理能源消费，提升能源网络能效水平。
2.能源互联网研究中心综合能源系统仿真平台
华北电力大学综合能源系统仿真平台由华北电力大学教授曾鸣牵头开发，主要有四大模块。一是规划优化模块，实现顶层设计规划方案的优化选择，为勘测设计部门提供具体的项目设计支持。二是运行优化模块，即搭建管控平台，对各能源品种每天、每小时、每时段的出力，进行优化调度。三是市场交易模块，主要实现分布式、微网形式下多种能源之间的交易。四是效益评估模块，包括对经济、环境和社会效益进行综合评估。区域综合能源系统仿真基本内容如图3-54所示。
实际上，华北电力大学综合能源系统仿真平台的四大模块中，只有规划优化模块是服务于项目设计的，其他三个功能模块应归于项目投入运行后的运维平台。目前，市场上绝大多数的综合能源服务管理平台均为运维工具，华北电力大学将前端的规划设计和后端的运维等功能集合在了一起。从仿真设计层面，只需要使用其规划优化模块的功能即可。图3-55为不同功能的仿真技术路线。
3.东南大学IES-Plan
IES-Plan是一款由东南大学开发的云端综合能源系统规划平台，该平台能够通过其以规划流程为导向的人机界面为电力公司营销人员/综合能源系统业主快速提供综合能源系统规划设计方案，包括设备选型、设备定容、设备数量以及运行策略等。平台同时可以为设计者/业主提供基于规划设计方案的运行表现及经济性分析，并提供包括动态回报周期、内部收益率、资本收益率等多种金融指标。为保证综合能源系统规划方案的可靠性及真实性，IES-Plan具有自主知识产权的多能负载评估算法、基于地理位置信息的自然资源评估算法以及综合能源设备数据库(包含热电联供机组、燃气锅炉、燃料电池、风力发电机等多种综合能源关键设备)。同时，IES-Plan还具有自主知识产权的综合能源系统规划求解算法引擎。该引擎在绝大多数情况下可以在20s内完成综合能源系统的规划方案的计算制定，大大快于其他同类产品。此外，该引擎支持不同规划目标的规划方案并行运算，大大提高了综合能源系统的规划方案制定效率。
总的来说，IES-Plan平台具有以下三种技术特色。一是智能化规划场景分类：基于K-Means人工智能算法的规划场景划分，从而综合考虑地区自然资源禀赋，自适应选择规划场景数量，自动调整规划场景权重。二是自然禀赋及负荷特性匹配：基于地图API接口的经纬度解析；基于KNN方法的自然资源禀赋分配；基于余弦相似度的负荷特性匹配。三是引擎队列优化：规划方案算量自动评估；多计算引擎并发计算；规划方案数据可视化；规划报告自动生成。
IES-Plan遵循以流程为导向的综合能源规划评估。首先，用户在输入项目必要信息后(如项目名称、项目预算、项目地址等)，进入负荷估算步骤；在负荷估算中，可选择“细分行业”“业务类型”“核心设备”中任一种进行电、冷、热的负荷建模，并可通过修改缩放参数或调整任意时刻负荷数值对模型进行修正；在完成负荷建模后，平台将根据项目地理位置信息，根据KNN算法构建适用于项目所在地的风力、光照及温度曲线；此后，用户可根据自身需求，初步选择意向设备，且可制定多个初选方案，也可对部分设备进行自定义设置，从而形成多个初选方案。最后，在优化目标选择阶段，用户可根据项目属性及项目目标选择优化目标，如经济性最优或环保性最优等，最终经过平台的后台计算获得项目的最优规划方案。IES-Plan的规划结果展示由网络模型、系统评估、系统设备分类投资、系统配置结果、系统运行结果、系统经济性评估、年成本指标、系统环保性评估8个部分组成。
