清华大学 孙宏斌等：统领信息流、调控能量流，揭开能源互联网“超级大脑”—IEMS的面纱
能源互联网是互联网和能源系统深度融合的产业新形态，它以电力为枢纽、以用户为中心，利用互联网思维和技术改造传统能源系统，突破能源共享生态中的技术、商业、市场、行业、区域、政策等壁垒，促进能源更好地互联互通和开放共享，目标是构建新一代绿色低碳、安全高效、开放共享的智慧能源系统。能源互联网的一个重要特征就是多能流耦合，各种能源互联互通，通过科学化管理实现多能互补及源网荷协同，显著提高能源系统的综合效率以及可再生能源的消纳能力。
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什么是IEMS？为什么要做IEMS？
能源互联网的“落地”面临一个焦点问题：如何进行“多能互补、源网荷协同”，以实现安全供能前提下的效益最大化？这本质上可归结为复杂多能流网络的最优调度与控制问题。本文针对这一问题设计并研发了面向能源互联网的多能流综合能量管理系统(integrated energy management system, IEMS)。IEMS是从传统电网能量管理系统(EMS)延伸和演化而来的，传统EMS作为保障电力系统安全经济运行的计算机决策系统，经历了从以数据采集与监控(SCADA)功能为主的经验型调度，到具备高级应用软件(PAS)高级功能的分析型调度，再到分布自律-集中协同的智能电网EMS，最后到IEMS的发展历程。IEMS作为能源互联网的“超级大脑”，统领信息流、调控能量流，横向实现多种能流的融合，纵向实现源网荷储的贯通，在保障安全供能的前提下，通过多能协同优化、挖掘电力系统边缘及外部新的灵活性资源，提高综合能效，降低用能成本，增强可再生能源的消纳能力，并为开展综合能源服务提供技术支撑。
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IEMS是怎样实现的？
IEMS是按照EMS家族分布自律-集中协同的分层互联架构设计的，以城市综合能源系统为例，在城市级建设IEMS专有云，实现对广域范围内传统电网调度无法涉及的大量分布式资源的灵活控制与管理，提供云端能量管理、虚拟能厂等服务。在园区级建设IEMS主站，对园区综合能源的生产、传输、存储、消费等环节实施整体监管。在终端，面向园区内各资源建设IEMS子站，用于终端内部自律管理。
IEMS的主要功能包括：
1）多能流SCADA：IEMS的最基本应用，是IEMS的“感官系统”，主要用于进行完整、高性能的稳态实时数据采集和监控。它基于多能流传感网络，实现面向多能流网络的实时数据采集、处理、控制和调节、事件和告警处理、自动记录和打印、网络拓扑着色、事件追忆以及事件顺序记录(SOE)等功能，如图1所示。
图1 多能流SCADA
2）实时模型与状态感知：提供实时、可靠、一致、完整的网络状态信息，为其他PAS高级应用功能提供数据基础，在建立基于电力系统模型扩展的综合能源系统模型的基础上，通过补齐量测数据、剔除坏数据，提高基础数据及评估决策的可靠性。
3）多能流安全分析及预警控制：是确保综合能源系统安全运行的重要手段。一方面建立“N-1”安全准则，对多能流预想故障进行仿真分析，寻找系统薄弱环节，并针对性做出预案；另一方面，关注交易关口的安全控制，在优化设备投资建设的基础上，确保关口设备处于安全运行范围内，如图2所示。
图2 多能流安全分析与预警控制
4）多能流优化调度控制：实现综合能源系统高效运行的核心功能，通过协同各种可调控资源，实现不同能源类型耦合互补与最优能流，达成可再生能源最大化消纳、降低运行成本、提高综合能效等目标。多能流优化调度控制是面向系统运行全过程的动态调度控制，包括日前调度、日内调度和实时控制三个层次。
5）多能流节点能价：面向灵活的能源市场机制，考虑多能流耦合特征下不同能源市场价格间的耦合关系，通过联合成本函数解算实时电价和热价，用价格信号引导和激励用户合理用能，通过柔性手段降低整体用能成本，提高资源分配效率。
6）多能流虚拟能厂：实现综合能源系统对上级市场的商业模式。分布式资源集群、园区或城市都可作为虚拟能厂，如图3所示。联合内部可调控资源，对外成为一个可调节的市场主体，提供调峰、调频、调压等辅助服务，共享共赢，有利于总体资源的优化配置和利用。
图3 虚拟能厂示意图
IEMS的设计与研制，重点是要针对能源互联网“多能流耦合、多时间尺度、多管理主体”的核心科学挑战，实现一系列关键技术的突破。譬如需要考虑适用于不同应用场合的多时间尺度综合模型，采用总体迭代-局部联立的多能流网络求解策略，采用基于差异化测量周期的多能流多时间尺度动态状态估计方法，探索多能流网络间连锁故障的发展机制，制定利用慢动态系统灵活性消除快动态系统安全隐患的控制策略，利用建筑、管道的热储特性参与经济调度以消纳可再生能源出力，探索灵活的能源市场机制，等等。
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IEMS的应用情况如何？
本文研制的IEMS已在广州、成都等城市或工业园区投入现场应用。譬如，在广州城市层面开发了“智慧城市能量辅助决策系统”，如图4所示。针对不断涌现的建筑楼宇、住宅小区、工业园区、微电网、储能、分布式光伏等综合能源智慧管理的多样化需求，提供基于互联网的并发式云端能量管理服务，无须建设就地控制系统，即可实现专业化的能量管理和综合能源服务。在成都工业园区开发了“区域综合能源能量管理系统”，针对以热电冷联产系统(CCHP)电厂为清洁能源中枢、以电/热工业用户为主要负荷的多能耦合园区，建立了主站-子站两级能量运行管理架构，通过热电互补转换、负荷需求响应实现机组的优化运行，提高电厂整体的运行效率和综合能效，降低运行成本。此外，IEMS也正在吉林、天津、江苏、北京等多个地区开展示范应用。
图4 智慧城市能量辅助决策系统架构
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对未来的展望
IEMS实现多能互补、源网荷协同，确保在安全供能前提下的效益最大化，是建设能源互联网及提供综合能源服务的基础内容和支撑，在未来能源市场和辅助服务市场不断发展完善的趋势下，IEMS还需要考虑与能源市场交易业务的结合，同时需要进一步挖掘各层级能量管理的应用场景，促进IEMS家族产品体系的打造和市场的深化应用。