本文摘要：摘要：綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展在提高能源效率、減少碳排放及增加可再生能源滲透率等方面起到了巨大的推動作用，面對耦合日益緊密的電-熱、電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)，現(xiàn)有的能量管理模式和調(diào)度手段難以充分發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢。因此，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同一體、高效準(zhǔn)確的狀態(tài)
摘要：綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展在提高能源效率、減少碳排放及增加可再生能源滲透率等方面起到了巨大的推動作用，面對耦合日益緊密的電-熱、電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)，現(xiàn)有的能量管理模式和調(diào)度手段難以充分發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢。因此，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同一體、高效準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)，可以為后續(xù)協(xié)同調(diào)度、安全運(yùn)行提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。鑒于此，簡要概述碳中和背景下綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究，回顧綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論的發(fā)展歷程及難點(diǎn);并從模型、數(shù)據(jù)、時間尺度3個層面分析電-熱、電-氣綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究的總體思路。最后，對未來綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)可深入研究的方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：綜合能源系統(tǒng);狀態(tài)估計(jì);潮流模型;熱網(wǎng);氣網(wǎng);碳中和
0引言
世界范圍內(nèi)能源系統(tǒng)正在經(jīng)歷深層次的重組，為了在不同能源環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，加強(qiáng)能源合作，提高能源消費(fèi)效率，近年來對各類能源系統(tǒng)互聯(lián)融合和互補(bǔ)集成的需求日益迫切。2020年9月22日，中國在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話中決定“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。目前，中國的化石能源系統(tǒng)在一次能源中占比85%左右，因此，中國“碳中和”是一個宏偉目標(biāo)，充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
實(shí)現(xiàn)碳中和，需重點(diǎn)關(guān)注工業(yè)、電力的能源效率和可再生能源的合理利用，而綜合能源系統(tǒng)(integratedenergysystem，IES)的發(fā)展在提高能源效率、減少碳排放和增加可再生能源的滲透三方面起到了巨大的推動作用[1-3]。研究表明，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可實(shí)現(xiàn)90%以上的高燃料效率[4]，采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)還可以有效減少環(huán)境污染物[5]和溫室氣體[6]的排放;燃?xì)廨喗M的使用和電轉(zhuǎn)氣(powertogas，P2G)技術(shù)的發(fā)展也為平抑間歇性新能源出力提供了保障。
因此，發(fā)展深度耦合、互補(bǔ)集成的綜合能源系統(tǒng)在未來將以電力為主的能源體系中，可以減少波動和增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活性，既能有效降低碳排放，促進(jìn)儲能技術(shù)與可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，又能提供安全穩(wěn)定 的電力能源。國內(nèi)外政企對綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、發(fā)展高度重視[7-8]，2021年3月，國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布“碳達(dá)峰、碳中和”行動方案，加強(qiáng)能源電力統(tǒng)一規(guī)劃。
在學(xué)術(shù)界，有關(guān)綜合能源系統(tǒng)建模、規(guī)劃、調(diào)度、優(yōu)化及能源市場方向[9-13]的理論也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)價值也已被定量驗(yàn)證，因此未來能源體系將打破多能源系統(tǒng)之間傳統(tǒng)獨(dú)立規(guī)劃與運(yùn)行的模式，構(gòu)建面向充分協(xié)同、深度耦合綜合能源系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)(energymanagementsystem，EMS)，而狀態(tài)估計(jì)(stateestimation，SE)技術(shù)作為能量管理系統(tǒng)的基石，負(fù)責(zé)提供實(shí)時、可靠、完備的運(yùn)行狀態(tài)信息，為后續(xù)安全分析和優(yōu)化調(diào)控提供可信的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫。
由于目前狀態(tài)估計(jì)的概念和應(yīng)用仍限定于電網(wǎng)的配電網(wǎng)及以上、熱網(wǎng)的供熱管網(wǎng)、氣網(wǎng)的中高壓部分，因此本文以電-熱、電-氣綜合能源系統(tǒng)為研究對象，綜述了電-熱、電-氣狀態(tài)估計(jì)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。首先介紹了綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論的發(fā)展歷程及與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的區(qū)別、難點(diǎn)，然后分別概述了電-熱、電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)及各自子問題的研究進(jìn)展，最后給出對未來該領(lǐng)域研究的展望。
1綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的發(fā)展及重難點(diǎn)
1.1電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)與綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)
狀態(tài)估計(jì)的本質(zhì)是濾波，在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，量測數(shù)據(jù)被稱為“生數(shù)據(jù)”，狀態(tài)估計(jì)結(jié)果被稱為“熟數(shù)據(jù)”，狀態(tài)估計(jì)技術(shù)利用大量量測數(shù)據(jù)的冗余，通過一定的準(zhǔn)則(如“最小二乘準(zhǔn)則”)，獲得最接近系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。與電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)相同，綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)負(fù)責(zé)為綜合能源系統(tǒng)-能量管理系統(tǒng)提供實(shí)時、可靠、一致、完整的運(yùn)行狀態(tài)信息，為后續(xù)安全分析和優(yōu)化調(diào)控提供可信的運(yùn)行數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)多能流的統(tǒng)一管理和科學(xué)調(diào)度。
近五年來，參照與借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的研究思路，國內(nèi)外學(xué)者已對綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論開展了較多的研究。研究發(fā)現(xiàn)，盡管綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計(jì)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)間存在共同的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與描述形式，但由于電、熱、氣三者系統(tǒng)本身的差異，無法簡單地移植傳統(tǒng)電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)算法到綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計(jì)中。兩者在物理特性、量測通信、算法要求及控制主體上存在著差異。
1)物理特性：綜合能源系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的能量介質(zhì)在物理上具有高度的異質(zhì)性，其中電力系統(tǒng)遵循電磁學(xué)定律，在網(wǎng)絡(luò)分析中由電磁場方程推導(dǎo)出由時間與一維空間中的偏微分方程組描述的基礎(chǔ)電路理論，然后引入相量方法將電路從時域映射到頻域，最終簡化為代數(shù)方程描述的集總參數(shù)頻域電路。而熱力系統(tǒng)中最常見的熱介質(zhì)水和天然氣系統(tǒng)中的天然氣則遵循質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律。各子系統(tǒng)能量介質(zhì)的異質(zhì)性也導(dǎo)致了電-熱、電-氣乃至電-氣-熱系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)估計(jì)需要面對電、熱、氣3種能量介質(zhì)動態(tài)特性不一致的問題，電力系統(tǒng)暫態(tài)過程瞬時完成，而熱網(wǎng)和氣網(wǎng)則為小時級。
2)量測通信：量測數(shù)據(jù)是系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)基礎(chǔ)，綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)間量測的差異主要體現(xiàn)在：(1)量測類型;(2)傳感器安裝環(huán)境、量測誤差;(3)通信時延及穩(wěn)定性;(4)通信頻率;(5)配置范圍導(dǎo)致的系統(tǒng)/局部可觀測性。在后續(xù)章節(jié)中本文將對各子系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)量測模型進(jìn)行詳細(xì)敘述和分析。
3)算法要求：在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)算法與綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計(jì)中，兩者算法濾波性能的關(guān)注點(diǎn)不同(整體/局部)，算法精度依賴系統(tǒng)物理模型的精準(zhǔn)表述，而傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)僅需關(guān)注整體的濾波效果好壞，而綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計(jì)還需關(guān)注局部濾波情況，各子系統(tǒng)濾波效果及耦合節(jié)點(diǎn)處濾波結(jié)果相對整體濾波效果更為關(guān)鍵。其次，由于各子系統(tǒng)量測水平的差異，綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計(jì)對數(shù)據(jù)通信性能、算法抗差性能的要求較電網(wǎng)更高，狀態(tài)估計(jì)的收斂性及穩(wěn)定性也需要算法調(diào)整解決。由于各子系統(tǒng)時間尺度的差異，實(shí)際狀態(tài)估計(jì)中信息量測時標(biāo)不一致、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間不一致也需要算法協(xié)調(diào)，同理，綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計(jì)的計(jì)算效率要求較低。
4)控制主體：由于各子系統(tǒng)分屬不同的運(yùn)營主體，不同的能源系統(tǒng)由統(tǒng)一的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控難以實(shí)現(xiàn)，各子系統(tǒng)間存在通信壁壘、信息隱私、操作差異和目標(biāo)差異，需要綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計(jì)在有限量測數(shù)據(jù)交互的情況下進(jìn)行可靠的狀態(tài)估計(jì)。在電-熱、電-氣綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的領(lǐng)域中，各子課題的研究歷程也是按照上述差異性所導(dǎo)致的問題進(jìn)行逐一解決。
1.2電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論發(fā)展歷程
在電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)研究中，文獻(xiàn)[14]首先對電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的建模分析，類比電力系統(tǒng)潮流的方式，提出了熱網(wǎng)潮流和電熱耦合網(wǎng)絡(luò)潮流的計(jì)算方法，并與商業(yè)軟件的結(jié)果進(jìn)行對比，為狀態(tài)估計(jì)在電-熱互聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了“真值”基礎(chǔ)。
緊接著，文獻(xiàn)[15-16]提出了基于熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型的熱電聯(lián)合狀態(tài)估計(jì)方法，成功將狀態(tài)估計(jì)引入到了熱網(wǎng)中。對應(yīng)上述綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計(jì)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)間的異同，該領(lǐng)域?qū)W者隨后在壞數(shù)據(jù)問題[17-20](抗差估計(jì)研究)、耦合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互問題[21-23](分布式估計(jì))和考慮熱網(wǎng)慢動態(tài)特性(動態(tài)估計(jì))等方面展開了相應(yīng)的研究。在電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)研究中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)模型難以描述供水管道中的動態(tài)特性，為了更準(zhǔn)確地獲得系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)，文獻(xiàn)[24]考慮了熱能在管網(wǎng)中傳輸?shù)膭討B(tài)特性，提出了一種兩階段狀態(tài)估計(jì)策略，以更好地追蹤熱網(wǎng)運(yùn)行時的溫度變化。
由于熱網(wǎng)中量測數(shù)據(jù)的采樣分辨率明顯低于電網(wǎng)中量測數(shù)據(jù)的采樣分辨率，文獻(xiàn)[25]對兩系統(tǒng)的時間尺度特征進(jìn)行研究，提出了一種混合狀態(tài)估計(jì)方法，對不同量測下的網(wǎng)絡(luò)提出不同的狀態(tài)估計(jì)解決方案。文獻(xiàn)[27]建立了一種不完全量測配置下電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的魯棒估計(jì)模型，設(shè)計(jì)了在熱力系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)與量調(diào)節(jié)兩種模式下的雙層優(yōu)化算法。需要說明的是，在城市供熱工程的研究中也有“狀態(tài)估計(jì)”的概念，大都用于估算熱網(wǎng)的管道熱能損失，且與電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)不同的是沒有冗余度的概念，因此兩處的狀態(tài)估計(jì)實(shí)質(zhì)含義并不相同。
1.3電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論發(fā)展歷程
“狀態(tài)估計(jì)”“卡爾曼濾波”等技術(shù)也應(yīng)用于氣網(wǎng)中，同樣，不同于電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的含義，氣網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)中也沒有冗余度的概念[28-31]。文獻(xiàn)[32]將電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的概念引入電網(wǎng)和氣網(wǎng)的聯(lián)合分析中，定量分析了聯(lián)合分析對于耦合節(jié)點(diǎn)狀態(tài)估計(jì)效果的影響。文獻(xiàn)[33]針對復(fù)雜氣網(wǎng)系統(tǒng)，建立了標(biāo)幺化體系，證明了電-氣耦合狀態(tài)估計(jì)相較于單獨(dú)狀態(tài)估計(jì)在獲得系統(tǒng)全局一致解、實(shí)現(xiàn)邊界壞數(shù)據(jù)辨識方面具有明顯的優(yōu)勢。
文獻(xiàn)[34-35]對綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究中存在的初值問題、壞數(shù)據(jù)問題及計(jì)算效率問題進(jìn)行了更為深入的研究，提出了電氣綜合能源系統(tǒng)抗差及雙線性抗差狀態(tài)估計(jì)方法，同時，對含壓縮機(jī)的支路進(jìn)行了更為細(xì)化的建模，提高了狀態(tài)估計(jì)的精度。文獻(xiàn)[36]為城市天然氣-電力耦合系統(tǒng)提供了一種區(qū)間狀態(tài)估計(jì)方法，以不確定的思維方式，為綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考。
針對氣網(wǎng)的動態(tài)工況，計(jì)及氣網(wǎng)的暫態(tài)過程，文獻(xiàn)[37]提出了多時間斷面的電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)某一時段運(yùn)行軌跡的準(zhǔn)確感知，與此同時，文獻(xiàn)[38]提出了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的電-氣動態(tài)估計(jì)方法，通過線性外推法和線性內(nèi)推法生成偽量測數(shù)據(jù)，最后通過擴(kuò)展卡爾曼濾波法進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，提高了狀態(tài)估計(jì)的精準(zhǔn)度。文獻(xiàn)[39]建立了基于“統(tǒng)一能路理論”的天然氣動態(tài)狀態(tài)估計(jì)模型[39]，以另一種思路平衡了動態(tài)狀態(tài)估計(jì)問題中計(jì)算精度與求解效率之間的矛盾，同時，將壞數(shù)據(jù)辨識環(huán)節(jié)添加進(jìn)了動態(tài)狀態(tài)估計(jì)過程中。
1.4綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究中的重難點(diǎn)
在綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的研究中，主要有以下3個層面的難點(diǎn)。
1)模型層面：傳統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的本質(zhì)是基于物理模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化問題，因此對模型精度要求較高，而應(yīng)用于狀態(tài)估計(jì)問題的熱網(wǎng)與氣網(wǎng)模型往往過度簡化，適用工況的范圍較窄。
2)數(shù)據(jù)層面：由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因，熱網(wǎng)與氣網(wǎng)的監(jiān)測水平與通信基礎(chǔ)架構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電網(wǎng)[40]，因此綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)器對不良數(shù)據(jù)辨識、算法收斂性及多維度多斷面數(shù)據(jù)的完整性要求更高。其次，在大多數(shù)情況下，不同的能源系統(tǒng)由統(tǒng)一的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控難以實(shí)現(xiàn)，怎樣在有限量測數(shù)據(jù)交互的情況下進(jìn)行可靠的狀態(tài)估計(jì)需要進(jìn)行考慮。
3)時間尺度層面：目前綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)領(lǐng)域仍以針對靜態(tài)模型的靜態(tài)估計(jì)為主，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較大擾動時，相較于電力系統(tǒng)快速的響應(yīng)狀態(tài)，熱網(wǎng)與氣網(wǎng)較長的暫態(tài)過程會使靜態(tài)估計(jì)模型產(chǎn)生較大的精度誤差，無法進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)跟蹤監(jiān)測、滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。在已有的綜合能源系統(tǒng)動態(tài)估計(jì)模型中，怎樣平衡隨系統(tǒng)規(guī)模指數(shù)級增大的計(jì)算規(guī)模與計(jì)算效率之間關(guān)系也是研究的難點(diǎn)。
文獻(xiàn)[41]從靜態(tài)狀態(tài)估計(jì)模型和動態(tài)估計(jì)模型2個角度對綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法進(jìn)行了對比和剖析，整合性的綜述了電-熱、電-氣綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論，并在模型機(jī)理、數(shù)據(jù)采集、性能要求、數(shù)據(jù)安全及軟件開發(fā)幾個方面對未來綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的研究和應(yīng)用進(jìn)行了展望。本文介紹思路則圍繞著綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究中的模型、數(shù)據(jù)、時間尺度3個層面在電-熱、電-氣狀態(tài)估計(jì)領(lǐng)域詳細(xì)展開敘述。
2電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)
2.1電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)建模
2.1.1供熱系統(tǒng)認(rèn)知
供熱系統(tǒng)是熱電廠向熱力用戶提供蒸汽或熱水并回收其返回水的設(shè)備和場內(nèi)管道連接的系統(tǒng)，包括熱源、供熱管網(wǎng)、熱用戶、熱轉(zhuǎn)換設(shè)施等。其中熱源主要包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃煤鍋爐、電熱鍋爐房配備高溫承壓蓄熱水罐(風(fēng)電供暖);供熱管網(wǎng)按密封程度不同分為閉式系統(tǒng)、開式系統(tǒng)(熱介質(zhì)能不能被取出)，按管道根數(shù)不同分為單管、雙管、三管、四管系統(tǒng)(根據(jù)熱用戶選擇)，按所處地位分為一級管網(wǎng)和二級管網(wǎng)(熱力站)，按供回關(guān)系分為供水管網(wǎng)和回水管網(wǎng)(熱源、熱用戶)。
供熱管網(wǎng)中的熱媒主要是為水或蒸汽，其中水需滿足城市水質(zhì)要求;熱轉(zhuǎn)換設(shè)施主要為熱力站(換熱站);其他重要組成部件還有循環(huán)水泵、補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵、閥門(主要安裝于干線、支干線、支線的起點(diǎn));熱用戶主要包括供暖、通風(fēng)、熱水供應(yīng)、生產(chǎn)工藝等。隨著熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)廨�、能源集線器等轉(zhuǎn)化設(shè)備的廣泛應(yīng)用以及多能源系統(tǒng)耦合程度的不斷加強(qiáng)，原有各供能系統(tǒng)單獨(dú)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和獨(dú)立運(yùn)行的模式已經(jīng)難以適應(yīng)未來能源發(fā)展趨勢[42]。
由于熱負(fù)荷不恒定需要對熱力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)供熱地點(diǎn)不同，主要可分為集中調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)熱源)、局部調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)熱力站)、個體調(diào)節(jié);根據(jù)調(diào)節(jié)方法分為質(zhì)調(diào)節(jié)(只改變網(wǎng)絡(luò)的供水溫度)、量調(diào)節(jié)(只改變網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)水流量)、間歇調(diào)節(jié)(改變供暖小時數(shù))。國內(nèi)城市供熱系統(tǒng)進(jìn)行熱源調(diào)節(jié)時，只控制一次側(cè)供水溫度和循環(huán)水總量，保證按需供熱并均勻分配到熱力站;進(jìn)行熱網(wǎng)調(diào)節(jié)時，根據(jù)室外溫度確定二次側(cè)供水溫度，通過改變一次側(cè)流量來保證二次側(cè)供水溫度。
2.2電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型
2.2.1量測模型
隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)中量測設(shè)備的數(shù)量、種類和精度也在不斷提高。除了配電網(wǎng)中常見的支路功率和支路電流幅值量測之外，節(jié)點(diǎn)注入功率和電壓幅值也可以從智能電表中獲得。在電網(wǎng)中，量測數(shù)據(jù)采集主要由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(supervisorycontrolanddataacquisition，SCADA)系統(tǒng)、相量測量裝置(phasormeasurementunit，PMU)與高級量測體系(advancedmeteringinfrastructure，AMI)完成。SCADA系統(tǒng)采集的量測數(shù)據(jù)類型一般為節(jié)點(diǎn)電壓幅值、支路電流幅值、支路功率與節(jié)點(diǎn)注入功率，采樣周期約為3~5s;PMU的量測數(shù)據(jù)一般為電壓向量與電流向量，采樣周期約為5~30ms;AMI的量測數(shù)據(jù)一般為支路電壓幅值、支路電流幅值、支路功率、節(jié)點(diǎn)注入功率與用電信息，采樣周期為15，30，60min。
3電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)
3.1電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)建模
相對于熱網(wǎng)而言，氣網(wǎng)在傳輸過程中的能量損耗較小，一般可以忽略不記，因此天然氣可以進(jìn)行大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸;在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中通常為了保證供氣可靠性建設(shè)為環(huán)形網(wǎng)架，與輸電網(wǎng)類似。氣網(wǎng)建模的思路與電網(wǎng)、熱網(wǎng)類似，將系統(tǒng)分為節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行分析，節(jié)點(diǎn)又分為氣源節(jié)點(diǎn)、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)、平衡節(jié)點(diǎn)和耦合節(jié)點(diǎn)(燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣)。氣網(wǎng)構(gòu)成元素與熱網(wǎng)、電網(wǎng)的類比。
與熱網(wǎng)不同，氣網(wǎng)建模主要是氣網(wǎng)管道流量、加壓站建模和節(jié)點(diǎn)流量平衡描述三部分。在穩(wěn)態(tài)建模方面，文獻(xiàn)[59-60]提出了一種考慮燃?xì)夂碗娏W(wǎng)絡(luò)的分析模型，以分析燃?xì)夂碗娏︸詈暇W(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)[61]類比電力系統(tǒng)潮流，基于牛頓-拉夫遜法計(jì)算了氣網(wǎng)潮流。文獻(xiàn)[62]提出了電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)混合能量流分析方法。氣網(wǎng)的暫態(tài)過程主要體現(xiàn)在氣網(wǎng)管道流量建模這一部分。描述氣網(wǎng)的精確模型是由一組無法采用解析法求解的偏微分方程組構(gòu)成，該方程組基于能量守恒方程，數(shù)值計(jì)算難度較大[63]。
3.2電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)估計(jì)研究
電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)量測量主要包括電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓、節(jié)點(diǎn)注入功率、支路功率、氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力、節(jié)點(diǎn)注入流量、管道流量等。氣網(wǎng)的量測數(shù)據(jù)由量測設(shè)備渦輪流量計(jì)與壓力變送器采樣量測量均瞬時完成。文獻(xiàn)[33-34]對氣網(wǎng)中的燃?xì)鈮嚎s機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)建模，將燃?xì)鈮嚎s機(jī)的某一恒定量也當(dāng)作量測量進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。電網(wǎng)狀態(tài)量一般選擇電壓幅值和相角，在氣網(wǎng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)估計(jì)中，通常選擇節(jié)點(diǎn)壓力或節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)的平方作為氣網(wǎng)的狀態(tài)量[31-35]，在氣網(wǎng)暫態(tài)潮流計(jì)算中，選擇節(jié)點(diǎn)壓力和管道流量作為氣網(wǎng)的狀態(tài)量[70]。
3.3電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)估計(jì)研究
在天然氣網(wǎng)的狀態(tài)估計(jì)理論中，已有基于卡爾曼濾波的動態(tài)狀態(tài)估計(jì)研究[28-30]，這些方法以單個氣網(wǎng)管道進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，與電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的網(wǎng)絡(luò)分析方法不同，忽略了天然氣網(wǎng)絡(luò)約束，且要求管道內(nèi)部的初始狀態(tài)已知(一般假設(shè)為穩(wěn)態(tài))，目前還沒有針對天然氣復(fù)雜管網(wǎng)的動態(tài)狀態(tài)估計(jì)方法。文獻(xiàn)[37]引入了離散化的天然氣管道方程來描述其暫態(tài)變化過程，基于氣網(wǎng)暫態(tài)模型構(gòu)建多時間斷面的電-氣綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時跟蹤。
文獻(xiàn)[38]將擴(kuò)展卡爾曼濾波法應(yīng)用到電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)中，大幅度提高了狀態(tài)估計(jì)的精準(zhǔn)度。文獻(xiàn)[39]基于氣網(wǎng)的統(tǒng)一能路模型，以WLS準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了簡單氣網(wǎng)的動態(tài)估計(jì)，并在動態(tài)估計(jì)中加入了壞數(shù)據(jù)辨識環(huán)節(jié)，平衡了天然氣網(wǎng)絡(luò)動態(tài)計(jì)算中計(jì)算復(fù)雜度與求解精度之間的矛盾，具有較高的理論研究意義。文獻(xiàn)[27]以無跡卡爾曼濾波算法為基礎(chǔ)，考慮到不同子網(wǎng)絡(luò)間的耦合約束，構(gòu)建了適應(yīng)多情景的狀態(tài)估計(jì)順序求解算法。
但由于天然氣系統(tǒng)動態(tài)過程明顯慢于電力系統(tǒng)，在二者狀態(tài)估計(jì)周期差異較大的情況下如何實(shí)現(xiàn)融合估計(jì)需要考慮;同時，當(dāng)天然氣系統(tǒng)大擾動下運(yùn)行狀態(tài)劇烈波動時，當(dāng)前固定周期的動態(tài)估計(jì)效果欠佳;此外，由于不同能源運(yùn)營者之間存在信息差距，在耦合的能源系統(tǒng)中采用聯(lián)合狀態(tài)估計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。因此，基于異步信息交互實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)之間分布式動態(tài)狀態(tài)估計(jì)理論需要更加深入的研究。
此外，隨著綜合能源系統(tǒng)物理硬件的逐步發(fā)展，支撐其安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的量測數(shù)據(jù)(傳統(tǒng)SCADA量測、相量量測裝置、智能電表量測、天然氣系統(tǒng)量測)日益增加，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析理論與方法已經(jīng)無法有效提取海量數(shù)據(jù)中的主要特征和有效信息，亟須研究針對綜合能源系統(tǒng)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)挖掘和分析的理論與方法。在電網(wǎng)中，數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)在態(tài)勢感知[71-75]、系統(tǒng)控制[76-79]、穩(wěn)定評估[80]等方面有了較為深入的研究，基于數(shù)據(jù)挖掘的天然氣系統(tǒng)運(yùn)行與控制研究卻鮮見報(bào)道。文獻(xiàn)[81]建立了一種基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)的電-氣耦合綜合能源系統(tǒng)貝葉斯?fàn)顟B(tài)估計(jì)模型，通過貝葉斯補(bǔ)全和校正氣網(wǎng)中訓(xùn)練樣本，解決了氣網(wǎng)量測數(shù)據(jù)冗余度低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可觀測的問題，為數(shù)據(jù)驅(qū)動在電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了新思路。
4綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究展望
綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)問題已得到了學(xué)者與工程人員的廣泛關(guān)注，基于當(dāng)前研究所遇到的困難與挑戰(zhàn)，筆者認(rèn)為該領(lǐng)域以下方向值得深入研究。
1)計(jì)及不確定性的多能流耦合系統(tǒng)區(qū)間狀態(tài)估計(jì)隨著世界范圍內(nèi)能源系統(tǒng)變革，面向未來的能源使用方式和監(jiān)測體系可能出現(xiàn)更替，電、氣、冷、熱協(xié)同運(yùn)行的場景將會逐漸增多，實(shí)現(xiàn)多能流系統(tǒng)的協(xié)同狀態(tài)估計(jì)的需求可能出現(xiàn)。在大規(guī)模、多環(huán)節(jié)、多主體的未來綜合能源系統(tǒng)框架下，系統(tǒng)中的不確定性如分布式電源出力、電氣冷熱負(fù)荷功率以及各子系統(tǒng)的量測設(shè)備誤差將大大增加。因此，為了在提高新能源消納率的前提下保證綜合能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，計(jì)及系統(tǒng)中不確定性的區(qū)間狀態(tài)估計(jì)方法值得深入研究。
2)基于統(tǒng)一能路理論的綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)目前，綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)體系仍停留于在熱網(wǎng)、氣網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上處理數(shù)據(jù)與模型間的關(guān)系，無法在大擾動狀況下進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)時狀態(tài)跟蹤監(jiān)測、滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。而已有的暫態(tài)模型在此狀態(tài)估計(jì)體系下存在計(jì)算時間長、收斂穩(wěn)定差的缺點(diǎn)，無法應(yīng)用大規(guī)模綜合能源系統(tǒng)。因此，相關(guān)學(xué)者積極對電、氣、熱統(tǒng)一的能流框架進(jìn)行研究，如清華大學(xué)所提的統(tǒng)一能路理論，基于該統(tǒng)一能路理論實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的動態(tài)狀態(tài)估計(jì)具有重要意義。
3)綜合能源系統(tǒng)分布式異步狀態(tài)估計(jì)研究當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較大擾動時，相較于電力系統(tǒng)快速的響應(yīng)狀態(tài)，熱網(wǎng)與氣網(wǎng)較長的暫態(tài)過程會使靜態(tài)估計(jì)模型產(chǎn)生較大的精度誤差，全局理想估計(jì)較為困難，無法進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)跟蹤監(jiān)測、滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，因此，有必要在系統(tǒng)量測時標(biāo)不統(tǒng)一，動態(tài)響應(yīng)時間不一致的前提下，研究綜合能源系統(tǒng)的分布式動態(tài)狀態(tài)估計(jì)。
5結(jié)語
綜合能源系統(tǒng)在對區(qū)域資源協(xié)調(diào)配置、提高能源利用效率、可再生能源的滲透率和能源系統(tǒng)靈活性上起到了巨大的推進(jìn)作用。發(fā)展綜合能源系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)中國2060“碳中和”宏偉目標(biāo)的重要途徑。面對耦合日益緊密的電-熱、電-氣綜合能源系統(tǒng)，現(xiàn)有的能量管理模式、調(diào)度方案難以充分發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢。作為現(xiàn)代能量管理系統(tǒng)的核心，狀態(tài)估計(jì)技術(shù)有望為綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度、安全運(yùn)行提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。
本文綜述了電-熱、電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論的研究現(xiàn)狀，在國網(wǎng)“碳達(dá)峰”“碳中和”行動方案的推進(jìn)下，綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展對于構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要意義。本文從模型層面、數(shù)據(jù)層面和時間尺度層面，對電-熱、電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)理論的研究思路和發(fā)展歷程進(jìn)行了闡述和分析比較，分別、具體地介紹了電-熱、電-氣2個子問題的研究邏輯和類比思路，使讀者對該領(lǐng)域具有一個較為全面和基礎(chǔ)的認(rèn)識，期望為后研究提供支撐。
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作者：臧海祥，耿明昊，黃蔓云，衛(wèi)志農(nóng)，陳勝，孫國強(qiáng)
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