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度手段難以充分發(fā)揮其應有的優(yōu)勢。因此，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同一體、高效準確的狀態(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度手段難以充分發(fā)揮其應有的優(yōu)勢。因此，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同一體、高效準確的狀態(tài)估計，可以為后續(xù)協(xié)同調度、安全運行提供可靠的數(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)估計研究，回顧綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計理論的發(fā)展歷程及難點;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)估計研究的總體思路。最后，對未來綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計可深入研究的方向進行了展望。
關鍵詞：綜合能源系統(tǒng);狀態(tài)估計;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)實現(xiàn)互聯(lián)互通，加強能源合作，提高能源消費效率，近年來對各類能源系統(tǒng)互聯(lián)融合和互補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年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(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，充滿機遇和挑戰(zhàn)。
實現(xiàn)碳中和，需重點關注工業(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)機組可實現(xiàn)90%以上的高燃料效率[4]，采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術還可以有效減少環(huán)境污染物[5]和溫室氣體[6]的排放;燃氣輪組的使用和電轉氣(powertogas，P2G)技術的發(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電力系統(tǒng)的靈活性，既能有效降低碳排放，促進儲能技術與可再生能源發(fā)電技術的發(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“碳達峰、碳中和”行動方案，加強能源電力統(tǒng)一規(guī)劃。
在學術界，有關綜合能源系統(tǒng)建模、規(guī)劃、調度、優(yōu)化及能源市場方向[9-13]的理論也是當前的研究熱點，綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行的經(jīng)濟價值也已被定量驗證，因此未來能源體系將打破多能源系統(tǒng)之間傳統(tǒng)獨立規(guī)劃與運行的模式，構建面向充分協(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(stateestimation，SE)技術作為能量管理系統(tǒng)的基石，負責提供實時、可靠、完備的運行狀態(tài)信息，為后續(xù)安全分析和優(yōu)化調控提供可信的運行數(shù)據(jù)庫。
由于目前狀態(tài)估計的概念和應用仍限定于電網(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)估計領域的研究現(xiàn)狀。首先介紹了綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計理論的發(fā)展歷程及與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的區(qū)別、難點，然后分別概述了電-熱、電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計及各自子問題的研究進展，最后給出對未來該領域研究的展望。
1綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計的發(fā)展及重難點
1.1電力系統(tǒng)狀態(tài)估計與綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計
狀態(tài)估計的本質是濾波，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)估計結果被稱為“熟數(shù)據(jù)”，狀態(tài)估計技術利用大量量測數(shù)據(jù)的冗余，通過一定的準則(如“最小二乘準則”)，獲得最接近系統(tǒng)真實運行狀態(tài)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。與電力系統(tǒng)狀態(tài)估計相同，綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計負責為綜合能源系統(tǒng)-能量管理系統(tǒng)提供實時、可靠、一致、完整的運行狀態(tài)信息，為后續(xù)安全分析和優(yōu)化調控提供可信的運行數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)多能流的統(tǒng)一管理和科學調度。
近五年來，參照與借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的研究思路，國內(nèi)外學者已對綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計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)估計與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計間存在共同的數(shù)學基礎與描述形式，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)估計算法到綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計中。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)的能量介質在物理上具有高度的異質性，其中電力系統(tǒng)遵循電磁學定律，在網(wǎng)絡分析中由電磁場方程推導出由時間與一維空間中的偏微分方程組描述的基礎電路理論，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)中最常見的熱介質水和天然氣系統(tǒng)中的天然氣則遵循質量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律。各子系統(tǒng)能量介質的異質性也導致了電-熱、電-氣乃至電-氣-熱系統(tǒng)的實時狀態(tài)估計需要面對電、熱、氣3種能量介質動態(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)進行狀態(tài)估計基礎，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)估計量測模型進行詳細敘述和分析。
3)算法要求：在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計算法與綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計中，兩者算法濾波性能的關注點不同(整體/局部)，算法精度依賴系統(tǒng)物理模型的精準表述，而傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計僅需關注整體的濾波效果好壞，而綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計還需關注局部濾波情況，各子系統(tǒng)濾波效果及耦合節(jié)點處濾波結果相對整體濾波效果更為關鍵。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)估計的收斂性及穩(wěn)定性也需要算法調整解決。由于各子系統(tǒng)時間尺度的差異，實際狀態(tài)估計中信息量測時標不一致、系統(tǒng)動態(tài)響應時間不一致也需要算法協(xié)調，同理，綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計的計算效率要求較低。
4)控制主體：由于各子系統(tǒng)分屬不同的運營主體，不同的能源系統(tǒng)由統(tǒng)一的能量管理系統(tǒng)進行調控難以實現(xiàn)，各子系統(tǒng)間存在通信壁壘、信息隱私、操作差異和目標差異，需要綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計在有限量測數(shù)據(jù)交互的情況下進行可靠的狀態(tài)估計。在電-熱、電-氣綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計的領域中，各子課題的研究歷程也是按照上述差異性所導致的問題進行逐一解決。
1.2電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計理論發(fā)展歷程
在電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)估計研究中，文獻[14]首先對電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)進行了系統(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)絡潮流的計算方法，并與商業(yè)軟件的結果進行對比，為狀態(tài)估計在電-熱互聯(lián)系統(tǒng)中的應用奠定了“真值”基礎。
緊接著，文獻[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)估計方法，成功將狀態(tài)估計引入到了熱網(wǎng)中。對應上述綜合能源系統(tǒng)-狀態(tài)估計與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計間的異同，該領域學者隨后在壞數(shù)據(jù)問題[17-20](抗差估計研究)、耦合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互問題[21-23](分布式估計)和考慮熱網(wǎng)慢動態(tài)特性(動態(tài)估計)等方面展開了相應的研究。在電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)估計研究中，學者發(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，為了更準確地獲得系統(tǒng)的實時狀態(tài)，文獻[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)估計策略，以更好地追蹤熱網(wǎng)運行時的溫度變化。
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[25]對兩系統(tǒng)的時間尺度特征進行研究，提出了一種混合狀態(tài)估計方法，對不同量測下的網(wǎng)絡提出不同的狀態(tài)估計解決方案。文獻[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)的魯棒估計模型，設計了在熱力系統(tǒng)質調節(jié)與量調節(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”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)估計不同的是沒有冗余度的概念，因此兩處的狀態(tài)估計實質含義并不相同。
1.3電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計理論發(fā)展歷程
“狀態(tài)估計”“卡爾曼濾波”等技術也應用于氣網(wǎng)中，同樣，不同于電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的含義，氣網(wǎng)狀態(tài)估計中也沒有冗余度的概念[28-31]。文獻[32]將電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的概念引入電網(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)點狀態(tài)估計效果的影響。文獻[33]針對復雜氣網(wǎng)系統(tǒng)，建立了標幺化體系，證明了電-氣耦合狀態(tài)估計相較于單獨狀態(tài)估計在獲得系統(tǒng)全局一致解、實現(xiàn)邊界壞數(shù)據(jù)辨識方面具有明顯的優(yōu)勢。
文獻[34-35]對綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計研究中存在的初值問題、壞數(shù)據(jù)問題及計算效率問題進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)估計方法，同時，對含壓縮機的支路進行了更為細化的建模，提高了狀態(tài)估計的精度。文獻[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)估計方法，以不確定的思維方式，為綜合能源系統(tǒng)的運行提供數(shù)據(jù)參考。
針對氣網(wǎng)的動態(tài)工況，計及氣網(wǎng)的暫態(tài)過程，文獻[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)估計方法，實現(xiàn)了對系統(tǒng)某一時段運行軌跡的準確感知，與此同時，文獻[38]提出了一種基于擴展卡爾曼濾波的電-氣動態(tài)估計方法，通過線性外推法和線性內(nèi)推法生成偽量測數(shù)據(jù)，最后通過擴展卡爾曼濾波法進行狀態(tài)估計，提高了狀態(tài)估計的精準度。文獻[39]建立了基于“統(tǒng)一能路理論”的天然氣動態(tài)狀態(tài)估計模型[39]，以另一種思路平衡了動態(tài)狀態(tài)估計問題中計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)添加進了動態(tài)狀態(tài)估計過程中。
1.4綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計研究中的重難點
在綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計的研究中，主要有以下3個層面的難點。
1)模型層面：傳統(tǒng)狀態(tài)估計的本質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，而應用于狀態(tài)估計問題的熱網(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：由于技術和經(jīng)濟原因，熱網(wǎng)與氣網(wǎng)的監(jiān)測水平與通信基礎架構遠遠低于電網(wǎng)[40]，因此綜合能源系統(tǒng)的狀態(tài)估計器對不良數(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)進行調控難以實現(xiàn)，怎樣在有限量測數(shù)據(jù)交互的情況下進行可靠的狀態(tài)估計需要進行考慮。
3)時間尺度層面：目前綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計領域仍以針對靜態(tài)模型的靜態(tài)估計為主，當系統(tǒng)發(fā)生較大擾動時，相較于電力系統(tǒng)快速的響應狀態(tài)，熱網(wǎng)與氣網(wǎng)較長的暫態(tài)過程會使靜態(tài)估計模型產(chǎn)生較大的精度誤差，無法進行實時狀態(tài)跟蹤監(jiān)測、滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求。在已有的綜合能源系統(tǒng)動態(tài)估計模型中，怎樣平衡隨系統(tǒng)規(guī)模指數(shù)級增大的計算規(guī)模與計算效率之間關系也是研究的難點。
文獻[41]從靜態(tài)狀態(tài)估計模型和動態(tài)估計模型2個角度對綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計方法進行了對比和剖析，整合性的綜述了電-熱、電-氣綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計理論，并在模型機理、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)估計的研究和應用進行了展望。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)估計領域詳細展開敘述。
2電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計
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、熱轉換設施等。其中熱源主要包括熱電聯(lián)產(chǎn)機組、燃煤鍋爐、電熱鍋爐房配備高溫承壓蓄熱水罐(風電供暖);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要求;熱轉換設施主要為熱力站(換熱站);其他重要組成部件還有循環(huán)水泵、補水箱、補水泵、閥門(主要安裝于干線、支干線、支線的起點);熱用戶主要包括供暖、通風、熱水供應、生產(chǎn)工藝等。隨著熱電聯(lián)產(chǎn)機組、燃氣輪、能源集線器等轉化設備的廣泛應用以及多能源系統(tǒng)耦合程度的不斷加強，原有各供能系統(tǒng)單獨規(guī)劃、設計和獨立運行的模式已經(jīng)難以適應未來能源發(fā)展趨勢[42]。
由于熱負荷不恒定需要對熱力系統(tǒng)進行調節(jié)，根據(jù)供熱地點不同，主要可分為集中調節(jié)(調節(jié)熱源)、局部調節(jié)(調節(jié)熱力站)、個體調節(jié);根據(jù)調節(jié)方法分為質調節(jié)(只改變網(wǎng)絡的供水溫度)、量調節(jié)(只改變網(wǎng)絡的循環(huán)水流量)、間歇調節(jié)(改變供暖小時數(shù))。國內(nèi)城市供熱系統(tǒng)進行熱源調節(jié)時，只控制一次側供水溫度和循環(huán)水總量，保證按需供熱并均勻分配到熱力站;進行熱網(wǎng)調節(jié)時，根據(jù)室外溫度確定二次側供水溫度，通過改變一次側流量來保證二次側供水溫度。
2.2電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計模型
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)點電壓幅值、支路電流幅值、支路功率與節(jié)點注入功率，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
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，因此天然氣可以進行大規(guī)模遠距離傳輸;在網(wǎng)絡架構中通常為了保證供氣可靠性建設為環(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)點和支路進行分析，節(jié)點又分為氣源節(jié)點、負荷節(jié)點、平衡節(jié)點和耦合節(jié)點(燃氣輪機、電轉氣)。氣網(wǎng)構成元素與熱網(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)點流量平衡描述三部分。在穩(wěn)態(tài)建模方面，文獻[59-60]提出了一種考慮燃氣和電力網(wǎng)絡的分析模型，以分析燃氣和電力耦合網(wǎng)絡的運行狀態(tài)。文獻[61]類比電力系統(tǒng)潮流，基于牛頓-拉夫遜法計算了氣網(wǎng)潮流。文獻[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成，該方程組基于能量守恒方程，數(shù)值計算難度較大[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)點電壓、節(jié)點注入功率、支路功率、氣網(wǎng)節(jié)點壓力、節(jié)點注入流量、管道流量等。氣網(wǎng)的量測數(shù)據(jù)由量測設備渦輪流量計與壓力變送器采樣量測量均瞬時完成。文獻[33-34]對氣網(wǎng)中的燃氣壓縮機進行了詳細建模，將燃氣壓縮機的某一恒定量也當作量測量進行狀態(tài)估計。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)估計中，通常選擇節(jié)點壓力或節(jié)點壓強的平方作為氣網(wǎng)的狀態(tài)量[31-35]，在氣網(wǎng)暫態(tài)潮流計算中，選擇節(jié)點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)估計研究
在天然氣網(wǎng)的狀態(tài)估計理論中，已有基于卡爾曼濾波的動態(tài)狀態(tài)估計研究[28-30]，這些方法以單個氣網(wǎng)管道進行狀態(tài)估計，與電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的網(wǎng)絡分析方法不同，忽略了天然氣網(wǎng)絡約束，且要求管道內(nèi)部的初始狀態(tài)已知(一般假設為穩(wěn)態(tài))，目前還沒有針對天然氣復雜管網(wǎng)的動態(tài)狀態(tài)估計方法。文獻[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)模型構建多時間斷面的電-氣綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計模型，實現(xiàn)了對系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時跟蹤。
文獻[38]將擴展卡爾曼濾波法應用到電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)中，大幅度提高了狀態(tài)估計的精準度。文獻[39]基于氣網(wǎng)的統(tǒng)一能路模型，以WLS準則實現(xiàn)了簡單氣網(wǎng)的動態(tài)估計，并在動態(tài)估計中加入了壞數(shù)據(jù)辨識環(huán)節(jié)，平衡了天然氣網(wǎng)絡動態(tài)計算中計算復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[27]以無跡卡爾曼濾波算法為基礎，考慮到不同子網(wǎng)絡間的耦合約束，構建了適應多情景的狀態(tài)估計順序求解算法。
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)估計周期差異較大的情況下如何實現(xiàn)融合估計需要考慮;同時，當天然氣系統(tǒng)大擾動下運行狀態(tài)劇烈波動時，當前固定周期的動態(tài)估計效果欠佳;此外，由于不同能源運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)估計難以實現(xiàn)。因此，基于異步信息交互實現(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)濟運行的量測數(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)驅動技術已經(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)運行與控制研究卻鮮見報道。文獻[81]建立了一種基于長短期記憶網(wǎng)絡的電-氣耦合綜合能源系統(tǒng)貝葉斯狀態(tài)估計模型，通過貝葉斯補全和校正氣網(wǎng)中訓練樣本，解決了氣網(wǎng)量測數(shù)據(jù)冗余度低，網(wǎng)絡結構不可觀測的問題，為數(shù)據(jù)驅動在電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)中的應用提供了新思路。
4綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計研究展望
綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計問題已得到了學者與工程人員的廣泛關注，基于當前研究所遇到的困難與挑戰(zhàn)，筆者認為該領域以下方向值得深入研究。
1)計及不確定性的多能流耦合系統(tǒng)區(qū)間狀態(tài)估計隨著世界范圍內(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)同運行的場景將會逐漸增多，實現(xiàn)多能流系統(tǒng)的協(xié)同狀態(tài)估計的需求可能出現(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、電氣冷熱負荷功率以及各子系統(tǒng)的量測設備誤差將大大增加。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)定運行，計及系統(tǒng)中不確定性的區(qū)間狀態(tài)估計方法值得深入研究。
2)基于統(tǒng)一能路理論的綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計目前，綜合能源系統(tǒng)狀態(tài)估計體系仍停留于在熱網(wǎng)、氣網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型的基礎上處理數(shù)據(jù)與模型間的關系，無法在大擾動狀況下進行系統(tǒng)實時狀態(tài)跟蹤監(jiān)測、滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求。而已有的暫態(tài)模型在此狀態(tài)估計體系下存在計算時間長、收斂穩(wěn)定差的缺點，無法應用大規(guī)模綜合能源系統(tǒng)。因此，相關學者積極對電、氣、熱統(tǒng)一的能流框架進行研究，如清華大學所提的統(tǒng)一能路理論，基于該統(tǒng)一能路理論實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的動態(tài)狀態(tài)估計具有重要意義。
3)綜合能源系統(tǒng)分布式異步狀態(tài)估計研究當系統(tǒng)發(fā)生較大擾動時，相較于電力系統(tǒng)快速的響應狀態(tài)，熱網(wǎng)與氣網(wǎng)較長的暫態(tài)過程會使靜態(tài)估計模型產(chǎn)生較大的精度誤差，全局理想估計較為困難，無法進行實時狀態(tài)跟蹤監(jiān)測、滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求，因此，有必要在系統(tǒng)量測時標不統(tǒng)一，動態(tài)響應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。
5結語
綜合能源系統(tǒng)在對區(qū)域資源協(xié)調配置、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作用。發(fā)展綜合能源系統(tǒng)，是實現(xiàn)中國2060“碳中和”宏偉目標的重要途徑。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)估計技術有望為綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同調度、安全運行提供可靠的數(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)估計理論的研究現(xiàn)狀，在國網(wǎng)“碳達峰”“碳中和”行動方案的推進下，綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展對于構建清潔低碳、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)估計理論的研究思路和發(fā)展歷程進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，使讀者對該領域具有一個較為全面和基礎的認識，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
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