中国储能网讯：1、为什么要研究能源互联网的规划？
人类生产、生活活动对能源有着巨大的需求，但化石能源的储量有限，不足以支撑社会的长久发展，同时大规模化石能源的低效使用对环境造成了巨大的污染。能源危机、环境污染催生了人们对可持续、清洁、高效的能源系统的迫切需求。随着能源利用技术的发展、信息技术的进步，两者的深度融合催生出了新的能源利用体系——能源互联网。能源互联网通过对多种能源系统进行协调优化，既可以接纳大规模的可再生能源，也可以提高能源的利用效率。能源互联网是未来能源系统的发展方向，对能源互联网进行优化规划是能源互联网从理论到工程实践的基础。只有在先进的、合理的能源互联网的规划理论的指导下，全面大规模的能源互联网的建设工程才可以顺利实施。现阶段，国内外的能源互联网的众多示范性项目正在如火如荼的建设，这些示范性工程的实施又可以帮助逐步完善规划理论体系，为之后的能源互联网的大规模工程建设奠定理论基础。
2、为什么对能源互联网进行结构划分？
能源互联网包含电力、天然气、热等多种能源系统，规模庞大，元件众多，作为整体进行统一优化规划难度过大。为了减小规划难度，提升规划模型的准确性和可行性，本文根据不同的组成元素、环节任务将能源互联网按照能源的生产环节（源）-能源的传输环节（网）-能源的消费环节（荷）进行划分，由此可得能源互联网的基本架构如图 1所示。
图 1 能源互联网基本架构
基于能源互联网划分的“源-网-荷”结构，考虑各个环节的主要任务、特定约束、应用影响因素等，可建立如表 1所示的各个环节的规划模型。
表 1 能源互联网各个环节的规划模型
3、能源互联网规划建模的基础？
能源互联网的规划是已知规划对象的物理特性和相应的约束条件，选定合适的数学模型描述规划对象的物理特性，求解满足各项指标要求的合适的规划方案。因而明确基础的约束条件和建立描述设备运行特性、耦合能量流的数学模型是能源互联网规划建模的基础。规划模型的基础约束条件是用户的电、气、热多种能源的负荷需求。能源互联网的规划所涉及的数学模型主要是多能流的耦合、转化模型和多能流系统的潮流模型。多能流的耦合、转化模型通常采用瑞士苏黎世联邦理工学院提出的能量枢纽模型；因为规划研究的是长时间尺度的问题，所以规划模型的多能流潮流模型采用稳态潮流模型，即满足节点能量平衡等物理特性的代数方程。
4、对能源生产环节规划有哪些研究？
能源生产环节规划的任务是在满足用户的多种用能需求和达到各种技术经济指标的条件下，充分考虑各种形式能源的耦合和物理特性的互补，确定在何时、何地兴建何种类型和何种规模的能源生产、转换、存储设备，使规划期内能源互联网能接纳大规模可再生能源并且具有较好的经济效益。在能源互联网中，具有大容量储能设备的热力系统、天然气系统通过热电联供（CHP）机组、电转气等能量转换设备和电力系统互联耦合。相比于电力系统，气、热系统都具有较大的惯性和时间常数，具有良好的可控性和可调性。大容量的储热、储气设备使得电力系统能够在较大的时间尺度和空间范围内平抑可再生能源的间歇性和波动性对能源系统的影响，进而提升系统的可再生能源的消纳能力。
以电-热联合的能源生产环节的规划为例，首先分析电锅炉、CHP机组的出力特性，结合传统的发电机模型，建立热源模型和相应的设备输出功率约束。其次，充分考虑电和热的互补性，在电力系统、热力系统的稳态潮流的基础上，建立合理的电-热耦合潮流模型。最后通过设置多场景、多时段等方式模拟系统运行状态建立电-热联合系统的混合整数规划模型。
5、对能源的源、网协同规划的研究有哪些？
能源的远距离传输主要以电力网络和天然气网络为主，两个网络互连耦合，将能源从源侧向远端负荷大规模的传输。可再生能源的地理分布较为分散，风电厂、光伏电站和电转气厂，需要根据已有电力传输网络进行合理的选址，便于能源的传输，而燃气电厂也要根据天然气网进行选址，才能保证天然气的供应。所以电-气联合系统的传输环节不能单一规划，需要进行源、网的协同规划。对于源、网环节的协调规划，首先要对源侧、负荷侧的多能源系统进行等效，将多能源的生产等效为气源和电源（传统电源、可再生能源），将负荷等效为气负荷和电负荷，将模型简化为电-气联合系统。
电-气联合系统的规划，基本是以系统投资和运行的经济性最优为目标函数，最基础的约束是电-气联合系统的运行约束。考虑不同的影响因素，可对电-气联合系统的规划模型构造分层迭代的优化模型。主问题设置为能源生产、转换、存储设备的投建、选址和电力网络、天然气网络的扩建，子问题是典型日或规划年的优化运行，可分别设置可靠性、碳排放等子问题约束。主问题向子问题传递优化后的系统拓扑方案，子问题向主问题传递相应的割集约束或罚函数，以保证规划方案满足可靠性、投资成本等问题边界，通过多次主、子问题协调迭代获得满足约束的规划方案。
6、对能源消费环节规划有哪些研究？
在能源的消费环节，用户的参与度获得提升，用户的积极参与可以帮助实现系统的灵活可控。用户的参与主要体现在两方面：1）价格因素主导的需求侧响应；2）电动汽车的充电服务。能源的消费主要集中在城市地区，城市的多能源系统按照规模可划分为区域级的多能源系统和能源微网。区域级的多能源系统以大片居民区，商业区或工业园区为单位，包含CHP机组等能源转换装备、储能装置和多能源供应网络。能源微网以居民楼、医院为单位，主要包含一套冷热电联供装置和小型储能设施。因而能源消费侧的规划如图 2所示可划分为电动汽车充电站的规划，区域级的多能源系统规划和能源微网的规划。
图 2 能源消费环节的规划内容划分
对于电动汽车充电站的规划，首先需要分析电动汽车接入对电源发展、电网运行的影响，建立电动汽车各个状态的数学模型，仿真电动汽车的行为。规划模型需要考虑的约束条件主要有路网结构、配电网结构、充电站容量约束、充电等待时长等，目标函数可以设定为充电站和配电网的投资最小，系统运行费用最小，充电站俘获的交通流量最大。在实际生活中，交通系统和电力系统存在着复杂的交互影响，目前的研究还处于起步阶段。
区域级的多能源系统的规划，既需要考虑CHP机组、储能设备等装置的选址、定容，也需要规划相应的电、气、热配网。因而，首先需要建立CHP机组、储能设备的功率转化模型，可以采用能量枢纽模型，根据不同的需求进行不同的配置。其次，将CHP机组等装置作为耦合元件，以电、气、热耦合最优潮流为基础，设置不同的运行场景，建立不同的规划模型，以适应实际情况。
能源微网的规划主要是对冷热电联供设备选型和定容。以能源微网的冷、热、电负荷预测为基础，根据能源价格的变化和用户可能参与的价格型需求侧响应，设置几种不同的典型运行方式，以系统的优化运行为基础进行设备的选型和定容。当多个能源微网互联协调运行时，还需要考虑多能源路由器的协调互济作用。
7、对能源互联网规划的研究，还有哪些关键问题需要解决？
1）在规划模型中分析、仿真可再生能源机组的出力不确定性和用户对不同能源需求的不确定性，例如风电的出力模拟和用户参与价格型需求侧响应的仿真。
2）研究不同能源系统的时间常数对耦合多能源系统的能源转换的影响。在能源互联网中，不同能源系统的暂态过程持续时间不同，电能需要瞬时平衡，而气、热系统的暂态过程相对缓慢，以分钟、小时计。
3）能源互联网的规划模型中，供能可靠性是重要的约束条件。需要先建立能源互联网中能源生产、转换、存储设备的可靠性模型，并基于此建立电-气-热耦合系统的可靠性评估体系，从而在规划模型中加入可靠性约束或可靠性检验迭代子模块。
4）天然气稳态气流模型和热力网的稳态热力-水力模型具有非凸非线性，使得电-气-热耦合系统的规划模型是大规模的混合整数非线性规划模型，具有较大求解难度。因而需要采用线性化、二阶锥松弛等方法处理非凸约束，并设计合理的优化算法求解大规模系统的优化规划问题。
5）能源价格会对规划模型的结果造成重要影响，能源互联网中不同系统、不同环节都存在多种多样的参与者，各类参与者的不同市场参与方式和不同的决策，会造成能源生产、消费的不确定性。因而需要对能源价格因素进行合理建模、分析，以应对不同能源价格造成的不确定性因素。
引文信息
别朝红，王旭，胡源．能源互联网规划研究综述及展望[J]．中国电机工程学报，2017，37（22）：6445-6462.
Bie Zhaohong, Wang Xu, Hu Yuan．Review and prospect of planning of energy internet[J]．Proceedings of the CSEE，2017，37（22）：6445-6462(in Chinese).
团队介绍
西安交通大学能源互联网研究团队是由管晓宏院士、别朝红教授领导，依托陕西省智能电网重点实验室、教育部智能网络与网络安全重点实验室，由电气工程、系统工程、能源动力等多个学科教师共同组成的多学科交叉研究团队。
研究团队牵头了2016年国家重点研发计划“智能电网技术与装备”重点专项“能源互联网的规划、运行与交易基础理论”项目，别朝红教授为项目负责人，西安交通大学为项目牵头单位，清华大学、中国科学院数学与系统科学研究院、东北大学、香港大学深圳研究院、上海交通大学、中国电力科学研究院和国家电网公司西北分部为参与单位。该项目以能源互联网系统建模与仿真，能源互联网协同规划、市场设计与机制分析，多能源系统的随机动态优化调度、资源分配与竞标等为研究内容，旨在形成能源互联网规划、运行与交易的基础理论，建立仿真平台，精细模拟多种能源的生产、传输、存储、转换、消费，推进能源互联网技术的应用。目前，项目进展顺利，并在能源互联网的信息物理融合系统的建模分析、系统规划与交易机制设计和能源互联网的协调规划三个方面取得了阶段性成果。
