摘要：傳統獨立運行的動力設施正在向加倍開放、互動和共享的新形勢，即動力互聯網轉變。在此趨勢下，多能互補網絡是現代動力系統深度融會的主要產物之一。全球動力互聯網將是多能互補網絡的一種演變形態。一方面，電、氣、熱等分歧情勢動力物理系統的互聯互濟，使多能互補網絡更靈活、更靠得住、更高效。另一方面，動力種類的多樣性、網絡動態的復雜性以及運行中的不確定原因，導致多能互補網絡運行剖析及演變發展面臨宏大挑戰。在復雜的物理系統以及復雜運行環境下，若何剖析模擬多能互補網絡運行特徵并提醒其動態演變機理包養管道火燒眉毛。為此，剖析了多能互補網絡運行及動態演變的關鍵技術，從多能互補網絡建模、動態演變機理及仿真技術三個方面給出了多能互補網絡建模及動態演變機理的研討框架。
關鍵詞:動力互聯網；多能互補網絡；建模剖析；演變機理；工程博弈論
基金項目：國家天然科學基金智能電網聯合基金資助項目（U1766203）；國家天然科學基金包養網創新研討群體科學基金資助項目（51621065）。
0引言
近年來，以智能電網、智能熱網[1]、區域集中冷熱聯供[2]、新型多能聯產聯儲、需求側治理[3]等為典範代表的新一息。型動力技術和以年夜數據、云計算、移動台灣包養網互聯網等為代表的新型信息技術發展迅猛。上述技術深度融會產生的動力互聯網已活著界范圍內引發了第三次工業反動[4]，成為各國動力戰略關注的焦點。在信息層面，受互聯網理念影響，動力互聯網重視動力對等開放、用電設備即插即用、運行治理高度智能以及動力消費方法靈活、響應敏捷等效能[5-6]；在物理層面，動力互聯網則重視分歧動力系統基礎設施的緊密耦合，通過動力轉化設備支撐能量在分歧物理網絡中的雙向流動，實現多動力協同優化設置裝備擺設[7-8]。本文重點關注動力互聯網物理層面的基礎設施—綜合動力系統[9-10]。
綜合動力系統以電力系統為焦點，以可再生動力、煤炭、石油、自然氣等多種一次動力為重要產能單元，涵蓋電網、區域熱網（冷網）、油/氣管網等多類型、多形態基礎設施[11-12]，其結構如圖1所示。綜合動力系統的物理本質可視為一類多能互補網絡，并無固定組成，例如冷—熱—電聯供系統、自然氣—電力耦合系統、路況網—電動車—充電站—配電網耦合系統皆可稱為綜合動力系統。從物理本質出發，本文將綜合動力系統統稱為多能互補網絡系統，簡稱多能互補網絡。多能互補網絡是未來動力系統發展的必定趨勢，隨著動力需乞降動力技術的發展以及多能互補網絡運行程度的進步，多能互補網絡也在不斷演變發展[13-14]，全球動力互聯網將是多能互補網絡包養網dcard的一種演變形態。
在傳統動力行業中，供電、供熱（制冷）、供氣、供油等分歧行業相對長期包養獨立，互聯水平無限，是以晦氣于資源的靈活優化設置裝備擺設和動力效力的晉陞。多能互補網絡打破了傳統動力行業間的壁壘，應用各供能系統在生產—輸配—消費—存儲等環節間的耦合性和互補性實現多能流、多維度協同優化調控和分歧檔次動力的梯級應用[15]，同時應用儲能設備（多能聯儲），支撐分布式動力和電動汽車等主動負荷的靈活接進，實現用電設施的現實中，事情確實如夢中展開——葉秋鎖的蜂鳴器故障，即插即用。
圖1綜合動力系統結構表示圖
Fig.1Fundamentalschematicofmulti-carrierenergysystem
多能互補網絡的運行治理觸及電力網絡、自然氣管網、熱力網絡等基礎設施的統一剖析與協同優化。與電力系統類似，自然氣通過獨立的管網輸送，在傳輸過程中面臨壓力、流速等損耗以及管道平安約束，靠得住性問題不容忽視[16]，一個佐證即是因供氣中斷惹起的2017年8月臺灣年夜停電變亂[17]。隨著頁巖氣技術的不斷成熟與自然氣價格的持續下跌，2016年燃氣機組已超出燃煤機組成為american主力電源機組[18]。可以預見，電力網絡和自然氣網絡將進一個步驟深度融會，從而使系統運行環境加倍復雜，氣—電耦合系統的建模剖析及演變機理研討面臨新挑戰。熱電聯產是歐洲與中國南方等地區采用的典範動力生產形式[19-20]。特別是基于富余可再生動力電力及工業廢熱的集中供熱及制冷技術的普及與疏散式清潔電供熱技術的推廣，將使電網與區域熱網（冷網）進一個步驟耦合。通過電能取熱或制冷減少其他一次動力耗費的同時，亦可為電力系統供給調峰容量，進步系統調度才能和動力綜合應用效力[21]。有鑒于此，熱電聯合系統建模剖析及演變機理研討的主要性不容忽視。
今朝，國內外應用相關理論和技術結果，已建成若干多能互補示范工程，如american動力部的ChevronEnergy、ecoENERGY等示范項目；德國當局的E-Energy計劃及示范區；japan(日本)NEDO的智能工業園區示范工程；中國的蒙東微電網接進試點工程、浙江南麂島和鹿西島的海島配用電系統工程、河北科技園區光儲熱一體化示范工程等[22]。文獻[23]提出了包養故事聰明微動力網的概念和設計方式，文獻[24]介紹了由清華年夜學和青海年夜學聯合在青海年夜學校內構建的一個集光伏、光熱、儲能等技術的冷—熱—電多能互補示范系統。總體而言，現有示范系統多為微電網（群），缺少其他情勢動力，尚未構成真正意義上的多能互補網絡，多能互補網絡發展（動力互聯網）仍面臨艱巨挑戰，研討多能互補網絡的模子及演變機理對于動力互聯網的建設及進一個步驟普及推廣包養故事具有主要指導意義。
鑒于以上佈景，急需研討多能互補網絡一體化建模方式，剖析多能互補網絡跨時間標準動力學特徵及多能流交互機理；研討多能互補網絡演變過程模擬方式，剖析其演變機理，預測多能互補網絡未來形態。本文直面全球動力產業發展的基礎瓶頸問題，無望對新一代綜合動力系統剖析、運行治理與規劃設計供給參考。
1國內外研討現狀
當前針對多能互補網絡已有大批研討，為簡明起見，以下依照動力耦合情勢的分歧，分別介紹氣—電耦合網絡、冷—熱—電聯供網絡和基于能量樞紐的多能互補網絡研討現狀。
1.1多能互補網絡建模與運行
（1）氣—電耦合網絡。
電力網絡和自然氣網絡的融會對多能互補網絡的調度運行提出了新的請求。電轉氣（powertogas,P2G）技術使得電—氣能量雙向轉換成為能夠[25-26]。文獻[27]系統研討了調度問題中自然氣網絡的穩態數學包養網dcard長期包養模子，提出了電網—氣網耦合潮水算法。文獻[28]剖析了自然氣網絡的運行約束對電網運行的影響。文獻[29]和[30]提出了電網—氣網最優能流和機組組合問題。文獻[31]在電網—氣網日前調度計劃模子中考慮了風力發電和需求響應。文獻[32]研討了供氣靠得住性對電網的影響，并提出了魯棒防御戰略。但是，上述文獻多采用氣網穩態模子。由于氣體的可壓縮性，自然氣管道本身具有儲氣潛力，穩態模子未必能夠反應系統的真實運行狀態。事實上，自然氣管道氣壓動態由非線性偏微分方程描寫，使得自然氣網絡的動態剖析計算較電力系統（常微分方程）加倍復雜[33]。此外，管網氣壓暫態過程時間常數受管道尺寸與運行工況影響年夜，其與電力系統調峰時間標準耦合，是以有需要研討適用于多能互補網絡剖析計算的氣—電耦合網絡建模。
（2）冷—熱—電聯供網絡。
在熱電聯產方面，國內外多關注若何進步可再生動力電力消納才能，基礎思緒是綜合考慮熱均衡及電功率均衡，將熱電機組作為電力系統的靈活負荷納進電網優化調度，進而進行熱電協調調度[34]。文獻[35]提出采用電鍋爐及熱泵耗費過剩風電，以減少棄風，進步風電機組上網小時數包養網心得和應用率。文獻[36]提出了計及制冷系統的冷—熱—電聯包養供系統優化調度方式。文獻[37]和[38]分別以壓縮空氣儲能電站和集中式光熱電站作為帶儲熱環節的熱電聯產機組，研討了區域熱電聯合系統的調度戰略。
文獻[39]提出了考慮集中供熱網絡儲熱特徵的熱—電耦合系統的協調優化調度模子。供熱管網中溫度變化傳播的典範時間標準為數分鐘甚至超過1h[40]，與電力系統調度計劃時間標準相當，供熱管道溫度動態對供熱系統的運行具有顯著影響。文獻[41]樹立了供熱管網溫度半動態模子，研討了熱電聯合系統調度戰略。文獻[42]研討了熱電聯合調度的疏散求解方式。但現有文獻對于供熱管網靠得住性、需求響應特徵等影響多能互補網絡運行剖析與動態演變關鍵原因的研討尚不深刻。
（3）基于能量樞紐的多能互補網絡。
多能互補網絡倡導多能轉換、互通互濟，為此蘇黎世聯邦理工學院提出動力樞紐概念[43]，為實現多動力系統剖析供給了無力東西。能量樞紐的焦點效能是能量轉換、調制和存儲，在多能互補網絡中發揮中轉站的感化。文獻[44]基于短期包養動力樞紐包養網理論研討了多能互補網絡最優電—氣—熱能流問題。文獻[45]討論了基于動力樞紐耦合的電—氣—熱系統聯合規劃問題。文獻[46]研討了建筑多能互補系統中動力樞紐的優化運行戰略，該動力樞紐觸及熱電聯產機組、分布式風光發電、電動汽車和儲能等終端設備。文獻[47]研討了熱—電—氣多能互補微電網的彈性調度。文獻[48]針對風光等新動力電力的隨機性與波動性，提出了動力樞紐的魯棒調度方式。
上述研討凡是采用常數矩陣與等效電池模子描寫動力樞紐輸進輸出能量包養網的轉換關系和儲能設備。一方面，能量樞紐由于多能聯供將頻繁切換任務點，時常處于運行部門負載工況，進而影響其運行效力，常數矩陣模子難以準確描寫能量樞紐觸影機對準了那些人。及多能流情勢轉換的復雜物理過程及實際運行約束[49]包養網。另一方面，隨著新型儲能技術（如壓縮空氣儲能、氫儲能等）的發展，能量儲存情勢也從單一的電化學能擴展到機械能、電磁能、熱能等情勢。分歧類型儲能設備的響應速率與適用場合分歧，采用等效電池模子難以準確反應儲能系統的運行特徵[49]。例如壓縮空氣儲能裝置運行特征量不單包含充放電功率，還觸及氣體溫度、壓力、流速等熱力學動態[37]，P2G及制氫儲能設備還觸及氣網和儲能裝置的運行，其運行特徵與電池迥異，需另行建模。
1.2多能互補網絡演變模子及機理
提醒多能互補網絡演變機理是指導多能互補網絡運行規劃及工程實踐的主要基礎[14]。文獻[50]指出“演變”是人類社會各種工程系統的基礎特征和內在天性，工程與社會、天然和創新之間的牴觸是其演變的動力，“選擇與裁減”“創新與競爭”和“建構與協同”是工程演變的三年夜機制。懂得和把握工程系統發展的時空演變規律，厘清其樹立鏈接的方法和生長法則，既可供給系統經濟運行戰略，又可為系統規劃供給決策依據。
在“結構決定效能”的理念下，復雜網絡的演變理論應運而生，其重要思緒是在疏忽節點與邊的物理特徵與動態的條件下，用高度抽象的加權有向圖研討天然和社會中廣泛存在的復雜網絡演變過程。復雜網絡演變理論的代表性結果之一是Barabási-Albert無標度網絡模子[51]，其基于優先鏈接和網絡生長這兩個要素，通過簡單的演變模子獲得了度分布的冪律特徵等與良多實際網絡雷同的統計特徵。文獻[52]進一個步驟往失落了Barabási-Albert無標度網絡演變模子的全局信息假設，提出局域世界模子。
復雜包養網絡系統演變理論在動力系統中的應用始見于電力系統[53]。借鑒復雜網絡演變的思緒，結合對中國電網發展歷程的總結與瞻望，文獻[54]對周孝信院士提出的三代電網理論[55]進行了建模及特徵剖析，構建了三代電網復制者動態模子，給出了包養網三代電網關系度、特征路徑長度以及聚類系數等網絡形態特征參數，初次從數學上復現了三代電網演變過程。文獻[56]回顧了世界各重要經濟體電網的發展歷程，總結了此中的發展規律，最后將之用于中國電網，獲得了1980～2030年中國電網的演變結果，其與實際電網的發展歷程基礎吻合，證明了演變方式的有用性。
與電力系統中多種動力僅出現在節點而網絡由電力設備組成分歧，在供熱（制冷）管網、油/氣管網系統與電力系統構成的多能互補網絡中，多種動力不僅出現在各節點，同時也構成各自的網絡。多能互補網絡不僅整體演變，各網絡本身也在演變[57]。全球動力互聯網是多能互補網絡的一種演變形態，多能互補網絡雖然借鑒互聯網的思緒，但在其演變過程中各動力自己應獲得包養網足夠的重視，因為動力設備與信息類設備比擬投資加倍龐年夜，並且平安變亂迫害宏大，典範者如臺灣年夜停電變包養網亂。是以，需求開展更多關于多能互補網絡演變規律的研討以減少投資，進步平安程度。
對于多能互補網絡演變的研討，周孝信院士在三代電網理論的基礎上，闡述了第三代電網向新一代多能互補動力系統演變的嚴重科學及到底這個夢是真是假，把她當作知識競賽節目的墊腳石？工程問題[13]；并在文獻[14]中指出了研討多能互補網絡向動力互聯網演變機理的主要性。文獻[58]提出了一種應用復雜自適應系統理論模擬動力互聯網演變發展過程的方式，該方式以參與動力互聯網的獨立經濟體為適應性主體，提出了復雜適應系統理論框架下動力互聯網設備—單主體—多主體分級系統模子架構。文獻[59]指出以同等互聯、廣泛共享為設計思緒的動力互聯網宏觀拓撲很是接近于互聯網。文獻[60]探討了動力互聯網的構成要素與拓撲設計，指出動力互聯網在拓撲形態上包養網更接近于互聯網，而在結構魯棒性上較傳統電網有年夜幅進步。文獻[61]對面向動力互聯網的未來綜合配電系統形態進行了瞻望。上述研討重要針對動力互聯網的概念及其理論框架，形態設計也逗留在穩態剖析層面，要實現指導多能互補網絡規劃建設及提醒動態演變機理的目標，尚需進行深刻研討。多能互補網絡的演變當然需求模擬動力轉換、傳輸的諸多特質，但也不克不及完整基于還原論的做法。因為即使僅僅將電力系統規劃過程參加演變模子，也需求模擬規劃人員考慮社會、經濟等原因以設定目標網架和待選計劃，加之系統中各參與主體間還存在良多不確定性的競爭/一起配合博弈過程，形成演變過程建模及其求解面臨宏大困難。
此外，現有基于數學規劃模子的網絡演變計算在兩個方面尚存在難以戰勝的局限性。一是其數學本質在于求解一類帶約束條件的混雜整數規劃問題，其所確定的最佳規劃戰略是固定不變的，既無法適應未來不成預見的情況包養，也難以提醒系統生長發展機制。二是現無方法均基于當前時間、空間物理的初始條件，剖析預測系統發展演變過程及最終形態，但明顯缺掉對過往時間（歷史）系統狀況的剖析，不克不及全部旅程剖析系統發展過程，導致難以提醒系統演變機理。
1.3多能互補網絡仿真
多能互補網絡仿真是其建模剖析及演變機理研討的需要支撐技術。今朝，針對單一供能系統的仿真研討已較為成熟，典範者如電磁暫態仿真軟件PSCAD、電力系統剖析綜合法式PSASP以及云端電力系統仿真軟件CloudPSS[62]等，而多能互補網絡仿真則剛起步。鑒于電能在多能互補網絡中的焦點感化，已有研討在電力系統仿真的基礎上增添熱力、燃氣等其他供能網絡的穩態模子，進而實現多能互補網絡耦合仿真。例如，文獻[63]研討了區域熱電聯供網絡中電力網絡、熱力管網以及冷熱負荷模子，通過能量耦合單元，實現熱電網絡穩態潮水的計算。但是，現有仿真方式對于分歧能量情勢轉換裝置的處理方法過于簡化，難以準確反應各系統間的耦合特徵。
為了模擬新動力接進佈景下各個決策主體的經濟行為，國外學者研發了多種面向智能輸電和智能配用電市場的模擬東西，如american愛荷華年夜學的輸電系統批發市場仿真平臺AMES，PNNL研發的配用電、配電批發市場多代表仿真平臺GridLAB-D以及丹麥研發的多能系統規劃設計平臺En包養eryPLAN[64]等。上述仿真平臺為探討電力系統—電力市場聯合運行的動態行為和特征供給了需要的技術支撐，但若拓展到多能互補網絡的物理—經濟耦合仿真，尚需進一個步驟研討。
1.4當前研討的缺乏
綜上所述，現有多能互補網絡建模剖析與演變機理研討重要存在以下缺乏：
1）為統一多能互補網絡中能量的標度，現有任務凡是將各動力的做效能力轉換為“焦耳”進行線性運算。事實上，由于分歧動力的檔次分歧（或熵分歧），“焦耳”能量并不克不及周全反應動力的價值[35]，周全考核系統能效需求借助熱力學理論進行剖析。為此，有需要對電、氣、熱等動力生產、傳輸與耗費樹立統一的熱力學剖析方式，提出周全表征系統能效的物理量，即廣包養甜心網義能量，女大生包養俱樂部研討多能互補包養網網絡的廣義能流模子。
2）現有針對多能互補網絡穩態能量優化的研討，重要考慮把持代價、平安約束等原因，旨在支撐電力系統的優化運行。多能互補網絡中分歧動力行業具有本身好處，最優潮水不僅是電力系統面臨的問題，其他行業同樣面臨諸如“最優自然氣流”[65]以及“最優熱流”等問題[66]。此外，不確定性在諸如電網、自然氣網、供熱管網等規模龐年夜的工程系統中廣泛存在[67]。現有建模剖析方式多將多主體與不確定性分別考慮。不確定性建模方面，隨機規劃采用概率分布或場景描寫不確定性[68]，魯棒優化則采用聚集描寫不確定性[69-71]。不論隨機優化或魯棒優化，本質上依然是單主體優化模子。為此需求開展計及多能互補網絡多主體和不確定性的建模包養網剖析方式。
3）多能互補網絡的能量生產、傳輸和轉換觸及復雜的熱力學、流體力學、空氣動力學過程，包養留言板電壓、電流、溫度、壓力、質量流量等物理量在系統受擾后能夠發生年夜范圍變化[72]，單一系統毛病能夠涉及整個多能互補網絡，甚至發生連鎖毛病[73]。是以，有需要詳細建模設備暫態運行過程。
4）現有多能互補網絡的仿真年夜多集中于系統物理網絡（電網、氣網、熱網等）自己的穩態仿真，對于能量耦包養網合單元的建模不夠準確，難以詳細仿真多能互補網絡的暫態過程。同時，今朝研討缺少對系統中各好處主體經濟行為的考慮，難以將物理網絡仿真與經濟行為仿真結合起來，實現多能互補網絡演變過程的仿真。
多動力的互通互濟改變了傳統動力系統相互解耦的生產形式和市場格式，其參包養與主體能夠既是生產者，又是消費者。同時，隨著參與動力市場的好處主體不斷增添，復雜市場環境下分歧決策主體之間存在著分歧水平的競爭與一起配合等多種短長關系[74]，使得多能互補網絡剖析建模日趨復雜。由于多能互補網絡中的決策主體觸及分歧的物理系統，它們有各自的好處訴乞降決策途徑，雖然在系統運行的平安性上具有分歧的目小貓一路被宋微的羽絨服裹著，此刻不再顫抖，但還標，但在經濟性上則存在分歧水平的競爭關系，而平安性和經濟性自己也能夠存在牴觸。傳統的經驗型、單目標集中式確定優化建模方式難以顧及多方好處，不克不及適應多能互補網絡在新形勢下的建模剖析和決策需求。為此，研討適應多能互補網絡的多主體不確定系統建模理論體系，公道均衡多能互補網絡各參與方的好處需求，有用晉陞系統運行平安性、經濟性和動力應用效力的主要意義不問可知。
博弈論是研討當多個決策主體之間存在好處關聯或許沖突時，各決策主體若何做出利己決策的一種數學理論。傳統博弈論應用于電力市場已逾數十載，在智能電網中的應用更是層出不窮[75-76]。這包養價格些研討是博弈論在工程中各種應用的聚集，內容龐雜，并有過度數學化的趨勢。文獻[54]從工程決策問題中凝練出一套工程設計與試驗中應用博弈論的基礎概念、建模與求解方式并考慮工程實際的技術性條件進行決策的理論，稱為工程博弈論。文獻[77]對此理論進行了介紹與瞻望。工程博弈論能夠建模人工決策者之間的決策問題，進一個步驟將不確定性作為虛擬博弈者引進博弈格式[78]，從而樹立多主體不確定系統的統一模子。對多決策主體和不確定性的統一博弈建甜心寶貝包養網模是工包養網程博弈論的一年夜特點，應用工程博弈論衝破多能互補網絡建模剖析及演變機理研討的關鍵技術瓶頸是可行途徑。
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