能源互联系统的最优控制与安全运行

本书是作者及其研究团队多年来在能源互联系统研究领域理论成果及工程经验的集成。本书试图在总结能源互联系统研究工作的基础上，借助自适应动态规划方法，对能源互联系统的控制与安全运行问题加以深入研究，建立起适用于实际复杂控制场景的自学习协同控制基础理论和综合检测方法。本书对综合能源系统领域的调压调频、优化调度、故障检测、运行状态实时监测等问题具有指导、借鉴作用。

目录
“微电网与智慧能源丛书”序
序
前言
第1章 能源互联系统概述 1
1.1 能源系统与双碳战略 1
1.1.1 国际能源发展战略 1
1.1.2 国内能源发展战略 2
1.1.3“双碳”目标和实现路径 4
1.1.4“双碳”与我们 8
1.2 自适应动态规划技术概况 9
1.2.1 自适应动态规划方法基础知识 9
1.2.2 自适应动态规划方法研究历程 12
1.3 管道连网类能源系统 14
1.3.1 管道连网类能源系统概述 14
1.3.2 管道连网类能源系统安全运行研究 17
1.4 线路连网类能源系统 20
1.4.1 线路连网类能源系统概论 20
1.4.2 线路连网类能源系统控制策略概论 24
1.5 能量路由器 25
1.6 分布式能源互联系统最优协同控制与安全运行研究 29
参考文献 33
第2章 能源互联系统机理建模 41
2.1 引言 41
2.2 能源互联系统节点静态模型的建立 42
2.2.1 电力网子系统模型 43
2.2.2 热力网子系统模型 45
2.2.3 燃气(石油)网子系统建模 47
2.2.4 系统整体模型 50
2.3 能源互联系统支路静态模型的建立 51
2.3.1 电力流方程 51
2.3.2 热力流方程 52
2.3.3 燃气流方程 53
2.4 能源互联系统动态方程建立 55
2.4.1 电网子系统动态方程 56
2.4.2 气/油网子系统动态方程 60
2.4.3 热网子系统动态方程 62
2.4.4 微型燃气轮机模型 65
2.4.5 能源互联系统整体动态模型 66
2.5 能源互联系统模型非线性降阶 68
2.5.1 降阶方法 68
2.5.2 算例分析 69
2.6 本章小结 71
参考文献 71
第3章 能源互联系统的数据特性 73
3.1 引言 73
3.2 数据采集系统组成及功能 74
3.3 数据硬件及软件滤波 77
3.3.1 下位机硬件的自适应均值滤波 77
3.3.2 上位机软件的小波降噪 79
3.4 管道流体的混沌特性研究 95
3.4.1 流体数据序列的混沌条件 95
3.4.2 流体数据序列的混沌特性证明 95
3.5 本章小结 103
参考文献 103
第4章 自适应动态规划理论基础 105
4.1 引言 105
4.2 自适应动态规划方法的数学推导 106
4.2.1 自适应动态规划的算法原理 106
4.2.2 自适应动态规划的迭代方法分类 112
4.3 自适应动态规划方法解决最优调控问题 113
4.3.1 网络设计 116
4.3.2 稳定性分析 118
4.4 模糊自适应动态规划在多智能体最优协同控制问题中的应用 123
4.4.1 问题描述 124
4.4.2 问题提出 128
4.4.3 近似最优协调控制设计 129
4.4.4 稳定性分析 136
4.4.5 仿真研究 139
4.5 本章小结 142
参考文献 142
第5章 基于混沌特性及自适应动态规划的管道微弱泄漏检测及定位 144
5.1 引言 144
5.2 管道微弱泄漏检测及定位原理 145
5.3 基于混沌特性的微弱泄漏检测 146
5.3.1 视神经网络模型 146
5.3.2 算法描述 147
5.3.3 实验结果及检测性能分析 149
5.4 基于自适应动态规划的泄漏点定位 163
5.4.1 基于神经网络的管道数据模型设计 163
5.4.2 基于值迭代算法的泄漏点定位 164
5.4.3 基于神经网络的迭代算法的设计与实现 167
5.4.4 实验结果及定位性能分析 169
5.5 本章小结 174
参考文献 174
第6章 基于电磁全息的异构场解耦理论与燃气(石油)管道缺陷检测方法 176
6.1 引言 176
6.2 电磁全息检测的基本概念与一般原理 177
6.3 异构场的混叠特点与解耦策略 178
6.3.1 异构场时空维度混叠特点 178
6.3.2 异构场软/硬件解耦策略 193
6.4 原理样机研制与性能测试 200
6.4.1 原理样机总体设计方案 200
6.4.2 实验平台搭建与完善 201
6.4.3 现场环路实验检测效果 202
6.5 多尺度缺陷检测与轮廓精确反演 205
6.5.1 多尺度缺陷管道异常区位辨识 205
6.5.2 多目标金属损失缺陷分类与识别 207
6.5.3 多视角磁测信息的缺陷轮廓反演 207
6.6 本章小结 211
参考文献 211
第7章 基于虚拟同步发电机及自适应动态规划的微电网最优频率控制 213
7.1 引言 213
7.2 基于虚拟同步发电机的微电网非线性模型构建 214
7.3 基于自适应动态规划的最优频率控制 217
7.3.1 自适应最优控制器设计 217
7.3.2 闭环系统稳定性分析 220
7.4 基于最优频率控制器的微电网小信号稳定性分析 223
7.4.1 微电网小信号建模 223
7.4.2 小信号稳定性分析 224
7.5 仿真结果 227
7.6 本章小结 228
参考文献 229
第8章 基于自适应动态规划的智能微电网能量最优控制 231
8.1 引言 231
8.2 电能变换器广义拓扑同胚模型 232
8.3 智能微电网电流/电压最优控制 237
8.4 基于Bellman准则的自适应动态规划技术 240
8.4.1 自适应动态规划流程设计 240
8.4.2 执行网-评价网神经网络 244
8.5 仿真结果及控制策略性能分析 247
8.6 本章小结 249
参考文献 250

第1章 能源互联系统概述
　　1.1 能源系统与双碳战略
　　能源对于全球经济社会的发展具有重要的推动意义，与人类社会、经济、文化等各个方面都有着密切的联系。每一次人类社会的变革都伴随着能源的发展，新型能源的利用推动经济社会从第一次工业革命、第二次工业革命直到现在的第三次工业革命。人类的需求导致对社会经济发展的要求越来越高，伴随着对能源的依赖性越来越大。传统化石能源为不可再生能源，消耗速度已远远超过了自身的供应速度，致使传统化石能源面临枯竭的境况，同时由于能源的不充分利用，其产生的有害物质对环境也造成了巨大的影响。从长远的可持续发展角度出发，用清洁的可再生能源替代传统的化石能源将是能源结构改革的重要方向。
　　1.1.1 国际能源发展战略
　　在国际和国内能源系统发展大战略的背景下，智慧能源的建设势在必行，而以信息驱动的能源系统的高度清洁化、高效化、智能化发展是至关重要的研究课题。
　　近年来，信息能源系统成为能源领域发展的重要趋势之一[1-3]，科研领域和工业领域都在此基础上进行了诸多研究和应用，西方国家更是大力发展。丹麦为了在2050年实现100%可再生能源的目标，十分强调电力、天然气、供暖的融合；德国有“电制氢”(power to gas)、“柏林区域能源系统”(Berlin district energy system)项目；英国技术战略委员会的“创新英国”项目(innovate UK)成立“能源系统弹射器”(energy systems catapult)，以用于为英国企业所研究和开发的信息能源系统课题提供支持等。除此之外，美国也推出了科研项目，美国国家可再生能源实验室(NREL)在2013年成立了“能源系统集成”(energy systems integration)研究组，IBM也拥有 Smart City等项目；澳大利亚 Wollongong(卧龙岗)大学有“智能设施”(SMART infrastructure)研究等。
　　为了推动信息能源系统的利用，1983年国际能源署(IEA)率先开展区域供热冷及热电联产的研发与实证项目(IEA DHC/CHP)，涵盖美国、英国、德国、加拿大、芬兰、韩国、瑞典、丹麦等国家。同时，从1990年起，各国对气候变化的重视程度越来越高，相继提出了多项政策和号召。联合国发起的《气候变化框架公约》(UNFCCC)提出将热电联产作为节能减排的关键技术进行渗透，并由此衍生出了国际热电联产联盟(ICA)。2002年，ICA改名为国际分布式能源联盟(WADE)，以发展太阳能、风能等分布式能源为重要主旨。
　　早在2008年，美国北卡罗来纳州立大学提出能源互联网理念雏形，并开展“未来可再生电能传输与管理系统”项目以实现能源的高效利用；同年，德国联邦经济和技术部提出 E-Energy理念和能源互联网计划。近些年，在信息技术和能源技术的高速发展下，日本在2016年发布的《能源环境技术创新战略》中提出利用大数据分析、人工智能、先进传感和 IoT技术构建多种智能能源集成的管理系统。欧盟在2018年提出了综合能源系统2050愿景，即建立低碳、安全、可靠、灵活、经济高效、以市场为导向的泛欧综合能源系统。据2018年的统计报告显示，有发展可再生能源目标和支持政策的国家数量攀升至179个。
　　1.1.2 国内能源发展战略
　　随着全球气候变化对人类社会构成的威胁越来越大，越来越多的国家将“碳中和”上升为国家战略，提出了无碳未来的愿景。2020年，中国基于推动实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，宣布了碳达峰和碳中和的目标愿景。“双碳”目标的提出有着深远的国内外发展背景，必将对经济社会产生深刻的影响；“双碳”目标的实现也应放在推动高质量发展和全面现代化的战略大局和全局中综合考虑和应对。
　　2015年9月26日，我国在联合国发展峰会上宣布，“中国倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求”，为世界绿色低碳发展提供了重要思路。到2017年底，有87个国家制定了适应经济发展的可再生能源发电目标，而我国政府也针对信息能源系统先后出台了一系列支持政策，开展重大研发项目进行技术研究，并部署了一批多能互补集成优化示范工程和“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目。政策主张大力发展能源科技，加快技术创新，充分开发和利用可再生能源，尤其是在新能源并网和储能、微网等技术上的突破，提升电-热-气等系统的调节能力，增强新能源消纳能力[4-6] ，发展先进高效节能技术，实现资源优化配置，最终达到能源生产和消费的高度自动化、智能化[7-9]。因此，集中发展能源系统中的智能技术至关重要[10-20]。
　　新基建主要包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域，旨在为国家高质量发展提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系[21，22]。新基建计划的完成离不开能源互联网的成功落地，同时新基建的实施对于能源互联网的发展也有着推动作用。其中特高压与新能源汽车充电桩是能源互联网的两大核心组成部分；5G基站、大数据中心、人工智能、工业互联网为能源互联网的泛在互联及智能管控提供了重要技术支撑；5G基站、城际高速铁路和城市轨道交通及大数据中心是能源互联网中的高能耗用户，需要依托能源互联网获得持续稳定的能源供给，同时也为能源互联网提供稳定的供能业务[23-25]。新基建与能源互联网两者关联密切，相互支撑，彼此成就。
　　由于不同能源形式的网络相互隔离的局面仍未打破，在我国建设能源互联网，多能源互联互通是目前亟须解决的问题。不同国家必然根据自身的社会属性、资源属性、经济属性等特征来选择合适的能源系统形态，只有这样，才能最大限度地发挥能源作为社会基础保障和经济血液的重要作用[26]。因此，亟须建设具有中国特色的能源互联网，了解“中国特色”是建设基础。张化光、孙秋野率先发起建立了自动化学会能源互联网专委会。
　　能源互联系统是由电能网络、油气网络、能源负荷单元(包括供冷/热网络)、智能调控单元构成的区域能源网络系统。
　　(1)电能网络方面。我国地域辽阔，能源分布不均匀。改革开放以来，东部地区先发展起来，这就造成了我国电能的供需地域差异大：东部地区经济相对发达，但电能贫乏，对电能需求相当大，而西部地区经济相对落后，但蕴藏着丰富的资源。因此，我国有着“西电东送”等重大工程，实现电能的地域转移。电能转移的效率及安全性、电能网络的可靠性等仍是需要改进和解决的问题[27-32]。
　　(2)油气网络方面。我国石油、天然气占一次能源消费能源比重约27%，受资源条件的限制，生产和消费的缺口不断扩大，对外依赖程度分别达到了72%和43%。我国诸多输送管道途经地区人口稠密且输送介质为危险化学品，随着管道服役年限的增加以及第三方施工破坏甚至蓄意偷盗等现象的发生，任何一点泄漏都有可能导致不可挽回的严重后果。如果能够在第一时间发现泄漏状态并且实现准确的泄漏点位置判断，那么就可以为管道及时抢修和减少经济、环境损失提供可靠信息，避免重大事故的发生。
　　(3)能源负荷单元(供冷/供热)方面。我国供冷/供热目前还是以煤炭石油等不可再生能源为主，在经济快速发展的同时，能源的消耗和碳排放量也不断提升。因此，需要深化能源改革，不断往绿色、低碳方向发展，促进清洁的一次可再生能源的充分利用，使得能源体系“两条腿”走路[33]。
　　(4)智能调控方面。能源网络覆盖广泛导致在终端不足和不同能源系统的信息难于互联互通[34-38]。目前的能源终端在实际控制操作过程中，仍然需要接收远程的控制系统集中的调控信息，对于环境与用户，能实现基本的信息获取。为了应对新的智能管理要求，需要增加终端智能性，主要体现在：具备数据预处理的功能，实现由数据向知识的转变；终端的态势感知要往自主认知的过程进行转变；同时，在实时控制上能实现自主控制功能，即实现机械自动化向人工智能化的转变[39-44]。多能源分属于不同的系统，在网侧实现数据的互联互通困难，并且各个能源网络的数据开发利用程度不够。目前我国的能源企业，针对业务系统的数据开发方式主要以统计分析为主，这就导致源头数据质量不高及计算颗粒度大等问题。因此，需要建设信息开放共享的交流平台，同时以人的用能行为与设备机械产生为数据源，共同为能源体系提供持续、高质量、小计算颗粒度的数据。
　　(5)价值网络方面。能源市场的开放程度和用户参与度还需要增强，能源市场用户能源企业的社会公益属性与企业属性之间需要协调发展[6]。能源市场用户参与程度不够，无法充分发挥用户侧调节能力。比如电价，我国合同电价、峰谷电价、实时电价等定价机制尚未有效形成，导致能源用户难以主动有效地参与能源价格制定。因此，需要不断地加强能源市场改革，提升用户的参与程度，制定更加科学灵活的能源价格，通过价格机制化解用能峰谷差的矛盾[45-52]。能源公司具有公益属性，导致居民用能能源价格倒挂的特色。在计划经济时代，发电厂和电网最初都是国家无偿投资建设，居民用电很大程度上被认为是一种福利政策。居民用电已经习惯低水平电价，无法理解现行电价是建立在无法满足成本的基础上，并且对电价敏感性较强，因而电价长期处于能源价格倒挂的水平。只有牺牲企业利益，才能成就社会公益。我国能源企业必须是国有企业占据主导地位，必须坚持党的领导，依托党的政策方针支持。同时，需要创造新的能源商业模式，降低用能成本，激发能源经济活力。
　　1.1.3 “双碳”目标和实现路径
　　1.“双碳”目标
　　基于推动生态文明建设的内在要求和构建人类命运共同体的大国担当，我国在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。这一重大战略决策涉及经济社会发展各领域，涉及我国经济社会发展中面临的诸多系统性、关键性、深层次问题。正如习近平总书记在主持召开中央财经委员会第九次会议时强调的，“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革”①。实现“双碳”目标，既需要经济调节、技术改进、政策引导，也离不开法治固根本、稳预期、利长远的保障作用。
　　“双碳”目标事关中华民族永续发展和人类命运共同体的构建，对于我国实现“两个一百年”奋斗目标、引领全球气候治理具有重大深远的意义。
　　首先，“双碳”目标是我国引领全球气候治理、推动构建人类命运共同体的必然选择。工业革命以来全球变暖引发的极端天气频发、海水酸化、海平面上升、生物多样性减少以及其他与其相关的自然灾害是人类社会迄今为止所面临的最具挑战性的全球问题。联合国研究报告显示，过去20年全球自然灾害的发生频率几乎是1980～1999年间的两倍，因气候变化导致的极端天气事件占了其中一大部分。为了应对气候危机，《巴黎协定》将全球“平均”“以下”二者删其一并争取实现1.5℃以下的目标，呼吁各国尽快实现碳排放量达到峰值，争取21世纪下半叶实现净零排放。据此，占世界 GDP总量75%和碳排放总量65%的国家纷纷提出了碳排放远景目标。可以说，“碳达峰”和“碳中和”已成为全球气候治理体系的新入场券，是构建人类命运共同体的新基石。我国近年温室气体排放量超过100亿吨，是全球实现碳中和、保护全球气候系统的关键。在此背景下，我国应当参与国际气候合作，如期并争取提前实现“双碳”目标，参与并重塑全球气候治理体系。
　　其次，“双碳”目标也是实现我国绿色低碳发展、经济高质量发展的内在要求。我国仍面临着严重的环境污染和生态破坏问题，同时也是易受气候变化影响的国家。环境污染与温室气体排放同根同源，很多大气污染物质本身就是温室气体或具有增温潜力的气体。因而，我国可以在应对环境污染的同时控制温室气体的排放。环境污染、生态破坏及气候变化问题源于发展和技术应用，

页　　数：250

开　　本：16开

正文语种：中文