孫秋野 王一帆 楊凌霄 張化光

可再生能源高速發(fā)展、信息智能技術(shù)深度融合以及終端用能的多樣化需求使得能源生產(chǎn)、分配及消費形式均出現(xiàn)顯著變化,呈現(xiàn)出時空異步、信能融合、多能互補以及智物協(xié)同的新趨勢[1],這使得終端信息能源系統(tǒng)的平衡、協(xié)同、管控必須與之相適應(yīng).如何在需求側(cè)通過源網(wǎng)荷儲協(xié)同、多種能源互補、信息能源耦合實現(xiàn)終端的能源綠色高效利用,成為全球廣為關(guān)注的焦點問題[2].早在2008 年,美國北卡羅萊納州立大學(xué)提出能源互聯(lián)網(wǎng)理念雛形,并開展“未來可再生電能傳輸與管理系統(tǒng)”項目以實現(xiàn)能源的高效利用;同年,德國聯(lián)邦經(jīng)濟和技術(shù)部提出E-Energy 理念和能源互聯(lián)網(wǎng)計劃.近些年,在信息技術(shù)和能源技術(shù)的高速發(fā)展背景下,日本在2016 年發(fā)布的《能源環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》中提出利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能、先進傳感和IoT 技術(shù)構(gòu)建多種智能能源集成的管理系統(tǒng).歐盟在2018 年提出了綜合能源系統(tǒng)2050 愿景,即建立低碳、安全、可靠、靈活、經(jīng)濟高效、以市場為導(dǎo)向的泛歐綜合能源系統(tǒng).據(jù)2018 年的統(tǒng)計報告顯示,有可再生能源目標和支持政策的國家數(shù)量攀升至179 個.

到2017 年底,有87 個國家制定了適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展的可再生能源發(fā)電目標,而我國政府也針對綜合能源系統(tǒng)先后出臺了一系列支持政策,開展重大研發(fā)項目進行技術(shù)研究,并部署了一批多能互補集成優(yōu)化示范工程和“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目.

在國際和國內(nèi)能源系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略的大力推進下,智慧能源的建設(shè)勢在必行,而以信息驅(qū)動的能源系統(tǒng)高度清潔化、高效化、智能化發(fā)展是其至關(guān)重要的研究課題.

1 信息與能源的耦合關(guān)系

當前的能源系統(tǒng)正經(jīng)歷一個多世紀以來最大的“瓦特變革”.首先,新能源的高比例滲透以及分布式的接入方式使其控制優(yōu)化問題充滿挑戰(zhàn).其次,產(chǎn)消者的興起使用戶由單一消費模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)消費一體化模式,能源的雙向傳輸以及多能源網(wǎng)絡(luò)的疊加使其交互模式更加復(fù)雜.再者,能源網(wǎng)絡(luò)分布式、扁平化的發(fā)展態(tài)勢使數(shù)據(jù)、分析和連通性成為能源網(wǎng)絡(luò)外圍產(chǎn)消者的重要決策信息.“瓦特變革”呈現(xiàn)出由“集中”向“分布”、“垂直”向“扁平”、“電源驅(qū)動”向“用戶驅(qū)動”、“高碳”向“低碳”的發(fā)展特點,能源系統(tǒng)趨于自下而上的,以用戶為主導(dǎo)的能源信息化發(fā)展模式.利用信息技術(shù)來滿足能源系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)在需求日益增長[3].

同時,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等信息技術(shù)也進入階躍式發(fā)展的快車道.信息時代的發(fā)展驅(qū)動自動化技術(shù)的進步,信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的特征越來越明顯.新興信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)為能源系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的支撐.“比特驅(qū)動”成為能源變革強大的推動力.

“比特驅(qū)動”主要體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)技術(shù)可快速、有效地處理海量能源信息,實現(xiàn)系統(tǒng)的精準建模和特征提取,從而保障能源系統(tǒng)協(xié)同控制的可靠性.人工智能技術(shù)可應(yīng)對參與優(yōu)化調(diào)度的能源終端更為智能化、靈活化、自主化的發(fā)展需求.云計算、邊緣計算則可提高能源系統(tǒng)的計算能力,實現(xiàn)系統(tǒng)運行的低時延和高可靠性,由此滿足能源系統(tǒng)在用戶驅(qū)動下的實時管理和資源分配.5G 無線技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在通信方面具有超可靠、低時延、廣域連接的優(yōu)勢,有利于能源系統(tǒng)高度自動化和精準控制,可推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智慧城市的發(fā)展.

作為與國民經(jīng)濟、人民生活息息相關(guān)的重要領(lǐng)域,能源系統(tǒng)是信息技術(shù)發(fā)展的一個理想載體.清潔低碳、安全可靠、泛在互聯(lián)、高效互動、智能開放的能源系統(tǒng)將推動信息技術(shù)與先進能源技術(shù)的深度融合.由此,實現(xiàn)信息和能源的一體化發(fā)展成為了研究的熱點[4].

國內(nèi)外對于信息能源系統(tǒng)的研究主要從“比特驅(qū)動”和“瓦特驅(qū)動”兩類視角分別進行.“比特驅(qū)動”主要從信息及互聯(lián)網(wǎng)角度,研究如何利用先進的信息處理技術(shù)與能源系統(tǒng)相疊加,優(yōu)化計算資源和信息處理能力,以人工智能、云計算、移動應(yīng)用等新興技術(shù)為手段[5?6],力爭使能源系統(tǒng)運行在最優(yōu)工作點.“瓦特驅(qū)動”從電氣熱多能互補網(wǎng)絡(luò)的角度,研究如何通過現(xiàn)代優(yōu)化控制及電力電子技術(shù),實現(xiàn)多能梯次利用、可再生能源高效消納以及源網(wǎng)荷儲立體協(xié)同,達到保證信息能源系統(tǒng)安全高效運行的目的[7].

信息與能源系統(tǒng)的深度耦合協(xié)同、高度智能化仍然是一個亟待深入研究的廣闊領(lǐng)域[8].隨著未來一次能源逐步由有限化石能源轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)光等永續(xù)清潔能源,能源的稀缺性將被打破.通過高速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù),充分發(fā)揮能源終端的互動調(diào)節(jié)能力,構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)模式下的能源生態(tài),將信息與能源深度融合,實現(xiàn)能源的安全、高效、經(jīng)濟消納成為核心需求.

本文針對信息能源系統(tǒng),運用科學(xué)知識圖譜進行數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、知識計量和圖形繪制,從而研究和揭示信息能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,并進一步展示其相關(guān)熱點領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)特點和研究內(nèi)容.文中數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science (WoS),針對2000 年～ 2020 年的論文,其中CNKI 檢索關(guān)鍵詞為“信息能源系統(tǒng)”、“能源互聯(lián)網(wǎng)”和“綜合能源系統(tǒng)”,共1 114 條中文文獻記錄(SCI 來源期刊、EI 來源期刊、核心期刊、CSSCI 和CSCD);WoS 檢索關(guān)鍵詞為“Cyber energy system*”、“Energy Internet”、“Internet of energy”、“Integrat* energy system”、“Comprehensive energy system”、“Energy integration”和“Energy interconnect*”,共2 019 條英文文獻記錄(WoS 核心集,文獻類型為Article 或Review).通過對文獻進行數(shù)據(jù)清洗,包括對文獻合并除重,補全缺失信息及去除領(lǐng)域不相關(guān)的文獻,最終得到675 篇密切相關(guān)中文文獻和1 013 篇密切相關(guān)英文文獻.

通過對文章的參考文獻數(shù)據(jù)進行分析,可以快速找到領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點,見表1.其中GCS (Global citation score)表示全球施引次數(shù),此處表示W(wǎng)oS網(wǎng)站上給出的引用次數(shù);進一步計算可得到該文章的本地施引次數(shù)LCS (Local citation score),表示該文章在本地文獻庫(即本文選取的密切相關(guān)文獻)中的施引次數(shù).通過這些值可以快速得到信息能源領(lǐng)域內(nèi)的重要英文文獻,例如,某文獻的LCS值很高,意味著它非?？赡苁窃撗芯款I(lǐng)域內(nèi)的重要文獻.因此相比而言,LCS 比GCS 能更清晰地反映該文獻對于細分領(lǐng)域的貢獻度,LCS 高的文章極有可能是研究領(lǐng)域內(nèi)的里程碑文獻.CR (Cited references) 表示該文章引用的參考文獻數(shù)量;LCR(Local cited references)表示本地參考文獻數(shù)量,即該文章引用的所有文獻中,存在于當前本地文獻庫的文章數(shù).通過LCR 可以快速找出最新的文獻中與領(lǐng)域內(nèi)研究方向最相關(guān)的文章.

表1 領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點文獻Table 1 Hot research literature in the field

通過CiteSpace 軟件對CNKI 和WoS 的混合數(shù)據(jù)進行關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析[19],得到表2 中2000 年后引文強度最高的27 個關(guān)鍵詞,這些關(guān)鍵詞通常為某時間段的研究熱點(表中加粗部分).表中強度值越大表示該關(guān)鍵詞在該領(lǐng)域某個時段的熱點程度越高,起始時間和終止時間分別表示該關(guān)鍵詞成為研究熱點的開始和結(jié)束時間.

截至2020 年8 月,統(tǒng)計2001 年～ 2019 年CNKI及WoS 每年發(fā)文的數(shù)量見圖1.可以發(fā)現(xiàn)信息能源系統(tǒng)密切相關(guān)的文獻數(shù)量正處于穩(wěn)步上升趨勢,且2015 年開始增長趨勢加快.

通過關(guān)鍵詞搜索和聚類,對其研究熱點分布進行可視化展示,圖2 為基于CNKI 的中文論文研究熱點分布,圖3 為基于WoS 的SCI 論文研究熱點分布.

圖2 和圖3 中,圓圈表示關(guān)鍵詞,圓的大小表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次;連線表示節(jié)點與節(jié)點間曾經(jīng)共現(xiàn)過;連線的密集程度表示該研究主題與其他主題聯(lián)系的緊密程度.兩幅圖中,通過進行聚類可視化操作,將信息能源系統(tǒng)的研究領(lǐng)域聚集成多個集群,這些集群將聯(lián)系程度更緊密的關(guān)鍵詞結(jié)合在一起.

基于圖2 和圖3 的聚類分析,可以看出,從信息的相關(guān)方法層面聚類,信息能源系統(tǒng)的熱點研究領(lǐng)域主要包括:優(yōu)化調(diào)度、一致控制、用戶驅(qū)動的優(yōu)化管理、信息能源深度融合系統(tǒng).

如圖4 所示,優(yōu)化調(diào)度的研究建立在能源網(wǎng)與信息網(wǎng)的交互環(huán)境下,研究多源信息融合的(準)實時的能源優(yōu)化,以實現(xiàn)經(jīng)濟、高效、低碳運行;一致控制的研究主要針對信息能源系統(tǒng)的底層能源終端,考慮如何實現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)調(diào)運行;用戶驅(qū)動的優(yōu)化管理則進一步上升至云平臺,研究在大數(shù)據(jù)、云計算支撐下,能源市場的配置和用戶資源的管理;而信息能源深度融合系統(tǒng)則更深度聚焦信息技術(shù)與能源網(wǎng)絡(luò),研究計算、通信、物理過程高度集成的系統(tǒng)運行模態(tài).

表2 中英文混合關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析Table 2 Emergence analysis of keywords in Chinese and English

圖1 2001～ 2019 年發(fā)文數(shù)統(tǒng)計Fig.1 Statistics of published papers from 2001 to 2019

圖2 CNKI 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析Fig.2 CNKI keywords co-occurrence analysis

圖3 WoS 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析Fig.3 WoS keywords co-occurrence analysis

圖4 信息能源系統(tǒng)與熱點研究領(lǐng)域Fig.4 Cyber energy system and hot research fields

從能源領(lǐng)域的發(fā)展路徑看,“瓦特變革”的初期,在社會的發(fā)展和技術(shù)的推進下,分布式能源大規(guī)模接入能源網(wǎng)絡(luò),終端能源主動參與的需求日益增加,能源結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的單一能源向清潔的綜合能源轉(zhuǎn)變.隨之,不同類型的能源終端之間耦合更加緊密,多種能源的時空差異使能源網(wǎng)絡(luò)趨于復(fù)雜、靈活,催生出海量信息,對信息技術(shù)的依賴逐漸增強.在近幾年信息技術(shù)的飛速發(fā)展下,以綜合能源系統(tǒng)為依托,信息物理系統(tǒng)逐漸受到關(guān)注.由此,在總體技術(shù)路徑的驅(qū)動下,上述4 個熱點研究領(lǐng)域?qū)?yīng)于信息能源系統(tǒng)中的4 個研究階段,其從底層能源終端到能源網(wǎng)與信息網(wǎng)的交互,再到云平臺的廣域協(xié)同,最終延伸至信息和能源系統(tǒng)的深度融合,自下而上地反映了信息能源系統(tǒng)中各層級的研究重點和技術(shù)價值.

本文將針對這4 個熱點研究領(lǐng)域進行深入可視化分析和文獻綜述,以挖掘其研究趨勢.

2 信息驅(qū)動的信息能源系統(tǒng)優(yōu)化

研究信息能源系統(tǒng)的優(yōu)化問題有助于發(fā)揮多能互補效應(yīng),保障系統(tǒng)高效、安全運行.隨著通信技術(shù)發(fā)展、信息能源耦合程度加深,如何適應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展帶來的信息類型變化、信息能源深度融合帶來的能源主體變化,實現(xiàn)信息能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點.截至2020 年8 月,我們檢索到相關(guān)論文1 185 篇.如圖5 所示,核心關(guān)鍵詞圍繞“優(yōu)化運行”和“multi-energy systems”,表明此研究方向得到了眾多學(xué)者的關(guān)注.早期通信網(wǎng)絡(luò)低帶寬、高時延限制了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和處理的能力,針對少量的靜態(tài)能流數(shù)據(jù),“混合線性整數(shù)規(guī)劃”是較為常用的方法.隨著通信網(wǎng)絡(luò)向高帶寬、低時延的發(fā)展,可再生能源接入和電動汽車的隨機充電行為所產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)可以被挖掘和利用,關(guān)鍵詞“不確定性”、“uncertainty”成為研究熱點.信息網(wǎng)絡(luò)和能源網(wǎng)絡(luò)的深度融合賦予了能源終端更高的智能性,“能源樞紐”、“energy hub”等成為優(yōu)化研究領(lǐng)域的關(guān)注熱點.其中,文獻[20]于2004 年以包含可逆供熱模式的綠色供暖系統(tǒng)為背景,基于電熱耦合多能網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)能流信息,對綜合能源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化運行進行了初步研究.文獻[21]基于風(fēng)力發(fā)電的實時信息,研究基于區(qū)間優(yōu)化的電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化運行策略,在該研究領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注.

圖5 優(yōu)化相關(guān)領(lǐng)域的聚類Fig.5 Clustering of optimize related fields

上述分析結(jié)果表明,隨著“比特”技術(shù)的發(fā)展,信息類型實現(xiàn)了從靜態(tài)能流數(shù)據(jù)到實時動態(tài)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)變驅(qū)動了優(yōu)化從日前優(yōu)化轉(zhuǎn)向更實時的優(yōu)化.然而,“比特”信息不僅體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上,還體現(xiàn)在信息能源深度融合下終端能源的智慧性和自主性,從論文的關(guān)鍵詞可以看出,在這類“比特”信息驅(qū)動下,能源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了從傳統(tǒng)終端能源到智慧能源樞紐的“瓦特變革”.隨著能源主體智慧性和自主性的提升,能源的交互不再是自上而下的模式,而是自下而上的.相應(yīng)地,優(yōu)化研究也從集中式優(yōu)化逐漸轉(zhuǎn)向分布式優(yōu)化.針對綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化研究,國內(nèi)外學(xué)者基于信息類型變化和終端能源發(fā)展,從靜態(tài)能流信息、實時動態(tài)信息和新型信息能源耦合主體的角度入手,對能源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運行進行了研究.

2.1 基于靜態(tài)能流信息的優(yōu)化

早期通信網(wǎng)絡(luò)低帶寬和高時延大大限制了系統(tǒng)對動態(tài)信息的捕捉和處理能力,能源系統(tǒng)的優(yōu)化問題大多基于靜態(tài)能流信息.部分學(xué)者基于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)能流信息,從經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性等角度對能源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化進行了研究.文獻[22?23]考慮煤炭和天然氣供應(yīng)端到電力負荷中心的傳輸損耗,提出一種多階段廣義能量流模型及其仿真模型.這兩篇文獻集中于對電力能流模型的刻畫,未考慮多能耦合交互的影響和多能流交織的特點,所提出的模型不能夠很好地適應(yīng)當前的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu).文獻[24]考慮包含風(fēng)電和電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)的電-氣耦合網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)安全運行約束和耦合約束,建立雙層經(jīng)濟調(diào)度模型.文獻[25]針對電-熱-冷耦合的多能源微電網(wǎng),考慮電力流和熱流的靜態(tài)安全約束,建立多能源微電網(wǎng)多節(jié)點模型.在采集靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)能流信息的基礎(chǔ)上,文獻[26]將環(huán)境因素納入考慮,建立綜合經(jīng)濟和環(huán)境因素的混合整數(shù)線性規(guī)劃優(yōu)化模型.

2.2 基于實時動態(tài)信息的優(yōu)化

隨著5G 等先進通信技術(shù)的發(fā)展,信息網(wǎng)絡(luò)逐漸具備高帶寬、低時延的特點,數(shù)據(jù)的傳輸和處理能力大大提高,這使得可再生能源隨機波動、電動汽車無序充電所產(chǎn)生的實時動態(tài)信息能夠被充分地挖掘和利用,考慮實時動態(tài)信息的優(yōu)化逐漸成為研究熱點.國內(nèi)外學(xué)者基于能源網(wǎng)絡(luò)的實時信息,對能源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運行進行研究.文獻[27]基于可再生能源的實時出力,計及儲能荷電狀態(tài)等因素,研究了基于離散傅里葉變換頻譜分析的系統(tǒng)儲能優(yōu)化定容方法.文獻[28]基于動態(tài)能源價格,針對電-氣-熱集成網(wǎng)絡(luò)提出一個包含混合整數(shù)線性規(guī)劃和非線性網(wǎng)絡(luò)方程線性逼近的兩階段迭代模型,但缺乏對綜合能源系統(tǒng)多時間尺度特性的考慮.文獻[29]考慮可再生能源、負荷和能源交易價格等動態(tài)信息,實現(xiàn)了多能源微電網(wǎng)的優(yōu)化運行,但是該文獻只考慮了熱能小范圍內(nèi)的就地供應(yīng),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單,沒有考慮熱力網(wǎng)絡(luò)和燃氣網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)對優(yōu)化的影響.文獻[30]基于電動汽車充電的動態(tài)能量需求和風(fēng)力發(fā)電的實時數(shù)據(jù),針對源荷不匹配的問題,提出基于仿真的分布式策略改進方法.但該文獻中電動汽車充電模式單一,未能考慮多種充電模式切換所致動態(tài)信息變化帶來的影響.文獻[31]進一步考慮系統(tǒng)狀態(tài)的動態(tài)演化,提出基于事件的優(yōu)化模型及其策略迭代算法,實現(xiàn)分布式風(fēng)力發(fā)電與電動汽車充電的協(xié)調(diào)優(yōu)化.

2.3 基于新型信息能源耦合主體的優(yōu)化

隨著通信網(wǎng)絡(luò)與能源終端的廣泛互聯(lián),邊緣計算能力向終端下沉,能源終端逐漸具備更強的傳輸和處理數(shù)據(jù)的能力,多種信息能源深度耦合的新型能源主體應(yīng)運而生.能源主體中能源產(chǎn)消角色一體化的轉(zhuǎn)變、智慧程度的提升,改變了能源系統(tǒng)自上而下的優(yōu)化模式,使得優(yōu)化具有顯著的分布式特征.

文獻[32]提出一種能源產(chǎn)消一體、多能耦合的能源主體,針對該能源主體提出一種分布式一致性交替方向乘子法算法,解決了能源互聯(lián)網(wǎng)的最優(yōu)能量管理問題.文獻[33]考慮信息物理融合特性,構(gòu)建計及產(chǎn)消者交互的局域和廣域兩級協(xié)同優(yōu)化架構(gòu),實現(xiàn)了產(chǎn)消雙方電力資源最優(yōu)分配.該文獻只考慮電力與信息深度融合,考慮多種能源與信息深度融合的優(yōu)化問題仍有待深入研究.文獻[34]對能源樞紐的結(jié)構(gòu)及其運行和優(yōu)化進行了研究.在此基礎(chǔ)上,文獻[35]基于改進的等增量消耗原理,提出一種兼顧安全運行和經(jīng)濟效益的能源樞紐雙重優(yōu)化控制方案.文獻[36]研究以能源路由器為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)分布式設(shè)備協(xié)調(diào)優(yōu)化及能量調(diào)度分配問題.文獻[37]研究以能源轉(zhuǎn)換中心為樞紐的智能船舶綜合能源系統(tǒng),提出可容納復(fù)雜干擾的分布式優(yōu)化方法,實現(xiàn)了智能船舶綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度.該文獻充分利用能源信息深度融合特性,考慮數(shù)據(jù)的預(yù)處理和特征提取,為研究信息能源深度融合下的能源系統(tǒng)優(yōu)化提供了有益的參考.文獻[38]在建立家庭能源局域網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上,采用模型預(yù)測控制方法,實現(xiàn)該能源局域網(wǎng)的在線能量優(yōu)化管理.

2.4 研究展望

現(xiàn)有研究依托多種類型信息,結(jié)合遺傳算法等智能優(yōu)化算法、混合整數(shù)線性規(guī)劃等方法,實現(xiàn)了信息能源系統(tǒng)的安全高效運行.國家發(fā)改委和能源局發(fā)布的《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016-2030)》中指出“能源新技術(shù)與現(xiàn)代信息、材料和先進制造技術(shù)深度融合,···,將帶來人類生產(chǎn)生活方式深刻變化”的能源網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢,提出了“集中攻關(guān)能源互聯(lián)網(wǎng)核心裝備技術(shù)、系統(tǒng)支撐技術(shù),重點推進面向多能流的能源交換路由器技術(shù)、···、能源大數(shù)據(jù)技術(shù)”的技術(shù)要求.隨著通信技術(shù)的發(fā)展,海量數(shù)據(jù)涌入將大大降低現(xiàn)有方法的準確性和高效性.因此,考慮海量數(shù)據(jù)對于優(yōu)化過程的影響,研究具備高效數(shù)據(jù)處理能力的智能優(yōu)化方法是具有研究前景的課題.同時,隨著信息能源融合程度的加深,能源主體、能源交換路由器等的智慧性和自主性逐步提升,系統(tǒng)內(nèi)多能源主體的交互將更加復(fù)雜多樣,因此未來的研究需要考慮更復(fù)雜多樣的交互機制,研究多能源主體間的分布式優(yōu)化方法.

3 多能源主體的信息一致控制

控制是多能源主體的必要環(huán)節(jié),如何利用恰當有效的信息一致控制以保證和實現(xiàn)系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定且高效靈活運行是一個重要的研究目標.截至2020 年8 月,我們檢索到相關(guān)論文315 篇.如圖6 所示,核心關(guān)鍵詞“可再生能源”與“控制”相互結(jié)合,表明此研究方向得到了眾多學(xué)者的關(guān)注.而從研究方法的角度來看,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,關(guān)鍵詞“協(xié)同控制”、“智能控制”、“預(yù)測控制”、“優(yōu)化控制”等成為關(guān)注熱點.其中,在2015 年,文獻[11]探討了應(yīng)用多智能體解決能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域參數(shù)協(xié)同控制問題,在該領(lǐng)域獲得了較高關(guān)注.

圖6 控制相關(guān)領(lǐng)域的聚類Fig.6 Clustering of control related fields

上述分析結(jié)果表明,“比特”信息不僅僅只體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上,還體現(xiàn)在邊緣上先進的控制優(yōu)化算法上,這些都是“比特驅(qū)動”的一部分.其中,通過分布式的無通信連接的控制方法實現(xiàn)精準的按容量比例分擔,是多能源網(wǎng)絡(luò)研究中的一個關(guān)鍵問題.這在很大程度上能降低網(wǎng)絡(luò)的投資成本,同時提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈活擴展性.另外,針對下垂控制方法存在功率分擔的不精確性,基于多智能體一致性理論的分布式方法應(yīng)運而生.考慮到工業(yè)過程往往具有非線性、時變性、強耦合和不確定性等特點,預(yù)測控制在工業(yè)實踐過程中逐漸發(fā)展起來.針對協(xié)同一致控制的研究,眾多科研人員根據(jù)研究方法差異,將其分為多能源終端的分布式協(xié)同控制、信息能源終端的智能優(yōu)化控制以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的分布式能源預(yù)測控制三類.

3.1 多能源終端的分布式協(xié)同控制

考慮信息網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬和時延方面的限制,部分學(xué)者基于局部信息的分布式協(xié)同控制規(guī)律,從穩(wěn)定性和安全性角度對多能源終端的綜合能源系統(tǒng)的分布式協(xié)同控制進行了研究.文獻[16]采取一定的分布式協(xié)同控制策略,實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)功率的優(yōu)化調(diào)度和協(xié)調(diào)分配,同時使控制系統(tǒng)輸出相角和頻率偏差穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),保證了網(wǎng)絡(luò)的正常運行.然而并沒有考慮通信、變時延等問題,面對實際工程中通信問題和更多的不確定因素,其與實際應(yīng)用推廣還有很大的距離.文獻[39]較早提出并研究一種含有單相/單相可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其在孤島時的功率分擔協(xié)同控制策略.但提出的解決方案需要額外安裝功率分配單元(Power sharing unit,PSU)設(shè)備,這將會增加額外成本.進一步地,文獻[40]提出了一種基于多智能體系統(tǒng)的事件觸發(fā)混合控制方法,并建立了4 種差分混合Petri 網(wǎng)控制機制來實現(xiàn)分層混合控制.考慮到綜合能源系統(tǒng)[41]之間的相互作用更加靈活和復(fù)雜,文獻[42]建立了集成電力和供熱系統(tǒng)的準動態(tài)一體化模型.此外,文獻[43]通過研究混合能源系統(tǒng)的狀態(tài)偏移率,通過分析策略選擇最優(yōu)運行模式,該研究為充分利用熱電聯(lián)產(chǎn)的調(diào)節(jié)能力提供了一種有效的方法.

3.2 信息能源終端的智能優(yōu)化控制

隨著信息網(wǎng)絡(luò)與能源網(wǎng)絡(luò)的深度融合,數(shù)據(jù)處理能力向能源終端下沉,終端具備更強的與環(huán)境交互的能力,智能性逐步提升,這種變化使得信息能源終端的智能優(yōu)化控制[44?45]成為研究的熱點.具體地,針對能量管理問題,文獻[46]設(shè)計了基于模糊邏輯的能量管理優(yōu)化控制器,合理分配雙能量源存儲系統(tǒng)中蓄電池和超級電容兩者的功率,使系統(tǒng)具有更好的動力性能和經(jīng)濟性能.在此基礎(chǔ)上,文獻[47]設(shè)計了多智能體的有向協(xié)同控制律,這可以應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)區(qū)域的信息優(yōu)化采集.進一步地,文獻[48]將能量管理問題轉(zhuǎn)化為隨機最優(yōu)控制問題,并用動態(tài)規(guī)劃方法求解.但利用的是基于網(wǎng)格方法的算法,這需要大量的時間和空間來求解.文獻[49]提出了以風(fēng)電-儲能-集群空調(diào)負荷聯(lián)合輸出為滑模面的滑?？刂撇呗?這為能源互聯(lián)網(wǎng)中能量合理調(diào)配、減少儲能配置問題提供了新的技術(shù)途徑.但該研究側(cè)重于控制策略的仿真,在考慮虛擬儲能輔助調(diào)度決策方面的研究還不夠明確.

3.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的分布式能源預(yù)測控制

隨著5G 等先進通信技術(shù)的崛起,信息網(wǎng)絡(luò)逐漸具備超可靠低時延和超帶寬的特點,這使得綜合能源系統(tǒng)信息的獲取和發(fā)送更具實時化,考慮具有波動性和間歇性的大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電的接入所產(chǎn)生的實時動態(tài)信息的預(yù)測控制[50]逐漸成為研究熱點.具體地,考慮到新能源出力波動或負荷投切等導(dǎo)致微網(wǎng)內(nèi)瞬時功率失衡,文獻[51]提出了基于模型預(yù)測控制的虛擬同步發(fā)電機控制方法.但該模型較復(fù)雜,收斂性未考證,沒有考慮虛擬同步發(fā)電機的出力成本,而且缺乏實驗驗證.在此基礎(chǔ)上,文獻[52]提出了積分模型預(yù)測電流控制來消除電流控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,從而提高其閉環(huán)性能.文獻[53]提出了一種新的多能源系統(tǒng)通用建?？蚣?特別適合(但不限于)預(yù)測控制應(yīng)用,但仍然局限于能量交換區(qū)方法.這使得串聯(lián)連接的建模成為一項繁瑣的任務(wù).進一步地,為促進可再生能源的使用,文獻[54]利用區(qū)域鍋爐的全局模型,模型預(yù)測控制器生成最優(yōu)指令序列,使得化石燃料消耗、二氧化碳排放量和運行成本顯著降低.文獻[55]基于PID與模型預(yù)測控制器相結(jié)合控制室內(nèi)溫度的方案,降低了能源消耗.

3.4 研究展望

上述分析結(jié)果表明,現(xiàn)有研究結(jié)合多能源終端的分布式協(xié)同控制,信息能源終端的智能優(yōu)化控制以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的分布式能源預(yù)測控制等來實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行.其中,美國工程院院士G.Heydt 聯(lián)合三位IEEE Fellow 在國際權(quán)威刊物Proceedings of the IEEE上指出“分布式多智能體協(xié)同控制方法是解決能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)問題的重要方向”.但在實現(xiàn)目標的過程中,還有一些困境問題和未來趨勢有待深入和完善.例如,隨著5G 等先進通信技術(shù)的發(fā)展,大規(guī)模的問題不再受現(xiàn)有平臺計算能力和問題計算復(fù)雜性的限制,可以實現(xiàn)在線優(yōu)化控制.同時,隨著信息與能源網(wǎng)絡(luò)融合程度的加深,能源主體更具智慧和自主能力,多能源主體交互的網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜.因此,在此基礎(chǔ)上如何全面地分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性并從理論上給出設(shè)計穩(wěn)定控制系統(tǒng)的指導(dǎo)方法仍然值得深入研究.

4 用戶行為驅(qū)動優(yōu)化管理

作為能源終端的用戶側(cè)是信息能源網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié),如何利用先進的信息技術(shù)以及能源市場機制實現(xiàn)用戶側(cè)的能源管理效力,進一步提高能源網(wǎng)絡(luò)的靈活性是一個重要的研究方向.截至2020 年8 月,我們檢索到相關(guān)論文840 篇.如圖7 所示,核心關(guān)鍵詞“需求側(cè)管理”與“能源市場”相互結(jié)合,表明此研究方向得到了眾多學(xué)者的關(guān)注.而從研究對象的角度來看,由于對象模型以及對系統(tǒng)影響的差異性,關(guān)鍵詞“需求側(cè)”、“分布式電網(wǎng)”、“綜合能源系統(tǒng)”、“Energy Internet”等成為關(guān)注熱點.文獻[56]在2004 年提出了考慮用戶滿意度的需求側(cè)管理價格決策模型,較早地將能源市場與用戶管理進行結(jié)合.而Huang 等[10]在2011 年提出能源互聯(lián)網(wǎng)概念,并提出通過信息與電力電子技術(shù)結(jié)合、能量雙向流動等手段提高用戶在能源網(wǎng)絡(luò)中的參與度,獲得了能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注.

上述分析結(jié)果表明,隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及與能源系統(tǒng)的結(jié)合,能源系統(tǒng)優(yōu)化管理也整體呈現(xiàn)出扁平化的趨勢,用戶在能源市場中的參與度大大提升,“比特”推進了相應(yīng)的“瓦特變革”.高速低時延的通信技術(shù)是需求側(cè)大規(guī)模參與能源管理的基礎(chǔ);大數(shù)據(jù)技術(shù)為用戶行為驅(qū)動的優(yōu)化管理提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持;同時,邊緣計算、云計算等技術(shù)降低了用戶參與所需的信息處理成本.在多種先進信息技術(shù)的支持下,能源系統(tǒng)管理模式從過去的市場集中管理發(fā)展為用戶行為驅(qū)動主導(dǎo),管理方式由集中式發(fā)展向分布式過渡,對應(yīng)研究的能源系統(tǒng)逐漸從大電網(wǎng)發(fā)展到分布式電網(wǎng),進而發(fā)展為多能耦合的綜合能源系統(tǒng).針對優(yōu)化管理的研究,眾多科研人員針對不同類型的能源系統(tǒng)模型以及不同的能源市場進行對比,根據(jù)研究對象差異與“瓦特變革”的發(fā)展趨勢,可以分為直接需求側(cè)、分布式電網(wǎng)以及綜合能源系統(tǒng)三類.

圖7 管理相關(guān)領(lǐng)域的聚類Fig.7 Clustering of manage related fields

4.1 直接需求側(cè)管理與市場調(diào)節(jié)

大數(shù)據(jù)技術(shù)的推進與應(yīng)用為能源系統(tǒng)提供了更精準的用戶行為畫像.部分研究從需求側(cè)的角度出發(fā),探討對基于用戶行為的直接調(diào)節(jié)會對大型電力網(wǎng)絡(luò)的市場與運行產(chǎn)生的影響.薛禹勝等[57]在2007 年討論可中斷負荷市場的經(jīng)濟補償模型及報價清算規(guī)則,并且對可中斷負荷的市場引導(dǎo)方式進行分類分析,但用戶在能源市場中的功能較為單一.在此基礎(chǔ)上,盧強等[58]在2014 年討論了市場與用戶之間的關(guān)系,梳理了博弈論在需求側(cè)管理中的應(yīng)用,推進了博弈論在能源市場中的應(yīng)用.文獻[59]提出了一種改進混沌優(yōu)化的遺傳算法并應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,為需求側(cè)管理提供了方法支持.文獻[60]建立了以年為單位的長期優(yōu)化策略,在考慮需求側(cè)的前提下針對季節(jié)性儲能的變化進行分析.

4.2 分布式電網(wǎng)的能源市場與用戶管理

隨著新能源的開發(fā)以及低時延通信技術(shù)的發(fā)展,越來越多的研究開始關(guān)注于在新能源參與下,能源供給與需求呈現(xiàn)分布式的能源市場與用戶行為管理.文獻[61]提出了一種經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗的多準則模糊算法并應(yīng)用于包含光伏的需求側(cè)管理中,但并未考慮能源市場的變化.在此基礎(chǔ)上,文獻[62]提出了基于多代理系統(tǒng)的微電網(wǎng)能量管理策略,利用市場競價策略來實現(xiàn)需求側(cè)管理.文獻[63]在考慮動態(tài)能源價格和用戶滿意度的情況下討論了含風(fēng)電的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度,將發(fā)電資源與負荷資源共同進行協(xié)調(diào)來實現(xiàn)對風(fēng)能的消納,但文章并未將用戶作為行為主體進行討論.文獻[64]提出了基于多智能體的微網(wǎng)群內(nèi)電力市場交易策略,通過使用單純形法和博弈論納什均衡解來確定最優(yōu)售電方案,再通過求解需求側(cè)最優(yōu)購電模型來確定最優(yōu)購電方案.文獻提供了一種微電網(wǎng)中用戶深度參與市場交易的方式,但在獎懲機制與博弈方式上還有進一步挖掘的空間.

4.3 綜合能源系統(tǒng)的能源市場與用戶管理

在諸如5G、云計算等先進信息技術(shù)的支撐下,不同能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的越來越緊密,更多的研究專注于在多能耦合的網(wǎng)絡(luò)中能源市場的變化以及如何進一步提高用戶參與度.Lund 等[65]在2006 年首次在綜合能源系統(tǒng)中利用區(qū)域能源市場進行調(diào)度與需求側(cè)管理,文章從區(qū)域監(jiān)管機制的角度出發(fā),利用相應(yīng)機制驅(qū)動用戶行為.并且多角度分析了增加系統(tǒng)靈活性的方法,并最終給出了一種利用熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined heat and power,CHP)對風(fēng)力發(fā)電進行消納的方式.基于文獻[65],文獻[66]進一步提高了系統(tǒng)的靈活性.文獻[67]建立了針對小規(guī)模冷-熱-電系統(tǒng)的矩陣優(yōu)化模型,為基于市場的綜合能源系統(tǒng)需求側(cè)管理提供模型基礎(chǔ),但對能源市場的變化與用戶的行為模式缺乏分析.文獻[68]給出了一種考慮多種不確定性的綜合能源系統(tǒng)投資評價方式,利用數(shù)據(jù)分析了用戶行為對投資價值的影響.文獻[17]進一步探究綜合能源系統(tǒng)特性,提出了針對多時間尺度多能量形式的調(diào)度策略,利用能源特性與動態(tài)市場機制驅(qū)動用戶行為實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度.但在綜合能源系統(tǒng)多時間尺度多能量形式特性上還存在繼續(xù)挖掘的空間.文獻[18,69]則從市場的角度深入分析了能源互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在的發(fā)展及未來的發(fā)展方向,為綜合能源系統(tǒng)的能源市場后續(xù)研究提供了思路.

4.4 研究展望

從上述分析中可以看到,基于先進信息技術(shù),現(xiàn)有研究中用戶側(cè)更加積極地與市場側(cè)聯(lián)動實現(xiàn)優(yōu)化管理,同時用戶參與的能源從電能也擴展到了綜合能源系統(tǒng).國家能源局發(fā)布的《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》中也提到“構(gòu)建以多能融合、開放共享、雙向通信和智能調(diào)控為特征,各類用能終端靈活融入的微平衡系統(tǒng)”.但在實現(xiàn)目標的過程中,還存在諸多待解決的問題,例如隨著用戶側(cè)的參與程度增加,如何對用戶側(cè)實施合理且有效的約束,保證用戶側(cè)的信息安全與能源質(zhì)量.由于綜合能源系統(tǒng)中能源類型不同,生產(chǎn)、傳輸、消費都存在著不同的時間尺度與特性,用戶與市場如何利用如智能算法、邊緣計算等先進信息技術(shù)實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)多能耦合智能優(yōu)化管理,都是未來具有研究前景的新課題.

5 信息能源深度融合系統(tǒng)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)逐漸滲透能源行業(yè),為能源行業(yè)帶來巨大的變革,能源系統(tǒng)受到傳感、監(jiān)控、控制、能量管理及調(diào)度等信息的作用,反映出在信息流對能量流的強耦合融合背景下,能源互聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的新一代信息能源系統(tǒng)的形態(tài).截至2020 年8 月,我們檢索到相關(guān)論文86 篇.如圖8 所示,“建?！币约啊熬W(wǎng)絡(luò)攻擊”與“信息安全”相互結(jié)合的核心關(guān)鍵詞表明這兩個研究方向得到了眾多學(xué)者的關(guān)注.而從研究類型的角度來看,關(guān)鍵詞“Cyberphysical energy system”、“Cyber-physical-social system”等成為關(guān)注熱點.在2010 年,文獻[70]中Ili? 等提出了一種依賴于支持物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的動力學(xué)模型,較早地將快速發(fā)展的能源系統(tǒng)建模為基于網(wǎng)絡(luò)的物理系統(tǒng),后續(xù)眾多研究者在此基礎(chǔ)上進行了更為深入的研究.

圖8 CPS 相關(guān)領(lǐng)域的聚類Fig.8 Clustering of CPS related fields

上述分析結(jié)果表明,隨著信息技術(shù)和能源系統(tǒng)融合逐步深入,能源系統(tǒng)正迅速發(fā)展成為復(fù)雜的信息能源融合系統(tǒng),要實現(xiàn)未來能源系統(tǒng)的目標,就必須系統(tǒng)地嵌入能夠監(jiān)測、通信和控制不斷發(fā)展的物理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù).從論文的關(guān)鍵詞可以看出,能源系統(tǒng)必須表現(xiàn)出適應(yīng)性的性能,如靈活性、效率、可持續(xù)性、可靠性和安全性.不同能源實體之間日益復(fù)雜的相互作用需要一個安全、高效和強大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施.針對這個方向,多數(shù)研究者基于信息能源融合系統(tǒng)建模與仿真、信息能源融合系統(tǒng)綜合安全和信息物理能源系統(tǒng)(Cyber-physical energy systems,CPES)及信息物理社會系統(tǒng)(Cyber-physical-social systems,CPSS)進行了研究.

5.1 信息能源融合系統(tǒng)建模與仿真

信息能源融合系統(tǒng)的建模與仿真是信息能源融合系統(tǒng)研究的熱點之一,許多文獻在系統(tǒng)異構(gòu)問題、信息系統(tǒng)時間特性、信息模型等方面取得了一定成果.文獻[71]在分析了對電力系統(tǒng)進行信息物理融合建模與評估的必要性去驅(qū)動力后,提出了一種信息物理系統(tǒng)(Cyber-physical system,CPS)融合建模構(gòu)想.文獻[72]提出了一種基于區(qū)塊鏈的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)設(shè)施模型.文獻[73]描述了分別基于連續(xù)時間和離散事件的網(wǎng)絡(luò)物理能量系統(tǒng)模型,說明了兩種基本不同的建模原則的優(yōu)缺點.文獻[74]根據(jù)自能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了一種基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)(Generative adversarial networks,GAN)技術(shù)的數(shù)據(jù)-機理混合驅(qū)動方法對自能源模型參數(shù)辨識.文獻[75]研究智能電力系統(tǒng)硬實時監(jiān)控通信策略的設(shè)計問題,并且在廣泛使用的商用工具PSCAD 中提供一個嵌入式仿真環(huán)境.文獻[76]提出了一種基于高層體系結(jié)構(gòu)(High level architecture,HLA) 的電力與通信技術(shù)(Information and communications technology,ICT)系統(tǒng)實時評估協(xié)同仿真環(huán)境(IEEE Standard 1516-2010),認為基于連續(xù)時間的電力系統(tǒng)仿真和基于離散事件的信息和通信技術(shù)(ICT)網(wǎng)絡(luò)仿真是研究未來智能電網(wǎng)的關(guān)鍵.

5.2 信息能源融合系統(tǒng)綜合安全

CPS 借助大量傳感設(shè)備與復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)使現(xiàn)代電力系統(tǒng)形成一個實時感知、動態(tài)控制與信息服務(wù)的多維異構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng),信息流交互使得信息能源融合系統(tǒng)面臨更多潛在威脅.文獻[77]提出了電力CPS 領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)攻擊的定義,從通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)攻擊目的兩方面對攻擊行為進行分類.文獻[78]介紹了CPS 的概念與安全現(xiàn)狀,給出了CPS 綜合安全的定義;提出了CPS 的綜合安全威脅模型;對現(xiàn)有CPS 攻擊和防御方法進行了分類和總結(jié),并探討CPS 綜合安全的研究方向.文獻[79]提出了一種新的基于區(qū)間狀態(tài)預(yù)測器的防御機制來有效地檢測惡意攻擊.研究者提出了一種基于深度置信網(wǎng)絡(luò)(Deep belief network,DBN)的電力負荷預(yù)測方法,這種方法可以減少預(yù)測誤差.然而,由于天氣系統(tǒng)的混沌性和不穩(wěn)定性,預(yù)報誤差是不可避免的.為了進一步闡明跨空間連鎖故障對電力 CPS 安全穩(wěn)定運行的危害,文獻[80]提出一種基于改進攻擊圖的量化評估方法.文獻[81]在傳統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)注入攻擊的基礎(chǔ)上,提出了一種考慮能量系統(tǒng)動態(tài)特性且可以用來描述惡意攻擊者的攻擊行為的動態(tài)攻擊模型.文獻[82]分析了CPS 的基本概念和特征,并對CPS 的體系架構(gòu)、中間件系統(tǒng)、實時性、安全和隱私等關(guān)鍵技術(shù)進行了說明.文獻[83]提出了一種分布式多智能體方案來檢測和識別電網(wǎng)保護系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)威脅.

5.3 CPES 及CPSS

一些研究者考慮能夠充分感知環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)信息,對能源生產(chǎn)和消耗實時監(jiān)測和預(yù)測,統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度和控制的CPES 以及CPS 中因存在人和社會層面而提出的CPSS.薛禹勝等在文獻[84]中研究了電力(能源)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用,并通過若干課題的研究,歸納大數(shù)據(jù)技術(shù)對提高能源流在不同時間尺度及空間中的經(jīng)濟性與可靠性的作用與途徑.文獻[85]提出了由電網(wǎng)信息物理融合建模技術(shù)、電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)分析方法、基于融合模型的電網(wǎng)控制技術(shù)、基于融合模型的形式化驗證4 個關(guān)鍵技術(shù)組成的研究體系.而文獻[86]從并行調(diào)度的角度系統(tǒng)地提出了基于復(fù)雜CPSS 的能源互聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)度概念和框架,并深入研究了如何利用智能人工社會建模實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的并行調(diào)度與控制,同時考慮了人為因素和社會因素,這是對單一智能廣域機器人概念的重大延伸和理論改進.而文獻中的研究對象是群并行調(diào)度機器人(Parallel dispatching robot,PDR),無論是名義模型還是鏡像模型,都必須是一個具有并行計算能力的分布式建模與仿真系統(tǒng).這與很多電力系統(tǒng)仿真軟件平臺采用集中建模和集中離線仿真方法的軟件平臺有本質(zhì)區(qū)別.Wang 在文獻[87]中提出必須增加和解決CPS 中存在的人與社會層面.人與社會的動態(tài)應(yīng)被視為任何有效的CPS 設(shè)計和運行的一個組成部分,CPS 中引入“社會”具有一定合理性.

5.4 研究展望

現(xiàn)階段國內(nèi)外對于CPS 的研究情況整體來說還處于發(fā)展的初期,有待成熟化.2018 年薛禹勝在《能源評論》 中提出:未來要拓展到更大的物理系統(tǒng)中,要從電力系統(tǒng)向它的上游拓展,要研究煤炭、風(fēng)電等不同類型的能源品類出力變化的關(guān)聯(lián)、可再生能源的波動性如何引起負荷和一次能源的不平衡與損失等.由此可見,推動CPS 和多能源融合發(fā)展是信息能源融合系統(tǒng)的發(fā)展趨勢.從CPS 的應(yīng)用角度,如何將通信、計算和控制能力嵌入能源設(shè)備,應(yīng)用于各類能源系統(tǒng),得出有效的智能設(shè)備和自治系統(tǒng),如何針對信息系統(tǒng)和能源系統(tǒng)進行合理建模并對新的系統(tǒng)模型搭建與之相適應(yīng)的、合理的仿真算法,如何在大型工業(yè)系統(tǒng)中充分考慮CPS 的安全和隱私等都是亟需解決的問題.

6 結(jié)論

信息與能源的深度融合將有效提高能源系統(tǒng)的安全高效經(jīng)濟運行能力,增強可再生能源的接納能力,提高用戶的參與程度,加強能源系統(tǒng)的靈活性和可擴展性,推動未來能源系統(tǒng)的高速發(fā)展.本文運用科學(xué)知識圖譜的方法,對CNKI 和WoS 所載2000～ 2020 年文獻進行計量分析,獲取信息能源系統(tǒng)的研究熱點分布,并深入挖掘其內(nèi)在聯(lián)系和潛在趨勢.在當前的研究中,依托于我國在能源領(lǐng)域較為領(lǐng)先的研究基礎(chǔ),在以清潔、環(huán)保為目標的能源轉(zhuǎn)型的迫切需求以及互聯(lián)網(wǎng)良好的發(fā)展生態(tài)的背景下,以“比特驅(qū)動瓦特”的研究在能源系統(tǒng)的控制、優(yōu)化、管理等多個層面都取得了較大的進展,同時信息能源深度耦合的影響研究也獲得了諸多關(guān)注.未來,在包含泛在感知、數(shù)據(jù)中心、邊緣計算等技術(shù)在內(nèi)的新基建大力推進下,如何以清潔、高效、經(jīng)濟、智慧的能源系統(tǒng)支撐能源需求高速增長的信息系統(tǒng)的發(fā)展,并通過信息能源系統(tǒng)的耦合,實現(xiàn)對能源數(shù)據(jù)價值的充分挖掘都是未來具有廣闊科研前景和重大國家需求的新課題.