能源互联网与能源互联网市场的体系架构.pdf

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1、0 报告人: 别朝红 2018年综合能源技术及发展方向学术交流会 能源互联网与能源互联网市场的体系架构 西安交通大学 2018年11月1 报 告 提 纲 能源互联网市场体系架构 3 国家重点研发计划项目介绍 2 能源互联网市场关键问题及展望 4 能源互联网交易仿真平台 5 什么是能源互联网? 1 12 汇 报 提 纲 能源互联网市场体系架构 3 国家重点研发计划项目介绍 2 能源互联网市场关键问题及展望 4 能源互联网交易仿真平台 5 什么是能源互联网? 1 23 能源互联网的出现 能源发展面临挑战 可持续发展 能源危机 环境恶化 全球气候变化 能源互联网 信息与能源技术深度融合,形成能源流与

2、信息流融合的能源互联网 能源互联网推进能源生产与消费革命,提高能源利用效率,推动节能减排 德国工业4.0 能源生产与消费革命 34 什么是能源互联网? 4 以电网为核心的新一代能源系统 能源互联网电力系统领域 以电网为核心 最大化消纳可再生能源 集中式与分布式并存 多能互补 考虑需求侧响应的综合能源系统5 什么是能源互联网? 5 能源互联网信息领域 充分利用信息网络开放、互联、对等的优势特点,对能源系统进行革新6 什么是能源互联网? 6 能源互联网工业界 国家电网公司: 基于特高压建设全球能 源互联网,致力于推动 世界能源可持续发展 全球能源互联网7 什么是能源互联网? 7 能源互联网金融领域

3、 能源互联网的商业模式 基于新技术新趋势 为用户和投资商创造效益 创新能源供给模式8 什么是能源互联网? 8 能源互联网9 我们对能源互联网的理解 能源互联网是以电、热、气等多种能源为载体,以能源技术与信息技术深入结 合为特征,实现能源互济互补和高效利用的信息物理网络。 1、实现多能源网络的系统集成,形成以电力网 络为枢纽,涵盖天然气管网、供热网络、交通 网络及多类型储能设备的一体化能源耦合系统 2、按照功能可分为能源生产、传输、消费 多个环节,按照规模可分为区域-城市-终端 多个层级 3、支持海量分布式设备接入,实现分布式 能源供给,推动分布式可再生能源的大规模 利用 4、实现用户侧的广泛参

4、与,具有开放、 互联、共享、对等和以用户为中心等重 要特征 5、强调信息技术的深度融合,以信息 物理系统为基础,实现广域信息互动下 的能源共享 9 主要技术 特征10 我们对能源互联网的理解 区域分 布市场 区域分 布市场 区域分 布市场 云计算平台 信息技术 信息流 信息流 终端能源互 联网 信 息 流 信息互联网 中央集中市场 现金流 现金流 现金流 现 金 流 10 综合 能源生 产基地 区域能 源传输 网络 综合 能源负 荷中心 电/ 气/热/ 冷能源 消费园 区 综合能源生产场站 城 市能源 输配系 统 分布 式产 能设备 综 合能源 消费用 户 多能源 微网11 汇 报 提 纲 能

5、源互联网市场体系架构 3 国家重点研发计划项目介绍 2 能源互联网市场关键问题及展望 4 能源互联网交易仿真平台 5 什么是能源互联网? 1 1112 国家重点研发计划项目介绍 12 能源互联网的规划、运行与交易基础理论 (2016YFB0901900) (Principal Investigator ) 2016年国家重点研发计划项目:13 项目研究目标与总体框架 13 研究目标: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 主线 能源互联网的规划、运行与交易 突破 融合建模、供需匹配优化、

6、市场体系 创建 能源互联网基础理论体系 深入 系统 全面 研究 1套能源互联网验证系统 验证14 项目主要研究内容 四项关键技术 五个课题 三个科学问题 能源流与信息流的融合模型及时空耦合机理 多尺度随机匹配和不确定供需优化 关联多能源的市场交易机制、博弈策略及一体化 市场构建 能源流与信息流融合建模与仿真技术 供需随机特性建模与分析技术 多能源和供需关联的能源互联网协同规划技术 供需响应与协调的多能源系统随机优化调度技术 能源互联网系统建模与仿真 能源互联网供需随机特性分析与匹配方法 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 多能源终端接入行为分析

7、、供需转存协调优化与安 全监控 1415 项目主要研究进展 1.理论研究 能源互联网大数据中心 信息物理融合能源系统(CPES)建模方法 多能源网络化系统优化理论 能源互联网的协同规划理论及技术 能源互联网供需匹配的分布式优化算法 2.仿真平台 能源互联网规划、运行与交易仿真平台 1516 汇 报 提 纲 能源互联网市场体系架构 3 国家重点研发计划项目介绍 2 能源互联网市场关键问题及展望 4 能源互联网交易仿真平台 5 什么是能源互联网? 1 1617 能源互联网市场体系设计与交易机制 3.1 能源互联网市场的基本概念 (1)为什么要建立能源互联网市场? 传统电力、天然气等 能源行业的封闭

8、性以及技术壁垒, 短时间内在物理层面上实现多类型 能源系统的联合规划和运行十分困难。因此,可以首先从市场角度 切入,以 价格激励为手段, 通过实际的供需关系来实现能源资源的综合利用和高效配置 。 1718 3.1 能源互联网市场的基本概念 (2)能源互联网市场的初步定义 能源互联网市场的初步定义 :能源互联网市场是在能源互联 网背景下,以信息技术 为支撑,以 分布式主体 为主要参与者, 通过市场竞争,实现电力、天然气 、热/冷、可再生能源等 多类型能源 综合交易以及优化配置的机制 能源互联网的核心理念:概括为多 能互补、多网耦合、支持大规模分 布式设备接入、用户侧广泛参与以 及信息技术的深入融

9、合 18 能源互联网市场体系设计与交易机制19 3.1 能源互联网市场的基本概念 (3)能源互联网市场的建设目标 19 能源商品的特殊性 : 能 源商品是关乎国计民生的重要战略物 资,具有一定的公益性 和 管制性 能 源商品多属耗竭性资源,具有很强的 稀缺性 能 源商品的交易依赖于管网等基础设施, 具有 网络经济属性 以及时空连续性 能 源商品的生产和消费过程不可避免对 环境造成污染和破坏,具有负外部性 从能源商品的特殊性出发,结合能源互联网的核 心理念,能源互联网市场的建设目标总结为: 打 破传统单一能源市场的壁垒和惯性,促进 以电能为核心的 多能源广泛共享 和综合利用 实 现能源 供需动态

10、平衡,提供安全、可靠、 优质、经济的能源产品 利 用互联网思维,打造多元化、分散化能源 供给和 灵活化、个性化能源消费 的市场格局 激 励新能源技术引入市场以及能源企业的自 我革新,实现低碳经济和 社会可持续发展 能源互联网市场体系设计与交易机制20 3.1 能源互联网市场的基本概念 (4)能源互联网市场的特殊性 20 项目 电力市场 天然气市场 区域热/冷市场 能源互联网市场 市场主体 单一电力 单一天然气 单一热/冷 多元化,催生新种类 交易对象 单一电力 单一天然气 单一热/冷 多元化,催生新种类 垄断程度 寡头垄断 寡头垄断 区域性寡头垄断 垄断竞争 交易规模 需要达到一定的规模 需要

11、达到一定的规模 需要达到一定的规模 无规模限制 进出市场难易程度 比较困难 比较困难 比较困难 比较容易 博弈复杂程度 比较单一,主要存在发 电商的博弈 比较单一,主要存在供 气商的博弈 比较单一,主要存在供 热商的博弈 比较复杂,出现分布式主体 间的博弈 用户市场参与度 低 低 低 高 用能需求差异程度 基本无差别 基本无差别 基本无差别 较大差别,用能需求个性化 信息技术依赖程度 一般 一般 一般 高 能源互联网市场与传统单一能源市场的对比 支 撑多类型能源的综合交易 实 现大规模分布式主体的市场参与 能源互联网市场的4大特殊性: 支 持灵活、智能的能源消费 信 息技术依赖程度提高 能源互

12、联网市场体系设计与交易机制 电、气、热等 多能源耦合使 得市场主体与 交易对象更加 多元化,并催 生了新的交易 种类 分布式能源参与市场、使得能源互 联网市场进一步开放,竞争性显著 增强,形成了垄断竞争市场。能源 互联网市场不再有交易规模限制, 进出市场更容易,博弈程度也更复 杂,将出现分布式主体间的博弈 能源的选择权增加以及分布式能源 共享成为可能,用户侧市场参与度 显著提高,同时用户的用能需求出 现较大差异,催生了个性化、定制 化的能源服务,促进了能源消费向 灵活性、智能化方向发展 能源互联网市 场对信息技术 的依赖程度进 一步提高21 3.2 能源互联网市场体系设计 能源互联网市场体系的

13、整体架构 21 借鉴一般商品的市场体系,按照 主体结构 、 客体结构 、 时间结构 和 空间结构 个层次对 能源互联网市场体系进行设计 主体结构: 从事市场交易活动的个人 和 组织体 客体结构: 用于市场交换活动的各种交易对象 时间结构: 按照交易时间与交割方式不同划分 空间结构: 按照系统规模、控制范围以及参与 成员的不同划分 能源互联网市场体系分层结构 能源互联网市场体系设计与交易机制22 3.2 能源互联网市场体系设计 (1)能源互联网市场体系的 主体结构 22 结构划分 元件 市场主体 生产环节 (源) 多能源生产设备 火电、核电、水电、风电、光 伏、天然气气井等 集中式和分 布式能源

14、供 应商 多能源转换设备 热电联产机组、燃气轮机、电 锅炉、电制气设备等 多能源储存设备 抽水蓄能、蓄电池、压缩空气 储能、储气罐、储热罐等 传输环节 (网) 电力网络 长距离输网、短距离配网 能源传输商 天然气网络 长距离输网、短距离配网 热力网络 短距离配网 消费环节 (荷) 工业用户、商业用户、居民用户 能源用户 能源互联网各环节包含的元件与市场主体 基于能源互联网“源网荷”的整体架构, 能源互联网的主体结构包括: “供” :集中式和分布式能源供应 “输” :电网、气网、热网运营商 “售” :能源零售商、能源服务商 “用” :传统消费者、新型产消者 “管” :调度机构、交易中心、监管部门

15、 注:能源互联网市场是在现有能源市场基础上建 立和发展的,因此存在 兼具不同主体性质的市场 参与者 ,例如可同时提供能源商品和增值服务的 能源零售商等 能源互联网市场体系设计与交易机制23 3.2 能源互联网市场体系设计 (2)能源互联网市场体系的 客体结构 与 时间结构 23 能源互联网的 客体结构包括: “基本能源商品” 电、气、热商品 一体化能源商品 “辅助服务商品” 电、气、热等各类型备用,电压和气压支撑, 可中断或可控制负荷以及黑启动等 “增值服务商品” 负荷预测、用能行为分析、用能方案咨询等 “金融衍生商品” 电、气、热等能源期货和期权,电、气、热 等能源输送权以及碳排放权等环境权

16、益类 能源互联网市场客体结 构与时间结构对应关系 商品类型 短期市场 中期市场 长期市场 基本能源商品 辅助服务商品 增值服务商品 金融衍生商品 注: 表示存在 能源消费本质是获取生 产和生活所需的光、热 以及动力,电、气、热 等商品只是能源的外在 形式,在一定程度上可 以相互转化或替代 能源互联网的 时间结构 包括: 短期市场 中期市场 长期市场 考虑到电、气、热等能源商 品传输和储存特性的差异, 将短期市场继续分为实时、 日前 以及 数天 三个阶段 能源互联网市场体系设计与交易机制24 3.2 能源互联网市场体系设计 (3)能源互联网市场体系的 空间结构 24 按照市场范围、交易规模、参与

17、主体及能源 类型的不同,能源互联网市场的空间结构 可以划分为“ 中央集中市场区域分布市场”两个层级 中央集中市场:负责区域能源互联网中的 大规模 能源交易 ,类似于能源批发市场,参与主体需要 达到一定的规模 ,例如集中式能源供应商、能源 大用户等,市场准入困难 区域分布市场:负责区域能源互联网中的 自由对 等交易 ,类似于能源零售市场, 参与主体无规模 限制 ,例如分布式能源供应商等,市场准入容易 与电力、天然气相比,热力最大的不同点在于不 能远距离传输,因此 热冷交易全部在区域分布 市场中开展 ,中央集中市场只涉及电力、天然气 的大规模交易 能源零售商 售电商 售气商 售热商 综合零售商 能

18、源服务商 能 源微网运营商 DER 运营商 能源咨询公司 信息服务公司 能源传输商 电、气输网 电、气配网 供热网 能源供应商(分布式为主) 供电/ 气/ 热商、综合供应商. 集中式能源供应商 供电商 、供气商、综合供应商 能源用户 传统消费者、新型产 消者. 市场组织者 调度机构 交易中心 监管部门 管 用 售 输 供 供 中央 集中 市 场 能源互 联 网 区域分 布 市场 能源互 联 网 能源大用户 用 能源互联网市场主体结构与空间结构对应关系 能源互联网市场体系设计与交易机制25 3.3 能源互联网市场交易机制 (1)能源互联网市场适宜的交易方式 25 能源互联网市场交易方式应 以双边

19、交易为主,并设置必要的集中交易环节 双边交易 是能源互联网市场的 基本交易方式 ,普遍适用于非实时的短期市场以及中长期市场; 集中交易 用于保证能源供需的 实时平衡 ,交易周期与能源类型 相关,例如:天然气、热力集 中交易可以每1小时出清一次,电力集 中交易每5分钟出清一次。 随着能源互联网市场的不断成熟,为了进一步还原 能源的商品属性,除实时市场以外,其余 市场集中交易的成分将 逐渐降低 。 能源互联网不同时间尺度 市场适宜采用的交易方式 时间尺度 时间范围 交易方式 短期 实时 集中交易 日前 双边交易、集中交易或两者相结合 数天 以双边交易为主 中期 数月 以双边交易为主 长期 数年 以

20、双边交易为主 能源互联网市场体系设计与交易机制26 3.3 能源互联网市场交易机制 (2)能源互联网市场的分层级分区域交易特点 26 售电商 综合零 售商 大用户 售电商 售气商 中央集中市 场交易中心 能源互联网中央集中市场 水电站 火电厂 综合能 源供应商 燃气电厂 气井 集中 交易 双边 交易 集中式 新能源电厂 售热 商 售电 商 综合零售 商 大用 户 售电商 售气 商 能源互联网区域分布市场-1 产消 型用户 分布式 风电 传统 用户 能源互联网区域分布市场-N 传统 用户 区域 分布市场 交 易中心 双 边交易 区域 分布市场 交易中心 分 布式光伏 分布式 储能 中央集中市场准

21、入的市场主体包括能源供 应商、能源零售商以及能源大用户等 中央集中市场中 双边交易与集中交易并存 ,涉及 电力、天然气 的大规模交易 区域分布市场以电、气、热的 双边交易为主 服务于 分布式能源 与产消型用户 之间的点对点交易 根据“就近消纳、就地平衡”的原则,优先区内交 易、允许跨区交易 能源互联网市场体系设计与交易机制27 3.3 能源互联网市场交易机制 (3)实现资源优化配置的能源互联网市场运行机制 27 价格机制 :处于核心地位,是市场机制实现调节作用的集中体 现,与交易方式及能源类型有关 供求机制 :分布式设备的接入、产消型用户的出现以及需求侧 响应的普及增强了能源需求弹性 竞争机制

22、 :促进市场主体的自我革新和优胜劣汰,大数据分析 技术成为核心竞争力 结算机制 :解决能源商品的交易达成时间与实际交割时间不同 以及复杂多向能量流带来的交易结算难题 激励机制 :调动市场积极性,促进社会节能减排 能源互联网市场体系设计与交易机制28 汇 报 提 纲 能源互联网市场体系架构 3 国家重点研发计划项目介绍 2 能源互联网市场关键问题及展望 4 能源互联网交易仿真平台 5 什么是能源互联网? 1 2829 能源互联网市场关键问题及研究展望 4.1 能源互联网市场的研究基础 29 能源互联网市场尚处于 起步阶段 ,需要借鉴现有电力、天然气、区域冷/热 等市场的研究成果 能源互联网已从电

23、-气耦合、电-热耦 合、电-气-热耦合等多种能源互联形 式出发,在 多能流计算、最优能流分析、经济调度 以及机组组合 等方面开 展了大量研究,为能源互联网市场提供了良好的 物理基础30 能源互联网市场关键问题及研究展望 4.2 能源互联网市场的关键问题及研究展望 (1)实现多能源综合交易的能源互联网市场模型 30 关键问题 鉴于不同类型能源在传输速度和储存能力上存 在明显差异,需要研究能源系统的不同时间常 数 对于市场交易的影响,从而建立含多类型能 源、多时间尺度 的能源互联网市场模型 研究展望 现 有研究以市场出清和市场均衡模型为主, 大多集中于电-气联合以及电-热联合市 场, 不同类型能源

24、、不同时间尺度市场之间的相互影响 需要进一步明确 考 虑 电转气设备等新型市场参与者、可 再生能源等随机性因素、复杂耦合网络的精 确模型以及高效求解算法对多能 源市场模型开展更为深入的研究31 能源互联网市场关键问题及研究展望 4.2 能源互联网市场的关键问题及研究展望 (2)面向大规模分布式主体的行为分析及市场机制 31 关键问题 为了使小型分散化主体参与市场成为 可能,有必要面向 大规模分布式主体 进行策略行为分析 ,并提出相适应的 市场机制 研究展望 目前,随着电力零售市场的开放以及大量 分布式发电的接入,关于分布式主体的市场研 究主要集中于电力市场层面,后续可 以结合气、热等分布式主体

25、的特点,将电力零售市 场的研究成果推广到能源互联网区域分布市场32 能源互联网市场关键问题及研究展望 4.2 能源互联网市场的关键问题及研究展望 (3)能源互联网市场分布式交易支撑技术 32 关键问题 为了保证大规模分布式交易的可行性 ,需要研究和开发适用于能源互联网 市场的 分布式存储 、分布式计算 以及 分布式优化 等技术 研究展望 如何在平衡各主体自身利益的同时实现整 体最优,如何克服各分布式主体之间的 信息保 密困难 ,以及在通信共识时如何消除随机因素干扰、考虑网络随机特性等均是分布式交 易算法的研究关键与热点33 能源互联网市场关键问题及研究展望 4.2 能源互联网市场的关键问题及研

26、究展望 (4)能源互联网市场中多元化辅助服务交易机制 33 关键问题 为了解决 大规模分布式可再生能源接 入带来的不确定性 ,亟需建立合理的 辅助服务市场、开发适宜的辅助服务 商品及相应的交易机制 研究展望 灵 活性资源 成为活跃的市场主体,可以结合灵活 性资源的自身特点,因地制宜地开 发辅助服务商品以及相应的交易机制 目 前,抽水蓄能、大容量储热等 大容量储能技术 得到很好的发展与应用,是一种具 有广阔前景的辅助服务手段34 能源互联网市场关键问题及研究展望 4.2 能源互联网市场的关键问题及研究展望 (5)能源互联网市场信息披露与互动体系设计 34 关键问题 能源互联网市场中信息量大幅增加

27、, 信息互动更加频繁, 市场交易对于信 息技术的依赖程度显著提高,催生了 建立信息披露与互动机制的需求 研究展望 为了满足能源互联网市场对于信息及时性 、有效性、安全性以及隐私性的更高要求,需 要研究适用的 数据分析方法、通信网络技术及网络标准和协议 等35 汇 报 提 纲 能源互联网市场体系架构 3 国家重点研发计划项目介绍 2 能源互联网市场关键问题及展望 4 能源互联网交易仿真平台 5 什么是能源互联网? 1 3536 能源形式 数据来源 节点数 区域能源互联网 风、光、水、电、气 酒泉风电基地、黄河上游水 电基地、青海光伏基地、陕北 能源基地 2000 城市能源互联网 电 、气、热 1

28、 个城市(园区)综合能源系统 1500 终端能源互联网 电、气、热、冷 、氢、油、风、 光、储能 2 个高耗能企业、5 个分布式多能源终端系统 2500 基于分层思想,通过源、网、荷、物理结构与规划、运行、交易功能结构的多层次有机结合,搭 建具有5000节点计算能力的系统架构 36 能源互联网规划、运行与交易仿真平台37 能源互联网仿真平台38 能源互联网大数据平台 继续提升 分布式存储 性能、大力推动 分布式优化计算工具开发、深入开展 Sp arkstr e aming大数据在线分析 研究 大数据软 硬件平台 搭建 大数据在 线分析功 能展示 实时数据仿真 实时曲线可视化分析 年度特征可视化

29、分析 时空相关性分析 大数据中心构架 大数据中心部署方案 已建成的大数据中心机房39 能源互联网运行仿真验证平台 优化系统性能、丰富案例信息、实现理论研究和方法验证的同步更新、构建 IEEE 电- 气耦合Benchmark 标准系统 运行仿真 核心支撑 算法性能 运行仿真 功能展示 电-气耦合系统 潮流在线计算 电-气耦合系统 经济调度 风光最优经济 消纳分析 N - k 快速安全评估 算法名称 核心方法 实验计算规模 实验计算时间 系统计算规模 系统计算时间 机组 组合 基于 凸包 割平面 的混 合 整 数规划 6468 节点 1254s 电 - 气耦 合系 统潮流 计算 标准牛 顿-拉夫

30、逊法 2868 节点 1.5s 801 节点 60s 电 - 气耦 合系 统经济 调度 自适 应分 段线性 混合 整 数规 划 801 节点 169s 801 节点 2000s N - K 快速 安全 评估 大规 模全 局约束 集的 行 合 并算法 247 节点 (k=2 ) 48s 247 节点 55s 连锁 故障演 化 连 通子系 统快 速遍历 2383 节点 156s 247 节点 0.8s40 40/49 系统其他功能 电-气耦合系统信息 电-气耦合系统调度 风电可消纳量分析 N-k 故障演化分析 高耗能企业综合能源系统分析 能源介质能耗计量分析 省级能源互联网规划 光伏站点特征在线聚

31、类 风电时空相关性分析 用户需求响应柔性在线聚类 楼宇冷耗在线分析 电-气耦合系统潮流在线计算41 41 能源互联网交易仿真平台基本构架 能源互联网交易仿真平台构架: 能源互联网交易仿真平台首页 区 域能源互联网中长期交易仿真 含煤、气、电的市场均衡 含可再生能源的跨区交易 省 级能源互联网现货交易仿真 电-气联合市场集中式出清 电-气联合市场分布式出清 燃气电厂策略性行为仿真 园 区级能源互联网现货交易仿真 电-气-热联合市场节点能价 电-气-热零售市场博弈定价 含可再生能源的分布式交易42 42 能源互联网交易仿真平台拟实现功能 能源互联网交易仿真平台主要功能: 省级能源互联网现货交易仿真

32、入口页面 电 -气联合市场集中式出清仿真 针对电力、天然气 同属一家主体 的市场结构,通过集中式优化算 法模拟仿真电-气日前联合出清的 交易数量与交易价格 电 -气联合市场分布式出清仿真 针对电力、天然气 分属不同主体 的市场结构,通过分布式优化算 法模拟仿真电-气日前联合出清的 交易数量与交易价格 燃 气发电厂最优策略仿真 通过对天然气进行 价格预测,制 定燃气发电厂在电力市场中获利 最大 的优化策略43 43 总结 能源互联网的相关研究正在如火如荼的进行中,能源互联网是推动 分布式可再生能源的大规模利用、实现能源互济互补和高效利用 的 有效解决方案 能源互联网的出现为多能源交易的市场化提供了新的契机。通过与 传统单一能源市场的对比,我们总结了能源互联网市场的4方面 特 殊性,提出了能源互联网市场的体系设计和交易机制,并归纳了 关 键问题及研究展望 目前,能源互联网市场的相关研究刚刚起步,需要市场设计者及相 关研究人员利用互联网思维实现能源互联网市场模式的创新,打造 全新的多元化市场格局44 感谢大家的倾听!

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