本文摘要：摘要：綜合能源系統的發展在提高能源效率、減少碳排放及增加可再生能源滲透率等方面起到了巨大的推動作用，面對耦合日益緊密的電-熱、電-氣互聯綜合能源系統，現有的能量管理模式和調度手段難以充分發揮其應有的優勢。因此，實現綜合能源系統協同一體、高效準確的狀態
摘要：綜合能源系統的發展在提高能源效率、減少碳排放及增加可再生能源滲透率等方面起到了巨大的推動作用，面對耦合日益緊密的電-熱、電-氣互聯綜合能源系統，現有的能量管理模式和調度手段難以充分發揮其應有的優勢。因此，實現綜合能源系統協同一體、高效準確的狀態估計，可以為后續協同調度、安全運行提供可靠的數據支撐。鑒于此，簡要概述碳中和背景下綜合能源系統狀態估計研究，回顧綜合能源系統狀態估計理論的發展歷程及難點;并從模型、數據、時間尺度3個層面分析電-熱、電-氣綜合能源系統狀態估計研究的總體思路。最后，對未來綜合能源系統狀態估計可深入研究的方向進行了展望。
關鍵詞：綜合能源系統;狀態估計;潮流模型;熱網;氣網;碳中和
0引言
世界范圍內能源系統正在經歷深層次的重組，為了在不同能源環節實現互聯互通，加強能源合作，提高能源消費效率，近年來對各類能源系統互聯融合和互補集成的需求日益迫切。2020年9月22日，中國在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話中決定“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。目前，中國的化石能源系統在一次能源中占比85%左右，因此，中國“碳中和”是一個宏偉目標，充滿機遇和挑戰。
實現碳中和，需重點關注工業、電力的能源效率和可再生能源的合理利用，而綜合能源系統(integratedenergysystem，IES)的發展在提高能源效率、減少碳排放和增加可再生能源的滲透三方面起到了巨大的推動作用[1-3]。研究表明，熱電聯產機組可實現90%以上的高燃料效率[4]，采用熱電聯產技術還可以有效減少環境污染物[5]和溫室氣體[6]的排放;燃氣輪組的使用和電轉氣(powertogas，P2G)技術的發展也為平抑間歇性新能源出力提供了保障。
因此，發展深度耦合、互補集成的綜合能源系統在未來將以電力為主的能源體系中，可以減少波動和增強電力系統的靈活性，既能有效降低碳排放，促進儲能技術與可再生能源發電技術的發展，又能提供安全穩定 的電力能源。國內外政企對綜合能源系統的規劃、發展高度重視[7-8]，2021年3月，國家電網有限公司發布“碳達峰、碳中和”行動方案，加強能源電力統一規劃。
在學術界，有關綜合能源系統建模、規劃、調度、優化及能源市場方向[9-13]的理論也是當前的研究熱點，綜合能源系統規劃與運行的經濟價值也已被定量驗證，因此未來能源體系將打破多能源系統之間傳統獨立規劃與運行的模式，構建面向充分協同、深度耦合綜合能源系統能量管理系統(energymanagementsystem，EMS)，而狀態估計(stateestimation，SE)技術作為能量管理系統的基石，負責提供實時、可靠、完備的運行狀態信息，為后續安全分析和優化調控提供可信的運行數據庫。
由于目前狀態估計的概念和應用仍限定于電網的配電網及以上、熱網的供熱管網、氣網的中高壓部分，因此本文以電-熱、電-氣綜合能源系統為研究對象，綜述了電-熱、電-氣狀態估計領域的研究現狀。首先介紹了綜合能源系統狀態估計理論的發展歷程及與傳統電力系統狀態估計的區別、難點，然后分別概述了電-熱、電-氣互聯綜合能源系統狀態估計及各自子問題的研究進展，最后給出對未來該領域研究的展望。
1綜合能源系統狀態估計的發展及重難點
1.1電力系統狀態估計與綜合能源系統狀態估計
狀態估計的本質是濾波，在傳統電網中，量測數據被稱為“生數據”，狀態估計結果被稱為“熟數據”，狀態估計技術利用大量量測數據的冗余，通過一定的準則(如“最小二乘準則”)，獲得最接近系統真實運行狀態的狀態數據。與電力系統狀態估計相同，綜合能源系統狀態估計負責為綜合能源系統-能量管理系統提供實時、可靠、一致、完整的運行狀態信息，為后續安全分析和優化調控提供可信的運行數據，最終實現綜合能源系統多能流的統一管理和科學調度。
近五年來，參照與借鑒傳統電力系統狀態估計的研究思路，國內外學者已對綜合能源系統狀態估計理論開展了較多的研究。研究發現，盡管綜合能源系統-狀態估計與傳統電力系統狀態估計間存在共同的數學基礎與描述形式，但由于電、熱、氣三者系統本身的差異，無法簡單地移植傳統電網狀態估計算法到綜合能源系統-狀態估計中。兩者在物理特性、量測通信、算法要求及控制主體上存在著差異。
1)物理特性：綜合能源系統中各子系統的能量介質在物理上具有高度的異質性，其中電力系統遵循電磁學定律，在網絡分析中由電磁場方程推導出由時間與一維空間中的偏微分方程組描述的基礎電路理論，然后引入相量方法將電路從時域映射到頻域，最終簡化為代數方程描述的集總參數頻域電路。而熱力系統中最常見的熱介質水和天然氣系統中的天然氣則遵循質量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律。各子系統能量介質的異質性也導致了電-熱、電-氣乃至電-氣-熱系統的實時狀態估計需要面對電、熱、氣3種能量介質動態特性不一致的問題，電力系統暫態過程瞬時完成，而熱網和氣網則為小時級。
2)量測通信：量測數據是系統進行狀態估計基礎，綜合能源系統與電網間量測的差異主要體現在：(1)量測類型;(2)傳感器安裝環境、量測誤差;(3)通信時延及穩定性;(4)通信頻率;(5)配置范圍導致的系統/局部可觀測性。在后續章節中本文將對各子系統的狀態估計量測模型進行詳細敘述和分析。
3)算法要求：在傳統電力系統狀態估計算法與綜合能源系統-狀態估計中，兩者算法濾波性能的關注點不同(整體/局部)，算法精度依賴系統物理模型的精準表述，而傳統電力系統狀態估計僅需關注整體的濾波效果好壞，而綜合能源系統-狀態估計還需關注局部濾波情況，各子系統濾波效果及耦合節點處濾波結果相對整體濾波效果更為關鍵。其次，由于各子系統量測水平的差異，綜合能源系統-狀態估計對數據通信性能、算法抗差性能的要求較電網更高，狀態估計的收斂性及穩定性也需要算法調整解決。由于各子系統時間尺度的差異，實際狀態估計中信息量測時標不一致、系統動態響應時間不一致也需要算法協調，同理，綜合能源系統-狀態估計的計算效率要求較低。
4)控制主體：由于各子系統分屬不同的運營主體，不同的能源系統由統一的能量管理系統進行調控難以實現，各子系統間存在通信壁壘、信息隱私、操作差異和目標差異，需要綜合能源系統-狀態估計在有限量測數據交互的情況下進行可靠的狀態估計。在電-熱、電-氣綜合能源系統狀態估計的領域中，各子課題的研究歷程也是按照上述差異性所導致的問題進行逐一解決。
1.2電-熱互聯綜合能源系統狀態估計理論發展歷程
在電-熱互聯綜合能源系統的狀態估計研究中，文獻[14]首先對電-熱互聯綜合能源系統進行了系統的建模分析，類比電力系統潮流的方式，提出了熱網潮流和電熱耦合網絡潮流的計算方法，并與商業軟件的結果進行對比，為狀態估計在電-熱互聯系統中的應用奠定了“真值”基礎。
緊接著，文獻[15-16]提出了基于熱網穩態模型的熱電聯合狀態估計方法，成功將狀態估計引入到了熱網中。對應上述綜合能源系統-狀態估計與傳統電力系統狀態估計間的異同，該領域學者隨后在壞數據問題[17-20](抗差估計研究)、耦合系統的數據交互問題[21-23](分布式估計)和考慮熱網慢動態特性(動態估計)等方面展開了相應的研究。在電-熱互聯綜合能源系統的狀態估計研究中，學者發現熱網的穩態模型難以描述供水管道中的動態特性，為了更準確地獲得系統的實時狀態，文獻[24]考慮了熱能在管網中傳輸的動態特性，提出了一種兩階段狀態估計策略，以更好地追蹤熱網運行時的溫度變化。
由于熱網中量測數據的采樣分辨率明顯低于電網中量測數據的采樣分辨率，文獻[25]對兩系統的時間尺度特征進行研究，提出了一種混合狀態估計方法，對不同量測下的網絡提出不同的狀態估計解決方案。文獻[27]建立了一種不完全量測配置下電-熱互聯綜合能源系統的魯棒估計模型，設計了在熱力系統質調節與量調節兩種模式下的雙層優化算法。需要說明的是，在城市供熱工程的研究中也有“狀態估計”的概念，大都用于估算熱網的管道熱能損失，且與電力系統狀態估計不同的是沒有冗余度的概念，因此兩處的狀態估計實質含義并不相同。
1.3電-氣互聯綜合能源系統狀態估計理論發展歷程
“狀態估計”“卡爾曼濾波”等技術也應用于氣網中，同樣，不同于電力系統狀態估計的含義，氣網狀態估計中也沒有冗余度的概念[28-31]。文獻[32]將電力系統狀態估計的概念引入電網和氣網的聯合分析中，定量分析了聯合分析對于耦合節點狀態估計效果的影響。文獻[33]針對復雜氣網系統，建立了標幺化體系，證明了電-氣耦合狀態估計相較于單獨狀態估計在獲得系統全局一致解、實現邊界壞數據辨識方面具有明顯的優勢。
文獻[34-35]對綜合能源系統狀態估計研究中存在的初值問題、壞數據問題及計算效率問題進行了更為深入的研究，提出了電氣綜合能源系統抗差及雙線性抗差狀態估計方法，同時，對含壓縮機的支路進行了更為細化的建模，提高了狀態估計的精度。文獻[36]為城市天然氣-電力耦合系統提供了一種區間狀態估計方法，以不確定的思維方式，為綜合能源系統的運行提供數據參考。
針對氣網的動態工況，計及氣網的暫態過程，文獻[37]提出了多時間斷面的電-氣互聯綜合能源系統狀態估計方法，實現了對系統某一時段運行軌跡的準確感知，與此同時，文獻[38]提出了一種基于擴展卡爾曼濾波的電-氣動態估計方法，通過線性外推法和線性內推法生成偽量測數據，最后通過擴展卡爾曼濾波法進行狀態估計，提高了狀態估計的精準度。文獻[39]建立了基于“統一能路理論”的天然氣動態狀態估計模型[39]，以另一種思路平衡了動態狀態估計問題中計算精度與求解效率之間的矛盾，同時，將壞數據辨識環節添加進了動態狀態估計過程中。
1.4綜合能源系統狀態估計研究中的重難點
在綜合能源系統狀態估計的研究中，主要有以下3個層面的難點。
1)模型層面：傳統狀態估計的本質是基于物理模型的數據優化問題，因此對模型精度要求較高，而應用于狀態估計問題的熱網與氣網模型往往過度簡化，適用工況的范圍較窄。
2)數據層面：由于技術和經濟原因，熱網與氣網的監測水平與通信基礎架構遠遠低于電網[40]，因此綜合能源系統的狀態估計器對不良數據辨識、算法收斂性及多維度多斷面數據的完整性要求更高。其次，在大多數情況下，不同的能源系統由統一的能量管理系統進行調控難以實現，怎樣在有限量測數據交互的情況下進行可靠的狀態估計需要進行考慮。
3)時間尺度層面：目前綜合能源系統狀態估計領域仍以針對靜態模型的靜態估計為主，當系統發生較大擾動時，相較于電力系統快速的響應狀態，熱網與氣網較長的暫態過程會使靜態估計模型產生較大的精度誤差，無法進行實時狀態跟蹤監測、滿足系統安全穩定運行的要求。在已有的綜合能源系統動態估計模型中，怎樣平衡隨系統規模指數級增大的計算規模與計算效率之間關系也是研究的難點。
文獻[41]從靜態狀態估計模型和動態估計模型2個角度對綜合能源系統狀態估計方法進行了對比和剖析，整合性的綜述了電-熱、電-氣綜合能源系統狀態估計理論，并在模型機理、數據采集、性能要求、數據安全及軟件開發幾個方面對未來綜合能源系統狀態估計的研究和應用進行了展望。本文介紹思路則圍繞著綜合能源系統狀態估計研究中的模型、數據、時間尺度3個層面在電-熱、電-氣狀態估計領域詳細展開敘述。
2電-熱互聯綜合能源系統狀態估計
2.1電-熱互聯綜合能源系統建模
2.1.1供熱系統認知
供熱系統是熱電廠向熱力用戶提供蒸汽或熱水并回收其返回水的設備和場內管道連接的系統，包括熱源、供熱管網、熱用戶、熱轉換設施等。其中熱源主要包括熱電聯產機組、燃煤鍋爐、電熱鍋爐房配備高溫承壓蓄熱水罐(風電供暖);供熱管網按密封程度不同分為閉式系統、開式系統(熱介質能不能被取出)，按管道根數不同分為單管、雙管、三管、四管系統(根據熱用戶選擇)，按所處地位分為一級管網和二級管網(熱力站)，按供回關系分為供水管網和回水管網(熱源、熱用戶)。
供熱管網中的熱媒主要是為水或蒸汽，其中水需滿足城市水質要求;熱轉換設施主要為熱力站(換熱站);其他重要組成部件還有循環水泵、補水箱、補水泵、閥門(主要安裝于干線、支干線、支線的起點);熱用戶主要包括供暖、通風、熱水供應、生產工藝等。隨著熱電聯產機組、燃氣輪、能源集線器等轉化設備的廣泛應用以及多能源系統耦合程度的不斷加強，原有各供能系統單獨規劃、設計和獨立運行的模式已經難以適應未來能源發展趨勢[42]。
由于熱負荷不恒定需要對熱力系統進行調節，根據供熱地點不同，主要可分為集中調節(調節熱源)、局部調節(調節熱力站)、個體調節;根據調節方法分為質調節(只改變網絡的供水溫度)、量調節(只改變網絡的循環水流量)、間歇調節(改變供暖小時數)。國內城市供熱系統進行熱源調節時，只控制一次側供水溫度和循環水總量，保證按需供熱并均勻分配到熱力站;進行熱網調節時，根據室外溫度確定二次側供水溫度，通過改變一次側流量來保證二次側供水溫度。
2.2電-熱互聯綜合能源系統狀態估計模型
2.2.1量測模型
隨著智能配電網的發展，電網中量測設備的數量、種類和精度也在不斷提高。除了配電網中常見的支路功率和支路電流幅值量測之外，節點注入功率和電壓幅值也可以從智能電表中獲得。在電網中，量測數據采集主要由數據采集與監控(supervisorycontrolanddataacquisition，SCADA)系統、相量測量裝置(phasormeasurementunit，PMU)與高級量測體系(advancedmeteringinfrastructure，AMI)完成。SCADA系統采集的量測數據類型一般為節點電壓幅值、支路電流幅值、支路功率與節點注入功率，采樣周期約為3~5s;PMU的量測數據一般為電壓向量與電流向量，采樣周期約為5~30ms;AMI的量測數據一般為支路電壓幅值、支路電流幅值、支路功率、節點注入功率與用電信息，采樣周期為15，30，60min。
3電-氣互聯綜合能源系統狀態估計
3.1電-氣互聯綜合能源系統建模
相對于熱網而言，氣網在傳輸過程中的能量損耗較小，一般可以忽略不記，因此天然氣可以進行大規模遠距離傳輸;在網絡架構中通常為了保證供氣可靠性建設為環形網架，與輸電網類似。氣網建模的思路與電網、熱網類似，將系統分為節點和支路進行分析，節點又分為氣源節點、負荷節點、平衡節點和耦合節點(燃氣輪機、電轉氣)。氣網構成元素與熱網、電網的類比。
與熱網不同，氣網建模主要是氣網管道流量、加壓站建模和節點流量平衡描述三部分。在穩態建模方面，文獻[59-60]提出了一種考慮燃氣和電力網絡的分析模型，以分析燃氣和電力耦合網絡的運行狀態。文獻[61]類比電力系統潮流，基于牛頓-拉夫遜法計算了氣網潮流。文獻[62]提出了電-氣互聯綜合能源系統混合能量流分析方法。氣網的暫態過程主要體現在氣網管道流量建模這一部分。描述氣網的精確模型是由一組無法采用解析法求解的偏微分方程組構成，該方程組基于能量守恒方程，數值計算難度較大[63]。
3.2電-氣互聯綜合能源系統穩態狀態估計研究
電-氣互聯綜合能源系統量測量主要包括電網節點電壓、節點注入功率、支路功率、氣網節點壓力、節點注入流量、管道流量等。氣網的量測數據由量測設備渦輪流量計與壓力變送器采樣量測量均瞬時完成。文獻[33-34]對氣網中的燃氣壓縮機進行了詳細建模，將燃氣壓縮機的某一恒定量也當作量測量進行狀態估計。電網狀態量一般選擇電壓幅值和相角，在氣網穩態狀態估計中，通常選擇節點壓力或節點壓強的平方作為氣網的狀態量[31-35]，在氣網暫態潮流計算中，選擇節點壓力和管道流量作為氣網的狀態量[70]。
3.3電-氣互聯綜合能源系統動態狀態估計研究
在天然氣網的狀態估計理論中，已有基于卡爾曼濾波的動態狀態估計研究[28-30]，這些方法以單個氣網管道進行狀態估計，與電力系統狀態估計的網絡分析方法不同，忽略了天然氣網絡約束，且要求管道內部的初始狀態已知(一般假設為穩態)，目前還沒有針對天然氣復雜管網的動態狀態估計方法。文獻[37]引入了離散化的天然氣管道方程來描述其暫態變化過程，基于氣網暫態模型構建多時間斷面的電-氣綜合能源系統狀態估計模型，實現了對系統運行狀態的實時跟蹤。
文獻[38]將擴展卡爾曼濾波法應用到電-氣互聯綜合能源系統中，大幅度提高了狀態估計的精準度。文獻[39]基于氣網的統一能路模型，以WLS準則實現了簡單氣網的動態估計，并在動態估計中加入了壞數據辨識環節，平衡了天然氣網絡動態計算中計算復雜度與求解精度之間的矛盾，具有較高的理論研究意義。文獻[27]以無跡卡爾曼濾波算法為基礎，考慮到不同子網絡間的耦合約束，構建了適應多情景的狀態估計順序求解算法。
但由于天然氣系統動態過程明顯慢于電力系統，在二者狀態估計周期差異較大的情況下如何實現融合估計需要考慮;同時，當天然氣系統大擾動下運行狀態劇烈波動時，當前固定周期的動態估計效果欠佳;此外，由于不同能源運營者之間存在信息差距，在耦合的能源系統中采用聯合狀態估計難以實現。因此，基于異步信息交互實現電力系統與天然氣系統之間分布式動態狀態估計理論需要更加深入的研究。
此外，隨著綜合能源系統物理硬件的逐步發展，支撐其安全、經濟運行的量測數據(傳統SCADA量測、相量量測裝置、智能電表量測、天然氣系統量測)日益增加，傳統的電力系統分析理論與方法已經無法有效提取海量數據中的主要特征和有效信息，亟須研究針對綜合能源系統特點的數據挖掘和分析的理論與方法。在電網中，數據驅動技術已經在態勢感知[71-75]、系統控制[76-79]、穩定評估[80]等方面有了較為深入的研究，基于數據挖掘的天然氣系統運行與控制研究卻鮮見報道。文獻[81]建立了一種基于長短期記憶網絡的電-氣耦合綜合能源系統貝葉斯狀態估計模型，通過貝葉斯補全和校正氣網中訓練樣本，解決了氣網量測數據冗余度低，網絡結構不可觀測的問題，為數據驅動在電-氣互聯綜合能源系統中的應用提供了新思路。
4綜合能源系統狀態估計研究展望
綜合能源系統狀態估計問題已得到了學者與工程人員的廣泛關注，基于當前研究所遇到的困難與挑戰，筆者認為該領域以下方向值得深入研究。
1)計及不確定性的多能流耦合系統區間狀態估計隨著世界范圍內能源系統變革，面向未來的能源使用方式和監測體系可能出現更替，電、氣、冷、熱協同運行的場景將會逐漸增多，實現多能流系統的協同狀態估計的需求可能出現。在大規模、多環節、多主體的未來綜合能源系統框架下，系統中的不確定性如分布式電源出力、電氣冷熱負荷功率以及各子系統的量測設備誤差將大大增加。因此，為了在提高新能源消納率的前提下保證綜合能源系統安全穩定運行，計及系統中不確定性的區間狀態估計方法值得深入研究。
2)基于統一能路理論的綜合能源系統狀態估計目前，綜合能源系統狀態估計體系仍停留于在熱網、氣網穩態模型的基礎上處理數據與模型間的關系，無法在大擾動狀況下進行系統實時狀態跟蹤監測、滿足系統安全穩定運行的要求。而已有的暫態模型在此狀態估計體系下存在計算時間長、收斂穩定差的缺點，無法應用大規模綜合能源系統。因此，相關學者積極對電、氣、熱統一的能流框架進行研究，如清華大學所提的統一能路理論，基于該統一能路理論實現綜合能源系統的動態狀態估計具有重要意義。
3)綜合能源系統分布式異步狀態估計研究當系統發生較大擾動時，相較于電力系統快速的響應狀態，熱網與氣網較長的暫態過程會使靜態估計模型產生較大的精度誤差，全局理想估計較為困難，無法進行實時狀態跟蹤監測、滿足系統安全穩定運行的要求，因此，有必要在系統量測時標不統一，動態響應時間不一致的前提下，研究綜合能源系統的分布式動態狀態估計。
5結語
綜合能源系統在對區域資源協調配置、提高能源利用效率、可再生能源的滲透率和能源系統靈活性上起到了巨大的推進作用。發展綜合能源系統，是實現中國2060“碳中和”宏偉目標的重要途徑。面對耦合日益緊密的電-熱、電-氣綜合能源系統，現有的能量管理模式、調度方案難以充分發揮綜合能源系統的優勢。作為現代能量管理系統的核心，狀態估計技術有望為綜合能源系統的協同調度、安全運行提供可靠的數據支撐。
本文綜述了電-熱、電-氣互聯綜合能源系統狀態估計理論的研究現狀，在國網“碳達峰”“碳中和”行動方案的推進下，綜合能源系統的發展對于構建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要意義。本文從模型層面、數據層面和時間尺度層面，對電-熱、電-氣互聯綜合能源系統的狀態估計理論的研究思路和發展歷程進行了闡述和分析比較，分別、具體地介紹了電-熱、電-氣2個子問題的研究邏輯和類比思路，使讀者對該領域具有一個較為全面和基礎的認識，期望為后研究提供支撐。
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作者：臧海祥，耿明昊，黃蔓云，衛志農，陳勝，孫國強
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