如何實現區域能源互聯網在概念上的優勢呢，清華大學的孫宏斌教授系統地提出了：面向區域能源互聯網的多能互補綜合能量管理。在2015年小編到清華大學拜訪孫教授時，他就曾提到該項研究。在2017年12月的國家能源互聯網大會上，孫教授正式將這一研究成果進行分享、探討。
       追求效益最大化的最優控制問題
       如何通過“多能互補、源網荷協同”實現安全供能前提下的效益最大化，這是在能源互聯網示范項目的實施中，專家們都很關心的一個焦點問題。這實現起來并不容易，從技術層面來看，這個焦點問題可歸結為復雜的多能流網絡的最優控制問題。這個最優控制問題是要追求效益的最大化，效益=收入-費用，約束前提是安全供能。這里的收入包括了售能、售服務，費用有購能、購服務等。優化的手段分布在冷、熱、氣、電、水、交通，源、網、荷、儲等各個環節。約束條件包括供需平衡、運行的物理范圍，以及供能安全等。這個焦點問題最終是通過一套系統來實現的，這套系統就叫做多能互補綜合能量管理系統（Integrated Energy Management System），簡稱IEMS。
       EMS的發展歷史
       IEMS可以認為是第四代能量管理系統（Energy Management System，EMS）。EMS是在電網調度控制中心應用的在線分析、優化和控制的計算機決策系統，是電網運行的神經中樞和調度指揮司令部，是大電網的智慧的核心。孫教授的課題組研究EMS已有30多年。首先來回顧一下EMS的歷史。
       第一代EMS出現在1969年以前，叫做初期EMS。這種EMS僅包含SCADA供能，只是把數據采集起來，沒有實時網絡分析、優化、協同控制，網絡分析和優化主要靠離線計算，屬于經驗型調度。現在的園區管理，絕對不能停留在經驗型調度的水平上，而是需要精益化的管理，提高核心競爭力。
       第二代EMS出現在20世紀70年代初～21世紀初，叫做傳統EMS。這一代EMS的奠基者是Dy-Liacco博士，他提出了電力系統安全控制的基本模式，發展了實時網絡分析、優化、協同控制，所以在上個世紀70年代，EMS得到了迅速發展。我國1988年完成四大電網調度自動化系統的引進，之后完成消化、吸收、再創新，開發出自主知識產權的EMS。當時清華大學承擔了東北電網EMS的引進、消化和吸收，因為當時東北是重工業基地，東北電網的網調是最大的，全國負荷最大的就在東北。目前國內的EMS已基本國產化，這一時期的調度已經屬于分析型調度，上升到了新層次。
       第三代EMS是源網荷協同的智能電網EMS。其出現在大規模可再生能源發展之后，這時候還沒有多能橫向的協同，只有源網荷的協同。針對大規模可再生能源不可控、波動性的特點，需要大量的靈活性資源，從源-輸，轉向荷-配，這時候的EMS可集成利用各類分布式資源，發展分布自律-集中協同架構，從源、網到荷，都有相應的EMS。源有風電場和光伏電站的EMS，荷有電動汽車、樓宇和家庭的EMS，網有輸電、配網、微網的EMS，這些EMS首先是自律，然后通過通信網聯結在一起形成協同，這時候就可以稱為EMS家族了，EMS家族有很多成員，不同成員有不同特點，共同實現智能電網的源網荷協同。
       第四代或者說下一代EMS，稱之為多能互補的綜合能量管理系統,也就是IEMS。這里的綜合是把各種能源集成和綜合。由于各類能源割裂，綜合能效低，所以需要綜合和梯級利用；同時由于靈活性資源嚴重不足，大量棄風、棄水、棄光，所以需要拓展到多種能源互聯，從多種能源里面找到新的靈活性資源，來支持大規模可再生能源的消納；通過效益最大化的綜合優化調度，在保障供能安全和優質的前提下，降低用能成本，提高綜合能源服務的經濟效益。
       下圖給出的就是IEMS的示意圖。

       它像一個大腦，底下是一個綜合能源系統，冷、熱、氣、電、水、交通，各種能流，叫多能流。在英國召開的國際應用能源大會（ICAE）上，該系統被大家公認在世界上還沒有先例。2017年在清華大學發布的最新成果“園區多能互補綜合能量管理系統”是全球第一個IEMS產品。課題組將做了30年的電網EMS拓展成IEMS非常困難，通過5年的學習研發，也基于30年電網EMS的研發經驗，終于成功研制出了IEMS。
       IEMS的主要功能
多能流SCADA。用于實現完整、高性能的準穩態實時數據采集和監控功能，是后續預警、優化和控制等功能的基礎，并利用系統軟件支撐平臺提供的服務。多能流SCADA是IEMS的“感官系統” ，基于能源物聯網，采集多能流數據（采樣頻率：電為秒級，熱/冷/氣為秒級或分鐘級），完成相應的監控功能，并將數據提供給狀態估計及后續高級應用功能模塊，接收系統運行調控指令，并通過遙控/遙調信號下發給系統設備執行。多能流SCADA的功能界面包括能流分布、場站接線、系統功能、綜合監視、操作信息、分析評估、智能報警等。
       多能流狀態估計。由于多能流傳感網絡測點分布廣、量測種類多、數據質量低、維護難度大、成本敏感度高，所以出現采集數據不全、錯誤的情況在所難免。因此多能流網絡需要狀態估計技術提供實時、可靠、一致、完整的網絡狀態，為IEMS的評估和決策提供基礎。多能流狀態估計通過補齊量測數據、剔除壞數據，可以實現壞數據的可估計、可檢測、可辨識，最終達到減少傳感器安裝數量、降低通信網絡復雜程度、降低傳感網絡的投資和維護費用的效果，通過提高基礎數據的可靠性來提高評估與決策的可靠性，降低能源網絡運行事故風險。
       多能流安全評估與控制。安全的重要性不言而喻，而能源系統的安全尤其關乎生命和財產安全。一方面需要建立“N-1”安全準則的概念，這個概念就是去關注最薄弱的環節，并且做出預案。上午我們成果的發布會上舉了一個例子，是說臺灣近期的一次大停電是由氣的閥門故障導致的，那么那個閥門就是氣-電耦合綜合能源系統的一個薄弱環節。所以一定要時刻關注薄弱環節，出現問題一定要有預案，否則會面臨巨大的風險。另一方面要關注園區交易關口的安全控制，園區關口的容量配置和運行的成本是個關鍵問題，一方面是容量越大變壓器的投資成本越高，另一方面容量越大電網公司收取的容量費也越高。比如：50兆瓦容量和100兆瓦容量投資和運行的總成本相差很大，如果設計成50兆瓦的容量，萬一實際容量超過了，會燒掉變壓器。該怎么將關口潮流控制在50兆瓦以內，這就是安全控制問題。在多能流系統中，不同能源系統相互耦合和影響，某一部分的故障和擾動會影響到多能流系統的其他部分，有可能造成連鎖反應，因此需要進行耦合分析。可以利用熱、氣等系統的慣性提供的靈活性，為電系統的安全控制提供新手段，可以利用這些新手段，做協同安全控制。
       多能流優化調度。這里有幾個重要的概念：啟停計劃、日前調度、日內調度、實時控制。一個園區或者是城市的三聯供、燃氣機組、電鍋爐都是可以啟停的，有一些設備停下來可以降低成本，這就可以根據確定日前的最優啟停計劃進行啟停。然后在啟停基礎上調節多少出力，這是日前調度。而日內調度是由于風光出力變了、負荷變了，所以日內需要再調度，以此來適應新的適合的發電出力，維持最優的出力和負荷的平衡。最后到了秒級還要進行控制，如對于網絡安全問題、調壓問題、調頻問題，都需要進行實時控制。調度的時間尺度較長，一般以15分鐘為單位，控制是以秒為單位，時間尺度較短。在多能流系統中，其可調控的手段比單一能源系統要多，從源網荷儲的角度出發，可實現冷、熱、氣、電等的綜合調度和控制。
       多能流節點能價。一個園區或者是智慧城市，一定要考慮建設一個非常好的內部的商業模式。內部的商業模式不是對外的，不是對上的，而是對園區內用戶的，這樣的一個商業模式應該是什么樣？最科學的模式就是節點能價的模式。節點能價的模式首先需要通過計算確定各個地方的用能成本是多少，用能成本包括四個部分：一是能量發出來的成本；二是傳輸損耗的成本；三是網絡阻塞的成本；四是多能耦合的成本。然后需要科學精準地計算各個結點的能價，包括冷價、熱價、氣價和電價，不同時刻、不同地點的價格，只有通過精準計算，才能使園區總的用能成本顯著下降，因為可以用價格的信號來引導用戶用能。這樣整個園區的用能成本則可以通過柔性的能價手段得到顯著下降。
節點能價根據供應商的生產邊際成本制定，當線路出現阻塞時，各節點的價格根據所在位置的不同而呈現不同的價格，實時價格可以激發用戶側的靈活性。節點能價科學體現了成本，有利于建立公平的內部市場機制。
       多能流虛擬電廠。虛擬電廠是對上級市場的商業模式，整個園區或城市都可以變成一個大的虛擬電廠，盡管不是物理電廠，但是有很多儲能和冷熱電三聯供等分布式電源，聯合起來就可以變成一個大的可調節的市場主體。因為分布式資源容量小、數量多，市場難以單獨管理，通過虛擬電廠的集合，可以通過軟件架構實現多個分布式資源協同優化運行，為外部市場提供調峰、調頻、調壓等服務，有利于總體資源的優化配置和利用。這樣的商業模式能夠帶來很高的經濟收益，這在美國已經成為現實。
虛擬電廠在優化調度的基礎上，可以將園區內的分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合整體，從而園區可以作為一個整體參與上級電網的運行和調度。虛擬電廠協調上級電網與分布式資源間的矛盾，充分挖掘分布式資源為電網和用戶所帶來的價值和效益，實現與電網的友好互動。
       如下圖所示是多能流虛擬電廠的內部組成架構。

       橫向來看依次是源網荷儲。源側包括常規的供電設備、CHP機組、燃氣鍋爐等設備，以及外部電網供電、可再生能源接入；網架分為冷熱電等傳輸系統；荷側為園區內部的電、熱、冷負荷；在儲能方面，不同能源子系統均有各自的儲能設備。縱向來看依次是電、氣、熱、冷多能互補運行。不同的能源子系統分別用不同的顏色表示，多種能源轉化設備（熱泵、CHP、燃氣鍋爐、溴化鋰機組）將不同的能源子系統相耦合。園區內部多種能源形式以虛擬電廠的形式組合在一起綜合運行，在保證電、熱、冷負荷可靠供應的前提下，實現了能源的梯級利用，提高能效，降低用能成本。并且對于波動性很強的可再生能源而言，綜合能源系統具有更多的靈活性，促進了可再生能源的接納，進一步提高系統經濟性。