能源网-信息网-交通网三网融合的规划与运行关键技术研究

This project addresses the top-level design, key technologies, and simulation methods for the synergetic development of future energy, information and transportation systems (hereinafter referred to as energy-information-transport systems, EITS). First, this project visions the general framework and roadmap, studies the basic interactive mechanisms and models, and proposes the market mechanisms and business models for the synergetic development of EITS. Then, this project investigates the key methodologies for planning core infrastructures that enable the synergetic development of EITS. These infrastructures include charging/swapping stations for plug-in electric vehicles, refueling systems (hydrogen refueling stations, generation plants, and transport networks etc.) for hydrogen fuel cell electric vehicles, and the information infrastructure. Thirdly, this project proposes the theories and methodologies for operation optimization of the synergies of EITS considering the completeness of information. Lastly, this project develops a systematic simulation platform to validate the proposed methods and evaluate the social benefit by introducing the synergetic development of EITS. The innovations of this project include: 1) It focuses on the core elements of EITS, i.e., plug-in electric vehicles, hydrogen fuel cell electric vehicles, and electrified rail transit, under the background of the rapid development of transportation electrification and energy internet; 2) It makes substantial breakthroughs on key technologies in both collaborative planning and operation optimization to promote the synergies of EITS which promotes the efficiency, intelligence and resilience of both energy and transportation systems; 3) It effectively combines methodologies and simulations. The research achievements of this project will significantly promote the synergies of the energy and transportation systems, further decarbonize and enhance intelligence of both systems.

本项目主要研究能源网-信息网-交通网三网融合发展的顶层设计、关键技术和仿真分析问题。首先，研究三网融合发展的总体架构与发展路径、机理与模型、市场机制与商业模式。其次，研究促进三网融合的关键基础设施规划技术，包括电动汽车充换电设施，氢燃料电池汽车加氢、制氢与转运设施，和信息网络设施等。再次，研究实现三网融合的运行优化理论与方法，考虑信息的完备性并提出相应的控制模式与策略。最后，研发三网融合的综合仿真平台，评估三网融合的价值。项目的主要特色包括①以发展电气化交通和能源互联网为大背景，聚焦于三网融合的关键元素，即电动汽车、氢燃料电池汽车和城市轨道交通；②以融合发展提升能源网和交通网的效率、智能化和安全性为目标，重点突破能源与交通系统协同规划与优化运行方面的关键技术；③理论研究与仿真分析相结合。研究成果对促进能源和交通的物理与信息融合、推动两者的低碳与智能化发展具有重要的理论意义和应用潜力。

在新能源汽车和可再生能源发电快速发展，在能源、交通和信息系统关联日趋紧密的背景下，本项目研究“能源网-信息网-交通网”三网融合发展的顶层设计、关键技术和仿真分析问题，主要研究内容包括：① 研究三网融合发展的架构与路径、机理与模型、市场机制与商业模式；② 研究三网融合的基础设施规划模型与方法，进一步研究能源与交通系统的协同规划方法；③ 研究三网融合的运行优化理论与方法，包括数据驱动的电动汽车充电网络运行优化、能源与交通网协同运行优化等；④ 在交通网和通信网仿真技术研究的基础上，研发三网融合的仿真软件。项目的主要创新性成果包括：① 提出了一种基于实际充电数据和条件随机场模型评估电动汽车充电需求时空价格弹性评估方法，可实现分区域分时段的充电需求响应能力评估与充电定价；提出了一种基于软件定义广域网的数据流协调控制方法；构建了交通网和电力网的协同运行框架，提出了该框架下的双层优化模型和基于深度强化学习的求解方法；② 提出了城市内光储充一体化充电站的优化规划方法，提出了考虑交通网和配电网运行约束的充电网络与分布式光伏联合规划方法；提出了考虑能源生产、运输、转换约束及其经济效率的综合能源系统弹性规划模型和两阶段-三层模型求解算法；研究并提出了城市电网、天然气管网以及充电站、加气站等设施的协同规划方法；③ 研究提出了电动公交车调度策略和车队规模优化方法；提出了基于“导师-学生”制强化学习框架的电动网约车、出租车队在线运营管理策略；考虑交通网和电网的耦合，提出了多个加氢站的多时段优化定价和运行优化的数学模型和迭代求解算法，并提出了考虑氢燃料电池汽车需求响应的电-氢综合能源系统联合运行；提出了大规模电动汽车平衡新能源发电波动的长时间尺度充放电调度策略。项目所提出的理论方法和开发的软件，可用于指导新能源汽车补能设施规划、三网融合的联合规划，并可实际用于新能源汽车、补能设施以及能源与交通系统融合的优化运行。