區(qū)域能源優(yōu)化配置原則設(shè)計(jì)

王婉君，朱永強(qiáng)，夏瑞華

(華北電力大學(xué)，北京市102206)

區(qū)域能源優(yōu)化配置原則設(shè)計(jì)

王婉君，朱永強(qiáng)，夏瑞華

(華北電力大學(xué)，北京市102206)

隨著智慧能源、能源互聯(lián)網(wǎng)等概念的提出，人們對于能源的利用從能源種類到利用形式越來越多樣化。該文重新定義多種能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的概念，并對局域能源網(wǎng)、區(qū)域能源網(wǎng)和廣域能源網(wǎng)進(jìn)行劃分。在能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中，很重要的一項(xiàng)工作是能源優(yōu)化配置。為了更好地配置能源，需要遵守特定的原則，但是目前很少有文獻(xiàn)對于能源配置原則進(jìn)行討論。以區(qū)域能源網(wǎng)為研究對象，設(shè)計(jì)區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)中能源優(yōu)化配置的若干原則，并對每一個(gè)原則進(jìn)行了詳細(xì)的說明。最后以天津港為例對所提出的能源優(yōu)化配置原則的應(yīng)用進(jìn)行演示。

多種能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域能源網(wǎng)；能源配置

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對能源的需求越來越高。但是能源的儲備不會隨著人們的需求增加而增多，因此如何能把有效的能源最大化利用，維持整個(gè)能源體系的可持續(xù)性成為近幾年關(guān)注的焦點(diǎn)。近幾年“智慧能源”、“能源互聯(lián)網(wǎng)”成為了研究的熱點(diǎn)，縱觀國內(nèi)外的學(xué)者，他們對一些概念也有不同的理解[1-7]。文獻(xiàn)[1]給出了能源互聯(lián)網(wǎng)的初步定義，概述了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)及其組成，并討論了相關(guān)領(lǐng)域的核心問題與可能面臨的問題；文獻(xiàn)[2]對能源互聯(lián)網(wǎng)和智慧能源做出了很好的分析，把能源互聯(lián)網(wǎng)分為全球能源互聯(lián)網(wǎng)、廣義能源互聯(lián)網(wǎng)與狹義能源互聯(lián)網(wǎng)，并分別展開詳細(xì)分析每一類能源互聯(lián)網(wǎng)的概念；文獻(xiàn)[3-5]對能源互聯(lián)網(wǎng)的框架設(shè)計(jì)和拓?fù)淠Ｐ偷脑O(shè)計(jì)都進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；文獻(xiàn)[6-7]對能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等綜合評價(jià)進(jìn)行了研究。

隨著對能源互聯(lián)網(wǎng)和智慧能源的研究工作的推進(jìn)，作為重要部分的“能源”，人們對其提出了更高的要求，無論是在能源形式、能源質(zhì)量、可持續(xù)性還是經(jīng)濟(jì)性等方面。因此如何對一個(gè)區(qū)域進(jìn)行能源優(yōu)化配置成了建設(shè)該區(qū)域能源網(wǎng)一項(xiàng)必須的工作。目前對于能源的優(yōu)化配置主要都是針對某一方面進(jìn)行研究，沒有一個(gè)系統(tǒng)性的能源配置原則。文獻(xiàn)[8]針對中國區(qū)域能源供給的安全問題進(jìn)行了研究，提出區(qū)域能源供給安全優(yōu)化的路徑與策略；文獻(xiàn)[9]對小城鎮(zhèn)的能源優(yōu)化配置進(jìn)行了研究，對小城鎮(zhèn)能源優(yōu)化配置的政策措施進(jìn)行初步探討；文獻(xiàn)[10-12]都是考慮能源優(yōu)化過程中某一個(gè)因素，對相關(guān)優(yōu)化的算法、模型進(jìn)行研究。

本文考慮能源網(wǎng)對能源安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的要求，旨在對區(qū)域能源優(yōu)化配置進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)適合一般情況下能源優(yōu)化配置的原則，為未來能源網(wǎng)的建設(shè)提供參考。本文提出區(qū)域能源優(yōu)化配置的原則，分析了不同原則之間的關(guān)系，給出了能源優(yōu)化配置的流程圖，并以天津港為案例體現(xiàn)能源優(yōu)化配置原則。

1 多種能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本概念

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其層次

在能源互聯(lián)網(wǎng)研究初期，不同研究人員對能源互聯(lián)網(wǎng)的理解都有所不同。本文提出了多種能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(簡稱能源網(wǎng))的概念。

多種能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(multiple energy network，MEN)就是集成多種能源形式的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、利用的綜合能源利用網(wǎng)絡(luò)。不同能源形式在自己特有的能源網(wǎng)絡(luò)中流動，不同能源網(wǎng)絡(luò)之間以特定的形式互通互聯(lián)，形成多種能源組合利用的網(wǎng)絡(luò)。

能源網(wǎng)包括局域能源網(wǎng)、區(qū)域能源網(wǎng)和廣域能源網(wǎng)多種層次。相關(guān)文獻(xiàn)對這些概念有過一定的討論[2,13-14]，但是對于局域、區(qū)域、廣域等概念的區(qū)分比較模糊，似乎沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，甚至不同文獻(xiàn)提到的相同的名詞代表的是不同的概念，給相關(guān)方向的后續(xù)研究造成了不少的困擾。因此，梳理相關(guān)概念，建議統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)很有必要。

事實(shí)上，不同層次的能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在規(guī)劃建設(shè)時(shí)，所考慮的內(nèi)容有很大的差別，包括用戶復(fù)雜性、地理范圍、影響因素、用能情況等。本文根據(jù)以上考慮的內(nèi)容，給出了局域能源網(wǎng)、區(qū)域能源網(wǎng)和廣域能源網(wǎng)的大致劃分方法，如表1所示。3種能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的層次關(guān)系如圖1所示。

表1能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層次劃分
Table1HierarchicaldivisionofMEN

目前很多研究能源互聯(lián)網(wǎng)的文獻(xiàn)，大多以電力為核心進(jìn)行討論。本文把各種能源放在平等的位置上進(jìn)行討論，探討不同能源形式、不同網(wǎng)絡(luò)層次之間的關(guān)系，具有如下特點(diǎn)：(1)各種能源形式都是為了滿足用戶的能量需求，只有數(shù)量上的差異，沒有地位上的差別。(2)每一種能源形式都可能具有完整的或者局部的能源網(wǎng)絡(luò)，多種能源網(wǎng)絡(luò)之間可以通過能源轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。(3)根據(jù)用能的規(guī)模和負(fù)荷分布情況，能源網(wǎng)絡(luò)會有不同的層次(例如：電網(wǎng)表現(xiàn)為不同的電壓等級)，不同層次之間具有某種程度的關(guān)聯(lián)，同一層次內(nèi)部各個(gè)能源微網(wǎng)之間也相互聯(lián)系、相互補(bǔ)充。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層次關(guān)系示意圖Fig.1 Sketch map of hierarchical relation of MEN

綜上所述，MEN的提出是為了構(gòu)造一個(gè)對等互聯(lián)、開放共享、多源協(xié)同、低碳高效的能源利用網(wǎng)絡(luò)，推動我國能源革命進(jìn)程，緩解我國嚴(yán)峻的能源環(huán)境。MEN的關(guān)鍵技術(shù)包括能源管理技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)、先進(jìn)儲能技術(shù)、先進(jìn)信息技術(shù)等，其核心都是保證多種能源網(wǎng)絡(luò)的整體協(xié)調(diào)和多種形式能源的綜合高效利用。

1.2 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)概念

本文主要是針對區(qū)域能源網(wǎng)進(jìn)行研究。所謂區(qū)域能源網(wǎng)是指基本包括最終能源種類、用戶數(shù)量較多、地理范圍較大，簡單考慮目標(biāo)地區(qū)內(nèi)人文因素和政治因素，并在充分考慮區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有資源(能源資源和設(shè)備資源)的基礎(chǔ)上，通過對各種設(shè)備、技術(shù)、系統(tǒng)進(jìn)行綜合、集成、互補(bǔ)應(yīng)用，并綜合考慮區(qū)域外能源，因地制宜完成能源的生產(chǎn)、供應(yīng)、輸配、使用和排放的全過程的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[15-16]。

這里的區(qū)域可以小到2個(gè)相鄰的建筑，也可以大到某個(gè)城市、島嶼等。從地理范疇來看，它是一個(gè)中等范圍的概念；從用戶范疇來看，它突破單一用戶類型屬于較復(fù)雜的概念；從用能種類范疇來看，它包括基本終端能源形式。區(qū)域能源網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了1個(gè)區(qū)域內(nèi)多個(gè)單位、多個(gè)用戶的互聯(lián)，不同用戶之間的負(fù)荷互補(bǔ)，滿足不同類型的用能需求，區(qū)域能源網(wǎng)基本可以實(shí)現(xiàn)能源的高效、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)性的利用。

對區(qū)域能源網(wǎng)的研究，包括能源供給側(cè)和能源需求側(cè)。能源供給側(cè)既包括傳統(tǒng)的能源(天然氣等)，也包括可再生能源(太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?；既包括單一形式的能源供應(yīng)形式(光伏發(fā)電、太陽能熱利用等)，也包括冷熱電聯(lián)產(chǎn)的多種能源供應(yīng)形式；以及它們之間的有效配置。在能源需求側(cè)，區(qū)域能源網(wǎng)能夠滿足用戶對冷、熱、電、汽等多種終端能源的需求，從而為各種能源的一元化管理提供有利條件。

2 區(qū)域MEN能源優(yōu)化配置原則

對于MEN的規(guī)劃建設(shè)，能源配置是其重要的部分之一。一個(gè)合理的能源配置是MEN清潔、安全、可持續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于不同區(qū)域之間和同一區(qū)域不同能源形式之間的差異性，對于MEN的能源優(yōu)化配置就有很大差異。MEN包括電、冷/熱、天然氣等多種能源形式，每一種能源形式的選擇都有不同的標(biāo)準(zhǔn)，本文以MEN對于安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的要求為前提，考慮不同區(qū)域，不同能源和負(fù)荷形式的差異性，設(shè)計(jì)出區(qū)域能源優(yōu)化配置原則。具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 能源優(yōu)化配置原則Fig.2 Optimized allocation principle of energy

2.1 能源供需平衡原則

P1+P2+P3-Pb≈Pc

(1)

E1+E2+E3-Eb≈Ec

(2)

能源供需平衡是保證能源網(wǎng)絡(luò)安全可靠性的重要部分。能源供需平衡包括2部分：功率平衡和能量平衡。如公式(1)所示，功率的平衡指任何場景、任何時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)的功率保持平衡，即各設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)功率P1、P2、P3，除去損耗功率Pb，等于系統(tǒng)所需功率Pc。如公式(2)所示，能源供給量是指一定時(shí)期內(nèi)能夠提供的能源總量，按能源來源可劃分為自產(chǎn)量E1、外部輸入量E2和庫存量E3。能源需求量是指一定時(shí)期內(nèi)用戶所需能源總量，按照能源用途可劃分為消耗量Ec、備用量Eb。

負(fù)荷過高會嚴(yán)重影響能源網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，對設(shè)備造成損害，負(fù)荷過低又會造成能量的浪費(fèi)和部分機(jī)組的閑置。目前很多能源供需失衡，整體波動較大，為了滿足用戶的能源需求，往往就會增加供能機(jī)組的投入，但是這并不能真正解決問題。因此保證能源供需平衡是能源優(yōu)化搭配過程中必備要求之一。

2.2 能源質(zhì)量保證原則

能源質(zhì)量是保證MEN安全可靠運(yùn)行的必備因素之一?？紤]能源質(zhì)量的指標(biāo)有2個(gè)：能源連續(xù)性和能源平穩(wěn)性。當(dāng)能源網(wǎng)絡(luò)因故障或者檢修等原因停運(yùn)時(shí)，如何保證能源供給的連續(xù)性是必須要考慮的重要方面。對于平穩(wěn)性，在電能方面表現(xiàn)為振幅和頻率的穩(wěn)定性；在供熱方面表現(xiàn)為蒸汽流量的均勻和穩(wěn)定性等。因此保證能源的連續(xù)性和平穩(wěn)性是保證能源質(zhì)量需要考慮的方面。

充分考慮影響能源質(zhì)量的因素，可以采取以下措施幫助保證能源質(zhì)量。

(1)搭配儲能和備用。已知在區(qū)域MEN中包含不穩(wěn)定的新能源，需求側(cè)的負(fù)荷也復(fù)雜多變。因此配置儲能可以平滑能源和負(fù)荷波動，保證能源質(zhì)量。充足的備用也可以在區(qū)域MEN發(fā)生停運(yùn)時(shí)保證能源供給及時(shí)、高效的補(bǔ)充，以保證能源供給的持續(xù)性。

除了儲能和備用，協(xié)同控制各種能源形式，讓不同的能源形式之間互為備用、相互補(bǔ)充也是一種保證能源質(zhì)量的方法，以其他能源替代和轉(zhuǎn)換成所需能源，達(dá)到系統(tǒng)能源及時(shí)、高效、穩(wěn)定的供給。

(2)搭配補(bǔ)償設(shè)備。補(bǔ)償設(shè)備是區(qū)域MEN保證能源平穩(wěn)性首選的方法之一。已知電網(wǎng)一般都包括變壓器、異步電動機(jī)等，這些裝置都會消耗大量的無功功率。因此在電網(wǎng)中一般設(shè)置無功補(bǔ)償[17]。在供熱網(wǎng)中因?yàn)闊崮艿奶攸c(diǎn)，為保證供熱的平穩(wěn)性一般會設(shè)置蓄熱裝置。

(3)能源總線。能源總線可以匯總不同種類的低品位能源，發(fā)揮規(guī)模效益。在供熱網(wǎng)中，能源總線將不同來源的低品位熱源或熱匯水集成，通過輸送管網(wǎng)為末端用戶提供優(yōu)質(zhì)的熱源和熱匯[18]。在電網(wǎng)中，例如風(fēng)車提水發(fā)電。

2.3 能源充分利用原則

能源的充分利用是滿足MEN的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的必備原則之一。在對MEN規(guī)劃建設(shè)時(shí)，根據(jù)區(qū)域能源和負(fù)荷的情況合理地配置能源，充分發(fā)揮地區(qū)內(nèi)能源的生產(chǎn)能力。在保證能源需求的前提下，減小能源消耗量，實(shí)現(xiàn)能源利用的最大化。能源的充分利用在一定程度上提高了經(jīng)濟(jì)性，也滿足能源的可持續(xù)性利用要求。

除了單一能源形式利用的最大化，能源的充分利用還包括不同能源形式的充分利用。在傳統(tǒng)能源基礎(chǔ)上，合理采用風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能等可再生能源，構(gòu)成一個(gè)多種能源互補(bǔ)的供能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電、熱、冷聯(lián)供，既能充分利用能源，提高能源利用效率，又可以減少單一能源供能能源質(zhì)量低的缺點(diǎn)，因此在一定程度上滿足安全可靠性的要求，也可以緩解過度消耗某一能源給環(huán)境造成的壓力。

2.4 能源合理開采原則

能源合理開采原則是為了滿足能源可持續(xù)性利用的重要部分之一。隨著能源危機(jī)、土地沙化、環(huán)境污染、物種滅絕和森林面積減少等問題的不斷出現(xiàn)，國家提出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略?？沙掷m(xù)發(fā)展指滿足當(dāng)前需要而又不削弱子孫后代滿足其需要能力的發(fā)展?？沙掷m(xù)發(fā)展還意味著維護(hù)、合理使用并且提高自然資源基礎(chǔ)。

因此在能源配置和開采時(shí)應(yīng)該與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，按照規(guī)劃要求合理地開采，以保持當(dāng)?shù)啬茉吹目沙掷m(xù)性。

2.5 低環(huán)境成本原則

環(huán)境成本是為避免“污染經(jīng)濟(jì)損失”或者為了等值補(bǔ)償污染物的“污染經(jīng)濟(jì)損失”所付出的代價(jià)。環(huán)境成本的計(jì)算一般包括2方面：(1)因環(huán)境污染造成的環(huán)境質(zhì)量下降，因環(huán)境污染引起而非環(huán)境方面的損失，如因有害物質(zhì)損害人體健康、空氣污染造成的農(nóng)業(yè)損失等；(2)向有關(guān)部門繳納排污費(fèi)。

低環(huán)境成本原則是維持能源利用經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的必備因素之一。堅(jiān)持能源配置的低環(huán)境成本原則，就需要從能源利用方式和能源種類著手，可以選擇清潔能源，提高能源的利用率，減少有害物質(zhì)的排放量等措施。

2.6 分區(qū)考慮原則

分區(qū)考慮原則包括2方面的內(nèi)容，一方面是主要針對經(jīng)濟(jì)性的能源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中硬件設(shè)施布置的合理性；另外一方面是在能源的利用方面做到“就地生產(chǎn)、就地利用”，減少能源遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪茉磽p失，保證能源的可持續(xù)性。

因此根據(jù)區(qū)域的不同，將會有不同的能源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。考慮經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性，主要包括以下幾個(gè)方面。

2.6.1區(qū)域劃分

在能源配置時(shí)可以根據(jù)地域特點(diǎn)、能源和負(fù)荷特點(diǎn)把區(qū)域劃分為不同的微區(qū)域。每個(gè)微區(qū)域稱為一個(gè)能源微網(wǎng)。能源微網(wǎng)是由分布式發(fā)電設(shè)備、供熱設(shè)備、儲能裝置、負(fù)荷側(cè)以及控制系統(tǒng)組成。每一個(gè)能源微網(wǎng)相對獨(dú)立，但又相互聯(lián)系，不同能源微網(wǎng)之間互為補(bǔ)充，互為備用。區(qū)域劃分不同的能源微網(wǎng)之后，優(yōu)化能源空間配置，加強(qiáng)分區(qū)域總量的調(diào)控，有利于保障區(qū)域能源的供給。

2.6.2就地利用原則

能源就地利用可以降低能量遠(yuǎn)距離輸送過程的損失。能源靠近用戶布置，就可以實(shí)現(xiàn)能量的“就地生產(chǎn)、就地利用”，實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境的保護(hù)和對能源的節(jié)約。

2.7 能源合理搭配原則

能源合理搭配原則是保持區(qū)域MEN安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性一個(gè)重要的方面。主要包括以下2個(gè)方面。

2.7.1能源互為備用

區(qū)域MEN涉及到多種能源形式，因此在區(qū)域MEN運(yùn)行時(shí)，合理搭配的能源形式可以讓不同區(qū)域的能源儲備互為備用，同一區(qū)域不同能源微網(wǎng)之間能源儲備互為備用，同一能源微網(wǎng)不同能源形式互為備用，這樣就能保證每一個(gè)單一網(wǎng)絡(luò)都有足夠的能源儲備，可以提高能源網(wǎng)的安全可靠性，也可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源網(wǎng)對備用能源儲量的要求，減少了成本。

2.7.2能源形式多元化

能源多元化利用是一種保證區(qū)域MEN安全的策略，同時(shí)也是能源利用的趨勢，可以在很大程度上彌補(bǔ)單一能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的能源供應(yīng)不足。一般區(qū)域都具備不止一種的能源，除了煤、石油、天然氣以外，還包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能等可再生能源。不同區(qū)域應(yīng)該根據(jù)自身的能源情況，促進(jìn)潛在能源的開發(fā)和能源供給的多元化，以保證區(qū)域能源供應(yīng)的安全可靠性。

2.8 能源替代原則

伴隨著能源形式的更替和利用形式的更新，不同區(qū)域在原有的基礎(chǔ)上，考慮能源替換，對于能源利用的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性十分重要。

能源替換包括清潔替代和形式替代2個(gè)方面，因此分2個(gè)方面來介紹。

2.8.1清潔替代

傳統(tǒng)的能源利用是以化石能源為主、清潔能源為輔的模式，應(yīng)該向清潔能源為主，化石能源為輔的模式轉(zhuǎn)變。

可再生能源比常規(guī)能源污染小、儲量多，實(shí)現(xiàn)清潔能源的替代，將有助于降低能源消費(fèi)對環(huán)境的污染，緩解化石能源緊缺的矛盾，從而提高用戶能源消費(fèi)的邊際效益。

2.8.2形式替代

形式替代包括能源形式的替代和能源利用形式的替代。隨著傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭需要尋求能夠替代傳統(tǒng)能源的能源形式，也需要探索新的能夠進(jìn)一步加大傳統(tǒng)能源利用率的能源利用形式替代傳統(tǒng)能源利用形式。在眾多替代形式中可再生能源是其中的一個(gè)重要部分，但是目前可再生能源的利用技術(shù)還不完全成熟，所以整個(gè)能源體系對于傳統(tǒng)能源的依賴程度還是很高，因此能源形式的替代也顯得很重要。目前已經(jīng)開始利用的形式替代有如下幾種形式：煤制油和煤制氣替代油氣，煤層氣替代天然氣，頁巖油替代石油等。

3 原則相互關(guān)系和應(yīng)用

3.1 各項(xiàng)原則的相互關(guān)系

在對區(qū)域能源優(yōu)化配置時(shí)，因?yàn)榭紤]層面不同，需要遵守的原則也不同。不同的原則因?yàn)榭紤]的方面不同，對于整個(gè)區(qū)域MEN的重要程度不同。部分原則對于區(qū)域MEN是必備的，部分原則對于區(qū)域MEN不是必須的，但是也有很重要的作用，例如提高能源優(yōu)化配置的經(jīng)濟(jì)性等。本文根據(jù)對能源網(wǎng)的重要程度把區(qū)域能源優(yōu)化配置的原則分為2類：必備原則和重要原則，具體分類如圖3所示。

圖3 原則分類Fig.3 Classification principles

圖3中的前5個(gè)原則是在能源配置中的必備原則，可以看出必備原則主要由保證區(qū)域MEN安全可靠性和可持續(xù)性的原則組成。這足以看出，在對區(qū)域MEN能源配置時(shí)，確保整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行和保證能源可持續(xù)性利用是必須考慮的問題。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)性才是應(yīng)該考慮的問題。

3.2 原則應(yīng)用流程

能源優(yōu)化配置原則對于一般的區(qū)域MEN都是適用的。本文給出能源優(yōu)化配置的流程如圖4所示。

圖4 能源優(yōu)化配置流程圖Fig.4 Flow chart of optimized allocation of energy

流程分析：

(1)首先對能源優(yōu)化配置的區(qū)域的能源和負(fù)荷的數(shù)量、位置、類型等進(jìn)行調(diào)研；

(2)根據(jù)第一步的調(diào)研情況進(jìn)行區(qū)域的劃分；

(3)分析確定該區(qū)域可利用的能源形式，并比較其優(yōu)勢和劣勢確定能源形式；

(4)根據(jù)能源優(yōu)化配置原則，以供需平衡、能源質(zhì)量等為優(yōu)化能源配置的約束條件，以能源的合理搭配、低環(huán)境成本、能源充分利用等為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化能源配置；

(5)在能源優(yōu)化的過程中可以進(jìn)行能源替換，對能源的形式和能源的利用形式根據(jù)目標(biāo)的不同進(jìn)行合理替換；

(6)考慮能源的互為備用，設(shè)置合理的儲能和無功補(bǔ)償裝置，包括形式、位置、容量等；

(7)對區(qū)域MEN的框架進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，盡量做到能源的就地開發(fā)、就地利用，并保證對能源的合理開發(fā)。

4 算例分析

以天津港為例進(jìn)行能源配置，并分析配置原則的適應(yīng)性。

4.1 能源負(fù)荷調(diào)研

4.1.1天津港資源條件

天津港處于天津東部，屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。港區(qū)陽光充足，年均日照時(shí)數(shù)在2 600～2 700 h，光照1年可以保障有1 000 h的有效發(fā)電時(shí)間，太陽能區(qū)劃為二類地區(qū)。天津地區(qū)年平均風(fēng)速值為4.5m/s，年有效風(fēng)力小時(shí)數(shù)在5 599～6 044 h，年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)大于2 000 h。

天津港處于渤海灣西端，水體交換能力差，海域面積小，水深較淺，不利于開發(fā)海洋能。天津沿海風(fēng)力資源比較豐富，天津港區(qū)附近年有效風(fēng)速小時(shí)達(dá)到7 000～8 000 h。

天津港還具有豐富的地?zé)崮?，天津港地區(qū)開發(fā)主要層位為第三系館陶組第Ⅱ、Ⅲ熱儲富集段，水溫在65～78 ℃。富水性強(qiáng)，單井出水量一般在80～140 m3。

4.1.2負(fù)荷概況

根據(jù)天津港的規(guī)劃平面圖，結(jié)合港區(qū)實(shí)際發(fā)展規(guī)劃情況，目前港區(qū)典型的行業(yè)負(fù)荷主要有：碼頭作業(yè)(倉儲、集裝箱、裝卸、對外交通等)、市政服務(wù)(辦公、醫(yī)院、治安、市政設(shè)施等)、商業(yè)文化(金融、地產(chǎn)、文體娛樂、旅游等等)、居民住宅等。具體能耗形式如表2所示。

表2天津港負(fù)荷需求
Table2LoaddemandofTianjinport

4.2 區(qū)域劃分

為了更好地進(jìn)行能源配置，根據(jù)港區(qū)的地理位置，按照類型、資源分布等特征對港區(qū)進(jìn)行了2步劃分。第1步根據(jù)地理位置的不同和發(fā)展程度的不同，把整個(gè)港區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)域，如圖5所示。

區(qū)域1和區(qū)域2屬于東疆港區(qū)，負(fù)荷種類較多，包括各種碼頭、倉儲、物流等負(fù)荷，還包括新增加的居民、旅游、服務(wù)等綜合負(fù)荷；區(qū)域3屬于北疆港區(qū)，該港區(qū)負(fù)荷種類多樣，除了沿海的碼頭作業(yè)區(qū)，還包括以商業(yè)為主的保稅區(qū)；區(qū)域4為南疆港區(qū)，主要負(fù)荷為大型集裝箱、堆場、倉儲、運(yùn)輸?shù)却a頭作業(yè)區(qū)。

第2步根據(jù)每一個(gè)區(qū)域的資源和負(fù)荷特性的不同，把每一個(gè)區(qū)域都劃分為不同的微區(qū)域，如圖6(a)、(b)、(c)、(d)所示。

根據(jù)用地規(guī)劃，對不同港區(qū)進(jìn)行了進(jìn)一步分區(qū)如圖6所示。其中1區(qū)是集裝箱碼頭，2區(qū)是物流用地，3區(qū)是綜合用地，4區(qū)是集裝箱碼頭，5區(qū)是物流用地及部分綜合用地，6區(qū)位集裝箱物流中心，7區(qū)為保稅區(qū)，8區(qū)為各種倉庫、碼頭等，9區(qū)主要都是一些碼頭、各種散貨工作區(qū)等。各區(qū)域的特點(diǎn)如表3所示。

圖5 港區(qū)劃分示意圖Fig.5 Sketch diagram of Tianjin port division

圖6 微區(qū)域劃分示意圖Fig.6 Division of micro-zones

4.3 天津港能源配置圖

不同區(qū)域的能源和負(fù)荷情況不同，能源配置也會不同。根據(jù)不同區(qū)域的具體情況進(jìn)行能源配置會更加合理。根據(jù)以上分析對天津港區(qū)的能源配置如圖7所示。

表3各區(qū)域特點(diǎn)
Table3Regionalcharacteristics

圖7 天津港的能源配置示意圖Fig.7 Sketch diagram of energy allocation in Tianjin port

原則體現(xiàn)：

(1)能源質(zhì)量保證原則。不同的區(qū)域?qū)Ρ镜啬茉醋园l(fā)自用，不同區(qū)域之間能源互通互聯(lián)，互為備用，并且與外界MEN互聯(lián)，這對于能源質(zhì)量的保證有很好的作用。

(2)能源供需平衡和能源合理開采原則。以上兩個(gè)原則都很難在圖中表示。對于能源供需平衡原則，通過對目標(biāo)區(qū)域調(diào)研，對區(qū)域內(nèi)負(fù)荷和能源有一個(gè)清楚的認(rèn)識，在能源配置過程中確保能源供需平衡。對于能源合理開采原則，也是在調(diào)研基礎(chǔ)上，遵守國家和當(dāng)?shù)氐恼哌M(jìn)行能源的合理開采。

(3)能源充分利用原則和低環(huán)境成本原則。如圖7所示，根據(jù)能源和負(fù)荷特點(diǎn)，對能源形式進(jìn)行充分的開發(fā)利用。對每一種能源的充分利用在圖中無法表示，但在利用的過程中進(jìn)行形式替代，采用先進(jìn)的能源利用方法增加能源的利用效率，保證對每一種能源利用的充分性。低環(huán)境成本原則從能源形式的選擇可以看出，大部分主要依賴對新能源的開發(fā)利用，盡量減少對環(huán)境的污染，也減少對外界能源的依賴。在能源利用形式上，也利用形式替代保證整個(gè)能源網(wǎng)的低環(huán)境成本。

(4)能源合理搭配原則和能源替代原則。如圖7所示，根據(jù)區(qū)域能源和負(fù)荷情況，對不同微區(qū)域配置不同的能源形式和能源利用形式。例如3區(qū)、5區(qū)和7區(qū)，因?yàn)?區(qū)不處于沿海區(qū)域，因此在風(fēng)能資源滿足利用條件，受到土地等的限制后只能考慮搭配小風(fēng)電。5區(qū)沿海風(fēng)資源豐富，并擁有2 km2左右的沿海防波堤，因此可以開發(fā)陸上風(fēng)電。但是因?yàn)樵摰貐^(qū)碼頭較多，不適合搭配海上風(fēng)電。又因?yàn)?區(qū)主要是碼頭和物流，因此對于電能的要求比較多，對于冷/熱要求較少，因此無須搭配地源熱泵。3區(qū)和7區(qū)對于冷/熱的要求較高，因此在滿足地?zé)衢_采的條件下，搭配地源熱泵。在整個(gè)能源配置過程中，主要側(cè)重新能源的開發(fā)利用，代替了傳統(tǒng)能源，也利用了新的例如太陽能的冷/熱利用等形式代替了傳統(tǒng)供冷、供熱的方式。

(5)分區(qū)考慮原則。對于天津港區(qū)，本文采用2步分區(qū)，總共分成9個(gè)微區(qū)域。因?yàn)槊恳粋€(gè)微區(qū)域的用戶和能源情況都相對簡單，所以每個(gè)微區(qū)域的能源配置也相對簡單。在能源配置的過程中也側(cè)重能源的“就地生產(chǎn)、就地利用、余量上網(wǎng)”。

5 結(jié) 論

本文重新定義了多種能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的概念，并對局域能源網(wǎng)、區(qū)域能源網(wǎng)和廣域能源網(wǎng)進(jìn)行了劃分。進(jìn)而以滿足對能源網(wǎng)安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的要求，提出了區(qū)域能源網(wǎng)能源優(yōu)化配置的原則，包括能源供需平衡原則、能源質(zhì)量保證原則、能源充分利用原則、能源合理開采原則、低環(huán)境成本原則、分區(qū)考慮原則、能源合理搭配原則、能源替代原則，并對每一個(gè)原則進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對不同的原則進(jìn)行分類。最后以天津港為例，對區(qū)域能源優(yōu)化配置原則進(jìn)行了演示。希望提出這些原則可以為規(guī)劃建設(shè)區(qū)域MEN提供參考。

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2017-06-07

王婉君(1993)，女，通信作者，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)；

朱永強(qiáng)(1975)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)、微電網(wǎng)運(yùn)行與控制；

夏瑞華(1969)，男，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)微機(jī)保護(hù)和變電站綜合自動化。

(編輯 劉文瑩)

DesignofOptimizedAllocationPrincipleinRegionalEnergyGrid

WANG Wanjun, ZHU Yongqiang, XIA Ruihua

(North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

As the proposal of energy internet and intelligent energy, the utilization of energy and the energy categories has become more and more diverse. This paper redefines the concept of multiple energy network (MEN), and distinguishes the different conception among local energy grid, regional energy grid and wide-area energy grid. In the design and construction of MEN the optimized allocation of energy is one of the most important works. In order to make a better allocation of energy, special principles need to be proposed, while the allocation principle is seldom discussed in reference. This paper takes regional energy grid as a research object, presents useful principles for optimized allocation of energy in regional energy grid, and makes specific explanation for each principle. Finally, the application of optimized principles for energy allocation is successfully introduced through the example of Tianjin Port.

multiple energy network(MEN); regional energy grid; energy allocation

天津港區(qū)新能源利用規(guī)劃研究項(xiàng)目(2016-176)

TM71

A

1000-7229(2017)11-0113-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.11.015