智慧型綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)研究

牛遠(yuǎn)方，李 磊 ，楊朋朋 ，朱春萍 ，王成福

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室（山東大學(xué)），山東 濟(jì)南 250061）

智慧型綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)研究

牛遠(yuǎn)方1，李 磊1，楊朋朋1，朱春萍1，王成福2

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室（山東大學(xué)），山東 濟(jì)南 250061）

智慧型綜合能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心組成部分，是實現(xiàn)能源系統(tǒng)降低碳排放、消納更多波動性可再生能源、提高綜合能源供給效率與質(zhì)量的重要手段之一。從綜合能源系統(tǒng)的定義與基本概念入手，通過探討智慧型綜合能源系統(tǒng)的主要特征及其與其他類別系統(tǒng)之間的差異性，研究分析綜合智慧能源的物理系統(tǒng)架構(gòu)、信息系統(tǒng)架構(gòu)、能量管理系統(tǒng)（EMS）架構(gòu)以及系統(tǒng)的構(gòu)成模式等。最后，通過對已有實際案例的系統(tǒng)構(gòu)成與運行結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步明確綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)，以期為我國未來的智慧型綜合能源系統(tǒng)發(fā)展提供有力支撐。

智慧綜合能源；系統(tǒng)構(gòu)架；能量管理系統(tǒng)；模式分析

0 引言

伴隨經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，能源已然成為影響乃至制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。受制于我國的能源結(jié)構(gòu)影響，污染大、能效低、可耗竭的化石能源在能源消耗中持續(xù)占據(jù)較高比例［1-2］。對此，近幾年相繼推出了多項促進(jìn)可再生能源發(fā)展與降低碳排放的相關(guān)政策與法規(guī)［3-5］。

然而，風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性與波動性導(dǎo)致當(dāng)前的棄風(fēng)、棄光問題嚴(yán)峻［6］，加之能源利用觀念的改變，能源互聯(lián)網(wǎng)被提出并成為未來的發(fā)展方向之一，而綜合能源系統(tǒng)作為其末端的配、用能載體，是其核心的構(gòu)成部分［7-8］。

美國在2001年提出以促進(jìn)冷熱電聯(lián)供為目標(biāo)的綜合能源系統(tǒng)發(fā)展計劃，并在2007年頒布能源獨立和安全法；歐洲則更早提出綜合能源系統(tǒng)概念并最早付諸實施，如德國施耐德公司的Structure Ware系統(tǒng)和西門子的Simatic系統(tǒng)等；日本則主要致力于在社區(qū)綜合能源系統(tǒng)（包括電力、燃?xì)?、熱力）基礎(chǔ)上，實現(xiàn)與交通、供水、信息和醫(yī)療系統(tǒng)的一體化集成［9-10］。

相對而言，我國的綜合能源系統(tǒng)發(fā)展起步較晚，但前期在微電網(wǎng)、儲能、分布式以及可再生能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的較好積累，為綜合能源系統(tǒng)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如北京、上海等大型城市的多個大型樓宇，都在各自區(qū)域內(nèi)建立了綜合能源管理系統(tǒng)，用先進(jìn)的傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析計算等技術(shù)加強(qiáng)對各類能源多角度的監(jiān)控，同時通過對區(qū)域內(nèi)各類能源的綜合利用、集成可再生能源、加裝各類節(jié)能設(shè)施等手段來節(jié)能增效，取得了良好的效果，但其形式單一，并非真正意義上的綜合能源系統(tǒng)。近期，政府大力推進(jìn)并建設(shè)了各類生態(tài)文明城市，意在積極推廣綜合能源利用技術(shù)，目的是構(gòu)建清潔、安全、高效、可持續(xù)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)和服務(wù)體系［11-12］。

綜合能源系統(tǒng)可以有效解決傳統(tǒng)的電力、供熱等能源系統(tǒng)相互割裂、協(xié)同有限、難以適應(yīng)可再生能源快速發(fā)展、節(jié)能減排壓力不斷增加等問題。通過能源的綜合利用與智慧管控，可以有效提高能源利用效率，降低用戶用能成本；利用不同類別能源之間的特性差異和相互轉(zhuǎn)換，可以促進(jìn)可再生能源的消納；結(jié)合多能源的耦合互補(bǔ)，可以提高用戶用能的可靠性，為電網(wǎng)運行提供更多柔性資源；同時，綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃亦可減少基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)。

本文將從智慧型綜合能源系統(tǒng)的基本概念與定義入手，探討其主要特征以及與現(xiàn)有系統(tǒng)間的差異性，繼而研究智慧型綜合能源供給的物理系統(tǒng)架構(gòu)、信息系統(tǒng)架構(gòu)、EMS以及系統(tǒng)構(gòu)建與運行模式，通過對已有實際案例的詳細(xì)分析，對比已建成的實際系統(tǒng)與理想的綜合能源系統(tǒng)之間的架構(gòu)特征，探索適應(yīng)我國國情的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)方式，從而為我國未來的智慧型綜合能源系統(tǒng)發(fā)展提供理論支持。

1 智慧型綜合能源系統(tǒng)

智慧型綜合能源系統(tǒng)即多種能源類別互補(bǔ)的、可實現(xiàn)能源綜合、智慧利用的能源供需系統(tǒng)。該系統(tǒng)以功能區(qū)為對象，可實現(xiàn)不同類別能源的綜合規(guī)劃、綜合設(shè)計與智慧運行的一種綜合能源供應(yīng)模式［13-14］。

該類型系統(tǒng)可以實現(xiàn)橫向的“電熱冷氣水”能源多品種之間、縱向“源網(wǎng)荷儲用”能源多供應(yīng)環(huán)節(jié)之間的生產(chǎn)協(xié)同、管廊協(xié)同、需求協(xié)同以及生產(chǎn)與消費間的智慧互動，從而構(gòu)建多種能量流之間開放互聯(lián)的智慧能源系統(tǒng)以滿足當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)乃至區(qū)域的用能需求［15-16］。

與同為綜合能源利用的能源互聯(lián)網(wǎng)相比，綜合能源系統(tǒng)更加靠近能源的消費側(cè)，可以交互的非電能源形式更加多樣，能源消納的手段也更加豐富，更能體現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)“多能互補(bǔ)、多源協(xié)同”的能源優(yōu)化運行方式，提升整體能源利用效率。

智慧型綜合能源系統(tǒng)的核心特征是多能源系統(tǒng)間的特征互補(bǔ)與智慧管控?；パa(bǔ)性是在分布式能源多樣化形式接入下，實現(xiàn)多元能源類別的優(yōu)勢互補(bǔ)與高效利用；而智慧性則是通過多功能集成的電力電子裝置、靈活且個性化的需求側(cè)管理實現(xiàn)對“供—轉(zhuǎn)—輸—用”的全過程智能優(yōu)化。該系統(tǒng)以電、氣、熱為主要物理載體，其各自的具體特征可表述如表1所示［17-18］。

表1 綜合能源系統(tǒng)各載體特征

綜合智慧能源是能源互聯(lián)網(wǎng)和多能互補(bǔ)概念的一種具體體現(xiàn)，其內(nèi)涵又覆蓋了分布式能源、智能電網(wǎng)、微網(wǎng)、燃?xì)馊?lián)供等，但綜合能源與分布式能源、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)和燃?xì)馊?lián)供等概念均有所不同，其供能種類和范圍不但更加廣泛，且著重強(qiáng)調(diào)整體運行的“智慧化”和能源生產(chǎn)、消費之間的“互動性”，是一種更加高級、具體的能源系統(tǒng)構(gòu)成方式。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 物理系統(tǒng)架構(gòu)

綜合能源的物理系統(tǒng)架構(gòu)主要由能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、輸送與智慧用能環(huán)節(jié)組成，通過綜合管理系統(tǒng)的集中與分散式智慧管理實現(xiàn)系統(tǒng)的智慧運行。其物理系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合能源物理系統(tǒng)架構(gòu)

能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換主要指電力、熱力及天然氣生產(chǎn)與能源形式轉(zhuǎn)換設(shè)施。包含熱電聯(lián)產(chǎn)的燃煤、燃?xì)怆娬?、供熱鍋爐、各種可再生電源、儲能系統(tǒng)、熱泵、溴化鋰等制冷、制熱設(shè)備等，通常情況下其能源的生產(chǎn)或轉(zhuǎn)換可以由其中的一種或幾種裝置設(shè)施共同組成。

綜合能源的多能互補(bǔ)特性依賴于不同類別能源間的轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)，包括電氣、電熱、氣熱等。而在上述多種轉(zhuǎn)換過程中，電與非電系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換與交互能力是影響多種能源系統(tǒng)間是否可以高效集成的關(guān)鍵［19］。對比不同類別能源間轉(zhuǎn)換裝置的實現(xiàn)方式如表2所示。

表2 系統(tǒng)主要能量轉(zhuǎn)換裝置及其實現(xiàn)方式

能源傳輸系統(tǒng)主要包括依靠供熱（冷）網(wǎng)、電力網(wǎng)、水網(wǎng)、氣網(wǎng)等。其中，供熱網(wǎng)多為枝狀管網(wǎng)布置、地下敷設(shè)方式；電力網(wǎng)則是其骨干網(wǎng)架，多為與外網(wǎng)相連的環(huán)形或放射狀；天然氣網(wǎng)包括低、中、高壓管網(wǎng)，具有調(diào)峰、調(diào)壓等功能；綜合管廊將電力、通訊，燃?xì)?、供熱、給排水等各種功能管線集于一體，高效可靠。

在智慧用能體系中，用戶既是能源的消費者，也是能源的生產(chǎn)者，可實現(xiàn)不同能源產(chǎn)消者之間和產(chǎn)消者與能源主體之間的互動。并可通過高度市場化的能源價格機(jī)制，促進(jìn)能源利用效率的明顯提高。

2.2 信息系統(tǒng)架構(gòu)

信息系統(tǒng)是實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)智慧管控的關(guān)鍵，主要包括信息在單一系統(tǒng)內(nèi)的縱向傳遞與在不同系統(tǒng)間的橫向傳遞，而作為系統(tǒng)物理融合設(shè)備的能源交換器則是整個系統(tǒng)的信息處理中心［20］。

由圖2可以看出，智慧型綜合能源系統(tǒng)與已有系統(tǒng)的主要不同是多能源間的信息交互以及不同類別信息間的綜合智慧管控。其中，能源交換器是其關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)收集分配信息，指揮能源路由器，構(gòu)成完整的信息物理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)不同類別能源間的綜合與智慧利用。因此，該信息系統(tǒng)是實現(xiàn)智慧型供能、用能的關(guān)鍵性基礎(chǔ)，其架構(gòu)必須在實際供能、配能與用能的特征分析基礎(chǔ)上，結(jié)合實際能源供需特性，實現(xiàn)個性化的智能設(shè)計與智慧管控。

圖2 智慧能源信息系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 綜合能源系統(tǒng)的EMS架構(gòu)

能量管理系統(tǒng)（EMS）的實質(zhì)是能源交換器的核心處理機(jī)構(gòu)，是處于信息系統(tǒng)的上層管理機(jī)構(gòu)，即綜合能源系統(tǒng)的智慧管理中樞。其與通信系統(tǒng)、物理系統(tǒng)間的關(guān)系如圖3所示。

綜合能源的能量管理系統(tǒng)是以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等為支撐的開放式多種能源綜合管理服務(wù)平臺，能夠借助云數(shù)據(jù)中心等系統(tǒng)的分析和計算，對“感知”來的電、熱（冷）、水、氣等多種能源生產(chǎn)、輸送、消費的各類信息進(jìn)行智能處理，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的智慧運行。

圖3 智慧型綜合能源系統(tǒng)的EMS架構(gòu)

EMS由能源管理平臺、通信系統(tǒng)、終端（即實際的物理系統(tǒng)）3部分構(gòu)成，可以分為集中式和分布式，通過創(chuàng)新的能源生產(chǎn)模式、消費模式實現(xiàn)能源供需互動，主要功能包含用能需求預(yù)測、能源的優(yōu)化調(diào)度、系統(tǒng)監(jiān)測與分析、智慧用能服務(wù)等。

EMS的核心功能是融合物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)，使綜合的信息物理系統(tǒng)能夠高效、有序運行，而其關(guān)鍵則是運行控制的智慧化，即在能源綜合的基礎(chǔ)上實現(xiàn)智慧化，包括生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸與用能等各個環(huán)節(jié)。

3 模式分析

綜合能源系統(tǒng)依據(jù)供能范圍和系統(tǒng)組成，一般可分為區(qū)域型、園區(qū)型和樓宇型3種。

區(qū)域型。多為新建城鎮(zhèn)、城市內(nèi)較大范圍的開發(fā)區(qū)等，其配置原則多以電能為主導(dǎo)，配合其他能源，通常與域外電力系統(tǒng)聯(lián)系堅強(qiáng)，管理系統(tǒng)相對復(fù)雜。

園區(qū)型。多為城市的工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，或大型企業(yè)的獨立用能系統(tǒng)、島嶼等，其單位用能密度大，用能可靠性要求較高，多以“以熱定電”原則進(jìn)行配置。

樓宇型。多為環(huán)保約束強(qiáng)的地區(qū)供能，供能范圍小、負(fù)荷小且波動大，系統(tǒng)構(gòu)成簡單、單位造價高，其能源管理系統(tǒng)決策相對簡單。

4 案例分析

目前，我國已有多個綜合智慧能源或相類似的示范系統(tǒng)已經(jīng)建成或正在建設(shè)中，以北方某工業(yè)園區(qū)局域網(wǎng)內(nèi)的多能源項目為例，簡單分析其系統(tǒng)架構(gòu)特征。

該示范工程依托地區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的煤、電、鋁及鋁后加工產(chǎn)業(yè)以及區(qū)域內(nèi)豐富的風(fēng)能、太陽能、劣質(zhì)煤資源，建設(shè)以綠色、清潔、可再生性能源為主體（風(fēng)電、太陽能發(fā)電）、就地合理利用劣質(zhì)煤火電為補(bǔ)充、局域電網(wǎng)為保障的包括電熱的循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范項目。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示［21-22］。

圖4 綜合智慧能源示范系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)規(guī)劃電源裝機(jī)222萬kW，其中新能源裝機(jī)占比達(dá)到20%以上；電解鋁產(chǎn)能81萬t；綜合供電負(fù)荷達(dá)到140萬kW；供熱能力43萬kW。投產(chǎn)后的年凈外購電量比例降至5%，綜合用能成本下降20%，系統(tǒng)內(nèi)一次能源綜合利用率提升8%，通過綜合調(diào)控使用電峰值負(fù)荷降低22%以上。

分析該系統(tǒng)的架構(gòu)特點，其核心是電熱儲的綜合應(yīng)用、靈活可控負(fù)荷（鋁業(yè)）與波動性風(fēng)、光發(fā)電的大量接入，并通過電熱儲，實現(xiàn)了電儲熱與熱系統(tǒng)的強(qiáng)耦合聯(lián)系。通過綜合能源應(yīng)用與運行的智能管控，示范系統(tǒng)在新能源接納、減少碳排放與降低用能成本等方面取得了明顯的效益［23-25］。

在風(fēng)、光等波動性電源發(fā)電接納方面，在局域網(wǎng)風(fēng)電滲透率已經(jīng)達(dá)到38.25%的前提下，2015年風(fēng)電利用小時數(shù)超過3 300 h，較同期內(nèi)蒙古自治區(qū)的平均風(fēng)電利用小時數(shù)1 600 h高出一倍多，甚至超過新能源利用率最高的丹麥。而在棄風(fēng)限電方面，以示范區(qū)內(nèi)的夏營風(fēng)電場為例，2015年發(fā)電量為93 779萬kWh，棄風(fēng)率僅為0.9%，遠(yuǎn)低于全國同期15%的水平，幾乎實現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)風(fēng)電的全額消納。

在減少碳排放方面，相對于工程投產(chǎn)之前，噸鋁碳排放量由每年16.39 t降低到13.91 t，降幅達(dá)到15.13%，并且通過減少燃煤，2015年全年實現(xiàn)減排二氧化硫171.4 t，氮氧化物302.2 t，二氧化碳69.7萬t，并且預(yù)計遠(yuǎn)期的二氧化碳年度減排量可以達(dá)到289.8萬t。

在降低用能成本方面，主要體現(xiàn)在其通過局域電網(wǎng)自主供電而降低的成本上，以示范區(qū)內(nèi)鋁業(yè)用電為例，與2013年工程投產(chǎn)前相比，2015年全年供電單位成本 0.206 8元／kWh，降低 0.069 8元／kWh，噸鋁用電成本降低949元，全年供電總成本降低8.07億元，此外全年涉網(wǎng)費用降低1.550 8億元。

在此過程中，通過發(fā)電與用電的自主調(diào)度，實現(xiàn)了電網(wǎng)運行安全穩(wěn)定與100%頻率、電壓合格率，通過系統(tǒng)的集中與智能管控，經(jīng)濟(jì)效益明顯，供電成本大幅降低。與此同時，大幅提升了可再生能源的利用效率、包含電熱的系統(tǒng)綜合能源利用效率，大幅減少了系統(tǒng)的碳排放，降低了系統(tǒng)內(nèi)的用能成本，因此，相對于傳統(tǒng)運行模式，通過系統(tǒng)集成，綜合運行與智慧管控下的多種能源系統(tǒng)綜合智慧運行具有極其顯著的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

此外，該示范系統(tǒng)僅有電存儲與電熱間的耦合，并非如本文所述的理想的、完整意義上的多能綜合系統(tǒng)，實事上，在我國乃至世界范圍內(nèi)，如本文所述的元素齊備、功能完整的智慧型綜合能源系統(tǒng)亦并不多見。因此，針對我國的能源結(jié)構(gòu)分布、區(qū)域供能特征等諸多個性因素的存在，需要在不同的供能與用能環(huán)境下，結(jié)合智慧型綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢特征，因地制宜，發(fā)展適應(yīng)于自身特征的智慧型綜合能源系統(tǒng)，從而提高供能效率，降低用能成本。

5 結(jié)語

從綜合能源系統(tǒng)的基本概念與系統(tǒng)主要特征闡述，以及智慧型綜合能源物理系統(tǒng)架構(gòu)、信息系統(tǒng)架構(gòu)、EMS以及模式分析等方面對智慧型綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了研究探討。通過對比分析國內(nèi)已建成的某綜合能源系統(tǒng)示范工程，可以看出智慧型綜合能源系統(tǒng)在消納波動性可再生能源發(fā)電、提高系統(tǒng)供能與用能效率、降低綜合能源系統(tǒng)碳排放與系統(tǒng)供能成本方面，相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)運行模式具有明顯優(yōu)勢，證明了該類型系統(tǒng)可以是未來社會能源供給與利用的重要形式之一。與此同時，亦可結(jié)合所述理想、完整的智慧型綜合能源系統(tǒng)構(gòu)架與我國能源供需的實際狀態(tài)，發(fā)展特征各異的地區(qū)智慧型綜合能源系統(tǒng)。

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Research on the Architecture of the Smart Integrated Energy System

NIU Yuanfang1，LI Lei1，YANG Pengpeng1，ZHU Chunping1，WANG Chengfu2
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2.Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control（Shandong University），Jinan 250061，China）

Smart integrated energy system，as an important part of the energy internet，is a key method to realize the reduction of the carbon emission，absorb more fluctuating renewable energy and improve the efficiency and quality of the integrated energy supply and demand.In this paper，the definition and basic conception of smart integrated energy system are discussed.The physical system architecture，information system architecture，energy management system （EMS）architecture and the relevant interconnection model of the smart integrated energy system are analyzed.Finally，by analyzing the actual case of system composition and the operation performance，the architecture of the smart integrated energy system is made clear，potentially able to support the future development of the smart integrated energy system in China.

smart integrated energy；system architecture；EMS；model analysis

TM732

A

1007－9904（2017）12－0006－06

國家自然科學(xué)基金項目（51607107）；山東省自然科學(xué)基金中青年科學(xué)家科研獎勵項目（BS2015NJ005）。

2017-06-10

牛遠(yuǎn)方（1983），女，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計工作。