需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)關鍵技術分析

王成山，王丹，李立浧，賈宏杰，王偉亮

（1. 天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072；2. 華南理工大學電力學院廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣州 510640）

一、前言

能源是人類社會生存的基礎，由于石油、煤炭等化石燃料是不可再生能源，并且在其使用過程中會造成環(huán)境污染，因此提高能源利用率、增加可再生能源的使用已成為解決當前能源問題和環(huán)境問題的必然選擇。打破各個能源系統(tǒng)之間單獨設計、單獨運行的運營模式，對不同的能源系統(tǒng)進行統(tǒng)一優(yōu)化設計、協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，構建統(tǒng)一的能源系統(tǒng)，是促進能源領域變革、解決能源問題的有效手段 [1～3]。

在能源問題和環(huán)境問題日益突出的壓力下，各種能源系統(tǒng)新技術的研究受到了高度關注。美國于2007年頒布了能源獨立和安全法，智能電網(wǎng)被列入美國國家戰(zhàn)略，目標是基于新型信息技術建設安全可靠、投資低、效能高和能夠靈活應變的智能電力系統(tǒng)；2009年加拿大國會通過了能夠推動新型能源網(wǎng)發(fā)展相關研究的報告，未來將構建能夠覆蓋加拿大全境的新型社區(qū)能源網(wǎng)絡，以實現(xiàn)2050年溫室氣體的減排目標和解決能源問題；歐洲是最早提出綜合能源系統(tǒng)的地區(qū)，多能源協(xié)調(diào)優(yōu)化的研究在歐盟第五框架中被置于顯著位置，在歐盟第六框架和第七框架中，能源網(wǎng)和多能源協(xié)調(diào)優(yōu)化的研究工作得到深化，實施了智能能源（intelligent energy）、泛歐網(wǎng)絡（trans-European networks）和微網(wǎng)與多微網(wǎng)（microgrids and more mirogrids）等項目；2011年，德國在經(jīng)濟與技術部和環(huán)保部的領導下，每年投入3億歐元，從能源供應鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的角度實施對多能源系統(tǒng)網(wǎng)絡的優(yōu)化。

近年來，我國對“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”相關技術的發(fā)展給予了高度重視。2015年7月發(fā)布了《國務院關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》，把“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”列為重點行動領域之一[4]。在全國“十三五”能源規(guī)劃工作座談會中強調(diào)，“十三五”期間，要著力推進能源系統(tǒng)優(yōu)化，實施電力和天然氣調(diào)峰能力提升、分布式能源和智能電網(wǎng)發(fā)展、“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”等行動計劃，顯著提高能源系統(tǒng)的智能化水平和運行效率。2015年4月，國家能源局組織召開能源互聯(lián)網(wǎng)會議，提出制定“能源互聯(lián)網(wǎng)行動計劃”。國內(nèi)相關研究機構和制造商正加緊探索智慧能源系統(tǒng)或能源互聯(lián)網(wǎng)技術的研究與實踐，并取得了一系列成果。

智慧能源系統(tǒng)的核心都是希望通過先進能源技術的應用，提高能源的利用效率和清潔化水平，滿足多元化的能源供應需求。本文針對需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)的特點、關鍵設備和技術、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式、發(fā)展前景等方面進行了介紹和展望。

二、需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)的特點

需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)屬于局域能源系統(tǒng)，是通過對區(qū)域或用戶能源的生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲、消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化后所形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。它是多種能源互聯(lián)互通的新型能源系統(tǒng)，將電、熱、冷、氣等各種能源通過各類能源轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)物理上的連接與交互，是多種能源高度耦合的能源資源利用和能量循環(huán)系統(tǒng)[1～3]。具體來說：①區(qū)域級智慧能源系統(tǒng)由區(qū)域智能配電系統(tǒng)、中低壓天然氣系統(tǒng)、供熱/冷/水系統(tǒng)等供能網(wǎng)絡耦合互連組成，起到能源傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、平衡的“承上啟下”作用，能源系統(tǒng)之間存在較強耦合關系；②用戶級智慧能源系統(tǒng)以用戶智能用電系統(tǒng)、分布式/集中式供熱系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等耦合而成，不同類型能源間存在深度耦合關系，用戶級智慧能源系統(tǒng)又可稱為微能源網(wǎng)，區(qū)域級智慧能源系統(tǒng)內(nèi)可含有眾多的微能源網(wǎng)。

三、需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)關鍵設備與技術

需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)的構成形態(tài)，如圖1所示。

（一）關鍵設備

1. 分布式發(fā)電設備

分布式發(fā)電設備一般指容量較小的分散布置在用戶附近的發(fā)電設備，包括微型燃汽輪機、燃料電池、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（如風機和光伏）等[5]。一般具有效率高、體積小、污染少、運行維護簡單等特點。

2. 能源存儲設備

能源存儲設備不僅包含儲電系統(tǒng)（如電池儲能、超級電容器儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）[6]，還包含儲熱、儲氣等設施。儲氣技術主要有儲氣罐儲氣、管道儲氣等，而儲熱技術包括顯熱存儲、相變儲熱、化學反應熱存儲等[7]。未來天然氣固態(tài)儲存技術、地下儲熱技術等新型存儲技術將會推動天然氣和熱能存儲的發(fā)展。

圖1 需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)的構成形態(tài)

3. 能源轉(zhuǎn)化設備

不同能源系統(tǒng)之間需要能源轉(zhuǎn)換設備，使得電、氣、熱等能量可以在彼此之間相互轉(zhuǎn)化，增加可選擇的能源供給方式，提高能源供給的經(jīng)濟性、可靠性。具體能源轉(zhuǎn)換方式主要有：電-氣之間轉(zhuǎn)化、電-熱之間轉(zhuǎn)化、氣-熱之間轉(zhuǎn)化等。需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)中的能量存儲和轉(zhuǎn)化示意圖，如圖2所示。

電-氣之間轉(zhuǎn)化技術包括電力-氫氣轉(zhuǎn)化技術（power to gas，P2G）、微型燃氣輪機、燃料電池等。P2G電轉(zhuǎn)氣設備是在電負荷低谷或可再生能源出力高峰期利用富余的電能電解水制氫氣的設備，氫氣可以儲存或輸送，在用戶端可以通過燃料電池利用氫氣發(fā)電和冷/熱供應。

電-熱轉(zhuǎn)化技術設備主要是指電熱水器、空調(diào)等，正處在研究階段的基于熱耦合效應的新型電池是新興的電-熱轉(zhuǎn)化設備，它能利用低溫熱量進行發(fā)電。

燃氣鍋爐是天然氣系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的重要轉(zhuǎn)化設備，能夠?qū)⑻烊粴庵械幕瘜W能轉(zhuǎn)化為熱量，向用戶供熱。

4. 能源輸配設備

傳統(tǒng)的電力、熱力和天然氣輸配都通過彼此獨立的系統(tǒng)進行。為提高能源輸配效率，實現(xiàn)多種能源的協(xié)同輸配，提出了能源互聯(lián)器與能源集線器[8]概念。

圖2 需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)中的能量存儲和轉(zhuǎn)化

能源互聯(lián)器將電能、化學能和熱能在同一裝置中進行長距離傳輸，包含一個中空的電導體，電導體外側(cè)有天然氣等化學物質(zhì)，原理如圖3所示[8]。電導體中產(chǎn)生的熱損失被部分地存儲在傳輸介質(zhì)中，這種熱量可以在線路的末端被回收；氣流也起到冷卻電導體的作用。其特點是：①適用于多種能源的互聯(lián)互通，有較強通用性；②簡化了能源網(wǎng)絡和能源終端設施的布局，為終端多種能源耦合組件的能量來源提供便捷。

能源集線器是典型的能源分配設備，一種典型形式如圖4所示[8]。其特點是：①多種能源的輸入輸出關系可通過耦合矩陣進行標準化描述；②可針對不同的應用場景，構建模塊化的物理系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜耦合系統(tǒng)的標準化配置和管理。

5. 智能計量設備

（1）智能計量表

智能計量表具備遠程/本地通信、雙向計量、多種價格計費、實時數(shù)據(jù)交互、能量質(zhì)量監(jiān)測、遠程斷供、與用戶互動、自動抄讀等功能[9]。以智能電表為基礎構建的智能計量系統(tǒng)能夠滿足分布式電源與負荷運行管理、電力市場交易、電網(wǎng)調(diào)度等方面的要求。

圖3 能源互聯(lián)器的典型布局

圖4 能源集線器示例

（2）智能傳感器

傳統(tǒng)傳感器已形成一套成熟的理論和技術，如電感式傳感器和壓電式傳感器等。而一些新型傳感技術，如光纖傳感器、電荷耦合元件（CCD）傳感器等，近些年發(fā)展較快，多數(shù)技術指標優(yōu)于傳統(tǒng)的傳感器，體積小、功能強，具備耐高壓、抗電磁干擾等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。

（二）關鍵技術

智慧能源系統(tǒng)的關鍵技術包括規(guī)劃設計技術、信息保障技術、運行優(yōu)化技術、彈性強化技術、用戶側(cè)資源優(yōu)化利用技術等。

1. 智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃設計技術

規(guī)劃設計目標是在滿足差異化用戶供能可靠性要求的前提下，科學地配置分布式能源類型及容量，設計能源配送網(wǎng)絡拓撲結(jié)構等。核心技術包括優(yōu)化規(guī)劃設計方法、綜合評價指標體系及規(guī)劃設計支持系統(tǒng)[10,11]。在考慮電/氣/冷/熱負荷的用戶需求差異性和時空分布特性的基礎上，充分挖掘和利用不同能源間的互補替代能力，是區(qū)域級智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃設計的主要工作。區(qū)域級智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃設計需要考慮各種時空場景下系統(tǒng)調(diào)控策略，以獲取系統(tǒng)更為全面的運行場景信息；需充分研究系統(tǒng)內(nèi)不同環(huán)節(jié)和設備在不同場景下的特性，以獲取不同運行模式下的運行約束；在統(tǒng)一考慮系統(tǒng)設計方案的能源利用效率、安全性、用戶舒適性、經(jīng)濟性和社會效益等因素基礎上，建立系統(tǒng)優(yōu)化設計模型；在考慮全生命周期設計理念的基礎上，綜合系統(tǒng)不同運行階段特征，采用多場景協(xié)同優(yōu)化分析方法實現(xiàn)問題的求解。

2. 智慧能源系統(tǒng)信息保障技術

智慧能源系統(tǒng)中能量流動鏈的信息流是相互聯(lián)通的，不同層級能源系統(tǒng)間的信息通信與態(tài)勢感知技術、互聯(lián)信息保障技術是海量數(shù)據(jù)環(huán)境下系統(tǒng)經(jīng)濟運行的重要基礎[12]。信息保障技術旨在實現(xiàn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的高效信息通信與交互共享，實現(xiàn)從產(chǎn)能到用能的全過程實時信息采集、傳輸與存儲。隨著能源物聯(lián)網(wǎng)技術和信息物理系統(tǒng)技術的發(fā)展，信息網(wǎng)將與物理能源網(wǎng)實現(xiàn)深度融合，從而為系統(tǒng)提供更加信息化、數(shù)字化、透明化的運行環(huán)境。多源信息融合的系統(tǒng)態(tài)勢感知技術旨在利用同步量測、負荷特性、運行狀態(tài)、預測及風險評估等信息，實現(xiàn)系統(tǒng)的主動控制、管理、服務，是智慧能源系統(tǒng)運行狀態(tài)優(yōu)化和其他高級應用的基礎。

3. 智慧能源系統(tǒng)運行優(yōu)化技術

智慧能源系統(tǒng)中各種能源耦合度高，通過不同能源的互補和梯級利用，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)能效的提升，運行優(yōu)化控制技術是實現(xiàn)這一目標的關鍵。對智慧能源系統(tǒng)進行運行優(yōu)化需要考慮多種約束條件，在多種目標間尋求平衡，如圖5所示。運行優(yōu)化過程實際是對多種能源的綜合調(diào)度過程，與電力系統(tǒng)中的機組組合優(yōu)化和優(yōu)化調(diào)度類似，不同之處在于需要考慮的目標函數(shù)和約束條件更為復雜[13,14]?在運行優(yōu)化時，需要平衡多種利益關系、考慮更多因素的影響，例如需要平衡系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性與安全性之間的矛盾；需要平衡能源可持續(xù)性、能源利用效率和用能經(jīng)濟性之間的矛盾等?

4. 智慧能源系統(tǒng)彈性強化技術

智慧能源系統(tǒng)是一個高維、多時間尺度、高度非線性和隨機性的復雜動力系統(tǒng)，其彈性主要指系統(tǒng)對高風險、小概率擾動事件的抵御能力，強調(diào)在面臨無法避免的擾動時能有效利用各種資源靈活應對，維持盡可能高的運行水平，并迅速恢復系統(tǒng)性能[15,16]。反映系統(tǒng)彈性特征的指標包含魯棒性、冗余性、有源性和敏捷性等方面[17,18]。魯棒性描述系統(tǒng)承受外界擾動或壓力的能力；冗余性描述系統(tǒng)中備用設備或系統(tǒng)在災害中的可用性；有源性描述投入資源維持系統(tǒng)關鍵功能的能力；敏捷性描述系統(tǒng)快速恢復關鍵功能、減小能源損失的能力。智慧能源系統(tǒng)是提高能源供應彈性的重要舉措。借助微型燃氣輪機、燃料電池等多樣化的能源接入與轉(zhuǎn)化裝置，在外部供電系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠快速生產(chǎn)電能，與其他分布式電源互為支撐，大大提升了緊急情況下的供電恢復能力。當供熱、供氣等其他能量環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，也能夠由電制熱、電解制氫等裝置實現(xiàn)從電能到其他能源形式的快速轉(zhuǎn)化，提升系統(tǒng)緊急情況下的能源供應保障能力。

圖5 智慧能源系統(tǒng)能量優(yōu)化與控制

5. 用戶側(cè)資源優(yōu)化利用技術

傳統(tǒng)的用戶側(cè)資源利用技術主要是指電負荷的需求側(cè)管理，它建立在用戶可調(diào)電負荷基礎上，有一定的局限性。在智慧能源系統(tǒng)中，用戶側(cè)資源優(yōu)化利用技術對用戶側(cè)不同能源系統(tǒng)統(tǒng)一進行管理，可有效提高能源的綜合利用水平，節(jié)約用戶用能成本[19～21]，這需要通過用戶側(cè)綜合資源優(yōu)化管理系統(tǒng)來實現(xiàn)。一個家庭用戶資源優(yōu)化管理系統(tǒng)，如圖6所示，智能能源集線器允許用戶監(jiān)視并控制所用能源設備，具有自優(yōu)化功能，在充分利用不同能源的供應特性、價格特性和耦合特性的基礎上，用戶可以通過轉(zhuǎn)移或改變其消費能源種類和數(shù)量來參與需求側(cè)管理計劃。

四、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式

近年來，我國政府對能源領域的重視程度和支持力度不斷提升，大力提倡在需求側(cè)建立以可再生能源為主體的發(fā)、配、儲、用一體化智慧能源系統(tǒng)。在管理方法上按照互聯(lián)網(wǎng)理念，運用先進的互聯(lián)網(wǎng)信息技術，實現(xiàn)能源生產(chǎn)和使用的智能化，相關產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，具體體現(xiàn)在下述幾個方面。

（一）能源結(jié)構

能源供應環(huán)節(jié)將逐步具備綠色環(huán)保、節(jié)約高效、安全可靠的特征[22,23]，多元發(fā)展的能源結(jié)構和多輪驅(qū)動的能源供應體系；分布式能源將快速發(fā)展。屋頂光伏、電動汽車等各類單一容量小、總體數(shù)量大的分布式資源在地域上具有分散的特性，能夠就地收集、存儲和利用這些資源的需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)是高效、便捷利用這些資源的有效途徑。

（二）技術屬性

圖6 用戶資源優(yōu)化管理系統(tǒng)

信息技術和信息化的管理模式將在需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)體系中不斷深化發(fā)展。這包括兩層含義：首先，信息技術是實現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)的前提。深化發(fā)展信息技術，電流、電壓、氣壓、流量、溫度等各類傳感器和嵌入式數(shù)據(jù)采集器的大量、廣泛應用是基礎，實時、可靠的通信網(wǎng)絡是媒介，高效、智能的控制算法是核心[24]。只有在這一基礎上，智慧能源系統(tǒng)才能有效整合能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、用戶需求數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)及其他各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)能源優(yōu)化利用的目標。其次，能量的“信息化管理”模式，是智慧能源系統(tǒng)實時平衡供需、優(yōu)化能源應用的有效途徑[25,26]。例如為應對分布式電源和各類負荷在能量生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)所具有的間歇性和隨機性，儲能裝置是關鍵的能量緩沖單元。從信息論的角度理解，引入儲能實際上是將能量在調(diào)配過程中從連續(xù)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散量，這一轉(zhuǎn)變使得智慧能源系統(tǒng)可以按照信息互聯(lián)網(wǎng)管控信息流的機制對離散化的能量流進行調(diào)度。

（三）市場形態(tài)

相關產(chǎn)業(yè)的技術將使商業(yè)模式有望實現(xiàn)重大突破和創(chuàng)新[27]。參與主體更多、進入門檻更低、方式更為靈活的模式創(chuàng)新將不斷產(chǎn)生。以互聯(lián)網(wǎng)為載體，能夠?qū)⒛茉聪到y(tǒng)中分散化的用戶、差異化的能源、多元化的商業(yè)主體緊密聯(lián)系起來，擴大市場成員的交互范圍與頻度，降低交易成本，顯著提高市場成員參與能源交易的便利性與存在感。多種能源形式的融合和互聯(lián)網(wǎng)精神的滲透必將催生一個競爭充分、多邊對等、主動參與的全新能源系統(tǒng)生態(tài)。創(chuàng)新需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)商業(yè)模式，鼓勵采取電網(wǎng)、燃氣、熱力公司控股或參股等方式組建綜合能源服務公司從事市場化供能、售能等業(yè)務，積極推行合同能源管理、綜合節(jié)能服務等市場化機制[28～30]，加快構建基于互聯(lián)網(wǎng)的智慧用能信息化服務平臺，可為用戶提供開放共享、靈活智能的綜合能源供應及增值服務。

五、發(fā)展前景

預計到2030年，智慧能源系統(tǒng)相關技術及其應用將基本成熟，并全面實現(xiàn)商業(yè)化。其發(fā)展路線如下：

實驗示范階段。當前，智慧能源系統(tǒng)相關技術大多處于起步探索階段，并逐漸向?qū)嵱没D(zhuǎn)變，各種仿真實驗系統(tǒng)及示范工程初步建立。隨著智慧能源系統(tǒng)相關研究的進一步發(fā)展，智慧能源系統(tǒng)工程示范逐漸成熟并開始向社會推廣。在此階段，智慧能源系統(tǒng)的關鍵技術逐漸成熟，能夠應用于一些實際商業(yè)化運行的項目。市場上的公司廣泛掌握關鍵核心技術，技術壁壘降低。國家和政府仍需要對項目進行初期投資或者相關補貼，來刺激市場投資者對智慧能源系統(tǒng)進行投資與經(jīng)營。

應用推廣階段。2020—2025年，為我國需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)市場化蓬勃發(fā)展的階段。在此階段，智慧能源系統(tǒng)的設備制造、優(yōu)化控制、規(guī)劃設計等核心技術逐漸成熟，能夠基本滿足實際項目的需求，并且各項技術在實際項目中得到很好的驗證和利用。國家對于促進智慧能源系統(tǒng)發(fā)展的政策已相對完善，市場活力增強，應當更多鼓勵和發(fā)展合同能源管理型以及自用型智慧能源系統(tǒng)建設。

普遍應用、完全市場化階段。2025—2030年，需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)的關鍵技術研發(fā)成熟，我國智慧能源系統(tǒng)高度市場化，除供能公司之外，大批獨立運營商甚至個人選擇投資區(qū)域和用戶級智慧能源系統(tǒng)，且市場對價格的調(diào)整已可以基于成本定價，價格合理、競爭充分，需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)成為全社會普遍采用的能源供應模式。

六、結(jié)語

智慧能源系統(tǒng)代表著未來能源領域的發(fā)展方向，是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎，相關技術已成為世界各國能源領域的關注熱點。本文主要從需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)的特點、關鍵技術、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式以及發(fā)展前景等方面進行了相關分析與探討。隨著關鍵設備與能源存儲、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)刃录夹g的快速發(fā)展，智慧能源系統(tǒng)通過多能互補融合與梯級利用，可顯著提高能源綜合利用效率以及可再生能源消納能力，改善資產(chǎn)利用率水平與能源供給靈活性，改變能源生產(chǎn)與消費模式，帶動諸多新興能源市場以及相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將成為實現(xiàn)我國能源轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展目標的關鍵。