譚清坤 ,徐 航 ,陳 琳 ,唐 偉 ,尹建兵 ,張 煜
(1.國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司,北京市 昌平區(qū) 102209;2.國(guó)網(wǎng)浙江電力有限公司杭州供電公司,浙江省 杭州市 310000)
全面實(shí)施縣域振興戰(zhàn)略,是解決發(fā)展不平衡、不充分問(wèn)題,縮小城鄉(xiāng)區(qū)域發(fā)展差距,實(shí)現(xiàn)共同富裕的重要內(nèi)容。在中央縣域工作會(huì)議提出“三農(nóng)”工作從脫貧攻堅(jiān)到全面推進(jìn)縣域振興的歷史性轉(zhuǎn)移任務(wù)??h域城鎮(zhèn)化是我國(guó)城鎮(zhèn)化的重要組成部分,縣城是多數(shù)縣域的經(jīng)濟(jì)政治文化中心,在縣域城鎮(zhèn)化中發(fā)揮著龍頭作用??h城承載了我國(guó)近三分之一的城鎮(zhèn)常住人口,是推進(jìn)縣域振興和城鄉(xiāng)融合發(fā)展、擴(kuò)大內(nèi)需和實(shí)現(xiàn)“雙循環(huán)”的有力支撐[1-2]。
文獻(xiàn)[3]以河南省蘭考縣為研究載體,將縣域作為國(guó)家區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的重要基本單元,基于高比例可再生能源縣域示范,提出新時(shí)代縣域能源生態(tài)系統(tǒng)演進(jìn)與優(yōu)化的具體對(duì)策。文獻(xiàn)[4]對(duì)縣域的能源生態(tài)系統(tǒng)的能源生產(chǎn)系統(tǒng)、能源消費(fèi)系統(tǒng)和能源次生系統(tǒng)3個(gè)主要部分開(kāi)展具體剖析,進(jìn)而提出優(yōu)化方案,提出新時(shí)代縣域能源生態(tài)系統(tǒng)演進(jìn)與優(yōu)化的具體對(duì)策。文獻(xiàn)[5]以縣域全境為研究對(duì)象,論述其綜合能源系統(tǒng)如何構(gòu)建,為縣域經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)展提供參考。文獻(xiàn)[6]就農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)分析,并為農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提出了相關(guān)的建議。文獻(xiàn)[7]以蘭考能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為抓手,積極參與試點(diǎn)建設(shè),全力助推蘭考縣打造全國(guó)農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范樣板。文獻(xiàn)[8]根據(jù)農(nóng)村能源利用情況,設(shè)計(jì)了農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)利用場(chǎng)景,并測(cè)算了其成本收益。文獻(xiàn)[9]依據(jù)DMSP-OLS與NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù),測(cè)算了京津冀地區(qū)縣域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product,GDP)、人口及能源消耗情況。
本文在分析縣域能源消費(fèi)的基礎(chǔ)上,按照分布式供能、多能互補(bǔ)、綠色用能、智慧用能的原則構(gòu)建了縣域能源互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架體系,以最大程度提高區(qū)域能源利用效率和可再生能源利用率為目的,分大城市及城市群周邊縣城、遠(yuǎn)離中心城市但具有特殊資源條件縣城、偏遠(yuǎn)且特色產(chǎn)業(yè)不突出的縣城等類(lèi)型制定供用能方案。
縣域能源消費(fèi)以商品能源為主、非商品能源為輔,非商品能源大部分是薪柴和秸稈。圖1為“十三五”期間縣域能源消費(fèi)情況,2020年我國(guó)縣域能源消費(fèi)量約6.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占全國(guó)能源消費(fèi)總量的13.1%。其中商品能源消費(fèi)總量約5.4 億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占縣域能源的81.4%[10]。非商品能源消費(fèi)約1.3億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占18.6%。圖2為2020年縣域不同能源品種消費(fèi)情況。
圖1 “十三五”期間縣域能源消費(fèi)情況Fig.1 Energy consumption at county during the 13th Five-Year Plan period
圖2 2020年縣域不同能源品種消費(fèi)情況Fig.2 Energy consumption of different types at county level in 2020
縣域生活能源消費(fèi)所占比重較高,以電力和非商品能源消費(fèi)為主。2020年縣域生活能源消費(fèi)約4.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占縣域能源消費(fèi)的63.7%。其中商品能源約3.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤,電力占48.6%。非商品能源消費(fèi)1.0億t標(biāo)準(zhǔn)煤,以薪柴消費(fèi)為主。
縣域能源消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng),向著更加商品化、清潔化、電氣化方向發(fā)展[11]。預(yù)計(jì)到2025年,我國(guó)縣域能源消耗量預(yù)計(jì)為7.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤,不同品種能源需求見(jiàn)圖3。其中,縣域生活用能占縣域能源消耗量的66.7%,縣域生產(chǎn)用能占33.3%;縣域商品能源合計(jì)6.36 億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占縣域能源消費(fèi)量的88.3%,縣域非商品能源合計(jì)為0.84億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占縣域能源消費(fèi)量的11.7%;電氣化水平30.4%,低于全國(guó)平均水平。
圖3 2025年我國(guó)縣域不同品種能源需求Fig.3 Energy demand of different types at county level in China in 2025
預(yù)計(jì)到2035年,我國(guó)縣域能源消耗量為8.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤,電氣化水平提升至39.5%??h域生產(chǎn)用能將從以煤炭、石油為主逐漸過(guò)渡到以電力、石油為主,非商品能源基本被完全替代??h域生活用能始終以電力消費(fèi)為主,可再生能源資源的利用程度會(huì)逐漸加大。2035年縣域不同品種能源需求具體見(jiàn)圖4,全國(guó)一次能源需求于2030年前后達(dá)峰,縣域地區(qū)由于承接城市的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,能源需求持續(xù)增長(zhǎng),達(dá)峰時(shí)間晚于全國(guó)。
圖4 2035年我國(guó)縣域不同品種能源需求Fig.4 Energy demand of different types at county level in China in 2035
縣域電網(wǎng)用電量保持較快增長(zhǎng),“十四五”期間用電增速與全社會(huì)用電增速持平。2010—2035 年縣域用電量與增速趨勢(shì)見(jiàn)圖5,預(yù)計(jì)2025年縣域電網(wǎng)用電量為4.45×1012kW·h,“十四五”年均增速為5.5%。2035年縣域用電量達(dá)到6.33×1012kW·h,2025—2035年年均增速3.6%。由于縣域地區(qū)擁有豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能、小水電等資源,未來(lái)將進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)縣域地區(qū)可再生能源資源的開(kāi)發(fā)利用,沼氣、太陽(yáng)能等可再生資源利用將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。
圖5 2010—2035年縣域用電量與增速趨勢(shì)Fig.5 Power consumption and growth trend at county level from 2010 to 2035
在縣域振興戰(zhàn)略的推動(dòng)下,縣域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)境不斷改善,縣域產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,在縣域休閑旅游業(yè)、縣域新型服務(wù)業(yè)、縣域特色產(chǎn)業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)等行業(yè)帶動(dòng)下,縣域用電量持續(xù)快速增長(zhǎng)。
構(gòu)建縣域能源互聯(lián)網(wǎng),對(duì)縣域分布式光伏、風(fēng)電、水/地源熱泵、水電、沼氣、秸稈等能源資源及生產(chǎn)生活垃圾,采取集中式與分散式并舉的方式開(kāi)發(fā)利用,實(shí)現(xiàn)縣域冷、熱、電等多種能源形式優(yōu)化互補(bǔ),提高能源利用效率,促進(jìn)縣域能源可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展縣域能源互聯(lián)網(wǎng),應(yīng)從能源網(wǎng)架體系、信息支撐體系、價(jià)值創(chuàng)造體系3個(gè)維度打造共建共治共享的縣域能源互聯(lián)網(wǎng)[12]。在能源網(wǎng)架體系建設(shè)方面,建設(shè)以電網(wǎng)為基礎(chǔ)的多能互補(bǔ)能源網(wǎng)絡(luò),分類(lèi)推動(dòng)縣域能源基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí),縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系具體見(jiàn)圖6。
圖6 縣域能源互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系Fig.6 Grid structure system of county energy internet
在規(guī)模較大的中心村及一般村莊等集聚類(lèi)村莊,開(kāi)展光伏建筑一體化、生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)、分戶(hù)式直流微網(wǎng)等綜合能源項(xiàng)目,結(jié)合農(nóng)業(yè)、工貿(mào)、休閑服務(wù)等主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要,有針對(duì)性地推廣空氣源熱泵、溴化鋰吸收式制冷機(jī)、冷熱儲(chǔ)能罐等技術(shù)應(yīng)用,提高縣域清潔用能水平。
在城市近郊區(qū)及縣城城關(guān)所在地等城郊融合類(lèi)村莊,推進(jìn)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通和城鄉(xiāng)公共服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)均等化,建設(shè)以智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)、分布式能源低碳網(wǎng)絡(luò)與城市能源管網(wǎng)互聯(lián)互通、多種能源形態(tài)互相轉(zhuǎn)化的能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程,不斷強(qiáng)化縣域能源基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)城市發(fā)展、承接城市功能外溢的能力。
在信息支撐體系建設(shè)方面。建設(shè)多元互動(dòng)信息系統(tǒng),提升縣域能源群調(diào)群控的能力。適應(yīng)縣域能源分布化、用能分散化發(fā)展需要,推廣智能配電變壓器終端應(yīng)用,推進(jìn)新一代信息技術(shù)與電力系統(tǒng)融合,推動(dòng)縣域可再生能源并網(wǎng)管控能力提升[13]。縣域能源互聯(lián)網(wǎng)的信息支撐體系具體見(jiàn)圖7。
圖7 縣域能源互聯(lián)網(wǎng)信息支撐體系Fig.7 Information support system of county energy internet
建設(shè)以新一代信息技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)的多元互動(dòng)信息系統(tǒng),提升縣域能源群調(diào)群控能力。適應(yīng)縣域能源分布化、用能分散化發(fā)展需要,推廣智能配電變壓器終端應(yīng)用,推進(jìn)新一代信息技術(shù)與電力系統(tǒng)融合,推動(dòng)縣域可再生能源并網(wǎng)管控向群調(diào)、群控方向發(fā)展。首先,提高農(nóng)網(wǎng)配電自動(dòng)化水平,將調(diào)度主站功能下沉到各個(gè)集群系統(tǒng),降低配電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐,適應(yīng)海量的隨機(jī)性電源并網(wǎng)場(chǎng)景。其次,推動(dòng)現(xiàn)有通信模式由主從模式向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式的轉(zhuǎn)變,將監(jiān)控功能下沉到集群或分布式發(fā)電場(chǎng)站,實(shí)現(xiàn)不同分布式電源的自適應(yīng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。最后,推廣多能流微網(wǎng)群控技術(shù),通過(guò)新型控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)多種能源和用能設(shè)備的優(yōu)化控制,實(shí)現(xiàn)分散可再生能源和多元用能設(shè)備的“即插即用”,推進(jìn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化運(yùn)行。
在價(jià)值創(chuàng)造體系建設(shè)方面。通過(guò)網(wǎng)架、通信系統(tǒng)共享共用,推動(dòng)能源與交通、農(nóng)業(yè)等部門(mén)合作,實(shí)現(xiàn)與縣域新產(chǎn)業(yè)同步升級(jí)、同步受益,強(qiáng)化融合發(fā)展理念,提升縣域能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值創(chuàng)造水平[14]??h域能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值創(chuàng)造體系具體見(jiàn)圖8。
圖8 縣域能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值創(chuàng)造體系Fig.8 Value creation system of county energy internet
服務(wù)農(nóng)業(yè)信息化水平提升,推進(jìn)綜合能源業(yè)務(wù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)融合。推進(jìn)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、牧業(yè)與縣域配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和信息資源共享,提升農(nóng)業(yè)裝備智能化和信息化水平,加快農(nóng)業(yè)由增產(chǎn)轉(zhuǎn)向增質(zhì)。推進(jìn)綜合能源服務(wù)與美麗縣域建設(shè)相融合。將光伏扶貧、生物質(zhì)利用與有機(jī)農(nóng)業(yè)有機(jī)結(jié)合,以資源永續(xù)利用和美麗宜居為導(dǎo)向,建設(shè)農(nóng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電集中區(qū),構(gòu)建產(chǎn)業(yè)扶貧新模式。充分挖掘能源大數(shù)據(jù)價(jià)值,打造跨界共融、開(kāi)放共享、協(xié)同共促的數(shù)據(jù)價(jià)值新體系。在縣域開(kāi)展電力、天然氣等能源數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)、水利、金融、政務(wù)等其他領(lǐng)域雙向?qū)?,共同?gòu)建縣域數(shù)據(jù)資源體系。開(kāi)發(fā)“精準(zhǔn)灌溉”“綠能監(jiān)控”“綠色金融”等模塊服務(wù)縣域振興,提升政府的治理能力[14]。
在新型城鎮(zhèn)化和縣域振興戰(zhàn)略協(xié)同推進(jìn)下,縣城將結(jié)合區(qū)位特點(diǎn)、資源優(yōu)勢(shì)、交通環(huán)境等條件,明確差異化的功能定位[15]。以縣城為載體的新型城鎮(zhèn)化,要求加快縣城補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng),推進(jìn)產(chǎn)業(yè)配套設(shè)施提級(jí)擴(kuò)能,提升公共服務(wù)體系建設(shè)水平及政府治理科學(xué)化、精細(xì)化、智能化水平??h域能源供給模式,按照分布式供能、多能互補(bǔ)、綠色用能、智慧用能的原則,以最大程度提高縣域能源利用效率和可再生能源利用率為目的,制定供用能方案。對(duì)于工業(yè)聚集區(qū)和用能負(fù)荷區(qū),供用能策略是以分布式能源為基礎(chǔ),打造多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)。對(duì)于縣域面積較大用能密度較低,可再生能源較豐富區(qū),供能策略配以能源小鎮(zhèn)和能源民生工程建設(shè),實(shí)現(xiàn)縣域綠色用能為最終目標(biāo)。
承載大城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,延長(zhǎng)大中城市發(fā)展的經(jīng)濟(jì)深度,為臨近城市提供所需的第三產(chǎn)業(yè)支撐,加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)通,與大城市及城市群形成經(jīng)濟(jì)互聯(lián)互通,資源要素合理流動(dòng)。
產(chǎn)業(yè)發(fā)展型負(fù)荷特性曲線(xiàn)一般呈現(xiàn)“單峰”特征,主要是從事產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和居民日常生活的用電負(fù)荷量較大,具體見(jiàn)圖9。此外,其用電負(fù)荷受產(chǎn)業(yè)特性影響較大,以某省比較普遍的茶葉產(chǎn)業(yè)為例,典型村90%的家庭都在從事茶葉的種植、加工與銷(xiāo)售,其他時(shí)間負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn)。
圖9 產(chǎn)業(yè)型縣域典型日負(fù)荷特性曲線(xiàn)形態(tài)Fig.9 Typical daily load characteristic curve of industrial counties
“能源互聯(lián)網(wǎng)+縣域產(chǎn)業(yè)”場(chǎng)景,對(duì)于縣域產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),其用能需求主要為以工業(yè)生產(chǎn)為主的冷、熱、電的負(fù)荷,用能高峰與其生產(chǎn)工業(yè)密切相關(guān)。受場(chǎng)地的限制等,其供能系統(tǒng)主要以分布式的光伏、風(fēng)電為主,輔助以處理生活垃圾的垃圾電廠,最大限度開(kāi)發(fā)縣域清潔能源,協(xié)調(diào)滿(mǎn)足現(xiàn)代縣域工業(yè)用電負(fù)荷需求,具體的供能模式見(jiàn)圖10。
圖10 “能源互聯(lián)網(wǎng)+縣域產(chǎn)業(yè)”場(chǎng)景Fig.10 Scenario of“energy internet+county industry”
發(fā)展特色小鎮(zhèn),圍繞歷史文化資源、旅游資源、自然資源等發(fā)展特色產(chǎn)業(yè),以微型產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)為單元,疊加現(xiàn)代社區(qū)功能、文化功能等,形成宜居、宜業(yè)、宜游的新型空間,完善產(chǎn)業(yè)配套設(shè)施,為特色小鎮(zhèn)發(fā)展提供有力支撐,提高就業(yè)吸納能力[15-16]。
特色旅游型負(fù)荷特性曲線(xiàn)呈現(xiàn)“雙峰”的曲線(xiàn),具體見(jiàn)圖11。特色旅游型縣域負(fù)荷受外來(lái)人口影響較大,呈現(xiàn)時(shí)節(jié)性特性,旅游旺季農(nóng)家樂(lè)、民宿用電負(fù)荷大量增加。特色旅游型縣域日負(fù)荷波動(dòng)較明顯,白天游客外出游玩,用電負(fù)荷較低。晚間(16:00—22:00)游客返回休住宿地時(shí)間,農(nóng)家樂(lè)和民宿負(fù)荷陡增。
圖11 特色旅游型縣域典型日負(fù)荷特性曲線(xiàn)Fig.11 Typical daily load characteristic curve of characteristic tourism counties
“能源互聯(lián)網(wǎng)+縣域特色產(chǎn)業(yè)”場(chǎng)景,對(duì)于縣域特色產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),其用能需求主要為以旅游產(chǎn)業(yè)為主的冷、熱等負(fù)荷,用能高峰與與其特色產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。通過(guò)建設(shè)屋頂光伏、太陽(yáng)能熱水器等,輔助以處理生活垃圾的沼氣發(fā)電,開(kāi)發(fā)縣域清潔能源,協(xié)調(diào)滿(mǎn)足現(xiàn)代特色產(chǎn)業(yè)用能負(fù)荷需求,具體的供能模式見(jiàn)圖12。
圖12 “能源互聯(lián)網(wǎng)+縣域特色產(chǎn)業(yè)”場(chǎng)景Fig.12 Scenario of“energy internet+county characteristic industries”
推進(jìn)以基于縣域資源為主農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)融合,輻射周邊縣域,完善公共服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施,為周邊縣域居民來(lái)縣城的居住、教育、養(yǎng)老、休閑提供條件。無(wú)產(chǎn)業(yè)縣域負(fù)荷特性曲線(xiàn)呈現(xiàn)波動(dòng)性,具體見(jiàn)圖13。居民生活型縣域日負(fù)荷水平相對(duì)較低、波動(dòng)相對(duì)較大,主要負(fù)荷為日常生活用電的無(wú)序性,在中午和晚間呈現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高峰負(fù)荷[17]。
圖13 居民生活型縣域典型日負(fù)荷特性曲線(xiàn)Fig.13 Typical daily load characteristic curve of residential life type counties
“能源互聯(lián)網(wǎng)+生活型縣域”場(chǎng)景,對(duì)于生活型縣域來(lái)說(shuō),其用能需求主要為以居民家庭為主的冷、熱、電等負(fù)荷,用能高峰與其居民的生產(chǎn)生活密切相關(guān)[18-19]。通過(guò)建設(shè)屋頂光伏、太陽(yáng)能熱水器等,輔助以處理生活垃圾、糞便等生物質(zhì)資源的沼氣發(fā)電,開(kāi)發(fā)縣域清潔能源,協(xié)調(diào)滿(mǎn)足居民生活用能負(fù)荷需求,具體的供能模式見(jiàn)圖14。
圖14 “能源互聯(lián)網(wǎng)+生活型縣域”場(chǎng)景Fig.14 Scenario of“energy internet+county life”
未來(lái)縣域能源向著更加商品化、清潔化、電氣化方向發(fā)展,縣域電力需求將保持較快增長(zhǎng),負(fù)荷季節(jié)特性越發(fā)明顯。根據(jù)發(fā)展階段、區(qū)位條件、發(fā)展走勢(shì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等特征,因地制宜、梯次推進(jìn)各地電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè),滿(mǎn)足縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生需要。全面掌握高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、“一村一品”示范村鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)鎮(zhèn)、休閑農(nóng)業(yè)重點(diǎn)縣、美麗休閑縣域等集中性負(fù)荷,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園、縣域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園、種植資源庫(kù)、基因庫(kù)等重要負(fù)荷用電需求及負(fù)荷特性,提前合理規(guī)劃電力基礎(chǔ)設(shè)施布局,滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民生活對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量及供電安全的要求。
結(jié)合縣域用能特點(diǎn)和太陽(yáng)能、生物質(zhì)資源稟賦優(yōu)勢(shì),加快綜合能源開(kāi)發(fā)利用,推廣分布式新能源開(kāi)發(fā)、多能互補(bǔ)等新技術(shù)、新業(yè)務(wù),提升能效和清潔能源占比,滿(mǎn)足縣域多種用能需求。創(chuàng)新商業(yè)模式,推動(dòng)縣域能源數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型,實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)“源-供-儲(chǔ)-用”協(xié)同優(yōu)化調(diào)度和電網(wǎng)友好交互。