鄭玉平，王 俊，楊志宏，滕賢亮，杜 煒，王 丹

（1. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司,江蘇省南京市 211106；2. 南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）,江蘇省南京市 211106；3. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省南京市 211106；4. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)）,天津市 300072）

0 引言

國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《2022 年新型城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)融合發(fā)展重點(diǎn)任務(wù)》,明確指出要提高新型城鎮(zhèn)化建設(shè)質(zhì)量,加快推進(jìn)新型城市建設(shè),有序推進(jìn)城市更新［1］。城鎮(zhèn)化與能源發(fā)展始終相輔相成、密切關(guān)聯(lián),城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速促使能源整體消費(fèi)水平提高,高耗能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致污染物排放急速增加［2-3］。2020 年9 月,習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出“30·60”雙碳目標(biāo)；中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議指出,為實(shí)現(xiàn)“30·60”雙碳目標(biāo),要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)［4-5］。

中國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程是世界歷史上規(guī)模最大、速度最快的。不同于其他國(guó)家,中國(guó)的新型城鎮(zhèn)化具有“城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、城鄉(xiāng)一體、產(chǎn)城互動(dòng)、節(jié)約集約、生態(tài)宜居、和諧發(fā)展”六大特征,基于城鎮(zhèn)資源稟賦與區(qū)域用能特性,以城鎮(zhèn)為依托,利用各類(lèi)能源耦合裝置將分立的能源、網(wǎng)絡(luò)以及用戶相聯(lián),構(gòu)建城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)。城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)具有互聯(lián)互通、產(chǎn)消一體、交易多元等特點(diǎn)［6］,從供用能方式轉(zhuǎn)變?nèi)胧?引導(dǎo)供能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,通過(guò)多能多端互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)清潔低碳化、能源資源利用集約化、能源價(jià)值靈活共享化、多能耦合信息物理緊密化,在供用能成效方面實(shí)現(xiàn)綜合能效提升、碳排放降低等目標(biāo)。

然而,目前城鎮(zhèn)不同能源子系統(tǒng)的發(fā)展互相割裂、統(tǒng)籌融合不足,電、冷、熱、氣深度耦合的多能源供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)尚不健全,使得不同能源供給、儲(chǔ)備以及輸配網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之間缺乏深入融合［7-8］,導(dǎo)致城鎮(zhèn)能源集約利用不足、能源利用率低、輸配效率低等問(wèn)題,尤其在應(yīng)對(duì)重大公共危機(jī)事件時(shí),不同能源子系統(tǒng)之間信息傳遞低效,容易引發(fā)反應(yīng)滯后和處理不及時(shí)等問(wèn)題［9］,危害城鎮(zhèn)能源安全。

因此,為推動(dòng)城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè),需要明確現(xiàn)有示范應(yīng)用條件的適應(yīng)性與不足,探索系統(tǒng)建設(shè)與實(shí)踐模式。目前,學(xué)界為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),在概念設(shè)計(jì)、物理信息系統(tǒng)建設(shè)、數(shù)字化建設(shè)等方面已經(jīng)做了諸多研究,在不同模式下,德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)等也都做了相關(guān)探索。其中,在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目指導(dǎo)下,江蘇揚(yáng)中和天津北辰初步打造了具備中國(guó)南北城鎮(zhèn)典型特色的新型城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程,本文著重介紹其示范架構(gòu)、服務(wù)體系、工程概況、典型場(chǎng)景與建設(shè)成效,并結(jié)合中國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn),對(duì)中國(guó)未來(lái)推動(dòng)城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提出了相關(guān)建議,希望能夠?yàn)槲磥?lái)中國(guó)新型城鎮(zhèn)的發(fā)展提供一些借鑒。

1 國(guó)內(nèi)外城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐綜述

國(guó)內(nèi)外的城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與實(shí)踐,整體上經(jīng)歷了從概念設(shè)計(jì)到物理信息系統(tǒng)建設(shè),再到數(shù)字化建設(shè)的過(guò)程。如圖1 所示,城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的概念設(shè)計(jì)可以追溯到20 世紀(jì)70 年代,起步于歐美,包括美國(guó)的世界電能網(wǎng)絡(luò)概念［10］、瑞士能源路由器理論［11］、歐盟的網(wǎng)元互聯(lián)概念［12］、英國(guó)曼徹斯特的用戶互動(dòng)策略［13］等。2012 年,杰里米·里夫金提出能源互聯(lián)網(wǎng)是第三次工業(yè)革命的核心之一［14］。2014年中國(guó)中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組會(huì)議明確了能源革命戰(zhàn)略思想［15］,城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入物理信息系統(tǒng)建設(shè)階段。2016 年中國(guó)國(guó)家發(fā)改委、能源局和工信部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》［16］。2017 年中國(guó)國(guó)家能源局公布首批55 個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目［17］,國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)在此期間快速發(fā)展。根據(jù)互聯(lián)區(qū)域的大小與連接方式,能源互聯(lián)網(wǎng)分為城鎮(zhèn)級(jí)、區(qū)域級(jí)和用戶級(jí)［2,18］,城鎮(zhèn)級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)以電、氣為主要能源形式,集成大規(guī)模集中式清潔能源；區(qū)域級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)涵蓋電、氣、冷、熱多種能源形式,涉及源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ),靈活性資源豐富,集成多類(lèi)中小型分布式清潔能源、儲(chǔ)能；用戶級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模較小,以分布式源-荷-儲(chǔ)為主。中國(guó)上海、天津、蘇州、深圳等地開(kāi)展了不同層級(jí)能源互聯(lián)的示范應(yīng)用。數(shù)字化建設(shè)階段,2021 年中國(guó)杭州亞運(yùn)村、天津津門(mén)湖新能源車(chē)綜合服務(wù)中心等地先后開(kāi)展了云-網(wǎng)-端融合的能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化建設(shè),2022 年《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》發(fā)布［19］,明確指出綜合智慧能源+能源數(shù)字化是現(xiàn)代能源體系建設(shè)的主方向。

圖1 城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程實(shí)踐歷程Fig.1 Practice process of urban Energy Internet demonstration projects

針對(duì)城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與實(shí)踐的不同階段,選取具有代表性特征的典型案例進(jìn)行介紹。

1.1 城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的概念設(shè)計(jì)階段

歐洲E-DeMa 示范項(xiàng)目通過(guò)各時(shí)段價(jià)差機(jī)制引導(dǎo)用戶節(jié)約用電。重點(diǎn)在于建設(shè)具有高滲透率分布式能源的社區(qū),將擁有微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的用戶、能源供應(yīng)商、能源銷(xiāo)售商、設(shè)備運(yùn)營(yíng)商等多個(gè)角色整合到一個(gè)系統(tǒng)中,并開(kāi)展了電量、備用容量等虛擬能源交易［20-21］。

歐盟ELECTRA 示范項(xiàng)目針對(duì)不同規(guī)模、不同電壓等級(jí)的電網(wǎng),從運(yùn)行控制、儲(chǔ)能技術(shù)、電力市場(chǎng)機(jī)制等多個(gè)方面展開(kāi)研究。整體研究思路是以分層分布式的控制策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中控制,提出以“主動(dòng)負(fù)荷、分布式能源與儲(chǔ)能單元的網(wǎng)元互聯(lián)”的概念,從而協(xié)調(diào)各種分布式能源的接入與就地平衡［22-23］。

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)通過(guò)集成用戶監(jiān)控終端,開(kāi)發(fā)綜合能源電、熱、氣、水系統(tǒng)與用戶交互平臺(tái),從能源利用模式、能源節(jié)約策略和需求響應(yīng)3 個(gè)方面對(duì)曼徹斯特能源系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)［24-25］。

1.2 物理信息系統(tǒng)建設(shè)階段

根據(jù)歐美能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),近年來(lái)物理信息系統(tǒng)的建設(shè)加快。在城鎮(zhèn)級(jí),加拿大耶洛奈夫鎮(zhèn)作為旅游業(yè)為主的城鎮(zhèn),在傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)基礎(chǔ)上,增加地源熱泵、水電供熱、太陽(yáng)能熱風(fēng)系統(tǒng)、被動(dòng)式太陽(yáng)能供暖,通過(guò)能源管理中心實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)毓I(yè)、商業(yè)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)的各種能源綜合管理和利用,提高能源利用效率和可再生能源利用率［26-27］。

日本柏葉智慧城市通過(guò)構(gòu)建區(qū)域能源管理系統(tǒng),將城市范圍內(nèi)的寫(xiě)字樓、商業(yè)場(chǎng)所、居民住宅、儲(chǔ)能等能源信息集中處理［28］,減少能源消費(fèi)開(kāi)支,提高能源資源的利用效率［29］。

中國(guó)上海崇明島具有豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗?0］,通過(guò)構(gòu)建靈活且具有彈性的智能用電系統(tǒng),搭建工業(yè)、商業(yè)、環(huán)島電動(dòng)汽車(chē)供能體系和生態(tài)農(nóng)業(yè),支撐了島內(nèi)綠色能源平穩(wěn)接入電網(wǎng)和分層分區(qū)就地消納。

中國(guó)同里新能源小鎮(zhèn)是綠色低碳、開(kāi)放共享、協(xié)同高效的能源生態(tài)示范小鎮(zhèn)［31］。以配電網(wǎng)為核心,利用電、熱、冷、氣等多種能源的融合互補(bǔ)能力和源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)等多種元素的協(xié)調(diào)互動(dòng)特性,提高各類(lèi)能源的時(shí)空互補(bǔ)和逐級(jí)利用水平,促進(jìn)節(jié)能減排［32］。

與城鎮(zhèn)級(jí)的大規(guī)模集群綜合用能體不同,區(qū)域級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)主要以工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)為主。中國(guó)北京市科學(xué)技術(shù)研究院現(xiàn)代制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)園針對(duì)供電、供冷、供熱系統(tǒng)各自獨(dú)立運(yùn)行,缺乏統(tǒng)一的管理、綜合能效偏低等問(wèn)題,在園區(qū)內(nèi)建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)多能流優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng),將多種能源介質(zhì)的能量流網(wǎng)絡(luò)、信息流網(wǎng)絡(luò)融為一體,實(shí)現(xiàn)了園區(qū)“電、熱、冷”等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合利用［33］。

中國(guó)上海迪士尼度假區(qū)是全球首個(gè)采用分布式電源技術(shù)的度假園區(qū),建設(shè)了冷、熱、電和壓縮空氣四聯(lián)供［34-35］,通過(guò)能源站集中控制系統(tǒng)與用戶側(cè)能源管理系統(tǒng)的有效集成,保證站內(nèi)各系統(tǒng)始終處于高效運(yùn)行狀態(tài),有效降低能源損耗。

中國(guó)天津中新生態(tài)城的能源供應(yīng)需求多元,是一個(gè)集成多種能源輸入、多種產(chǎn)品輸出及多種能源轉(zhuǎn)換的能源單元［36-38］。以能源站為核心,通過(guò)停車(chē)場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)成能源微網(wǎng),實(shí)現(xiàn)冷、熱、電的梯級(jí)高效利用。

中國(guó)南京高速齒輪制造有限公司通過(guò)綜合能源管控與服務(wù)平臺(tái),接入園區(qū)變電站、配電房、分布式光伏發(fā)電、移動(dòng)儲(chǔ)能、充電樁、空調(diào)等源-荷-儲(chǔ)資源,分層、分類(lèi)計(jì)量廠區(qū)建筑和車(chē)間設(shè)備能效,實(shí)現(xiàn)智慧化、精細(xì)化管控目標(biāo)。

用戶級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)直接為終端用戶供能,主要為以建筑本體為單元的供用能系統(tǒng)。德國(guó)朗根費(fèi)爾德市在社區(qū)內(nèi)開(kāi)展了用戶級(jí)綜合能源的示范應(yīng)用,構(gòu)建社區(qū)能源管理系統(tǒng),為用戶提供用能成本最低、新能源消納率最高和電網(wǎng)支撐3 種工作模式［13］,通過(guò)用戶互動(dòng)提升能效,降低碳排放。

中國(guó)深圳樓宇型綜合智慧能源示范工程,綜合平衡商業(yè)樓宇“降碳、降耗、降費(fèi)、舒適”等多方需求,在提升用戶舒適度前提下,充分運(yùn)用高效制冷、儲(chǔ)能、水（冰）蓄冷技術(shù)及可再生能源元素,實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)與節(jié)能降耗。

中國(guó)上海張江能源服務(wù)中心智慧樓宇,通過(guò)建設(shè)樓宇智慧綜合操作系統(tǒng)、綠色節(jié)能管理系統(tǒng)、智慧樓宇自控管理系統(tǒng)等平臺(tái),實(shí)現(xiàn)樓宇智慧化、大樓管理智能化、能源管理可視化、平臺(tái)管理集成化、用戶體驗(yàn)扁平化的目標(biāo)。

中國(guó)繼遠(yuǎn)電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園區(qū)智慧樓宇,通過(guò)對(duì)光伏、儲(chǔ)能、多端口能源路由器、全直流智能建筑、智慧路燈、智慧車(chē)棚等的監(jiān)測(cè)、管理、統(tǒng)計(jì)、分析、優(yōu)化手段,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與優(yōu)化園區(qū)樓宇電、水、冷、熱等能源的生產(chǎn)和消費(fèi)情況,促進(jìn)清潔能源消納。

1.3 數(shù)字化建設(shè)

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的興起,城鎮(zhèn)綜合能源的數(shù)字化建設(shè)也不斷推進(jìn)。中國(guó)杭州亞運(yùn)村未來(lái)社區(qū)綜合能源示范工程在技術(shù)上通過(guò)智慧云+電力物聯(lián)網(wǎng)融合軟硬件搭建了全感知臺(tái)區(qū)總體架構(gòu),構(gòu)建了未來(lái)社區(qū)綜合能源服務(wù)平臺(tái)。在“宏觀”上整合亞運(yùn)村冷熱電氣多種能源供應(yīng)方式,使能源高效聯(lián)動(dòng)運(yùn)行,降低亞運(yùn)村能源使用成本,形成全綠電供應(yīng)和“零碳”新模式；在“微觀”上,通過(guò)應(yīng)用智能空氣開(kāi)關(guān)、智能插座等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)細(xì)致到“電器級(jí)”的智慧用能管理,實(shí)現(xiàn)智慧電力數(shù)據(jù)全覆蓋。

中國(guó)天津津門(mén)湖新能源車(chē)綜合服務(wù)中心是2021 年全國(guó)7 個(gè)能源數(shù)字化示范工程之一,集“數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化”多功能場(chǎng)景于一體,定位高標(biāo)準(zhǔn)建成示范站,聚合全球充電前沿技術(shù),包括普通快充和創(chuàng)新充電技術(shù)示范,聚焦國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的充電方式。服務(wù)中心建成全國(guó)首個(gè)車(chē)聯(lián)網(wǎng)體系化運(yùn)營(yíng)平臺(tái),通過(guò)充電設(shè)施智能管控,助力打造綠色低碳交通運(yùn)輸體系,實(shí)現(xiàn)充電網(wǎng)絡(luò)全覆蓋,有效降低碳排放量,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建“光儲(chǔ)充換”系統(tǒng),有效實(shí)現(xiàn)清潔能源自給自足,促進(jìn)區(qū)域綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展。

中國(guó)寧波城市級(jí)智慧能源管理服務(wù)系統(tǒng),充分應(yīng)用“大云物移智”等信息化技術(shù),推動(dòng)能源生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用等各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的接入。采用“云平臺(tái)+微服務(wù)”架構(gòu),融合政府決策、宏觀經(jīng)濟(jì)、地域特色等多維度信息,充分運(yùn)用數(shù)字化手段,通過(guò)跨部門(mén)、跨層級(jí)業(yè)務(wù)協(xié)同,實(shí)現(xiàn)全品類(lèi)能源生產(chǎn)、供給、存儲(chǔ)、消費(fèi)數(shù)據(jù)匯聚和在線監(jiān)測(cè),有效促進(jìn)用能信息互聯(lián)共享,提升能源管理的數(shù)字化水平。

從整體范疇來(lái)看,城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)目前主要圍繞云-網(wǎng)-端融合開(kāi)展,在電力、市政、交通等領(lǐng)域已經(jīng)取得了較多成果。未來(lái)新型城鎮(zhèn)將具備更高的信息化和數(shù)字化水平,從而在整體技術(shù)層面形成數(shù)字孿生城鎮(zhèn)的概念［39］。數(shù)字孿生將使能源系統(tǒng)與城市各領(lǐng)域在數(shù)字空間中的互聯(lián)互通和協(xié)同運(yùn)行成為可能,在支撐城鎮(zhèn)發(fā)展與高效運(yùn)行中發(fā)揮重要作用［40-41］,是未來(lái)城鎮(zhèn)能源系統(tǒng)發(fā)展的重要方向［42-43］。

2 城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與服務(wù)體系設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

在國(guó)內(nèi)外城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,總結(jié)設(shè)計(jì)城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程總體架構(gòu),如圖2 所示,具體包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層4 個(gè)部分,通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光、氣、地?zé)?、生物質(zhì)等多種能源形式的數(shù)據(jù)接入和綜合管理,通過(guò)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能源管控。

圖2 城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of urban Energy Internet demonstration project

1）感知層

感知層指城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的能源基礎(chǔ)建設(shè),主要包含源端裝置、負(fù)荷端裝置、儲(chǔ)能類(lèi)裝置、信息類(lèi)裝置、采集裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置等,如光伏逆變器、儲(chǔ)能換流器、傳感器、多能信息交互裝置、交直流雙向變換器、多端口電能變換裝置、即插即用型儲(chǔ)能變換器等,以及分布式能源本地系統(tǒng),如光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、冷-熱-電三聯(lián)供系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)等,城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)通過(guò)與這些裝置或系統(tǒng)的對(duì)接,實(shí)現(xiàn)對(duì)多類(lèi)能源的數(shù)據(jù)采集與控制。

2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層指城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信,主要包含電力信息網(wǎng)、電力信息4G 專(zhuān)網(wǎng)、公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等,城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)可以通過(guò)電力信息網(wǎng)與調(diào)度自動(dòng)化、配網(wǎng)自動(dòng)化、用電信息采集等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；通過(guò)電力信息4G 專(zhuān)網(wǎng)對(duì)各類(lèi)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；通過(guò)公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（非電力信息4G 專(zhuān)網(wǎng)覆蓋區(qū)域）,并部署安全防護(hù)裝置,對(duì)其他各類(lèi)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3）平臺(tái)層

平臺(tái)層指城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)平臺(tái),平臺(tái)功能可以包括能源采集、能源監(jiān)測(cè)、能源分析、能源規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化、能源交易、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、綜合能源運(yùn)維等應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)綜合能源服務(wù)領(lǐng)域的全業(yè)務(wù)覆蓋。同時(shí),設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與傳輸、系統(tǒng)集成、信息模型、數(shù)據(jù)融合、信息交互等方面的接口標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn),形成完整的新型城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)。

4）應(yīng)用層

應(yīng)用層指城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的各類(lèi)用戶服務(wù),能源互聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)是共享的、開(kāi)放的、互動(dòng)的,服務(wù)對(duì)象多樣化,既有供電公司、配售電公司、能源運(yùn)營(yíng)商,又有政府機(jī)構(gòu)、能源用戶、社會(huì)用戶。能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)平臺(tái)通過(guò)為不同的用戶提供差異性的綜合能源服務(wù),提升綜合能源服務(wù)質(zhì)量,如為政府機(jī)構(gòu)提供整體的能源運(yùn)行指標(biāo)掌控,為供電公司、能源運(yùn)營(yíng)商提供多能源的運(yùn)行優(yōu)化、管控服務(wù)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)服務(wù)等,為配售電公司、能源用戶、能源運(yùn)營(yíng)商提供能源交易服務(wù),為能源運(yùn)營(yíng)商、能源用戶提供能源運(yùn)維服務(wù),為各類(lèi)用戶提供能效分析服務(wù)等。

2.2 服務(wù)體系

構(gòu)建城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)管控與服務(wù)體系是城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的核心內(nèi)容。城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)管控與服務(wù)體系是以智慧城市為載體,以城鎮(zhèn)綜合供用能服務(wù)為核心,以“互聯(lián)網(wǎng)+”為手段,充分考慮城鎮(zhèn)的資源特色與用戶用能特點(diǎn),通過(guò)實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)內(nèi)不同類(lèi)型的能源資源互聯(lián)互通、協(xié)同優(yōu)化、供需互動(dòng)、服務(wù)模式創(chuàng)新,建立健全能源市場(chǎng)、標(biāo)準(zhǔn)體系、保障體系等,構(gòu)造城鎮(zhèn)綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源生態(tài)體系。

城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)管控與服務(wù)體系由“1 個(gè)平臺(tái)”和“3 個(gè)支撐服務(wù)”組成。1 個(gè)平臺(tái)指城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)管控與服務(wù)平臺(tái),平臺(tái)基于云架構(gòu)建設(shè),與城鎮(zhèn)的用戶端能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上下貫通,并在線為城鎮(zhèn)中各類(lèi)能源用戶提供應(yīng)用。3 個(gè)支撐服務(wù)指城鎮(zhèn)能源管控服務(wù)、能源服務(wù)及技術(shù)支撐服務(wù),其中城鎮(zhèn)能源管控服務(wù)實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)能源的頂層設(shè)計(jì),主要包括能源發(fā)展、市場(chǎng)機(jī)制、能源監(jiān)管、評(píng)估評(píng)價(jià)、法律法規(guī)等,能源服務(wù)包括面向各類(lèi)用戶提供的差異化的綜合能源服務(wù)及商業(yè)模式,技術(shù)支撐服務(wù)指實(shí)現(xiàn)城市綜合能源系統(tǒng)貫通及跨行業(yè)融合所需的裝置、信息集成等標(biāo)準(zhǔn)。

構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)管控與服務(wù)體系的內(nèi)涵如下:

1）通過(guò)頂層規(guī)劃設(shè)計(jì),進(jìn)一步打通城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)的能量流、信息流壁壘,實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)能源從生產(chǎn)到消費(fèi)整個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通,可解決城鎮(zhèn)中不同能源系統(tǒng)之間存在的多環(huán)節(jié)制約而無(wú)法協(xié)同高效運(yùn)行的問(wèn)題。

2）通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)與保障體系,實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)能源管控從注重單個(gè)企業(yè)、單一產(chǎn)業(yè)的能效提升,向全局性、系統(tǒng)性、整體性的能效提升轉(zhuǎn)型升級(jí),實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)資源優(yōu)化配置,推動(dòng)城鎮(zhèn)能源供給向集約化、清潔化轉(zhuǎn)型。

3）能源互聯(lián)網(wǎng)管控與服務(wù)體系為城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)和指引,進(jìn)一步促進(jìn)能源系統(tǒng)的末端和其他行業(yè)的資源融合與互動(dòng),提升城鎮(zhèn)能源資源的利用水平,促進(jìn)城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的共建、共享、共贏。

3 江蘇揚(yáng)中綠電消納能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程實(shí)踐

3.1 工程概況

中國(guó)江蘇揚(yáng)中“城鄉(xiāng)一體”效果顯著,以光伏為主的可再生能源充足,綠電消納發(fā)展?jié)摿薮?是遠(yuǎn)近聞名的“電氣島”“光伏島”“長(zhǎng)江制造業(yè)走廊”,是國(guó)家級(jí)高比例新能源示范城市、全國(guó)售電側(cè)改革試點(diǎn)區(qū)。如圖3 所示,江蘇揚(yáng)中新壩鎮(zhèn)示范區(qū)面積約34 km2,人口約8 萬(wàn),2018 年建設(shè)初期,示范區(qū)內(nèi)用電量約650 GW·h,用氣量約1.990×107m3,光伏裝機(jī)規(guī)模48.5 MW；光伏數(shù)據(jù)采集集中化程度不足,綠電消納技術(shù)手段單一,用戶用能智慧化水平不高。

圖3 中國(guó)揚(yáng)中能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程2018 年概況Fig.3 General situation of Yangzhong Energy Internet demonstration project of China in 2018

江蘇揚(yáng)中新壩鎮(zhèn)分布式綠電消納能源互聯(lián)網(wǎng),堅(jiān)持“清潔替代、能效提高、面向增量、合作共贏”的發(fā)展理念,以揚(yáng)中高新區(qū)配售電有限公司為投資主體,通過(guò)構(gòu)建多種能源協(xié)同供應(yīng)轉(zhuǎn)化消費(fèi)體系,探索能源交易新模式,為配售電公司及其客戶提供精細(xì)化管理與全面化服務(wù),助力揚(yáng)中配售電公司提升調(diào)配效率與綜合能效。示范工程概況如圖4 所示,在城鎮(zhèn)級(jí)建設(shè)綜合能源管控與服務(wù)平臺(tái)、無(wú)線4G 專(zhuān)網(wǎng),開(kāi)展分布式光伏數(shù)據(jù)集中采集改造和配電網(wǎng)升級(jí)改造,在區(qū)域級(jí)建設(shè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)和移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng),用戶級(jí)開(kāi)展智慧用能互動(dòng)、社區(qū)用戶群電能轉(zhuǎn)換與能量管控平臺(tái)和交直流混合微電網(wǎng)建設(shè)。截至2021 年6 月,示范區(qū)內(nèi)建有110 kV 變電站2 座,光伏裝機(jī)容量為150.1 MW,儲(chǔ)能裝機(jī)容量為10.2 MW/20.2 MW·h,居民太陽(yáng)能熱水器普及率達(dá)90%以上,新建建筑基本實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能光熱一體化,年用電量約650 GW·h,用氣量約3.958×107m3。

圖4 中國(guó)揚(yáng)中能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程概況Fig.4 Overview of Yangzhong Energy Internet demonstration project of China

揚(yáng)中示范工程圍繞示范區(qū)內(nèi)能源接入多元化、能源運(yùn)營(yíng)一體化、能源服務(wù)專(zhuān)業(yè)化的目標(biāo),構(gòu)建可復(fù)制、可推廣的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)新模式,開(kāi)展能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè),形成了以天然氣、太陽(yáng)能和風(fēng)能為主要輸入能源,在綜合能源管控與服務(wù)平臺(tái)的有序調(diào)配下,對(duì)產(chǎn)能、供能、蓄能、用能、節(jié)能等能源供需全過(guò)程進(jìn)行一體化調(diào)控和優(yōu)化配置,面向核心示范區(qū)內(nèi)的所有用戶提供高品質(zhì)的電、熱、冷等能源產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)綜合能源服務(wù)。同時(shí),建立分布式綠色能源交易機(jī)制,實(shí)現(xiàn)電力和熱力的互聯(lián)互通、互相補(bǔ)償,充分發(fā)揮區(qū)域內(nèi)冷、熱、電的互補(bǔ)效應(yīng),以最小的外部能源供給滿足區(qū)域內(nèi)所有能源需求。

3.2 典型場(chǎng)景

江蘇揚(yáng)中新壩鎮(zhèn)示范區(qū)在供給側(cè)主要通過(guò)分布式光伏發(fā)電進(jìn)行供能,具有分布范圍廣、參與用戶多、裝機(jī)容量大等特點(diǎn)；在用戶側(cè),示范區(qū)內(nèi)的工商業(yè)用戶分布廣泛,負(fù)荷密集,具有相當(dāng)充足的互動(dòng)光伏量和電力負(fù)荷量。但分布式光伏分布區(qū)域廣、單體容量小,分布式綠電消納不充分、綜合能效偏低；同時(shí),分布式光伏發(fā)電的間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)使其調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重不足,能源供應(yīng)需要依靠外部的穩(wěn)定供應(yīng),從而導(dǎo)致棄光現(xiàn)象存在。因此,揚(yáng)中示范區(qū)建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的主要目的是解決分布式綠電消納問(wèn)題。

3.2.1 能源規(guī)劃

基于以上場(chǎng)景問(wèn)題與目標(biāo),對(duì)揚(yáng)中示范工程的能源規(guī)劃包括2 個(gè)方向:1）加強(qiáng)分布式可再生能源建設(shè),打造以綠電消納為核心的能源產(chǎn)供銷(xiāo)模式,從需求側(cè)提高綠電消納水平；2）加強(qiáng)能源耦合,提高綜合用能水平,打造以多能互補(bǔ)為核心的供用能策略,從供給側(cè)保障能源高效可靠利用。

揚(yáng)中示范區(qū)2018 年綜合能源建設(shè)情況如附錄A 圖A1（a）所示,將揚(yáng)中示范工程規(guī)劃建設(shè)劃分為3 個(gè)階段與2 個(gè)目標(biāo),通過(guò)對(duì)整體網(wǎng)架、分布式可再生能源及互聯(lián)互動(dòng)設(shè)施（儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)、柔性負(fù)荷）的時(shí)序建設(shè)改造,實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。第1 階段（2018—2021 年）,以綠電消納為目標(biāo),提升可再生能源與儲(chǔ)能的裝機(jī)容量,加大可再生能源消納比例,減少棄光現(xiàn)象；第2 階段（2022—2025 年）,重點(diǎn)對(duì)已有能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展規(guī)劃改造,滿足能源發(fā)展需求；第3 階段（2026—2030 年）,加大儲(chǔ)能、柔性負(fù)荷、電動(dòng)汽車(chē)充電樁等互聯(lián)互動(dòng)設(shè)施的建設(shè),合理配置能源,最大化接入可再生能源,使終端電力利用率進(jìn)一步提升,詳細(xì)方案如附錄A 圖A1 所示。

2018—2021 年,兼顧綠電消納與綜合用能的規(guī)劃目標(biāo),指導(dǎo)揚(yáng)中示范區(qū)的電力、燃?xì)狻崃艿佬陆〝U(kuò)容改造,如附錄A 圖A1（b）所示。該階段配置50 kW/100 kW·h 和100 kW/200 kW·h 移動(dòng)式儲(chǔ)能各一套,改造接入示范區(qū)內(nèi)包括集中式光伏、工商業(yè)和居民分布式光伏共150.1 MW。

2022—2025 年,在綠電消納規(guī)劃優(yōu)選方案的基礎(chǔ)上,考慮碳減排目標(biāo)和清潔能源占比,建立揚(yáng)中示范區(qū)的新能源裝機(jī)、多能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)架擴(kuò)建規(guī)劃方案,如附錄A 圖A1（c）所示。該方案以提升綠電消納為主,增配光伏、風(fēng)電等新能源設(shè)備,兼顧多類(lèi)型用戶負(fù)荷需求響應(yīng),實(shí)現(xiàn)揚(yáng)中示范區(qū)互聯(lián)互動(dòng)負(fù)荷平衡。

2026—2030 年,基于基礎(chǔ)網(wǎng)架擴(kuò)建規(guī)劃優(yōu)選方案,構(gòu)建綠電消納和綜合用能結(jié)合場(chǎng)景,加大系統(tǒng)設(shè)備和網(wǎng)架規(guī)劃投資,新能源設(shè)備總?cè)萘空急扔兴陆?主要是由于示范區(qū)系統(tǒng)趨于飽和,逐步由網(wǎng)架規(guī)劃轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合用能規(guī)劃,如附錄A 圖A1（d）所示。該階段以示范區(qū)的綜合能效提升為目標(biāo),重點(diǎn)考慮示范區(qū)內(nèi)部源荷轉(zhuǎn)換前后能效變化,促進(jìn)示范區(qū)的高效綠色發(fā)展。

3.2.2 能源交易

截至2021 年底,揚(yáng)中示范區(qū)內(nèi)普通居民光伏用戶為1 985 戶,裝機(jī)容量達(dá)到30 MW,具備開(kāi)展分布式能源點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer to peer,P2P）交易的條件。以示范區(qū)內(nèi)永治小區(qū)用戶信息為基礎(chǔ),選取其中100 戶,根據(jù)其實(shí)際發(fā)用電數(shù)據(jù)開(kāi)展模擬交易,實(shí)現(xiàn)“隔墻售電”。

首先,融合數(shù)據(jù)特征提取與分析、自適應(yīng)預(yù)測(cè)模型及不確定性量化等方法,建立組合集成深度學(xué)習(xí)的多能“源荷”概率預(yù)測(cè)方法,結(jié)合揚(yáng)中示范區(qū)內(nèi)全天空成像儀的氣象監(jiān)測(cè)信息,利用分類(lèi)算法自適應(yīng)加權(quán)組合多個(gè)初級(jí)集成深度模型,預(yù)測(cè)市場(chǎng)交易用戶的發(fā)用電功率,量化預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性,如附錄A 圖A2（a）至（d）所示。概率預(yù)測(cè)方法克服了傳統(tǒng)方法在波動(dòng)性、隨機(jī)性強(qiáng)的多能“源荷”數(shù)據(jù)上預(yù)測(cè)困難的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了電/熱負(fù)荷、光伏/風(fēng)電等多能“源荷”的不確定性量化。如表1 所示,揚(yáng)中示范區(qū)內(nèi)的光伏短期預(yù)測(cè)（日前）精度達(dá)88%以上,小時(shí)級(jí)預(yù)測(cè)精度達(dá)到91%以上；電/熱負(fù)荷短期預(yù)測(cè)（日前）精度達(dá)92%以上,小時(shí)級(jí)的預(yù)測(cè)精度超過(guò)94%。并且實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)不確定性90%置信區(qū)間的量化,光伏、風(fēng)電、電負(fù)荷、熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)區(qū)間置信水平偏差分別小于1.8%、2.2%、1.5%和1.4%,為能源交易提供了可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果和不確定性量化信息。

表1 中國(guó)揚(yáng)中分布式光伏及電/熱負(fù)荷預(yù)測(cè)性能Table 1 Prediction performance of distributed photovoltaic and electric/thermal load in Yangzhong of China

在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建基于連續(xù)匹配的P2P 撮合交易機(jī)制,考慮月度和季節(jié)性影響,按月開(kāi)展分布式交易。分布式綠電交易如附錄A 圖A2（e）所示,在7 月份,100 戶用戶全部參與交易,包括72 個(gè)購(gòu)售電用戶和28 個(gè)購(gòu)電用戶。用戶在系統(tǒng)中按照交易申報(bào)、訂單撮合、安全校核、合約執(zhí)行和交易結(jié)算的流程進(jìn)行交易,結(jié)果顯示交易均價(jià)為0.46 元/（kW·h）,總交易量達(dá)到9 156 kW·h,交易金額為4 219 元。在該月,用戶平均購(gòu)售電價(jià)格分別為0.45 元/（kW·h）和0.42 元/（kW·h）,社會(huì)福利達(dá)到725.11 元。在整個(gè)模擬周期內(nèi),用戶整體的購(gòu)電支出降低了2.68%、售電收入提升了11.93%。揚(yáng)中分布式綠電交易機(jī)制有效緩解了傳統(tǒng)集中式電力交易市場(chǎng)環(huán)境下分布式發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力受限問(wèn)題,可為用戶提供更具主動(dòng)性和靈活性的能源市場(chǎng),促進(jìn)分布式發(fā)電發(fā)展,實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源的就近消納。

3.3 建設(shè)成效

北辰示范工程于2018 年7 月開(kāi)始建設(shè),2020 年7 月開(kāi)始投運(yùn)。以2017 年7 月至2018 年6 月作為基準(zhǔn)年,2020 年7 月至2021 年6 月作為目標(biāo)年,從綜合能效、清潔能源占比以及CO2排放3 個(gè)方面分析示范工程建設(shè)成效。具體指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。與基準(zhǔn)年相比,揚(yáng)中示范工程目標(biāo)年綜合能效提升了11.3%,清潔能源占比達(dá)到34.39%,碳排放減少了19.93%。

表2 中國(guó)揚(yáng)中能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程關(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算Table 2 Calculation of key indicators in Yangzhong Energy Internet demonstration project of China

結(jié)合圖5 可見(jiàn),揚(yáng)中示范工程的能效提升主要分為2 個(gè)階段,2018—2020 年能源基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)階段,通過(guò)分布式光伏建設(shè)、分布式/移動(dòng)式儲(chǔ)能等多項(xiàng)配套工程提升能效擴(kuò)展空間,綜合能效提升至52.21%；2020—2021 年投運(yùn)階段,以能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)平臺(tái)為依托,通過(guò)交易運(yùn)行技術(shù),滿足綠電消納的中短期目標(biāo),助力示范區(qū)綜合能效提升至56.32%。

圖5 中國(guó)揚(yáng)中能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程綜合能效Fig.5 Comprehensive energy efficiency of Yangzhong Energy Internet demonstration project of China

江蘇揚(yáng)中能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程以綠電消納與綜合用能為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了區(qū)域綠電大規(guī)模發(fā)展與消納,匹配地區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)速度,有效提升了能源互動(dòng)發(fā)展指數(shù)、工/商/住及可再生能源消費(fèi)指數(shù)。揚(yáng)中能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程能流變遷如附錄A 圖A3 所示,2017 年揚(yáng)中示范區(qū)供給側(cè)清潔能源比例較低,損耗比重大,綜合能效較低,能源結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化。經(jīng)過(guò)示范建設(shè),2021 年示范區(qū)供給側(cè)清潔能源比例顯著提升,綠電消納比重增加,燃煤發(fā)電比重下降,示范區(qū)綜合能效顯著提升。

4 天津北辰清潔供熱能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程實(shí)踐

4.1 工程概況

中國(guó)天津北辰大張莊鎮(zhèn)地處華北腹地,“產(chǎn)城互動(dòng)”特征明顯,區(qū)域內(nèi)多種業(yè)態(tài)集中,匯集居民、工業(yè)、商業(yè)等多樣性的能源消費(fèi)主體,涵蓋冷、熱、電、氣、風(fēng)、光、地?zé)岬榷嘀刭Y源,用熱需求量大,是國(guó)家北方地區(qū)清潔供暖試點(diǎn)城市示范區(qū)。北辰能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程2018 年概況如附錄B 圖B1 所示,北辰大張莊鎮(zhèn)示范區(qū)面積約20 km2,2018 年建設(shè)初期,示范區(qū)內(nèi)用電量約100 GW·h,以外部煤電為主；用氣量為1.3×107m3,工業(yè)區(qū)分散式供熱為主,終端用熱清潔性不足；電氣熱統(tǒng)一管理、資源協(xié)同互動(dòng)等方面的能力有待提升。

天津北辰大張莊鎮(zhèn)清潔供熱能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程以“智慧能源支撐城市轉(zhuǎn)型、服務(wù)產(chǎn)業(yè)升級(jí)”為建設(shè)目標(biāo),開(kāi)拓“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源政企合作共建新模式。電力公司發(fā)起該清潔供熱能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目,與屬地政府、屬地能源公司和園區(qū)企業(yè)用戶深入合作,以項(xiàng)目帶動(dòng)區(qū)域綜合能源發(fā)展,加快區(qū)域能源轉(zhuǎn)型,改善營(yíng)商環(huán)境,促進(jìn)高端產(chǎn)業(yè)落地,推動(dòng)區(qū)域“產(chǎn)城融合”發(fā)展。示范工程概況如附錄B 圖B2 所示,在城鎮(zhèn)級(jí),建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)的統(tǒng)一管控與服務(wù)；在區(qū)域級(jí),建設(shè)并接入相變蓄熱站、直流充電站、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)、移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng),從局部支撐城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行；在用戶級(jí),建設(shè)智慧園區(qū)和智慧小區(qū),接入工商業(yè)用戶和居民用戶,同時(shí)接入用戶能源系統(tǒng)中的風(fēng)、光、地?zé)岬荣Y源,提升用戶資源參與城鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的能力。截至2021 年6 月,示范區(qū)內(nèi)投產(chǎn)120 MW 北宸華電分布式冷熱電三聯(lián)供能源站1 座,6.32 MW·h 相變蓄熱站1 座,含3 臺(tái)60 kW 直流充放電樁的充電站1 座,部署0.5 MW/0.5 MW·h 電儲(chǔ)能3 套。分布式能源規(guī)模達(dá)到3.061 MW,其中,光伏1.886 MW,地源熱泵1.14 MW,風(fēng)機(jī)0.035 MW。

該示范工程以電力為核心,構(gòu)建了冷、熱、電、氣綜合能源網(wǎng)絡(luò),以通信網(wǎng)絡(luò)支撐能源信息互聯(lián),以綜合管控與服務(wù)平臺(tái)統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)冷熱電三聯(lián)供、電儲(chǔ)能、燃?xì)忮仩t、蓄熱裝置、地源熱泵、分布式光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、用戶負(fù)荷等資源,面向工業(yè)用戶、商業(yè)用戶與居民用戶提供多種形式的能源服務(wù)。

4.2 典型場(chǎng)景

北辰大張莊鎮(zhèn)作為典型的北方城鎮(zhèn),冬季供暖面臨著巨大的環(huán)保壓力。示范區(qū)內(nèi)存在能源站,電力供應(yīng)以大電網(wǎng)供電為主,具備多能源耦合條件,但工業(yè)用戶仍主要采用分布式設(shè)備獨(dú)立供熱,地源熱泵恒功率運(yùn)行,三聯(lián)供以熱定電,供能效率較低。目前一些工業(yè)用戶仍采用不完全清潔的供熱方式,如小型燃煤鍋爐,造成一定的碳排放超標(biāo)。示范區(qū)東西部地區(qū)能源需求不平衡,東部地區(qū)能源需求增長(zhǎng)迅速,西部地區(qū)能源需求密度較大,現(xiàn)有的能源設(shè)施無(wú)法滿足和平衡東西部的能源增長(zhǎng)需求。因此,北辰能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程以清潔供熱、多能互補(bǔ)為建設(shè)目標(biāo)。

4.2.1 能源規(guī)劃

北辰示范區(qū)2018 年綜合能源建設(shè)情況如附錄B 圖B3（a）所示,基于以上問(wèn)題與建設(shè)目標(biāo),將北辰示范工程的規(guī)劃建設(shè)劃分為3 個(gè)階段與2 個(gè)目標(biāo),通過(guò)對(duì)整體網(wǎng)架、清潔供熱系統(tǒng)及互聯(lián)互動(dòng)設(shè)施（儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)、柔性負(fù)荷）的時(shí)序建設(shè)改造,實(shí)現(xiàn)清潔供熱與綜合用能的目標(biāo)。第1 階段（2018—2021 年）,依托三聯(lián)供能源站,建設(shè)集中供熱管網(wǎng),采用天然氣等清潔能源,經(jīng)能源站進(jìn)行清潔供熱,提高供熱效率,滿足用戶用熱需求增長(zhǎng)；第2 階段（2022—2025 年）,進(jìn)一步拓展網(wǎng)架,加大基礎(chǔ)設(shè)施及網(wǎng)架的建設(shè)改造,優(yōu)化變電站及管線布置,解決東西部能源供需不平衡問(wèn)題；第3 階段（2026—2030 年）,加大儲(chǔ)能、柔性負(fù)荷、電動(dòng)汽車(chē)充電樁等互聯(lián)互動(dòng)設(shè)施的建設(shè),合理配置能源進(jìn)行削峰填谷,詳細(xì)方案如附錄B 圖B3所示。

2018—2021 年,以清潔供熱為目標(biāo),對(duì)北辰示范區(qū)的電力、燃?xì)狻崃艿佬陆〝U(kuò)容改造,利用冷熱電三聯(lián)供能源站向示范區(qū)供能,如附錄B 圖B3（b）所示。該階段配置一套6.32 MW·h 的電蓄熱裝置,部署兩套500 kW/500 kW·h 的分布式儲(chǔ)能與一臺(tái)500 kW/500 kW·h移動(dòng)式儲(chǔ)能車(chē),并對(duì)示范區(qū)內(nèi)22個(gè)大用戶進(jìn)行了改造接入。

2022—2025 年,基于清潔供熱規(guī)劃優(yōu)選方案,綜合考慮不同類(lèi)型用戶的能源消費(fèi)指數(shù)、能源互動(dòng)指數(shù)和能源發(fā)展指數(shù),結(jié)合清潔能源占比和碳減排目標(biāo),對(duì)天津北辰示范區(qū)的多能源基礎(chǔ)網(wǎng)架進(jìn)行擴(kuò)建規(guī)劃,如附錄B 圖B3（c）所示。示范區(qū)逐步以天然氣代替原煤進(jìn)行電、熱能量的生產(chǎn),促進(jìn)節(jié)能減排,降低系統(tǒng)投資成本。

2026—2030 年,在清潔供熱目標(biāo)下天津北辰示范區(qū)的基礎(chǔ)網(wǎng)架規(guī)劃趨于成熟,此時(shí)需要考慮示范區(qū)整體的綜合用能情況,提升整個(gè)綜合能源系統(tǒng)的能源利用效率,如附錄B 圖B3（d）所示。在清潔供熱和綜合能效提升的雙重目標(biāo)下,該階段將對(duì)示范區(qū)的網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容,進(jìn)一步提升示范區(qū)綜合能源系統(tǒng)互聯(lián)互動(dòng)水平。

4.2.2 運(yùn)行優(yōu)化

北辰示范工程按照“城鎮(zhèn)-區(qū)域協(xié)同、區(qū)域-用戶互動(dòng)、用戶自律控制”的協(xié)同自律框架運(yùn)行,調(diào)節(jié)對(duì)象包括區(qū)域內(nèi)分布的三聯(lián)供、蓄熱、儲(chǔ)能、地源熱泵等各類(lèi)出力設(shè)備?；谶f階模型預(yù)測(cè)控制方法,構(gòu)建了多能協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度架構(gòu),將綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度分解為日前計(jì)劃、日內(nèi)滾動(dòng)、實(shí)時(shí)校正3 個(gè)不同的時(shí)間尺度以安排設(shè)備出力。如附錄B 圖B4 所示,在日前計(jì)劃中,根據(jù)電熱負(fù)荷以及分布式能源的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),以用能成本、能效為優(yōu)化目標(biāo),安排第二天的機(jī)組組合出力計(jì)劃。在日內(nèi)滾動(dòng)和實(shí)時(shí)校正環(huán)節(jié),隨著預(yù)測(cè)精度的不斷提高,按照4 h、15 min 的時(shí)間維度,滾動(dòng)更新各類(lèi)機(jī)組的出力計(jì)劃,協(xié)調(diào)不同調(diào)節(jié)速率的資源,逐級(jí)消除預(yù)測(cè)誤差和擾動(dòng)帶來(lái)的影響。

示范區(qū)在上午09:00—11:00 出現(xiàn)用電高峰,此時(shí)外購(gòu)電價(jià)格較高,根據(jù)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)優(yōu)化,三聯(lián)供突破以熱定電模式,在保證能效的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于三聯(lián)供的時(shí)間常數(shù)較大,僅安排其跟蹤日前調(diào)度曲線,跟隨效果顯示良好。相變蓄熱根據(jù)分時(shí)電價(jià),在夜間蓄熱,白天放熱,實(shí)現(xiàn)了削峰填谷的目標(biāo)。相變蓄熱調(diào)節(jié)手段靈活,能夠依據(jù)新能源出力的波動(dòng),適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行功率,達(dá)到最大程度就地消納新能源的成效。通過(guò)靈活資源的調(diào)節(jié),與各類(lèi)設(shè)備獨(dú)立供能相比,當(dāng)日運(yùn)行成本下降6.7 萬(wàn)元,總耗能下降144.6 MW·h,碳排降低59.8 t。

4.3 建設(shè)成效

北辰示范工程與揚(yáng)中示范工程建設(shè)周期相近,設(shè)置同樣的基準(zhǔn)年與目標(biāo)年,如表3 所示,通過(guò)基礎(chǔ)能源設(shè)施的補(bǔ)強(qiáng)和各級(jí)能源管控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行,示范區(qū)綜合能效達(dá)到了64.34%,相較于建設(shè)初期提升14.06%；終端用能清潔能源占比達(dá)到49.43%,相較于建設(shè)初期提升21.64%；碳排放減少到236 118 t,相較于建設(shè)初期降低36.92%。

表3 中國(guó)北辰能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程關(guān)鍵指標(biāo)計(jì)算Table 3 Calculation of key indicators for Beichen Energy Internet demonstration project of China

如圖6 所示,北辰示范工程的能效提升主要分為2 個(gè)階段,2018—2020 年能源基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)階段,通過(guò)可再生能源建設(shè)、分布式/移動(dòng)式儲(chǔ)能、相變蓄熱站、直流充放電站等多項(xiàng)配套工程提升能效擴(kuò)展空間；2020—2021 年投運(yùn)階段,以能源互聯(lián)網(wǎng)綜合管控與服務(wù)平臺(tái)為依托,實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)合理配置,滿足系統(tǒng)能流優(yōu)化控制中短期目標(biāo),實(shí)現(xiàn)示范區(qū)綜合能效二次提升。

圖6 中國(guó)北辰能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程綜合能效Fig.6 Comprehensive energy efficiency of Beichen Energy Internet demonstration project of China

伴隨著能源設(shè)施建設(shè)和投運(yùn),天津北辰以清潔供熱與綜合用能為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)區(qū)域集中清潔供熱大面積覆蓋,解決負(fù)荷和資源錯(cuò)配情況,有效提升能源、互動(dòng)發(fā)展指數(shù),工業(yè)、商業(yè)、居民能源消費(fèi)指數(shù),以及可再生能源消費(fèi)指數(shù)。北辰能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程能流變遷如附錄B 圖B5 所示,2017 年北辰示范區(qū)供給側(cè)清潔能源比例較低,消費(fèi)側(cè)電力比重不高,整體示范區(qū)綜合能效較低,經(jīng)過(guò)示范建設(shè),2021 年示范區(qū)供給側(cè)清潔能源比例顯著提升,消費(fèi)側(cè)電力比重和清潔供熱比重增加,整體示范區(qū)綜合能效顯著提升。

5 對(duì)中國(guó)特色城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的建議

中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入全新時(shí)代,由高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段。中國(guó)特色城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng),要以人為本,賦能于民,服務(wù)于民。城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要面向用戶用能需求的多樣性,形成優(yōu)質(zhì)高效多樣化的能源供給體系,為用戶提供高效、高品質(zhì)的能源供應(yīng)服務(wù),支撐中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展。

5.1 技術(shù)手段方面

1）完善城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)理論體系。圍繞規(guī)劃、運(yùn)行、交易、評(píng)價(jià)、示范應(yīng)用,建立城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的理論體系,構(gòu)建從共性關(guān)鍵技術(shù)到典型應(yīng)用示范的全鏈條解決方案,支撐城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)從“頂層設(shè)計(jì)”到“精準(zhǔn)落地”。

2）提升能源協(xié)調(diào)技術(shù)水平。清潔能源是新型電力系統(tǒng)的主體,化石能源在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然是整個(gè)城鎮(zhèn)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),目前城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)主要涉及冷、熱、電、氣等二次能源以及風(fēng)、光等清潔能源,缺乏對(duì)石油、煤炭等化石能源的考慮,需在現(xiàn)有理念基礎(chǔ)上,按照統(tǒng)籌規(guī)劃、有效利用的思路,進(jìn)一步協(xié)同考慮清潔能源與化石能源的開(kāi)發(fā)利用,從全局層面上實(shí)現(xiàn)不同能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

3）注重能效與能源品質(zhì)協(xié)同提升。未來(lái)城鎮(zhèn)對(duì)于能源的用量需求和品質(zhì)需求是同等重要的,能源品質(zhì)是保障安全、確保能源供應(yīng)穩(wěn)定的重要影響因素,應(yīng)完善能效與能源品質(zhì)協(xié)同提升的城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),支撐低碳綠色城市建設(shè),推動(dòng)能源清潔低碳安全高效利用。

5.2 機(jī)制設(shè)計(jì)方面

1）完善用戶互動(dòng)響應(yīng)機(jī)制。目前中國(guó)在需求響應(yīng)方面已出臺(tái)相關(guān)機(jī)制與規(guī)則,但僅在江蘇、浙江等地有相關(guān)探索與示范,尚未在更大范圍的實(shí)際工程中實(shí)施,需進(jìn)一步完善用戶響應(yīng)的價(jià)格、結(jié)算等機(jī)制,為用戶參與互動(dòng)提供制度和規(guī)則支撐,保障用戶互動(dòng)利益,提升城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)用戶互動(dòng)水平。

2）健全能源交易機(jī)制與規(guī)則。市場(chǎng)是引導(dǎo)用戶消費(fèi)與互動(dòng),提高整個(gè)能源產(chǎn)-供-銷(xiāo)環(huán)節(jié)運(yùn)行效率的重要手段。目前中國(guó)在電力中長(zhǎng)期交易、電力現(xiàn)貨交易方面已出臺(tái)相關(guān)機(jī)制,但面向電、氣、熱耦合的能源市場(chǎng)建設(shè)尚在探索階段,需加強(qiáng)能源市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化建設(shè),完善準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則,增強(qiáng)市場(chǎng)監(jiān)管制度和政策的穩(wěn)定性、可預(yù)期性,為能源交易提供機(jī)制保障,引導(dǎo)用戶消費(fèi)與互動(dòng),提高整個(gè)能源產(chǎn)供銷(xiāo)環(huán)節(jié)運(yùn)行效率。

5.3 關(guān)鍵裝備方面

1）推進(jìn)新型能源管控平臺(tái)研發(fā)。突破能源行業(yè)壁壘,研發(fā)貫穿綜合能源規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行管控、交易結(jié)算、運(yùn)維評(píng)價(jià)等全功能環(huán)節(jié)能源服務(wù)的城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合能源管控平臺(tái),一方面,實(shí)現(xiàn)多能量流的監(jiān)測(cè)與控制,保證能源的質(zhì)量與穩(wěn)定傳輸,另一方面,提供優(yōu)質(zhì)的管控服務(wù)與輔助決策,實(shí)現(xiàn)能效與能源品質(zhì)提升,解決城鎮(zhèn)能源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)獨(dú)立建設(shè)運(yùn)營(yíng)的問(wèn)題。

2）加強(qiáng)多能協(xié)調(diào)控制裝置研發(fā)。研發(fā)滿足城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)海量柔性資源的多能信息采集與協(xié)調(diào)控制裝置,提升計(jì)算效率與安全通信水平,滿足實(shí)時(shí)控制需求,實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)級(jí)、區(qū)域級(jí)和用戶級(jí)各類(lèi)能源設(shè)備的物理互聯(lián)和協(xié)同控制,共同支撐城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通服務(wù)。

3）突破能源轉(zhuǎn)換裝備研制。目前實(shí)現(xiàn)多能轉(zhuǎn)換主要依賴(lài)于局域的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),與熱泵、冰/水蓄冷等能源輸出相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)耦合不緊密,冷、熱、電、氣仍然相對(duì)割裂。因此,需要進(jìn)一步探索新的能源轉(zhuǎn)換裝備,從全局層面上實(shí)現(xiàn)不同能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

6 結(jié)語(yǔ)

城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建了互聯(lián)互通、優(yōu)化共享的能源網(wǎng)絡(luò),其多樣化的能源供給保證了城鎮(zhèn)巨大的能源需求。大量清潔能源、可再生能源的開(kāi)發(fā)利用從源頭上解決了化石能源的資源緊缺及環(huán)境污染問(wèn)題,為城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展提供了解決思路。在中國(guó)城鎮(zhèn)化背景下,為促進(jìn)城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)的示范應(yīng)用與推廣建設(shè),本文從工程概念設(shè)計(jì)、物理信息系統(tǒng)建設(shè)、數(shù)據(jù)化建設(shè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外示范應(yīng)用情況。

基于學(xué)界研究和業(yè)界探索,本文提出了城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)以及服務(wù)體系,從工程概況、典型場(chǎng)景以及建設(shè)成效3 個(gè)方面詳細(xì)介紹了該模式下的江蘇揚(yáng)中和天津北辰兩個(gè)中國(guó)南北方典型城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程。

城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)了能源的產(chǎn)業(yè)革命,推動(dòng)了多種能源產(chǎn)業(yè)的合作共贏,促進(jìn)了綜合用能技術(shù)的發(fā)展,提高了城鎮(zhèn)能源的利用效率。在此經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提煉出中國(guó)新型城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程實(shí)踐的普遍性問(wèn)題,并結(jié)合中國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn),從技術(shù)手段、機(jī)制設(shè)計(jì)、關(guān)鍵裝備3 個(gè)方面,對(duì)中國(guó)未來(lái)推動(dòng)城鎮(zhèn)能源互聯(lián)網(wǎng)提出了相關(guān)建議。

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