构建区域能源互联网:理念与实践

黄武靖1,张宁1,董瑞彪2,阴昌华2,刘永笑2,康重庆1  


(1. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系),北京市 海淀区 100084;2. 国网山西省电力公司太原供电公司,山西省 太原市 030000)

摘要

以智慧能源与互联网技术相结合为特征的能源互联网已成为国家“十三五”能源领域的重大战略性新兴产业。多能源系统是实现能源互联网规划建设的物理基础。文中首先介绍了能源互联网的三层架构与多能源系统的基本概念,在此基础上从能源互联网价值实现的角度阐述了能源互联网的规划优化及商业模式构建的思路。最后,以山西太原区域能源互联网的规划建设为实例,对太原区域能源互联网的建设背景、潜在价值、关键问题和难点几个方面进行了总结和展望。

关键词 : 能源互联网;多能源系统;协同规划;商业模式;综合需求响应

国家自然科学基金重点国际(地区)合作与交流项目(51620105007);山西电网公司科技项目“太原区域能源互联网关键技术(运营模式)研究与示范应用”。

0 引言

互联网已成为人类发展获取信息的主要基础设施,基于互联网的创新层出不穷,李克强总理在2015年工作总体部署中提出“互联网+”,并期待基于互联网我国能创造出更多的新技术、新模式[1]。作为支撑人类文明发展的另一种基础元素—能源,其发展相对于互联网而言,在灵活性、开放性、可扩展性等方面都制约了相关创新活动的开展,转变能源结构、提高能源效率、创新能源消费等都是能源领域改革面临的巨大挑战。以可再生能源与互联网技术结合为手段的能源互联网的建设成为国家“十三五”能源领域战略性新兴产业智能电网方向的重大工程[2]

能源互联网是以互联网思维与理念构建的新型信息—能源融合“广域网”,它以大电网为“主干网”,以微网、分布式能源等能量自治单元为“局域网”,以开放的信息—能源一体化架构最大限度地适应分布式可再生能源的接入,真正实现自底向上的能量对等分享[3]。在关键技术突破方面,能源互联网对现有能源技术提出了更高要求,并提供了能量路由器、储能、分布式发电、柔性交/直流输电技术、电力电子技术、区块链技术[4]等关键技术进一步发展的综合应用平台。在社会影响方面,能源互联网将推动能源供给体系的变革,推动能源技术革命,促进电力体制改革,支撑社会生产模式转型,创新商业模式、创造就业机会,促进产业升级、形成新增长点。

图1 能源互联网三层架构
Fig. 1 Three-layer framework of energy internet

能源互联网在纵向可以划分为三层,从低层至顶层依次为物理层、信息层和商业模式层,如图1所示。能源互联网通过信息能量深度耦合以及多能源系统的广泛集成,能够实现电能、冷、热能的高效生产、灵活控制以及智能利用,促进可再生能源的大幅接入,实现开放、灵活互动的电能交易形式,能够深入挖掘用户需求响应潜力,最终整体提高终端能源的使用效率,降低能源生产成本,减少全社会碳排放量[5]。从能源互联网运营商的角度而言,通过灵活控制区内能量生产环节、降低传输环节能耗、增强能源供应可靠性,利用价格信号充分协调不同时间、空间以及能源形式的使用,大幅度提高终端能源生产与利用效率,从而创造额外的商业价值;对用户而言,能够通过合理安排能源利用,降低能源使用费用,进而降低生产成本;从能源互联网投资商的角度,通过投资能源互联网中新能源发电、冷热电联供、先进信息以及控制技术,降低了多能源系统的运营成本,实现了充分的收资回报。

我国已经开始启动城市级/园区级能源互联网的建设。为落实《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》(发改能源〔2016〕392号)[6]、《国家能源局关于组织实施“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目的通知》(国能科技〔2016〕200号)[7]等有关要求,国家能源局在2017年6月底公布了首批55个“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目[8],其中城市能源互联网综合示范项目12个、园区能源互联网综合示范项目12个、其他及跨地区多能协同示范项目5个。多能源系统的优化规划是这些示范工程面临的首要问题。

集成电、气、热、冷等不同形式能源的多能源系统是能源互联网的物理基础。多能源系统的统一规划能够有效地考虑各个能源系统之间的互补和耦合关系,弥补原来各个能源系统分开单独规划的不足。然而目前,我国的电力、热力、燃气等能源系统均处于各自分立管理、单独规划的状态。另外,随着热电联产、电热泵、吸收式制冷机等分布式能源技术的发展,不同形式的能源在生产、传输、消费等各个环节的耦合关系越来越复杂、耦合作用越来越强,这也在客观上迫使业界对多能源系统展开研究[9-11]

1 能源互联网的物理基础—多能源系统

广义的多能源系统(Multiple Energy Systems,MES)是指煤炭、天然气、石油、核能、水能、风能、太阳能等多种形式能源的开发、转换、储备、运输、调度、控制、管理、使用等环节所组成的大系统。多能源系统将所有一次能源通过多个环节的转化与传输,最终以电、热/冷、燃料等形式为人类生产与生活提供动力[12]。图2给出的是一个典型的面向可再生能源消纳的多能源系统能量流动示意图。

图2 典型的多能源系统能量流动示意图
Fig. 2 Schematic diagram of energy flows in a typical MES

电力、热力、燃气等多能源系统进行融合与协同优化,充分考虑各能源系统的互补特性,对于提升能源利用效率,降低能源开发与利用对环境的影响,促进可再生能源消纳具有重要意义。在多种能源形式中,电能是应用最广泛的能源形式,电力系统是智能化程度最高的能源系统,同时承担着利用水能、风能以及太阳能的任务。为此,以电力为核心,以能源高效清洁利用为目标,以大规模可再生能源并网消纳为背景,研究电力系统、热力系统以及天然气系统组成的多能源系统的集成与协调优化是目前的研究热点。国际上将该问题称为“能源系统集成”(Energy Systems Integration,ESI),是应对能源高效清洁利用的有效途径。

美国国家能源部于2001年提出了能源集成系统(Integrated Energy System,IES)研究计划,其目标在于保证能源系统运行可靠性的前提下,提高可再生能源在能源系统中的占比,并促进热电联产技术等多能源集成技术的应用与推广[13]。德国政府于2010发布了《德国能源构想草案》(Draft German Energy Concept),着重突出了各能源系统之间协调运行的机制设计与技术实现,并于2011年启动了能源研究方案的制定与实施工作,其中广泛涉及新能源发电、储能等多能源系统集成关键技术的研究。丹麦政府大力支持分布式可再生能源的发展,利用生物质能进行热电联产和集中供热,致力于高比例可再生能源的消纳,并试图通过电网、热网、气网和交通网的协调规划和运行,设计相应能源市场机制,充分调动需求侧响应资源,力争在2050年之前实现新能源占比100%[14]。国际上的专家学者在2014年成立了能源系统集成国际联合研究会(The International Institute for Energy Systems Integration,IIESI),目的是为了解决能源系统的协调与优化问题。IIESI目前已经分别在美国、丹麦以及日本召开了三次国际性会议,在国际上迅速发展。

瑞士于2003年启动的“未来能源网络愿景(Vision of Future Energy Networks)”研究项目中首次提出了能量枢纽(energy hub,EH)的概念[15]。能量枢纽的概念将一个多能源系统抽象成为一个输入—输出双端口网络,认为一个多能源系统内部电、气、热、冷等能源之间的耦合关系从系统外部来看,都是输入的各种形式的能源,最终转换为其他形式的能源,以满足系统输出端的负荷需求。能量枢纽的输入和输出通过一个耦合矩阵建立联系。能量枢纽建模方法具有高度的抽象性,无论多能源系统的规模大小,都能通过能量枢纽这一模型工具进行规范化地描述[16-17]。国内外学者对于能量枢纽在多能源系统规划、运行中的应用也已经开展了详细的研究[18-19]

2 从价值实现的角度看能源互联网规划

能源互联网的规划就是回答能源互联网价值来自哪里、怎样实现、怎样分配的问题。能源互联网价值源于多能源系统的集成、耦合与互补,最大化多能源系统之间的集成效益是能源互联网规划的目标;能源互联网的价值实现要基于具体的规划方法与方案;要实现能源互联网创造价值的合理分配,则需要合理的商业模式设计。

2.1 能源互联网的价值来源—多能源系统集成

能源互联网的价值来源于多能源系统的集成,包括电力与天然气系统集成、电力与热力系统集成等。

现阶段中国燃气机组在电力系统中所占比重较小,传统的电力系统协调运行往往不考虑天然气网络的运行工况。而实际上,天然气的输送及供应能力会对电力系统中燃气机组的运行产生影响,如果燃气机组同时承担热力负荷,那么气网的运行状况还会对热力系统产生影响。因此,在能源系统集成时,需建立精细化气网模型,将燃气的供应能力及天然气管网的运行状况考虑进去。C.Unsihuay与J.W.Marangon[20]建立了天然气和电力系统的联合优化运行模型,模型中考虑了压气机与储气设施的影响,采用进化策略算法并结合内点法进行求解。伊利诺伊理工大学的M.Eremia[21]将天然气管网约束加入到机组组合模型中,综合考虑了燃气合同以及燃气管道输送能力等限制条件。

电力系统与热力系统的集成,除需保证电力系统自身的安全运行以外,还需满足热力系统的相关约束,需要建立热力系统的运行模型。热力系统是一个多输入多输出系统,其能量传输过程具有明显的延时与损耗,同时,其水力过程与热力过程相互耦合,使得整个系统较为复杂。目前国内外还有许多关于电热协调运行的研究,分析如何打破“以热定电”原则,促使热电联产机组灵活运行。龙虹毓等人[22]基于采暖热水负荷和电力负荷等约束,建立了对热电联产机组和风力发电机组节能优化调度的数学模型,并基于我国现行电价和供暖热价,讨论了风电供暖的上网电价问题。Nuytten等人[23]分析了加装储热环节对热电联产系统的作用,同时比较了集中式储热与分布式储热这两种情况下的效益问题。Lund等人[24]针对丹麦的风电消纳问题提出了两种策略,一种是开拓欧洲市场,将剩余风电售到周边国家,另一种是将热电联产机组与电制热装置和储热装置结合起来,实现电热解耦,增强热电机组的调峰能力,并着重分析了第二种策略的经济效益。总体而言,国内的相关学者更多的着眼于如何在热电联产机组电热耦合约束的条件下,通过合理的电、热负荷分配,充分挖掘热电联产机组的新能源消纳潜力;而国外学者则致力于通过电锅炉、集中储热环节等装置拓展热电联产机组的运行边界,实现电热解耦,以扩展新能源的消纳空间。

2.2 能源互联网的价值实现方式—多能源系统协同规划

多能源系统规划是能源互联网价值实现的保证,只有在规划层面协同多个能源系统,充分考虑不同能源形式之间的互补和耦合,建成的能源互联网工程才具有经济性上的优势。多能源系统规划从空间范围上可以分为区域多能源系统规划和跨区多能源系统规划两个大类。

区域级多能源系统主要指园区、城市范围内各种形式能源的生产、转换、分配和存储系统,包括分布式电源、配电系统、燃气调压柜、换热站和燃气、热水管道等。G. Andersson等人[25]提出了一种混合整数非线性规划(mixed-integer nonlinear programming,MINLP)方法,对一个含有若干备选型号的热电联产机组(combine heat and power,CHP)、变压器和燃气锅炉的能量枢纽进行规划。A.Sheikhi等人[26]提出了一种非线性的规划方法,为德黑兰的一座旅店优化CHP、燃气锅炉、吸收式制冷机和储热装置的容量和运行模式。Hongbo Ren等人[27]提出了一种规划方法,实现了日本一幢含有CHP、储能装置和辅助锅炉的居民楼的年化费用的最小化。P. Arcuri等人[28]阐述了一种冷热电三联产系统的设计流程,设计了一座医院中的CHP和电热泵(electric heat pump,EHP)的容量。Ryozo Ooka等人[29]提出了一种基于遗传算法的方法,为每种楼宇多能源系统结构选择最优的设备容量和运行方案。Pierluigi Mancarella等人[30]在考虑了不同的运行策略的情况下对不同的冷热电三联产系统结构进行运行模拟,以此挑选最优的系统结构。

跨区多能源系统往往涉及到能够远距离传输的输电网络与天然气网络,与区域多能源系统的规划不同,跨区多能源系统规划需要考虑若干区域多能源系统之间的网络连接关系。Xiaping Zhang等人[31]以降低系统建设、运行总成本和提升系统可靠性为优化目标,引入能源综合利用效率、碳排放量等评价指标,对系统中的传统发电机组、输电线路、燃气炉和热电联产机组同时进行规划,并对各能源系统分开单独规划、多能源系统统一规划、热电联产机组容量事先固定等多种情形进行对比分析,结果表明多能源系统统一规划有利于降低系统建设、运行总成本和提高系统可靠性。Qiu等人[32]提出一种电气互联系统的联合规划方案,以降低其总的投资和运维成本,并对目标函数和约束条件中的非线性项进行了线性化,通过迭代求解实现两个互联系统的总体最优规划。

2.3 能源互联网的商业模式—能源互联网的价值分配

能源互联网的建设需要合理的商业模式支撑。能源互联网横跨多个能源领域,除了能源基础设施投资外,还包括信息平台以及能源服务商等多个跨行业要素,因此能源互联网建设必然呈现多元投资、多主体参与运营的形态,需要创新的商业模式,实现其创造价值在多投资主体和用户之间进行合理分配。

国家发改委和国家能源局于2016年7月发布了《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》(发改能源〔2016〕1430号)[33],其中明确提出要“创新终端一体化集成供能系统商业模式,鼓励采取电网、燃气、热力公司控股或参股等方式组建综合能源服务公司从事市场化供能、售电等业务,积极推行合同能源管理、综合节能服务等市场化机制”。英国的许多能源供应商不仅向家庭用户提供电力,还向家庭用户提供天然气,比如EDF Energy公司。美国的综合能源供应商也发展得较好,如美国太平洋煤气电力公司和爱迪生电力公司等均属于典型的综合能源供应公司[34]。我国的一些企业也初步开始尝试向综合能源供应商转变,如原先主要开展城市燃气业务的新奥集团提出了“泛能网”的概念[35],将燃气、热、冷联系起来,开发电热冷三联产项目,将电、热、冷、气同时向用户进行销售。

综合能源需求响应也是能源互联网背景下的一种重要的商业模式。随着能源互联网建设的深入推进,多表合一设备、双向通信技术、蓄能技术为需求响应的进一步发展提供了坚实的技术支撑,需求响应的综合性、灵活性、可控性、规模性将产生实质性飞跃,将真正具备能源互联网愿景中所描述的互动性特征。需求响应也将发展为用户侧互动形式参与能源网运行,与大规模风电、电动汽车等新能源、新用能设备相协调,促进可再生能源、低碳用能设备在能源互联网中的大规模渗透。为了满足能源互联网环境下多能互补、按需互动、精准移峰的需求,有必要进一步研究多能源在负荷侧的智能协同互补、负荷恢复时段可调度的用户侧互动模式,以深入挖掘互动用户的移峰能力并实现多源互动负荷与系统供能资源的最优配合。如何设计合理的多时空尺度综合需求响应互动机制,如何构建清晰流畅的用户侧参与能源供应互动的操作流程,如何评估综合需求响应互动机制均是目前需要研究探索的关键问题。

3 山西太原区域能源互联网的实践

3.1 太原区域能源互联网建设背景

为贯彻落实国务院的“互联网+”行动,山西省政府于2016年1月颁布了《山西省关于积极推进“互联网+”行动的实施意见》[36],太原市政府于2016年6月下发了《太原市推进“互联网+”行动实施方案》[37],“互联网+”智慧能源是两个文件中一项重要内容。《实施意见》和《实施方案》中均强调了要积极推进能源生产智能化改造,实现物联网、大数据、云计算等新一代互联网信息技术对能源生产、传输、配送、消费、市场管理和服务的支持,催生能源生产、消费、服务的新业态和商业新模式。大力推进分布式能源和电动汽车等多元化负荷发展,促进“源—网—荷”协调互动,实现传统配电网向智能电网转型升级。

2016年3月30日,山西科技创新城被山西省政府批复为省级高新技术产业区,是未来国际性煤基产业科技创新中心、组织中心和技术服务中心,山西省新型城镇化和城市示范区,山西省新型城镇化和绿色、低碳、生态、智慧城市示范区。图3是山西科技创新城的区位划分图。山西科创城的建设为能源互联网的建设应用提出了现实需求。以“能源互联网”为主要内容将山西科创城打造成为“智慧低碳新区”,符合高新产业园区和经济技术开发区的标准,能够享有实施能源互联网的政策支持。

图3 山西科技创新城区位划分图
Fig. 3 Zoning map of Shanxi Science and Technology Innovation Town

3.2 太原区域能源互联网的价值分析

太原区域能源互联网的潜在价值可以分为经济价值和社会价值两方面。

3.2.1 经济价值

(1)充分挖掘现有电力输配网络的资产利用潜力,通过智能的传感、通讯以及分析技术,提高对于山西太原地区现有以及新增基础电网设施的利用率,节约配电网的基础设施投资。

(2)通过分布式发电、能量路由器、多能源系统能源与控制新技术的引进,提高整个山西太原地区供能系统的整体利用效率、节约能耗、降低山西太原地区商业用户的用电、用热、用冷、用气成本。

(3)通过灵活互动的机制创新、智能化的通讯控制技术,激活山西太原地区工业与居民用户侧的需求响应能力,通过能源互联网把能源的供应与消费“链接”起来,促进形成更加友好、高效的能源消费行为,使用户能够通过改进用能行为而获得经济效益。

(4)通过构建太原地区开放、独立、多边接入的互联网式的能源交易运营平台,在能源的供应、消费体系中建设一个能源交易、共享的平台,撬动社会各界对于分布式能源的高效利用,激活第三方资本与民间力量参与,彻底改变现有能源产业的产业结构与行业组织方式,催生出大量新兴的产业机会和经济增长点,促进地区的产业集群与升级。

3.2.2 社会价值

(1)通过建设光伏、光热、分布式冷热电三联供、冰蓄冷装置、电动汽车充(放)电桩、智能家居系统等清洁能源生产、消费、存储设备,能够提高整个山西太原地区供能系统的整体利用效率、降低污染排放,有助于太原及周边地区环境改善。

(2)通过建设配电以及供热、供冷管网优化能源生产环节,科学规划配电以及供热、供冷管网,提高能量传输效率以及传输环节基础设施的利用效率,降低能源设施对土地以及其他社会资源的消耗。

(3)多能源系统能源控制、智能调度等新技术的引进,可以提高整个供能系统的整体利用效率、节约能耗、降低用能成本,实现能源的低碳化供应。

(4)多能源系统能量管理控制系统将对周边地区能源结构转型研究探讨提供充分的示范效益。

3.3 太原区域能源互联网构建的关键问题和难点

图4 太原区域能源互联网多能源系统能量流图
Fig. 4 Energy flow chart of MES in Taiyuan regional energy internet

对国内外区域能源互联网研究现状及山西科创城能源互联网项目实际需求进行综合分析,以下3个问题是区域能源互联网规划建设运营中存在的关键问题和难点。

3.3.1 多能源系统规划与运行

图4是山西太原科技创新城多能源系统能量流图。区域能源互联网综合了电、气、热、冷各类能源,融合了各类新能源、新技术,以实现多种能源间协同互补,提高整体能源利用率。太原区域能源互联网多能源系统中电、热、冷、生活热水的供应渠道及相应的价值创造如下。

(1)供电:光伏发电+冷热电三联供+市电+储能。

价值创造:光伏发电采取“自发自用”模式,在需求侧就地平抑用电负荷曲线,削减负荷峰值,实现容量电费的节省;通过储能以及需求响应配合冷热电三联供机组的发电调度计划,缩减负荷峰谷差并扩大光伏发电的消纳空间。

(2)供暖:区域外热网+冷热电三联供+地源热泵+电采暖(配合储热)。

价值创造:通过热电联产提升热能的利用效率;储热作为电力系统的部分“虚拟储能”为电力系统提供了灵活性,降低对区域外热网供应的刚性需求,提升了热电厂灵活性,同时配合电采暖联合运行降低供暖成本。

(3)供冷:冷热电三联供+电空调+蓄冷。

价值创造:与供暖类似,冷热电三联供提升了制冷效率,冰蓄冷为电力系统提供灵活性,同时配合电空调联合运行降低供冷成本。

(4)生活热水供应:光热+冷热电三联供+燃气热水+电热水。

价值创造:充分利用可再生能源降低热水供应成本,冷热电三联供充分利用了低品位的热源,燃气热水和电热水为生活热水的供应提供灵活性。

在多能源系统的物理基础上,需要提出综合能源监控系统的体系架构和功能应用,在统一的平台上实现电、气、热、冷等多能源的集中信息采集,实时监测控制,统一调度运行,并延伸为用户提供增值服务是需要研究的难点及关键点。针对这个关键点,一方面需要研究面向调度运行、分析决策、交易结算等不同业务,面向用户、运营商等不同对象的监控系统自动化、信息化、智能化功能架构、信息体系、设备参数和二次网络结构;基于区域能源互联网商业模式和分布式能源对能源传输网络影响的定性、定量分析,研究含分布式能源的电、气、热、冷等多能源综合调度运行方法。另一方面需要研究基于综合能源调度运行与监控系统的区域能源控制中心总体构架和主要功能,提出包含交易层、调控层、生产管理层及增值服务层等多层次的综合能量管理控制系统工作机制和应用流程;研究区域能源互联网信息安全体系。

3.3.2 基于多能源系统的综合需求响应策略设计

区域能源互联网利用智能需求侧管理引导用户合理用能,实现对能源负荷进行削峰填谷,降低能源备用、能源设备投资。根据太原地区的实际情况,如何基于多能源系统制定智能需求侧管理互动机制,准确设计综合需求侧响应的市场交易机制是需要研究的关键点,如何对需求响应资源的互动效益进行评估是需要研究的难点。

针对目前综合需求响应研究较少的现状,需要研究综合需求响应的基础理论和基本模型,建立基于多能源系统的电—热/冷、电—气需求响应弹性计算模型,提出综合需求响应潜力评估模型。另外需要对综合需求响应资源给电网运行带来的经济效益与社会效益进行全方位分析,建立综合需求响应资源互动效益计算模型,评价不同类型需求侧响应对售电公司售电利润的影响,在此基础上针对山西电网煤电机组为主的特点,研究综合需求侧响应对改善火电机组运行能耗的影响,测算综合需求侧响应带来的节能减排效益。

3.3.3 区域能源互联网运营与商业模式

区域能源互联网的投资建设及运营需要社会各方的参与。面对新一轮电力体制改革,供电公司作为区域能源互联网主体运营商,该制定何种运营和商业模式是需要研究的难点及关键点。

针对这个关键点,需要对主体运营商的运营与商业模式、分布式能源和综合需求响应的商业模式与效益、考虑传输容量约束的多能源系统运行方法三个方面进行分析与研究。

首先,针对区域能源公司的运营与商业模式进行调研,重点研究国内外区域电、气、热、冷综合供应商的运营模式。在此基础上,研究新一轮电改中关于售电侧的市场机制和国家政策,以掌握区域能源公司运营的政策背景。在此背景下,调研太原地区电、热、冷、气能源交易现状,研究区域能源公司在“互联网+”背景下的购售电、个性化服务等商业模式,并研究支撑这些商业模式的市场交易机制。研究能够协同能源购售、第三方分布式能源、分布式储能、以及用户互动的区域能源公司运营模式。

其次,调研我国现行分布式能源补贴政策以及太原地区终端电价、热价、气价信息,结合新一轮电改带来的售电侧“红利”,研究分布式能源在销售侧市场放开情况下的盈利空间,给出不同情境下的盈利范围。采用运行模拟的方法,分析不同投资机制下分布式能源的经济效益;对于需求响应资源种类进行调研,按照不同的参照标准对于需求响应资源进行分类,分析不同类型的需求响应资源的响应特点,分析每种需求响应资源能够发挥的潜在效益,在此基础上设计基于多能源系统的综合需求管理商业模式。

最后,根据山西科创城的规划情况,选取合理的负荷指标及动态模型,对园区的电、热、冷负荷需求进行动态预测分析,绘制区域内不同季节典型日的逐时负荷曲线及年负荷曲线。综合以上结果,设计区域能源公司运营效益最大化、考虑传输容量约束的多能源系统运行方法。特别是针对不同季节太原地区对电、热、冷、气需求量的差异,设计经济效益最大化的多种运行方式。

4 结语

明晰与界定区域能源互联网创造的价值是实现能源互联网价值创造以及将创造的价值在多方投资主体和用户之间进行合理分配的前提。在区域能源互联网的框架之下,电、气、热、冷各类能源及相应技术相互耦合、协同互补,形成了区别于传统分立能源系统的多能源系统,提高了能源利用效率,降低了整个能源供应系统的运营成本,这便是区域能源互联网创造的价值。在介绍了能源互联网的三层架构与多能源系统的基本概念的基础上,本文阐述了能源互联网价值的创造与实现途径以及能源互联网价值的分配模式。以山西太原区域能源互联网的规划建设为实例,对太原区域能源互联网的建设背景、潜在价值、关键问题和难点以及技术路线几个方面进行了总结和展望。

参考文献

[1] 李克强.政府工作报告—2015年3月5日在第十二届全国人民代表大会第三次会议上[Z/OL].http://www.gov.cn/guowuyuan/2015-03/16/content_2835101.htm.

[2] 国家发展改革委和国家能源局.能源发展“十三五”规划[Z/OL].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201701/t20170117_835278.html.

[3] 董朝阳,赵俊华,文福拴,等.从智能电网到能源互联网:基本概念与研究框架[J]. 电力系统自动化,2014,38(15):1-11.

Dong Zhaoyang, Zhao Junhua, Wen Fushuan, et al.From Smart Grid to Energy Internet: Basic Concept and Research Framework[J].Automation of Electric Power Systems, 2014,38(15): 1-11(in Chinese).

[4] 张宁,王毅,康重庆,等. 能源互联网中的区块链技术:研究框架与典型应用初探[J]. 中国电机工程学报,2016,36(15):4011-4022.

Zhang Ning, Wang Yi, Kang Chongqing, et al.Blockchain Technique in the Energy Internet: Preliminary Research Framework and Typical Applications[J].Proceedings of the CSEE, 2016, 36(15): 4011-4022(in Chinese).

[5] 孙宏斌,郭庆来,潘昭光.能源互联网:理念、架构与前沿展望[J].电力系统自动化,2015,39(19):1-8.

Sun Hongbin, Guo Qinglai, Pan Zhaoguang.Energy Internet:Concept, Architecture and Frontier Outlook [J].Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(19): 1-8(in Chinese).

[6] 国家发展改革委,国家能源局和工业和信息化部.关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见[Z/OL].http://www.gov.cn/xinwen/2016-03/01/content_5047633.htm.

[7] 国家能源局.关于组织实施“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目的通知[Z/OL].http://www.bjdch.gov.cn/n1515644/n2022693/c4224604/part/4224605.pdf.

[8] 国家能源局.关于公布首批“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目的通知[Z/OL].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto83/201707/t20170706_2825.htm.

[9] 贾宏杰,王丹,徐宪东,等.区域综合能源系统若干问题研究[J].电力系统自动化,2015,39(7):198-207.

Jia Hongjie, Wang Dan, Xu Xiandong, et al.Research on Some Key Problems Related to Integrated Energy Systems[J].Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(7): 198-207(in Chinese).

[10] 王毅,张宁,康重庆.能源互联网中能量枢纽的优化规划与运行研究综述及展望[J].中国电机工程学报,2015,35(22):5669-5681.

Wang Yi, Zhang Ning, Kang Chongqing.Review and Prospect of Optimal Planning and Operation of Energy Hub in Energy Internet[J].Proceedings of the CSEE, 2015, 35(22):5669-5681(in Chinese).

[11] 邵成成,王锡凡,王秀丽,等.多能源系统分析规划初探[J].中国电机工程学报,2016,36(14):3817-3828.

Shao Chengcheng, Wang Xifan, Wang Xiuli, et al. Probe into Analysis and Planning of Multi-Energy System[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(14): 3817-3828(in Chinese).

[12] 杨经纬,张宁,王毅,康重庆.面向可再生能源消纳的多能源系统:述评与展望[J/OL].电力系统自动化,2018.http://aeps-info.com/aeps/ch/reader/view_abstract.aspx?edit_id=20180110100254905&flag=2&file_no=201710020000004&journal_id=aeps.

Yang Jingwei, Zhang Ning, Wang Yi, Kang Chongqing.Review and Prospect of Multiple Energy Systems Towards Renewable Energy Accommodation[J/OL]. Automation of Electric Power Systems, 2018. http://aeps-info.com/aeps/ch/reader/view_abstract.aspx?edit_id=20180110100254905&flag=2&file_no=201710020000004&journal_id=aeps.

[13] Quelhas A, Gil E, Mccalley J D, et al.A Multiperiod Generalized Network Flow Model of the U.S.Integrated Energy System: Part I—Model Description[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2007, 22(2): 829-836.

[14] Meibom P, Hilger K B, Madsen H, et al.Energy Comes Together in Denmark: The Key to a Future Fossil-Free Danish Power System[J].IEEE Power & Energy Magazine, 2013,11(5): 46-55.

[15] Geidl M, Koeppel G, Favre-Perrod P, et al.Energy Hubs for the Future[J].Power & Energy Magazine IEEE, 2007, 5(1):24-30.

[16] Wang Y, Zhang N, Kang C, et al.Standardized Matrix Modeling of Multiple Energy Systems[J].IEEE Transactions on Smart Grid, accepted, in press.DOI: 10.1109/TSG.2017.2737662.

[17] Chicco G, Mancarella P.Matrix Modelling of Smallscale Trigeneration Systems and Application to Operational Optimization[J].Energy, 2009, 34(3): 261-273.

[18] Wang Y, Zhang N, Zhuo Z, et al.Mixed-Integer Linear Programming-Based Optimal Configuration Planning for Energy Hub: Starting from Scratch[J].Applied Energy,accepted, in press.DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.08.114.

[19] Geidl M, Andersson G.Optimal Power Flow of Multiple Energy Carriers[J].IEEE Transactions on Power Systems,2007, 22(1): 145-155.

[20] Unsihuay C, Lima J W M, Souza A C Z D.Modeling the Integrated Natural Gas and Electricity Optimal Power Flow[C].Power Engineering Society General Meeting.IEEE, 2007: 1-7.

[21] Li T, Eremia M, Shahidehpour M.Interdependency of Natural Gas Network and Power System Security[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(4): 1817-1824.

[22] 龙虹毓,马建伟,吴锴,等.含热电联产和风电机组的电网节能调度[J].电力自动化设备,2011,31(11):18-22.

Long Hongyu, Ma Jianwei, Wu Kai, et al.Energy Conservation Dispatch of Power Grid with Mass Cogeneration and Wind Turbines[J].Electric Power Automation Equipment,2011, 31(11): 18-22(in Chinese).

[23] Nuytten T, Claessens B, Paredis K, et al.Flexibility of a Combined Heat and Power System with Thermal Energy Storage for District Heating[J].Applied Energy, 2013, 104(4):583-591.

[24] Lund H, Clark W W.Management of Fluctuations in Wind Power and CHP Comparing Two Possible Danish Strategies[J].Energy, 2002, 27(5): 471-483.

[25] Geidl M, Andersson G.Optimal Coupling of Energy Infrastructures[C]. Power Tech, 2007 IEEE Lausanne.IEEE,2008: 1398-1403.

[26] Sheikhi A, Ranjbar A M, Oraee H.Financial Analysis and Optimal Size and Operation for a Multicarrier Energy System[J].Energy & Buildings, 2011, 48(1): 71-78.

[27] Ren H, Gao W, Ruan Y.Optimal Sizing for Residential CHP System[M]. Challenges of Power Engineering and Environment.Springer Berlin Heidelberg, 2007: 514-523.

[28] Arcuri P, Florio G, Fragiacomo P.A Mixed Integer Programming Model for Optimal Design of Trigeneration in a Hospital Complex[J].Energy, 2007, 32(8): 1430-1447.

[29] Ooka R, Komamura K.Optimal Design Method for Building Energy Systems Using Genetic Algorithms[J].Building &Environment, 2009, 44(7): 1538-1544.

[30] Chicco G, Mancarella P.From Cogeneration to Trigeneration:Profitable Alternatives in a Competitive Market[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(1): 265-272.

[31] Zhang X, Shahidehpour M, Alabdulwahab A, et al. Optimal Expansion Planning of Energy Hub With Multiple Energy Infrastructures[J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2017,6(5): 2302-2311.

[32] Qiu J, Yang H, Dong Z Y, et al.A Linear Programming Approach to Expansion Co-Planning in Gas and Electricity Markets[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2016,31(5): 3594-3606.

[33] 国家发展改革委和国家能源局.关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见 [Z/OL].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201607/t20160706_810652.html.

[34] 封红丽.国内外综合能源服务发展现状及商业模式研究[J]. 电器工业,2017,(06):34-42.

Feng Hongli.Research on the Development Status and Business Model of Integrated Energy Services at Home and Abroad[J].China Electrical Equipment Industry, 2017, (06):34-42 (in Chinese).

[35] 徐沛宇.综合能源供应商萌芽[J].中国能源,2016(12):49-51.

Xu Peiyu.Budding of Integrated Energy Suppliers[J].Energy of China, 2016(12): 49-51 (in Chinese).

[36] 山西省人民政府.关于积极推进“互联网+”行动的实施意见[Z/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/2016-02/24/content_5045499.htm.

[37] 太原市人民政府.太原市推进“互联网+”行动实施方案[Z/OL]. http://www.taiyuan.gov.cn/zfwjzflgfgfxwj/334931.jhtml.

Construction of Regional Energy Internet: Concept and Practice

HUANG Wu-jing1, ZHANG Ning1, DONG Rui-biao2, YIN Chang-hua2, LIU Yong-xiao2, KANG Chong-qing1
(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University),Haidian District, Beijing 100084, China; 2. State Grid Taiyuan Power Supply Company, Taiyuan 030000, Shanxi Province, China)

Abstract: Energy internet, combining the concepts of smart energy and internet technology, has become a “China’s 13th Five-Year Plan” major strategic emerging industry in the field of energy. Multi-energy systems are the physical basis for the planning and construction of energy internet. This paper first introduces the three-layer framework of energy internet and the basic concepts of multi-energy systems. On this basis, the optimal planning of energy internet and the building of business models are explained from the viewpoint of the value realization of energy internet. Finally, taking the planning and construction of the regional energy internet in Taiyuan, Shanxi as an example,the background, potential value, key problems and difficulties of Taiyuan’s regional energy internet construction are summarized and prospected.

Keywords: energy internet; multi-energy systems; coordinated planning; business model; integrated demand response


Supported by Major International (Regional) Joint Research Project of National Natural Science Foundation of China (No.51620105007) and Science and Technology Project of State Grid Shanxi Electric Power Company ‘Key Technologies Research and Application of Taiyuan Regional Energy Internet’.


作者简介:

黄武靖

黄武靖(1995),男,博士研究生,主要从事多能源系统的建模、运行和规划的研究工作,E-mail:hwj17@mails.tsinghua.edu.cn。

张宁(1985),男,副教授,主要从事新能源、电力系统规划及运行、多能源系统的研究工作,E-mail:ningzhang@tsinghua.edu.cn。

董瑞彪(1967),男,高级工程师,主要从事电力系统规划与运行、区域能源互联网的研究工作,E-mail:tydrb214@163.com。

(责任编辑 夏雪)


  • 目录

    图1