京津冀区域能源互联网研究

曹柳青，王默玉，申晓留，张秋艳，闫丽娜

（1.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102200；2.华北电力大学能源互联网与电力大数据研究所，北京 102200；3.华北电力大学控制与计算机工程学院智能决策实验室，北京 102200）

京津冀区域能源互联网研究

曹柳青1，3，王默玉1，3，申晓留1，2，3，张秋艳1，3，闫丽娜1，3

（1.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102200；2.华北电力大学能源互联网与电力大数据研究所，北京 102200；3.华北电力大学控制与计算机工程学院智能决策实验室，北京 102200）

能源危机和环境污染使得世界各国认识到清洁能源的必要性和重要性。开展能源革命，减少化石能源的依赖，提高清洁能源的使用，对协调能源-经济-环境，走可持续发展道路具有重要意义。在此背景下，能源互联网被提出来。通过阐述能源互联网和可持续发展的关系，提出了一种基于中尺度的能源互联网——“区域能源互联网”，并以京津冀为例，通过分析清洁能源的分布和利用情况，重点强调集中式储能－抽水蓄能和分布式储能－电动汽车，阐述了京津冀区域能源互联网的构成。在此基础上，构建了京津冀区域能源互联网架构，通过区域能量流和信息流的融合提高清洁能源的高效利用，实现能源-经济-环境的协调可持续发展。

区域能源互联网；可持续发展；清洁能源；储能；京津冀

经济的发展引发了能源和环境问题[1]。为解决传统能源枯竭和改善环境，能源互联网被提出来[2]，以德国的E-Energy[3]和美国的FREEDM[4-5]为典型。图1为能源互联网示意图，它从能源生产、输送、配给、转化和消耗等方面构成一套完成的能源体系，在发、输环节通过特高压等技术对能源互联进行战略布局，在配、用环节通过储能替代实现电、气、冷、热等能量的相互转化。目前，国内开展的多以理论探讨和技术研究为主。清华大学曹军威[7]认为，能源互联网是以互联网理念构建的新型信息－能源融合“广域网”。国家电网[8]更是创新性地提出了“全球能源互联网”的构想，华北电力大学刘吉臻院士[9]认为全球能源互联网是“智能电网＋特高压电网＋清洁能源”。与目前开展的智能电网、分布式发电、微电网研究相比，能源互联网通过信息流和能量流的深度融合，以电力为核心实现不同承载方式的高效转化，可以大幅度提高能源转换效率，是保障清洁能源高效开发利用，让人人享有可靠能源供应的重要平台，将带来能源发展战略、发展路线、结构布局、生产和消费方式以及能源技术等全方位调整。

图1 能源互联网示意图Fig.1 Schematic diagram of energy internet

1 能源互联网与3E可持续发展

可持续发展的概念来源于1980年举办的联合国大会。本文中，3E可持续发展指能源（energy）、经济（economy）、环境（environment）的协调发展（简称“3E”）。为了解决能源危机，实现3E可持续发展，世界各国纷纷做出了努力。《京都协议书》[10]指出要控制温室气体含量；“巴黎协议”[11]强调了2020年后各国应对全球气候变化的行动。德国坚决放弃核能，发展可再生能源，并计划于2030年禁止汽油车以及燃油车上路。我国大力开发利用清洁能源，2014年，我国清洁能源发电量占到全球总量的23%，世界范围风力发电容量增加量中，中国以年增加量23.2 GW的发电排名世界第一[12]。

随着我国清洁能源发展步伐加快，光电、风电、水电等能源发电面临的并网消纳问题也日益严重，成为了清洁能源的瓶颈制约。2015年，我国损失电量超过了300亿kW·h。局部地区的弃光和弃风比例超过了20%，在南方存在着严重弃水现象。能源互联网为解决上述问题提供了契机（如图2所示），通过信息交换，储能设备将多余的电能转化为其他能量存储起来，在负荷增加时，转化为电能供用户使用，从而降低了清洁能源的弃风弃光等，提高了能源利用率，降低了经济成本，减少了替代化石能源发电产生的环境污染，从而推动3E可持续发展。如果说体制改革是推动能源革命，实现可持续发展的“软平台”，那么能源互联网就是“硬平台”[13]。

图2 能源互联网与3E可持续发展关系示意图Fig.2 Schematic diagram of the relationship between energy internet and 3E sustainable development

2 区域能源互联网

能源互联网的建设离不开小尺度、中尺度能源互联网的支持。我国清洁能源发展存在着很多问题，尤其是能源接入的低效率问题。不仅如此，“十三五规划纲要”[14]指出区域经济发展不平衡，城乡经济发展不平衡等现象。因此，“十三五”指出要构建多种区域为支撑的网络化区域发展格局，逐步缓解问题区域的突出矛盾。在此背景下，“区域能源互联网”概念衍生出来，它是以“区域”作为切入点，发展分布式能源、微网等先进能源技术、互联网与大数据等技术，充分考虑区域自然条件和地理位置，从而协调优化多种分布式能源和储能装置一种能源互联网，发展态势多集中在经济发展较快的区域或城市群，如长三角、珠三角等，通过统筹区域内外分布式能源基础设施建设，优化资源配置，从而推动区域能源互联网发展，推动区域的协同可持续发展。

3 京津冀区域能源互联网

区域能源互联网的发展离不开珠三角、长三角和京津冀的带动，其中，珠三角以电力建设为中心，已经构建出开放、多元、清洁、安全、经济的能源保障体系，长三角通过上海的“借风生电”，浙江的高温秸秆集中处理，江苏的太阳能电池基地等，以能源革命为契机，大有发展区域能源互联网之势。京津冀区域概念产生已将近三十年，其协同发展步调却蹒跚缓慢，区域的要素资源配置关联度不高，相互之间不协调[15]、不联合，北京人口密度大，资源短缺，加上过度依赖传统能源，造成了北京及周边地区严重的雾霾天气和环境污染[16]。据统计，2015年北京空气质量不达标的已经达到179 d，其中重度污染达到31 d，严重污染达到15 d。因此，接入可再生清洁能源，依据多种储能形式的支持，优化峰谷平抑，“因地制宜”，“按需优化”，“协同发展”，成为了京津冀区域3E可持续发展的首要前提。

3.1 京津冀区域能源互联网

能源互联网倡导清洁替代和电能替代[8]。清洁替代指用清洁能源替代传统的化石能源；电能替代指用电能替代传统能源的直接消费，清洁能源大多需要转化为电能的形式才能够高效利用，电能替代是清洁能源发展的必然要求，是实施清洁替代的必然结果，具有安全、便捷等优势。储能技术可以平抑清洁能源发电的波动，在能源消费上，储能技术通过充放电可以满足用户负荷的需求。可以看出，储能技术是实施清洁替代和电能替代的技术保障，更是能源互联网发展的根本基础。京津冀区域资源的分布和开发利用存在差异，通过建立京津冀区域能源互联网[17]，可以实现区域内分布式清洁能源的就地采集与消纳。图3为以京津冀区域为例的区域能源互联网示意图，通过区域内的可再生清洁能源转换为电能加以利用，可以对区域用户供电，提高能源的利用效率，从而广度和深度上实现京津冀区域发展的长效共赢[18]。

图3 京津冀区域能源互联示意图Fig.3 Schematic diagram of regional energy internet

3.2 京津冀区域能源互联网构成

3.2.1 清洁能源

用可再生的清洁能源替代传统能源[19]已经成为京津冀区域发展的当务之急，除了加快特高压建设，提升西部电力远距离传输能力之外，统筹规划和利用以清洁能源为主的分布式能源，不仅可以减缓能源和电力输送压力，降低传统能源带来的污染物排放，通过互联网[20]和大数据技术，实现能源互联，更对协调可持续发展起到积极作用。通过分析目前区域内的清洁能源和传统能源的分布利用情况，可以为区域能源互联网的发展提供基础数据。

1）太阳能

京津冀区域太阳能资源比较丰富，由于光伏发电的建设成本较高，太阳能的利用多以分布式为特点，表1列出了京津冀区域的分布式光伏发电信息，继2009年的光伏补贴政策发布之后，北京市连续实施了“金太阳示范工程”、“阳光校园示范工程”，并启动建设海淀、顺义两个国家级光伏示范区建设，建成密云20 MW光伏地面电站、全国首个兆瓦级太阳能热电站等一批项目。截止2015年底，北京市太阳能光伏装机规模达到了165 MW。天津市太阳能相对丰富。2013年，天津市并网投运了最大容量的光伏发电项目。2014年，并网运营首个地面光伏发电项目。河北省太阳能较丰富。其中，张家口的尚义县、康保县太阳能最为丰富。截止2015年底，河北省新增18个并网投产项目，已并网投产24个光伏发电项目。通过区域能源互联网，融合能量流和信息流，实时掌握光伏发电信息，可以实现太阳能的就地采集与消纳，从而减少用户购电，实现电的自给自足。

表1 京津冀100 MW以上光伏发电信息Tab.1 SolarpowerinformationofBeijing-Tianjing-Hebei

2）风能

京津冀区域风能资源主要集中在河北省。北京市风能缺乏，风能主要集中在密云、延庆等郊县地区，2015年，北京市已建成官厅风电场一二三期等一批工程。天津市风能资源一般，2014年，4座大型风电场总装机容量为179 MW。河北省风能非常丰富，主要集中在张家口、承德、沧州以及唐山等地区[21]，截止2015年底，该省风电的装机容量达到917万kW，发电量为168亿kW·h。京津冀既有集中式的张北风电场，又有分布式的小型风电场，通过配备集中式和分布式储能设备，平抑清洁能源发电，可以提高区域内清洁能源的利用，从而降低对主电网的依赖。表2列出了京津冀的风电场信息。

表2 京津冀区域风电场信息Tab.2 WindpowerinformationofBeijing-Tianjing-Hebei

3）水能

京津冀区域水资源相对短缺。其中，北京市水能贫乏，人均水资源占有量不到300 m3。在水能利用领域，主要有水力发电站和抽水蓄能电站两种形式。其中，水力发电站主要集中在北部潮白河流域和西南部山区的永定河，拒马河主千流域以及京密引水渠等地区。包括黑龙潭水电站，五渡水电站，琉璃庙水电站，花盆水电站，宝山电站，密云县北庄水电站。天津市水能贫乏，人均水资源占有量仅为160 m3，小水电主要有北辰区天穆镇水电站，北辰区宜兴埠镇水电站，北辰区小淀乡水电站。河北省水能贫乏，小水电主要有引岗渠首水电站，易县官座岭水电站。表3列出了京津冀区域的抽水蓄能电站信息。

表3 京津冀抽水蓄能信息Tab.3 Pumped storage of Beijing-Tianjin-Hebei

通过对京津冀区域的清洁能源分布和利用情况，拟绘出基于清洁能源的京津冀示意图（如图4所示）。

图4 基于清洁能源的京津冀区域示意图Fig.4 Schematic diagram of Beijing-Tianjin-Hebei based on clean energy

3.2.2 储能

由于清洁能源的波动性，能源互联网配备了相应容量的储能设备（如图5所示），将负荷低峰多余的电能转化为其他能量存储起来，在负荷高峰期将存储的能量转化为电能供用户利用，从而提高电网运行的经济性和安全性[22]。类似于互联网中的内容“缓存”会提高互联网的性能，能源互联网中的“缓存”就靠储能。通过分析储能技术和设备，可以为构建区域能源互联网提供支撑。

图5 储能示意图Fig.5 Schematic diagram of energy storage

1）电池储能

目前，电池储能方式应用最广泛。全国第一个风光储输综合示范项目中，储能电池担负着重大的储电和输电的工作，不仅可以储存风能、光伏发出的电，更能实时平抑风电和光电，减少对电网的冲击。电动汽车的快速发展促进了分布式储能的发展，它可以作为一种重要的灵活负荷和储能设施，向微电网、智能电网输电并参与局部的电网平衡。京津冀电动汽车的快速发展得益于京津冀一体化规划，该规划出台后，雾霾治理成了重中之重，清洁能源电动汽车行业迎来了发展机遇。2016年8月发布的《北京市“十三五”时期节能降耗及应对气候变化规划》提出：到2020年，北京市纯电动汽车推广应用规模要达到40万辆左右。政策的推动使得电动汽车和充电桩的规模不断扩大，截止2016年9月底，北京累计已建成5.07万辆充电桩。青岛特锐德研制的充电桩可以实现多辆汽车同时充电，更加促进了电动汽车的消纳。随着储能技术的不能发展，电动汽车的充放电策略成为了研究热点，它不仅可以储存多余的电能，也将实现释放多余电能，从而达到能量的双向流动，促进区域能源互联网的发展。

2）抽水蓄能

目前，抽水蓄能是最成熟的大规模储能技术，一般的抽水蓄能电站（以下简称“抽蓄电站”）都有建在高处的上水库和建在电站下游的下水库，通过负荷低谷将水抽至上水库，负荷高峰放水发电，从而实现削峰填谷。由于抽水蓄能机组启停速度快、负荷调整灵活，在火力发电厂、核电厂比重较大的电网中，其削峰填谷的作用就显得尤为重要。图6和7显示了河北潘家口和北京十三陵抽蓄电站的日负荷曲线。其中，潘家口的负荷曲线典型地反映了抽蓄电站的特征，即在夜间抽水蓄“电”，在白天高峰期放水发电，高峰期一般为9∶00—13∶00和15∶00—22∶00时段，其中，十三陵的负荷在19∶30—20∶00为全天最高负荷，为380 MW。通过抽水储能来平抑风电、光电的随机性成为当前的研究热点和发展趋势。

图6 潘家口抽水蓄能电站日负荷曲线Fig.6 Daily load curve of Panjiakou Pumped Storage Power Station

图7 十三陵抽水蓄能电站日负荷曲线Fig.7 Daily load curve of Shi San Ling Pumped Storage

4 结论

能源互联网是推动能源革命，走3E可持续发展的可行性道路。本文提出了一种中尺度的新型能源互联网－“区域能源互联网”，并结合京津冀区域，分析了其清洁能源的分布和利用，通过对京津冀区域的抽水蓄能和电动汽车等储能方式的研究，说明了京津冀区域能源互联网的构成，并构建出一个基于京津冀清洁能源和储能的区域能源互联网架构，对未来能源互联网的发展具有一定的借鉴意义。

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（编辑 李沈）

Research on Regional Energy Internet of Beijing-Tianjin-Hebei

CAO Liuqing1，3，WANG Moyu1，3，SHEN Xiaoliu1，2，3，ZHANG Qiuyan1，2，YAN Lina1，3
（School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102200，China；2.Research Institute of Energy Internet and Electricity Big Data，North China Electric Power University，Beijing 102200，China；3.Intelligent Decisions Laboratory of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102200，China）

Energy crisis and environmental pollution make the world recognize the necessity and importance of clean energy.It is of great significance to the coordination of Energy-E－conomic-Environmental System（3E）and the sustainable development to carry out the energy revolution，reduce the dependence on fossil energy，and improve the use of clean energy.In this context，the energy internet is proposed.This paper describes the relationship between Energy Internet and the sustainable development，and proposes a concept based on a medium scale which is called"Regional-Energy Internet".Take Beijing-Tianjin-Hebei region as an example，we expound the regional energy internet architecture by analyzing the distribution and utilization of clean energy with emphases on the pumped storage and electric vehicle.The regional energy internet architecture could achieve the efficient utilization of clean energy through integrating energy and information flows，and improve the coordinated development of.Energy-Economic-Environment.

regional energy internet；sustainable development；clean energy；energy storage；Beijing-Tianjin-Hebei

2017-01-10。

曹柳青（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向：清洁能源，能源互联网，智能决策等。

王默玉（1961—），女，副教授，主要研究方向：数据库与管理信息系统、人工智能及应用。

申晓留（1950—），男，教授，工学硕士学位，硕士生导师。主要研究方向：能源互联网、智能决策、大型数据库管理、GIS应用等。

张秋艳（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向：清洁能源，京津冀可持续发展等。

闫丽娜（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向：清洁能源，京津冀可持续发展等。

国家自然基金项目（71071053）；北京市自然基金项目（9122021）。

Project Supported by the National Natural Foundation of China（71071053）；the Natural Foundation of Beijing Municipality（9122021）.

1674-3814（2017）03-0125-06

TP301

A