区域能源优化配置原则设计

王婉君，朱永强，夏瑞华

(华北电力大学，北京市102206)

区域能源优化配置原则设计

王婉君，朱永强，夏瑞华

(华北电力大学，北京市102206)

随着智慧能源、能源互联网等概念的提出，人们对于能源的利用从能源种类到利用形式越来越多样化。该文重新定义多种能源互联网络的概念，并对局域能源网、区域能源网和广域能源网进行划分。在能源互联网络规划建设中，很重要的一项工作是能源优化配置。为了更好地配置能源，需要遵守特定的原则，但是目前很少有文献对于能源配置原则进行讨论。以区域能源网为研究对象，设计区域能源网络中能源优化配置的若干原则，并对每一个原则进行了详细的说明。最后以天津港为例对所提出的能源优化配置原则的应用进行演示。

多种能源互联网络；区域能源网；能源配置

0 引 言

随着社会经济的发展，人们对能源的需求越来越高。但是能源的储备不会随着人们的需求增加而增多，因此如何能把有效的能源最大化利用，维持整个能源体系的可持续性成为近几年关注的焦点。近几年“智慧能源”、“能源互联网”成为了研究的热点，纵观国内外的学者，他们对一些概念也有不同的理解[1-7]。文献[1]给出了能源互联网的初步定义，概述了能源互联网的基本架构及其组成，并讨论了相关领域的核心问题与可能面临的问题；文献[2]对能源互联网和智慧能源做出了很好的分析，把能源互联网分为全球能源互联网、广义能源互联网与狭义能源互联网，并分别展开详细分析每一类能源互联网的概念；文献[3-5]对能源互联网的框架设计和拓扑模型的设计都进行了详细的介绍；文献[6-7]对能源互联网、智能电网等综合评价进行了研究。

随着对能源互联网和智慧能源的研究工作的推进，作为重要部分的“能源”，人们对其提出了更高的要求，无论是在能源形式、能源质量、可持续性还是经济性等方面。因此如何对一个区域进行能源优化配置成了建设该区域能源网一项必须的工作。目前对于能源的优化配置主要都是针对某一方面进行研究，没有一个系统性的能源配置原则。文献[8]针对中国区域能源供给的安全问题进行了研究，提出区域能源供给安全优化的路径与策略；文献[9]对小城镇的能源优化配置进行了研究，对小城镇能源优化配置的政策措施进行初步探讨；文献[10-12]都是考虑能源优化过程中某一个因素，对相关优化的算法、模型进行研究。

本文考虑能源网对能源安全可靠性、经济性和可持续性的要求，旨在对区域能源优化配置进行研究，设计适合一般情况下能源优化配置的原则，为未来能源网的建设提供参考。本文提出区域能源优化配置的原则，分析了不同原则之间的关系，给出了能源优化配置的流程图，并以天津港为案例体现能源优化配置原则。

1 多种能源互联网络的基本概念

1.1 能源互联网络及其层次

在能源互联网研究初期，不同研究人员对能源互联网的理解都有所不同。本文提出了多种能源互联网络(简称能源网)的概念。

多种能源互联网络(multiple energy network，MEN)就是集成多种能源形式的生产、传输、转换、利用的综合能源利用网络。不同能源形式在自己特有的能源网络中流动，不同能源网络之间以特定的形式互通互联，形成多种能源组合利用的网络。

能源网包括局域能源网、区域能源网和广域能源网多种层次。相关文献对这些概念有过一定的讨论[2,13-14]，但是对于局域、区域、广域等概念的区分比较模糊，似乎没有统一的标准，甚至不同文献提到的相同的名词代表的是不同的概念，给相关方向的后续研究造成了不少的困扰。因此，梳理相关概念，建议统一的划分标准很有必要。

事实上，不同层次的能源互联网络在规划建设时，所考虑的内容有很大的差别，包括用户复杂性、地理范围、影响因素、用能情况等。本文根据以上考虑的内容，给出了局域能源网、区域能源网和广域能源网的大致划分方法，如表1所示。3种能源互联网络的层次关系如图1所示。

表1能源互联网络层次划分
Table1HierarchicaldivisionofMEN

目前很多研究能源互联网的文献，大多以电力为核心进行讨论。本文把各种能源放在平等的位置上进行讨论，探讨不同能源形式、不同网络层次之间的关系，具有如下特点：(1)各种能源形式都是为了满足用户的能量需求，只有数量上的差异，没有地位上的差别。(2)每一种能源形式都可能具有完整的或者局部的能源网络，多种能源网络之间可以通过能源转换实现互联互通。(3)根据用能的规模和负荷分布情况，能源网络会有不同的层次(例如：电网表现为不同的电压等级)，不同层次之间具有某种程度的关联，同一层次内部各个能源微网之间也相互联系、相互补充。

图1 能源互联网络层次关系示意图Fig.1 Sketch map of hierarchical relation of MEN

综上所述，MEN的提出是为了构造一个对等互联、开放共享、多源协同、低碳高效的能源利用网络，推动我国能源革命进程，缓解我国严峻的能源环境。MEN的关键技术包括能源管理技术、能量转换技术、先进储能技术、先进信息技术等，其核心都是保证多种能源网络的整体协调和多种形式能源的综合高效利用。

1.2 区域能源互联网络相关概念

本文主要是针对区域能源网进行研究。所谓区域能源网是指基本包括最终能源种类、用户数量较多、地理范围较大，简单考虑目标地区内人文因素和政治因素，并在充分考虑区域内现有资源(能源资源和设备资源)的基础上，通过对各种设备、技术、系统进行综合、集成、互补应用，并综合考虑区域外能源，因地制宜完成能源的生产、供应、输配、使用和排放的全过程的区域能源互联网络[15-16]。

这里的区域可以小到2个相邻的建筑，也可以大到某个城市、岛屿等。从地理范畴来看，它是一个中等范围的概念；从用户范畴来看，它突破单一用户类型属于较复杂的概念；从用能种类范畴来看，它包括基本终端能源形式。区域能源网实现了1个区域内多个单位、多个用户的互联，不同用户之间的负荷互补，满足不同类型的用能需求，区域能源网基本可以实现能源的高效、经济、可持续性的利用。

对区域能源网的研究，包括能源供给侧和能源需求侧。能源供给侧既包括传统的能源(天然气等)，也包括可再生能源(太阳能、风能、地热能等)；既包括单一形式的能源供应形式(光伏发电、太阳能热利用等)，也包括冷热电联产的多种能源供应形式；以及它们之间的有效配置。在能源需求侧，区域能源网能够满足用户对冷、热、电、汽等多种终端能源的需求，从而为各种能源的一元化管理提供有利条件。

2 区域MEN能源优化配置原则

对于MEN的规划建设，能源配置是其重要的部分之一。一个合理的能源配置是MEN清洁、安全、可持续运行的基础。由于不同区域之间和同一区域不同能源形式之间的差异性，对于MEN的能源优化配置就有很大差异。MEN包括电、冷/热、天然气等多种能源形式，每一种能源形式的选择都有不同的标准，本文以MEN对于安全可靠性、经济性和可持续性的要求为前提，考虑不同区域，不同能源和负荷形式的差异性，设计出区域能源优化配置原则。具体内容如图2所示。

图2 能源优化配置原则Fig.2 Optimized allocation principle of energy

2.1 能源供需平衡原则

P1+P2+P3-Pb≈Pc

(1)

E1+E2+E3-Eb≈Ec

(2)

能源供需平衡是保证能源网络安全可靠性的重要部分。能源供需平衡包括2部分：功率平衡和能量平衡。如公式(1)所示，功率的平衡指任何场景、任何时段内系统的功率保持平衡，即各设备实际生产功率P1、P2、P3，除去损耗功率Pb，等于系统所需功率Pc。如公式(2)所示，能源供给量是指一定时期内能够提供的能源总量，按能源来源可划分为自产量E1、外部输入量E2和库存量E3。能源需求量是指一定时期内用户所需能源总量，按照能源用途可划分为消耗量Ec、备用量Eb。

负荷过高会严重影响能源网络的稳定性，对设备造成损害，负荷过低又会造成能量的浪费和部分机组的闲置。目前很多能源供需失衡，整体波动较大，为了满足用户的能源需求，往往就会增加供能机组的投入，但是这并不能真正解决问题。因此保证能源供需平衡是能源优化搭配过程中必备要求之一。

2.2 能源质量保证原则

能源质量是保证MEN安全可靠运行的必备因素之一。考虑能源质量的指标有2个：能源连续性和能源平稳性。当能源网络因故障或者检修等原因停运时，如何保证能源供给的连续性是必须要考虑的重要方面。对于平稳性，在电能方面表现为振幅和频率的稳定性；在供热方面表现为蒸汽流量的均匀和稳定性等。因此保证能源的连续性和平稳性是保证能源质量需要考虑的方面。

充分考虑影响能源质量的因素，可以采取以下措施帮助保证能源质量。

(1)搭配储能和备用。已知在区域MEN中包含不稳定的新能源，需求侧的负荷也复杂多变。因此配置储能可以平滑能源和负荷波动，保证能源质量。充足的备用也可以在区域MEN发生停运时保证能源供给及时、高效的补充，以保证能源供给的持续性。

除了储能和备用，协同控制各种能源形式，让不同的能源形式之间互为备用、相互补充也是一种保证能源质量的方法，以其他能源替代和转换成所需能源，达到系统能源及时、高效、稳定的供给。

(2)搭配补偿设备。补偿设备是区域MEN保证能源平稳性首选的方法之一。已知电网一般都包括变压器、异步电动机等，这些装置都会消耗大量的无功功率。因此在电网中一般设置无功补偿[17]。在供热网中因为热能的特点，为保证供热的平稳性一般会设置蓄热装置。

(3)能源总线。能源总线可以汇总不同种类的低品位能源，发挥规模效益。在供热网中，能源总线将不同来源的低品位热源或热汇水集成，通过输送管网为末端用户提供优质的热源和热汇[18]。在电网中，例如风车提水发电。

2.3 能源充分利用原则

能源的充分利用是满足MEN的安全可靠性、经济性和可持续性的必备原则之一。在对MEN规划建设时，根据区域能源和负荷的情况合理地配置能源，充分发挥地区内能源的生产能力。在保证能源需求的前提下，减小能源消耗量，实现能源利用的最大化。能源的充分利用在一定程度上提高了经济性，也满足能源的可持续性利用要求。

除了单一能源形式利用的最大化，能源的充分利用还包括不同能源形式的充分利用。在传统能源基础上，合理采用风能、太阳能和生物质能等可再生能源，构成一个多种能源互补的供能系统，实现电、热、冷联供，既能充分利用能源，提高能源利用效率，又可以减少单一能源供能能源质量低的缺点，因此在一定程度上满足安全可靠性的要求，也可以缓解过度消耗某一能源给环境造成的压力。

2.4 能源合理开采原则

能源合理开采原则是为了满足能源可持续性利用的重要部分之一。随着能源危机、土地沙化、环境污染、物种灭绝和森林面积减少等问题的不断出现，国家提出可持续发展战略。可持续发展指满足当前需要而又不削弱子孙后代满足其需要能力的发展。可持续发展还意味着维护、合理使用并且提高自然资源基础。

因此在能源配置和开采时应该与当地生态环境相协调，按照规划要求合理地开采，以保持当地能源的可持续性。

2.5 低环境成本原则

环境成本是为避免“污染经济损失”或者为了等值补偿污染物的“污染经济损失”所付出的代价。环境成本的计算一般包括2方面：(1)因环境污染造成的环境质量下降，因环境污染引起而非环境方面的损失，如因有害物质损害人体健康、空气污染造成的农业损失等；(2)向有关部门缴纳排污费。

低环境成本原则是维持能源利用经济性和可持续性的必备因素之一。坚持能源配置的低环境成本原则，就需要从能源利用方式和能源种类着手，可以选择清洁能源，提高能源的利用率，减少有害物质的排放量等措施。

2.6 分区考虑原则

分区考虑原则包括2方面的内容，一方面是主要针对经济性的能源结构设计过程中硬件设施布置的合理性；另外一方面是在能源的利用方面做到“就地生产、就地利用”，减少能源远距离传输的能源损失，保证能源的可持续性。

因此根据区域的不同，将会有不同的能源结构设计方案。考虑经济性和可持续性，主要包括以下几个方面。

2.6.1区域划分

在能源配置时可以根据地域特点、能源和负荷特点把区域划分为不同的微区域。每个微区域称为一个能源微网。能源微网是由分布式发电设备、供热设备、储能装置、负荷侧以及控制系统组成。每一个能源微网相对独立，但又相互联系，不同能源微网之间互为补充，互为备用。区域划分不同的能源微网之后，优化能源空间配置，加强分区域总量的调控，有利于保障区域能源的供给。

2.6.2就地利用原则

能源就地利用可以降低能量远距离输送过程的损失。能源靠近用户布置，就可以实现能量的“就地生产、就地利用”，实现了对环境的保护和对能源的节约。

2.7 能源合理搭配原则

能源合理搭配原则是保持区域MEN安全可靠性和经济性一个重要的方面。主要包括以下2个方面。

2.7.1能源互为备用

区域MEN涉及到多种能源形式，因此在区域MEN运行时，合理搭配的能源形式可以让不同区域的能源储备互为备用，同一区域不同能源微网之间能源储备互为备用，同一能源微网不同能源形式互为备用，这样就能保证每一个单一网络都有足够的能源储备，可以提高能源网的安全可靠性，也可以实现整个能源网对备用能源储量的要求，减少了成本。

2.7.2能源形式多元化

能源多元化利用是一种保证区域MEN安全的策略，同时也是能源利用的趋势，可以在很大程度上弥补单一能源结构导致的能源供应不足。一般区域都具备不止一种的能源，除了煤、石油、天然气以外，还包括太阳能、风能、生物质能、海洋能等可再生能源。不同区域应该根据自身的能源情况，促进潜在能源的开发和能源供给的多元化，以保证区域能源供应的安全可靠性。

2.8 能源替代原则

伴随着能源形式的更替和利用形式的更新，不同区域在原有的基础上，考虑能源替换，对于能源利用的可持续性和经济性十分重要。

能源替换包括清洁替代和形式替代2个方面，因此分2个方面来介绍。

2.8.1清洁替代

传统的能源利用是以化石能源为主、清洁能源为辅的模式，应该向清洁能源为主，化石能源为辅的模式转变。

可再生能源比常规能源污染小、储量多，实现清洁能源的替代，将有助于降低能源消费对环境的污染，缓解化石能源紧缺的矛盾，从而提高用户能源消费的边际效益。

2.8.2形式替代

形式替代包括能源形式的替代和能源利用形式的替代。随着传统能源的逐渐枯竭需要寻求能够替代传统能源的能源形式，也需要探索新的能够进一步加大传统能源利用率的能源利用形式替代传统能源利用形式。在众多替代形式中可再生能源是其中的一个重要部分，但是目前可再生能源的利用技术还不完全成熟，所以整个能源体系对于传统能源的依赖程度还是很高，因此能源形式的替代也显得很重要。目前已经开始利用的形式替代有如下几种形式：煤制油和煤制气替代油气，煤层气替代天然气，页岩油替代石油等。

3 原则相互关系和应用

3.1 各项原则的相互关系

在对区域能源优化配置时，因为考虑层面不同，需要遵守的原则也不同。不同的原则因为考虑的方面不同，对于整个区域MEN的重要程度不同。部分原则对于区域MEN是必备的，部分原则对于区域MEN不是必须的，但是也有很重要的作用，例如提高能源优化配置的经济性等。本文根据对能源网的重要程度把区域能源优化配置的原则分为2类：必备原则和重要原则，具体分类如图3所示。

图3 原则分类Fig.3 Classification principles

图3中的前5个原则是在能源配置中的必备原则，可以看出必备原则主要由保证区域MEN安全可靠性和可持续性的原则组成。这足以看出，在对区域MEN能源配置时，确保整个能源网络安全可靠运行和保证能源可持续性利用是必须考虑的问题。在此基础上，经济性才是应该考虑的问题。

3.2 原则应用流程

能源优化配置原则对于一般的区域MEN都是适用的。本文给出能源优化配置的流程如图4所示。

图4 能源优化配置流程图Fig.4 Flow chart of optimized allocation of energy

流程分析：

(1)首先对能源优化配置的区域的能源和负荷的数量、位置、类型等进行调研；

(2)根据第一步的调研情况进行区域的划分；

(3)分析确定该区域可利用的能源形式，并比较其优势和劣势确定能源形式；

(4)根据能源优化配置原则，以供需平衡、能源质量等为优化能源配置的约束条件，以能源的合理搭配、低环境成本、能源充分利用等为目标进行优化能源配置；

(5)在能源优化的过程中可以进行能源替换，对能源的形式和能源的利用形式根据目标的不同进行合理替换；

(6)考虑能源的互为备用，设置合理的储能和无功补偿装置，包括形式、位置、容量等；

(7)对区域MEN的框架进行合理的设计，尽量做到能源的就地开发、就地利用，并保证对能源的合理开发。

4 算例分析

以天津港为例进行能源配置，并分析配置原则的适应性。

4.1 能源负荷调研

4.1.1天津港资源条件

天津港处于天津东部，属于温带半湿润大陆性季风气候。港区阳光充足，年均日照时数在2 600～2 700 h，光照1年可以保障有1 000 h的有效发电时间，太阳能区划为二类地区。天津地区年平均风速值为4.5m/s，年有效风力小时数在5 599～6 044 h，年等效满负荷小时数大于2 000 h。

天津港处于渤海湾西端，水体交换能力差，海域面积小，水深较浅，不利于开发海洋能。天津沿海风力资源比较丰富，天津港区附近年有效风速小时达到7 000～8 000 h。

天津港还具有丰富的地热能，天津港地区开发主要层位为第三系馆陶组第Ⅱ、Ⅲ热储富集段，水温在65～78 ℃。富水性强，单井出水量一般在80～140 m3。

4.1.2负荷概况

根据天津港的规划平面图，结合港区实际发展规划情况，目前港区典型的行业负荷主要有：码头作业(仓储、集装箱、装卸、对外交通等)、市政服务(办公、医院、治安、市政设施等)、商业文化(金融、地产、文体娱乐、旅游等等)、居民住宅等。具体能耗形式如表2所示。

表2天津港负荷需求
Table2LoaddemandofTianjinport

4.2 区域划分

为了更好地进行能源配置，根据港区的地理位置，按照类型、资源分布等特征对港区进行了2步划分。第1步根据地理位置的不同和发展程度的不同，把整个港区划分为4个区域，如图5所示。

区域1和区域2属于东疆港区，负荷种类较多，包括各种码头、仓储、物流等负荷，还包括新增加的居民、旅游、服务等综合负荷；区域3属于北疆港区，该港区负荷种类多样，除了沿海的码头作业区，还包括以商业为主的保税区；区域4为南疆港区，主要负荷为大型集装箱、堆场、仓储、运输等码头作业区。

第2步根据每一个区域的资源和负荷特性的不同，把每一个区域都划分为不同的微区域，如图6(a)、(b)、(c)、(d)所示。

根据用地规划，对不同港区进行了进一步分区如图6所示。其中1区是集装箱码头，2区是物流用地，3区是综合用地，4区是集装箱码头，5区是物流用地及部分综合用地，6区位集装箱物流中心，7区为保税区，8区为各种仓库、码头等，9区主要都是一些码头、各种散货工作区等。各区域的特点如表3所示。

图5 港区划分示意图Fig.5 Sketch diagram of Tianjin port division

图6 微区域划分示意图Fig.6 Division of micro-zones

4.3 天津港能源配置图

不同区域的能源和负荷情况不同，能源配置也会不同。根据不同区域的具体情况进行能源配置会更加合理。根据以上分析对天津港区的能源配置如图7所示。

表3各区域特点
Table3Regionalcharacteristics

图7 天津港的能源配置示意图Fig.7 Sketch diagram of energy allocation in Tianjin port

原则体现：

(1)能源质量保证原则。不同的区域对本地能源自发自用，不同区域之间能源互通互联，互为备用，并且与外界MEN互联，这对于能源质量的保证有很好的作用。

(2)能源供需平衡和能源合理开采原则。以上两个原则都很难在图中表示。对于能源供需平衡原则，通过对目标区域调研，对区域内负荷和能源有一个清楚的认识，在能源配置过程中确保能源供需平衡。对于能源合理开采原则，也是在调研基础上，遵守国家和当地的政策进行能源的合理开采。

(3)能源充分利用原则和低环境成本原则。如图7所示，根据能源和负荷特点，对能源形式进行充分的开发利用。对每一种能源的充分利用在图中无法表示，但在利用的过程中进行形式替代，采用先进的能源利用方法增加能源的利用效率，保证对每一种能源利用的充分性。低环境成本原则从能源形式的选择可以看出，大部分主要依赖对新能源的开发利用，尽量减少对环境的污染，也减少对外界能源的依赖。在能源利用形式上，也利用形式替代保证整个能源网的低环境成本。

(4)能源合理搭配原则和能源替代原则。如图7所示，根据区域能源和负荷情况，对不同微区域配置不同的能源形式和能源利用形式。例如3区、5区和7区，因为3区不处于沿海区域，因此在风能资源满足利用条件，受到土地等的限制后只能考虑搭配小风电。5区沿海风资源丰富，并拥有2 km2左右的沿海防波堤，因此可以开发陆上风电。但是因为该地区码头较多，不适合搭配海上风电。又因为5区主要是码头和物流，因此对于电能的要求比较多，对于冷/热要求较少，因此无须搭配地源热泵。3区和7区对于冷/热的要求较高，因此在满足地热开采的条件下，搭配地源热泵。在整个能源配置过程中，主要侧重新能源的开发利用，代替了传统能源，也利用了新的例如太阳能的冷/热利用等形式代替了传统供冷、供热的方式。

(5)分区考虑原则。对于天津港区，本文采用2步分区，总共分成9个微区域。因为每一个微区域的用户和能源情况都相对简单，所以每个微区域的能源配置也相对简单。在能源配置的过程中也侧重能源的“就地生产、就地利用、余量上网”。

5 结 论

本文重新定义了多种能源互联网络的概念，并对局域能源网、区域能源网和广域能源网进行了划分。进而以满足对能源网安全可靠性、经济性和可持续性的要求，提出了区域能源网能源优化配置的原则，包括能源供需平衡原则、能源质量保证原则、能源充分利用原则、能源合理开采原则、低环境成本原则、分区考虑原则、能源合理搭配原则、能源替代原则，并对每一个原则进行了详细的说明，对不同的原则进行分类。最后以天津港为例，对区域能源优化配置原则进行了演示。希望提出这些原则可以为规划建设区域MEN提供参考。

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2017-06-07

王婉君(1993)，女，通信作者，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电与并网；

朱永强(1975)，男，博士，副教授，主要研究方向为新能源发电与并网、微电网运行与控制；

夏瑞华(1969)，男，副教授，主要研究方向为电力系统微机保护和变电站综合自动化。

(编辑 刘文莹)

DesignofOptimizedAllocationPrincipleinRegionalEnergyGrid

WANG Wanjun, ZHU Yongqiang, XIA Ruihua

(North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

As the proposal of energy internet and intelligent energy, the utilization of energy and the energy categories has become more and more diverse. This paper redefines the concept of multiple energy network (MEN), and distinguishes the different conception among local energy grid, regional energy grid and wide-area energy grid. In the design and construction of MEN the optimized allocation of energy is one of the most important works. In order to make a better allocation of energy, special principles need to be proposed, while the allocation principle is seldom discussed in reference. This paper takes regional energy grid as a research object, presents useful principles for optimized allocation of energy in regional energy grid, and makes specific explanation for each principle. Finally, the application of optimized principles for energy allocation is successfully introduced through the example of Tianjin Port.

multiple energy network(MEN); regional energy grid; energy allocation

天津港区新能源利用规划研究项目(2016-176)

TM71

A

1000-7229(2017)11-0113-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.11.015