城市能源互联网研究综述

2020-03-21陈爱伦朱英伟

水电与抽水蓄能 2020年1期

唐虎，陈爱伦，崔浩，朱英伟

（1.国网四川省电力公司德阳供电公司，四川省德阳市 618000；2.国网湖北省电力公司襄阳供电公司，湖北省襄阳市 421000；3.四川大学电气工程学院，四川省成都市 610000）

0 引言

随着全球能源格局的变动、环境恶劣化趋势逐步严峻，对能源的利用形式也不断改变。如何转变能源生产、配置和消费方式、优化能源结构、开发利用清洁能源、改善生态环境等成为各国面临的共同难题[1]。

美国学者J.Rifkin的《第三次工业革命》[2]和国家电网公司原董事长刘振亚的《全球能源互联网》[3]均提出将可再生能源技术和互联网技术相互融合，形成新型的能源利用模式：能源互联网（energy internet，EI）。树立全球能源观，构建EI是推动能源变革的一大途径，这不仅关系到能源技术的变革，更是人类生活方式的转变[4]。

目前，国内外相关学者和机构对EI的研究已有很多，不同国家对EI研究的异同点如表1所示。从理论研究方面，文献[5]研究了EI背景下的储能在能量发、输、配和用及多能源系统互联中的应用，并提出当前储能装置所面临的挑战；文献[6]研究了网络连通矩阵分析稳定性方法分析EI的连通性来实现大电网的互联；文献[7]研究了基于区块链技术的EI建设，同时以不同场景描述该技术在EI中的应用方式；文献[8]以实例研究城市能源互联网（urban energy internet，UEI）功能体系及应用方案，探索了未来UEI的管理方案和商业模式；文献[9]研究了清洁能源的输送通道问题，并结合亚欧现状提出适合其发展的两种电力传输方案；文献[10]对亚欧洲际电能输送模式进行探讨，提出的模型来研究清洁能源输送的财务生存力；文献[11]从不同角度分析UEI对电力系统的影响，并提出实现UEI的关键技术体系。

表1 各国EI理论研究异同点Table 1 The similarities and differences in EI between various countries

上述文献研究对全球能源互联网的建设提供了较为丰富的理论依据，然而对UEI的研究较为稀少。本文在各位前辈研究的基础上，重点研究UEI的基本观念和相关特征，并介绍以充换电服务网、微电网和虚拟发电厂（virtual power plant，VPP）在内的UEI基本网架结构，同时结合我国不同城市的地理特征总结出UEI的构建方案，并分析了UEI未来发展趋势。

1 EI的分类

EI作为一项跨领域的前沿概念，对其研究和定义也在不断的更替，学术界也没法给出一个所有人都认可的标准化定义[12]，虽然难以定义，但对EI的组成形式研究仍显得至关重要。综合现有文献对EI的研究成果，本文将EI的发展形态概括为：家庭型EI、建筑型EI、社区型EI、城市型EI、国家型EI、全球型EI[13-16]，这里简要介绍前四类。

1.1 家庭型EI

家庭型EI是EI的一类子网，具有数量庞大、分布广泛的特点。家庭型EI以电能的利用为核心，侧重于智能家居、电动汽车等主动性负荷参与市场需求侧响应（demand response，DR）并同被动型负荷和储能装置间的互动，互动关系涉及能量、信息等的流动。对于家庭型EI的结构示意图如图1所示。

图1 家庭型EI结构示意图Figure 1 The structure of family EI

从图1可以看出，包括家庭型EI涵盖屋顶发电系统、屋内可控负荷、屋外电力网络等多种能源交互形式。

1.2 建筑型EI

该种形式的EI仍然是电能的综合利用的中心，同时加上对天然气、自来水等多种能源的利用。建筑型EI主要实现能源的就地消纳问题，实现多能互补利用，如图2所示。建筑型EI是以建筑框体为依托，能源供给体系设计到太阳能、风能、地热能等，并通过不同能源间的互补来提升能源的综合利用效率。

图2 建筑型EI结构示意图Figure 2 The structure of architectural EI

1.3 社区型EI

社区型EI在建筑型EI的基础上融入了交通运输网，构建了不同需求侧间的预测体系，实现多能源间的消纳、互补及转换并通过能量管理系统实现实时平衡关系，这类EI的构造图如图3所示。

社区型EI是以GPRS为依托将各业务系统（用电信采集、SG186、智能家居系统、配电自动化系统等）进行深度融合。特别是目前5G的运用将对业务系统的通信提供更加便捷的通信信道，同时也更加适合信息网络安全的需求。这些系统通过供电公司内外网的交互进行不同资源的输入及输出，为分析该社区型EI的能量利用形式提供支撑。

1.4 城市型EI

城市型EI类似于一套较为完整的能源生态系统，内部具有完备的生产、输送、消纳能量的载体，并具有多种系统对不同能量进行优化以实现最大化利用，并通过共享和互动机制实现了不同能源间的转换、存储。

对于该种类型的EI电力网由电、气、热网等联合供能，电网连接风电、光伏、储能、电动汽车充电站及储能电池、服务器等装置，通过能源交易平台，将能源互联开放平台互联信息网络和多能源协调管理系统联系起来。

2 UEI的概念及特征

综合国内外对EI/UEI的研究，仍没有统一的概念性及理论模型的定论。德国E-Energy是推动供区用户实现能源的高效利用及地区电网的可靠供电，并利用信息通信技术实现能源与消费的最优化；北京市延庆地区的EI示范工程指出UEI是以交直流主动配电网的网架构建为核心，能源管理与公共服务中心建设为智能中枢，实现商业化的多能源综合利用。

图3 社区型EI结构示意图Figure 3 The structure of community EI

综合来看，UEI是在人口密集，负荷集中的城市范围内，以智能配电网为核心，供气、供暖、供冷、电气化交通网等网络高度耦合，建设开放互动的公共服务中心和能量管理，提高用户参与，解决高渗透率的分布式电源的接入，提高能源利用效率，从而实现能量流、信息流和价值流一体化融合的能源生态系统。UEI在整个EI体系中起到承上启下的作用，不同类型社区型EI的聚合就构成看UEI，不同类型UEI的聚合又称为国家乃至全球型EI。

UEI的构建有助于实现能源的多级、高效利用，有助于实现信息流、能量流、资金流的统一，具有以下特征：

（1）多类型能源相互融合。UEI能够促进多能源行业的相互融合，实现跨越时间及空间的能源利用，形成一套适合UEI内部参与体的新型能源供应、输送、利用网络。

（2）多方参与管理模式。在技术层面，利用大数据管理平台的历史数据和信息挖掘，为企业联盟提供数据，模型和记录参考。在物理层面上，UEI的开放性实现即插即用性能源的随时性接入问题，改变以往能源单一性流动问题。

（3）能源的高效利用。UEI通过建立用能能效模型，结合区域用户用能模式、用能习惯以及用能设备特性，对用户的用能数据进行综合分析，生成科学的用能策略；同时，在能源调控区域，对能源生产消耗预测，根据不同的用能需求，生成协调优化控制策略，实现能源生产与消费的最优匹配，从而达到能源的高效利用。

3 UEI的网架结构

UEI的实现仍然是基于现有的传统电力网络，针对不同区域其构建网架拓扑结构也有较大差异，并根据实际地区的具体特征演化成适应其发展的网架结构模型。UEI的不同网架结构包括了充换电服务网络、虚拟电厂、微电网、储能服务网、城市智能电网等，具有多层级交直流混联、规范的互联接口、灵活的自组网结构模式，具备互联网拓扑结构特征及实现方式，可实现电网为中心的多种能源网络互联。

不同网架结构相互独立又互相关联，通过信息网络和能量转化设备建立彼此联系，共同组成UEI，如图4所示，该示意图为一个简单的块状布局城镇，图中分为居民区、商业区、工业区和核心区，包含了虚拟电厂、充换电服务网、微电网、一体化建筑群以及信息网络等组成的UEI典型网架结构。UEI其实是一个较为新颖的概念，它并不是一个真实存在的网络，它以电能为主，并伴随着其他能源的相互流动，针对于不同的城市特点、能源网络等和电网之间存在着弱联或者强联的关系。

图4中的工业区为含有风力发电厂的微电网，可实现孤岛和并网运行，并通过优化内部供电单元的输出，以确保电压和频率在允许的范围内。在孤岛运行下的微电网因不能获取大电网的各类信息，必须通过自身调节实现内部电源和频率的稳定，此时所需的控制将更加复杂。包含光伏发电厂和风力发电厂的两部分微电网组成了VPP。充换电服务网络的主体对象包括电动汽车与充换电设施。由于电动汽车自身所具有的交通工具属性，因此它可能出现在城市的各个城区，这无形中扩大了充换电服务网的覆盖范围。除此之外，UEI中还存在着天然气网络、供热网络等。这里对天然气网络和供热网络就不再详细介绍。