能源互联网下的综合能源系统规划设计方法探究

朱晨光 田媛 张悦 孙艳玲 管少锋

摘 要：本文介绍了综合能源系统的基本理念和构架，并结合其各项关键技术在生产、应用、研发过程中的热点问题，深入剖析了其优化设计手段，从而展望了综合能源系统的未来研究方向和发展趋势，为我国综合能源系统的发展提供借鉴。

关键词：能源互联网;综合能源系统;规划设计

中图分类号：TK01文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）20-0148-03

Abstract： This paper introduced the basic concept and framework of the integrated energy system， combined with the hot issues of its key technologies in the process of production， application and research and development， and analyzed its optimization design means in depth， thus looking forward to the future research direction and development trend of integrated energy systems， and providing reference for the development of the integrated energy system in China.

Keywords： energy Internet;integrated energy system;planning and design

现代社会，随着社会经济的高速发展和人民生活水平、工业生产水平的日益提高，人民群众对能源的需求日益增长，环境保护意识日益觉醒，与此同时大数据、云计算、互联网等网络技术高速发展，因此诞生了一种集灵活、高效、清潔为一体的新型综合能源服务模式。新型综合能源系统是一种利用区域微网技术，将传统能源、可再生能源与清洁新能源结合起来，将风能、电能、燃气、地热能、太阳能及生物质能等多种能源形态转变为消费者所需的电、气、热、冷等能量形式的新型供能体系[1-2]。它可以在保证较低成本及较高可靠性的同时，提高综合能源利用效率，充分利用可再生能源，以满足多元能源的需求，提升综合能效。

因为综合能源系统建立起了互补耦合的电、气、热、冷等横向多元能源与有机协调的纵向源、荷、储、网等纵向各类环节的立体架构，使得规划设计初期综合能源系统就已经表现出其固有的复杂性。因此，如何对多种形式能源的互补性、相关性进行有效利用，对综合能源系统进行优化规划设计已经成为研究热点[3-6]。此外，常规、单一的供能系统评价方法已经不再适合，急需进行进一步的创新和提升，这也是目前能源领域的研究热点，有必要建立有效的综合能源评价方法和体系，有效衡量综合能源系统的实施效果。

本文综合介绍了综合能源系统的原理、特点、作用及应用，并结合其各项关键技术在生产、应用、研发过程中的热点问题，深入剖析了其优化设计手段，结合国内外现有研究成果，从而对综合能源系统未来研究方向和发展趋势提出了展望。

1 综合能源系统概述

1.1 综合能源系统理念

综合能源系统，综合是核心，具体是指以风能、电能、地热能、太阳能等为能源，包含节能设备、电能替代设备及可再生能源设备的综合能源供应系统，其目的是满足设计区域的热负荷、冷负荷和电负荷。

综合能源系统的系统全流程环节可概括为源、荷、储、网四字。“源”指用于综合利用的多元异质能源，包括传统能源（天然气、石油等）、可再生能源（风能、地热能、太阳能、潮汐能等）和尚未开发利用的能源（地铁排气、浅层地热、城市污水等低品位温差能）;“荷”指用户对电、气、冷、热等多元需求的实时响应;“储”主要是指通过蓄冷、蓄热、蓄电等多元储能装置，起承上启下、实现多元能源的动态实时平衡的作用;“网”指的是热网、气网、电网等多元网络的互动耦合。

1.2 综合能源系统的构架

综合能源系统根据系统边界与规模的差异，可分为用户级、区域级和跨区级等层次。用户级是指单个用户产销一体化的供能系统，因单个用户的功能局限，其互补、互动的灵活性也有限。跨区级是指广域的能源互联系统，以大型输气、电、油、煤等系统为骨干网架，可以有效破解广域范围上的能源供需失衡问题。综合能源理念从梦想走进现实，其在区域层面上的具体化体现是区域综合能源系统，它既能有效保障系统的广域扩张，又可以有效发挥区域内的多元产销者的互补效应。

2 综合能源系统的关键技术

2.1 多能协同规划设计及优化运行技术

综合能源系统的多能协同规划设计技术，是指通过了解目前目标区域的资源及经济情况，实现区域内多种能源资源的最佳组合方式和多种能源转换技术的最优匹配手段的技术。

多功能协同优化运行技术，是指通过负荷平准化、总需求降低化等手段，使综合能源系统实现智能调度的技术。

2.2 智能化技术

综合能源系统的智能化技术，是指智能采集、智能监测系统中的能源信息，并且对相应信息进行智能分析处理的技术。目前，其先进智能化技术主要包括非侵入式测量技术、群体化智能技术、支持综合能源交易的智能合约技术等。

综合能源系统的非侵入式测量技术中的非侵入式监测终端，主要包括嵌入在智能网关或电表内的终端、独立非侵入式终端两种。由于智能电表的传输容量和采样频率较低，因此嵌入在智能网关或电表内的终端无法获得高频采样数据，使其负荷分解精度比独立非侵入式终端低。独立非侵入式终端，实现高采样频率，以得到更完备的负荷特征，因此其分解精度更高，但其仍具有不可避免的缺点，施工成本较高。

群体化智能技术，是以用户行为的智能推演技术为基础，与智能化应用场景相结合，对边缘智能间的博弈与合作进行充分利用所产生的智能化技术。

支持综合能源交易的智能合约技术，是对用户双方间的任意交易行为中含有的义务与权利进行划分确定的技术，其以区块链为基础，由区块链内的多个用户一同参与制定。

2.3 能源转换技术

综合能源系统的能源转换技术，是指将一次能源转变为二次能源的技术。其中的一次能源都是清洁能源，包括天然气等非可再生能源和生物质能、太阳能、风能等可再生能源;而二次能源中最具代表性的是电能，它是最清洁方便、用途最广的。其代表技术主要包括风电转换技术、光电转换技术和生物质气化技术、微型燃气轮机发电技术等。

2.4 储能技术

综合能源系统储能技术，是一种能量高效存储技术，其主要是指将一种能量通过储能装置转变为另一种易于存储的能量。综合能源系统中的储能技术主要有蓄冷技术、储热技术、储气技术、储电技术四种。

2.5 能量梯级利用技术

能量梯级利用技术，是基于能源品位概念的“温度对口、梯级利用”技术。常见的低品位能源主要包括工业余热、生物质能、地热能、太阳能等能源，低品位能源利用技术主要有生物质热电联产技术、溴化锂吸收式热泵技术、有机朗肯循环发电技术、光伏光热一体化技术等。

2.6 电能替代技术

电能替代技术主要包括以电代油、以电代气、以电代煤等电能替代相关技术，其可以使清洁能源在能源消费中的比例得到有效提升。近些年，电能替代技术在节能技术中的推广正在快速发展。其主要可通过电极锅炉、发热电缆、空气源热泵、中深层地热-干热岩供暖等实现。

3 综合能源系统的规划设计方法

综合能源系统的规划设计以其内在逻辑层次为基础，首先确定规划设计目标，其次调研和分析需求侧和供给侧层面的情况，然后对源、荷两侧的设备配置的系统技术架构进行连接，最后对规划设计方案进行全面评估。

3.1 设计原则和规划目标的设定

综合能源系统的规划设计目标的确定要因地而異、因需而定，并且应遵循安全可靠、供需平衡、梯级利用和因地制宜等的基本原则，在满足用户诉求的基础上，与区域政策环境、市场条件、能源结构相协调，而且与区域整体经济社会发展相适应，既可立足于经济视角，又可立足于节能、减排等其他角度。

规划设计目标的确定可为综合能源系统的实现指明方向，建立能源规划指标体系。目标的确定以区域能源系统为基础，以用户人均能耗和相对值参数、能源消费或碳排放率参数、区域能源结构参数为依据，采用“金字塔”原则，结合区域情景分析用数据统计的方法来确定城区减排目标和规划设计目标。

3.2 区域资源和气候环境分析

区域气候条件是负荷预测分析的一个重要影响因素，其主要体现为对需求侧和供给侧两个方面的影响。其中，极端供冷负荷主要受气温和相对湿度因素影响，极端供热负荷主要受气温参数影响。

区域可利用能源资源，尤其是可再生能源富存量的确定也在一定条件下受对气象条件的深入分析的影响。一般情况下，区域内可能存在多种可再生能源资源，因此其应用应考虑建设成本等因素，应综合考虑各类能源的分布、储量和来源等情况，决定综合能源系统对可再生能源利用类型的优先级。在新区综合能源系统的实际规划设计建设过程中，一般以地热资源为核心，辅佐以光伏系统和天然气系统。

3.3 需求侧用能情况分析

区域综合能源系统供能的一个本质特征是按需分配，因此系统规划设计的一个关键环节是用户状况分析和需求侧负荷预测。同一用户的负荷需求类型在不同季节、不同时段上有所差异，而且不同类型用户对不同能源负荷有不同需求。

在对区域整体负荷进行预测时，考虑到区域多类型用户存在的不确定性，应基于能量平衡原理，综合考虑各种内扰因素（用户生产需求、生活需求和室内人员数量等）和外扰因素（地理因素、太阳辐射和气候条件等），建立符合动态模拟法和应用情景分析法的区域整体动态负荷预测。

3.4 系统设备选型配置和技术架构

区域综合能源系统的设备选型配置和技术架构是决定系统潜在节能减排效果的物理基础，因此，其合理性和科学性至为重要，是当前领域的研究热点。然而，因为区域综合能源系统是多源-多荷-多储-多网的耦合体，因此通过交叉匹配，其相互间可形成数量众多的技术方案。近几年，综合能源系统的拓扑结构设计及优化选型配置广泛运用数学规划方法。

3.5 综合能源系统综合评价

对综合能源系统进行客观、准确的评价是衡量系统优越性和合理性的重要依据。但因其结构复杂，涉及的影响因素众多，评价结果容易出现偏差，因此在建立系统评价体系时确立全部评价指标的切入点和确定合适的评价方法十分重要。

4 结论

综合能源系统是源、荷、储、网进行耦合、互动的一体化供能系统，其充分利用区域内丰富的可再生能源和未被利用的能源，以需求侧多元用能需求为出发点。其系统合理、科学的规划设计应充分考虑多种因素的影响，注重人性化服务，满足经济可行、结构合理等要求，从而促进其现代应用和发展。

参考文献：

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