碳达峰条件下能源互联网系统规划设计与优化运行

孙元章，张鹏成，柯德平，徐箭，廖思阳

(武汉大学电气与自动化学院，武汉430072)

0 引言

能源作为促进社会发展的基础动力，与经济发展密切相关，也是国家安全的重要战略物资[1]。全球气候、环境危机给每个国家的发展敲响警钟，人类生产生活产生的以温室气体为主的污染性物质极大地阻碍着全球经济的健康持续发展。改革开放以来，中国经济跨越式发展，随着国内生产总值、人均国内生产总值等经济性指标的显著提高，中国能源消耗尤其是化石能源消耗的总量也不断攀升，CO2排放量显著增加。经济发展与环境保护的矛盾促使人们对现有发展模式和能源结构进行反思，并做出相应改进。中国早在2009年召开的国务院常务会议上指出，到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40～45%，并将此作为约束性指标纳入国民经济和社会发展的中长期规划，建立了相应的统计、监测和考核办法[2]；习近平总书记在2020年联合国成立75周年一般性辩论中指出，中国CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[3]。这一目标为中国经济发展指明了更明确、更具体、更绿色的可持续发展道路，客观上要求人们积极探索未来长时间内具体能源结构与能源利用形式。

探索能源格局转变不可忽视其中蕴含的能源安全这一关键问题，俄罗斯学者撰文指出能源安全是一项公共产品[4]。中国长期以来的能源特征是“富煤、缺油、少气”，随着汽车等相关产业的发展，中国每年的油和天然气产量远远不能满足国内需求，供需不平衡的矛盾促使中国大量进口国外能源，油气对外依存度逐年攀升[5 - 7]。国家统计局公布的年度统计公报中的数据显示，截至2019年，中国石油对外依存度超过70%，天然气对外依存度也达40%以上。国际形势风云动荡，局部不稳定因素依旧存在，中国能源进口通道畅通存在风险[8 - 9]。另一方面，国内能源和消费中心分布严重失衡，能源主要分布在三北、三西地区，产消错位促使人们积极探索多种形式的能源运送方法和运输路径[10 - 12]。以煤炭为例，中国大力建设以铁路运输为主的多种运输途径，基本形成“九纵+六横”铁路运输格局，积极探索铁海联运、铁水联运等新形式[13]。能源远距离跨区流动对能源输送通道的要求大大提高，抵御类似2020年新冠疫情这样突发事件的能力值得人们关注[14]。

不论是能源结构转变抑或是能源安全提升，能源互联互通、互济互用都是其实现基础，由此能源互联网应运而生。杰里米·里夫金在《第三次工业革命》一书中系统阐述了能源互联网的一般概念和发展前景，指出“基于可再生的、分布式、开放共享的网络，即能源互联网”。世界各国以此为基础,结合自己国家的发展特点加以丰富和完善，逐步形成适应本国发展的能源互联网发展路径。在中国，以国家电网为主导、以电力系统为核心的能源互联网逐步发展，在统一能路[15 - 18]、多能互补[19]、节能减排[20]等方面取得重要突破。

国内外学者在能源强度、碳足迹、碳减排、能源运输、能源安全和能效提升方面开展了诸多研究，对于能源互联网的架构和实现方法也有相关研究，但各研究主题仍相对比较孤立。本文以中国能源政策和现有研究为基础，试图回答为什么建设能源互联网、能源互联网应具有哪些特征，以及如何建设和运行能源互联网这3个问题，尝试从能源结构顶层设计、区间能源流动和区域能源优化利用3个层次进行能源互联网系统设计。

1 环境与安全促进能源互联

1.1 碳排放与能源结构

碳排放是生产生活、货物运输、商品使用与回收等多方位、全流程产生的温室气体排放量。发达国家发展经济的同时大量排放CO2，是造成全球气候变暖等气候问题的关键因素[21]。BP世界能源统计年鉴的数据显示，2018年全球碳排放增长2.0%，为近7年最高增速。中国自改革开放后经济迅猛发展，碳排放也相应增加，根据Global Carbon Atlas汇总的数据粗略估计，2018年中国碳排放量接近世界总排放量的四分之一，超过了美国、印度、俄罗斯3个国家碳排放的总和。图1为2018年世界主要碳排放国对比。

图1 2018年世界主要碳排放国对比

减少碳排放要从行业入手，积极推进多行业的绿色能源替代。图2为中国化石能源消费基本构成。从图2所示的一次能源消费基本构成来看，能源渗透至各个领域。正因如此，打破各行业用能信息壁垒、探索多类型能源综合应用、建立能源互联互通平台至关重要。

图2 中国化石能源消费基本构成

从各分立能源来看，煤炭、石油、天然气在不同的用能主体中侧重并不一致。表1基于国家统计年鉴，整理了2017年不同能源消费结构数据，数据显示煤炭用于发电的份额超过其余各组分总和，石油主要用于交通和工业，天然气在交通、发电领域的占比较高。电动汽车[22]、热电联合[23]及新能源发电技术[24]的不断进步，为能源消费构成的优化转变提供了技术支撑。基于先进技术的能源互联网将为碳排放约束下的能源转型体系构建提供可能。在此背景下，中国大力发展能源互联网，一方面推进应用装备领域替代，加强绿色建筑、绿色交通等领域建设，另一方面加速能源转型，实施清洁电力利用、电能替代等举措。生态环境部公布的《中国应对气候变化的政策与行动2019年度报告》显示，中国2018年度在产业结构调整、能效提升、能源结构优化、控制温室气体排放、大气污染物和温室气体协同管理、低碳试点等方面取得了较大成就：北方地区在2017—2018年与2018—2019年两个取暖季清洁取暖率达到50.7%；2018年城镇新建建筑中执行绿色建筑标准的比例达到56%；电动汽车快速发展，截至2019年5月底，各类充电桩保有量97.6万个，公共充电桩40.1万个。

表1 2017年中国能源消费构成

1.2 能源供应与安全

能源安全的核心内涵之一是能源供应安全，是能源一段时间内的可获得性，其涵盖的范围很广，可以是不依赖于其他能源产地或是本地区或国家的能源自给自足[25]。经济增长与环境保护对于传统化石能源消费的需求不同，新能源、电动汽车大力发展与海上风电、P2G等技术渐趋成熟，这对化石能源消费起到了抑制作用。数据显示，世界首条以输送新能源为主的能源大通道——青豫直流工程累计向河南输送新能源电力2 000 GWh，相当于减少煤耗9×105t、减少CO2排放量1.48×106t[26]。可见，能源消费结构正在发生着较大的变革，传统能源安全也将被赋予新的内涵，将具有新的表现形式。

中国长期以来“富煤、缺油、少气”的特征决定了石油和天然气长期依赖进口的局面。图3为中国能源产量情况构成，图4为中国1990—2018年能源消费构成。

图3 中国1990—2018年能源产量构成

图4 中国1990—2018年能源消费构成

除部分年份外，我国能源生产基本逐年增长，能源消费量则一直逐年增长，21世纪以来能源快速增长。但近年来中国能源产量不能满足国内能源需求，这部分差额由进口量补充。从能源生产和消费结构上看，煤炭产量占比维持基本稳定，石油产量占比整体呈下降趋势，天然气产量小幅增长，这与中国能源储藏结构基本一致。电力及其他能源占比则逐年增长，得益于国家大力推进电能替代以及新能源发电等先进技术不断成熟。从消费侧分析，煤炭消费占比近年来不断下降，石油消费占比基本维持恒定，天然气、电力和其他能源的消费逐年增长，与生产侧变化趋势基本一致。两者之间的差额分别由进口能源补充，石油、天然气对外依存度常年保持高位。

基于此，必须重视国家能源安全。报道显示，中国初步建成四大天然气进口通道，分别是西北通道(中国—中亚天然气管道，设计年输量8.5×1010m3)、东北通道(中俄天然气管道，近7.0×1010亿m3)、西南通道(中缅油气管道)和东南通道(海上通道)[27]。其中海上通道是石油、天然气进口的关键通道，需要取道马六甲海峡，国际形势变化有可能导致这条关键通道被“切断”。中缅油气通道一定程度上缓解了中国对于马六甲海峡的依赖，但中国石油、天然气对外依存度高、整体的能源安全形势依然比较严峻。文献[28]针对能源利用中的主要问题阐明“能源缺口”的成因，并提出发展新能源和提高能源利用效率可以消除“能源缺口”，提升能源安全；文献[29]以陕西省和广东省为例，对能源生产大省和消费大省的能源供给情况与存在的问题进行分析，评估两省能源安全并提出针对性的建议；文献[30]指出人类已经迈进地缘政治时代，从能源贸易视角构建了基于能权的静态博弈模型和竞争性均势模式；文献[31]基于混合投入产出分析研究能源安全性。在此背景下，推进新能源发展，基于能源互联网实施能源替代具有重要的意义。

1.3 能源互联网应用与价值

基于能源互联网的能源互替可以服务于国家能源安全和环境改善。直观上理解，能源互联网是打破能源壁垒，实现能源信息互通，完成能源互联、互替互用的能源网络；也是服务国家能源战略，促进能源消费体系变革，涵盖能源生产、进口、运输、储存和消费各环节所涉及到的设备、机器、系统，基于一定运行规则，广泛应用先进技术手段的能源网络。国内外学者关于能源互联网的概念有不同的理解和解读。文献[32]指出能源互联网是以电为核心，利用可再生能源发电技术、信息技术，融合电力网络、天然气网络、供热/冷网络等多能源网以及电气交通网形成的异质能源互联共享网络。不论何种定义，能源互联网关键在于信息共享、能源互济。

在社会、经济、环境和安全多方面的共同需求下，基于能源互联网平台的多种技术和应用得以发展，也进一步促进和推动了能源互联网的发展。概念方面，文献[33]基于能源互联网框架研究负荷峰值转移问题，考虑具有储能装置时用户的双重角色，以终端用户的日内用能成本最小为目标，考虑网络约束下实现峰值负荷平抑，旨在解决能源短缺的问题；文献[34]总结了关于能源互联网的四种普遍的定义——智能电网、全球能源互联网、量子网络和大型物理网络系统，介绍了能源互联网中能源路由器、能源枢纽、能源互联网访问设备、智能能源管理和能源交易等技术。应用方面，文献[35]考虑新能源发电、储能、电动汽车和能源交易平台，建立混合整数线性规划，利用遗传算法解决用户储能和电动汽车的最优充电控制问题；文献[36]考虑价格和风险成本配电网进行分析，从电力商角度对系统进行优化。综上所述，能源互联网具有的价值简要分析如下。

1.3.1 促进能源结构转型

能源对外依存度影响国家能源安全，气候环境严峻形势影响可持续发展。很显然，能源顶层设计要进行结构转型，降低化石能源使用比例，用新能源代替环境污染指数大、对外依存度高的能源。能源互联网作为能源互通、信息共享的统一平台，为能源互济提供机会，可以深入挖掘绿色能源替代化石能源的空间、深度探索新技术手段应用于节能减排、降低能耗的实现途径。理清底层能源转换具体形式，畅通网络能源互济、信息共享，将为顶层能源结构转型提供坚实保障。

1.3.2 提供信息互联平台

能源互联网是实际物理网络与信息网络的融合，物理系统是框架，信息流是“神经”，是支撑网络安全和经济运行的关键要素。系统稳态运行时，基于供给、需求、价格和通道运载能力等信息做出合理决策和经济调度；遭遇紧急突发事件时，紧急事件的信息通过网络传递，能源系统基于此做出动作，多能源统一协调、互相支撑。

1.3.3 实现经济灵活可靠运行

供给侧能源结构变革，从结构上促进能源网络的绿色运行，减少碳排，降低系统的能源对外依存度、提高新能源利用比例，实现能源的合理化利用。运输侧能源经济运行，能源运输通道部分共享，信息深度交融，多种能源互相备用、互相支撑，减少重复投资，提高系统运行灵活性和网络应对突发事件的处置能力；消费侧能效提升，在不影响用户用能满意度的基础上选择不同形式能源达到目标，这种能源类型的平稳过渡有利于平抑能源波动或某种能源的暂时性短缺。

2 能源结构调整

能源互联网系统的构建极大依赖于能源供应，在环境约束下对能源互联网供给侧的能源构成进行设计。简单来讲，需要探索经济增长与环境效应的关系，进而分析强约束下的经济增长模式和碳排放轨迹，以此为基础确定未来一段时间内能源消费结构，倒逼能源结构转型和能源科技发展。系统目标的达成是各子系统作用的综合效应，由于各省/区经济发展和科技水平不同，差异化推进各地区能源转变能保证整体指标的完成。

2.1 经济增长与环境问题内在关联

库兹涅茨曲线是诺贝尔获得者、经济学家库兹涅茨用来分析人均收入水平和分配公平程度关系的学说。它描述了公平程度随收入增长先增后降的倒“U”形曲线的关系。随着经济发展和环境恶化之间的矛盾逐渐凸显，许多学者关注这一问题，且发现环境恶化程度和经济增长之间也存在图5所示的倒“U” 形曲线(EKC曲线)形式[37]。

图5 环境库兹涅茨曲线示意图

具体来讲，环境在低收入水平上随人均经济增长而恶化，在高收入水平上随经济增长而好转。其中存在库兹涅茨环境拐点(并非是一个具体的点，而是一个区间)，环境在拐点出现之前逐渐恶化，在拐点出现之后渐渐好转。与环境问题密切相关的是碳排放问题，关注的重点在于碳排放峰值什么时候出现，以及如何加速转折点的出现。

围绕这一问题，许多专家学者从碳排放驱动机制以及碳排放核算和预测等多个角度进行相关研究。碳排放驱动机制方面，文献[38]选择6个不同地区作为研究对象，基于EKC曲线研究空气污染与经济增长之间关系，将碳排放量、人均国内生产总值、外国投资等多变量输入到建立的随机效应和固定效应模型中，结果显示不同地区具有不同的EKC曲线形式。文献[39]利用STIRPAT模型分析江苏省碳排放量与人口规模、人均GDP以及城镇化率等指标之间的关系，定量给出不同指标变化时碳排放量变化的具体比例。碳排放预测与生产模拟方面，文献[40]指出碳排放峰值对经济转型会产生倒逼机制，但目前还鲜有研究真正揭示该机制的基本特征和运行机理，没有给出在碳峰值目标倒逼机制下的经济转型路径。文献[41]基于碳排放约束，设计重点行业部门的转型情况，模拟中国能源消费总量和结构变化。

2.2 能源结构与区域分解

能源结构决定了各种能源的使用比例和使用方式。调整能源结构、转变能源消费方式是许多国家应对气候变化、实现可持续发展的重要举措。国家统计局数据显示，2020年中国前三季度清洁电力生产比重明显提高，规模以上水电、核电、风电和太阳能发电占总发电量的29.2%[42]。《中国能源电力发展展望2020》显示，中国2060年电力有望实现近零排放，电能占终端能源消费比重、非化石能源占一次能源消费比重将分别达到70%和80%[43]。据预测，全球在2025年可再生能源装机占比达到50%左右，2050年非化石能源占比达到40%左右[44]。不论从全球还是中国来看，化石能源消费将会持续下降，以新能源为代表的非化石能源将会受到越来越多的关注，电能作为清洁能源在节能减排等方面将发挥更大作用。

能源结构调整从整体上规划了一段时间内的发展路径，具体实现需要依靠各个子系统的协调配合，即在“蛋糕”做好之后确定各个子系统分得多少的问题，让各消费主体公平承担能源结构改革任务。《2019—2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案(发电行业)》、国家发展改革委和国家能源局关于印发各省级行政区域2020年可再生能源电力消纳责任权重的通知中指出，碳排放配额和新能源消纳责任均按照一定原则实现划分。目前，关于碳排放强度约束目标下的地区分解方案等问题也有相关研究。文献[45]利用泰尔指数进行区域分解，基于产业结构和能源效率等因素分析东部、中部和西部三个区域间碳排放的不平衡，结果显示能源效率是造成区域不平衡的关键因素，中东部地区在经济发展过程中更加重视节能和低碳发展。文献[46]基于公平性指标、效率性指标、可行性指标和可持续性发展指标建立了碳排放总量控制目标分解模型，根据模型将2030年碳排放量总量预测值进行省级分配。文献[47]利用LMDI分解方法分析了工业各行业对于碳排放的影响。

3 能源跨区模型

3.1 基本结构

能源互联网系统由若干子系统构成，每个子系统可以独立完成能源的生产、进口、外送、消耗和储备等功能，是具有独立性和系统性的能源系统，可以将一个能源子系统抽象为图6所示的结构，同时接收外部系统、本地能源和负荷等多种信息并完成能源的转换和分配。

图6 能源子系统的结构示意图

显然，能源枢纽与各渠道之间进行双向的信息沟通，既要满足本地负荷和外送需求，又须兼顾本地能源和进口能源的供给能力。由此，衍生出多个问题，代表性问题分析如下。

3.1.1 基于历史大数据的预测

如前所述，碳排放量将作为强约束指导能源结构变革，需要对碳排放的演变趋势进行预测分析。能源消费与经济增长息息相关，从全局看，做好国家层面的能源消费预测是系统平衡、能源规划和政策制定的基础[48]。而本地经济发展趋势、产业结构和城镇化率等均会作用于能源消费，需要深入分析基于社会因素的能耗预测方法。本地能源开采量、能源储备量、能源购入量和外送量预测是做好本地平衡的基础。除此之外，衍生出的新能源利用、新技术应用趋势也需要分析。文献[49]基于建立的模拟场景预测2020—2050年中国电力行业的能源消费结构、电力生产和需求构成，预测分析碳排放特征和减排潜力。文献[50]通过改进常规灰色预测模型对碳排量较大的中国、美国、印度三国的生物能源的生产消费和平衡情况进行预测，描绘未来一段时间内的能源生产和消费格局变化。文献[51]提出多行业的氢负荷预测函数和计及原始数据检验的滚动灰色预测方法。

3.1.2 考虑本地分布负荷特性的单一能源规划

基于宏观政策，结合不同主体、不同层次预测结果，各能源运输主体承担能源配分任务。各种能源的特性不同、产销地不同、运输方式和路径不同，能源运输的模型也不完全相同。但总体来讲，运输过程中均需要考虑各种运输通道的运力约束，需要考虑通道堵塞情况下的应急处置。文献[52]建立分区煤炭供给模型来研究优化未来中国煤炭的产、运格局。文献[53]分析了多种因素对于石油、天然气供应链稳定的影响。文献[54 - 55]指出煤炭等整个能源行业应急保障能力还有待提高，提出应该建立健全能源应急保障管理的体制机制、加强能源跨区域调度和应急能源储备能力。

3.1.3 综合能源输储用模型描述

不同能源由统一的调配中心进行安排，畅通各能源运输主体信息交流，实现能源供给侧互联互通。一方面，统一主体调配可以综合考虑多种能源分布特点和需求侧能源需求，最大限度利用供需两侧信息，实现能源运输通道的最优利用，减少由于信息缺乏或不对等情况下造成的通道堵塞；另一方面，在满足用能需求和用户满意度情形下实现能源供给侧互补，充分保障能源流动性和安全性。具体来讲，考虑低碳经济和可持续发展，结合用户多能互补利用空间，在确保能源供应安全的条件下，以成本最小为目标建立综合能源的统一调配模型。文献[56]提出多个微电网的混合能源共享框架，提高具有热电联产和需求响应的热电集成能源系统的灵活性。文献[57]分析了热泵、储热和需求响应对于综合能源系统年度运行成本、消耗量和二氧化碳排放量的影响。总体来讲，现有研究集中在设备层，对于省或国家层面的统一能源调配系统的研究还比较少。

3.1.4 能源市场和规划

能源具有商品属性，在能源运输网络运行过程中，极易受到市场的影响。能源价格会影响用户对不同能源的需求，进而影响生产侧的能源开采。能源供需波动对于能源网络的运行有较大的影响，需要研究能源市场的演化机理，预测能源市场走向和变化趋势，为能源运输提供市场化指导。另一方面，规划应该走在市场的前边，基于市场化下能源波动，应该对能源网络进行有效评估规划，满足突发情况下的能源稳定供应。对消费侧来讲，要规划多种能源的应急储备。文献[58]分析了能源供应商、综合能源服务提供商和能源用户之间的关系，提出一种考虑能源级联利用的区域综合能源系统日前能源交易策略；文献[59]提出两阶段随机规划模型和集成能源市场的两阶段清算模型，设计了市场结算的流程。

总体来讲，对于预测、优化和规划问题的研究比较多，但大多集中于电力行业或以电力为主体的区域综合能源系统的运行，对于城市、省区或国家层面的能源互联网系统问题研究较少，没有一个统一的描述体系。

3.2 含多主体的统一能源网络模型

单个能源子系统描述了一个用能单元的能源输入输出端口联系，涵盖了能源生产、进口、转换设备和储能装置等方面，但能源互联网由多个用能子系统和运输通道组成，跨区之间的能源运输流动也是能源互联网关注的重点。

目前，煤炭、石油、天然气及电力分别通过分立的运输商进行区域间运输，各利益主体之间信息封闭，在追求各系统利益最大化的同时忽略了能源互补这一特性，系统整体的经济性难以保证，能源结构得不到充分优化，单一系统的危机很难通过能源协调化解，抵御突发安全事件的能力较差[1,5,51]。

能源区域间流动可以等价为能源物流问题，对单一能源网络，在考虑各种运输约束的前提下以系统运输成本最小为目标进行能源优化分配。以煤炭为例[52]，区域煤炭活动主要包括煤炭生产、需求、库存、能源流入、能源流出、进口、出口，出于地区能源供应安全的考量，库存保持动态恒定，总量认为不变，则平衡式如式(1)所示。

Ni=Mi+Ii+Pi-Qi-Oi

(1)

式中：Ni为煤炭需求量；Mi为煤炭生产量；Ii为煤炭进口量；Pi为其他能源网络运至网络i的煤炭量；Qi为网络i运送到其他网络的煤炭量；Oi为煤炭出口量。

在煤炭系统中，要同时考虑本地煤炭的产能和运力的约束，可得式(2)—(3)。

Mi≤σi×Mei

(2)

Pij≤Peij

(3)

式中：Mei为i省本地的煤炭产能；σi为煤炭产能利用率；Pij为j地区运至i地区的煤炭量；Peij为j地区至i本地煤炭运输通道的运能。

在产销过程中的关键是煤炭运输经济性，以煤炭运输成本最小为目标建立式(4)所示目标函数。

CT=min(∑Mi×CMi+∑i∑jPij×CPij)

(4)

式中：CT为整个煤炭运输网络的运输成本；CMi为i地区单位产煤成本；CPij为j地区至i地区的单位运能成本。

基于上述分析，联合式(1)—(4)可以得到煤炭网络的优化调配模型。

在能源互联网背景下，考虑终端用能用户的能源需求，将多网络综合进行优化，在满足用户用能需求的同时可以实现供给侧能源的互补，提供能源连续供应的持久性和可靠性。

在具有N种能源、M个能源子系统，B条运输通道的能源网络中，定义能源节点关联三维矩阵A(i,k,j),i=1,2,…,M,j=1,2,…,M,k=1,2,…,N，B=max(bk),k=1,2,…,N，bk为第k种能源的运输通道总数。

(5)

式中：aikj描述第i个能源网络和第j个能源网络之间是否有第k种能源的交换，取值为-1、0、1，其具体意义详述如下。

当aikj=0时，代表i网络和j网络没有能源k的交换或没有相关能源通道；

当aikj=1时，代表i网络和j网络之间有第k种能源交换，且从j网络流入i网络；

当aikj=-1时，代表i网络和j网络之间有第k种能源交换，且从i网络流入j网络；

为计算能源运输量、运输费用、能源自给量和开采费用等，分别定义能源运输矩阵E、 单位运输成本矩阵S、 进出口矩阵I/O、 自开采矩阵D。

式中：Sk、Ek、Ik、Ok、Dk分别为第k种能源的单位运输成本矩阵、能源运输矩阵、能源进出口矩阵和能源开采矩阵；ikj、Okj、dkj(j=1,2,…,M)分别为第j个能源子系统中第k种能源的进口量、出口量和开采量。

则运输成本ZT、 运输过程中的碳排放成本ZC分别表示如下。

(7)

式中：S为单位运输成本矩阵；sikj为i地区到j地区运输第k种能源的单位运能成本；E为能源运输矩阵；eikj为从i地区到j地区运输的第k种能源量。

(8)

式中Pk为运输第k种能源的单位碳排放成本。

考虑能源运力约束，可得式(9)。

∀i、j、k,eikj≤eikjmax

(9)

式中eikjmax为i地区到j地区的第k种能源运输通道的最大运力。

综合可得能源运输模型如式(10)所示。

minZ=min(ZT+ZC)

(10)

s.t. ∀i、j、k,eikj≤eikjmax

式中Z为运输总成本。

矩阵形式的能源网络建模可以很好地描述能源网络中能源流动的特征，具有很强的拓展性，可应用于不同规模、不同层级的能源运输网络。需要注意的是，能源互联网包含多种能源的运输，不同能源的运输路径不同、方式不同，所以其模型的具体表现形式是复杂的，尤其是保证用户用能满意度情况下实现能源的互替。

3.3 能源网络评价与规划建设

能源互联网是基于能源政策和其他因素不断修正和建设的适应力强且具有可扩展性的能源网络，其建设是一个不断修正的动态过程。

图7展示了能源互联网动态变化过程。

图7 能源互联网评价和建设流程

能源互联网动态变化过程一方面是对网络进行评价，另一方面是基于评价的规划建设。根据统一能源网络模型算得整个能源系统的能流分布，对运输侧，评估运输通道利用率和应对突发事件能力；对消费侧，评估运输网络故障时的能源自给能力，基于评价结果进行分析，着重关注系统薄弱点，其中包括可能过载的通道、容易发生堵塞的通道以及用户储备不足等。文献[60]建立综合能源安全评价体系，从能源侧的能源可利用性和稳定性等角度出发评估中国30个省份的能源安全；文献[61]利用博弈交叉效率模型，将能源等作为输入变量，环境污染物和地区生产总值等作为输出变量评估省级能源效率。

4 能源终端优化利用

4.1 能量枢纽的基本模型

在终端能源利用过程中，能源枢纽[62]被广泛应用。能源枢纽可以描述输入输出之间的转换、分配关系。可以用式(11)来表示。

L=f(P)

(11)

式中：P为各种能源输入量矩阵；f(·)描述能源的传输、转化和分配过程[63]；L为经系统一系列作用之后的能源利用矩阵。

这一模型的建立并没有针对特定的系统，具有很好的扩展性，可应用于不同尺度的能源网络中。系统包含电缆等能源传导设备、电动机等能源转换设备和抽蓄电站等能源存储设备[64]。

进一步，可以将输入输出之间的复杂关系用矩阵形式描述，称之为耦合矩阵C。

(12)

式中：cij为第i种输入能源和第j种输出能源之间的耦合因子；L1，L1, … ,Ln分别为经系统传输、转化和分配后的输出量；P1,P2,…,Pm分别为对应系统不同能源的输入量。

基于此模型可做进一步分解，该模型内部可以涵盖储能、新能源和电动汽车等多种主体。已有较多文献针对含不同主体的能量枢纽进行分析建模。

4.2 基于能量枢纽的系统运行

对系统进行建模是一方面，另一方面是利用建立的模型指导系统运行，以达到成本最低或碳排放最小等目标，基本模型如式(13)所示[64]。

(13)

式中：C为描述系统的耦合矩阵；F(·)为描述能源系统成本或碳排放的函数；P为能源输入；Pmin和Pmax分别为能源输入的最小和最大值。模型的优化变量为能源输入和转换过程等，约束包括供需平衡约束和各环节的上下限约束。

不同类型的能源枢纽有不同的能源利用形式和优化目标。文献[65]考虑可再生能源发电和负荷的随机性，将能量枢纽容量设计问题分别描述为考虑机会约束和鲁棒约束的优化问题，并提出一种迭代算法进行求解。文献[66]提出一种分布式拍卖机制，用户将能源需求提交给处理中心，中心采用交替方向乘子法(ADMM)求解分布式问题进而确定方案。文献[67]建立了包含储能和电动汽车的能量枢纽模型，分析污染物交易对于运营成本的影响并提出优化调度策略。

5 市场参与下的能源互联网

制度调控和市场调节在资源配置过程中均发挥了较大的作用，“有形的手”和“无形的手”相互联系、相互补充。从1997年到2007年，市场化对经济增长年均贡献1.45个百分点[68]。市场化对于能源互联网建设有显著推动作用，关于不同行业的市场化进程也逐步推进。文献[69]基于用户参与电力和碳排放市场的环境利益，提出一种两阶段调度模型，基于零和收益数据包络分析模型设计多准则分配方案。文献[70]通过建立能源和碳排综合价格来协调传输和分配方案。文献[71]提出一种线性松弛的交流最优潮流模型，以此为基础完成电力市场的日前出清。

但同时要意识到市场化是一种从计划性向博弈性转变的过程，不是简单地取缔能源中心。由于涉及到跨区能源输送，送端系统的不确定性或通道阻塞将会导致受端系统的风险，此时系统面临的风险将传递给各用能用户。各能源系统是能源购买的决策者，通过与市场之间的交互确定找到适合自己的模式，能源流动过程中的决策者增多，必然存在利益冲突和妥协，风险进一步加大。文献[72]以云南水电市场为背景，指出其存在电价等决策因素不确定性大的问题，构建了兼顾收益与风险的发电计划模型。文献[73]通过引入阿罗-德布鲁一般均衡模型来实现机会受限随机电力市场的风险交易并得出了考虑风险的市场出清模型。

6 讨论与展望

6.1 能源结构更加优化

当前对于能源结构已经进行了初步探索和分析，结合碳排放约束的能源结构转型问题也逐渐受到关注。但能源结构变革不是一蹴而就、一步到位的，是与经济发展和社会变迁紧密联系的动态过程，是沿着节能减耗、绿色发展大方向前进的探索过程。还存在多方面问题需要深入研究。首先，中国当前确定了碳减排目标，在强约束且不对经济造成较大影响的情况下如何进行生产安排是重中之重，既要考虑各行业的承受力和变革空间，也要考虑各地区的资源属性和发展差异；其次，由于固有的能源禀赋，中国将在较长时间内依赖于国外的石油和天然气，这一局面如何尽早改变需要探讨；再有，能源互联网技术和运营模式要走在结构转型之前，要能够为宏观能源政策提供平台支撑，其中涉及到技术问题，以碳捕获、利用与封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)和新能源为代表的技术如何规划发展从而促进结构转变也需要讨论。

6.2 能源互联网的安全预警和经济运行

随着能源转型发展的不断深入，系统网架一方面变得越来越成熟，另一方面也变得越来越复杂，系统运行牵涉面越来越广，涉及从生产、传输、转化、消费各环节，运行风险进一步加大。加之多种能源的融合，以新能源为代表的多能源不确定性会在不同能源系统之间传递，进而增大系统运行风险。建设灵活、坚强、可靠、智能的能源互联网，要加大大数据分析和信息技术支撑，建立系统风险预警平台，建立健全系统应对风险挑战的应急处置机制；要加大多种能源的储备力度，打通储备和系统之间的信息通道，提升系统遭遇紧急事件时与储备能源之间的协同能力。此外，能源互联网建设绝不能以系统经济发展为代价，要探索系统经济运行的新方法、新途径，实现绿色、经济、安全协同发展。

6.3 信息技术广泛应用

能源互联网的物理系统将各主体物理连接，而信息流动使整个系统具有活力和应用价值。生产和消费两侧信息融合是能源流动的前提，信息传递是大系统安全经济运行和小系统区域自治的基础。产消侧消息汇集至能源调度中心才能进行合理的能源分配；应对突发事件时，预警信息的全网传递才能使各环节启动相应应急预案，做出合理应对，避免损失扩大。要加强“5G”等先进信息技术的利用，促进系统发展。

6.4 市场与能源互联网深度融合

能源互联网除实际物理系统和信息技术外，需要研究市场与能源互联网的融合过程。市场是促进能源互联网不断发展的关键因素，是激发市场主体活力的驱动因素。能源互联网是多主体、多能源系统共同参与的，市场化下的能源交易将使得系统迎来更多的机会和挑战。要考虑能源价格、能源需求、能源用能行为等因素，探索新的商业运营模式。现阶段关于电力市场、天然气市场、碳排放市场等已有一定的研究，但在能源互联网背景下探索综合能源市场还比较少。

6.5 提升能效和绿色用能纵深推进

要引导用能终端探索能源互替新途径，发展节能减排新技术。通过需求侧响应等手段引导用户改变用能习惯，顺应能源供应侧变化。通过市场机制引导用户选择新能源电力等绿色能源，在用能舒适度不发生较大变化的前提下选择更加清洁的能源。大力发展CCUS技术，推进节能减排和碳捕集两环节共同发力。

7 结语

随着经济增长、能源消费和环境恶化之间的矛盾日益凸显，世界各国都在积极探索新发展路径，允许能源互济、融合新能源和其他先进技术的能源互联网为此提供了平台。本文以中国能源消费结构、碳排放和能源安全形势为出发点，介绍了当前中国在这几方面存在的问题。基于此，回答了为什么要建设能源互联网、建成什么样的能源互联网以及如何建设这样的能源互联网这3个问题。针对如何建设能源互联网，本文将其分为3个层次，分别为能源结构转型、区间能源流动和区域能源优化，并综述了相关研究方法。讨论了市场参与能源互联网建设的优势，展望了能源互联网建设过程中可能会进一步发展的方向，并提出一些针对性的看法和建议。

目前对于各方面的研究相对比较独立，从本文视角描述和分析能源互联网的研究成果还比较少，希望本文能为能源互联网相关研究提供参考。