王尘宇

GEDI ｜ 南方能源建立

关于能源互联网条理架构的思虑

华贲

（华南理工大学 天然气操纵研究中心）

摘要：能源操纵系统包罗一次能源通过载能介量的转换传输最末在工业、建筑物、交通运输三个范畴以电、热和运输驱动力三种体例得以末端操纵，是能源操纵全过程的遍及规律。将来以可再生能源为主时代，能源互联网EI以智能电网、智能天然气管网为骨架，联合万万个根本单位—散布式供能系统DES，在高、低端储能辅助下实现高效转换和供需平衡。EI中的所有收集和单位都须先了了其物理架构、流构造和功用条理构造等，才气成立表示为计算机软件的模子，并借助于互联网、大数据、云计算和人工智能实现规划、调度、办理和交易的优化，实现实时平衡和平安保障。

关键词：能源互联网；智能电网；散布式供能；条理架构；系统建模优化

引言

近年来关于互联网+聪慧能源即能源互联网 建模优化的研究很活泼。能源互联网的内涵到底是什么？能源互联网与智能电网之间的关系若何？能源互联网联的根本单位是所有用户吗？越来越多的能源互联互通、即插即用、多能互补、多能协同，甚至全球能源互联网等概念的严谨涵义是什么？迄今均缺乏科学的共识。关于能源互联网如许复杂的大系统的建模优化，为了制止停留在笼统描述上或以偏盖全，需要起首廓清基于物理模子和条理架构而界定的拓扑构造。本文是基于做者40年来对工业和建筑物优化用能的研究和大量工程理论，从能源操纵全过程和详细规律的角度对上述问题和能源互联网条理架构的切磋和瞻望，以期与业界同业商讨，为深切建模和优化研究奠立科学根底。

一、能源操纵大系统的构成和表述

在2000—2005年完成的973项目高效节能的关键科学问题关于能量系统集成建模优化的研究中认识到：要想为极其复杂的大系统的模仿优化而成立可以通过软件运行而实现的模子，需要起首成立物理模子、功用条理模子和流构造模子（包罗物量流、能量流、信息流、工件流、资金流和人件流）。对差别类型的系统，偏重点各有差别［1-4］。

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能源操纵全过程的能流构造和能源互联网在此中的地位

关于能源操纵大系统，能流构造模子与物理模子的拓扑构造大致类似，但细部和参数差别。现代能源操纵系统由一次能源经由载能介量的转换传输、末端操纵和能量收受接管三个子系统或环节构成。过程工业和建筑物的能量流模子的成立和用能优化的三环节理论办法，已用于数百个现实工程项目中［5-10］。现代社会能源的末端操纵分为工业、建筑物、交通运输三个范畴。正处于工业化阶段的中国工业用能约占60%，建筑物不到30%，交通10%多一点；将来则与目前OECD国度（世界）的比率趋同，即三者各约占1/3摆布［11］。图1 给出了根据那个理论画出的能源操纵大系统的能流概念图。由图能够看出，能源互联网其实是能源操纵大系统的一部门，即转换传输子系统。

图1 能源操纵大系统的能流概念图

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能源系统的功用条理构造举例：智能电网

所谓功用条理构造是过程系统模仿优化研究中开发成立的复杂系统手艺和办理两个侧面现实运行中由差别时间标准所构成的三个条理的构造，详见文献［12-14］。关于能源互联网系统中更大的子系统——智能电网，根据那个概念画出的的功用条理模子概念图如图2所示。

图2 智能电网的功用条理模子概念图

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关于能源操纵系统集成建模战略的思虑

在研究极其复杂的过程工业能量系统时发现，不只各环节、并且各个设备的优化目的、决策变量和关键参数之间大大都其实不存在规律性的联系关系。成立包办全系统的一揽子纯数学模子停止全局模仿优化是不成能的；或者会简化到底子没有现实意义。上述三环节理论办法次要的胜利战略和经历是，别离根据三个环节和每个环节中的各个单位设备，逐级实行合成协调优化。固然能源互联网的空间范畴和体量大得多，但却只局限于能量转换和传输环节。上述复杂系统的建模战略和优化战略办法和思绪应有借鉴意义［15-16］。

二、将来可再生能源和互联网时代能源系统的变革趋向

天气变革和可持续开展所决定的将来能源操纵系统是什么样子？绝不单单是一次能源以可再生能源为主如许简单。从社会开展规律和迄今可以瞻望的科技停顿来看，应当有以下几个方面。

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末端用能范畴和用能形式的走势

将来在工、建、交三个末端用能范畴的能源操纵形式仍能够归纳为电、热（包罗冷、暖、蒸汽）、运输驱动力三种，但占比略有变革。在冶金、化工、医药、食物等过程工业，电/热比大约为2/8，热包罗高、中温工业炉、蒸汽和冷。在机械、电子、轻工等离散造造业，电/热比大约为8/2，热次要为厂房供冷暖。建筑物耗电、冷暖和热水，电/热比将由目前1.5/8.5转向将来3/7［11］。将来交通末端用能的运输驱动力可能变局是：乘用小车可能由EV（蓄电池）和HFCV（氢燃料电池）替代汽油，大型运输车、船、飞机可能由LNG、部门蓄电池或核燃料替代柴油和航煤。将来可再生能源为主的时代包罗三个范畴的三种末端用能形式散布大致是：电力（包罗蓄电驱动运输）占一半，非电运输驱动力(氢气、LNG、核能)约占一成多，其余的3成多为冷、暖、热、蒸汽等［17-19］。

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将来一次能源构成的走势阐发

将来各类可再生能源占比和增速由其科技打破构成的经济合作力所决定。本世纪中后期，太阳能热发电、地热、生物量等可通过热力轮回基于热电联产（Combined Heat and Power，CHP）和散布式冷热电联供（Distributed Energy System / Combined Cooling, Heating and Power, DES/CCHP）高效操纵的可能近半。水力、风、光伏、潮汐等间接发电操纵的稍过半［20］。化石能源中的煤和石油将逐渐退出能源范畴而被用做有机化工原料。天然气则会持久构成一次能源和载能介量的重要部门。理由有四：一是经济性；等热值天然气的碳排放是煤的59%，加上DES/CCHP系统能效加倍的因素，碳排放可比煤削减70%；即便通过CCS消弭碳脚印，关于耗热量大的工业等用户也将具有经济合作力；二是LNG将持久做为大型运输东西燃料的重要部门，三是做为除电之外的第二大载能介量，天然气（甲烷）可由生物量消费，并可藉电/气转换成为系统调峰贮存的路子；四是包罗水合物、页岩气等的天然气资本极其丰硕并有经济合作力。估计本世纪中后期天然气仍将占一次能源的近二成［21-22］。

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能源转换传输（供能）系统将来分离仍是集中的走势

汗青上陪伴着工业化的停顿，能源转换传输系统是从小到大、从分离到集中的。陪伴着第三次工业革命，也将由集中走向分离。理由有二，一是占末端需求三成多的冷暖热汽是分离的并且经济输送间隔有限，为高效用能而将普及的DES/CCHP一定是散布式的。二是大部门可再生能源是低空间能量密度的。科技前进会使散布式发电成本越来越低，绝大大都处所都将能够当场取用而满足需要［23］。当然也能够操纵偏僻、荒漠地域大面积风、光和水力资本大规模集中发电做为弥补，若是加上输变电投资折旧和损耗成本仍有合作力的话［23-24］。

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决定能源系统的三个判据：能效、碳减排和经济性

能源科技前进的第一潜力是进步能效。热力学规律决定的科学用能原理是高能高用、低能低用，温度对口、梯级操纵。迄今在能源转换子系统的表现就是CHP和DES/CCHP，是使能源操纵效率由50%摆布进步到80%以上的关键。丹麦CHP/CCHP发电已占50%以上，使全国能源操纵效率已达70%［25］。将来可再生能源为主时代，针对差别末端需求的用户接纳什么样的一次能源、系统构造和参数实现DES优化，必需同时以上述三个判据为目的。

三、将来能源互联网EI的条理架构

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为什么说 DES/CCHP子系统是EI的根本单位

目前的集中发电、冷热蒸汽分产分用形式能效很低。根据上述走向分离的趋向和能效、碳减排和经济性三个目的，将来势必遍及接纳DES/CCHP的能源末端供给系统。针对差别类用户DES可分为两类。

大型或区域型DES/CCHP适应于工业园区和包罗贸易、公共设备建筑和室第的大型社区，按经济输送间隔的限造其范畴更大几十平方公里。拆机容量从几十兆瓦级到百兆瓦级。当前一次能源以天然气为主，将来还有太阳能热发电、地热、干热岩、四代小型核电等。与集中供暖和区域供冷相连系，并与区域能源相得益彰［26-27］。小型DES用于独立的工场、病院、学校、商厦、酒店等。一次能源包罗太阳能、天然气、地热、生物量能、潮汐能、海洋能，风能等等。拆机容量从小于1 MW到 10 MW级。光伏等为主的小DES没有基于热力轮回的CCHP；可用热泵或太阳能光热等体例造冷、热，如图3所示。

图3 以可再生能源为次要一次能源的、带储能的小型DES/CCHP示企图

无论大小DES，除了根据图2所表述的手艺和办理6个方面的运做外，还有两个个要点。一是需设立冷热电汽等各类面向用户的低端储能设备做为市场机造的辅助行动，保障供需平衡。二是与冷暖热汽等内部输配管网差别，必需构建与外电网SG双向联通的智能微电网（Smart Micro Grid, SMG）。那既是DES内部电力供需实时平衡的需要，也是协同大电网SG调峰的需要。进步能效的约束将使将来万万个大小DES/CCHP逐渐笼盖大部门工业、建筑物末端供能。少数未能笼盖的末端用户仍可由电网和天然气管网供电和燃料气，用太阳能或热泵自产/供冷暖热电汽。美国能源部规划2020年到达发电量的29%。正在工业化和城镇化的中国同步建立DES/CCHP是弯道超车的汗青机遇。世界末端供能向高效、散布式DES/CCHP演化是与一次能源低碳化齐头并进的两个彼此共同的汗青历程［29］。

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智能电网 Smart Grid, SG是EI的核心架构

电网智能化是大趋向。将来将有对折以上电力由DES产生并向用户曲供，但还会有集中风光发电和大型水电通过大电网输配；以及面向SG的调峰气电和抽水蓄能等等高端储能设备。SG次要功用将是藉下列四种手段成为所有电力的集散、交易的平台和智能控造中枢，和保障电力实时供需平衡。

1）上述带储电的DES在分时电价下为逃求更大经济效益而通过微电网SMG在向SG售电仍是用电两种形式之间切换的行为，是摆布供需平衡的次要手段。那已被德国目前的理论所证明。包罗在2015年日全食期间光伏发电快速启停招致电网负荷猛烈变更的平稳渡过；很少报酬的调度和干涉［30］。

2）除了24 h/d持续运行的过程工业之外的大部门区域型DES/CCHP发电主机一般在白日运行16 h/d、夜间24:00—08:00停机；夜间需要用电和造冷时接纳低谷网电，那使它们成为协同电网双向日夜调峰的主力。

3）借助于上述各类高端储能设备和快速启停的气电，包罗天然气、生物量造气，和用充裕的电造气。那可使电网与天然气管网之间彼此协同。

4）与本区域EI之外临近的EI/SG的分时段电力互换。例如丹麦与德国和挪威、瑞典电网的互联次要是以随机性强的风电换取可调控的非径流水电等。对外输电才能6.28 GW的丹麦，2012年受入电量12.866 TWh，送出电量11.413 TWh，净进口电量仅为1.453 TWh，仅占全国总耗电量的4.3%［31］。

因而，SG是实现电力实时供需平衡的物理平台，和整个EI优化运行的核心骨架。主管那个SG的机构将不是一个以盈利为目标垄断公司，而是一个实现社会功用的半政府机构。它还肩负规划SG的开展，监管输变电公司投资运营，全局的调度以及告急情况下的处置等严重职责。

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天然气管网和LNG及氢物联网

前已述及天然气是除了电力之外的第二大载能介量和末端燃料，来源丰硕多样。通过一个全局性收集供应所有DES/CCHP和工业、建筑物末端用户的智能天然气管网Smart Gas Grid，SGG是仅次于SG的EI的骨架和中枢［32］。美国和欧洲已有数十万公里，中国也已近十万公里；智能化是大势所趋。替代中间馏份燃料用做大型车船燃料的LNG物联网，将逐步成为供给万万个加注站和城市燃气调峰站的与SGG双管齐下的EI骨架。北欧国度目前已有数百亿m3/a生物量造天然气用于公共交通。中国已是世界LNG车船最多的国度，并将引领那一世界性潮水、创建便利和经济的LNG物联网［33］。此外，氢气燃料电池汽车很有可能占据乘用车市场的残山剩水。分离的造氢设备和成千上万氢燃料的加注站可能要求构成部分的氢气输送管网和瓶拆氢物联网(SHG)。

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能源互联网EI的物理架构和建模优化

估计到本世纪中后期EI的物理架构如图4所示。白色方框暗示相对集中的能源转换子系统。SG、SGG两个收集只要传输、没有转换的功用。大小DES/CCHP是EI的根本供能单位，既有转换、也有传输功用。所谓多能互补、多能协同的次要科学含义就是各类一次能源在DES子系统中通过CCHP或者热泵等等路子高效满足冷热电汽等各类末端用能需求。而各类一次能源集中发电、协同SG连结实时平衡则应是间接的、第二位的。图4中线条和箭头暗示能传播输及其标的目的；红色暗示集中、蓝色线暗示分离。图中的每一个单位框、每一条联合线都代表特定能量转换或传输过程，有明白的物理内涵；都必需通过上述分步调的建模、模仿和优化来规划建立、调度办理和控造，以到达效率更高、碳排放起码、经济效益更好的目的。整个EI的建模优化，能够通过逐级合成协调来实现。每一个DES/CCHP及其内部的供电、供热等子系统，曲到各个辅助集中发电的主机组都能够逐级合成协调建模优化。同样，高、低端储能子系统，集中发电设备以及SG、SGG根本骨架也都能够别离建模优化。在此根底上的全局优化是以SG为核心的。出格是电力的实时平衡，必需成立在图2中SG在控造和办理层面的优化、和其余子系统实时优化大数据的根底上。能源互联网的建模优化研究开发是能够并且应该与建立的同时稳步推进的。

图4 估计本世纪中后期能源互联网的物理架构

做为EI根本单位的大、小散布式冷热电联供子系统DES/CCHP——智能微电网SMG的物理架构和能流构造，及其合成协调优化战略的初步研究，已在另文给出。万万个DES/SMG根本上笼盖了图4右半部门供给所有末端用能和对折以上电力的EI的建模优化［32］，如图5所示。每个EI笼盖的范畴由其所在的行政/经济区域详细的能源情况决定。在可再生能源当场散布式操纵为主的将来，借鉴OECD国度的经历，在我国大致上能够一个城市集群经济带或一个省（曲辖市）范畴为宜。互联互通起首是电力在一个EI内SG 与各个DES之间、其次是差别的SG之间的双向活动，借以实现资本的优化设置装备摆设。图6是欧洲可再生能源通过电网连接概念图。全球能源互联网应是那一概念的引伸。

图5 可再生能源时代散布式供能系统建模优化能流逻辑思维图（做者手稿）

图6 欧洲连接可再生能源的电网概念图

四、关于名词术语的讨论

借助于互联网、云计算、大数据以及人工智能而实现的手艺和办理两类操做功用，付与了能源互联网EI相当水平的智能Intelligence。在各类外部前提和内部需求的变革下实现全局层面上的更高效率的规划、运行和实时控造，其实不断吸收最新的科技功效停止自我更新和开展。所以可以称为基于互联网的聪慧能源收集， 简称为聪慧能源收集Intelligent Energy Network, IEN。或互联网+聪慧能源或能源互联网。Energy Internet似有把能流和信息流混淆之嫌，不敷严密。但英文造新词也是简单为上，既然Internet of Things译成物联网，把Energy Internet 译成能源互联网也未尝不成。

参考文献略，详见《南方能源建立》2017年第4卷第4期原文。

华贲

⏬ 本文做者：

华贲（1937），男，辽宁沈阳人，传授，次要处置能源系统工程研究和工程开发，包罗能量系统优化、天然气操纵，散布式冷热电联供区域能源系统、低碳能源战略等（e-mail）cehuaben@scut.edu.cn。

编纂发布：《南方能源建立》编纂部 郑文棠

期刊网站：http://energy.gedi.com.cn/

引用格局：华贲. 关于能源互联网条理架构的思虑 [J]. 南方能源建立，2017, 4(4): 1-7.（HUA Ben. Cogitating About the Hierarchy of Energy Internet [J]. Southern Energy Construction, 2017, 4(4): 1-7.）

本文已被《南方能源建立》2017年第4卷第4期特约专稿栏目收录，未经允许不得擅改、套用或已其他体例利用，转载文章请联络告知并标明出处。《南方能源建立》（CN44-1715/TK，ISSN2095-8676）为南方电网传媒有限公司主管，中国能源建立集团广东省电力设想研究院有限公司主办的能源行业科技期刊，2014年12月创刊，目前为全国电力优良期刊、广东省特色科技期刊、中国核心期刊（遴选）数据库收录期刊、国度科技学术期刊开放平台收录期刊。

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