摘要：以深入融合可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)，是未來(lái)能源行業(yè)發(fā)展的方向。歸納并提出了能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃理念和方法，結(jié)合廣東省某高新產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃案例，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎(chǔ)層規(guī)劃作簡(jiǎn)要分析。將能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃理念和方法應(yīng)用在物理基礎(chǔ)層規(guī)劃中，可提高能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等方面的效益，對(duì)能源系統(tǒng)頂層規(guī)劃、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、運(yùn)行等具有重要意義。
關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng) 物理基礎(chǔ)層 規(guī)劃 案例分析
作者：黃學(xué)勁,黃文瑞,延星,王磊,馬君華,王康
引言
隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口持續(xù)增加、人民生活水平不斷提高，傳統(tǒng)化石能源的逐漸枯竭以及能源消費(fèi)引起的環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。世界各國(guó)都在積極開(kāi)展能源的綜合利用，探索能源的運(yùn)營(yíng)管理模式和市場(chǎng)交易機(jī)制。以深入融合可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)能源清潔低碳替代和高效可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。
能源互聯(lián)網(wǎng)是一種互聯(lián)網(wǎng)理念、技術(shù)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)以及能源市場(chǎng)深度融合的新型生態(tài)化能源系統(tǒng)，通過(guò)多種能源協(xié)同、供給與消費(fèi)協(xié)同、集中式與分布式協(xié)同、大眾廣泛參與，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流、能量流、信息流、業(yè)務(wù)流、資金流、價(jià)值流的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享發(fā)展[1]。
德國(guó)、美國(guó)、日本、丹麥等國(guó)家正在通過(guò)能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建創(chuàng)新解決方案，滿足未來(lái)以分布式能源供應(yīng)為特點(diǎn)的電力系統(tǒng)的需求，實(shí)現(xiàn)可再生能源高比例接入，減少化石能源消耗。中國(guó)從2015年至今先后出臺(tái)了《國(guó)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《國(guó)家能源局關(guān)于組織實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源（能源互聯(lián)網(wǎng)）示范項(xiàng)目的通知》、《國(guó)家能源局關(guān)于公布首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源（能源互聯(lián)網(wǎng)）示范項(xiàng)目的通知》等一系列能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策、文件，為能源發(fā)展指明了方向。
能源互聯(lián)網(wǎng)按架構(gòu)可分為3個(gè)層級(jí)：物理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、信息數(shù)據(jù)平臺(tái)和價(jià)值實(shí)現(xiàn)平臺(tái)[1]。其中，物理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是涵蓋能源生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換等不同環(huán)節(jié)以及冷、熱、電、氣等多種能源的能源設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，是能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[2-4]。本文在前期積累和總結(jié)大量能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目案例的基礎(chǔ)上，歸納并提出了能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃理念和方法，并結(jié)合廣東省某高新產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃案例（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃案例》），對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎(chǔ)層規(guī)劃作深入分析。案例表明，將能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃理念和方法應(yīng)用在物理基礎(chǔ)層規(guī)劃中，可進(jìn)一步提高能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等方面的效益。
1 能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃理念和方法
能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃可概括為：在一個(gè)限定的地理區(qū)域和規(guī)劃周期內(nèi)，滿足用戶冷、熱、電、氣等多種用能需求，確定各能源資源的優(yōu)化配置、各能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)類型和容量組合以及各能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的布局，使得系統(tǒng)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、能效、環(huán)境效益等多目標(biāo)下達(dá)到最優(yōu)[1]。
與傳統(tǒng)能源規(guī)劃方案相比，能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃方案具有以下特點(diǎn)。
（1）頂層設(shè)計(jì)。從能源系統(tǒng)頂層優(yōu)化匹配需求和資源，避免負(fù)荷重復(fù)計(jì)算、占地沖突、能源結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題。
（2）綠色高效。最大限度地利用可再生能源，同時(shí)滿足終端用戶的冷、熱、電多種能源需求，通過(guò)能源梯級(jí)利用和協(xié)調(diào)運(yùn)行，具有更高的可靠性和能源利用效率以及更低的用能成本。
（3）動(dòng)態(tài)彈性。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同類型綜合能源站，并根據(jù)外部因素和實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行更新和修編，提高了規(guī)劃方案在項(xiàng)目初期對(duì)各種不確定因素的適應(yīng)性。
為解決在各種能源交互影響和約束條件下能源供應(yīng)與需求的匹配優(yōu)化問(wèn)題，本文提出動(dòng)態(tài)彈性規(guī)劃理念和全要素設(shè)計(jì)方法。
動(dòng)態(tài)彈性規(guī)劃理念是在資源條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件、負(fù)荷需求等不確定的情況下，使規(guī)劃方案具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。例如，將項(xiàng)目中可能出現(xiàn)的大量應(yīng)用場(chǎng)景，歸納為幾種典型應(yīng)用場(chǎng)景，并設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的綜合能源站，提高規(guī)劃方案對(duì)實(shí)際場(chǎng)景發(fā)生變化時(shí)的適應(yīng)性；同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目分期開(kāi)發(fā)建設(shè)進(jìn)度，及時(shí)更新典型應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)規(guī)劃方案滾動(dòng)修編，緊跟項(xiàng)目建設(shè)發(fā)展的需求，進(jìn)一步提高規(guī)劃方案的適應(yīng)性。
全要素設(shè)計(jì)方法是將不同能源之間統(tǒng)籌考慮、能源的各個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮，避免不同能源之間由于耦合關(guān)系造成的用能需求分析不準(zhǔn)確、不同能源設(shè)施不匹配等問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-人”全要素覆蓋。例如，用戶的用冷/熱需求與用電需求存在耦合關(guān)系，不同的供冷、供熱方案對(duì)應(yīng)不同的電負(fù)荷，從而影響供電方案；先將用戶的用冷/熱需求與用電需求解耦，再根據(jù)不同的供冷、供熱方案修正用電需求，最終得到更準(zhǔn)確的電負(fù)荷和負(fù)荷曲線，從而達(dá)到優(yōu)化供電設(shè)施容量的目的。
2 能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎(chǔ)層規(guī)劃案例分析
能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎(chǔ)層規(guī)劃主要包括調(diào)研收資、需求分析、資源和基礎(chǔ)設(shè)施條件分析、規(guī)劃方案設(shè)計(jì)、方案評(píng)估5部分。
2.1 調(diào)研收資
調(diào)研收資包括項(xiàng)目的基本情況、用能需求、資源和基礎(chǔ)設(shè)施條件、邊界條件、能源交易等外部信息。其中，城市級(jí)的能源互聯(lián)網(wǎng)方案，收資側(cè)重于城市未來(lái)發(fā)展的定位、能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃、本地可再生能源消納等；園區(qū)級(jí)的能源互聯(lián)網(wǎng)方案，收資側(cè)重于園區(qū)的用地規(guī)劃、不同類型用戶的需求、重要負(fù)荷和大用戶的供能保障等；企業(yè)級(jí)的能源互聯(lián)網(wǎng)方案，收資側(cè)重于企業(yè)的用能場(chǎng)景、負(fù)荷特性、發(fā)展規(guī)劃等。
《規(guī)劃案例》中的廣東省某高新產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)為國(guó)家級(jí)高新區(qū)，規(guī)劃面積約59 km2（水域面積9 km2），其發(fā)展定位為：全球性科技園區(qū)、國(guó)家科創(chuàng)策源地、生態(tài)文明示范城區(qū)。對(duì)于園區(qū)級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的收資應(yīng)包含以下內(nèi)容：（1）基本情況，如社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況、城市總體規(guī)劃、區(qū)域控制性詳細(xì)規(guī)劃、能源發(fā)展規(guī)劃等；（2）用能需求，如用電現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)、用熱（供暖/熱水/蒸汽）現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)、用冷現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)、重要負(fù)荷和大用戶、電動(dòng)汽車充電設(shè)施現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)等；（3）資源條件，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉凑{(diào)研報(bào)告等；（4）基礎(chǔ)設(shè)施條件，如電源現(xiàn)狀及規(guī)劃、變電站現(xiàn)狀及規(guī)劃、輸配電線路現(xiàn)狀及規(guī)劃、熱源/換熱站/供熱管網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃、氣源/調(diào)壓站/天然氣管網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃、水資源綜合利用及廢水處理情況等；（5）邊界條件，如用能價(jià)格、新能源發(fā)電上網(wǎng)價(jià)格、新能源發(fā)電的相關(guān)政策及補(bǔ)貼等；（6）能源交易，如參與主體、用戶種類/數(shù)量、能源交易模式等。
根據(jù)調(diào)研收資結(jié)果，園區(qū)總體用能現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)如表1所示。
2.2 需求分析
用能的種類、數(shù)量和對(duì)象，直接決定能源設(shè)施的組成以及對(duì)一次能源的需求。
用能的種類包括電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷等，其中熱負(fù)荷又可分為供暖負(fù)荷、熱水負(fù)荷和蒸汽負(fù)荷。對(duì)于已建成的城市、園區(qū)或在運(yùn)營(yíng)的企業(yè)，可通過(guò)該區(qū)域的年鑒、能源規(guī)劃（或電力、供熱專項(xiàng)規(guī)劃等）、企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃得到具體的用能需求，也可根據(jù)該區(qū)域能耗的歷史數(shù)據(jù)建立適合的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合。對(duì)城市、園區(qū)的電負(fù)荷預(yù)測(cè)常采用彈性系數(shù)法、產(chǎn)值單耗法、人均能耗法、擬合分析法等；對(duì)冷、熱負(fù)荷預(yù)測(cè)常采用負(fù)荷密度法。對(duì)于未建成的區(qū)域，常采用負(fù)荷密度法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)。冷、熱、電負(fù)荷指標(biāo)受地域、建筑物節(jié)能水平、建筑能耗等級(jí)等因素影響而不同，文獻(xiàn)[5-7]是負(fù)荷密度法常用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。確定負(fù)荷后，根據(jù)不同的用能對(duì)象，如居民、商業(yè)、工業(yè)、公共服務(wù)業(yè)以及復(fù)合對(duì)象等繪制相應(yīng)的典型日負(fù)荷曲線。
《規(guī)劃案例》結(jié)合園區(qū)的特點(diǎn)、負(fù)荷現(xiàn)狀及規(guī)劃，選擇若干處具有代表性、可實(shí)施性的區(qū)域作為需求分析的重點(diǎn)。對(duì)現(xiàn)有用戶的需求分析以實(shí)地調(diào)研收資為主；對(duì)未能收資的用戶及規(guī)劃用地，采用負(fù)荷密度法進(jìn)行冷、熱、電負(fù)荷預(yù)測(cè)。以園區(qū)東部某高科技園為例，該區(qū)域?yàn)槲唇ǔ蓞^(qū)域，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有2家生物技術(shù)企業(yè)和部分規(guī)劃地塊，其各類能源需求分析及預(yù)測(cè)如表2所示。
2.3 資源和基礎(chǔ)設(shè)施條件分析
通過(guò)收集氣象報(bào)告、地勘報(bào)告、可再生能源專項(xiàng)報(bào)告等，確定適用于當(dāng)?shù)刭Y源稟賦的供能手段[8-9]，并繪制出可再生能源典型日的功率曲線，最大限度接入和消納當(dāng)?shù)乜稍偕茉?，減少化石能源消耗。
利用現(xiàn)狀電源、熱源、氣源、變電站、換熱站、調(diào)壓站和配套的管網(wǎng)、線路等，參與功率和能量平衡，以減少新建基礎(chǔ)設(shè)施的配置和規(guī)模；同時(shí)根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)對(duì)于能源和負(fù)荷的接入能力，校驗(yàn)規(guī)劃方案的合理性。
根據(jù)前期調(diào)研，園區(qū)可安裝光伏組件的屋頂面積為170萬(wàn)m2，預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期可達(dá)286萬(wàn)m2。計(jì)算得到園區(qū)屋頂光伏裝機(jī)容量約190.4 MW，年發(fā)電量約1.73億kW·h；遠(yuǎn)期屋頂光伏裝機(jī)容量約320.3 MW，年發(fā)電量約2.90億kW·h[10]。鑒于資源條件、水源保護(hù)等原因，暫未考慮其他可再生能源的利用。
園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有220 kV變電站1座、110 kV變電站5座，總?cè)萘繛?67 MV·A，其中3座變電站主變負(fù)載率小于25%，10 kV出線間隔有較大余量；規(guī)劃110 kV變電站1座，具備電網(wǎng)接入條件。園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有天然氣調(diào)壓站1座，該調(diào)壓站將市域高壓管道天然氣（4.0 MPa）調(diào)至中壓（0.4 MPa）送入?yún)^(qū)內(nèi)燃?xì)馐姓袎汗芫W(wǎng)，供氣量為4.5萬(wàn)m3/h，居民、工商用戶日用氣量約5.8萬(wàn)m3，具備天然氣分布式三聯(lián)供供氣條件。園區(qū)內(nèi)未設(shè)集中供冷、供熱換熱站及管網(wǎng)，根據(jù)工程需要后期建設(shè)。
