摘要：以智慧能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)已成為國家“十三五”能源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。多能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的物理基礎(chǔ)。文中首先介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)與多能源系統(tǒng)的基本概念，在此基礎(chǔ)上從能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值實(shí)現(xiàn)的角度闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃優(yōu)化及商業(yè)模式構(gòu)建的思路。最后，以山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)為實(shí)例，對(duì)太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景、潛在價(jià)值、關(guān)鍵問題和難點(diǎn)幾個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞 : 能源互聯(lián)網(wǎng);多能源系統(tǒng);協(xié)同規(guī)劃;商業(yè)模式;綜合需求響應(yīng)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目(51620105007);山西電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)(運(yùn)營模式)研究與示范應(yīng)用”。

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)已成為人類發(fā)展獲取信息的主要基礎(chǔ)設(shè)施，基于互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新層出不窮，李克強(qiáng)總理在2015年工作總體部署中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”，并期待基于互聯(lián)網(wǎng)我國能創(chuàng)造出更多的新技術(shù)、新模式[1]。作為支撐人類文明發(fā)展的另一種基礎(chǔ)元素—能源，其發(fā)展相對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)而言，在靈活性、開放性、可擴(kuò)展性等方面都制約了相關(guān)創(chuàng)新活動(dòng)的開展，轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、創(chuàng)新能源消費(fèi)等都是能源領(lǐng)域改革面臨的巨大挑戰(zhàn)。以可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合為手段的能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)成為國家“十三五”能源領(lǐng)域戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)智能電網(wǎng)方向的重大工程[2]。

能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)思維與理念構(gòu)建的新型信息—能源融合“廣域網(wǎng)”，它以大電網(wǎng)為“主干網(wǎng)”，以微網(wǎng)、分布式能源等能量自治單元為“局域網(wǎng)”，以開放的信息—能源一體化架構(gòu)最大限度地適應(yīng)分布式可再生能源的接入，真正實(shí)現(xiàn)自底向上的能量對(duì)等分享[3]。在關(guān)鍵技術(shù)突破方面，能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)現(xiàn)有能源技術(shù)提出了更高要求，并提供了能量路由器、儲(chǔ)能、分布式發(fā)電、柔性交/直流輸電技術(shù)、電力電子技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)[4]等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的綜合應(yīng)用平臺(tái)。在社會(huì)影響方面，能源互聯(lián)網(wǎng)將推動(dòng)能源供給體系的變革，推動(dòng)能源技術(shù)革命，促進(jìn)電力體制改革，支撐社會(huì)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，創(chuàng)新商業(yè)模式、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、形成新增長點(diǎn)。

能源互聯(lián)網(wǎng)在縱向可以劃分為三層，從低層至頂層依次為物理層、信息層和商業(yè)模式層，如圖1所示。能源互聯(lián)網(wǎng)通過信息能量深度耦合以及多能源系統(tǒng)的廣泛集成，能夠?qū)崿F(xiàn)電能、冷、熱能的高效生產(chǎn)、靈活控制以及智能利用，促進(jìn)可再生能源的大幅接入，實(shí)現(xiàn)開放、靈活互動(dòng)的電能交易形式，能夠深入挖掘用戶需求響應(yīng)潛力，最終整體提高終端能源的使用效率，降低能源生產(chǎn)成本，減少全社會(huì)碳排放量[5]。從能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商的角度而言，通過靈活控制區(qū)內(nèi)能量生產(chǎn)環(huán)節(jié)、降低傳輸環(huán)節(jié)能耗、增強(qiáng)能源供應(yīng)可靠性，利用價(jià)格信號(hào)充分協(xié)調(diào)不同時(shí)間、空間以及能源形式的使用，大幅度提高終端能源生產(chǎn)與利用效率，從而創(chuàng)造額外的商業(yè)價(jià)值;對(duì)用戶而言，能夠通過合理安排能源利用，降低能源使用費(fèi)用，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本;從能源互聯(lián)網(wǎng)投資商的角度，通過投資能源互聯(lián)網(wǎng)中新能源發(fā)電、冷熱電聯(lián)供、先進(jìn)信息以及控制技術(shù)，降低了多能源系統(tǒng)的運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)了充分的收資回報(bào)。

我國已經(jīng)開始啟動(dòng)城市級(jí)/園區(qū)級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。為落實(shí)《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2016〕392號(hào))[6]、《國家能源局關(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》(國能科技〔2016〕200號(hào))[7]等有關(guān)要求，國家能源局在2017年6月底公布了首批55個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目[8]，其中城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范項(xiàng)目12個(gè)、園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范項(xiàng)目12個(gè)、其他及跨地區(qū)多能協(xié)同示范項(xiàng)目5個(gè)。多能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃是這些示范工程面臨的首要問題。

集成電、氣、熱、冷等不同形式能源的多能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)。多能源系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃能夠有效地考慮各個(gè)能源系統(tǒng)之間的互補(bǔ)和耦合關(guān)系，彌補(bǔ)原來各個(gè)能源系統(tǒng)分開單獨(dú)規(guī)劃的不足。然而目前，我國的電力、熱力、燃?xì)獾饶茉聪到y(tǒng)均處于各自分立管理、單獨(dú)規(guī)劃的狀態(tài)。另外，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)、電熱泵、吸收式制冷機(jī)等分布式能源技術(shù)的發(fā)展，不同形式的能源在生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)的耦合關(guān)系越來越復(fù)雜、耦合作用越來越強(qiáng)，這也在客觀上迫使業(yè)界對(duì)多能源系統(tǒng)展開研究[9-11]。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)—多能源系統(tǒng)

廣義的多能源系統(tǒng)(Multiple Energy Systems，MES)是指煤炭、天然氣、石油、核能、水能、風(fēng)能、太陽能等多種形式能源的開發(fā)、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)備、運(yùn)輸、調(diào)度、控制、管理、使用等環(huán)節(jié)所組成的大系統(tǒng)。多能源系統(tǒng)將所有一次能源通過多個(gè)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化與傳輸，最終以電、熱/冷、燃料等形式為人類生產(chǎn)與生活提供動(dòng)力[12]。圖2給出的是一個(gè)典型的面向可再生能源消納的多能源系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖。

電力、熱力、燃?xì)獾榷嗄茉聪到y(tǒng)進(jìn)行融合與協(xié)同優(yōu)化，充分考慮各能源系統(tǒng)的互補(bǔ)特性，對(duì)于提升能源利用效率，降低能源開發(fā)與利用對(duì)環(huán)境的影響，促進(jìn)可再生能源消納具有重要意義。在多種能源形式中，電能是應(yīng)用最廣泛的能源形式，電力系統(tǒng)是智能化程度最高的能源系統(tǒng)，同時(shí)承擔(dān)著利用水能、風(fēng)能以及太陽能的任務(wù)。為此，以電力為核心，以能源高效清潔利用為目標(biāo)，以大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)消納為背景，研究電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)以及天然氣系統(tǒng)組成的多能源系統(tǒng)的集成與協(xié)調(diào)優(yōu)化是目前的研究熱點(diǎn)。國際上將該問題稱為“能源系統(tǒng)集成”(Energy Systems Integration，ESI)，是應(yīng)對(duì)能源高效清潔利用的有效途徑。

美國國家能源部于2001年提出了能源集成系統(tǒng)(Integrated Energy System，IES)研究計(jì)劃，其目標(biāo)在于保證能源系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的前提下，提高可再生能源在能源系統(tǒng)中的占比，并促進(jìn)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等多能源集成技術(shù)的應(yīng)用與推廣[13]。德國政府于2010發(fā)布了《德國能源構(gòu)想草案》(Draft German Energy Concept)，著重突出了各能源系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運(yùn)行的機(jī)制設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并于2011年啟動(dòng)了能源研究方案的制定與實(shí)施工作，其中廣泛涉及新能源發(fā)電、儲(chǔ)能等多能源系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)的研究。丹麥政府大力支持分布式可再生能源的發(fā)展，利用生物質(zhì)能進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱，致力于高比例可再生能源的消納，并試圖通過電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)和交通網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃和運(yùn)行，設(shè)計(jì)相應(yīng)能源市場(chǎng)機(jī)制，充分調(diào)動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)資源，力爭在2050年之前實(shí)現(xiàn)新能源占比100%[14]。國際上的專家學(xué)者在2014年成立了能源系統(tǒng)集成國際聯(lián)合研究會(huì)(The International Institute for Energy Systems Integration，IIESI)，目的是為了解決能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化問題。IIESI目前已經(jīng)分別在美國、丹麥以及日本召開了三次國際性會(huì)議，在國際上迅速發(fā)展。

瑞士于2003年啟動(dòng)的“未來能源網(wǎng)絡(luò)愿景(Vision of Future Energy Networks)”研究項(xiàng)目中首次提出了能量樞紐(energy hub，EH)的概念[15]。能量樞紐的概念將一個(gè)多能源系統(tǒng)抽象成為一個(gè)輸入—輸出雙端口網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為一個(gè)多能源系統(tǒng)內(nèi)部電、氣、熱、冷等能源之間的耦合關(guān)系從系統(tǒng)外部來看，都是輸入的各種形式的能源，最終轉(zhuǎn)換為其他形式的能源，以滿足系統(tǒng)輸出端的負(fù)荷需求。能量樞紐的輸入和輸出通過一個(gè)耦合矩陣建立聯(lián)系。能量樞紐建模方法具有高度的抽象性，無論多能源系統(tǒng)的規(guī)模大小，都能通過能量樞紐這一模型工具進(jìn)行規(guī)范化地描述[16-17]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于能量樞紐在多能源系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行中的應(yīng)用也已經(jīng)開展了詳細(xì)的研究[18-19]。

2 從價(jià)值實(shí)現(xiàn)的角度看能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃

能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃就是回答能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值來自哪里、怎樣實(shí)現(xiàn)、怎樣分配的問題。能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值源于多能源系統(tǒng)的集成、耦合與互補(bǔ)，最大化多能源系統(tǒng)之間的集成效益是能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo);能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)要基于具體的規(guī)劃方法與方案;要實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造價(jià)值的合理分配，則需要合理的商業(yè)模式設(shè)計(jì)。

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值來源—多能源系統(tǒng)集成

能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值來源于多能源系統(tǒng)的集成，包括電力與天然氣系統(tǒng)集成、電力與熱力系統(tǒng)集成等。

現(xiàn)階段中國燃?xì)鈾C(jī)組在電力系統(tǒng)中所占比重較小，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行往往不考慮天然氣網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行工況。而實(shí)際上，天然氣的輸送及供應(yīng)能力會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中燃?xì)鈾C(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生影響，如果燃?xì)鈾C(jī)組同時(shí)承擔(dān)熱力負(fù)荷，那么氣網(wǎng)的運(yùn)行狀況還會(huì)對(duì)熱力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，在能源系統(tǒng)集成時(shí)，需建立精細(xì)化氣網(wǎng)模型，將燃?xì)獾墓?yīng)能力及天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行狀況考慮進(jìn)去。C.Unsihuay與J.W.Marangon[20]建立了天然氣和電力系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型，模型中考慮了壓氣機(jī)與儲(chǔ)氣設(shè)施的影響，采用進(jìn)化策略算法并結(jié)合內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行求解。伊利諾伊理工大學(xué)的M.Eremia[21]將天然氣管網(wǎng)約束加入到機(jī)組組合模型中，綜合考慮了燃?xì)夂贤约叭細(xì)夤艿垒斔湍芰Φ认拗茥l件。

電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的集成，除需保證電力系統(tǒng)自身的安全運(yùn)行以外，還需滿足熱力系統(tǒng)的相關(guān)約束，需要建立熱力系統(tǒng)的運(yùn)行模型。熱力系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)，其能量傳輸過程具有明顯的延時(shí)與損耗，同時(shí)，其水力過程與熱力過程相互耦合，使得整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜。目前國內(nèi)外還有許多關(guān)于電熱協(xié)調(diào)運(yùn)行的研究，分析如何打破“以熱定電”原則，促使熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組靈活運(yùn)行。龍虹毓等人[22]基于采暖熱水負(fù)荷和電力負(fù)荷等約束，建立了對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組節(jié)能優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，并基于我國現(xiàn)行電價(jià)和供暖熱價(jià)，討論了風(fēng)電供暖的上網(wǎng)電價(jià)問題。Nuytten等人[23]分析了加裝儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的作用，同時(shí)比較了集中式儲(chǔ)熱與分布式儲(chǔ)熱這兩種情況下的效益問題。Lund等人[24]針對(duì)丹麥的風(fēng)電消納問題提出了兩種策略，一種是開拓歐洲市場(chǎng)，將剩余風(fēng)電售到周邊國家，另一種是將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與電制熱裝置和儲(chǔ)熱裝置結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)電熱解耦，增強(qiáng)熱電機(jī)組的調(diào)峰能力，并著重分析了第二種策略的經(jīng)濟(jì)效益?？傮w而言，國內(nèi)的相關(guān)學(xué)者更多的著眼于如何在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電熱耦合約束的條件下，通過合理的電、熱負(fù)荷分配，充分挖掘熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的新能源消納潛力;而國外學(xué)者則致力于通過電鍋爐、集中儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)等裝置拓展熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行邊界，實(shí)現(xiàn)電熱解耦，以擴(kuò)展新能源的消納空間。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)方式—多能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃

多能源系統(tǒng)規(guī)劃是能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值實(shí)現(xiàn)的保證，只有在規(guī)劃層面協(xié)同多個(gè)能源系統(tǒng)，充分考慮不同能源形式之間的互補(bǔ)和耦合，建成的能源互聯(lián)網(wǎng)工程才具有經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)。多能源系統(tǒng)規(guī)劃從空間范圍上可以分為區(qū)域多能源系統(tǒng)規(guī)劃和跨區(qū)多能源系統(tǒng)規(guī)劃兩個(gè)大類。

區(qū)域級(jí)多能源系統(tǒng)主要指園區(qū)、城市范圍內(nèi)各種形式能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、分配和存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括分布式電源、配電系統(tǒng)、燃?xì)庹{(diào)壓柜、換熱站和燃?xì)?、熱水管道等。G. Andersson等人[25]提出了一種混合整數(shù)非線性規(guī)劃(mixed-integer nonlinear programming，MINLP)方法，對(duì)一個(gè)含有若干備選型號(hào)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(combine heat and power，CHP)、變壓器和燃?xì)忮仩t的能量樞紐進(jìn)行規(guī)劃。A.Sheikhi等人[26]提出了一種非線性的規(guī)劃方法，為德黑蘭的一座旅店優(yōu)化CHP、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)和儲(chǔ)熱裝置的容量和運(yùn)行模式。Hongbo Ren等人[27]提出了一種規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了日本一幢含有CHP、儲(chǔ)能裝置和輔助鍋爐的居民樓的年化費(fèi)用的最小化。P. Arcuri等人[28]闡述了一種冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)了一座醫(yī)院中的CHP和電熱泵(electric heat pump，EHP)的容量。Ryozo Ooka等人[29]提出了一種基于遺傳算法的方法，為每種樓宇多能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇最優(yōu)的設(shè)備容量和運(yùn)行方案。Pierluigi Mancarella等人[30]在考慮了不同的運(yùn)行策略的情況下對(duì)不同的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行模擬，以此挑選最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

跨區(qū)多能源系統(tǒng)往往涉及到能夠遠(yuǎn)距離傳輸?shù)妮旊娋W(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)，與區(qū)域多能源系統(tǒng)的規(guī)劃不同，跨區(qū)多能源系統(tǒng)規(guī)劃需要考慮若干區(qū)域多能源系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。Xiaping Zhang等人[31]以降低系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行總成本和提升系統(tǒng)可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，引入能源綜合利用效率、碳排放量等評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)中的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組、輸電線路、燃?xì)鉅t和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組同時(shí)進(jìn)行規(guī)劃，并對(duì)各能源系統(tǒng)分開單獨(dú)規(guī)劃、多能源系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組容量事先固定等多種情形進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明多能源系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃有利于降低系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行總成本和提高系統(tǒng)可靠性。Qiu等人[32]提出一種電氣互聯(lián)系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃方案，以降低其總的投資和運(yùn)維成本，并對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件中的非線性項(xiàng)進(jìn)行了線性化，通過迭代求解實(shí)現(xiàn)兩個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的總體最優(yōu)規(guī)劃。

2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式—能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值分配

能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要合理的商業(yè)模式支撐。能源互聯(lián)網(wǎng)橫跨多個(gè)能源領(lǐng)域，除了能源基礎(chǔ)設(shè)施投資外，還包括信息平臺(tái)以及能源服務(wù)商等多個(gè)跨行業(yè)要素，因此能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)必然呈現(xiàn)多元投資、多主體參與運(yùn)營的形態(tài)，需要?jiǎng)?chuàng)新的商業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)其創(chuàng)造價(jià)值在多投資主體和用戶之間進(jìn)行合理分配。

國家發(fā)改委和國家能源局于2016年7月發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》(發(fā)改能源〔2016〕1430號(hào))[33]，其中明確提出要“創(chuàng)新終端一體化集成供能系統(tǒng)商業(yè)模式，鼓勵(lì)采取電網(wǎng)、燃?xì)?、熱力公司控股或參股等方式組建綜合能源服務(wù)公司從事市場(chǎng)化供能、售電等業(yè)務(wù)，積極推行合同能源管理、綜合節(jié)能服務(wù)等市場(chǎng)化機(jī)制”。英國的許多能源供應(yīng)商不僅向家庭用戶提供電力，還向家庭用戶提供天然氣，比如EDF Energy公司。美國的綜合能源供應(yīng)商也發(fā)展得較好，如美國太平洋煤氣電力公司和愛迪生電力公司等均屬于典型的綜合能源供應(yīng)公司[34]。我國的一些企業(yè)也初步開始嘗試向綜合能源供應(yīng)商轉(zhuǎn)變，如原先主要開展城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)的新奧集團(tuán)提出了“泛能網(wǎng)”的概念[35]，將燃?xì)?、熱、冷?lián)系起來，開發(fā)電熱冷三聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，將電、熱、冷、氣同時(shí)向用戶進(jìn)行銷售。

綜合能源需求響應(yīng)也是能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的一種重要的商業(yè)模式。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的深入推進(jìn)，多表合一設(shè)備、雙向通信技術(shù)、蓄能技術(shù)為需求響應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，需求響應(yīng)的綜合性、靈活性、可控性、規(guī)模性將產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性飛躍，將真正具備能源互聯(lián)網(wǎng)愿景中所描述的互動(dòng)性特征。需求響應(yīng)也將發(fā)展為用戶側(cè)互動(dòng)形式參與能源網(wǎng)運(yùn)行，與大規(guī)模風(fēng)電、電動(dòng)汽車等新能源、新用能設(shè)備相協(xié)調(diào)，促進(jìn)可再生能源、低碳用能設(shè)備在能源互聯(lián)網(wǎng)中的大規(guī)模滲透。為了滿足能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下多能互補(bǔ)、按需互動(dòng)、精準(zhǔn)移峰的需求，有必要進(jìn)一步研究多能源在負(fù)荷側(cè)的智能協(xié)同互補(bǔ)、負(fù)荷恢復(fù)時(shí)段可調(diào)度的用戶側(cè)互動(dòng)模式，以深入挖掘互動(dòng)用戶的移峰能力并實(shí)現(xiàn)多源互動(dòng)負(fù)荷與系統(tǒng)供能資源的最優(yōu)配合。如何設(shè)計(jì)合理的多時(shí)空尺度綜合需求響應(yīng)互動(dòng)機(jī)制，如何構(gòu)建清晰流暢的用戶側(cè)參與能源供應(yīng)互動(dòng)的操作流程，如何評(píng)估綜合需求響應(yīng)互動(dòng)機(jī)制均是目前需要研究探索的關(guān)鍵問題。

3 山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐

3.1 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景

為貫徹落實(shí)國務(wù)院的“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)，山西省政府于2016年1月頒布了《山西省關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的實(shí)施意見》[36]，太原市政府于2016年6月下發(fā)了《太原市推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)實(shí)施方案》[37]，“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源是兩個(gè)文件中一項(xiàng)重要內(nèi)容?！秾?shí)施意見》和《實(shí)施方案》中均強(qiáng)調(diào)了要積極推進(jìn)能源生產(chǎn)智能化改造，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)對(duì)能源生產(chǎn)、傳輸、配送、消費(fèi)、市場(chǎng)管理和服務(wù)的支持，催生能源生產(chǎn)、消費(fèi)、服務(wù)的新業(yè)態(tài)和商業(yè)新模式。大力推進(jìn)分布式能源和電動(dòng)汽車等多元化負(fù)荷發(fā)展，促進(jìn)“源—網(wǎng)—荷”協(xié)調(diào)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)配電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2016年3月30日，山西科技創(chuàng)新城被山西省政府批復(fù)為省級(jí)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)，是未來國際性煤基產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心、組織中心和技術(shù)服務(wù)中心，山西省新型城鎮(zhèn)化和城市示范區(qū)，山西省新型城鎮(zhèn)化和綠色、低碳、生態(tài)、智慧城市示范區(qū)。圖3是山西科技創(chuàng)新城的區(qū)位劃分圖。山西科創(chuàng)城的建設(shè)為能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)用提出了現(xiàn)實(shí)需求。以“能源互聯(lián)網(wǎng)”為主要內(nèi)容將山西科創(chuàng)城打造成為“智慧低碳新區(qū)”，符合高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，能夠享有實(shí)施能源互聯(lián)網(wǎng)的政策支持。

3.2 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值分析

太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的潛在價(jià)值可以分為經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值兩方面。

3.2.1 經(jīng)濟(jì)價(jià)值

(1)充分挖掘現(xiàn)有電力輸配網(wǎng)絡(luò)的資產(chǎn)利用潛力，通過智能的傳感、通訊以及分析技術(shù)，提高對(duì)于山西太原地區(qū)現(xiàn)有以及新增基礎(chǔ)電網(wǎng)設(shè)施的利用率，節(jié)約配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施投資。

(2)通過分布式發(fā)電、能量路由器、多能源系統(tǒng)能源與控制新技術(shù)的引進(jìn)，提高整個(gè)山西太原地區(qū)供能系統(tǒng)的整體利用效率、節(jié)約能耗、降低山西太原地區(qū)商業(yè)用戶的用電、用熱、用冷、用氣成本。

(3)通過靈活互動(dòng)的機(jī)制創(chuàng)新、智能化的通訊控制技術(shù)，激活山西太原地區(qū)工業(yè)與居民用戶側(cè)的需求響應(yīng)能力，通過能源互聯(lián)網(wǎng)把能源的供應(yīng)與消費(fèi)“鏈接”起來，促進(jìn)形成更加友好、高效的能源消費(fèi)行為，使用戶能夠通過改進(jìn)用能行為而獲得經(jīng)濟(jì)效益。

(4)通過構(gòu)建太原地區(qū)開放、獨(dú)立、多邊接入的互聯(lián)網(wǎng)式的能源交易運(yùn)營平臺(tái)，在能源的供應(yīng)、消費(fèi)體系中建設(shè)一個(gè)能源交易、共享的平臺(tái)，撬動(dòng)社會(huì)各界對(duì)于分布式能源的高效利用，激活第三方資本與民間力量參與，徹底改變現(xiàn)有能源產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與行業(yè)組織方式，催生出大量新興的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，促進(jìn)地區(qū)的產(chǎn)業(yè)集群與升級(jí)。

3.2.2 社會(huì)價(jià)值

(1)通過建設(shè)光伏、光熱、分布式冷熱電三聯(lián)供、冰蓄冷裝置、電動(dòng)汽車充(放)電樁、智能家居系統(tǒng)等清潔能源生產(chǎn)、消費(fèi)、存儲(chǔ)設(shè)備，能夠提高整個(gè)山西太原地區(qū)供能系統(tǒng)的整體利用效率、降低污染排放，有助于太原及周邊地區(qū)環(huán)境改善。

(2)通過建設(shè)配電以及供熱、供冷管網(wǎng)優(yōu)化能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，科學(xué)規(guī)劃配電以及供熱、供冷管網(wǎng)，提高能量傳輸效率以及傳輸環(huán)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率，降低能源設(shè)施對(duì)土地以及其他社會(huì)資源的消耗。

(3)多能源系統(tǒng)能源控制、智能調(diào)度等新技術(shù)的引進(jìn)，可以提高整個(gè)供能系統(tǒng)的整體利用效率、節(jié)約能耗、降低用能成本，實(shí)現(xiàn)能源的低碳化供應(yīng)。

(4)多能源系統(tǒng)能量管理控制系統(tǒng)將對(duì)周邊地區(qū)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型研究探討提供充分的示范效益。

3.3 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)

對(duì)國內(nèi)外區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀及山西科創(chuàng)城能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)際需求進(jìn)行綜合分析，以下3個(gè)問題是區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)運(yùn)營中存在的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)。

3.3.1 多能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行

圖4是山西太原科技創(chuàng)新城多能源系統(tǒng)能量流圖。區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)綜合了電、氣、熱、冷各類能源，融合了各類新能源、新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)多種能源間協(xié)同互補(bǔ)，提高整體能源利用率。太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能源系統(tǒng)中電、熱、冷、生活熱水的供應(yīng)渠道及相應(yīng)的價(jià)值創(chuàng)造如下。

(1)供電：光伏發(fā)電+冷熱電三聯(lián)供+市電+儲(chǔ)能。

價(jià)值創(chuàng)造：光伏發(fā)電采取“自發(fā)自用”模式，在需求側(cè)就地平抑用電負(fù)荷曲線，削減負(fù)荷峰值，實(shí)現(xiàn)容量電費(fèi)的節(jié)省;通過儲(chǔ)能以及需求響應(yīng)配合冷熱電三聯(lián)供機(jī)組的發(fā)電調(diào)度計(jì)劃，縮減負(fù)荷峰谷差并擴(kuò)大光伏發(fā)電的消納空間。

(2)供暖：區(qū)域外熱網(wǎng)+冷熱電三聯(lián)供+地源熱泵+電采暖(配合儲(chǔ)熱)。

價(jià)值創(chuàng)造：通過熱電聯(lián)產(chǎn)提升熱能的利用效率;儲(chǔ)熱作為電力系統(tǒng)的部分“虛擬儲(chǔ)能”為電力系統(tǒng)提供了靈活性，降低對(duì)區(qū)域外熱網(wǎng)供應(yīng)的剛性需求，提升了熱電廠靈活性，同時(shí)配合電采暖聯(lián)合運(yùn)行降低供暖成本。

(3)供冷：冷熱電三聯(lián)供+電空調(diào)+蓄冷。

價(jià)值創(chuàng)造：與供暖類似，冷熱電三聯(lián)供提升了制冷效率，冰蓄冷為電力系統(tǒng)提供靈活性，同時(shí)配合電空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行降低供冷成本。

(4)生活熱水供應(yīng)：光熱+冷熱電三聯(lián)供+燃?xì)鉄崴?電熱水。

價(jià)值創(chuàng)造：充分利用可再生能源降低熱水供應(yīng)成本，冷熱電三聯(lián)供充分利用了低品位的熱源，燃?xì)鉄崴碗姛崴疄樯顭崴墓?yīng)提供靈活性。

在多能源系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)上，需要提出綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)和功能應(yīng)用，在統(tǒng)一的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電、氣、熱、冷等多能源的集中信息采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行，并延伸為用戶提供增值服務(wù)是需要研究的難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一方面需要研究面向調(diào)度運(yùn)行、分析決策、交易結(jié)算等不同業(yè)務(wù)，面向用戶、運(yùn)營商等不同對(duì)象的監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化、智能化功能架構(gòu)、信息體系、設(shè)備參數(shù)和二次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);基于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式和分布式能源對(duì)能源傳輸網(wǎng)絡(luò)影響的定性、定量分析，研究含分布式能源的電、氣、熱、冷等多能源綜合調(diào)度運(yùn)行方法。另一方面需要研究基于綜合能源調(diào)度運(yùn)行與監(jiān)控系統(tǒng)的區(qū)域能源控制中心總體構(gòu)架和主要功能，提出包含交易層、調(diào)控層、生產(chǎn)管理層及增值服務(wù)層等多層次的綜合能量管理控制系統(tǒng)工作機(jī)制和應(yīng)用流程;研究區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)信息安全體系。

3.3.2 基于多能源系統(tǒng)的綜合需求響應(yīng)策略設(shè)計(jì)

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)利用智能需求側(cè)管理引導(dǎo)用戶合理用能，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，降低能源備用、能源設(shè)備投資。根據(jù)太原地區(qū)的實(shí)際情況，如何基于多能源系統(tǒng)制定智能需求側(cè)管理互動(dòng)機(jī)制，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)綜合需求側(cè)響應(yīng)的市場(chǎng)交易機(jī)制是需要研究的關(guān)鍵點(diǎn)，如何對(duì)需求響應(yīng)資源的互動(dòng)效益進(jìn)行評(píng)估是需要研究的難點(diǎn)。

針對(duì)目前綜合需求響應(yīng)研究較少的現(xiàn)狀，需要研究綜合需求響應(yīng)的基礎(chǔ)理論和基本模型，建立基于多能源系統(tǒng)的電—熱/冷、電—氣需求響應(yīng)彈性計(jì)算模型，提出綜合需求響應(yīng)潛力評(píng)估模型。另外需要對(duì)綜合需求響應(yīng)資源給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益進(jìn)行全方位分析，建立綜合需求響應(yīng)資源互動(dòng)效益計(jì)算模型，評(píng)價(jià)不同類型需求側(cè)響應(yīng)對(duì)售電公司售電利潤的影響，在此基礎(chǔ)上針對(duì)山西電網(wǎng)煤電機(jī)組為主的特點(diǎn)，研究綜合需求側(cè)響應(yīng)對(duì)改善火電機(jī)組運(yùn)行能耗的影響，測(cè)算綜合需求側(cè)響應(yīng)帶來的節(jié)能減排效益。

3.3.3 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營與商業(yè)模式

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的投資建設(shè)及運(yùn)營需要社會(huì)各方的參與。面對(duì)新一輪電力體制改革，供電公司作為區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)主體運(yùn)營商，該制定何種運(yùn)營和商業(yè)模式是需要研究的難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)。

針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，需要對(duì)主體運(yùn)營商的運(yùn)營與商業(yè)模式、分布式能源和綜合需求響應(yīng)的商業(yè)模式與效益、考慮傳輸容量約束的多能源系統(tǒng)運(yùn)行方法三個(gè)方面進(jìn)行分析與研究。

首先，針對(duì)區(qū)域能源公司的運(yùn)營與商業(yè)模式進(jìn)行調(diào)研，重點(diǎn)研究國內(nèi)外區(qū)域電、氣、熱、冷綜合供應(yīng)商的運(yùn)營模式。在此基礎(chǔ)上，研究新一輪電改中關(guān)于售電側(cè)的市場(chǎng)機(jī)制和國家政策，以掌握區(qū)域能源公司運(yùn)營的政策背景。在此背景下，調(diào)研太原地區(qū)電、熱、冷、氣能源交易現(xiàn)狀，研究區(qū)域能源公司在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的購售電、個(gè)性化服務(wù)等商業(yè)模式，并研究支撐這些商業(yè)模式的市場(chǎng)交易機(jī)制。研究能夠協(xié)同能源購售、第三方分布式能源、分布式儲(chǔ)能、以及用戶互動(dòng)的區(qū)域能源公司運(yùn)營模式。

其次，調(diào)研我國現(xiàn)行分布式能源補(bǔ)貼政策以及太原地區(qū)終端電價(jià)、熱價(jià)、氣價(jià)信息，結(jié)合新一輪電改帶來的售電側(cè)“紅利”，研究分布式能源在銷售側(cè)市場(chǎng)放開情況下的盈利空間，給出不同情境下的盈利范圍。采用運(yùn)行模擬的方法，分析不同投資機(jī)制下分布式能源的經(jīng)濟(jì)效益;對(duì)于需求響應(yīng)資源種類進(jìn)行調(diào)研，按照不同的參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于需求響應(yīng)資源進(jìn)行分類，分析不同類型的需求響應(yīng)資源的響應(yīng)特點(diǎn)，分析每種需求響應(yīng)資源能夠發(fā)揮的潛在效益，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于多能源系統(tǒng)的綜合需求管理商業(yè)模式。

最后，根據(jù)山西科創(chuàng)城的規(guī)劃情況，選取合理的負(fù)荷指標(biāo)及動(dòng)態(tài)模型，對(duì)園區(qū)的電、熱、冷負(fù)荷需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)分析，繪制區(qū)域內(nèi)不同季節(jié)典型日的逐時(shí)負(fù)荷曲線及年負(fù)荷曲線。綜合以上結(jié)果，設(shè)計(jì)區(qū)域能源公司運(yùn)營效益最大化、考慮傳輸容量約束的多能源系統(tǒng)運(yùn)行方法。特別是針對(duì)不同季節(jié)太原地區(qū)對(duì)電、熱、冷、氣需求量的差異，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益最大化的多種運(yùn)行方式。

4 結(jié)語

明晰與界定區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的價(jià)值是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值創(chuàng)造以及將創(chuàng)造的價(jià)值在多方投資主體和用戶之間進(jìn)行合理分配的前提。在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的框架之下，電、氣、熱、冷各類能源及相應(yīng)技術(shù)相互耦合、協(xié)同互補(bǔ)，形成了區(qū)別于傳統(tǒng)分立能源系統(tǒng)的多能源系統(tǒng)，提高了能源利用效率，降低了整個(gè)能源供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)營成本，這便是區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的價(jià)值。在介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)與多能源系統(tǒng)的基本概念的基礎(chǔ)上，本文闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值的創(chuàng)造與實(shí)現(xiàn)途徑以及能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值的分配模式。以山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)為實(shí)例，對(duì)太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景、潛在價(jià)值、關(guān)鍵問題和難點(diǎn)以及技術(shù)路線幾個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)和展望。

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黃武靖

作者簡介：黃武靖(1995)，男，博士研究生，主要從事多能源系統(tǒng)的建模、運(yùn)行和規(guī)劃的研究工作，E-mail：hwj17@mails.tsinghua.edu.cn。

張寧(1985)，男，副教授，主要從事新能源、電力系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行、多能源系統(tǒng)的研究工作，E-mail：ningzhang@tsinghua.edu.cn。

董瑞彪(1967)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行、區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的研究工作，E-mail：tydrb214@163.com。