摘要：以深入融合可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)信息技術為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)，是未來能源行業(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)開發(fā)區(qū)的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃案例，對能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎層規(guī)劃作簡要分析。將能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃理念和方法應用在物理基礎層規(guī)劃中，可提高能源系統(tǒng)在經(jīng)濟、社會、環(huán)境等方面的效益，對能源系統(tǒng)頂層規(guī)劃、設計、優(yōu)化、運行等具有重要意義。

關鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng) 物理基礎層 規(guī)劃 案例分析

作者：黃學勁,黃文瑞,延星,王磊,馬君華,王康

引言

隨著世界經(jīng)濟快速發(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引起的環(huán)境問題日益凸顯。世界各國都在積極開展能源的綜合利用，探索能源的運營管理模式和市場交易機制。以深入融合可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)信息技術為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)，是實現(xiàn)能源清潔低碳替代和高效可持續(xù)發(fā)展的關鍵所在[1]。

能源互聯(lián)網(wǎng)是一種互聯(lián)網(wǎng)理念、技術與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的新型生態(tài)化能源系統(tǒng)，通過多種能源協(xié)同、供給與消費協(xié)同、集中式與分布式協(xié)同、大眾廣泛參與，實現(xiàn)物質(zhì)流、能量流、信息流、業(yè)務流、資金流、價值流的優(yōu)化配置，實現(xiàn)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展[1]。

德國、美國、日本、丹麥等國家正在通過能源互聯(lián)網(wǎng)相關技術，構建創(chuàng)新解決方案，滿足未來以分布式能源供應為特點的電力系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)可再生能源高比例接入，減少化石能源消耗。中國從2015年至今先后出臺了《國務院關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》、《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》、《國家能源局關于組織實施互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目的通知》、《國家能源局關于公布首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目的通知》等一系列能源互聯(lián)網(wǎng)相關政策、文件，為能源發(fā)展指明了方向。

能源互聯(lián)網(wǎng)按架構可分為3個層級：物理基礎網(wǎng)絡、信息數(shù)據(jù)平臺和價值實現(xiàn)平臺[1]。其中，物理基礎網(wǎng)絡是涵蓋能源生產(chǎn)、傳輸、消費、存儲、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施網(wǎng)絡，是能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的基礎[2-4]。本文在前期積累和總結(jié)大量能源互聯(lián)網(wǎng)項目案例的基礎上，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)開發(fā)區(qū)的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃案例(以下簡稱《規(guī)劃案例》)，對能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎層規(guī)劃作深入分析。案例表明，將能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃理念和方法應用在物理基礎層規(guī)劃中，可進一步提高能源系統(tǒng)在經(jīng)濟、社會、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)換和存儲技術類型和容量組合以及各能源供應網(wǎng)絡的布局，使得系統(tǒng)在技術、經(jīng)濟、能效、環(huán)境效益等多目標下達到最優(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。

(1)頂層設計。從能源系統(tǒng)頂層優(yōu)化匹配需求和資源，避免負荷重復計算、占地沖突、能源結(jié)構不合理等問題。

(2)綠色高效。最大限度地利用可再生能源，同時滿足終端用戶的冷、熱、電多種能源需求，通過能源梯級利用和協(xié)調(diào)運行，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)動態(tài)彈性。針對不同應用場景設計不同類型綜合能源站，并根據(jù)外部因素和實際運行情況對場景進行更新和修編，提高了規(guī)劃方案在項目初期對各種不確定因素的適應性。

為解決在各種能源交互影響和約束條件下能源供應與需求的匹配優(yōu)化問題，本文提出動態(tài)彈性規(guī)劃理念和全要素設計方法。

動態(tài)彈性規(guī)劃理念是在資源條件、基礎設施條件、負荷需求等不確定的情況下，使規(guī)劃方案具有較強的適應性。例如，將項目中可能出現(xiàn)的大量應用場景，歸納為幾種典型應用場景，并設計具有針對性的綜合能源站，提高規(guī)劃方案對實際場景發(fā)生變化時的適應性;同時，根據(jù)項目分期開發(fā)建設進度，及時更新典型應用場景，對規(guī)劃方案滾動修編，緊跟項目建設發(fā)展的需求，進一步提高規(guī)劃方案的適應性。

全要素設計方法是將不同能源之間統(tǒng)籌考慮、能源的各個環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮，避免不同能源之間由于耦合關系造成的用能需求分析不準確、不同能源設施不匹配等問題，同時實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲-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系，不同的供冷、供熱方案對應不同的電負荷，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，最終得到更準確的電負荷和負荷曲線，從而達到優(yōu)化供電設施容量的目的。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎層規(guī)劃案例分析

能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎層規(guī)劃主要包括調(diào)研收資、需求分析、資源和基礎設施條件分析、規(guī)劃方案設計、方案評估5部分。

2.1 調(diào)研收資

調(diào)研收資包括項目的基本情況、用能需求、資源和基礎設施條件、邊界條件、能源交易等外部信息。其中，城市級的能源互聯(lián)網(wǎng)方案，收資側(cè)重于城市未來發(fā)展的定位、能源結(jié)構的優(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、重要負荷和大用戶的供能保障等;企業(yè)級的能源互聯(lián)網(wǎng)方案，收資側(cè)重于企業(yè)的用能場景、負荷特性、發(fā)展規(guī)劃等。

《規(guī)劃案例》中的廣東省某高新產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)為國家級高新區(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)、國家科創(chuàng)策源地、生態(tài)文明示范城區(qū)。對于園區(qū)級能源互聯(lián)網(wǎng)項目的收資應包含以下內(nèi)容：(1)基本情況，如社會經(jīng)濟概況、城市總體規(guī)劃、區(qū)域控制性詳細規(guī)劃、能源發(fā)展規(guī)劃等;(2)用能需求，如用電現(xiàn)狀及預測、用熱(供暖/熱水/蒸汽)現(xiàn)狀及預測、用冷現(xiàn)狀及預測、重要負荷和大用戶、電動汽車充電設施現(xiàn)狀及預測等;(3)資源條件，如太陽能、風能、地熱能等可再生能源調(diào)研報告等;(4)基礎設施條件，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，如用能價格、新能源發(fā)電上網(wǎng)價格、新能源發(fā)電的相關政策及補貼等;(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)狀及預測如表1所示。

2.2 需求分析

用能的種類、數(shù)量和對象，直接決定能源設施的組成以及對一次能源的需求。

用能的種類包括電負荷、熱負荷、冷負荷等，其中熱負荷又可分為供暖負荷、熱水負荷和蒸汽負荷。對于已建成的城市、園區(qū)或在運營的企業(yè)，可通過該區(qū)域的年鑒、能源規(guī)劃(或電力、供熱專項規(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)學模型進行擬合。對城市、園區(qū)的電負荷預測常采用彈性系數(shù)法、產(chǎn)值單耗法、人均能耗法、擬合分析法等;對冷、熱負荷預測常采用負荷密度法。對于未建成的區(qū)域，常采用負荷密度法進行負荷預測。冷、熱、電負荷指標受地域、建筑物節(jié)能水平、建筑能耗等級等因素影響而不同，文獻[5-7]是負荷密度法常用的設計標準。確定負荷后，根據(jù)不同的用能對象，如居民、商業(yè)、工業(yè)、公共服務業(yè)以及復合對象等繪制相應的典型日負荷曲線。

《規(guī)劃案例》結(jié)合園區(qū)的特點、負荷現(xiàn)狀及規(guī)劃，選擇若干處具有代表性、可實施性的區(qū)域作為需求分析的重點。對現(xiàn)有用戶的需求分析以實地調(diào)研收資為主;對未能收資的用戶及規(guī)劃用地，采用負荷密度法進行冷、熱、電負荷預測。以園區(qū)東部某高科技園為例，該區(qū)域為未建成區(qū)域，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有2家生物技術企業(yè)和部分規(guī)劃地塊，其各類能源需求分析及預測如表2所示。

2.3 資源和基礎設施條件分析

通過收集氣象報告、地勘報告、可再生能源專項報告等，確定適用于當?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?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，以減少新建基礎設施的配置和規(guī)模;同時根據(jù)各個站點對于能源和負荷的接入能力，校驗規(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m2，預計遠期可達286萬m2。計算得到園區(qū)屋頂光伏裝機容量約190.4 MW，年發(fā)電量約1.73億kW·h;遠期屋頂光伏裝機容量約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)燃氣市政中壓管網(wǎng)，供氣量為4.5萬m3/h，居民、工商用戶日用氣量約5.8萬m3，具備天然氣分布式三聯(lián)供供氣條件。園區(qū)內(nèi)未設集中供冷、供熱換熱站及管網(wǎng)，根據(jù)工程需要后期建設。

2.4 物理基礎層規(guī)劃方案設計

根據(jù)資源和基礎設施條件確定供能方式，設計與用能需求匹配的能源設施。通常采用用能需求最大日(如冬季最大負荷日、夏季最大負荷日等)進行功率平衡，并考慮各類機組約束條件(如發(fā)電機組最小運行負荷、蓄能設備功率、熱泵機組效率等)和運行方式(如24 h開機或僅在特定時段開機等)，結(jié)合各類機組的投資、運維、折舊費用以及各類能源邊界條件(如采購價格、銷售價格、補貼價格等)，以經(jīng)濟性、能源利用效率、環(huán)境效益等作為優(yōu)化目標，得到能源設施的配置。

為應對項目建設過程中可能出現(xiàn)的各種不確定因素，《規(guī)劃案例》采用動態(tài)彈性規(guī)劃理念，根據(jù)用戶類型、用能種類、負荷重要程度、負荷特性、經(jīng)濟性需求等，將供能的對象歸納為3種典型應用場景，并設計A、B、C共3類綜合能源站。A類能源站依托于110 kV變電站，為區(qū)域提供大容量的冷、熱、電能，適用于負荷較大、較集中的區(qū)域;同時，利用區(qū)域內(nèi)負荷不同時工作的特性，進一步優(yōu)化能源站設備容量。B類能源站依托于10 kV開關站，提供中等容量的冷、熱、電能，適用于醫(yī)院、學校、商場、酒店等具有中等負荷規(guī)模的設施。C類能源站針對小型樓宇，設計小型或微型燃氣輪機三聯(lián)供系統(tǒng)，配合電動汽車、儲能，利用多種節(jié)能手段建設低碳智能樓宇。針對不同的區(qū)域和用戶，采用對應類型的綜合能源站，既降低了規(guī)劃工作的復雜程度，又提高了方案的適應性。圖1為該園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎層的總體布置方案。

圖 1 能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎層總體布置方案

以園區(qū)東部某高科技園為例，該區(qū)域規(guī)劃A類能源站1座。附近用戶以辦公和工業(yè)為主，占地約153 hm2。預測電負荷為60.6 MW，年用電量為3.15億kW·h;預測冷負荷為122.3 MW，年用冷量為4.59億kW·h;無集中供熱負荷。

該能源站主要目標為削減用電高峰期間峰值電負荷，使電負荷曲線更平穩(wěn)?！兑?guī)劃案例》采用全要素設計方法，將電負荷和冷負荷解耦分析，根據(jù)供冷方案修正電負荷。規(guī)劃思路如下：(1)優(yōu)先利用和消納分布式光伏發(fā)電;(2)通過分布式光伏和天然氣三聯(lián)供機組，削減峰值電負荷;(3)天然氣三聯(lián)供機組滿足部分供冷需求，通過減少制冷用電負荷進一步削減電負荷，使剩余電負荷曲線盡可能平穩(wěn);(4)剩余電負荷和冷負荷通過電網(wǎng)和電制冷機組平衡。該能源站總體架構如圖2所示。

圖 2 某A類能源站總體架構

2.4.1 分布式光伏規(guī)劃方案

2.4.2 天然氣三聯(lián)供規(guī)劃方案

為削減用電高峰期間峰值電負荷，天然氣三聯(lián)供機組按照以電定冷/熱的原則設計，24 h運行。能源站附近用戶的夏季電負荷遠大于其他情景下的電負荷，因此能源站的整體設計以滿足附近用戶的夏季電負荷為主。需要考慮的約束條件包括發(fā)電機組最小運行負荷、燃氣輪機熱電比、電負荷和冷負荷平衡等，優(yōu)化目標為電網(wǎng)供電負荷平穩(wěn)同時經(jīng)濟性較優(yōu)。參考主流品牌(如GE、Solar等)燃氣輪機設計參數(shù)，為保證燃氣輪機高溫煙氣正常排放，最小燃機負荷應為50%以上。燃氣輪機發(fā)電機組容量不小于峰谷電負荷差值的2倍，平時不低于最小燃機負荷(50%額定出力)運行，用電高峰期以最大燃機負荷(100%額定出力)運行。通過與燃氣輪機發(fā)電機組配套的煙氣型溴化鋰吸收式冷水機組，回收燃氣輪機高溫煙氣，利用余熱制冷[11]。將余熱制冷功率折算至相應的電制冷用電功率，后者與燃氣輪機發(fā)電功率之和作為電負荷削峰值。剩余電負荷和冷負荷分別通過電網(wǎng)和壓縮式電制冷機組平衡。

設計燃氣輪機發(fā)電機組2×12 MW(發(fā)電效率為32.4%、供熱效率為52.6%)，溴化鋰吸收式冷水機組2×20 MW，壓縮式電制冷機組7×10 MW。能源站夏季典型日各機組發(fā)電和制冷出力曲線如圖3、圖4所示。

圖 3 某A類能源站夏季典型日各機組發(fā)電出力曲線

圖 4 某A類能源站夏季典型日各機組制冷出力曲線

由此可見，在天然氣三聯(lián)供發(fā)電、制冷雙重削峰作用下，電網(wǎng)供電的峰谷差由25.5 MW降至8.5 MW，降幅66.7%，極大提高了電網(wǎng)設備利用率。

2.4.3 能源站建設方案

該能源站與規(guī)劃110 kV變電站一體化建設，能源站本體占地面積約9 600 m2，室外布置。根據(jù)園區(qū)《總體規(guī)劃(2016—2030年)綱要》，能源站附近規(guī)劃燃氣高壓管道(4 MPa)1條，由高壓管道分支接入能源站;燃氣輪機發(fā)電機組通過2回10 kV線路接入變電站10 kV側(cè)，變電站預留2回10 kV間隔;需新建供冷專用管道約4 km，接入各用戶集中供冷處。

2.5 方案評估

能源互聯(lián)網(wǎng)方案評估分為定性評價和定量評價。定性評價包括能源綜合利用效率、經(jīng)濟效益、社會環(huán)境效益、安全可靠性、公平開放性和交互友好性;定量評價是在定性評價的基礎上進行分解和量化[12]。常用的評價指標包括一次能源利用效率、可再生能源占比、設備利用率、標煤替代量、CO2減排量、各類污染物減排量、單位面積CO2排放量、項目總投資、投資回報率、投資回收期、內(nèi)部收益率、敏感性分析等。以某A類能源站為例，對經(jīng)濟效益、能源綜合利用效率、社會環(huán)境效益作簡要分析。

該能源站總投資為36 570萬元，年凈收益為3 058.88萬元，投資回報率為8.36%，如表3所示。

對該能源站投資回報率進行敏感性分析，測算天然氣價、發(fā)電量、總投資、上網(wǎng)電價、售冷價變化率±10%時，對投資回報率的影響。其中影響最大的是上網(wǎng)電價，其次是發(fā)電量、總投資、天然氣價、售冷價，如表4所示。

3 結(jié)語

本文系統(tǒng)地闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)物理基礎層的規(guī)劃內(nèi)容，提出動態(tài)彈性規(guī)劃理念和全要素設計方法，并以廣東省某高新產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃方案為例，對調(diào)研收資、需求分析、資源和基礎設施條件分析、規(guī)劃方案設計、方案評估進行簡要分析。《規(guī)劃案例》表明，能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃方案可滿足園區(qū)的多種用能需求，能有效提高能源綜合利用效率、降低用能成本、消納本地可再生能源、減少二氧化碳排放，具有較好的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益，對其他能源互聯(lián)網(wǎng)項目具有一定的借鑒意義。

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