能源互联网“源网荷储”协调优化运营模式及关键技术资料下载.pdf

1、首先阐述了能源互联网的基本概念和主要特征，在此基础上分析了智能电网在能源互联网体系中的定位和作用，提出了能源互联网广义“源网荷储”协调优化运营模式。其次总结了实现能源互联网协调优化的关键技术，分析了国内外能源互联网项目的实践经验，并提出我国发展能源互联网的政策建议。关键词：能源互联网；协调优化；源网荷储；关键技术 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.01.016 基金项目：国家软科学研究计划项目（2012GXS4B064）；国家自然科学基金资助项目（51277067，71271082）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（2015XS43）。Project Su

2、pported by the National Soft Science Research Plan（Grantno.2012GXS4B064）of China;National Natural Science Foundation of China（Grantno.71271082 and 51277067）;the Fundamental Research Funds for the Central Universities（Grantno.2015XS43）.0 引言 近年来，随着环境污染问题的日益严重，传统的攫取和依赖不可再生资源的增长方式已经不能维持我国经济社会发展，以石油和煤炭为核

3、心的化石能源时代即将结束，我国将要面临的是新能源和化石能源互补的“混合能源时代”。在这种情况下，我国亟需以新一轮技术革命、产业革命为支点，从以往粗放的发展模式转变为更为集约、可持续的发展模式。杰里米里夫金在其著作第三次工业革命中提出了能源互联网的未来发展蓝图，刻画出一种以可再生能源为主要能量单元，利用互联网技术实现能量流与信息流实时流动，多种能源供应、传输网络及能源技术、信息技术高度耦合的新型能源利用体系1。构建能源互联网不仅需要依靠能源技术自身的创新，同时强调能源技术与其他领域先进技术的相互融合，也需要能源体制乃至能源生产消费模式的变革，总的来说，能源互联网是对人类社会生活方式的一次根本性革

4、命。当前我国正处在能源革命的关键时期，而“互联网+”概念的提出则预示着我国能源行业发展将要进入一个全新的历史阶段。能源互联网的建设能够在能源技术、生产、供应等多个环节激发“链式变革”，这主要体现在以下 2 个方面：1）构建能源互联网是解决我国严峻能源环境问题的关键手段。我国的能源结构不尽合理，导致目前我国社会发展与能源消费之间的矛盾日益突第 40 卷 第 1 期 电 网 技 术 115 出2-3。能源互联网能够在最大程度上提高能源利用效率，引导能源消费向着集约化、清洁化的方向发展，缓解上述矛盾的同时进一步提高我国能源安全水平。2）建设能源互联网是推动我国能源革命的重要途径。互联共享、高度开放的

5、互联网理念将加深能源行业内部、能源行业与其他行业的相互融合，促进我国能源行业的产业布局向着精细化、多元化的方向转型发展4-5。目前国内外有关能源互联网已经有了较为初步的研究，如分析了国外能源互联网工程实践情 况6、能源互联网的技术内涵和技术特征7-8、能源互联网的价值与实现架构9。文献10分析了网络拓扑结构模型及其物理信息系统；文献11展望了电网信息物理系统在能源互联网、主动配电网以及传统电网中的应用；文献12从能源供给和能源消费、能源输送载体、多源大数据以及协同优化调控等几个方面详细阐述了城市能源互联网的应用框架模型。从目前国内外有关能源互联网的文献研究可以看出，关于能源互联网概念、基本框架

6、、关键技术等内容的讨论分析较多，而对其关键运营模式、运营机制的研究内容则较少。电力作为关键的二次能源，必将成为能源互联网建设、运营的核心和纽带，因此本文将在分析研究能源互联网基本概念与体系架构的基础上，将电力系统的“源网荷储”协调优化理论进一步扩大化，提出能源互联网广义“源网荷储”协调优化运营模式并分析其关键技术与实践基础，提出相应的实施建议。1 能源互联网基本概念及主要特征 1.1 能源互联网基本概念 对于如何定义能源互联网，应当以我国能源电力未来到底要解决什么问题为导向。综合当前我国能源开发利用现状，首要任务是节能减排及提高可再生能源开发利用效率。而电力系统作为一种重要的二次能源，能够将清

7、洁能源转化为可供使用的直接能量和动力，因此在能源互联网中电力系统将发挥链接一次能源与二次能源的重要枢纽作用13-14。然而，能源互联网并不是简单的智能电网的升级版或者电力系统及其他能源系统的升级版，而应当强调各个能源体系之间的相互协调15。从能源角度讲，未来的能源互联网不仅包括电能及电力系统，还应当包括煤、石油、天然气等传统化石能源以及风、光等清洁能源；从网络角度讲，不仅包括电网，还包括油气网、供热网等多种形式的网络结构16。综上所述，能源互联网的定义应当是：以互联网技术为基础，以电力系统为中心，将电力系统与天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑系统等紧密耦合，横向实现电、气、热、可再生能源

8、等“多源互补”，纵向实现“源网荷储”各环节高度协调，生产和消费双向互动，集中与分布相结合的能源服务网络。其中“源网荷储”协调优化模式是能源互联网的关键运营模式。1.2 能源互联网的主要特征 能源互联网将能源行业与互联网思维、互联网技术高度融合，其特征主要有以下 4 点：1）开放。能源互联网在产业层面与技术层面都具有高度的开放特性，为能源行业与其他行业的相互融合提供交流媒介，同时具备普适性的接入端口，能够实现对分布式电源、储能等多种设备的适应性对接，保证能量与信息的双向流动17。2）互联。一方面，能源互联网能够保证局部能源设备之间的互联互通，保证分散式能源模块的内部供需自平衡；另一方面，能源互联

9、网能够保证分散式能源模块与集中式能源模块之间的互联协调，发挥两者之间的互补协同作用，有效提高系统运行的安全性与经济性。3）对等。能源互联网将改变各能源传统网络“自上而下”的组织形式，各参与主体即是“生产者”又是“消费者”，各能源设备都具备发出与接收能量及能量信息的能力，在智能化的信息处理和能量流动过程中，各能量节点都是平等的18。4）分享。能源互联网终端包括大量能源信息交互设备，这使得能源互联网成为各能量节点、信息节点之间进行能量流和信息流双向流动的平台，每个能源节点都有获取数据信息的权限与能力，这将进一步促进能源资源在广域范围内的优化配置19。2 能源互联网背景下广义协调优化运营模式 2.1

10、 智能电网在能源互联网体系中的定位及作用 自“智能电网”的概念提出后，随着电力电子技术、通信技术、自动控制技术以及大数据技术的发展，智能电网的概念和内涵也不断得到深化和发展，从最早强调电网自动控制与保护，逐步发展到注重网络信息流的价值以及电网中能量流与信息流的整合。目前智能电网已经能够将 ICT 技术、自动远程控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成20。在能源互联网架构下，传统能源体系将被重构为扁平化的能源体系结构21-22。在这个过程中，作116 曾鸣等：能源互联网“源网荷储”协调优化运营模式及关键技术 Vol.40 No.1 为我国目前能源体系中最为重要的二次能源，电力将是链接能源生产与

11、能源需求、清洁能源与直接可用能量、清洁能源与传统化石能源的重要途径，也是实现能源互联网中能源生产、运输、市场消费等各个环节之间协调互补的关键22-23。因此，智能电网应当是能源互联网的基础支撑平台和资源配置中心，发挥重要的核心及纽带关系24-26。2.2 传统“源网荷储”运营模式 电力系统“源网荷储”运营模式最早在文献27-28中提出，并且在文献29中做了相应的深化。从传统意义上讲，“源网荷储”协调优化模式与技术是指电源、电网、负荷与储能四部分通过多种交互手段，更经济、高效、安全地提高电力系统的功率动态平衡能力，从而实现能源资源最大化利用的运行模式和技术，该模式是包含“电源、电网、负荷、储能”

12、整体解决方案的运营模式30-31。该模式主要包含以下 4 个方面：1）源源互补。“源源互补”强调不同电源之间的有效协调互补，通过灵活发电资源与清洁能源之间的协调互补，克服清洁能源发电出力受环境和气象因素影响而产生的随机性、波动性问题，形成多能聚合的能源供应体系32。2）源网协调。“源网协调”要求提高电网对多样化电源的接纳能力，利用先进调控技术将分散式和集中式的能源供应进行优化组合，突出不同组合之间的互补协调性，发挥微网、智能配电网技术的缓冲作用，降低接纳新能源电力给电网安全稳定运行带来的不利影响33-34。3）网荷储互动。“网荷储互动”要求把需求侧资源的定义进一步扩大化，将储能、分布式能源视为

13、广义的需求侧资源，从而将需求侧资源作为与供应侧相对等的资源参与到系统调控运行中，引导需求侧主动追寻可再生能源出力波动，配合储能资源的有序（智能）充放电，从而增强系统接纳新能源的能力，实现减弃增效35-36。2.3 能源互联网广义“源网荷储”协调优化运营模式基本架构 作为能源互联网的核心和纽带，电力系统的“源网荷储”协调优化模式能够更为广泛地应用于整个能源行业，与能源互联网的技术与体制相结合，形成整个能源系统的协调优化运营模式。在能源互联网背景下，“源网荷储”协调优化有了更深层次的含义；“源”包括石油、电力、天然气等多种能源资源；“网”包括电网、石油管网、供热网等多种资源网络；“荷”不仅包括电力

14、负荷，还有用户的多种能源需求；而“储”则主要指能源资源的多种仓储设施及储备方法。具体来讲，主要包含以下 2 个方面。1）横向多源互补。“横向多源互补”是从电力系统“源源互补”的理念衍生而来，能源互联网中的“横向多源互补”是指电力系统、石油系统、供热系统、天然气供应系统等多种能源资源之间的互补协调，突出强调各类能源之间的“可替代性”，用户不仅可以在其中任意选择不同能源，也可自由选择能源资源的取用方式。2）纵向“源网荷储”协调。“纵向源网荷储协调”是从电力系统“源网协调”和“网荷储互动”的理念中衍生而来。能源互联网中的“纵向源网荷储协调”主要是指 2 个方面：通过多种能量转换技术及信息流、能量流交

15、互技术，实现能源资源的开发利用和资源运输网络、能量传输网络之间的相互协调；将用户的多种用能需求统一为一个整体，使电力需求侧管理进一步扩大化成为全能源领域的“综合用能管理”，将广义需求侧资源在促进清洁能源消纳、保证系统安全稳定运行方面的作用进一步放大化。能源互联网“源网荷储”协调优化运营模式的主要架构如图 1 所示。分布式发电资源及储能设备小型燃油发电机等储能设备互补协调微网用户输配电网电源互补光伏发电 风电火电核电互补协调电力信息及调控系统油气信息及调控系统油气管网油气开采供热管网交通控制网络煤炭运输横向多源互补纵向源网荷储协调煤炭开采互联网、云计算技术等小型风机分布式光伏发电 图 1 能源互

16、联网“源网荷储”协调优化运营模式 Fig.1 “Generation-grid-load-energy storage”coordinated operation mode of energy internet 2.4 能源互联网广义“源网荷储”协调优化运营模式的基本方法 能源互联网广义“源网荷储”协调优化运营模式主要分为 4 个部分，按照时间顺序如图 2 所示。此处以能源互联网系统投资运营商的角度来阐述整个能源互联网“源网荷储”协调优化运营 第 40 卷 第 1 期 电 网 技 术 117 图 2 能源互联网“源网荷储”运营模式基本流程 Fig.2 Procedure of“generati

17、on-grid-load-energy storage”operation mode of energy internet 模式的流程。具体如下：1）基础条件分析。在系统规划方案设计前，系统运营商需对建设目标区域进行经济现状评估及未来发展趋势预测，在 此 基 础 上，结 合 地 理 信 息 系 统（geographic information system，GIS）系统、信息物理融合系统（cyber physical system，CPS）系统等技术对用户的多种类能源需求做出预测，分析目前该地区已有的能源供应渠道和方式，这方面不仅包括用户的用电需求预测、负荷特征刻画及负荷发展特性预测，还包括用

18、户供热需求、供水需求、天然气需求等多方面用能需求预测。此外，还应分析目标地区的气候地理条件，为集中式和分布式能源模块的选址提供数据信息支撑。2）系统规划。以基础条件分析所获取的数据信息为依据，选择合适的地点开展分散能源模块和集中能源模块的构建，分散能源模块以分布式电源及其配套设施为主，集中能源模块以大规模清洁能源发电及灵活发电资源为主。在规划阶段就要充分考虑到未来的系统运营需求，分散能源模块要在能源供需内部自平衡的基础上，为集中能源模块提供有 效补充作用；另一方面，集中能源模块的规划要为运行阶段清洁能源与灵活发电资源的互补协调提供基础。同时，系统运营商需完成能源传输模块构建，为集中和分散能源模

19、块提供连接用户的能源通道，分散能源模块应通过微网与主能源系统相连，微网技术在其中起到缓冲和优化作用。此外，还需建设信息通讯网络及云端信息处理系统，计算系统规划方案的可行性并在多个方案中实现选择、优化，同时汇总能源信息并制定优化的系统运行方案。3）系统运行。在系统运行阶段，系统运营商通过信息通讯网络采集用户的全部用能信息及能源供应侧的基础数据，通过云端信息处理系统的分析处理为用户提供优化的用能方案，通过合理的电价机制及需求侧响应措施引导用户用电主动追踪清洁能源发电出力；同时根据发电侧数据信息设计合理的调度排序和出力安排，结合分散能源模块“自发自用、余量上网”的模式，实现系统的双侧协调优化、双向自

20、适应过程。同时应充分发挥电力系统的纽带效应，优化其他能源模块（如供热、供水、燃气供应等）的运行。在系统运营过程中，由于向用户承担了供电、供热、供气以及用电诊断、用能方案优化设计等职责，还为能源互联网覆盖区域内的用户提供了能源输送渠道，因此系统运营商的收益可包括电费、输配电费、能源信息服务费、供暖费及其他能源费用等。4）全过程评价。在能源互联网项目建成运营后的 35 年间，对该项目的运营情况进行评价分析，构建包括可再生能源使用效率、供电可靠性、设备使用率等多方面指标体系，运用综合评价方法进行对比分析，寻找项目缺陷并进行循环修正。从能源互联网“源网荷储”协调优化模式的主要内容来看，这种优化模式能够

21、将能源互联网的能源开发、能源输送、能源需求与使用等几个环节协调统一为一个有机整体，这样的协调优化不仅能够从更高的层面出发，实现能源资源的优化配置，同时能促进清洁能源的高效开发利用，提高清洁能源在终端能源消费中的比重。3 “源网荷储”协调优化关键技术 3.1 “源网荷储”协调优化的技术框架 为支撑上述能源互联网协调优化模式的流畅运118 曾鸣等：能源互联网“源网荷储”协调优化运营模式及关键技术 Vol.40 No.1 行，需要有一定的技术架构作为基础来实现能源互联网不同模块之间的能量流与信息流互联互通，根据能量流与信息流的流动方向，能源互联网“源网荷储”协调优化模式的技术架构如图 3 所示。信息

22、互联网络电力输送网供热网络其他能源供应网络：油气网、交通运输网等分布式能源供应模块集中式能源供应模块多元智能输送网络云端信息处理能量流信息流用户能源利用能源利用用户用户用户用户用户信息共享微网系统系统规划系统运行系统信息通信 图 3 能源互联网“源网荷储”技术架构 Fig.3 Technology structure of“generation-grid-load-energy storage”mode of energy internet 如图 3 所示，为实现能源互联网在广域范围内的“源网荷储”协调优化，技术框架包含 4 个主要部分：1）在系统规划部分，需要有专项技术优化各类型电源（包括集

23、中式与分布式）的选址定容、微网及主网的规划设计，为“源网荷储”协调优化运行奠定基础。2）在系统运行部分，需要有专项技术能够在微观层面上控制各分布式电源及储能设备的充放电，实现用户端各模块的内部自优化、自适应，提高各模块的可控性。在宏观层面上，形成新能源发电与传统化石能源发电出力的优化组合，通过分布式发电、储能设备等技术，引导用户用电负荷主动追踪发电侧出力。3）在系统信息通信部分，需要有专项信息交互技术保证信息流在各个能源模块间的双向自由流动，收集各个模块的数据信息并进行初步的分类、处理，随时满足用户的初级数据需求，并且将收集来的数据输入云端信息处理部分。4）在云端信息处理部分，需要有专项技术把

24、能源供应模块、能源网络模块以及能源需求的数据信息进行集成、处理、分析以对外公布，同时反馈到优化模块来制定系统的优化运行计划，在较为长远的时间尺度上，将全能源系统的数据信息反馈到系统能源规划模块中，以进一步循环优化、修正系统规划设计。3.2 “源网荷储”协调优化关键技术 在“源网荷储”协调运营的技术框架下，与 4 个技术部分相对应的包括四种协调优化关键技术：1）广域能源优化配置规划技术。广域能源优化配置规划技术要求能够统筹兼顾、因地制宜地协调一定能源区域内的各种能源资源，如太阳能、风能、水资源、燃气资源、煤炭等，在规划阶段，分析资源开发利用的具体模式，结合区域内铁路网、燃气供应网络、供热网络的整

25、体情况，确定光伏发电、燃气发电、传统煤电的容量及选址，设计相应的能源规划方案及系统运行方案，通过模型测算保证规划的合理性、可靠性，实现电力系统、铁路网系统、油气网系统的统筹协调。这方面的研究重点主要是规划模型研究，未来将以现有的智能电网规划模型为基础进一步延伸，并且以模型为依据构建软件平台和信息处理分析系统。目前这方面的模型研究包括多类型能源协调互补协调优化模型37、能源互联网示范工程规划设计模型38、考虑供需双侧能源需求的清洁能源并网消纳模型等39。2）多能流互补控制技术。能源互联网是多能源网络的耦合，这表现在能源网络架构之间的相互耦合，同时也包括网络能量流动之间的互补协调、安全控制。在能源

26、供应与输配环节，未来能源互联网通过柔性接入端口、能源路由器、多向能源自动配置技术、能量携带信息技术等，能够显著提高电网的自适应能力，实现多能源网络接入端口的柔性化、智能化，降低网络中多能源交叉流动出现冲突、阻塞的可能性。在系统出现故障时，能够加速网络的快速重构，重新调整能源潮流分布和走向。目前多能流互补控制技术主要聚焦于控制策略与控制技术方面，控制策略主要指多类型能源发电的优化调度模型、控制模型等；控制技术主要指以数字信号处理为基础的非传统控制策略及模型，包括神经网络控制、预测控制、电网自愈自动控制技术、互联网远程控制技术、模糊控制技术、接入端口控制技术等。在这方面，目前国内已有相关研究。文献

27、40-41从能源互联网的角度介绍电转气技术的基本理论，并提出电转气应用于电力系统与天然气网络的规划与运行的可能方式，文献42-44提出了包含风电、光伏、火电调峰机组及燃油机组在内的多能源协同控制、协调互补优化方法及体系架构。此外，与智能电网中对于分布式电源以及储能设备的局部消纳和控制模式不同，能源互联网要实现可再生第 40 卷 第 1 期 电 网 技 术 119 分布式电源与分布式储能的广域协调控制。能源互联网的建设整合多类型的能源供应网络，并在此基础上向着自适应、协调化的方向延伸45。3）多能源计量监测及信息交互技术。信息监测技术方面，智能电网的高级量测体系（advanced metering infrastructure，AMI）系统是基础，其未来的研发过程要向着智能化、计量能力多元化、信息交互多向化方向发展，通过无线传感器技术、遥测技术等实现能源信息的自动采集、自动分析处理46-47。信息交互技术方面，未来需重点研发信息交互自动感知技术、通用信息接口技术、数据清洗技术、信息数据压缩技术、数据信息融合技术等，实现用户与用户之间、用户与各个能源互联网模块之间的自由信息交换与动态反馈。目前已有这方面的相关研究，文献48提出了一类虚拟电机电路拓扑和控制策略，为能量路由器和能源互联网的研究提供了一种新的模型和方法。文献49提出关于能量信息化与互联网化管控的核心