唐 虎，陳愛(ài)倫，崔 浩，朱英偉

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司德陽(yáng)供電公司，四川省德陽(yáng)市 618000；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司襄陽(yáng)供電公司，湖北省襄陽(yáng)市 421000；3.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川省成都市 610000）

0 引 言

隨著全球能源格局的變動(dòng)、環(huán)境惡劣化趨勢(shì)逐步嚴(yán)峻，對(duì)能源的利用形式也不斷改變。如何轉(zhuǎn)變能源生產(chǎn)、配置和消費(fèi)方式、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)利用清潔能源、改善生態(tài)環(huán)境等成為各國(guó)面臨的共同難題[1]。

美國(guó)學(xué)者J.Rifkin的《第三次工業(yè)革命》[2]和國(guó)家電網(wǎng)公司原董事長(zhǎng)劉振亞的《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》[3]均提出將可再生能源技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互融合，形成新型的能源利用模式：能源互聯(lián)網(wǎng)（energy internet，EI）。樹立全球能源觀，構(gòu)建EI是推動(dòng)能源變革的一大途徑，這不僅關(guān)系到能源技術(shù)的變革，更是人類生活方式的轉(zhuǎn)變[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)EI的研究已有很多，不同國(guó)家對(duì)EI研究的異同點(diǎn)如表1所示。從理論研究方面，文獻(xiàn)[5]研究了EI背景下的儲(chǔ)能在能量發(fā)、輸、配和用及多能源系統(tǒng)互聯(lián)中的應(yīng)用，并提出當(dāng)前儲(chǔ)能裝置所面臨的挑戰(zhàn)；文獻(xiàn)[6]研究了網(wǎng)絡(luò)連通矩陣分析穩(wěn)定性方法分析EI的連通性來(lái)實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)的互聯(lián)；文獻(xiàn)[7]研究了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的EI建設(shè)，同時(shí)以不同場(chǎng)景描述該技術(shù)在EI中的應(yīng)用方式；文獻(xiàn)[8]以實(shí)例研究城市能源互聯(lián)網(wǎng)（urban energy internet，UEI）功能體系及應(yīng)用方案，探索了未來(lái)UEI的管理方案和商業(yè)模式；文獻(xiàn)[9]研究了清潔能源的輸送通道問(wèn)題，并結(jié)合亞歐現(xiàn)狀提出適合其發(fā)展的兩種電力傳輸方案；文獻(xiàn)[10]對(duì)亞歐洲際電能輸送模式進(jìn)行探討，提出的模型來(lái)研究清潔能源輸送的財(cái)務(wù)生存力；文獻(xiàn)[11]從不同角度分析UEI對(duì)電力系統(tǒng)的影響，并提出實(shí)現(xiàn)UEI的關(guān)鍵技術(shù)體系。

表1 各國(guó)EI理論研究異同點(diǎn)Table 1 The similarities and differences in EI between various countries

上述文獻(xiàn)研究對(duì)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供了較為豐富的理論依據(jù)，然而對(duì)UEI的研究較為稀少。本文在各位前輩研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究UEI的基本觀念和相關(guān)特征，并介紹以充換電服務(wù)網(wǎng)、微電網(wǎng)和虛擬發(fā)電廠（virtual power plant，VPP）在內(nèi)的UEI基本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合我國(guó)不同城市的地理特征總結(jié)出UEI的構(gòu)建方案，并分析了UEI未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 EI的分類

EI作為一項(xiàng)跨領(lǐng)域的前沿概念，對(duì)其研究和定義也在不斷的更替，學(xué)術(shù)界也沒(méi)法給出一個(gè)所有人都認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化定義[12]，雖然難以定義，但對(duì)EI的組成形式研究仍顯得至關(guān)重要。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)EI的研究成果，本文將EI的發(fā)展形態(tài)概括為：家庭型EI、建筑型EI、社區(qū)型EI、城市型EI、國(guó)家型EI、全球型EI[13-16]，這里簡(jiǎn)要介紹前四類。

1.1 家庭型EI

家庭型EI是EI的一類子網(wǎng)，具有數(shù)量龐大、分布廣泛的特點(diǎn)。家庭型EI以電能的利用為核心，側(cè)重于智能家居、電動(dòng)汽車等主動(dòng)性負(fù)荷參與市場(chǎng)需求側(cè)響應(yīng)（demand response，DR）并同被動(dòng)型負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置間的互動(dòng)，互動(dòng)關(guān)系涉及能量、信息等的流動(dòng)。對(duì)于家庭型EI的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 家庭型EI結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 The structure of family EI

從圖1可以看出，包括家庭型EI涵蓋屋頂發(fā)電系統(tǒng)、屋內(nèi)可控負(fù)荷、屋外電力網(wǎng)絡(luò)等多種能源交互形式。

1.2 建筑型EI

該種形式的EI仍然是電能的綜合利用的中心，同時(shí)加上對(duì)天然氣、自來(lái)水等多種能源的利用。建筑型EI主要實(shí)現(xiàn)能源的就地消納問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)利用，如圖2所示。建筑型EI是以建筑框體為依托，能源供給體系設(shè)計(jì)到太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿龋⑼ㄟ^(guò)不同能源間的互補(bǔ)來(lái)提升能源的綜合利用效率。

圖2 建筑型EI結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 The structure of architectural EI

1.3 社區(qū)型EI

社區(qū)型EI在建筑型EI的基礎(chǔ)上融入了交通運(yùn)輸網(wǎng)，構(gòu)建了不同需求側(cè)間的預(yù)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)多能源間的消納、互補(bǔ)及轉(zhuǎn)換并通過(guò)能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)平衡關(guān)系，這類EI的構(gòu)造圖如圖3所示。

社區(qū)型EI是以GPRS為依托將各業(yè)務(wù)系統(tǒng)（用電信采集、SG186、智能家居系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)等）進(jìn)行深度融合。特別是目前5G的運(yùn)用將對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的通信提供更加便捷的通信信道，同時(shí)也更加適合信息網(wǎng)絡(luò)安全的需求。這些系統(tǒng)通過(guò)供電公司內(nèi)外網(wǎng)的交互進(jìn)行不同資源的輸入及輸出，為分析該社區(qū)型EI的能量利用形式提供支撐。

1.4 城市型EI

城市型EI類似于一套較為完整的能源生態(tài)系統(tǒng)，內(nèi)部具有完備的生產(chǎn)、輸送、消納能量的載體，并具有多種系統(tǒng)對(duì)不同能量進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最大化利用，并通過(guò)共享和互動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了不同能源間的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)。

對(duì)于該種類型的EI電力網(wǎng)由電、氣、熱網(wǎng)等聯(lián)合供能，電網(wǎng)連接風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充電站及儲(chǔ)能電池、服務(wù)器等裝置，通過(guò)能源交易平臺(tái)，將能源互聯(lián)開放平臺(tái)互聯(lián)信息網(wǎng)絡(luò)和多能源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。

2 UEI的概念及特征

綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)EI/UEI的研究，仍沒(méi)有統(tǒng)一的概念性及理論模型的定論。德國(guó)E-Energy是推動(dòng)供區(qū)用戶實(shí)現(xiàn)能源的高效利用及地區(qū)電網(wǎng)的可靠供電，并利用信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源與消費(fèi)的最優(yōu)化；北京市延慶地區(qū)的EI示范工程指出UEI是以交直流主動(dòng)配電網(wǎng)的網(wǎng)架構(gòu)建為核心，能源管理與公共服務(wù)中心建設(shè)為智能中樞，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的多能源綜合利用。

圖3 社區(qū)型EI結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 The structure of community EI

綜合來(lái)看，UEI是在人口密集，負(fù)荷集中的城市范圍內(nèi)，以智能配電網(wǎng)為核心，供氣、供暖、供冷、電氣化交通網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)高度耦合，建設(shè)開放互動(dòng)的公共服務(wù)中心和能量管理，提高用戶參與，解決高滲透率的分布式電源的接入，提高能源利用效率，從而實(shí)現(xiàn)能量流、信息流和價(jià)值流一體化融合的能源生態(tài)系統(tǒng)。UEI在整個(gè)EI體系中起到承上啟下的作用，不同類型社區(qū)型EI的聚合就構(gòu)成看UEI，不同類型UEI的聚合又稱為國(guó)家乃至全球型EI。

UEI的構(gòu)建有助于實(shí)現(xiàn)能源的多級(jí)、高效利用，有助于實(shí)現(xiàn)信息流、能量流、資金流的統(tǒng)一，具有以下特征：

（1）多類型能源相互融合。UEI能夠促進(jìn)多能源行業(yè)的相互融合，實(shí)現(xiàn)跨越時(shí)間及空間的能源利用，形成一套適合UEI內(nèi)部參與體的新型能源供應(yīng)、輸送、利用網(wǎng)絡(luò)。

（2）多方參與管理模式。在技術(shù)層面，利用大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的歷史數(shù)據(jù)和信息挖掘，為企業(yè)聯(lián)盟提供數(shù)據(jù)，模型和記錄參考。在物理層面上，UEI的開放性實(shí)現(xiàn)即插即用性能源的隨時(shí)性接入問(wèn)題，改變以往能源單一性流動(dòng)問(wèn)題。

（3）能源的高效利用。UEI通過(guò)建立用能能效模型，結(jié)合區(qū)域用戶用能模式、用能習(xí)慣以及用能設(shè)備特性，對(duì)用戶的用能數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，生成科學(xué)的用能策略；同時(shí)，在能源調(diào)控區(qū)域，對(duì)能源生產(chǎn)消耗預(yù)測(cè)，根據(jù)不同的用能需求，生成協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)的最優(yōu)匹配，從而達(dá)到能源的高效利用。

3 UEI的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

UEI的實(shí)現(xiàn)仍然是基于現(xiàn)有的傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)不同區(qū)域其構(gòu)建網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有較大差異，并根據(jù)實(shí)際地區(qū)的具體特征演化成適應(yīng)其發(fā)展的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型。UEI的不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)包括了充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、虛擬電廠、微電網(wǎng)、儲(chǔ)能服務(wù)網(wǎng)、城市智能電網(wǎng)等，具有多層級(jí)交直流混聯(lián)、規(guī)范的互聯(lián)接口、靈活的自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式，具備互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征及實(shí)現(xiàn)方式，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)為中心的多種能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)，通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)和能量轉(zhuǎn)化設(shè)備建立彼此聯(lián)系，共同組成UEI，如圖4所示，該示意圖為一個(gè)簡(jiǎn)單的塊狀布局城鎮(zhèn)，圖中分為居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和核心區(qū)，包含了虛擬電廠、充換電服務(wù)網(wǎng)、微電網(wǎng)、一體化建筑群以及信息網(wǎng)絡(luò)等組成的UEI典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。UEI其實(shí)是一個(gè)較為新穎的概念，它并不是一個(gè)真實(shí)存在的網(wǎng)絡(luò)，它以電能為主，并伴隨著其他能源的相互流動(dòng)，針對(duì)于不同的城市特點(diǎn)、能源網(wǎng)絡(luò)等和電網(wǎng)之間存在著弱聯(lián)或者強(qiáng)聯(lián)的關(guān)系。

圖4中的工業(yè)區(qū)為含有風(fēng)力發(fā)電廠的微電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)孤島和并網(wǎng)運(yùn)行，并通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部供電單元的輸出，以確保電壓和頻率在允許的范圍內(nèi)。在孤島運(yùn)行下的微電網(wǎng)因不能獲取大電網(wǎng)的各類信息，必須通過(guò)自身調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電源和頻率的穩(wěn)定，此時(shí)所需的控制將更加復(fù)雜。包含光伏發(fā)電廠和風(fēng)力發(fā)電廠的兩部分微電網(wǎng)組成了VPP。充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的主體對(duì)象包括電動(dòng)汽車與充換電設(shè)施。由于電動(dòng)汽車自身所具有的交通工具屬性，因此它可能出現(xiàn)在城市的各個(gè)城區(qū)，這無(wú)形中擴(kuò)大了充換電服務(wù)網(wǎng)的覆蓋范圍。除此之外，UEI中還存在著天然氣網(wǎng)絡(luò)、供熱網(wǎng)絡(luò)等。這里對(duì)天然氣網(wǎng)絡(luò)和供熱網(wǎng)絡(luò)就不再詳細(xì)介紹。

圖4 UEI示意圖Figure 4 The structure of UEI

4 結(jié)束語(yǔ)

供給側(cè)變革是改變能源利用形式的首要措施，是實(shí)現(xiàn)EI從倡導(dǎo)走向?qū)崿F(xiàn)的重大舉措。作為二次能源的核心，電力具有連接能源供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)的重要橋梁作用，而將電力系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)大到全球能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)，形成公眾所認(rèn)可的UEI。

本文從全球能源互聯(lián)網(wǎng)的基本觀點(diǎn)出發(fā)，有針對(duì)性的研究了UEI，并給出了自己見(jiàn)解及與之對(duì)應(yīng)的特征，并將充換電服務(wù)網(wǎng)、VPP、微電網(wǎng)融入其中構(gòu)建了典型UEI基本模型，最后結(jié)合我國(guó)地貌特征描繪出不同地域的UEI假想特征，最后針對(duì)我國(guó)EI的發(fā)展?fàn)顩r總結(jié)出幾點(diǎn)關(guān)于UEI的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

對(duì)未來(lái)UEI的建設(shè)可進(jìn)一步加入天然氣網(wǎng)和自來(lái)水網(wǎng)等要素，使UEI的建設(shè)方案更加貼近工程實(shí)際，更加合理化。