“智慧+綜合能源服務系統”的理念與思考

張 濤 王培紅

1.東南大學能源與環境學院

2.江蘇省能源研究會

常規化石能源的過度消費及其引發的環境污染、全球氣候變暖、和海平面上升等問題[1]，不僅成為制約我國經濟可持續發展的主要制約因素，也成為我國承擔大國責任、構建人類命運共同體必須面對的嚴重挑戰。

實現能源的高效清潔利用包含常規能源的高效利用、新能源的規模化利用和溫室氣體的資源化利用等多種途徑，其中，大幅度提升可再生能源的消費比重是實現低碳發展的主要途徑之一。美國、日本、加拿大以及歐盟分別制定了高比例的可再生能源發展規劃，以應對全球減排和控制溫升的目標[2-5]。

可再生能源雖然具有環境友好等屬性，但普遍具有能量密度低、不穩定且受自然條件影響大等特點，同時，大規模消納可再生能源還面臨著增量成本高、影響電力系統穩定性等經濟和技術制約的問題。

因此，構建新型“智慧+綜合能源服務系統”，通過建立新型協同機制（既包含供應側傳統能源與新能源等多能源間的協同供能；又包含供應側與需求側間的協同供能），并運用現代信息和最優化等技術手段，達到能源的高效和清潔利用的目標，具有十分重要的意義。

1 “智慧+”的內涵

隨著大數據技術、云計算技術、物聯網技術和移動通信技術的快速發展，“智慧+”在不同領域的應用日益廣泛。例如，為滿足日常生活和交通出行的便捷化，“智慧家居[6]”和“智慧交通[7]”應運而生；再如，為滿足城市管理現代化的需要，“智慧城市[8]”也有了不同的實現手段和示范應用。

“智慧+”與各行各業不同需求相結合的趨勢日益明顯，為此，必須充分理解“智慧+”的具體內涵。

我們認為：“智慧+”是一種基于信息技術最新成果并展現人文精神的創新型服務體系，一般包含“感知”、“協同”和“優化”三個部分。

以人類“智慧”為例，初級的“智慧”幾乎等同于本能，例如，人們可以“感知”溫度，當感覺到“燙”之后，本能的動作是“協同”肌肉，達到遠離高溫物體的“優化”結果。隨著人類的學習與知識積累，“智慧”的程度或等級不斷提升，亦表現為“感知”、“協同”和“優化”等三個方面能力的不斷提升。

此外，“智慧+”的內涵隨行為主體的差異化需求而不同。以“智慧交通”為例，對交通設施的產權單位而言，更多關注的是交通設施的健康識別、維護保養周期優化等；對交通管理部門而言，關注的是城市交通的通行效率（如平均車速）及高效疏導交通和快速處理事故等；對于機動車駕駛員而言，關注的是出行道路的優選、事故處理和事故救援等。可見，不同行為主體對“智慧+”的要求也是不同的。

2 綜合能源服務系統

能源服務是重要的公共服務之一，本文從政府能源管理的角度探討的綜合能源服務。

綜合能源服務系統的服務對象：（1）能源供應商，包括傳統一次能源供應商：如煤炭、石油和天然氣；基于煤炭的電力和熱力等二次能源供應商以及可再生能源供應商，如太陽能光伏電站、風電站、生物質能（含垃圾）發電廠等；（2）能源消費用戶，包括工業用戶、交通運輸企業、大型商業用戶和教科文衛體等大型公用事業單位用戶、城市居民等；（3）能源輸送企業，如電力輸配網及相關企業、熱力管網及相關企業、天然氣管網及相關企業等。

綜合能源服務系統的目標：（1）促進全社會非碳能源的規模化利用；（2）提升供能企業和用能企業的經濟效益；（3）提升全社會的能源利用效率。

綜合能源服務的技術需求：（1）供能側多種能源的協同保障，包括天然氣（含天然氣分布式能源三聯供系統）、煤炭和成品油等一次能源的均衡供應，電力、熱水和蒸汽等二次能源的穩定及可靠供應，以及光伏電站、風力發電的就地消納和余電上網；（2）用能側的合理用能與協同響應，如工業用戶的分時序均衡用能、大型公建及居民建筑的光伏屋頂的發-用-儲協同，城市公共交通系統的電氣化以及電池儲能站協同等；（3）能源網絡中供需側協同，如電力、熱力和煤氣等能源網絡連接供能側與用戶側，當兩者需求差異過大時，將引起能源網路系統參數的波動（如電網中的電壓和周波以及熱力和天然氣管網內工質壓力等）。供需側協同的目標是：在保證能源系統安全的前提下，以犧牲部分能源網絡參數，換取供需側用能出現短暫不平衡，并擴大系統接納不穩定可再生能源的發電量，同時也可降低供能系統的儲能或者熱備用需求等社會資源的投入。

3 “智慧+綜合能源服務系統”的主要內容

面對綜合能源服務的多樣化需求，需要構建“智慧+綜合能源服務系統”。

“智慧+綜合能源服務系統”需要“感知”以下多方面的信息：（1）供應側信息：煤炭、天然氣、成品油等傳統一次能源供應信息（品種、數量及其空間和時間分布等信息）；（2）電力、蒸汽和熱水等二次能源信息（品種（含電壓等級）、數量及其空間和時間分布等信息）；（3）可再生能源發電（如風電、光伏發電的時空分布及其并網信息等）；（4）其他（如天然氣分布式三聯供系統供能信息、儲電能力和儲熱能力及其時空分布信息等）。

“智慧+綜合能源服務系統”的“協同”具有跨區域、跨行業、多尺度、多品種的協同。協同的機制多種多樣，有價格政策、財稅政策和政府規章等多種形式，這里主要關心其多樣性和協同原則。例如：基于能效的協同原則是分布式能源供能優先（含價格激勵等）；基于環保的協同原則是可再生能源優先（含綠證制度等）；基于成本的協同原則是低價的谷電優先；基于性能的協同原則是在保證安全的前提下適度犧牲性能的原則……可見，協同原則是體現供能方、用能方或者政府管理者的服務理念與目標。

“智慧+綜合能源服務系統”的“優化”是指達成最優目標的行為。往往表現為：兼顧環保、能效和成本的多目標優化及與之對應的運行策略、運行方式、運行參數等優化解。

多目標優化的一般步驟是：（1）構建優化問題的數學描述。包括各類供用能系統及其設備的響應特性建模、最優化的多目標構建，約束條件的確定等；（2）優化算法，包括傳統的運籌學優化算法和新興的人工智能優化算法等；（3）優化解的決策與解析。多目標優化算法可以求解一組滿足條件的優化解集，由管理者決策采用最優解。

4 結論

（1）“智慧+”是一種集成創新技術。是基于“大數據”、“云計算”、“物聯網”和“移動通信”最新技術成果，并根據實際應用對象的不同需求所進行的一種再創新。

（2）“智慧+”具有鮮明的人本主義特征。不同的行為主體有不同的需求和應用內涵，所以有時候相同或相似的名稱有非常不同的內涵表征。

（3）“智慧+”包含“感知”、“協同”和“優化”等三個環節，其中，“協同”水平是決定“智慧+”應用效果的最重要的因素，也是需要在“智慧+”系統建設中不斷完善和改進的環節。

1. 白建華, 辛頌旭, 劉俊,等. 中國實現高比例可再生能源發展路徑研究[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(14)：3699-3705.

2. NREL. Renewable electricity futures study [EB/OL]. USA： Golden C O,2012[2012-06-19]. http：//www.nrel.gov.

3. NEB. Canada’s energy future 2013： Energy supply and demand projections to 2035 [EB/OL]. Canada： NEB, 2013. http：//www.neb-one.ga.ca.

4. 新華網.日本公布可再生能源發展新戰略[EB/OL].新華網, 2012[2012-08-31]. http：//news.xinhuanet.com/world/2012-08/31/c_112919092.htm．

5. European Commission．Energy for the future： renewable resources of energy white paper for a community strategy and action plan[EB/OL]. Brussels： European Commission, 1997[1997-11-26]. http：// www.economicsweb institute.org．

6. 智慧家居時代[J]. 現代商業,2017,(19)：10-16.

7. 曹小曙, 楊文越, 黃曉燕. 基于智慧交通的可達性與交通出行碳排放——理論與實證[J]. 地理科學進展, 2015, 34(4)：418-429.

8. 甄峰, 秦蕭. 智慧城市頂層設計總體框架研究[J]. 現代城市研究,2014(10)：7-12.