城市能源互聯網研究綜述

唐 虎，陳愛倫，崔 浩，朱英偉

（1.國網四川省電力公司德陽供電公司，四川省德陽市 618000；2.國網湖北省電力公司襄陽供電公司，湖北省襄陽市 421000；3.四川大學電氣工程學院，四川省成都市 610000）

0 引 言

隨著全球能源格局的變動、環境惡劣化趨勢逐步嚴峻，對能源的利用形式也不斷改變。如何轉變能源生產、配置和消費方式、優化能源結構、開發利用清潔能源、改善生態環境等成為各國面臨的共同難題[1]。

美國學者J.Rifkin的《第三次工業革命》[2]和國家電網公司原董事長劉振亞的《全球能源互聯網》[3]均提出將可再生能源技術和互聯網技術相互融合，形成新型的能源利用模式：能源互聯網（energy internet，EI）。樹立全球能源觀，構建EI是推動能源變革的一大途徑，這不僅關系到能源技術的變革，更是人類生活方式的轉變[4]。

目前，國內外相關學者和機構對EI的研究已有很多，不同國家對EI研究的異同點如表1所示。從理論研究方面，文獻[5]研究了EI背景下的儲能在能量發、輸、配和用及多能源系統互聯中的應用，并提出當前儲能裝置所面臨的挑戰；文獻[6]研究了網絡連通矩陣分析穩定性方法分析EI的連通性來實現大電網的互聯；文獻[7]研究了基于區塊鏈技術的EI建設，同時以不同場景描述該技術在EI中的應用方式；文獻[8]以實例研究城市能源互聯網（urban energy internet，UEI）功能體系及應用方案，探索了未來UEI的管理方案和商業模式；文獻[9]研究了清潔能源的輸送通道問題，并結合亞歐現狀提出適合其發展的兩種電力傳輸方案；文獻[10]對亞歐洲際電能輸送模式進行探討，提出的模型來研究清潔能源輸送的財務生存力；文獻[11]從不同角度分析UEI對電力系統的影響，并提出實現UEI的關鍵技術體系。

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

上述文獻研究對全球能源互聯網的建設提供了較為豐富的理論依據，然而對UEI的研究較為稀少。本文在各位前輩研究的基礎上，重點研究UEI的基本觀念和相關特征，并介紹以充換電服務網、微電網和虛擬發電廠（virtual power plant，VPP）在內的UEI基本網架結構，同時結合我國不同城市的地理特征總結出UEI的構建方案，并分析了UEI未來發展趨勢。

1 EI的分類

EI作為一項跨領域的前沿概念，對其研究和定義也在不斷的更替，學術界也沒法給出一個所有人都認可的標準化定義[12]，雖然難以定義，但對EI的組成形式研究仍顯得至關重要。綜合現有文獻對EI的研究成果，本文將EI的發展形態概括為：家庭型EI、建筑型EI、社區型EI、城市型EI、國家型EI、全球型EI[13-16]，這里簡要介紹前四類。

1.1 家庭型EI

家庭型EI是EI的一類子網，具有數量龐大、分布廣泛的特點。家庭型EI以電能的利用為核心，側重于智能家居、電動汽車等主動性負荷參與市場需求側響應（demand response，DR）并同被動型負荷和儲能裝置間的互動，互動關系涉及能量、信息等的流動。對于家庭型EI的結構示意圖如圖1所示。

圖1 家庭型EI結構示意圖Figure 1 The structure of family EI

從圖1可以看出，包括家庭型EI涵蓋屋頂發電系統、屋內可控負荷、屋外電力網絡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，同時加上對天然氣、自來水等多種能源的利用。建筑型EI主要實現能源的就地消納問題，實現多能互補利用，如圖2所示。建筑型EI是以建筑框體為依托，能源供給體系設計到太陽能、風能、地熱能等，并通過不同能源間的互補來提升能源的綜合利用效率。

圖2 建筑型EI結構示意圖Figure 2 The structure of architectural EI

1.3 社區型EI

社區型EI在建筑型EI的基礎上融入了交通運輸網，構建了不同需求側間的預測體系，實現多能源間的消納、互補及轉換并通過能量管理系統實現實時平衡關系，這類EI的構造圖如圖3所示。

社區型EI是以GPRS為依托將各業務系統（用電信采集、SG186、智能家居系統、配電自動化系統等）進行深度融合。特別是目前5G的運用將對業務系統的通信提供更加便捷的通信信道，同時也更加適合信息網絡安全的需求。這些系統通過供電公司內外網的交互進行不同資源的輸入及輸出，為分析該社區型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系統，內部具有完備的生產、輸送、消納能量的載體，并具有多種系統對不同能量進行優化以實現最大化利用，并通過共享和互動機制實現了不同能源間的轉換、存儲。

對于該種類型的EI電力網由電、氣、熱網等聯合供能，電網連接風電、光伏、儲能、電動汽車充電站及儲能電池、服務器等裝置，通過能源交易平臺，將能源互聯開放平臺互聯信息網絡和多能源協調管理系統聯系起來。

2 UEI的概念及特征

綜合國內外對EI/UEI的研究，仍沒有統一的概念性及理論模型的定論。德國E-Energy是推動供區用戶實現能源的高效利用及地區電網的可靠供電，并利用信息通信技術實現能源與消費的最優化；北京市延慶地區的EI示范工程指出UEI是以交直流主動配電網的網架構建為核心，能源管理與公共服務中心建設為智能中樞，實現商業化的多能源綜合利用。

圖3 社區型EI結構示意圖Figure 3 The structure of community EI

綜合來看，UEI是在人口密集，負荷集中的城市范圍內，以智能配電網為核心，供氣、供暖、供冷、電氣化交通網等網絡高度耦合，建設開放互動的公共服務中心和能量管理，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，從而實現能量流、信息流和價值流一體化融合的能源生態系統。UEI在整個EI體系中起到承上啟下的作用，不同類型社區型EI的聚合就構成看UEI，不同類型UEI的聚合又稱為國家乃至全球型EI。

UEI的構建有助于實現能源的多級、高效利用，有助于實現信息流、能量流、資金流的統一，具有以下特征：

（1）多類型能源相互融合。UEI能夠促進多能源行業的相互融合，實現跨越時間及空間的能源利用，形成一套適合UEI內部參與體的新型能源供應、輸送、利用網絡。

（2）多方參與管理模式。在技術層面，利用大數據管理平臺的歷史數據和信息挖掘，為企業聯盟提供數據，模型和記錄參考。在物理層面上，UEI的開放性實現即插即用性能源的隨時性接入問題，改變以往能源單一性流動問題。

（3）能源的高效利用。UEI通過建立用能能效模型，結合區域用戶用能模式、用能習慣以及用能設備特性，對用戶的用能數據進行綜合分析，生成科學的用能策略；同時，在能源調控區域，對能源生產消耗預測，根據不同的用能需求，生成協調優化控制策略，實現能源生產與消費的最優匹配，從而達到能源的高效利用。

3 UEI的網架結構

UEI的實現仍然是基于現有的傳統電力網絡，針對不同區域其構建網架拓撲結構也有較大差異，并根據實際地區的具體特征演化成適應其發展的網架結構模型。UEI的不同網架結構包括了充換電服務網絡、虛擬電廠、微電網、儲能服務網、城市智能電網等，具有多層級交直流混聯、規范的互聯接口、靈活的自組網結構模式，具備互聯網拓撲結構特征及實現方式，可實現電網為中心的多種能源網絡互聯。

不同網架結構相互獨立又互相關聯，通過信息網絡和能量轉化設備建立彼此聯系，共同組成UEI，如圖4所示，該示意圖為一個簡單的塊狀布局城鎮，圖中分為居民區、商業區、工業區和核心區，包含了虛擬電廠、充換電服務網、微電網、一體化建筑群以及信息網絡等組成的UEI典型網架結構。UEI其實是一個較為新穎的概念，它并不是一個真實存在的網絡，它以電能為主，并伴隨著其他能源的相互流動，針對于不同的城市特點、能源網絡等和電網之間存在著弱聯或者強聯的關系。

圖4中的工業區為含有風力發電廠的微電網，可實現孤島和并網運行，并通過優化內部供電單元的輸出，以確保電壓和頻率在允許的范圍內。在孤島運行下的微電網因不能獲取大電網的各類信息，必須通過自身調節實現內部電源和頻率的穩定，此時所需的控制將更加復雜。包含光伏發電廠和風力發電廠的兩部分微電網組成了VPP。充換電服務網絡的主體對象包括電動汽車與充換電設施。由于電動汽車自身所具有的交通工具屬性，因此它可能出現在城市的各個城區，這無形中擴大了充換電服務網的覆蓋范圍。除此之外，UEI中還存在著天然氣網絡、供熱網絡等。這里對天然氣網絡和供熱網絡就不再詳細介紹。

圖4 UEI示意圖Figure 4 The structure of UEI

4 結束語

供給側變革是改變能源利用形式的首要措施，是實現EI從倡導走向實現的重大舉措。作為二次能源的核心，電力具有連接能源供應側與需求側的重要橋梁作用，而將電力系統進一步擴大到全球能源互聯網領域內，形成公眾所認可的UEI。

本文從全球能源互聯網的基本觀點出發，有針對性的研究了UEI，并給出了自己見解及與之對應的特征，并將充換電服務網、VPP、微電網融入其中構建了典型UEI基本模型，最后結合我國地貌特征描繪出不同地域的UEI假想特征，最后針對我國EI的發展狀況總結出幾點關于UEI的未來發展趨勢。

對未來UEI的建設可進一步加入天然氣網和自來水網等要素，使UEI的建設方案更加貼近工程實際，更加合理化。