2024需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

能源是人類社會生存的基礎(chǔ)，由于石油、煤中會造成環(huán)境污染，因此提高能源利用率、增加問題的必然選擇。打破各個(gè)能源系統(tǒng)之間單獨(dú)設(shè)統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，構(gòu)建統(tǒng)一的能源[1~3]。2007年頒布了能源獨(dú)立和安全法，智能電網(wǎng)被列力系統(tǒng)；2009年加拿大國會通過了能夠推動(dòng)新型能2050年溫室氣體的減排目標(biāo)和解決能源問題；歐洲是最早提作得到深化，實(shí)施了智能能源（intelligentenergy泛歐網(wǎng)絡(luò)（trans-Europeannetworks）和微網(wǎng)與多微20113億歐元，從能源供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的角度實(shí)施對多+智慧能源”相關(guān)技20157月發(fā)布了《國+把“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”列為重點(diǎn)行動(dòng)領(lǐng)域之[4]施電力和天然氣調(diào)峰能力提升、分布式能源和智能+智慧能源”等行動(dòng)計(jì)劃，顯著提高能源系統(tǒng)的智能化水平和運(yùn)行效率。2015年4月，國家能源局組織召開能源互聯(lián)網(wǎng)會議，提出和制造商正加緊探索智慧能源系統(tǒng)或能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與實(shí)踐，并取得了一系列成果。

智慧能源系統(tǒng)的核心都是希望通過先進(jìn)能源技術(shù)的應(yīng)用，提高能源的利用效率和清潔化水平，滿足多元化的能源供應(yīng)需求。本文針對需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)的特點(diǎn)、關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式、發(fā)展前景等方面進(jìn)行了介紹和展望。需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)屬于局域能源系統(tǒng)，是通???存儲?消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后所形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。它是多種能源互聯(lián)互通的新型能源系統(tǒng)，將電?熱?冷?氣等各種能源通過各類能源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)物理上的連接與交互，是多種能源高度耦合的能源資源利用和能量循環(huán)系統(tǒng)。具體來說：①區(qū)域級智慧能源系統(tǒng)由區(qū)域智能配電系統(tǒng)?中低壓天然氣系統(tǒng)?供熱冷水系統(tǒng)等供能網(wǎng)絡(luò)耦合互連組成，起到能源傳輸???平衡的“承上啟下”作用，能源系統(tǒng)之間存在較強(qiáng)耦合關(guān)系；②用戶級智慧能源系統(tǒng)以用戶智能用電?/?供水系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等耦合而成，不同類型能源間存在深度耦合關(guān)系，用戶級智慧能源系統(tǒng)又可稱為微能源網(wǎng)，區(qū)域級智慧能源系統(tǒng)內(nèi)可含有眾多的微能源網(wǎng)。1（一）分布式發(fā)電設(shè)備一般指容量較小的分散布置在用戶附近的發(fā)電設(shè)備，包括微型燃汽輪機(jī)、燃料電池、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（如風(fēng)機(jī)和光伏）[5]。一般具有效率高、體積小、污染少、運(yùn)行維護(hù)簡單等特點(diǎn)。（如電池儲能、[6]，還包含儲熱、儲氣等設(shè)施。儲氣技術(shù)主要有儲氣罐儲氣、管道儲氣等，而儲熱技術(shù)包括顯熱存儲、相變儲熱、化學(xué)反應(yīng)熱存儲等[7]。未來天然氣固態(tài)空 熱水 烤 燃?xì)忮仩t燃?xì)庠罘植际絻?儲 儲熱 熱 熱 1不同能源系統(tǒng)之間需要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，使得電、氣、熱等能量可以在彼此之間相互轉(zhuǎn)化，增加可選擇的能源供給方式，提高能源供給的經(jīng)濟(jì)性、可靠性。具體能源轉(zhuǎn)換方式主要有：電–氣––熱之間轉(zhuǎn)化等。需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)中的能量存儲和轉(zhuǎn)化示意圖，如2所示。––gasP2GP2G電轉(zhuǎn)氣設(shè)備是在電負(fù)荷低谷或可再生能源出力

/熱供應(yīng)。熱轉(zhuǎn)化技術(shù)設(shè)備主要是指電熱水器、空調(diào)–熱轉(zhuǎn)化設(shè)備，它能利用低溫?zé)崃窟M(jìn)行地?zé)岬責(zé)?廢能源需求（電、天然氣、熱、冷、交通2注：CCHP為冷熱電三聯(lián)供；CHP體外側(cè)有天然氣等化學(xué)物質(zhì)，原理如3[8]。電導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱損失被部分地存儲在傳輸介質(zhì)中，這種熱量可以在線路的末端被回收；氣流也起到冷卻電導(dǎo)體的作用。其特點(diǎn)是：①適用于多種能源的互聯(lián)互通，有較強(qiáng)通用性；②簡化了能源網(wǎng)絡(luò)形式如4[8]。其特點(diǎn)是：①多種能源的輸入輸出關(guān)系可通過耦合矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化描述；②可智能計(jì)量表具備遠(yuǎn)程本地通信、雙向計(jì)量、程斷供、與用戶互動(dòng)、自動(dòng)抄讀等功能[9]。以智3

（二）智慧能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)、信息保障技術(shù)、運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)、彈性強(qiáng)化技術(shù)、用戶側(cè)資源優(yōu)化利用技術(shù)等。規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足差異化用戶供能可靠性設(shè)計(jì)能源配送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。核心技術(shù)包括優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方法、綜合評價(jià)指標(biāo)體系及規(guī)劃設(shè)計(jì)支持[10,1]。在考慮電///熱負(fù)荷的用戶需求差異性和時(shí)空分布特性的基礎(chǔ)上，充分挖掘和利用不同能源間的互補(bǔ)替代能力，是區(qū)域級智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要工作。區(qū)域級智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)需要考慮各種時(shí)空場景下系統(tǒng)調(diào)控策略，以獲取系統(tǒng)更為全面的運(yùn)行場景信息；需充分研究系統(tǒng)內(nèi)不同環(huán)節(jié)和設(shè)備在不同場景下的特性，以獲取不同運(yùn)行模式下的運(yùn)行約束；在統(tǒng)一考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的能源利用效率、安全性、用戶舒適性、經(jīng)濟(jì)性和社會效益等因素基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；在考慮全生命周期設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，綜合系統(tǒng)不同運(yùn)行階段特征，采用多場景協(xié)同優(yōu)化分析方法實(shí)現(xiàn)問題的求解。能 入 生 熱儲4

2.智慧能源系統(tǒng)信息保障技 濟(jì)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)[12]。信息保障技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)系冷 統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的高效信息通信與交互共享，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)能到用能的全過程實(shí)時(shí)信息采集、傳輸與存儲。隨著能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息物理系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展信息網(wǎng)將與物理能源網(wǎng)實(shí)現(xiàn)深度融合，從而為系統(tǒng)提供更加信息化、數(shù)字化、透明化的運(yùn)行環(huán)境。多源信息融合的系統(tǒng)態(tài)勢感知技術(shù)旨在利用同步量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主動(dòng)控制、管理、服務(wù)，是智慧能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化和其他高級應(yīng)用的基礎(chǔ)。智慧能源系統(tǒng)中各種能源耦合度高，通過不同能源的互補(bǔ)和梯級利用，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)能效的對智慧能源系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化需要考慮多種約束條件，在多種目標(biāo)間尋求平衡，如5所示。運(yùn)行優(yōu)化過程實(shí)際是對多種能源的綜合調(diào)度過程，與電力系統(tǒng)中的機(jī)組組合優(yōu)化和優(yōu)化調(diào)度類似，不同之處在于需要考慮的目標(biāo)函數(shù)和約束條件更為復(fù)雜[13,14]?在運(yùn)行優(yōu)化時(shí)，需要平衡多種利益關(guān)系、考慮更多因素的影響，例如需要平衡系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性之間的矛盾；需要平衡

能源可持續(xù)性、能源利用效率和用能經(jīng)濟(jì)性之間???高度非線性和隨機(jī)性的復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)，其彈性主要指系統(tǒng)對高風(fēng)險(xiǎn)、小概率擾動(dòng)事件的抵御能力，強(qiáng)調(diào)在面臨無法避免的擾動(dòng)時(shí)能有效利用各種資源靈活應(yīng)對，維持盡可能高的運(yùn)行水平，并迅速恢復(fù)系統(tǒng)性[15,16]。反映系統(tǒng)彈性特征的指標(biāo)包含魯棒性、[17,18]。魯棒性描述系統(tǒng)承受外界擾動(dòng)或壓力的能力；冗余性描述系統(tǒng)中備用設(shè)備或系統(tǒng)在災(zāi)害中的可用性；有源性描述投入資源維持系統(tǒng)關(guān)鍵功能的能力；敏捷性描述系統(tǒng)快速恢復(fù)關(guān)鍵功能、減小能源損失的能力。智慧能源系統(tǒng)是提高能源供應(yīng)彈性的重要舉措。借助微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等多樣化的能源接入與轉(zhuǎn)化裝置，在外部供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠快速生產(chǎn) 根據(jù)能源互動(dòng)特性進(jìn)行需求響應(yīng)控5傳統(tǒng)的用戶側(cè)資源利用技術(shù)主要是指電負(fù)荷的需求側(cè)管理，它建立在用戶可調(diào)電負(fù)荷基礎(chǔ)上，有一定的局限性。在智慧能源系統(tǒng)中，用戶側(cè)資源優(yōu)化利用技術(shù)對用戶側(cè)不同能源系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行管理，可有效提高能源的綜合利用水平，節(jié)約用戶用能成[19~21]，這需要通過用戶側(cè)綜合資源優(yōu)化管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)家庭用戶資源優(yōu)化管理系統(tǒng)，如6所示，智能能源集線器允許用戶監(jiān)視并控制所用能源設(shè)備，具有自優(yōu)化功能，在充分利用不同能與需求側(cè)管理計(jì)劃。

在管理方法上按照互聯(lián)網(wǎng)理念，運(yùn)用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和使用的智能化，相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，具體體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面。（一）[22,23]，多元發(fā)展的能源結(jié)構(gòu)和多輪驅(qū)動(dòng)的能源供應(yīng)體系；分布式能源將快速發(fā)展。屋頂光伏、電動(dòng)汽車等各類單一容量小、總體數(shù)量大的分布式資源在地域上具有分散的特性，能夠就地收集、存儲和利用這些資源的需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)是高效、便捷利用這些資源的有效途徑。（二）信息技術(shù)和信息化的管理模式將在需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)體系中不斷深化發(fā)展。這包括兩層含義：首先，信息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)的前提。深化發(fā)展信息技術(shù)，電流、電壓、氣壓、流量、溫度等各類傳感器和嵌入式數(shù)據(jù)采集器的大量、廣泛應(yīng)用是基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是媒介，高效、智[24]。只有在這一基礎(chǔ)上，智冷卻水 中央空調(diào)控制單 冷凍水 綜合需求響應(yīng)控制單 集水能源分配單元電/氣/空 熱水器烤 控制信電/氣/暖 微燃機(jī)灶中 電空 汽 電能源分配單 集線

電能； 天然氣； 信號6用戶需求數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)及其他各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化利用的目標(biāo)。其次，能量的“信息化管理”模式，是智慧能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡供需、優(yōu)化能源應(yīng)[25,26]。例如為應(yīng)對分布式電源和各類負(fù)荷在能量生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)所具有的間歇性和隨機(jī)性，儲能裝置是關(guān)鍵的能量緩沖單元。從信息論的角度理解，引入儲能實(shí)際上是將能量在調(diào)配過程中從連續(xù)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散量，這一轉(zhuǎn)變使得智慧能源系統(tǒng)可以按照信息互聯(lián)網(wǎng)管控信息流的機(jī)制對離散化的能量流進(jìn)行調(diào)度。（三）相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)將使商業(yè)模式有望實(shí)現(xiàn)重大突[27]。參與主體更多、進(jìn)入門檻更低、方式更為靈活的模式創(chuàng)新將不斷產(chǎn)生。以互聯(lián)網(wǎng)為載體，能夠?qū)⒛茉聪到y(tǒng)中分散化的用戶、差異化的能源、多元化的商業(yè)主體緊密聯(lián)系起來，擴(kuò)大市場成員的交互范圍與頻度，降低交易成本，顯著提高市充分、多邊對等、主動(dòng)參與的全新能源系統(tǒng)生態(tài)。燃?xì)?、熱力公司控股或參股等方式組建綜合能源服務(wù)公司從事市場化供能、售能等業(yè)務(wù)，積極推行合[28~30]，加快構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的智慧用能信息化服務(wù)平臺，可為用戶提供開放共享、靈活智能的綜合能源供應(yīng)及增值服務(wù)。2030年，智慧能源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)及其如下：實(shí)驗(yàn)示范階段。當(dāng)前，智慧能源系統(tǒng)相關(guān)技各種仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及示范工程初步建立。隨著智慧能源系統(tǒng)相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展，智慧能源系統(tǒng)工程示范逐漸成熟并開始向社會推廣。在此階段，智慧能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)逐漸成熟，能夠應(yīng)用于一些實(shí)際商業(yè)化運(yùn)行的項(xiàng)目。市場上的公司廣泛掌握關(guān)鍵核心技術(shù)，技術(shù)壁壘降低。國家和

應(yīng)用推廣階段。2020—2025年，為我國需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)市場化蓬勃發(fā)展的階段。在此階段，智慧能源系統(tǒng)的設(shè)備制造、優(yōu)化控制、規(guī)劃設(shè)計(jì)等核心技術(shù)逐漸成熟，能夠基本滿足實(shí)際項(xiàng)目的需求，并且各項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中得到很好的驗(yàn)證和利用。國家對于促進(jìn)智慧能源系統(tǒng)發(fā)展的政策已相對完善，市場活力增強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)更多鼓勵(lì)和發(fā)展合同能源管理型以及自用型智慧能源系普遍應(yīng)用、完全市場化階段。2025—2030需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)成熟，我國智慧能源系統(tǒng)高度市場化，除供能公司之外，大批獨(dú)立運(yùn)營商甚至個(gè)人選擇投資區(qū)域和用戶級智慧能源系統(tǒng)，且市場對價(jià)格的調(diào)整已可以基于成本定價(jià)，價(jià)格合理、競爭充分，需求側(cè)智慧能源系統(tǒng)成為全社會普遍采用的能源供應(yīng)模式。智慧能源系