摘要：以智慧能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)已成為國(guó)家“十三五”能源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。多能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的物理基礎(chǔ)。文中首先介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)與多能源系統(tǒng)的基本概念，在此基礎(chǔ)上從能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值實(shí)現(xiàn)的角度闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃優(yōu)化及商業(yè)模式構(gòu)建的思路。最后，以山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)為實(shí)例，對(duì)太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景、潛在價(jià)值、關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)幾個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞 : 能源互聯(lián)網(wǎng);多能源系統(tǒng);協(xié)同規(guī)劃;商業(yè)模式;綜合需求響應(yīng)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目(51620105007);山西電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)(運(yùn)營(yíng)模式)研究與示范應(yīng)用”。

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)已成為人類發(fā)展獲取信息的主要基礎(chǔ)設(shè)施，基于互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新層出不窮，李克強(qiáng)總理在2015年工作總體部署中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”，并期待基于互聯(lián)網(wǎng)我國(guó)能創(chuàng)造出更多的新技術(shù)、新模式[1]。作為支撐人類文明發(fā)展的另一種基礎(chǔ)元素—能源，其發(fā)展相對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)而言，在靈活性、開(kāi)放性、可擴(kuò)展性等方面都制約了相關(guān)創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)展，轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、創(chuàng)新能源消費(fèi)等都是能源領(lǐng)域改革面臨的巨大挑戰(zhàn)。以可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合為手段的能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)成為國(guó)家“十三五”能源領(lǐng)域戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)智能電網(wǎng)方向的重大工程[2]。

能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)思維與理念構(gòu)建的新型信息—能源融合“廣域網(wǎng)”，它以大電網(wǎng)為“主干網(wǎng)”，以微網(wǎng)、分布式能源等能量自治單元為“局域網(wǎng)”，以開(kāi)放的信息—能源一體化架構(gòu)最大限度地適應(yīng)分布式可再生能源的接入，真正實(shí)現(xiàn)自底向上的能量對(duì)等分享[3]。在關(guān)鍵技術(shù)突破方面，能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)現(xiàn)有能源技術(shù)提出了更高要求，并提供了能量路由器、儲(chǔ)能、分布式發(fā)電、柔性交/直流輸電技術(shù)、電力電子技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)[4]等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的綜合應(yīng)用平臺(tái)。在社會(huì)影響方面，能源互聯(lián)網(wǎng)將推動(dòng)能源供給體系的變革，推動(dòng)能源技術(shù)革命，促進(jìn)電力體制改革，支撐社會(huì)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，創(chuàng)新商業(yè)模式、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、形成新增長(zhǎng)點(diǎn)。

能源互聯(lián)網(wǎng)在縱向可以劃分為三層，從低層至頂層依次為物理層、信息層和商業(yè)模式層，如圖1所示。能源互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)信息能量深度耦合以及多能源系統(tǒng)的廣泛集成，能夠?qū)崿F(xiàn)電能、冷、熱能的高效生產(chǎn)、靈活控制以及智能利用，促進(jìn)可再生能源的大幅接入，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放、靈活互動(dòng)的電能交易形式，能夠深入挖掘用戶需求響應(yīng)潛力，最終整體提高終端能源的使用效率，降低能源生產(chǎn)成本，減少全社會(huì)碳排放量[5]。從能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的角度而言，通過(guò)靈活控制區(qū)內(nèi)能量生產(chǎn)環(huán)節(jié)、降低傳輸環(huán)節(jié)能耗、增強(qiáng)能源供應(yīng)可靠性，利用價(jià)格信號(hào)充分協(xié)調(diào)不同時(shí)間、空間以及能源形式的使用，大幅度提高終端能源生產(chǎn)與利用效率，從而創(chuàng)造額外的商業(yè)價(jià)值;對(duì)用戶而言，能夠通過(guò)合理安排能源利用，降低能源使用費(fèi)用，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本;從能源互聯(lián)網(wǎng)投資商的角度，通過(guò)投資能源互聯(lián)網(wǎng)中新能源發(fā)電、冷熱電聯(lián)供、先進(jìn)信息以及控制技術(shù)，降低了多能源系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)了充分的收資回報(bào)。

我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)城市級(jí)/園區(qū)級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。為落實(shí)《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(發(fā)改能源〔2016〕392號(hào))[6]、《國(guó)家能源局關(guān)于組織實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目的通知》(國(guó)能科技〔2016〕200號(hào))[7]等有關(guān)要求，國(guó)家能源局在2017年6月底公布了首批55個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目[8]，其中城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范項(xiàng)目12個(gè)、園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范項(xiàng)目12個(gè)、其他及跨地區(qū)多能協(xié)同示范項(xiàng)目5個(gè)。多能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃是這些示范工程面臨的首要問(wèn)題。

集成電、氣、熱、冷等不同形式能源的多能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)。多能源系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃能夠有效地考慮各個(gè)能源系統(tǒng)之間的互補(bǔ)和耦合關(guān)系，彌補(bǔ)原來(lái)各個(gè)能源系統(tǒng)分開(kāi)單獨(dú)規(guī)劃的不足。然而目前，我國(guó)的電力、熱力、燃?xì)獾饶茉聪到y(tǒng)均處于各自分立管理、單獨(dú)規(guī)劃的狀態(tài)。另外，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)、電熱泵、吸收式制冷機(jī)等分布式能源技術(shù)的發(fā)展，不同形式的能源在生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)的耦合關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜、耦合作用越來(lái)越強(qiáng)，這也在客觀上迫使業(yè)界對(duì)多能源系統(tǒng)展開(kāi)研究[9-11]。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)—多能源系統(tǒng)

廣義的多能源系統(tǒng)(Multiple Energy Systems，MES)是指煤炭、天然氣、石油、核能、水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等多種形式能源的開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)備、運(yùn)輸、調(diào)度、控制、管理、使用等環(huán)節(jié)所組成的大系統(tǒng)。多能源系統(tǒng)將所有一次能源通過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化與傳輸，最終以電、熱/冷、燃料等形式為人類生產(chǎn)與生活提供動(dòng)力[12]。圖2給出的是一個(gè)典型的面向可再生能源消納的多能源系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖。

電力、熱力、燃?xì)獾榷嗄茉聪到y(tǒng)進(jìn)行融合與協(xié)同優(yōu)化，充分考慮各能源系統(tǒng)的互補(bǔ)特性，對(duì)于提升能源利用效率，降低能源開(kāi)發(fā)與利用對(duì)環(huán)境的影響，促進(jìn)可再生能源消納具有重要意義。在多種能源形式中，電能是應(yīng)用最廣泛的能源形式，電力系統(tǒng)是智能化程度最高的能源系統(tǒng)，同時(shí)承擔(dān)著利用水能、風(fēng)能以及太陽(yáng)能的任務(wù)。為此，以電力為核心，以能源高效清潔利用為目標(biāo)，以大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)消納為背景，研究電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)以及天然氣系統(tǒng)組成的多能源系統(tǒng)的集成與協(xié)調(diào)優(yōu)化是目前的研究熱點(diǎn)。國(guó)際上將該問(wèn)題稱為“能源系統(tǒng)集成”(Energy Systems Integration，ESI)，是應(yīng)對(duì)能源高效清潔利用的有效途徑。

美國(guó)國(guó)家能源部于2001年提出了能源集成系統(tǒng)(Integrated Energy System，IES)研究計(jì)劃，其目標(biāo)在于保證能源系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的前提下，提高可再生能源在能源系統(tǒng)中的占比，并促進(jìn)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等多能源集成技術(shù)的應(yīng)用與推廣[13]。德國(guó)政府于2010發(fā)布了《德國(guó)能源構(gòu)想草案》(Draft German Energy Concept)，著重突出了各能源系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運(yùn)行的機(jī)制設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并于2011年啟動(dòng)了能源研究方案的制定與實(shí)施工作，其中廣泛涉及新能源發(fā)電、儲(chǔ)能等多能源系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)的研究。丹麥政府大力支持分布式可再生能源的發(fā)展，利用生物質(zhì)能進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱，致力于高比例可再生能源的消納，并試圖通過(guò)電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)和交通網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃和運(yùn)行，設(shè)計(jì)相應(yīng)能源市場(chǎng)機(jī)制，充分調(diào)動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)資源，力爭(zhēng)在2050年之前實(shí)現(xiàn)新能源占比100%[14]。國(guó)際上的專家學(xué)者在2014年成立了能源系統(tǒng)集成國(guó)際聯(lián)合研究會(huì)(The International Institute for Energy Systems Integration，IIESI)，目的是為了解決能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化問(wèn)題。IIESI目前已經(jīng)分別在美國(guó)、丹麥以及日本召開(kāi)了三次國(guó)際性會(huì)議，在國(guó)際上迅速發(fā)展。

瑞士于2003年啟動(dòng)的“未來(lái)能源網(wǎng)絡(luò)愿景(Vision of Future Energy Networks)”研究項(xiàng)目中首次提出了能量樞紐(energy hub，EH)的概念[15]。能量樞紐的概念將一個(gè)多能源系統(tǒng)抽象成為一個(gè)輸入—輸出雙端口網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為一個(gè)多能源系統(tǒng)內(nèi)部電、氣、熱、冷等能源之間的耦合關(guān)系從系統(tǒng)外部來(lái)看，都是輸入的各種形式的能源，最終轉(zhuǎn)換為其他形式的能源，以滿足系統(tǒng)輸出端的負(fù)荷需求。能量樞紐的輸入和輸出通過(guò)一個(gè)耦合矩陣建立聯(lián)系。能量樞紐建模方法具有高度的抽象性，無(wú)論多能源系統(tǒng)的規(guī)模大小，都能通過(guò)能量樞紐這一模型工具進(jìn)行規(guī)范化地描述[16-17]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于能量樞紐在多能源系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行中的應(yīng)用也已經(jīng)開(kāi)展了詳細(xì)的研究[18-19]。

2 從價(jià)值實(shí)現(xiàn)的角度看能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃

能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃就是回答能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值來(lái)自哪里、怎樣實(shí)現(xiàn)、怎樣分配的問(wèn)題。能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值源于多能源系統(tǒng)的集成、耦合與互補(bǔ)，最大化多能源系統(tǒng)之間的集成效益是能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo);能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)要基于具體的規(guī)劃方法與方案;要實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造價(jià)值的合理分配，則需要合理的商業(yè)模式設(shè)計(jì)。

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值來(lái)源—多能源系統(tǒng)集成

能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值來(lái)源于多能源系統(tǒng)的集成，包括電力與天然氣系統(tǒng)集成、電力與熱力系統(tǒng)集成等。

現(xiàn)階段中國(guó)燃?xì)鈾C(jī)組在電力系統(tǒng)中所占比重較小，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行往往不考慮天然氣網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行工況。而實(shí)際上，天然氣的輸送及供應(yīng)能力會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中燃?xì)鈾C(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生影響，如果燃?xì)鈾C(jī)組同時(shí)承擔(dān)熱力負(fù)荷，那么氣網(wǎng)的運(yùn)行狀況還會(huì)對(duì)熱力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，在能源系統(tǒng)集成時(shí)，需建立精細(xì)化氣網(wǎng)模型，將燃?xì)獾墓?yīng)能力及天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行狀況考慮進(jìn)去。C.Unsihuay與J.W.Marangon[20]建立了天然氣和電力系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型，模型中考慮了壓氣機(jī)與儲(chǔ)氣設(shè)施的影響，采用進(jìn)化策略算法并結(jié)合內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行求解。伊利諾伊理工大學(xué)的M.Eremia[21]將天然氣管網(wǎng)約束加入到機(jī)組組合模型中，綜合考慮了燃?xì)夂贤约叭細(xì)夤艿垒斔湍芰Φ认拗茥l件。

電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的集成，除需保證電力系統(tǒng)自身的安全運(yùn)行以外，還需滿足熱力系統(tǒng)的相關(guān)約束，需要建立熱力系統(tǒng)的運(yùn)行模型。熱力系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)，其能量傳輸過(guò)程具有明顯的延時(shí)與損耗，同時(shí)，其水力過(guò)程與熱力過(guò)程相互耦合，使得整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外還有許多關(guān)于電熱協(xié)調(diào)運(yùn)行的研究，分析如何打破“以熱定電”原則，促使熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組靈活運(yùn)行。龍虹毓等人[22]基于采暖熱水負(fù)荷和電力負(fù)荷等約束，建立了對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組節(jié)能優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，并基于我國(guó)現(xiàn)行電價(jià)和供暖熱價(jià)，討論了風(fēng)電供暖的上網(wǎng)電價(jià)問(wèn)題。Nuytten等人[23]分析了加裝儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的作用，同時(shí)比較了集中式儲(chǔ)熱與分布式儲(chǔ)熱這兩種情況下的效益問(wèn)題。Lund等人[24]針對(duì)丹麥的風(fēng)電消納問(wèn)題提出了兩種策略，一種是開(kāi)拓歐洲市場(chǎng)，將剩余風(fēng)電售到周邊國(guó)家，另一種是將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與電制熱裝置和儲(chǔ)熱裝置結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電熱解耦，增強(qiáng)熱電機(jī)組的調(diào)峰能力，并著重分析了第二種策略的經(jīng)濟(jì)效益。總體而言，國(guó)內(nèi)的相關(guān)學(xué)者更多的著眼于如何在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電熱耦合約束的條件下，通過(guò)合理的電、熱負(fù)荷分配，充分挖掘熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的新能源消納潛力;而國(guó)外學(xué)者則致力于通過(guò)電鍋爐、集中儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)等裝置拓展熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行邊界，實(shí)現(xiàn)電熱解耦，以擴(kuò)展新能源的消納空間。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)方式—多能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃

多能源系統(tǒng)規(guī)劃是能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值實(shí)現(xiàn)的保證，只有在規(guī)劃層面協(xié)同多個(gè)能源系統(tǒng)，充分考慮不同能源形式之間的互補(bǔ)和耦合，建成的能源互聯(lián)網(wǎng)工程才具有經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)。多能源系統(tǒng)規(guī)劃從空間范圍上可以分為區(qū)域多能源系統(tǒng)規(guī)劃和跨區(qū)多能源系統(tǒng)規(guī)劃兩個(gè)大類。

區(qū)域級(jí)多能源系統(tǒng)主要指園區(qū)、城市范圍內(nèi)各種形式能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、分配和存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括分布式電源、配電系統(tǒng)、燃?xì)庹{(diào)壓柜、換熱站和燃?xì)狻崴艿赖取. Andersson等人[25]提出了一種混合整數(shù)非線性規(guī)劃(mixed-integer nonlinear programming，MINLP)方法，對(duì)一個(gè)含有若干備選型號(hào)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(combine heat and power，CHP)、變壓器和燃?xì)忮仩t的能量樞紐進(jìn)行規(guī)劃。A.Sheikhi等人[26]提出了一種非線性的規(guī)劃方法，為德黑蘭的一座旅店優(yōu)化CHP、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)和儲(chǔ)熱裝置的容量和運(yùn)行模式。Hongbo Ren等人[27]提出了一種規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了日本一幢含有CHP、儲(chǔ)能裝置和輔助鍋爐的居民樓的年化費(fèi)用的最小化。P. Arcuri等人[28]闡述了一種冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)了一座醫(yī)院中的CHP和電熱泵(electric heat pump，EHP)的容量。Ryozo Ooka等人[29]提出了一種基于遺傳算法的方法，為每種樓宇多能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇最優(yōu)的設(shè)備容量和運(yùn)行方案。Pierluigi Mancarella等人[30]在考慮了不同的運(yùn)行策略的情況下對(duì)不同的冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行模擬，以此挑選最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

跨區(qū)多能源系統(tǒng)往往涉及到能夠遠(yuǎn)距離傳輸?shù)妮旊娋W(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)，與區(qū)域多能源系統(tǒng)的規(guī)劃不同，跨區(qū)多能源系統(tǒng)規(guī)劃需要考慮若干區(qū)域多能源系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。Xiaping Zhang等人[31]以降低系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行總成本和提升系統(tǒng)可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，引入能源綜合利用效率、碳排放量等評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)中的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組、輸電線路、燃?xì)鉅t和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組同時(shí)進(jìn)行規(guī)劃，并對(duì)各能源系統(tǒng)分開(kāi)單獨(dú)規(guī)劃、多能源系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組容量事先固定等多種情形進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明多能源系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃有利于降低系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行總成本和提高系統(tǒng)可靠性。Qiu等人[32]提出一種電氣互聯(lián)系統(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃方案，以降低其總的投資和運(yùn)維成本，并對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件中的非線性項(xiàng)進(jìn)行了線性化，通過(guò)迭代求解實(shí)現(xiàn)兩個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的總體最優(yōu)規(guī)劃。

2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式—能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值分配

能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要合理的商業(yè)模式支撐。能源互聯(lián)網(wǎng)橫跨多個(gè)能源領(lǐng)域，除了能源基礎(chǔ)設(shè)施投資外，還包括信息平臺(tái)以及能源服務(wù)商等多個(gè)跨行業(yè)要素，因此能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)必然呈現(xiàn)多元投資、多主體參與運(yùn)營(yíng)的形態(tài)，需要?jiǎng)?chuàng)新的商業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)其創(chuàng)造價(jià)值在多投資主體和用戶之間進(jìn)行合理分配。

國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局于2016年7月發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》(發(fā)改能源〔2016〕1430號(hào))[33]，其中明確提出要“創(chuàng)新終端一體化集成供能系統(tǒng)商業(yè)模式，鼓勵(lì)采取電網(wǎng)、燃?xì)狻崃究毓苫騾⒐傻确绞浇M建綜合能源服務(wù)公司從事市場(chǎng)化供能、售電等業(yè)務(wù)，積極推行合同能源管理、綜合節(jié)能服務(wù)等市場(chǎng)化機(jī)制”。英國(guó)的許多能源供應(yīng)商不僅向家庭用戶提供電力，還向家庭用戶提供天然氣，比如EDF Energy公司。美國(guó)的綜合能源供應(yīng)商也發(fā)展得較好，如美國(guó)太平洋煤氣電力公司和愛(ài)迪生電力公司等均屬于典型的綜合能源供應(yīng)公司[34]。我國(guó)的一些企業(yè)也初步開(kāi)始嘗試向綜合能源供應(yīng)商轉(zhuǎn)變，如原先主要開(kāi)展城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)的新奧集團(tuán)提出了“泛能網(wǎng)”的概念[35]，將燃?xì)狻帷⒗渎?lián)系起來(lái)，開(kāi)發(fā)電熱冷三聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，將電、熱、冷、氣同時(shí)向用戶進(jìn)行銷售。

綜合能源需求響應(yīng)也是能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的一種重要的商業(yè)模式。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的深入推進(jìn)，多表合一設(shè)備、雙向通信技術(shù)、蓄能技術(shù)為需求響應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，需求響應(yīng)的綜合性、靈活性、可控性、規(guī)模性將產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性飛躍，將真正具備能源互聯(lián)網(wǎng)愿景中所描述的互動(dòng)性特征。需求響應(yīng)也將發(fā)展為用戶側(cè)互動(dòng)形式參與能源網(wǎng)運(yùn)行，與大規(guī)模風(fēng)電、電動(dòng)汽車等新能源、新用能設(shè)備相協(xié)調(diào)，促進(jìn)可再生能源、低碳用能設(shè)備在能源互聯(lián)網(wǎng)中的大規(guī)模滲透。為了滿足能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下多能互補(bǔ)、按需互動(dòng)、精準(zhǔn)移峰的需求，有必要進(jìn)一步研究多能源在負(fù)荷側(cè)的智能協(xié)同互補(bǔ)、負(fù)荷恢復(fù)時(shí)段可調(diào)度的用戶側(cè)互動(dòng)模式，以深入挖掘互動(dòng)用戶的移峰能力并實(shí)現(xiàn)多源互動(dòng)負(fù)荷與系統(tǒng)供能資源的最優(yōu)配合。如何設(shè)計(jì)合理的多時(shí)空尺度綜合需求響應(yīng)互動(dòng)機(jī)制，如何構(gòu)建清晰流暢的用戶側(cè)參與能源供應(yīng)互動(dòng)的操作流程，如何評(píng)估綜合需求響應(yīng)互動(dòng)機(jī)制均是目前需要研究探索的關(guān)鍵問(wèn)題。

3 山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐

3.1 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景

為貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院的“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)，山西省政府于2016年1月頒布了《山西省關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的實(shí)施意見(jiàn)》[36]，太原市政府于2016年6月下發(fā)了《太原市推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)實(shí)施方案》[37]，“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源是兩個(gè)文件中一項(xiàng)重要內(nèi)容。《實(shí)施意見(jiàn)》和《實(shí)施方案》中均強(qiáng)調(diào)了要積極推進(jìn)能源生產(chǎn)智能化改造，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)對(duì)能源生產(chǎn)、傳輸、配送、消費(fèi)、市場(chǎng)管理和服務(wù)的支持，催生能源生產(chǎn)、消費(fèi)、服務(wù)的新業(yè)態(tài)和商業(yè)新模式。大力推進(jìn)分布式能源和電動(dòng)汽車等多元化負(fù)荷發(fā)展，促進(jìn)“源—網(wǎng)—荷”協(xié)調(diào)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)配電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2016年3月30日，山西科技創(chuàng)新城被山西省政府批復(fù)為省級(jí)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)，是未來(lái)國(guó)際性煤基產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新中心、組織中心和技術(shù)服務(wù)中心，山西省新型城鎮(zhèn)化和城市示范區(qū)，山西省新型城鎮(zhèn)化和綠色、低碳、生態(tài)、智慧城市示范區(qū)。圖3是山西科技創(chuàng)新城的區(qū)位劃分圖。山西科創(chuàng)城的建設(shè)為能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)用提出了現(xiàn)實(shí)需求。以“能源互聯(lián)網(wǎng)”為主要內(nèi)容將山西科創(chuàng)城打造成為“智慧低碳新區(qū)”，符合高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，能夠享有實(shí)施能源互聯(lián)網(wǎng)的政策支持。

3.2 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值分析

太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的潛在價(jià)值可以分為經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值兩方面。

3.2.1 經(jīng)濟(jì)價(jià)值

(1)充分挖掘現(xiàn)有電力輸配網(wǎng)絡(luò)的資產(chǎn)利用潛力，通過(guò)智能的傳感、通訊以及分析技術(shù)，提高對(duì)于山西太原地區(qū)現(xiàn)有以及新增基礎(chǔ)電網(wǎng)設(shè)施的利用率，節(jié)約配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施投資。

(2)通過(guò)分布式發(fā)電、能量路由器、多能源系統(tǒng)能源與控制新技術(shù)的引進(jìn)，提高整個(gè)山西太原地區(qū)供能系統(tǒng)的整體利用效率、節(jié)約能耗、降低山西太原地區(qū)商業(yè)用戶的用電、用熱、用冷、用氣成本。

(3)通過(guò)靈活互動(dòng)的機(jī)制創(chuàng)新、智能化的通訊控制技術(shù)，激活山西太原地區(qū)工業(yè)與居民用戶側(cè)的需求響應(yīng)能力，通過(guò)能源互聯(lián)網(wǎng)把能源的供應(yīng)與消費(fèi)“鏈接”起來(lái)，促進(jìn)形成更加友好、高效的能源消費(fèi)行為，使用戶能夠通過(guò)改進(jìn)用能行為而獲得經(jīng)濟(jì)效益。

(4)通過(guò)構(gòu)建太原地區(qū)開(kāi)放、獨(dú)立、多邊接入的互聯(lián)網(wǎng)式的能源交易運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，在能源的供應(yīng)、消費(fèi)體系中建設(shè)一個(gè)能源交易、共享的平臺(tái)，撬動(dòng)社會(huì)各界對(duì)于分布式能源的高效利用，激活第三方資本與民間力量參與，徹底改變現(xiàn)有能源產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與行業(yè)組織方式，催生出大量新興的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，促進(jìn)地區(qū)的產(chǎn)業(yè)集群與升級(jí)。

3.2.2 社會(huì)價(jià)值

(1)通過(guò)建設(shè)光伏、光熱、分布式冷熱電三聯(lián)供、冰蓄冷裝置、電動(dòng)汽車充(放)電樁、智能家居系統(tǒng)等清潔能源生產(chǎn)、消費(fèi)、存儲(chǔ)設(shè)備，能夠提高整個(gè)山西太原地區(qū)供能系統(tǒng)的整體利用效率、降低污染排放，有助于太原及周邊地區(qū)環(huán)境改善。

(2)通過(guò)建設(shè)配電以及供熱、供冷管網(wǎng)優(yōu)化能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，科學(xué)規(guī)劃配電以及供熱、供冷管網(wǎng)，提高能量傳輸效率以及傳輸環(huán)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率，降低能源設(shè)施對(duì)土地以及其他社會(huì)資源的消耗。

(3)多能源系統(tǒng)能源控制、智能調(diào)度等新技術(shù)的引進(jìn)，可以提高整個(gè)供能系統(tǒng)的整體利用效率、節(jié)約能耗、降低用能成本，實(shí)現(xiàn)能源的低碳化供應(yīng)。

(4)多能源系統(tǒng)能量管理控制系統(tǒng)將對(duì)周邊地區(qū)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型研究探討提供充分的示范效益。

3.3 太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)

對(duì)國(guó)內(nèi)外區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀及山西科創(chuàng)城能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)際需求進(jìn)行綜合分析，以下3個(gè)問(wèn)題是區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)運(yùn)營(yíng)中存在的關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)。

3.3.1 多能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行

圖4是山西太原科技創(chuàng)新城多能源系統(tǒng)能量流圖。區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)綜合了電、氣、熱、冷各類能源，融合了各類新能源、新技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)多種能源間協(xié)同互補(bǔ)，提高整體能源利用率。太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能源系統(tǒng)中電、熱、冷、生活熱水的供應(yīng)渠道及相應(yīng)的價(jià)值創(chuàng)造如下。

(1)供電：光伏發(fā)電+冷熱電三聯(lián)供+市電+儲(chǔ)能。

價(jià)值創(chuàng)造：光伏發(fā)電采取“自發(fā)自用”模式，在需求側(cè)就地平抑用電負(fù)荷曲線，削減負(fù)荷峰值，實(shí)現(xiàn)容量電費(fèi)的節(jié)省;通過(guò)儲(chǔ)能以及需求響應(yīng)配合冷熱電三聯(lián)供機(jī)組的發(fā)電調(diào)度計(jì)劃，縮減負(fù)荷峰谷差并擴(kuò)大光伏發(fā)電的消納空間。

(2)供暖：區(qū)域外熱網(wǎng)+冷熱電三聯(lián)供+地源熱泵+電采暖(配合儲(chǔ)熱)。

價(jià)值創(chuàng)造：通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)提升熱能的利用效率;儲(chǔ)熱作為電力系統(tǒng)的部分“虛擬儲(chǔ)能”為電力系統(tǒng)提供了靈活性，降低對(duì)區(qū)域外熱網(wǎng)供應(yīng)的剛性需求，提升了熱電廠靈活性，同時(shí)配合電采暖聯(lián)合運(yùn)行降低供暖成本。

(3)供冷：冷熱電三聯(lián)供+電空調(diào)+蓄冷。

價(jià)值創(chuàng)造：與供暖類似，冷熱電三聯(lián)供提升了制冷效率，冰蓄冷為電力系統(tǒng)提供靈活性，同時(shí)配合電空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行降低供冷成本。

(4)生活熱水供應(yīng)：光熱+冷熱電三聯(lián)供+燃?xì)鉄崴?電熱水。

價(jià)值創(chuàng)造：充分利用可再生能源降低熱水供應(yīng)成本，冷熱電三聯(lián)供充分利用了低品位的熱源，燃?xì)鉄崴碗姛崴疄樯顭崴墓?yīng)提供靈活性。

在多能源系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)上，需要提出綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)和功能應(yīng)用，在統(tǒng)一的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電、氣、熱、冷等多能源的集中信息采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行，并延伸為用戶提供增值服務(wù)是需要研究的難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一方面需要研究面向調(diào)度運(yùn)行、分析決策、交易結(jié)算等不同業(yè)務(wù)，面向用戶、運(yùn)營(yíng)商等不同對(duì)象的監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化、智能化功能架構(gòu)、信息體系、設(shè)備參數(shù)和二次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);基于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式和分布式能源對(duì)能源傳輸網(wǎng)絡(luò)影響的定性、定量分析，研究含分布式能源的電、氣、熱、冷等多能源綜合調(diào)度運(yùn)行方法。另一方面需要研究基于綜合能源調(diào)度運(yùn)行與監(jiān)控系統(tǒng)的區(qū)域能源控制中心總體構(gòu)架和主要功能，提出包含交易層、調(diào)控層、生產(chǎn)管理層及增值服務(wù)層等多層次的綜合能量管理控制系統(tǒng)工作機(jī)制和應(yīng)用流程;研究區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)信息安全體系。

3.3.2 基于多能源系統(tǒng)的綜合需求響應(yīng)策略設(shè)計(jì)

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)利用智能需求側(cè)管理引導(dǎo)用戶合理用能，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，降低能源備用、能源設(shè)備投資。根據(jù)太原地區(qū)的實(shí)際情況，如何基于多能源系統(tǒng)制定智能需求側(cè)管理互動(dòng)機(jī)制，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)綜合需求側(cè)響應(yīng)的市場(chǎng)交易機(jī)制是需要研究的關(guān)鍵點(diǎn)，如何對(duì)需求響應(yīng)資源的互動(dòng)效益進(jìn)行評(píng)估是需要研究的難點(diǎn)。

針對(duì)目前綜合需求響應(yīng)研究較少的現(xiàn)狀，需要研究綜合需求響應(yīng)的基礎(chǔ)理論和基本模型，建立基于多能源系統(tǒng)的電—熱/冷、電—氣需求響應(yīng)彈性計(jì)算模型，提出綜合需求響應(yīng)潛力評(píng)估模型。另外需要對(duì)綜合需求響應(yīng)資源給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益進(jìn)行全方位分析，建立綜合需求響應(yīng)資源互動(dòng)效益計(jì)算模型，評(píng)價(jià)不同類型需求側(cè)響應(yīng)對(duì)售電公司售電利潤(rùn)的影響，在此基礎(chǔ)上針對(duì)山西電網(wǎng)煤電機(jī)組為主的特點(diǎn)，研究綜合需求側(cè)響應(yīng)對(duì)改善火電機(jī)組運(yùn)行能耗的影響，測(cè)算綜合需求側(cè)響應(yīng)帶來(lái)的節(jié)能減排效益。

3.3.3 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)與商業(yè)模式

區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的投資建設(shè)及運(yùn)營(yíng)需要社會(huì)各方的參與。面對(duì)新一輪電力體制改革，供電公司作為區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)主體運(yùn)營(yíng)商，該制定何種運(yùn)營(yíng)和商業(yè)模式是需要研究的難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)。

針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，需要對(duì)主體運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)與商業(yè)模式、分布式能源和綜合需求響應(yīng)的商業(yè)模式與效益、考慮傳輸容量約束的多能源系統(tǒng)運(yùn)行方法三個(gè)方面進(jìn)行分析與研究。

首先，針對(duì)區(qū)域能源公司的運(yùn)營(yíng)與商業(yè)模式進(jìn)行調(diào)研，重點(diǎn)研究國(guó)內(nèi)外區(qū)域電、氣、熱、冷綜合供應(yīng)商的運(yùn)營(yíng)模式。在此基礎(chǔ)上，研究新一輪電改中關(guān)于售電側(cè)的市場(chǎng)機(jī)制和國(guó)家政策，以掌握區(qū)域能源公司運(yùn)營(yíng)的政策背景。在此背景下，調(diào)研太原地區(qū)電、熱、冷、氣能源交易現(xiàn)狀，研究區(qū)域能源公司在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的購(gòu)售電、個(gè)性化服務(wù)等商業(yè)模式，并研究支撐這些商業(yè)模式的市場(chǎng)交易機(jī)制。研究能夠協(xié)同能源購(gòu)售、第三方分布式能源、分布式儲(chǔ)能、以及用戶互動(dòng)的區(qū)域能源公司運(yùn)營(yíng)模式。

其次，調(diào)研我國(guó)現(xiàn)行分布式能源補(bǔ)貼政策以及太原地區(qū)終端電價(jià)、熱價(jià)、氣價(jià)信息，結(jié)合新一輪電改帶來(lái)的售電側(cè)“紅利”，研究分布式能源在銷售側(cè)市場(chǎng)放開(kāi)情況下的盈利空間，給出不同情境下的盈利范圍。采用運(yùn)行模擬的方法，分析不同投資機(jī)制下分布式能源的經(jīng)濟(jì)效益;對(duì)于需求響應(yīng)資源種類進(jìn)行調(diào)研，按照不同的參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于需求響應(yīng)資源進(jìn)行分類，分析不同類型的需求響應(yīng)資源的響應(yīng)特點(diǎn)，分析每種需求響應(yīng)資源能夠發(fā)揮的潛在效益，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于多能源系統(tǒng)的綜合需求管理商業(yè)模式。

最后，根據(jù)山西科創(chuàng)城的規(guī)劃情況，選取合理的負(fù)荷指標(biāo)及動(dòng)態(tài)模型，對(duì)園區(qū)的電、熱、冷負(fù)荷需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)分析，繪制區(qū)域內(nèi)不同季節(jié)典型日的逐時(shí)負(fù)荷曲線及年負(fù)荷曲線。綜合以上結(jié)果，設(shè)計(jì)區(qū)域能源公司運(yùn)營(yíng)效益最大化、考慮傳輸容量約束的多能源系統(tǒng)運(yùn)行方法。特別是針對(duì)不同季節(jié)太原地區(qū)對(duì)電、熱、冷、氣需求量的差異，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益最大化的多種運(yùn)行方式。

4 結(jié)語(yǔ)

明晰與界定區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的價(jià)值是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值創(chuàng)造以及將創(chuàng)造的價(jià)值在多方投資主體和用戶之間進(jìn)行合理分配的前提。在區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的框架之下，電、氣、熱、冷各類能源及相應(yīng)技術(shù)相互耦合、協(xié)同互補(bǔ)，形成了區(qū)別于傳統(tǒng)分立能源系統(tǒng)的多能源系統(tǒng)，提高了能源利用效率，降低了整個(gè)能源供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，這便是區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的價(jià)值。在介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)與多能源系統(tǒng)的基本概念的基礎(chǔ)上，本文闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值的創(chuàng)造與實(shí)現(xiàn)途徑以及能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值的分配模式。以山西太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)為實(shí)例，對(duì)太原區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)背景、潛在價(jià)值、關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)以及技術(shù)路線幾個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)和展望。

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黃武靖

作者簡(jiǎn)介：黃武靖(1995)，男，博士研究生，主要從事多能源系統(tǒng)的建模、運(yùn)行和規(guī)劃的研究工作，E-mail：hwj17@mails.tsinghua.edu.cn。

張寧(1985)，男，副教授，主要從事新能源、電力系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行、多能源系統(tǒng)的研究工作，E-mail：ningzhang@tsinghua.edu.cn。

董瑞彪(1967)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行、區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的研究工作，E-mail：tydrb214@163.com。