牛远方，李 磊 ，杨朋朋 ，朱春萍 ，王成福

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学），山东 济南 250061）

智慧型综合能源系统架构研究

牛远方1，李 磊1，杨朋朋1，朱春萍1，王成福2

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学），山东 济南 250061）

智慧型综合能源系统作为能源互联网的核心组成部分，是实现能源系统降低碳排放、消纳更多波动性可再生能源、提高综合能源供给效率与质量的重要手段之一。从综合能源系统的定义与基本概念入手，通过探讨智慧型综合能源系统的主要特征及其与其他类别系统之间的差异性，研究分析综合智慧能源的物理系统架构、信息系统架构、能量管理系统（EMS）架构以及系统的构成模式等。最后，通过对已有实际案例的系统构成与运行结果进行比较分析，进一步明确综合能源系统架构，以期为我国未来的智慧型综合能源系统发展提供有力支撑。

智慧综合能源；系统构架；能量管理系统；模式分析

0 引言

伴随经济社会的发展，能源已然成为影响乃至制约经济社会发展的关键因素之一。受制于我国的能源结构影响，污染大、能效低、可耗竭的化石能源在能源消耗中持续占据较高比例［1-2］。对此，近几年相继推出了多项促进可再生能源发展与降低碳排放的相关政策与法规［3-5］。

然而，风、光等可再生能源发电的随机性与波动性导致当前的弃风、弃光问题严峻［6］，加之能源利用观念的改变，能源互联网被提出并成为未来的发展方向之一，而综合能源系统作为其末端的配、用能载体，是其核心的构成部分［7-8］。

美国在2001年提出以促进冷热电联供为目标的综合能源系统发展计划，并在2007年颁布能源独立和安全法；欧洲则更早提出综合能源系统概念并最早付诸实施，如德国施耐德公司的Structure Ware系统和西门子的Simatic系统等；日本则主要致力于在社区综合能源系统（包括电力、燃气、热力）基础上，实现与交通、供水、信息和医疗系统的一体化集成［9-10］。

相对而言，我国的综合能源系统发展起步较晚，但前期在微电网、储能、分布式以及可再生能源互补发电系统等领域的较好积累，为综合能源系统发展奠定了基础。如北京、上海等大型城市的多个大型楼宇，都在各自区域内建立了综合能源管理系统，用先进的传感、物联网、大数据分析计算等技术加强对各类能源多角度的监控，同时通过对区域内各类能源的综合利用、集成可再生能源、加装各类节能设施等手段来节能增效，取得了良好的效果，但其形式单一，并非真正意义上的综合能源系统。近期，政府大力推进并建设了各类生态文明城市，意在积极推广综合能源利用技术，目的是构建清洁、安全、高效、可持续的综合能源供应系统和服务体系［11-12］。

综合能源系统可以有效解决传统的电力、供热等能源系统相互割裂、协同有限、难以适应可再生能源快速发展、节能减排压力不断增加等问题。通过能源的综合利用与智慧管控，可以有效提高能源利用效率，降低用户用能成本；利用不同类别能源之间的特性差异和相互转换，可以促进可再生能源的消纳；结合多能源的耦合互补，可以提高用户用能的可靠性，为电网运行提供更多柔性资源；同时，综合能源系统的协同规划亦可减少基础设施的重复建设。

本文将从智慧型综合能源系统的基本概念与定义入手，探讨其主要特征以及与现有系统间的差异性，继而研究智慧型综合能源供给的物理系统架构、信息系统架构、EMS以及系统构建与运行模式，通过对已有实际案例的详细分析，对比已建成的实际系统与理想的综合能源系统之间的架构特征，探索适应我国国情的综合能源系统架构方式，从而为我国未来的智慧型综合能源系统发展提供理论支持。

1 智慧型综合能源系统

智慧型综合能源系统即多种能源类别互补的、可实现能源综合、智慧利用的能源供需系统。该系统以功能区为对象，可实现不同类别能源的综合规划、综合设计与智慧运行的一种综合能源供应模式［13-14］。

该类型系统可以实现横向的“电热冷气水”能源多品种之间、纵向“源网荷储用”能源多供应环节之间的生产协同、管廊协同、需求协同以及生产与消费间的智慧互动，从而构建多种能量流之间开放互联的智慧能源系统以满足当地社区乃至区域的用能需求［15-16］。

与同为综合能源利用的能源互联网相比，综合能源系统更加靠近能源的消费侧，可以交互的非电能源形式更加多样，能源消纳的手段也更加丰富，更能体现能源互联网“多能互补、多源协同”的能源优化运行方式，提升整体能源利用效率。

智慧型综合能源系统的核心特征是多能源系统间的特征互补与智慧管控。互补性是在分布式能源多样化形式接入下，实现多元能源类别的优势互补与高效利用；而智慧性则是通过多功能集成的电力电子装置、灵活且个性化的需求侧管理实现对“供—转—输—用”的全过程智能优化。该系统以电、气、热为主要物理载体，其各自的具体特征可表述如表1所示［17-18］。

表1 综合能源系统各载体特征

综合智慧能源是能源互联网和多能互补概念的一种具体体现，其内涵又覆盖了分布式能源、智能电网、微网、燃气三联供等，但综合能源与分布式能源、智能电网、微电网和燃气三联供等概念均有所不同，其供能种类和范围不但更加广泛，且着重强调整体运行的“智慧化”和能源生产、消费之间的“互动性”，是一种更加高级、具体的能源系统构成方式。

2 系统架构

2.1 物理系统架构

综合能源的物理系统架构主要由能源生产、转换、输送与智慧用能环节组成，通过综合管理系统的集中与分散式智慧管理实现系统的智慧运行。其物理系统的架构如图1所示。

图1 综合能源物理系统架构

能源生产、转换主要指电力、热力及天然气生产与能源形式转换设施。包含热电联产的燃煤、燃气电站、供热锅炉、各种可再生电源、储能系统、热泵、溴化锂等制冷、制热设备等，通常情况下其能源的生产或转换可以由其中的一种或几种装置设施共同组成。

综合能源的多能互补特性依赖于不同类别能源间的转换得以实现，包括电气、电热、气热等。而在上述多种转换过程中，电与非电系统间的转换与交互能力是影响多种能源系统间是否可以高效集成的关键［19］。对比不同类别能源间转换装置的实现方式如表2所示。

表2 系统主要能量转换装置及其实现方式

能源传输系统主要包括依靠供热（冷）网、电力网、水网、气网等。其中，供热网多为枝状管网布置、地下敷设方式；电力网则是其骨干网架，多为与外网相连的环形或放射状；天然气网包括低、中、高压管网，具有调峰、调压等功能；综合管廊将电力、通讯，燃气、供热、给排水等各种功能管线集于一体，高效可靠。

在智慧用能体系中，用户既是能源的消费者，也是能源的生产者，可实现不同能源产消者之间和产消者与能源主体之间的互动。并可通过高度市场化的能源价格机制，促进能源利用效率的明显提高。

2.2 信息系统架构

信息系统是实现综合能源系统智慧管控的关键，主要包括信息在单一系统内的纵向传递与在不同系统间的横向传递，而作为系统物理融合设备的能源交换器则是整个系统的信息处理中心［20］。

由图2可以看出，智慧型综合能源系统与已有系统的主要不同是多能源间的信息交互以及不同类别信息间的综合智慧管控。其中，能源交换器是其关键部件，负责收集分配信息，指挥能源路由器，构成完整的信息物理系统，从而实现不同类别能源间的综合与智慧利用。因此，该信息系统是实现智慧型供能、用能的关键性基础，其架构必须在实际供能、配能与用能的特征分析基础上，结合实际能源供需特性，实现个性化的智能设计与智慧管控。

图2 智慧能源信息系统架构

2.3 综合能源系统的EMS架构

能量管理系统（EMS）的实质是能源交换器的核心处理机构，是处于信息系统的上层管理机构，即综合能源系统的智慧管理中枢。其与通信系统、物理系统间的关系如图3所示。

综合能源的能量管理系统是以大数据、物联网、移动互联网技术等为支撑的开放式多种能源综合管理服务平台，能够借助云数据中心等系统的分析和计算，对“感知”来的电、热（冷）、水、气等多种能源生产、输送、消费的各类信息进行智能处理，实现综合能源系统的智慧运行。

图3 智慧型综合能源系统的EMS架构

EMS由能源管理平台、通信系统、终端（即实际的物理系统）3部分构成，可以分为集中式和分布式，通过创新的能源生产模式、消费模式实现能源供需互动，主要功能包含用能需求预测、能源的优化调度、系统监测与分析、智慧用能服务等。

EMS的核心功能是融合物理系统与信息系统，使综合的信息物理系统能够高效、有序运行，而其关键则是运行控制的智慧化，即在能源综合的基础上实现智慧化，包括生产、转换、传输与用能等各个环节。

3 模式分析

综合能源系统依据供能范围和系统组成，一般可分为区域型、园区型和楼宇型3种。

区域型。多为新建城镇、城市内较大范围的开发区等，其配置原则多以电能为主导，配合其他能源，通常与域外电力系统联系坚强，管理系统相对复杂。

园区型。多为城市的工业园区、经济开发区，或大型企业的独立用能系统、岛屿等，其单位用能密度大，用能可靠性要求较高，多以“以热定电”原则进行配置。

楼宇型。多为环保约束强的地区供能，供能范围小、负荷小且波动大，系统构成简单、单位造价高，其能源管理系统决策相对简单。

4 案例分析

目前，我国已有多个综合智慧能源或相类似的示范系统已经建成或正在建设中，以北方某工业园区局域网内的多能源项目为例，简单分析其系统架构特征。

该示范工程依托地区内现有的煤、电、铝及铝后加工产业以及区域内丰富的风能、太阳能、劣质煤资源，建设以绿色、清洁、可再生性能源为主体（风电、太阳能发电）、就地合理利用劣质煤火电为补充、局域电网为保障的包括电热的循环经济示范项目。该系统的结构组成如图4所示［21-22］。

图4 综合智慧能源示范系统结构

该系统规划电源装机222万kW，其中新能源装机占比达到20%以上；电解铝产能81万t；综合供电负荷达到140万kW；供热能力43万kW。投产后的年净外购电量比例降至5%，综合用能成本下降20%，系统内一次能源综合利用率提升8%，通过综合调控使用电峰值负荷降低22%以上。

分析该系统的架构特点，其核心是电热储的综合应用、灵活可控负荷（铝业）与波动性风、光发电的大量接入，并通过电热储，实现了电储热与热系统的强耦合联系。通过综合能源应用与运行的智能管控，示范系统在新能源接纳、减少碳排放与降低用能成本等方面取得了明显的效益［23-25］。

在风、光等波动性电源发电接纳方面，在局域网风电渗透率已经达到38.25%的前提下，2015年风电利用小时数超过3 300 h，较同期内蒙古自治区的平均风电利用小时数1 600 h高出一倍多，甚至超过新能源利用率最高的丹麦。而在弃风限电方面，以示范区内的夏营风电场为例，2015年发电量为93 779万kWh，弃风率仅为0.9%，远低于全国同期15%的水平，几乎实现了区域内风电的全额消纳。

在减少碳排放方面，相对于工程投产之前，吨铝碳排放量由每年16.39 t降低到13.91 t，降幅达到15.13%，并且通过减少燃煤，2015年全年实现减排二氧化硫171.4 t，氮氧化物302.2 t，二氧化碳69.7万t，并且预计远期的二氧化碳年度减排量可以达到289.8万t。

在降低用能成本方面，主要体现在其通过局域电网自主供电而降低的成本上，以示范区内铝业用电为例，与2013年工程投产前相比，2015年全年供电单位成本 0.206 8元／kWh，降低 0.069 8元／kWh，吨铝用电成本降低949元，全年供电总成本降低8.07亿元，此外全年涉网费用降低1.550 8亿元。

在此过程中，通过发电与用电的自主调度，实现了电网运行安全稳定与100%频率、电压合格率，通过系统的集中与智能管控，经济效益明显，供电成本大幅降低。与此同时，大幅提升了可再生能源的利用效率、包含电热的系统综合能源利用效率，大幅减少了系统的碳排放，降低了系统内的用能成本，因此，相对于传统运行模式，通过系统集成，综合运行与智慧管控下的多种能源系统综合智慧运行具有极其显著的经济与社会效益。

此外，该示范系统仅有电存储与电热间的耦合，并非如本文所述的理想的、完整意义上的多能综合系统，实事上，在我国乃至世界范围内，如本文所述的元素齐备、功能完整的智慧型综合能源系统亦并不多见。因此，针对我国的能源结构分布、区域供能特征等诸多个性因素的存在，需要在不同的供能与用能环境下，结合智慧型综合能源系统的优势特征，因地制宜，发展适应于自身特征的智慧型综合能源系统，从而提高供能效率，降低用能成本。

5 结语

从综合能源系统的基本概念与系统主要特征阐述，以及智慧型综合能源物理系统架构、信息系统架构、EMS以及模式分析等方面对智慧型综合能源系统进行了研究探讨。通过对比分析国内已建成的某综合能源系统示范工程，可以看出智慧型综合能源系统在消纳波动性可再生能源发电、提高系统供能与用能效率、降低综合能源系统碳排放与系统供能成本方面，相比于传统系统运行模式具有明显优势，证明了该类型系统可以是未来社会能源供给与利用的重要形式之一。与此同时，亦可结合所述理想、完整的智慧型综合能源系统构架与我国能源供需的实际状态，发展特征各异的地区智慧型综合能源系统。

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Research on the Architecture of the Smart Integrated Energy System

NIU Yuanfang1，LI Lei1，YANG Pengpeng1，ZHU Chunping1，WANG Chengfu2
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2.Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control（Shandong University），Jinan 250061，China）

Smart integrated energy system，as an important part of the energy internet，is a key method to realize the reduction of the carbon emission，absorb more fluctuating renewable energy and improve the efficiency and quality of the integrated energy supply and demand.In this paper，the definition and basic conception of smart integrated energy system are discussed.The physical system architecture，information system architecture，energy management system （EMS）architecture and the relevant interconnection model of the smart integrated energy system are analyzed.Finally，by analyzing the actual case of system composition and the operation performance，the architecture of the smart integrated energy system is made clear，potentially able to support the future development of the smart integrated energy system in China.

smart integrated energy；system architecture；EMS；model analysis

TM732

A

1007－9904（2017）12－0006－06

国家自然科学基金项目（51607107）；山东省自然科学基金中青年科学家科研奖励项目（BS2015NJ005）。

2017-06-10

牛远方（1983），女，工程师，从事电力系统规划设计工作。