需求側智慧能源系統關鍵技術一、前言能源是人類社會生存的基礎，由于石油、煤炭等化石燃料是不可再生能源，并且在其使用過程中會造成環境污染，因此提高能源利用率、增加可再生能源的使用已成為解決當前能源問題和環境問題的必然選擇。打破各個能源系統之間單獨設計、單獨運行的運營模式，對不同的能源系統進行統一優化設計、協調優化運行，構建統一的能源系統，是促進能源領域變革、解決能源問題的有效手段[1~3]。在能源問題和環境問題日益突出的壓力下，各種能源系統新技術的研究受到了高度關注。美國于2007年頒布了能源獨立和安全法，智能電網被列入美國國家戰略，目標是基于新型信息技術建設安全可靠、投資低、效能高和能夠靈活應變的智能電年加拿大國會通過了能夠推動新型能源網發展相關研究的報告，未來將構建能夠覆蓋加拿大全境的新型社區能源網絡，以實現2050年溫室氣體的減排目標和解決能源問題；歐洲是最早提出綜合能源系統的地區，多能源協調優化的研究在歐盟第五框架中被置于顯著位置，在歐盟第六框架和第七框架中，能源網和多能源協調優化的研究工作得到深化，實施了智能能源intelligenteneg泛歐網絡（trans-Europeannetworks）和微網與多微（mirogridsandmoremirgrid201德國在經濟與技術部和環保部的領導下，每年投入3億歐元，從能源供應鏈和產業鏈的角度實施對多能源系統網絡的優化。+智慧能源”相關技術的發展給予了高度重視。20157月發布了《國+把“互聯網+智慧能源”列為重點行動領域之[4]+智慧能源”等行動計劃，顯著提高能源系統的智能化水平和運行效率。2015年4月，國家能源局組織召開能源互聯網會議，提出制

智慧能源系統的核心都是希望通過先進能源技術的應用，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需求。本文針對需求側智慧能源系統的特點、關鍵設備和技術、產業發展模式、發展前景等方面進行了介紹和展望。二、需求側智慧能源系統的特點需求側智慧能源系統屬于局域能源系統，是通???存儲?消費等環節進行有機協調與優化后所形成的能源產供銷一體化系統。它是多種能源互聯互通的新型能源系統，將電?熱?冷?氣等各種能源通過各類能源轉換器實現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系統。具體來說：①區域級智慧能源系統由區域智能配電系統?中低壓天然氣系統?供熱/冷/水系統等供能網絡耦合互連組成，起到能源傳輸???平衡的“承上啟下”作用，能源系統之間存在較強耦合關系；②用戶級智慧能源系統以用戶智能用電?/?供水系統、儲能系統等耦合而成，不同類型能源間存在深度耦合關系，用戶級智慧能源系統又可稱為微能源網，區域級智慧能源系統內可含有眾多的微能源網。三、需求側智慧能源系統關鍵設備與技術需求側智慧能源系統的構成形態，如圖1所示。（一）關鍵設備分布式發電設備分布式發電設備一般指容量較小的分散布置在用戶附近的發電設備，包括微型燃汽輪機、燃料電池、可再生能源發電系統（如風機和光伏）等[5]。一般具有效率高、體積小、污染少、運行維護簡單等特點。能源存儲設備（如電池儲能、還包含儲熱、儲氣等設施。儲氣技術主要有儲氣罐儲氣、管道儲氣等，而儲熱技術包括顯熱存儲、相變儲熱、化學反應熱存儲等[7]。未來天然氣固態區域級區域級用戶級泵熱供熱網絡光伏熱源風電電熱耦合電熱耦合中央空調電鍋爐光伏風機P2G技術 燃料電池空調 熱水器 烤箱電配電網絡能量樞紐 環節母線 電氣耦合電氣耦合P2G技術微型燃氣輪機電驅動壓縮機熱泵燃氣燃氣鍋爐灶具氣配氣網絡壓縮機分布式分布式儲電 儲氣分布式儲熱氣源點電動汽車儲氣點熱能 熱能 熱能電力； 天然氣； 熱力； 信息流圖1需求側智慧能源系統的構成形態儲存技術、地下儲熱技術等新型存儲技術將會推動天然氣和熱能存儲的發展。能源轉化設備不同能源系統之間需要能源轉換設備，使得電、氣、熱等能量可以在彼此之間相互轉化，增加可選擇的能源供給方式，提高能源供給的經濟性、可靠性。具體能源轉換方式主要有：電–氣之間轉化、電–熱之間轉化、氣–熱之間轉化等。需求側智慧能源系統中的能量存儲和轉化示意圖，如圖2所示。––氫氣轉化技術（powertogaGP2G電轉氣設備是在電負荷低谷或可再生能源出力

高峰期利用富余的電能電解水制氫氣的設備，氫氣可以儲存或輸送，在用戶端可以通過燃料電池利用氫氣發電和冷/熱供應。電–熱轉化技術設備主要是指電熱水器、空調等，正處在研究階段的基于熱耦合效應的新型電池是新興的電–熱轉化設備，它能利用低溫熱量進行發電。燃氣鍋爐是天然氣系統與熱力系統的重要轉化設備，能夠將天然氣中的化學能轉化為熱量，向用戶供熱。能源輸配設備傳統的電力、熱力和天然氣輸配都通過彼此獨立的系統進行。為提高能源輸配效率，實現多種能能源系統/網絡能源系統/網絡 可再生能源種類 太陽能 地熱能 廢熱 生物能CHP電力系統燃料電池 電轉氫氫氣系統壓縮機蒸汽重整天然氣系統壓縮機CCHP熱儲能供熱系統泵冷儲能吸收式制冷機電制冷機供冷系統泵能源需求（電、天然氣、熱、冷、交通電儲能風能圖2需求側智慧能源系統中的能量存儲和轉化注：CCHP為冷熱電三聯供；CHP為熱電聯供。源的協同輸配，提出了能源互聯器與能源集線器[8]概念。能源互聯器將電能、化學能和熱能在同一裝置中進行長距離傳輸，包含一個中空的電導體，電導體外側有天然氣等化學物質，原理如3[8]電導體中產生的熱損失被部分地存儲在傳輸介質中，這種熱量可以在線路的末端被回收；氣流也起到冷卻電導體的作用。其特點是：①適用于多種能源的互聯互通，有較強通用性；②簡化了能源網絡和能源終端設施的布局，為終端多種能源耦合組件的能量來源提供便捷。能源集線器是典型的能源分配設備，一種典型形式如圖4所示[8]。其特點是：①多種能源的輸入輸出關系可通過耦合矩陣進行標準化描述；②可針對不同的應用場景，構建模塊化的物理系統，實現復雜耦合系統的標準化配置和管理。智能計量設備智能計量表智能計量表具備遠程/本地通信、雙向計量、多種價格計費、實時數據交互、能量質量監測、遠程斷供、與用戶互動、自動抄讀等功能[9]。以智損耗電力熱力圖3能源互聯器的典型布局電能電 能源 電 源輸 池 輸

能電表為基礎構建的智能計量系統能夠滿足分布式電源與負荷運行管理、電力市場交易、電網調度等方面的要求。智能傳感器傳統傳感器已形成一套成熟的理論和技術，如電感式傳感器和壓電式傳感器等。而一些新型傳感技術，如光纖傳感器、電荷耦合元件（CCD）傳感器等，近些年發展較快，多數技術指標優于傳統的傳感器，體積小、功能強，具備耐高壓、抗電磁干擾等優點，具有廣泛的應用前景。（二）關鍵技術智慧能源系統的關鍵技術包括規劃設計技術、信息保障技術、運行優化技術、彈性強化技術、用戶側資源優化利用技術等。智慧能源系統規劃設計技術規劃設計目標是在滿足差異化用戶供能可靠性設計能源配送網絡拓撲結構等。核心技術包括優化規劃設計方法、綜合評價指標體系及規劃設計支持[10,11]///熱負荷的用戶需求差異性和時空分布特性的基礎上，充分挖掘和利用不同能源間的互補替代能力，是區域級智慧能源系統規劃設計的主要工作。區域級智慧能源系統規劃設計需要考慮各種時空場景下系統調控策略，以獲取系統更為全面的運行場景信息；需充分研究系統內不同環節和設備在不同場景下的特性，以獲取不同運行模式下的運行約束；在統一考慮系統設計方案的能源利用效率、安全性、用戶舒適性、經濟性和社會效益等因素基礎上，建立系統優化設計模型；在考慮全生命周期設計理念的基礎上，綜合系統不同運行階段特征，采用多場景協同優化分析方法實現問題的求解。智慧能源系統信息保障技術智慧能源系統中能量流動鏈的信息流是相互聯入氣 儲能熱 生物 熱儲能質能能源集線器圖4能源集線器示例

出 通的，不同層級能源系統間的信息通信與態勢感知熱 技術、互聯信息保障技術是海量數據環境下系統經濟運行的重要基礎[12]。信息保障技術旨在實現冷 統各環節之間的高效信息通信與交互共享，實現從產能到用能的全過程實時信息采集、傳輸與存儲。隨著能源物聯網技術和信息物理系統技術的發展信息網將與物理能源網實現深度融合，從而為系統提供更加信息化、數字化、透明化的運行環境。多源信息融合的系統態勢感知技術旨在利用同步量實現系統的主動控制、管理、服務，是智慧能源系統運行狀態優化和其他高級應用的基礎。智慧能源系統運行優化技術智慧能源系統中各種能源耦合度高，通過不同能源的互補和梯級利用，能夠實現系統能效的提升，運行優化控制技術是實現這一目標的關鍵。對智慧能源系統進行運行優化需要考慮多種約束條件，在多種目標間尋求平衡，如圖5所示。運行優化過程實際是對多種能源的綜合調度過程，與電力系統中的機組組合優化和優化調度類似，不同之處在于需要考慮的目標函數和約束條件更為復雜[13,14]?在運行優化時，需要平衡多種利益關系、考慮更多因素的影響，例如需要平衡系統運行的經濟性與安全性之間的矛盾；需要平衡

能源可持續性、能源利用效率和用能經濟性之間的矛盾等?智慧能源系統彈性強化技術??高度非線性和隨機性的復雜動力系統，其彈性主要指系統對高風險、小概率擾動事件的抵御能力，強調在面臨無法避免的擾動時能有效利用各種資源靈活應對，維持盡可能高的運行水平，并迅速恢復系統性[15,16]。反映系統彈性特征的指標包含魯棒性、冗余性、有源性和敏捷性等方面[17,18]。魯棒性描述系統承受外界擾動或壓力的能力；冗余性描述系統中備用設備或系統在災害中的可用性；有源性描述投入資源維持系統關鍵功能的能力；敏捷性描述系統快速恢復關鍵功能、減小能源損失的能力。智慧能源系統是提高能源供應彈性的重要舉措。借助微型燃氣輪機、燃料電池等多樣化的能源接入與轉化裝置，在外部供電系統發生故障時能夠快速生產能源種類特能源種類特性能源約束條件調控優化目標控制信號電力系統 燃氣系統 熱力系統 可再生能源結合產能單元與儲能單元進行能源綜合調度與結合產能單元與儲能單元進行能源綜合調度與協同優化控制電動汽車 熱水器 空調系根據能源互動特性進行需求響應控控制信號控制信號控制信號控制信號能源系統經濟性 能源系統安全性能源系統經濟性能源系統安全性能源系統總體能源子系統能源可持續性能源利用效率圖5智慧能源系統能量優化與控制能源系統總體能源子系統能源可持續性能源利用效率電能，與其他分布式電源互為支撐，大大提升了緊急情況下的供電恢復能力。當供熱、供氣等其他能量環節出現問題時，也能夠由電制熱、電解制氫等裝置實現從電能到其他能源形式的快速轉化，提升系統緊急情況下的能源供應保障能力。用戶側資源優化利用技術傳統的用戶側資源利用技術主要是指電負荷的需求側管理，它建立在用戶可調電負荷基礎上，有一定的局限性。在智慧能源系統中，用戶側資源優化利用技術對用戶側不同能源系統統一進行管理，可有效提高能源的綜合利用水平，節約用戶用能成[19~21]，這需要通過用戶側綜合資源優化管理系統來實現。一個家庭用戶資源優化管理系統，如6所示，智能能源集線器允許用戶監視并控制所用能源設備，具有自優化功能，在充分利用不同能源的供應特性、價格特性和耦合特性的基礎上，用戶可以通過轉移或改變其消費能源種類和數量來參與需求側管理計劃。四、產業發展模式近年來，我國政府對能源領域的重視程度和支持力度不斷提升，大力提倡在需求側建立以可再生

能源為主體的發、配、儲、用一體化智慧能源系統。在管理方法上按照互聯網理念，運用先進的互聯網信息技術，實現能源生產和使用的智能化，相關產業快速發展，具體體現在下述幾個方面。（一）能源結構能源供應環節將逐步具備綠色環保、節約高效、安全可靠的特征[22,23]，多元發展的能源結構和多輪驅動的能源供應體系；分布式能源將快速發展。屋頂光伏、電動汽車等各類單一容量小、總體數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智慧能源系統是高效、便捷利用這些資源的有效途徑。（二）技術屬性信息技術和信息化的管理模式將在需求側智慧能源系統體系中不斷深化發展。這包括兩層含義：首先，信息技術是實現智慧能源系統的前提。深化發展信息技術，電流、電壓、氣壓、流量、溫度等各類傳感器和嵌入式數據采集器的大量、廣泛應用是基礎，實時、可靠的通信網絡是媒介，高效、智[24]。只有在這一基礎上，智云計算云計算技術冷卻塔電力網絡冷卻水泵中央空調控制單元冷凍水泵天然氣網絡信息采 控制單集單元控制信息風機盤管綜合需求響應控制單元集水器熱力網絡能源分配單元智能能源集線器電/氣/熱分水器用戶低溫水空氣處理單元高溫水以中央空調為例的綜合需求響應控制過程空調 熱水器烤箱綜合需求響應控制單元 設備信控制信電/氣/熱中央空調電動汽車鍋爐微燃機灶臺燃料電池燃氣輪機暖氣暖氣智能能源能源分配單元 集線器電動汽車家庭級綜合需求響應商業級綜合需求響應熱能；

電能； 天然氣； 信號流圖6用戶資源優化管理系統專題研究 需求側智慧能源系統關鍵技術分析用戶需求數據、市場數據及其他各類數據，實現能源優化利用的目標。其次，能量的“信息化管理”模式，是智慧能源系統實時平衡供需、優化能源應用的有效途徑[25,26]。例如為應對分布式電源和各類負荷在能量生產和使用環節所具有的間歇性和隨機性，儲能裝置是關鍵的能量緩沖單元。從信息論的角度理解，引入儲能實際上是將能量在調配過程中從連續量轉變為離散量，這一轉變使得智慧能源系統可以按照信息互聯網管控信息流的機制對離散化的能量流進行調度。（三）市場形態相關產業的技術將使商業模式有望實現重大突[27]。參與主體更多、進入門檻更低、方式更為靈活的模式創新將不斷產生。以互聯網為載體，能夠將能源系統中分散化的用戶、差異化的能源、多元化的商業主體緊密聯系起來，擴大市場成員的交互范圍與頻度，降低交易成本，顯著提高市場成員參與能源交易的便利性與存在感。多種能源形式的融合和互聯網精神的滲透必將催生一個競爭充分、多邊對等、主動參與的全新能源系統生態。燃氣、熱力公司控股或參股等方式組建綜合能源服務公司從事市場化供能、售能等業務，積極推行合[28~30]，加快構建基于互聯網的智慧用能信息化服務平臺，可為用戶提供開放共享、靈活智能的綜合能源供應及增值服務。五、發展前景預計到2030年，智慧能源系統相關技術及其應用將基本成熟，并全面實現商業化。其發展路線如下：實驗示范階段。當前，智慧能源系統相關技術大多處于起步探索階段，并逐漸向實用化轉變，各種仿真實驗系統及示范工程初步建立。隨著智慧能源系統相關研究的進一步發展，智慧能源系統工程示范逐漸