对我国综合能源系统发展的思考

贾宏杰，穆云飞，余晓丹(智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市300072)

对我国综合能源系统发展的思考

贾宏杰，穆云飞，余晓丹
(智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市300072)

建设完善的社会综合能源系统是低碳经济背景下解决我国社会供能系统安全性低、自愈能力差、设备利用率低下等一系列问题的一种可能解决方案。文章首先给出综合能源系统的基本概念与主要特征，结合世界各国综合能源系统建设的经验与我国能源资源现状，分别从国家、区域和终端这3个层面探讨了我国未来综合能源系统发展中面临的一些问题，并给出了相应的建议。

综合能源系统;可再生能源;综合能源利用;节能减排

0 引言

能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉，如何在确保人类社会能源可持续供应的同时减少用能过程中的环境污染，是当今世界各国共同关注的热点［1］。由于煤炭、石油等传统化石能源不可再生，终将走向枯竭，提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源综合利用，就成为解决社会经济快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。而打破原有各能源供用(如供电、供气、供冷/热等)系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，在规划、设计、建设和运行阶段，对不同供用能系统进行整体上的协调、配合和优化，并最终实现一体化的社会综合能源系统，是实现社会用能效率最优、促进可再生能源规模化利用、实现人类能源可持续发展的必经之路［2］。

本文首先给出社会综合能源系统的基本概念和主要特征;简单回顾国内外综合能源系统建设的现状;随后，结合我国能源资源分布特征，从国家、区域和终端层面分析我国未来社会综合能源系统发展中面临的一些问题，并探讨可能的解决思路。

1 综合能源系统的基本概念与特征

本文讨论的综合能源系统是指在规划、设计、建设和运行等过程中，通过对各类能源的产生、传输与分配(能源供应网络)、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，所形成的社会综合能源产供消一体化系统。建设社会综合能源系统的目的是有效提高社会能源的综合利用效率，实现社会能源的可持续供应，同时提高社会能源供用系统的灵活性、安全性、经济性和自愈能力。社会综合能源系统具有以下一些基本特征。

(1)社会综合能源系统可实现不同供用能系统间的有机协调，可提高社会能源供用的安全性、灵活性、可靠性。传统的社会供用能系统，如供电、供气、供热/冷等系统，往往是单独规划、单独设计、独立运行，彼此间缺乏协调，从而造成社会供用能系统整体安全性低和自愈能力差的问题。如2008年初我国南方的低温雨雪冰冻灾害［3］，起初电力系统中的故障引发了多米诺骨牌效应，不仅殃及其他供用能系统，还引发交通、通信、金融、环境等多个要害部门瘫痪，不仅造成难以估量的社会经济损失，还危及国家和社会安全。这次灾难揭示出供电系统的一个致命隐患，即在大电网瓦解的极端情况下不具备足够的自愈能力。而电能供应是其他供用能系统可正常运行的前提，供电系统的这一缺陷将直接导致整个社会供用能系统整体安全性和自愈能力降低。已有研究已表明，单纯通过加大某一供能系统(如供电系统)的投入来提高其安全性与自愈能力，会面临难以承受的高昂成本，同时会造成社会资源的极大浪费。因此，通过构建社会综合能源系统，利用其核心技术来实现各供用能系统间的有机协调与配合，是解决上述问题的一种可能途径。

(2)社会综合能源系统可利用不同供用能系统间的互动能力实现能源的优化调度，有利于提高社会供能系统基础设施的利用率。供电、供气、供热/冷系统的负荷需求均存在明显峰谷交错现象，但目前各供能系统只能按自身峰值负荷进行单独设计与建设，由此将不可避免地产生设备利用率低下的问题。美国统计结果显示，其供电设备平均载荷率只有43%，载荷率在95%以上的时段不足5%;而我国的供电设备利用率更低，统计显示其平均利用率不足30%［4］。设备利用率低下问题同样存在于供气、供热/冷系统，已造成社会资金的巨大浪费，还加大了各供用能系统的运行维护费用。而综合能源系统可通过各子系统间的有机协调，缓解或消除上述问题。如可利用供电系统低谷时段过剩电能产生冷/热能并加以存储，在电力高峰时段使用，通过供电与供冷/热系统的有机配合，从而达到实现同时提高供电与供冷/热系统设备利用率的目的［5］。

(3)社会综合能源系统可实现各类能源的优化利用，提升综合能源利用率，有效应对全球气候变化问题，实现人类社会能源可持续发展。当前全球经济的发展仍高度依赖一次化石类能源，如2013年全球一次能源消费约181．8亿t标煤，化石类能源约占86．7%［6］。化石类能源资源是有限的，按现有开发利用模式，将难以支撑人类社会的可持续发展。能源利用效率提高和可再生等新能源规模化开发，成为破解这一难题的根本途径。综合能源系统可利用各供用能系统之间，在生产、输配、消费、存储不同环节间的时空耦合机制和互补替代性，建立起多种能源间的协同利用机制，一方面可实现不同品位能源的梯阶利用，提高能源的综合利用率;另一方面还能弥补可再生能源(如风能、太阳能等)能流密度低、分散性强和间歇性明显等问题，提高其规模化开发利用水平，从而支撑人类社会能源可持续发展。

(4)智能电网是综合能源系统的核心与关键。综合能源系统的基础是智能电网，主要原因在于:1)作为清洁、高效和便利的二次能源，电能已深入到社会生产、生活的各个环节，其他社会供/用能系统的正常运行依赖于电力的供应，且很多其他形式能源需要首先转化成电能方可规模化开发利用，如风能、太阳能、生物质能等。2)智能电网是人类社会发展的下一代电网，允许各种分布式发电设备即插即用地接入电网，以实现可再生能源的规模化利用;具有足够的灵活性和安全性，可自愈地应对来自电网内外的各类扰动;协同各种能源利用环节，可实现电气设备利用率和能源综合利用效能的显著提高［7］。智能电网与综合能源系统的实现目标完全一致，不同处仅在于智能电网仅着眼于电网本身的发展，而综合能源系统则着眼于整个社会能源体系。由此不难看出，智能电网是综合能源系统的基础，而综合能源系统必将成为智能电网的终极形式。

综上，综合能源系统发展有利于能源利用效率的提升和可再生能源的规模化开发，也有利于提高社会能源供用系统整体的安全性、经济性和设备资产利用率，推进相关研究意义重大。

2 综合能源系统建设的现状

综合能源系统对提升能源利用效率和实现可再生能源规模化开发具有重要支撑作用，世界各国多根据自身需求制定了适合自身的综合能源发展战略。

2.1 国外综合能源系统现状

2.1.1 美国

首先，在管理机制上，美国能源部(DOE)作为各类能源资源最高主管部门，负责相关能源政策的制定，而美国能源监管机构则主要负责政府能源政策的落实，抑制能源价格的无序波动。在此管理机制下，美国各类能源系统间实现了较好协调配合，同时美国的综合能源供应商得到了较好发展，如美国太平洋煤气电力公司、爱迪生电力公司等，均属于典型的综合能源供应商［8］。

其次，美国各能源供用系统间存在密切耦合关系，社会一直关注各能源系统间的相互影响和协调发展。以天然气系统与电力系统为例，自2011年后，美国能源消耗中的25%以上来自天然气［9］，且这一比例还在不断增加。随着天然气电厂占电能供应比例的不断提高，天然气系统与电力系统之间的耦合关系日益紧密，相关研究也成为美国能源界关注的一个热点。

其三，在技术上，美国非常注重与综合能源相关理论技术的研发。美国能源部在2001年即提出了综合能源系统发展计划［10］，目标是提高清洁能源供应与利用比重，进一步提高社会供能系统的可靠性和经济性，而重点是促进冷热电联供(CCHP)技术的进步和推广应用;2007年12月美国颁布能源独立和安全法(EISA)［11］，明确要求社会主要供用能环节必须开展综合能源规划(integrated resource planning，IRP)，并在2007—2012财年追加6．5亿美元专项经费支持IRP的研究和实施;奥巴马总统在第一任期，就将智能电网列入美国国家战略［12］，其终极目标即是利用日新月异的信息技术对包括电网在内的社会能源系统进行彻底改造，以期在电网基础上，构建一个高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的综合能源系统，以保证美国在未来引领世界能源领域的技术创新与革命。

2.1.2 加拿大

面对能源环境的双重压力，加拿大政府承诺到2050年将温室气体排放量在2006年的排放水平上削减60%～70%。因此，打破现有能源供应模式，发展综合能源技术，建设完善的社会综合能源系统就成为加拿大的必然之选。

加拿大国会2009年6月审议并通过了旨在助推该国综合能源系统相关研究的报告Combining Our Energies:Integrated Energy Systems for Canadian Communities［13］，随后2009年9月由内阁能源委员会颁布了Integrated Community Energy Solutions:A Roadmap for Action指导意见［14］，在其中明确指出构建覆盖全国的社区综合能源系统(integrated community energy solutions，ICES)是加政府应对能源危机和实现2050年温室气体减排目标的一项重要举措，因此将推进ICES技术研究和ICES工程建设列为该国2010—2050年的国家能源战略。在加拿大ICES示范工程投入的同时，加政府还启动了多个重大研究课题对与综合能源系统相关的理论与技术进行全方位研究，包括:EQuilibriumTMCommunities Initiative、Clean Energy Fund、ecoENERGY、Building Canada Plan等［15］。

2.1.3 欧洲

欧洲是最早提出综合能源系统概念并最早付诸实施的地区。早在欧盟第五框架(FP5)中［16］，尽管综合能源系统概念尚未被完整提出，但有关能源协同优化的研究被放在显著位置，如DG TREN (distributed generation transport and energy)项目将可再生能源综合开发与交通运输清洁化协调考虑; ENERGIE项目寻求多种能源(传统能源和可再生能源)协同优化和互补，以实现未来替代或减少核能使用;Microgrid项目研究用户侧综合能源系统(其概念与美国和加拿大所提IES和ICES类似)，目的是实现可再生能源在用户侧的友好开发。在后续第六(FP6)［17］和第七(FP7)［18］框架中，能源协同优化和综合能源系统的相关研究被进一步深化，Microgrids and More Microgrids(FP6)、Trans-European Networks (FP7)、Intelligent Energy(FP7)等一大批具有国际影响的重要项目相继实施。

欧洲各国除了在欧盟框架下统一开展综合能源系统相关技术研究外，还根据自身需求开展了大量更为深入的有关综合能源系统的研究，如英国HDPS (highly distributed power systems)项目关注大量可再生能源与电力网间的协同［19］，HiDEF(highly distributed energy future)项目关注智能电网框架下集中式能源系统和分布式能源系统的协同等［20］;而德国自2011年开始，在环境部和经济与技术部等机构的统一领导下，每年追加3亿欧元［21］，从能源全供应链和全产业链角度，实施对能源系统的优化协调，近期关注的重点则是可再生能源、能源效率提升、能源储存、多能源有机协调以提高能源供应安全等方面。2.1.4日本

为改善能源结构，减轻对石油的依赖，提高日本能源供应安全性，日本对能源的协调管理与优化开展了长期研究，形成了独具特色的能源发展之路。与美国设立能源部对能源开展协调管理不同，日本在经济产业省下设立资源和能源厅来对煤炭、石油、燃气、新能源等行业进行一元化的管理，在能源发展战略上，特别强调不同能源之间的综合与协调。资源和能源厅的主要职责包括:编制能源基本规划草案及各类能源发展计划;统一管理电力、天然气、石油等各能源产业的市场运作;制定新能源的发展战略与目标，促进新能源的推广使用等。虽然日本能源管理机构层次相对简单，但由于资源与能源厅的上级管理部门经济产业省，掌控着制定经济与产业发展的方向，因此能够有效促进能源发展战略目标的贯彻与执行。因此，日本单位能源消耗所创造的国内生产总值一直居国际领先水平。

日本的能源严重依赖进口，因此日本成为最早开展综合能源系统研究的亚洲国家。2009年9月日本政府公布了其2020、2030和2050年温室气体的减排目标，并认为构建覆盖全国的综合能源系统，实现能源结构优化和能效提升，同时促进可再生能源规模化开发，是实现这一目标的必由之路。在日本政府的大力推动下，日本主要的能源研究机构都开展了此类研究，并形成了不同的研究方案，如由NEDO于2010年4月发起成立的JSCA(Japan smart community alliance)，主要致力于智能社区技术的研究与示范。智能社区类似于加拿大的ICES方案，是在社区综合能源系统(包括:电力、燃气、热力、可再生等)基础上，实现与交通、供水、信息和医疗系统的一体化集成［22］。Tokyo Gas公司则提出更为超前的综合能源系统解决方案［23］，在传统综合供能(电力、燃气、热力)系统基础上，还将建设覆盖全社会的氢能供应网络。

2.2 我国综合能源系统现状

我国2009年制定了到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%～45%的目标［24］，2014年，习总书记又在APEC会议上表明，到2030年我国的CO2排放量将达到顶值［25］。上述目标的实现，需要各类能源在产供销储全环节的紧密配合，因此开展综合能源系统相关研究势在必行。

我国自1993年撤销能源部后，煤炭、石油、电力、供热等行业分属不同管理部门，彼此间协调不够，因此难以形成合力，缺乏协调统一的政策支持，在一定程度上制约了我国综合能源技术的发展。以城市CCHP为例，涉及供电、供冷热环节的协调与配合;若CCHP采用燃气方式，还需上述环节与燃气供应部门之间的协同配合。但我国供电、供气和供热公司各自独立运营，分属不同部门管理的状况，难以保证上述系统的运行经济性。为加强对能源行业的集中统一管理，应对日益严峻的能源问题，保障国民经济持续稳定健康发展，我国在2008年批准建立了国家能源局。为进一步推动能源领域的协调与合作，推进综合能源体系的形成，2010年国务院成立国家能源委员会。能源委员会主要责任是负责研究拟订国家能源发展战略，审议能源安全和能源发展中的重大问题，统筹协调国内能源开发和能源国际合作的重大事项。上述管理体制的改革，为推进能源领域的协调、合作和共同发展，奠定了政策基础。

目前，我国已通过973、863研究计划，启动了多项与综合能源技术相关的科技研发项目;中国政府与包括新加坡、德国政府在内的相关机构共同合作，建设了各类生态文明城市［26-27］，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。

据不完全统计，至今世界上至少有70余个国家先后开展了与综合能源系统技术相关的研究，目的是促进各国未来能源的可持续供应［28］。毫无疑问，综合能源系统相关技术将成为国际上能源领域内重要的技术制高点和技术增长点，是21世纪能源工业重要的技术发展方向之一。因此，从我国自身实际需求出发，尽早探索和建立适用于我国的综合能源系统理论体系，对保证我国未来的能源安全、抢占能源领域技术制高点和扩大我国在国际能源领域的话语权，都具有重要的战略意义。

3 我国能源资源现状分析及思考

3.1 我国能源资源现状分析

我国的能源资源状况与国外主要经济体有着显著区别，主要包括如下特点:

(1)能源总量较为丰富，但人均拥有量偏低。目前我国能源消费仍以煤炭、石油和天然气为主。据BP世界能源统计年鉴2014年数据显示，我国2013年已探明的石油、天然气、煤炭储量仅占世界总储量的1．07%、1．76%和12．84%［29］，且按照目前开发进度仅能维持数10年［30-31］。我国能源资源占有量并不占优，同时考虑到我国巨大的人口基数，人均能源资源占有量极少。若仍按以往粗放型用能模式发展，不仅社会经济难以为继，我国的能源和环境承载都将面临无解难题。

(2)未来能源消耗仍将以化石能源为主。能源消费结构的调整惯性客观存在，在现有技术条件下，清洁能源和可再生能源的大规模开发与利用，还面临很多挑战必然是一个漫长的过程。在可预见的未来很长一段时间内，我国能源消耗仍将以化石能源为主。目前我国煤炭在能源生产和消费中的比例一直在70%以上，据专家预测，即使到2050年，煤炭所占比例仍占50%以上［32］。

(3)能源资源分布与能源消耗分布不均衡。众所周知，我国的各类能源资源主要分布在中西部和东北等地，而我国经济较为发达地区主要分布在东南沿海地区。表1给出了我国各类能源资源分布前五和后五位省区的统计结果［33］;表2则给出了我国2013年各省区市国内生产总值(gross domestic product，GPD)总量排名结果(可作为能源消耗的一个参考)［34］。我国能源资源与能源消耗的严重逆向分布会长期存在，且随着东南沿海地区经济的快速增长，情况可能会更严峻，这直接影响着我国的整个能源战略格局和未来技术发展趋势。

表1 中国能源资源量的省区分布差异Table 1 Maldistribution of natural resource in China

表2 2013年我国省级行政区GDP数据Table 2 GDP data for all provinces of China in 2013

(4)电/热/冷供应环节目前缺乏有机协调配合。我国电网已初步形成全国联网的格局，在规模不断扩大的同时，电压等级不断提高，电网技术不断升级，运行的可靠性、灵活性和经济性得到显著提升。但受长期“重发输、轻配供”传统观念影响，电网的配用电环节仍相对薄弱，成为影响用户供电可靠性和导致供电设备利用率低下的主要因素［2］。在我国北部城市，目前主要采集中供热方式。在各级政府的大力支持下，集中供热行业得到迅速发展［35］。当前我国城镇集中供热的热源，主要是热电联产(约占62．9%)、锅炉房(约占35．75%)以及少量的工业余热和地热等形式(约占1．35%)。但目前我国供热系统设计观念相对落后，缺乏科学的调控手段，系统多以“大流量、小温差”方式运行，能量漏损较大。热用户多采用单管供暖系统，多无有效调控设备，造成热力工况失调较严重以及不同用户冷热不均等问题。由于经济与观念上的认识差异，我国区域集中供冷相对较少，但其作为一种较先进的供冷方式，已经逐渐引起了人们的关注。近年来随着节能减排政策的促进以及天然气成本的降低，以CCHP技术为代表的区域供冷/热系统在我国已经开始得到示范应用。但由于种种原因，示范应用效果并不理想［36-37］。

3.2 对我综合能源系统技术发展的几点思考

为实现我国能源供应的安全和可持续发展，应从开源和节流两方面着手，一是大力开发新能源和可再生能源，寻找传统不可再生化石能源的替代品;二是加强能源领域的协同发展，通过综合能源技术，实现能源大范围的优化配置和能源综合利用效能的不断提高。其中，综合能源技术将起到关键的支撑作用。因此，构建适用于我国的综合能源系统势在必行，为此需要从国家、区域和终端这3个层面上予以考虑。3.2.1在国家层面上需要相应政策、管理体制和制度的保障

能源问题涉及范围广泛，包括石油、天然气、煤炭、电力等多种能源供应系统，而其终端用能单元则遍及社会的各个行业、各个组成单元，最终与每个社会成员息息相关。因此，为保证社会能源供应系统的安全和可持续发展，必需在国家层面上进行统筹和协调。

(1)应建立适应我国国情的国家能源综合管理职能部门，由其制定相应的能源法律、法规，以协调不同能源供应参与方的利益。综合能源系统的发展与建设需要电力、石油、煤炭、天然气等能源行业的设备制造商、科研单位、用能单位等的共同参与和相互协作，同时也与国家发改委、商务部、国土部、电监会、安监总局等多个职能部门密切相关。为了实现社会综合能源系统的可持续发展，应在适当的时间和条件下在国家层面建立和强化综合能源管理机构，由其统一负责制定能源领域内的法律、法规和政策，总体协调和组织我国能源系统的建设与发展。

(2)应建立综合能源研发机构，对能源领域的重大问题开展研究，以利于能源领域的合作、融合与协调发展。现阶段我国社会能源供应系统之间的耦合程度不断加强，各能源供应系统之间需要不断加强协调与配合;同时，各能源供应系统长期独立运行，缺乏有机协调的现状已对我国能源供应的安全性和可靠性产生了不良影响。而随着我国能源需求的不断增加，节能减排力度的不断加大，能源领域各行业之间的耦合、冲突和相互影响还会不断增多，为此应由国家成立专门的综合能源研发机构，对我国社会经济发展中面临的一些能源领域的重大问题开展研究。这些重大问题包括但不限于:

1)主要能源供应系统之间的相互作用机理研究。随着能源需求的不断增长，社会经济的不断发展，不同能源供应系统之间的耦合关系不断增强，揭示不同能源供应系统之间在不同层次上的相互作用机理，对推动各能源供应系统的协同发展意义重大。

2)我国传统化石能源和可再生能源最佳利用模式研究。我国传统一次能源中以煤炭为主的局面短期内不会发生变化，因此应寻求最佳的用能模式以提高煤炭的综合利用效能。我国可再生能源开发离不开与传统能源的协同配合，为此在可再生能源开发过程中应与传统能源的综合利用协同考虑，以求达到能源最佳利用的目的。

3)适用于我国的能源安全保障机制研究。我国能源供应(尤其是石油和天然气)对外的依存度不断增大，能源供应安全受外界影响日益显著，为此需结合我国国情，探索保证我国能源供应安全的保障机制。

4)适用于我国国情的国家综合能源体系建设模式研究。以能源利用效能最优、能源供应安全性最佳、能源供应可持续性更好为优化目标，以我国能源现状和节能减排的既定目标为约束，寻求适用于我国的综合能源体系建设模式。

5)保障综合能源发展的智能电网发展模式研究。我国的智能电网建设强力推进，而作为未来整个能源供应体系中的核心部分，智能电网应承担更大的责任，其发展模式、相关技术需要满足未来综合能源系统实现的需要。

(3)在政策上应允许和鼓励综合能源供应商的筹建，为终端用户提供能源方面的一体化解决方案。一次能源需要通过阶梯利用实现能源利用效率的提高;可再生能源的规模化开发需要不同能源系统间的协同与配合;用户多样化用能需求的满足，同样需要不用供能系统之间的协作;不同供能系统(供电/供冷/供热)峰谷交错造成的设备利用率低下的问题，也可通过不同供能系统间的协调配合得到缓解，上述问题的实现亟需综合能源供应商的出现。综合能源供应商可以为用户提供各种用能需求的一体化服务，同时通过不同供能系统和不同用能单元之间的协同配合，实现企业效益最大化和用能效率最佳的目的。国家应在政策上允许和鼓励筹建区域性或全国的综合能源供应商，通过企业自身的参与，促进不同能源系统之间的协同和优化，美国太平洋煤气电力公司、爱迪生联合电力公司等即是最好的例子。

3.2.2 区域层面上需要开展综合能源供应网络的规划工作

由于各种区域能源供应系统(电力、天然气、热力等)彼此缺乏协调，长期存在设备利用率低、安全性低、灵活性差等问题。未来应逐步建立起适合综合能源供应系统运营的相关机制，并根据不同区域的实际情况，对各类能源的供应网络进行统一协调和规划，在实现多种能源输入的同时满足用户电/热/冷多种能量形式的需求，同时通过能源的按需匹配、逐级利用来实现能源利用效率的优化，来减少能源网络建设和运行费用。为此需要关注如下几点。

(1)适合我国不同区域需求的综合能源供应模式研究。我国幅员辽阔，各地的气候条件和用能需求各不相同，为此应根据各地具体需求，探索我国不同区域的最佳综合能源供应方式，主要包括:

1)从气候特点上考虑，应探索适用于我国北方高寒区域、过渡区域(黄河与长江间所辖区域)和南方温暖地区的最佳综合供用能模式。

2)从用能和供能关系上考虑，应探索能源输出区域(如中西部能源输出省市)、能源输入区域(如东部能源输入省市)、能源传输区域的用能和供能最佳模式。对于能源输出区域，其本地用能需求小于能源产出，因此在保障本地用能需求前提下，如何保证能源的安全高效外送是首要解决的问题。对于能源输入地区，其本地的能源供应主要来源于外部输入，如何保证能源的平稳、安全和高效供应，则是其关注的重点。

3)应研究适用于我国(特)大型、中型、小型城市及乡镇的区域综合供用能模式:随着我国现代化水平的提高、城镇化进程的推进，我国在很长时期内将出现大、中、小城市及农村乡镇并存的格局，不同体量的城市规模，其供用能模式存在显著差别，为此需根据城市规模大小(大、中、小)、城市定位(综合型、工业型、商业型、旅游型等)、区域分布(东、西、中部;发达地区、欠发达地区)等情况，探索适用的城市、乡镇区域供用能模式。

(2)综合能源供应系统综合建模、仿真分析技术研究。构建适用于不同需求的综合能源供应系统，离不开科学的分析模型、计算工具和仿真技术。为此需要研发适用于综合能源供应系统分析和优化的综合建模理论和仿真技术。

综合能源系统涉及多种能源环节且形式特性各异，既包含易于控制的能源环节(如常规电厂、CCHP、储能系统等)，也包含具有间歇性和难以控制的能源环节(如风力发电、光伏发电等);既包含难以大容量存储的能源(如电能)，也包含易于存储和中转的能源(如热能、燃气、氢能等);既包含元件级或设备级(如各类电气设备、燃气设备、热力设备等)的动态，也包含单元级能源系统(如建筑综合供能系统、微网供能系统、CCHP系统)的动态，还包含更为复杂的区域级综合能源系统动态，由此决定综合能源系统的建模过程极其复杂。

利用分析手段对综合能源系统进行仿真研究，揭示其运行机理和动态特性，是其推广应用的前提。而对于综合能源系统这样一个极为复杂的动态系统，在进行仿真研究时，需要同时考虑其在时间、空间和行为这3方面的复杂性:1)时间复杂性。主要表现在分析研究中，既要考虑传输速度极快的环节，如电力系统，其能量的传输和变换以光速实现，几乎瞬间完成，其动态在纳秒到毫秒时间尺度上描述;也要考虑传输速度慢、具有较大时延的环节，如燃气、热力等管道系统，其动态需在秒、分钟甚至小时级时间尺度上描述。仿真分析技术还要兼顾规划评估等长时间尺度和运行控制等短时间尺度场景分析的需要等。2)空间复杂性。主要表现在分析研究中，既要考虑单一能源环节内部的动态，也要考虑不同能源环节的相互影响;既要考虑能源在区域大范围内的平衡和互济，也要考虑能源在局部的优化与消纳。3)行为复杂性。主要表现在分析研究中，既要考虑系统的连续环节，也要考虑大量的不连续(如跃变、切换、滞回等)环节的影响;既要考虑确定性的因素，也要考虑大量不确定性因素的影响;既要考虑可量化因素，也要考虑不可量化因素的影响。时间，空间和行为这3方面的复杂性，决定了用于综合能源系统的仿真技术，需要解决多时标、高维数、大量非线性等难题，研究难度更大。

(3)区域综合能源供应系统优化规划理论研究与技术开发。以往各供能系统单独规划、单独设计和独立运行所引发的供能系统安全性低、用能效率低、设备利用率低等问题如今已饱受诟病，进行供能系统的综合规划势在必行。其规划工作进一步又可细分为区域供能网络规划和区域终端综合供能单元规划。

1)供能网络规划既要考虑各供能网络(供电、供热、供冷、供气等)自身特点及需要，还需考虑不同系统间的相互影响，更要实现整个社会供能效率、安全性和经济性的提高，属于典型的复杂巨系统多目标、多时段、多变量、多约束、高维数、混合整型、非线性组合优化问题，研究难度较大。

2)区域终端综合供能单元规划:若将整个社会综合能源系统看作是一个人体的神经网络，终端综合供能单元就是这个网络中的神经末梢，贴近用户，是整个综合能源供应体系中重要的一环，以满足用户的多样化能源需求和尽量提高能源综合利用效能为目的来构建。终端综合供能单元优化规划所面临的主要问题包括:a)用户多样化需求。用户数量巨大，类型繁多，对各种能源的需求互不相同，大大增加了终端综合供能系统优化问题的难度。b)能源综合利用设备的大量集成。未来用户侧将集成众多形式互异的小型能源综合利用设备，除传统的电/热/冷负荷外，还可能包括大量可再生能源设备(如光伏、光热、小型风机等)，储能设备(如蓄冷、蓄热、储冰、储气、蓄电池、超级电容等)，综合供用能设备(如CCHP、燃料电池、电动汽车及充电站、太阳能制氢站及充氢设备等)。这些设备数量巨大且运行特性各异，许多设备尚不具备通用的分析模型，大大增加了该问题的研究难度。c)终端供能单元的投资规划主体存在多样性。可能是政府，可能是用户自身，也可能是独立的综合供能商以及他们的组合形式，投资主体的不确定性，大大增加了该问题的研究难度。

无论是供能网络规划还是区域终端综合供能单元规划，在规划过程中还需面对大量不完备、不精确、不确定性信息，这些都大大增加综合供能系统网络规划研究的难度。

(4)区域综合能源供应系统试点工程。通过试点工程，掌握综合能源系统的核心技术，探索综合能源供应商的运营模式，为进一步推广应用打下基础。试点工程的选择应考虑区域分布特点及功能定位、气候异同、供用能模式的典型性等因素。

3.2.3 终端层面上应推动分布式发电与微网技术的进步与发展

含分布式发电微网是典型的综合能源供应系统，在用户侧可为用户提供高质量的电、热、冷、气等能源供应，并满足用户个性化和差异化的需求［38］。此外，还可利用天然气储气罐、管道存气、冰蓄冷、储热以及电动车充放电实现各类能源负荷的移峰填谷，进而提升能源系统的资产利用水平。为此应积极推动相关技术的研究与应用。

(1)含分布式电源的微网关键技术研究。在用户侧，可再生能源发电多采用接入配电网的分布式发电形式，且具有间歇性、随机性的特点，这给电网的规划设计、保护控制与运行管理等带来一系列新问题。现有研究和实践已表明，将分布式发电系统以微网的形式接入大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式［38］:一方面，微网的灵活运行模式可有效地将不同类型的分布式电源组合起来，采用冷/热/电联供等技术和理念，提高各类能源的综合利用效率，并降低大量小容量分布式电源接入对电网的影响;另一方面，微网作为大规模互联电网的有效补充，可提高电网的抗灾能力，提高负荷侧的供电可靠性，改善电能质量。由于供电系统的安全性和灵活性直接影响社会供能系统的整体安全性和灵活性，因此，微网技术的推广应用会大大提高整个社会供能系统的安全性。

1)微网系统综合分析方法研究。建立起完善的含分布式电源微网的各类组成元件与系统的数学模型，研究不同规模的含分布式电源的微网稳态及动态分析方法，分析各类分布式电源和微网的运行特性，以及分布式电源间、微网间、微网与配电系统间的交互影响机理，并发展相关的理论和方法，一方面为微网在独立运行和并网运行条件下的稳定控制、能量管理、分布式电源经济调度奠定基础，也为含微网大电网系统的稳定性分析与控制提供理论支持。

2)分布式电源及微网的保护、控制技术。研究以实现高效、用户友好型并网发电为目的分布式电源及微网并网技术，包括模块化分布式电源即插即用型并网技术、含多类型多功能分布式电源的微网并网技术;微网中多种分布式电源协调控制与保护技术，含有分布式电源和微网的配电系统新型保护原理和方法;大量分布式电源和微网存在条件下的配电系统自动化技术，电能质量检测治理技术，智能调度策略;紧急情况下多微网配电系统并网和孤岛模式下协调控制的原理与技术等。

3)制订分布式电源及微网相关规范和标准。解决关键技术问题的同时，积极组织和参与制定与国际接轨的分布式电源、微网以及智能电网相关的一系列产品和技术标准，将对可再生能源发电、微网、综合能源利用等技术的推广应用起到关键的作用。

(2)新能源汽车研究。目前，新能源汽车技术发展迅速，已经从研究阶段逐步进入到产业化阶段，未来其将对改善整个交通运输行业的能耗结构产生积极影响，是综合能源系统的一个重要组成部分［39-42］。综合能源系统的发展必须与新能源汽车的发展相匹配，以满足大量新能源汽车的用电用能需求，其中又以电动汽车最受各界关注。电动汽车是一个移动用电设备，大量电动汽车的引入，对电网运行可能产生不利影响;但电动汽车本身也是一个动态的储能系统，是一种潜在的资源，通过其与电网的智能互动，以及对电动汽车充放电过程的动态管理，可对电网的优化运行和故障应对起积极的支撑作用［39-40］。

(3)含分布式电源及微网的配电系统协调规划方法。未来智能配电网与传统配电网的不同之处在于其具有兼容、互动、自愈、经济等显著特点，能够解决高渗透率分布式电源(分布式发电、分布式储能、需求侧管理等)与含分布式电源的微网单元的接入问题，满足用户对供电可靠性和电能质量的弹性需求［41-42］。因此，原有将配电网视为无源系统开展规划的方法已不再适应新环境下的系统规划要求。应建立适合分布式电源和微网特点的配电网设计和规划理论体系，主要包括:有助于微网接入的配电系统结构设计方法，含微网配电系统的综合性能评价指标体系，新型配电系统优化规划理论等。

(4)工程示范与推广应用。通过不同地区、具有典型性的微网示范工程建设，推动关键技术的研发和现场测试，同时探索有助于分布式电源和微网规模化发展的市场运营机制，包括可再生能源发电的电价机制，分布式电源及微网的运行管理机制等，为分布式电源和微网的进一步推广应用打下坚实基础。

4 结语

面对气候变化、削减温室气体排放、能源的安全和可持续供应等问题，构建协同发展的综合能源系统势在必行，而智能电网是综合能源系统的核心与关键。我国的能源资源禀赋、能源系统所面临问题与其它国家相比存在显著差别。因此，实现我国能源供应的安全和可持续发展，需因地制宜地选择一条适合的能源发展道路。综合能源系统的发展与构建，关乎国家能源安全，是涉及国家安全、社会经济发展和对外战略等多层次的战略问题，是一个复杂的、长期的系统性工程，需要强有力的基础理论、核心技术、市场政策、法律法规的支持。为此，应发挥国家在其战略规划中的主导作用，协调不同能源供应环节的利益，促进能源领域的合作、融合与协调发展。

［1］Jin H，Hong H，Wang B，etal．A new principle of synthetic cascade utilization of chemical energy and physical energy［J］．Science in China-Series E，2005，48(2):163-179．

［2］余贻鑫，秦超．智能电网基本理念阐释［J］．中国科学:信息科学，2014(6):694-701．Yu Yixin，Qin Chao．Expatiation on the basic ideas of smart grid［J］．Scientia Sinica Techologica，2014(6):694-701．

［3］张文亮，于永清，宿志一，等．湖南电网2008年冰雪灾害调研分析［J］．电网技术，2008，32(8):1-5．Zhang Wenliang，Yu Yongqing，Su Zhiyi，et al．Investigation and analysis of icing and snowing disaster happened in Hunan power grid in 2008［J］．Power System Technology，2008，32(8):1-5．

［4］余贻鑫，栾文鹏．智能电网述评［J］．中国电机工程学报，2009，29(34):1-8．Yu Yixin，Luan Wenpeng．Smart grid and its implementations［J］．Proceeding of the CSEE，2009，29(34):1-8．

［5］Spees K，Lave L B．Demand response and electricity market efficiency［J］．The Electricity Journal，2007，20(3):69-85．

［6］国网能源研究院．2014世界能源与电力发展状况分析报告［R］．北京:中国电力出版社，2014．

［7］胡学浩．智能电网:未来电网的发展态势［J］．电网技术，2009，33(14):1-5．Hu Xuehao．Smart grid:A development trend of future pow er grid［J］．Pow er System Technology，2009，33(14):1-5．

［8］Energy Information Administration．International energy outlook 2011，Annual report-DOE/EIA-0484［EB/OL］．http://www．eia．gov/forecasts/ieo/pdf/0484(2011)．pdf

［9］IEA．World energy outlook［R］．International Energy Agency，US，2013．

［10］DOE of United States．GRID 2030．a national vision for electricity’s second 100 years［EB/OL］．http://w ww．ferc．gov/ eventcalendar/files/20050608125055-grid-2030．pdf．

［11］Congress of United States．Energy independence and security ACT of 2007［EB/OL］．http://frwebgate．access．gpo．gov/cgi-bin/ getdoc．cgi?dbname=110-cong-bills＆docid=f:h6enr．txt．pdf．

［12］CNN．Obama’s inaugural speech［EB/OL］．http://articles．cnn．com/2009-01-20/politics/obama．politics-1-nation-generationpresident-bush?-s=PM:POLITICS．

［13］Government of Canada．Combining our energies:Integrated energy systems for Canadian communities［EB/OL］．http://publications．gc．ca/collections/collection-2009/parl/xc49-402-1-1-01e．pdf．

［14］Natural Resources Canada．Integrated community energy solutions-a roadmap for action［EB/OL］．http://oee．nrcan．gc．ca/sites/oee．nrcan．gc．ca/files/pdf/publications/cem-cme/ices-e．pdf．

［15］QUEST．Integrated community energy solutions:Organizational primer for community builders［EB/OL］．http://w w w．questcanada．org/pdf/QUESTⅢWhitePaperFinal．pdf．

［16］European Commission．The fifth framework programme［EB/ OL］．http://ec．europa．eu/research/fp5．

［17］European Commission．The sixth framew ork programme［EB/ OL］．http://ec．europa．eu/research/fp6．

［18］European Commission．The seventh framework programme［EB/ OL］．http://ec．europa．eu/research/fp7．

［19］EPSRC．SuperGEN-highly distributed power systems(HDPS)［EB/OL］．http://www．supergen-hdps．org．

［20］EPSRC．SuperGEN-highly distributed energy future(HiDEF)［EB/OL］．http://www．supergen-hidef．org．

［21］BMU of German．Energiekonzept der bundesregierung-langfristige strategie für die künftige energieversorgung［EB/OL］．http:// www．bmu．de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/ energiekonzept-bundesregierung．pdf．

［22］Nakanishi H．Japan’s approaches to smart community［EB/OL］．http://www．ieee-smartgridcomm．org/2010/downloads/ Keynotes/nist．pdf．

［23］Tokyo Gas．Challenge for the future society:Smartenergy network［EB/OL］．http://www．tokyo-gas．co．jp/techno/cha llenge/002 -e．html．

［24］郑国光．对哥本哈根气候变化大会之后我国应对气候变化新形势和新任务的思考［J］．气候变化研究进展，2010，6(2): 79-82．Zheng Guoguang．Thinking on new situation and tasks of addressing climate change for China after copenhagen climate change conference 2009［J］．Advances in Climate Change，2010，6(2): 79-82．

［25］刘景洋，解振华．2030年APEC蓝将成新常态［EB/OL］．http://news．xinhuanet．com/mrdx/2014-11/26/c-133814882．htm．

［26］郭霞，中德生态园:探索明日之城［J］．商周刊，2013(22): 36-37．

［27］郝文升，赵国杰，温娟，等．低碳生态城市的区域协调发展研究:以中新天津生态城为例［J］．城市发展研究，2012，19(4): 28-33．

［28］European Commission．Intelligentenergy-Europe:For a sustainable future［EB/OL］．http://ec．europa．eu/energy/intelligent．

［29］BP．Statistical review of world energy 2014［EB/OL］．http:// www．bp．com/content/dam/bp/pdf/Energy-economics/statisticalreview-2014/BP-statistical-review-of-world-energy-2014-fullreport．pdf．

［30］梁刚，裴国平，王宇．2013年全球油气储量、石油产量增长平缓［J］．国际石油经济，2014(S1):186-189．

［31］杨宇，刘毅，金凤君．世界石油探明储量分布特征与空间格局演化［J］．世界地理研究，2014(1):19-28．Yang Yu，Liu Yi，Jin Fengjun．Distribution characteristics and spatial evolution of the world proven oil reserves［J］．World Regional Studies，2014(1):19-28．

［32］范德成，王韶华，张伟．低碳经济目标下一次能源消费结构影响因素分析［J］．资源科学，2012，34(4):696-703．Fan Decheng，Wang Shaohua，Zhang Wei．Analysis of the influence factors of the primary energy consumption structure under the target of low-carbon economy［J］．Resources Science，2012，34(4):696-703．

［33］沈镭，刘立涛，高天明，等．中国能源资源的数量、流动与功能分区［J］．资源科学，2012，34(9):1611-1621．Shen Lei，Liu Litao，Gao Tianming，etal．The quantity，flow and functional zoning of energy resources in China［J］．Resources Science，2012，34(9):1611-1621．

［34］新浪财经．2013年中国省级行政区GDP排名［EB/OL］．http:// finance．sina．com．cn/china/20140317/211618531409．shtml．

［35］于德淼．我国供热行业特性与政府规制研究［D］．武汉:武汉理工大学，2012．Yu Demiao．Characteristic of China’s heating industry and government regulation［D］．Wuhan:Wuhan University of Technology，2012．

［36］张伟龙．北方小城镇供热输配管网的节能改造研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2013．Zhang Weilong．Research on energy-saving reform of heating system pipe network in north small tow n［D］．Haerbin:Harbin Institute of Technology，2013．

［37］朱建文，石琳．天然气冷热电联产系统的应用与发展［J］．华电技术，2014，36(10):73-76，80．Zhu Jianwen，Shi Lin．Application and development of natural gas CCHP production system［J］．Huadian Technology，2014，36 (10):73-76，80．

［38］王成山，王守相．分布式发电供能系统若干问题研究［J］．电力系统自动化，2008，32(20):1-4．Wang Chengshan，Wang Shouxiang．Study on some key problems related to distributed generation systems［J］．Automation of Electric Power Systems，2008，32(20):1-4．

［39］Mu Yunfei，Wu Jianzhong，Nick Jenkins，et al．A spatialtemporal model for grid impact analysis of plug-in electric vehicles［J］．Applied Energy，2014，114:456-465．

［40］Liu Zhe，Wang Dan，Jia Hongjie，et al．Pow er system operation risk analysis considering charging load self-management of plug-in hybrid electric vehicles［J］．Applied Energy，2014，136:662-670．

［41］Jia Hongjie，Mu Yunfei，Qi Yan．A statistical model to determine the capacity of battery-supercapacitor hybrid energy storage system in autonomous microgrid［J］．International Journal of Electrical Pow er＆Energy Systems，2014，54(1):516-524．

［42］Jia Hongjie，Jin Xiaolong，Mu Yunfei，et al．A multi-level service restoration strategy of distribution netw ork considering microgrids and electric vehicles［C］//Proceedings of 2014 International Conference on Intelligent Green Building and Smart Grid．Taipei: IEEE，2014:1-4．

(编辑:蒋毅恒)

Thought About the Integrated Energy System in China

JIA Hongjie，MU Yunfei，YU Xiaodan
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Integrated energy system(IES)can provide an effective solution to solve the low security，insufficient selfhealing capability，and low utilization rate of energy equipment problems under the background of low-carbon economy，which has a significant potential to support the optimization and adjustment of China’s energy structure．Firstly，the basic concept of IES and its main features are given in detail．Then，considering the valuable IES construction experience around the world and the current status of China’s energy resources，some key issues about China’s IES from the prospective of national level，regional level，and terminal level are discussed．Also，the corresponding suggestions are proposed．

integrated energy system;renewable energy resources;energy structure;smart grid

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0016-10

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.003

2014-12-08

2014-12-19

贾宏杰(1973)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向:电力系统安全性与稳定性、新能源集成、智能电网与综合能源系统等;

穆云飞(1984)，男，博士，讲师，通讯作者，主要研究方向:智能电网与综合能源系统、新能源与电动汽车集成、电力系统安全性与稳定性等;

余晓丹(1973)，女，博士，副教授，主要研究方向:电力系统安全性与稳定性、综合能源系统等。

国家自然科学基金项目(51277128;51377117; 51307115;51361130152);国家高技术研究发展计划项目(863计划) (2014AA051901);国家社科基金重大项目(12＆ZD208)。