基于能源互联网的能量传输建模及线路布配

(上海理工大学 新能源科学与工程研究所，上海 200093)

近年来，能源储量危机与环境污染问题掀起了社会对资源合理分配和能源系统开发的研究热潮[1-3]。Jeremy Rifkin受信息互联网通讯、信息监控技术的启发，提出了能源互联网概念[4]，主要以可再生能源分布式发电+互联网信息技术为概念核心，将多种可再生能源与用能端广泛接入电网，以实现多种能源融合发电和供、用能端相互联系。

目前，国内外已经建立地区能源互联网架构，并建立能量枢纽模型[5]对其进行运行优化研究。文献[6]在建立了针对商业园区内的光伏发电、电动汽车的供、用能端的能量枢纽模型的同时，考虑峰谷电价及园区内综合需求的反响，所建模型能使多种能源协同运行并减少园区用能费用；文献[7]分析了上海某工业园区内的能源系统的能源利用率与控制水平，在此基础上建立了基于能量枢纽的电、热、气等多种能源形式组成的能源网络架构并通过分布控制各枢纽对能源系统运行进行了优化；文献[8]针对社区提出了可实现电、热、冷、气等能量形式相互转换的能源枢纽，并根据社区内的能量需求响应对该网络建立优化运行模型；文献[9]中为了降低家庭用户的用能成本，提出了用于家庭住宅内的智能家居能源枢纽模型并对其运行进行优化，模型中供能端采用热电联产技术，用能端为混合动力汽车、供暖设备、家用电器等。目前各国大力发展新能源，但新能源比例并未占到主导，就我国而言，各地区资源储量与其经济发展和人民生活所需的资源量相互矛盾的关系，而资源的直接输送成本极高。我国的新能源分布较广，但大范围内的能流密度较低，无法实现能源的集中利用且新能源难以储存及输送[10]。

因此，本文旨在建立以多种能源形式形成的能源互联网，各地区就地发电，且能量富余地区通过电网传输向能量紧缺地区输送电力，实现全国互联传输和供给。首先，基于能源密度法确定全国各地区的资源分布及其能量节点位置；其次，考虑投资建设成本和运行成本，以能源互联网的年综合费用为目标函数，建立能量传输过程模型；最后，建立星型、垂直、综合连接法，并分析其在能量互联网优化中的优劣，并以西北地区为例，给出其能源互联网的最佳输配方案。

1 能量密度法确定供用能枢纽节点

我国各类能源储量丰富但地域分布极其不均，同时各地区经济发展水平参差不齐使得各地区对能源的需求差异大。为了在全国范围内确定有效的供、用能端主干枢纽节点的位置，本文分别对全国各地区的能源分布、电力消费情况进行了统计，并根据能量密度法计算出各主干枢纽节点所处位置的经纬度坐标。此外，通过统计数据，预测了供、用枢纽节点在未来的负荷，便于后期构建全国范围内的供、用能主干枢纽的能量传输模型。

1.1 能量密度法

能量密度表示单位面积内区域所拥有的能量。在给定的区域范围内，该区域内各下级地区枢纽节点的能量密度是指各下级地区中风、水、太阳能等各种形式的能源的供给量，再根据各下级城市枢纽节点的位置及其能量密度来确定整个给定区域内供能侧中心能量枢纽的节点位置；而用能侧是根据区域内各下级地区对能源的需求量来确定该区域内能量需求密度的中心枢纽的节点位置。

通过能量密度法计算出各区域主干枢纽节点所在的经、纬度，具体计算内容是将给定区域内下一级每个能量枢纽节点的经度坐标与该节点对应的供给量或需求量，以及该节点的权重系数三者乘积相加的总和与该区域内总的能源供给量或需求量的比值。公式如下

(1)

(2)

式中Cx、Cy——区域内中心枢纽节点所处位置的经、纬度坐标；

Dix、Diy——该区域内第i个节点的经、纬度坐标；

ωi——该区域内第i个节点的权重系数；

Qi——该区域内第i个节点处对应的能源供给量或需求量；

n——该区域内枢纽节点的总个数。

1.2 确定全国供能端枢纽节点

基于上述能量密度法对我国的四大资源进行省级枢纽节点的划分，主要通过各资源的能量密度将所采集的资源子节点以省份为单位进行资源枢纽节点的确定。在建立能源互联网的基础上，四大资源中包括化石能源资源以及可再生能源资源；其中化石能源以煤炭资源为例，可再生能源考虑太阳能资源、风力资源和水力资源三种。

煤炭资源是根据其资源储量分布，采集全国90个市/县级煤炭资源子节点；太阳能资源是根据各地区的太阳能辐射量的多少，采集全国737个市/县级太阳能资源子节点；风力资源是根据全国各地的风能密度相应采集95个市/县级资源子节点；水力资源子节点则是通过全国各地区可以利用的水资源储量分布情况，采集79个市/县级资源子节点。根据所采集的各资源子节点及该资源在各省份的相应资源量，通过能量密度法求得各省资源枢纽节点及其相应的能量枢纽分布图，图中红色方框为枢纽节点位置。

如图1所示，分别绘制出全国范围内四大资源的能量密度及各省的资源枢纽，并从图中可以观察到我国的煤炭资源集中在北部地区；太阳能资源和水资源分布较广几乎遍布全国各地，但其资源量则根据各地区的资源密度确定；风力资源大多处于中国的北部地区、东部沿海地区以及西部一些地区，中部内陆地区风力资源较少。

根据上述四大资源枢纽节点分布图以及通过能量密度法求得的各类资源枢纽节点坐标，此处以西北地区为例，列举出该区域五大省份的相关资源枢纽节点坐标，如下表1所示。

表1我国西北地区四大资源能量枢纽节点经纬度坐标

省份煤炭资源太阳能资源水力资源风力资源经度纬度经度纬度经度纬度经度纬度陕西109.545 535.357 0109.205 935.798 6110.994 034.132 1108.665 037.930 0甘肃104.090 536.437 0102.207 137.374 5103.762 136.167 199.995 039.255 0青海97.173 036.821 899.418 535.442 399.595 136.025 194.790 334.634 3宁夏107.000 336.621 7106.055 837.351 9106.138 438.254 3104.823 638.476 2新疆84.471 941.191 783.018 041.489 585.116 443.410 787.312 444.312 3

若实现全国范围内的能量传输，还需得到全国用能端的枢纽节点，在此基础上建立能源互联网背景下的电力传输模型。

1.3 确定全国用能端枢纽节点

根据全国各地区的电力消耗情况确定全国的用能分布，以各市/县的全社会用电量作为该地区的用能密度、全国各省的市/县级城市经纬度坐标为用能侧子节点，通过能量密度法求出相应的各省份用能侧枢纽节点。本文以2017年国家统计局统计的全国各市/县的社会用电量为基础，计算得到相应的用能侧枢纽节点坐标。

表2给出2017年全国各省/市的用电量并给出该省份用电量在全国范围内所占的比重。根据该表可以继续通过能量密度法得到区域级的用能枢纽节点，各级枢纽节点分布如图2所示。

从上表2中可以看出，江苏省、广州省、浙江省、山东省对电能的需求远大于全国其余省份。江苏省原因之一是江苏省等华东区域的人口密集度远高于青海省等西部偏远地区，这使得该区域生活用电量就高出一截；此外，由于东部沿海等地区的工业、经济较为发达，其工业用电量也高于西部地区。

结合表2中给出的各省/市在2017年的年度用电量分析该用能侧主干枢纽节点分布图，可以看出我国用能侧能量密度差中心靠近我国东部地区，故而考虑建立能源互联网，为东部地区输送能量。同样以西北地区为例，列举出相应的用能侧枢纽节点坐标，如表3所示。

表2全国2017年各省及直辖市的年度用电量

省/市用电量/亿kW·h权重系数省/市用电量/亿kW·h权重系数省/市用电量/亿kW·h权重系数新疆20010.031 723山东省5 4300.086 084云南省1 5380.024 383宁夏9780.015 505江西省1 2940.020 514贵州省1 3850.021 957青海省6870.010 891福建省2 1130.033 498四川省2 2050.034 957甘肃省1 1640.018 453安徽省1 9210.030 454重庆省9930.015 742陕西省1 4950.023 701浙江省4 1930.066 473海南省3050.004 835西藏580.000 919江苏省5 8080.092 076广西 1 4420.022 861广东省5 9590.094 470湖南省1 5820.025 080湖北省1 8690.029 630上海市1 5270.024 208辽宁省2 1350.033 847河北省3 4420.054 567黑龙江省9290.014 728内蒙古2 8920.045 848天津市8060.012 778吉林省7030.011 145山西省1 9910.031 564北京市1 0670.016 916河南省3 1660.050 192

*数据来源：国家资源统计局

表3全国用能侧枢纽省级节点

省份经度坐标纬度坐标陕西省108.843 434.905 8甘肃省103.601 036.518 9青海省100.771 036.575 0宁夏106.165 438.204 8新疆84.893 243.227 5

确定我国各地区的供/用能枢纽节点后，并以此为基础建立多能源电力传输网络，实现全国的能量传输。

2 基于能源互联网的能量传输模型

基于能量密度法得出上述能量枢纽的条件下，建立能源互联网中的电力传输模型。该模型的目的是为了实现全国的供能枢纽到用能枢纽的电力传输，以年综合费用最小为目标函数建立该电力传输网络。该电力传输网络模型的年综合费用包含电缆的初始投资建设费用以及运行损失费用两部分，具体费用公式如下所示

初始投资费用

fc,ij=φ·ε·mc·dij·fm

(3)

运行损失费用

fy,ij=Iij,max2·Rc,ij·s·t

(4)

i、j枢纽节点间的最大电流

(5)

i、j枢纽节点间的电阻

(6)

式中fc,ij——i、j枢纽间电网年初始投资费用/元·年-1；

ε——当一根电缆无法满足传输容量时的同时传输的电缆数目；

dij——i、j枢纽间电缆的长度/km；

fm——单位质量的电缆的费用/kg·km-1；

mc——单位长度电缆c的质量/kg·km-1；

φ——电塔、变电站、中继站等辅助设备的费用折算系数；

Uc,ij——i、j枢纽间架空电缆c的供电电压/kV；

Pi——从i枢纽出发向网络传输的电量/kW；

ρc——电缆c的电阻率(本文涉及到的电缆电阻率为2.83×10-8Ω·m)/Ω·m；

Ac,ij——i、j枢纽间电缆c的标称截面积/mm2。

综上，该模型的约束条件包含线路损失约束、最大电流约束以及最大电阻约束，其中：

线路损失约束

(7)

最大电流约束

Iij,max≤Ic,max

(8)

最大电阻约束

Rc,ij≤Rc,max·dij

(9)

式中Rc,max为环境温度为20℃时电缆的直流电阻限值，根据相关电缆国家标准设计说明查得。确定各线路上电缆的规格型号是通过传输距离(传输容量)决定供电电压，再由传输容量和供电电压确定电缆所能够承受的最大电流，最后通过最大电流进行电缆线径的选取。以上目标函数是基于电缆的选型进行年综合费用计算。

当i枢纽处传输的电量Pi与全部已知电缆规格的传输容量Pc,max相比较，如果Pi≤Pc,max，通过同时建设ε组电缆(ε视情况取2组及以上数目)进行传输；此时，每根电缆上还应满足最大传输容量与最大电流的约束，如式(10)所示

Pi≤ε·Pc,max

(10)

由式(10)所求得的电缆组数，平均分配该条线路上的传输容量，再根据供电电压，得出线路传输最大电流，据此得到每条线路的损失量，对其求和，得到最终i、j枢纽间的线路损失量。

确定该电力传输网络模型后，运用几何法对我国西北地区的能量枢纽节点进行线路布配。根据各离散节点分布程度及各节点承载/需求的负荷量不同，分别采用主汇点星型连接法、主干线路垂直连接法以及综合连接法对该电力传输网络模型进行线路布配。

3 几何法应用于能源互联网线路布配

3.1 两种基于几何法的线路布配方式的特点分析

根据对全国三大清洁能源及煤炭资源的分布特点及全国各地区的用能情况，得到全国的供/用能分布呈现高度的不均衡现象。工业、经济发展较快的东部地区及沿海地区的能耗高，但当地可供发电的资源却不足以为其提供足够的能量，只能依靠外界输送煤炭、石油等化石能源资源，如此成本费用只会逐年增高，未解决此种现象，建立依靠能源互联网为背景，大力推广实现可再生能源资源就地发电，通过架设电网实现多余电能向外网进行传输，如此可以实现多种类能源依靠同一电网实现多能源的高效输配。

当进行能量传输时，对该能量网络进行线路布配依靠的原则是：各类资源枢纽节点的连接方式是遵循“总线路最短且内部消耗”的原则，即所有资源枢纽节点在满足我国能源分布形势自西向东进行能量传输的同时，以线路最短为目标进行线路的布配；并在能量传输的同时，先满足当地及周围附近地区的能量需求，多余的能量汇入主干网络向其他地区传输。

按主干线路和周围各类离散资源枢纽节点的不同线路布配方式，分为两种：主汇点星型连接法和主干线路垂直连接法。两种方法的原则一致，均保证资源当地消耗，各枢纽节点连接方式依照线路最短原则进行线路连接。

不同点在于，主汇点星型连接法是在当地用能枢纽节点所需能源量已被满足的情况下，周围其余的离散枢纽节点直接并入主汇点再向主干线路进行能量传输；而主干线路垂直连接法则是将主干线路附近的资源枢纽节点直接以垂直法连接汇入主干线路，两线路连接方式如下图3所示。

如图3所示，将此两种方法运用与我国西北地区线路布配中，并对其相应的计算结果进行分析比对。

3.2 基于几何法实现我国西北地区的线路布配

根据我国国家资源统计局统计的2011～2015年西北地区五省的相关数据，预估未来可再生能源资源发电量涨幅为25%时，我国西北地区各资源枢纽节点以及用能枢纽节点的承载/需求资源量(电量)，如表4所示。

除上述西北地区各省负荷量外，该区域内的线路电缆材质选取钢芯铝绞线(LGJ型)，此电缆的相关参数如下：该导线的电阻率为2.83×10-8Ω·m；电缆单价为25元/kg(该价格包含了电缆的裸线成本费用以及包装、人工费等综合费用)；2017年全国平均电价为0.376 28元/kW·h；根据这些参数计算基于两种方法的西北地区线路布配综合费用。

由图4中西北地区主汇点星型线路连接方式，根据每段线路的不同长度及传输容量，相应确定出各段线路的供电电压及电缆线径的选取，再通过电力传输模型计算得到最终综合费用，如表5所示。

表4西北地区各枢纽节点处承载/需求负荷量及相关参数

表5主汇点星型连接法对西北地区传输网络进行线路布配综合费用表

线路传输距离/km传输负荷/万kW电缆选型/根数·mm2供电电压/kV折算系数5-4220.5931 684.476*63050022.041 44-327.221 71 962.3842*30011035.727 791-3247.1465 393.226*63050022.041 42-3229.0141 759.936*63050022.041 43-71 263.085 599.1326*6301 00034.261 247-11321.9335 653.9246*63050022.041 46-9430.792865.7656*63050022.041 49-1066.7366 373.8422*30011035.727 7910-11121.8326 581.7832*63022028.008 5711-13252.87410 708.316*63050022.041 48-12284.534355.9256*63050022.041 412-13156.1872 689.026*63050022.041 414-1542.032 7430.6282*30011035.727 7913-1544.703 711 218.222*30011035.727 7915-20260.79312 189.726*63050022.041 416-17120.852269.3492*63022028.008 5718-175.988 1315.4112*30011035.727 7919-1795.326 11 4102*30011035.727 7920-19116.7471 0602*63022028.008 5720-21253.08811 985.656*63050022.041 422-23241.83576.952 16*63050022.041 423-2457.917 4986.351 22*30011035.727 7924-25189.9092 354.5456*63050022.041 421-25214.999 360.4746*63050022.041 4初始投资建设费用/万元132 067 430年运行损失费用/万元·年-16 554 286

由上表可以得出在确定电缆线径选型的基础上，计算出主汇点星型连接法得到的西北地区电力传输模型的综合费用，即建设该传输网络所需要初始投资成本约为1.32万亿元，其中的年运行损失费用约为655亿元/年。但由于使用此种方法连接时，存在新疆-青海省(即图中所示的3-7)线路过长，会极大增大施工难度，故而考虑运用另一种连接方式，即主干线路垂直连接法，其具体连接方式如下图5所示。

根据图5中主干线路垂直连接的方式，可以看出所有离散的资源节点均采取直接垂直并入主干线路中，相应的费用计算如下表6所示。

表6主干线路垂直法对西北地区传输网络进行线路布配综合费用表

线路传输距离/km传输负荷/万kW电缆选型/根数·mm2供电电压/kV折算系数1-3247.1465 393.226*63050022.041 42-3229.0141 759.936*63050022.041 44-A63.154318.4022*30011035.727 795-B231.5651 684.476*63050022.041 43-A42.1033 663.9912*30011035.727 79A-B189.4623 884.7516*63050022.041 4B-C905.2075 472.7846*6301 00034.261 246-C336.821865.7656*63050022.041 4C-7126.3086 232.1542*63022028.008 579-D157.8855 540.316*63050022.041 48-E336.821355.9256*63050022.041 410-E84.205400.4452*30011035.727 797-D107.3116 297.8682*63022028.008 57D-E75.11811 626.592*30011035.727 79E-11139.50412 123.072*63022028.008 5711-F126.43710 885.132*63022028.008 57F-13126.43713 079.712*63022028.008 5712-F105.2572 343.892*63022028.008 5713-1544.703 711 032.92*30011035.727 7914-1542.032 7430.6282*30011035.727 7915-G32.59912 122.982*30011035.727 7916-G210.513269.3494*80050022.333 67G-H119.5312 270.212*63022028.008 5719-H42.103381.4912*30011035.727 79H-I43.46612 533.582*30011035.727 7918-175.988 1315.4112*30011035.727 79I-17126.3081 6902*63022028.008 57I-2065.19810 703.492*30011035.727 7920-J28.12111 551.242*30011035.727 7922-J189.46276.952 12*30022030.623 82J-K154.66511 502.666*63050022.041 423-K94.731909.8282*30011035.727 79K-2170.30212 266.052*30011035.727 7921-L64.4979 572.7722*30011035.727 7924-L63.1541 397.482*30011035.727 79L-25150.49310 820.176*63050022.041 4初始投资建设费用/万元403 521 769年运行损失费用/万元·年-18 772 378

从以上两表中的费用成本来看，不论是投资建设成本还是运行损失成本，主干线路垂直连接法的费用均高于主汇点星型连接法，一方面，虽然主干线路垂直连接使得整个区域的线路总长度下降，但其修建的线路数变多，需要建设的基建辅助设施数目同时增大，导致投资建设费用增加；另一方面，由于各支路的线路变短，在传输相同电量时，供电电压等级选取若不同会导致垂直连接法中的电流过大，造成的线路损失变大，运行成本增加。

综合上述两种方法的特点，提出第三种方法应用于电力传输网络的线路布配，此种方法特点为对于主干线路中跨度较大的线路，其周围枢纽节点采取直接垂直并入主干线路；而主干线路附近的资源枢纽节点则直接并入主汇点向主干线路传输，称之为综合连接法，具体的连接方式如下图6所示。

如上图6所示的综合连接法结合了两种方法的特点，其线路总数在两种方法之间，经计算得到其运行损失费用为863.756 2亿元/年，投资建设成本为2.302亿元；不难看出该方法的年投资成本大于主汇点星型连接法，小于主干线路垂直法；虽然综合连接法能够吸收主干线路垂直法中降低建设跨度较大的线路工程的施工难度，却无法避免该法带来的成本劣势，故而在后续对线路布配进行优化时考虑以主汇点星型连接法为主。

4 结论

本文通过能量密度法确定全国的供/用能侧节点，根据各地区的供/用能节点的分布及其承载/需求的负荷量，并以此为基础建立了全国能量传输网络，运用几何法对我国西北地区的网络传输线路进行布配，得到如下结论：

(1)建立全国能源互联网可以实现多地区多种类型的能源资源就地发电，多余电量向大电网进行传输，可以相对节约直接输送能源的成本，且诸如太阳能、风能等可再生能源不能直接进行传输，建立该网络能够高效的利用清洁能源。

(2)主汇点星型连接法所建立的线路数最少，但存在许多区域跨度较长的线路，工程施工难度增加，年综合成本最低；主干线路垂直连接法虽能有效地解决线路跨度过大的问题，但由于其缩短了线路长度，导致线路中电流过大，且各支路长度变短造成的相同距离、传输相同电量的情况下，垂直法需要建设的电缆数及辅助设备数目增加，其年综合费用大于主汇点星型连接法；结合两种方法的特点建立的综合连接法，虽然能够解决工程上施工难度，却无法避免垂直连接带来的高成本，故而以主汇点星型连接法为基础进行能源互联网线路布配的优化设计。

综上，建立基于能源互联网的能量传输网络，有助于实现各地区资源的高效使用和传输。