综合能源系统现状与展望

鞠黄培

(国家电网国际发展有限公司，北京 100031)

0 引言

在我国电力改革进程不断推动的大背景下，能源、电力、用户三者之间的关系日益紧密。综合能源系统的出现将电、气、热、冷等多种能源系统相结合，打通了能源间的壁垒，实现了能源效率的显著提升，一跃成为近年来我国能源发展的关键领域。各国对综合能源系统的关注重点各不相同，部分发达国家较早开始了综合能源系统的研究，我国综合能源系统则处于起步阶段，多行业策划转型，导致综合能源服务产业竞争激烈，也推动了综合能源系统实际应用的发展。

1 综合能源系统简介

随着能源与环境保护带来的持续压力，以及可再生能源的深入挖掘，一些与能源耦合相关的关键性技术得到了迅速发展，如天然气发电、可再生能源供热、蓄冷空调、地源热泵、冷热电联供(Combined Cooling, Heating and Power,CCHP)〔1〕等。随着社会发展，天然气、电力以及冷热能源系统由原先的单独规划、单独设计、独立运行逐渐转变为相互协调、互联互通的供应模式，解决了缺乏协调造成的一系列问题，提高了能源利用率、能源供应系统的稳定性和安全性〔2〕。

综合能源系统、微电网技术、虚拟电厂技术(Virtual Power Plant，VPP)以及其他相关概念的提出对能源互联网的发展提供了技术基础。在电力、能量转换、分配和存储技术以及信息技术方面，综合能源系统使能源互联网能够有效利用大量分布式可再生能源，实现能源双向流动，按需传输以及能量与信息的动态平衡。由于各能源的特性，能源互联网的特点包括多种能源种类、区域性去中心化、以及能源间的互联互耦。从能源互联网的物理结构上看，可将其分为跨区域、区域和用户3个级别〔3〕。其中，电力系统在能量传输以及能源的高效利用方面起重要作用，分布式系统则作用于可再生能源的相互耦合，因此综合能源系统侧重在区域级和用户级。

从广义上看，综合能源系统涉及人类社会能源产生、运输、分配、消纳环节，需要以人类社会永续发展为基本前提，立足实际，着眼全局，以大能观来认识、研究和分析能源问题，从广义的角度直接研究和实践综合能源系统的难度极大。

从狭义上看，综合能源系统是由分布式终端综合能源单元系统和与之相耦合的集中式能源供应网络共同构成的，是初期开展综合能源系统研究和实践的有利视角。欧美国家在研究初期，如欧盟初期的微网系统、美国的综合能源系统-冷热电三联供系统，加拿大的ICES系统均选择从狭义综合能源系统入手。

2 各国不同关注点

综合能源系统技术的优势使其成为世界各国关注的重点，根据不同的需求，各国对综合能源系统技术研究的侧重点各有不同。

2.1 美国

2001年，为了提高清洁能源占比比重，提高供能系统的经济性和稳定性，美国对冷热电联供技术以及分布式能源技术进行了应用和推广，第一次提出了综合能源系统发展计划。2007年，美国颁布了能源独立和安全法，将综合能源规划作为能源供应的明确要求。2011年起，美国天然气使用比例逐渐攀升，超过了总能源的四分之一，应对该趋势，美国能源部、自然科学基金会等机构设立了多项课题，研究天然气与电力系统相互耦合的综合能源系统。

2.2 加拿大

在加拿大政府出台的2050年减排战略内容中，综合能源系统技术起到了支撑和保障作用。不同于美国，加拿大将关注点放在了社区级综合能源系统的建设。为了推动社区级综合能源系统的建设工作，加拿大政府于2009年起相继颁布了多项法案。

2.3 欧洲

在综合能源系统的研究与应用方面，欧洲最早将理论付诸实践。在欧盟框架项目的引导下，欧洲各国开展了综合能源系统方面的研究。此外，欧洲各国还根据自身特点和需求在欧盟框架外开展了该领域的研究。英国在综合能源系统的研究方面走在欧盟的前列，在英国工程与物理研究会的资助下，英国开展了多方面关于综合能源系统的研究，研究领域包括新能源并网，各能源间的协同，建筑中的能源效率提升，以及能源、交通系统与基础设施三者互相的影响因素等方面。除了英国外，德国也开展了综合能源系统的研究，关注点落在通信系统与能源系统之间的耦合与交互。以E-Energy项目为例，德国于2008年选择了6个试点地区，开展关于智能发电、智能电网、智能用电以及智能储能4块内容的研究。

2.4 日本

日本能源稀缺，是主要依赖能源进口的国家，为提升能源利用效率，也相应开展了综合能源系统的研究，为亚洲研究最早的国家。2009年9月，日本政府公布了2020、2030以及2050年的减排战略目标，与加拿大类似，综合能源技术在能源效率提升、结构优化和系统稳定方面起到了至关重要的作用。以NEDO提议展开的智能微网与智能社区的研究为例，日本政府对综合能源系统的研究提供了大力支持。

2.5 中国

中国在综合能源系统的研究与开发方面，先后启动了973计划、863计划、国家自然科学基金研究计划等，并与英国、德国、新加坡等国开展了国际合作。国网公司、南网公司、清华大学、天津大学、河海大学、华南理工大学、中国科学院等研究单位在综合能源专业领域已形成稳定的研究方向和具备一定实力的科研团队。

3 综合能源系统实际应用

我国综合能源系统处于起步阶段，因该技术涉及的能源种类较多，发电企业、电网企业、燃气企业、设备商等都在策划综合能源服务转型，综合能源服务产业形成了充分竞争，推动了综合能源系统实际应用的发展，下面以国内的北京大兴国际机场和国外伦敦奥林匹克公园中应用的综合能源系统技术为例，简要介绍综合能源系统的实际应用。

3.1 首都机场集团公司-北京大兴国际机场

北京大兴国际机场坚持绿色建设理念，高效利用各种能源，其中可再生能源总量占机场年综合能源消费总量10%以上。

北京大兴国际机场的可再生能源利用主要包括太阳能光伏发电、浅层地热、污水源热量、烟气余热等。可再生能源主要应用包括货运区楼顶、停车楼、能源中心、公务机库的太阳能屋顶光伏设备的安装和应用；在污水处理厂安装污水源热泵；公务机楼、蓄滞洪区周边、飞行区服务设施等地安装浅层地热利用设施等。

北京大兴国际机场应用的地源热泵系统目前在全国民航业中规模最大，向大兴机场的末端用户提供冷、热能源，涉及空防安保中心、中航油油库等30余个使用地块。

3.2 伦敦奥林匹克公园

伦敦奥运发展署公布了为伦敦奥运会提供能源的可持续性能源中心设计图。这座由John Mc Aslan设计的绿色能源中心坐落在奥林匹克公园西部，奥运会前后都能提供能源、热能和冷气。它采用生物燃料制热并设置了生物燃料锅炉和CCHP工厂来回收发电时产生的热量。ODA(Official Development Assistance)决定开发一套城市供热系统，以及一套城市供冷管网。在斯特拉福德和国王区建立一个三代供冷、供热和电力的能源中心，并与其他大型储热设备互联。

4 综合能源系统展望

由于全球经济发展逐渐放缓，各国着眼点落在了环境保护和可持续发展之上，能源行业的发展进入了瓶颈期。一方面，随着分布式能源发电和储能技术的发展，以能源用户为主导的能源变革方兴未艾，分布式能源接入的需求难以一时被消纳；另一方面，传统能源企业的盈利模式将不再适应数字化、低碳化的能源格局需求。

而随着区块链去中心化、数据安全性、公开透明、系统自治性等优势的逐步凸显，各国将目光转移到综合能源区块链系统的研究中去，区块链有望成为能源转型瓶颈的突破口。

4.1 区块链技术简介

技术层面，区块链涉及密码学、数学、互联网和计算机编程等多种专业学科问题。应用层面，区块链即分布式的共享数据库，具有去中心化的特点，存储在其中的信息具有不可篡改、全程追溯、透明公开、共同维护等特点，十分契合电力改革中去中心化、分布式发电的发展需求〔4〕。

4.2 综合能源区块链系统

在上述背景下，许多国家开始在实践中探索区块链技术在未来能源电力发展的方向。2016年初，LO3与ConsenSys在纽约布鲁克林推出了名为TransActive Grid的区块链项目。该项目中，试点地区的居民可将自己过剩的电能以区块链原型作为平台出售，该平台采用的分布式机制为以太坊网络，通过智能合约来出售居民过剩的电能，为以太坊区块链技术与能源交易的首次结合。2016年4月，LO3团队在原先基础上建立了全球首个能源区块链交易系统和微电网试点项目。该系统将处于区块链中的5个家庭的屋顶光伏发电，直接出售给区块链交易系统的另外5组家庭，标志着区块链技术在能源领域应用的开端〔5〕。

许多其他国家也参与了综合能源区块链系统的研究和应用。欧盟推出的Scanergy项目是针对绿色能源交易的。运用区块链技术，借助虚拟货币，完成绿色电能的虚拟交易；德国Share&Charge项目则将区块链技术应用到了电动汽车充电桩上，通过区块链技术完成充电桩分布式记账，实现计费透明化，增进交易双方信任；澳大利亚弗里曼特市的智慧城市互联样板项目则将光伏发电、电动汽车、区域水处理厂联系起来，应用区块链技术记录能源数据〔6〕。

4.3 综合能源区块链系统前景展望

4.3.1能源区块链

当前世界各国均面临着能源危机和环境污染问题，未来的能源系统必然将成为一个包含多种可再生能源、集中式与分布式相结合、泛在电力广泛物联的综合能源系统〔7〕。基于区块链与能源互联网十分契合的因素，可将电力系统作为纽带，借助区块链技术，可将分布式能源采集、存储和各种类型的负荷构成新型能源网络〔8〕。

4.3.2应用区块链技术的电力信息系统安全框架

在互联网时代，网络安全问题成为了电力系统入侵的突破口，网络安全也越来越受到各国的重视。2015年12月23号，乌克兰发生大停电事件，全国超过一半的地区均受到影响〔9〕。

以上电力系统入侵事件中，黑客借助篡改系统采集数据、传输数据，甚至是控制指令的方式，实现对电网系统的攻击。而区块链技术的应用能够优化原本集中存储和处理的数据，对指令结构进行优化，实现分布式存储，并采用分布式共识的机制，提高电网系统的抗攻击性。

5 结论

本文对综合能源系统的应用现状做了简要介绍，并结合作为未来趋势的区块链技术，分析两者在属性和应用方面的契合性，提出未来综合能源系统的可能性和发展方向。综合能源系统对能源结构的优化、能源供应效率的提升、能源系统的安全稳定运行具有重大意义，除了大力发展当前综合能源技术科研领域的研究并进行试点项目的实践应用外，还应与当今前沿技术对照，探究创新技术与综合能源技术结合的可能性，促进新兴技术与能源技术不断融合，积极推进我国的能源改革战略进程，为社会的经济发展提供充足动力。