服务新战略的智慧能源服务调控模式及应用场景分析

陈 俊，童 莹，孙书哲，赵政武，冯青蓝

(国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000)

0 引言

智慧能源服务是综合利用大数据、云计算、物联网和移动互联网等科技成果实现数据和资源共享，为客户提供全生命周期全状态感知的多元化优质服务。智慧能源服务包括冷热、电力、燃气以及新能源等综合服务，从投资、运营到维护整个服务阶段，涵盖多种商业运营模式和运行场景，同时能够体现智慧能源的云计算、物联网等技术广泛应用。目前针对多级智慧能源的控制模式和场景特征分析仍有待继续深入，尤其是结合双碳目标对其具体运行机制作进一步阐述。

目前针对智慧能源调控，文献[1]分析了需求侧综合能源系统关键技术。针对综合能源中可响应负荷，文献[2]提出了计及用户响应不确定性的可中断负荷储蓄机制；文献[3]提出了智能小区可转移柔性负荷实时需求响应策略；文献[4]分析了需求响应的负荷控制对供电可靠性的影响；文献[5]将用户对于冷、热、电多能流的需求纳入需求响应范围内，提出基于多能互补的电/热综合需求响应机制。上述文献对智慧能源的调控策略进行了分析，从可响应负荷以及可再生能源的角度对模型的建立进行了论述，但针对碳排放的研究并未深入。

优化协调方面，也有不少文献考虑不同因素从不同角度进行了探究。在区域电网层面上，文献[6]建立了计及用户可响应负荷的区域多能源系统运行优化模型；文献[7]和文献[8]引入碳排放，提出了一种电-气互联综合能源系统的联合经济运行模型。但目前仍需进一步分析在低碳目标下的应用场景及控制模型，促进新能源转型与升级。

本文分析了双碳目标以及新能源战略体系变化趋势。通过对双碳目标进行分析，进而提出了综合智慧能源应用场景，以服务新战略为目标，提升各级能源的利用效率。

1 双碳目标与新战略体系分析

1.1 双碳目标

2020年，中方提出碳达峰近景目标和碳中和远景目标，即双碳目标。在双碳目标下，电力系统主要特征将发生改变，逐渐转向为以新能源为主体的电力系统，形成清洁主导，电能为中心的能源供应和消费体系，实现在能源生产和消费侧高效化、低碳化。

在双碳目标背景下，新型电力系统需要具备主动支撑能力，实现对新能源、分布式电源可观可测可控，形成结构合理、网架坚强以及自愈能力强的电力网络。由此可见，碳中和以及碳达峰主要支持各类新技术、新能源和新设备的大规模接入电网，以减轻传统化石能源发电对环境的影响，提高可再生能源对环境的承载力，同时电网结构、负荷特性以及电网形态会发生根本性转变。主要体现在由传统化石能源为主导的电源结构，向可控可调节的新能源发电转变；另外，传统刚性负荷向产消者负荷进行转变；电网形态由传统电网向交直流混合电网、直流微电网等转变。由此可见，在新型电力系统模式下，双碳目标要求电力系统由传统发电机为主导的机械电磁系统，向由电力电子设备为主导的混合系统转变，最终实现电力系统低碳高效运行。

1.2 新战略体系分析

能源系统对我国实现双碳目标起决定性作用，电力是未来能源系统碳减排的主要力量。当前，我国能源发展呈现出更加智能、更加多样性的特点，能源互联网不断发展，分布式电源、电动汽车以及储能技术逐渐推广应用，经过大规模实践，大数据、物联网和人工智能等信息技术实现快速发展，在新战略背景下，电力工业互联网等智慧能源新模式成为重要发展方向。在能源消费理念和消费方式发生转变的加速时期，结合现阶段能源战略模式和碳排放要求，建设能源互联网最终目的是推动构建清洁低碳、安全高效的能源体系，服务清洁能源的发展，促进清洁能源，大规模开发利用和大范围优化配置。

因此，在新的战略目标背景下，推动能源互联网建设的主要任务即构建智慧能源综合服务体系。以客户需求为导向，推动各类综合能源服务互联互通，提升综合能源规划设计以及与传统能源衔接运行的能力。在用能服务优化方面，加强冷热电器等多种能源的灵活转换以及集成技术优化推广应用，因地制宜开展多能互补示范工程。另外，针对柔性负荷应用，提升需求响应侧响应水平和管理模式，促进需求响应，提升智能化用电服务水平。在充电设施选址、建设方面加强供电保障能力，建设大范围车联网平台服务。由此可见，新战略模式下，电力发展以低碳高效为主导，清洁能源作为主要发展方式进行大力推广，以碳达峰和碳中和为根本目标，不断推动综合能源互联网、智慧能源服务落地和发展，多级能源系统如图1所示。

图1 综合能源系统

2 智慧能源多级调控评价模型

智慧能源多级协调优化调控是确保绿色可再生资源最大化利用的前提下，对综合能源实行有效协调的控制，实现运行成本最低，运行可靠度最高。在控制模型中，主要包括发电侧、网络拓扑结构层面、用户侧以及其他可再生能源发电设备。通过多种传感设备，对能源综合协调优化控制模型进行数据输入，最终根据预定的输出进行模型控制，如图2所示。

图2 智慧能源服务多级控制

通过布置于电力网络内部的传感装置以及两侧单元对节点主要运行数据、开关状态数据和网络拓扑结构数据进行全面采集和分析，经过相应的云计算和数据处理算法得到相应的控制策略。主要包括有功功率全局优化控制和无功功率全局优化控制。为体现智慧能源多级调控的优势和特点，需要针对网络内部传统化石能源、可再生资源和储能装置等进行联合策略。同时，还需结合电力、燃气和热能等多种其他形式能源进行统一调控。

智慧能源多级调控的效果是从安全可靠、优质经济和节能环保等方面进行评价的。安全可靠主要是指电力系统运行的稳定性，具体表现为电力系统在故障时间内停电范围以及停电时间、削峰填谷的响应效果；优质经济主要是指系统在运行期间电能质量以及系统的运行成本，主要能够以可再生能源技术电网的并网水平以及系统总成本进行量化；节能环保是指整个系统的碳排放水平一级节能减排效果，主要可以利用可再生能源发电以及电动汽车保有量水平进行环境影响效果评价。

智慧多能源综合协调控制技术评价指标体系中既有多源信息融合监视、配电网运行状态估计和冷热电三联供需求响应机制等主观定性指标，又有分布式电源容量渗透率、分布式电源平均装机利用小时数和分布式电源自动控制系统覆盖率等客观定量指标，如表1所示。为充分体现评价需要考虑主观与客观、定性与定量等方面对多能源综合协调控制技术水平的影响，本次评价选择AHP-熵权法，在充分尊重专家经验的基础上，最大限度地削弱权重确定的主观性，使综合权重能最大限度地反映多能源综合协调控制技术水平。

表1 评价指标体系

3 智慧能源服务场景分析

3.1 综合能源服务平台

智慧能源服务应用场景，主要以电力供应为基础，面向用户电能、天然气和冷热联合供电差异化的能源需求，依托区域配电网、供热管网、天然气管网以及能源数据通信网，利用大数据、云计算等信息技术，为客户提供一体化综合能源服务和解决方案，综合服务平台如图3所示。

图3 综合服务平台

在具体服务内容中，涵盖电力、燃气和冷热供电系统的多能综合系统规划建设和运行是主要特征，能够为用户用能提供一站式、全方位和定制化的能源解决方案；另一方面，智慧能源能够体现其智慧特性，在商业服务、用能设计、节能规划和系统建设等方面依托用户侧用能托管和维护，实现电能、天然气及其他可再生能源的节能减排建设，实现项目的全过程闭环管控。智慧能源服务平台能够汇集传统能源企业、园区内用户以及工商业用户、社区以及智慧城市、新兴业态企业等融合发展，从不同的企业维度汇集同一平台进行现代化管控，提升各类用户的能源利用效果。

3.2 智慧能源云服务

云计算是智慧能源服务的又一显著特征，通过网格计算、分布式计算、并行计算、网络存储、虚拟化和负载均衡等传统计算机网络技术实现能源服务的新型融合，将能源资源以网络形式进行软件和硬件资源的重新整合，从而实现对新能源信息实时发布、对各类能源数据进行实时采集和处理。最终通过云计算实现综合能源数据分析，从而提供优质高效服务。

随着可再生能源等新形式电源，在电网的渗透率不断增加，搭建综合能源服务平台，是有效提升能源服务智慧化水平的关键步骤。新能源云计算的关键技术，主要包括云计算技术的构建、云平台的搭建以及新能源和智慧能源发电技术的拓展。

3.3 智慧能源车联网

智慧能源车联网是电动汽车等新能源以移动的方式与电网进行连接。在与电网连接过程中可以通过相关的信息通信系统实现与电网的信息交互，一方面提升车主的用车满意度，另一方面提升电网对移动式储能的管理和优化效果。智慧能源车联网能够依托相关的车联网平台实现电动汽车车主充放电有序管理，同时提升各类充电桩位置排布的有效性和合理性，满足车主行车要求的前提下优化电网的运行方式。

3.4 智慧能源多站融合

多站融合是指基于变电站、储能充换电站以及数据中心站的基础上的整合规划。同时在多站融合站址选择以及站址功能配置方面，还可增加5G基站、光伏电站和综合能源站等，从而实现各类能源集中于一体，实现个人能源的运行方式就地集中安排，从而发挥站址功能的最大价值，一方面优化各类功能的技术应用和落地，另一方面还可以有效提升变电站的运行商业模式，从而实现多维度、多感知的智能融合站，实现从不同维度对系统的全面管控。

4 算例分析

本文选取某工程仿真，该工程基于IEEE 33节点系统[9]进行仿真分析，为反映其多级能源的动态变化，选择4年连续评价。本文考虑柴油机组(DG)、光伏太阳能机组(PV)、风机(W)、热电联产系统(CHP)以及电池储能系统(ES)，其接入点位置如图4所示。

图4 IEEE 33节点系统

得到专家打分结果如表2所示。

表2 专家打分表

最终求解结果如表3所示。

表3 最终结果

根据各项指标得分，计算可得评价对象历年最终得分，从综合得分来看，该工程前3年得分较低，但2020年得分显著提高，达到82.048分，这主要是2017～2019年间，多能源协调控制设备正处于准备建设阶段，尚未投入使用，综合多能源利用系统正处于搭建阶段，许多预测协调控制功能尚未实现，因而综合评价得分偏低。随着2020年底，一系列多能源协调控制设备建设完毕，综合多能源利用系统投入使用，生态城多能源协调控制技术显著提高，这一点从综合评价得分也可看出，2020年多能源综合协调控制得分显著升高，这说明该指标体系能够真实有效地反映评价对象的多能源协调控制技术。

智慧多级能源一般依托本地区风能、光能和地热等资源优势，开展园区内光伏、风电、分布式储能、MW级微电网、电动汽车、冷热电三联供和柔性负荷等多级能源的综合协调控制，实现能源的集中合理配置与消纳、能源效率的大幅提升与电网经济高效运行。由于多级能源协调控制系统前期设备投资较大，因此，其经济效益相比传统工程略微欠缺。但随着智能电网技术进一步推广应用，多能源综合协调控制成本将随之降低，该成果的经济性和实用性必将有效提高。

5 结束语

提出了服务新战略的智慧能源服务应用场景，并对综合能源服务协调优化控制建立了模型。本文说明了智慧能源服务对于实现我国双碳目标具有重要意义，提出的多级能源综合协调优化控制模型，能够有效提升智慧能源在源、网、荷等方面的优化控制能力，提升了能源的综合控制水平。综合能源的智慧服务应用场景能够实现能源服务水平的显著提升，以多样化的能源运行方式，提升电力网络以及综合能源网络的智慧化水平，是实现碳减排的重要关键步骤。