县域能源互联网构建关键问题研究及典型场景设计

谭清坤 ，徐 航 ，陈 琳 ，唐 伟 ，尹建兵 ，张 煜

(1.国网能源研究院有限公司，北京市 昌平区 102209;2.国网浙江电力有限公司杭州供电公司，浙江省 杭州市 310000)

0 引言

全面实施县域振兴战略，是解决发展不平衡、不充分问题，缩小城乡区域发展差距，实现共同富裕的重要内容。在中央县域工作会议提出“三农”工作从脱贫攻坚到全面推进县域振兴的历史性转移任务。县域城镇化是我国城镇化的重要组成部分，县城是多数县域的经济政治文化中心，在县域城镇化中发挥着龙头作用。县城承载了我国近三分之一的城镇常住人口，是推进县域振兴和城乡融合发展、扩大内需和实现“双循环”的有力支撑[1-2]。

文献[3]以河南省兰考县为研究载体，将县域作为国家区域发展战略的重要基本单元，基于高比例可再生能源县域示范，提出新时代县域能源生态系统演进与优化的具体对策。文献[4]对县域的能源生态系统的能源生产系统、能源消费系统和能源次生系统3个主要部分开展具体剖析，进而提出优化方案，提出新时代县域能源生态系统演进与优化的具体对策。文献[5]以县域全境为研究对象，论述其综合能源系统如何构建，为县域经济和能源发展提供参考。文献[6]就农村能源互联网的发展进行了总结分析，并为农村能源互联网的建设提出了相关的建议。文献[7]以兰考能源互联网平台为抓手，积极参与试点建设，全力助推兰考县打造全国农村能源互联网综合示范样板。文献[8]根据农村能源利用情况，设计了农村能源互联网利用场景，并测算了其成本收益。文献[9]依据DMSP-OLS与NPP-VIIRS夜间灯光数据，测算了京津冀地区县域国内生产总值(gross domestic product，GDP)、人口及能源消耗情况。

本文在分析县域能源消费的基础上，按照分布式供能、多能互补、绿色用能、智慧用能的原则构建了县域能源互联网网架体系，以最大程度提高区域能源利用效率和可再生能源利用率为目的，分大城市及城市群周边县城、远离中心城市但具有特殊资源条件县城、偏远且特色产业不突出的县城等类型制定供用能方案。

1 县域能源供应形势及问题分析

1.1 县域能源消费现状

县域能源消费以商品能源为主、非商品能源为辅，非商品能源大部分是薪柴和秸秆。图1为“十三五”期间县域能源消费情况，2020年我国县域能源消费量约6.7亿t标准煤，占全国能源消费总量的13.1%。其中商品能源消费总量约5.4 亿t标准煤，占县域能源的81.4%[10]。非商品能源消费约1.3亿t标准煤，占18.6%。图2为2020年县域不同能源品种消费情况。

图1 “十三五”期间县域能源消费情况Fig.1 Energy consumption at county during the 13th Five-Year Plan period

图2 2020年县域不同能源品种消费情况Fig.2 Energy consumption of different types at county level in 2020

县域生活能源消费所占比重较高，以电力和非商品能源消费为主。2020年县域生活能源消费约4.2亿t标准煤，占县域能源消费的63.7%。其中商品能源约3.2亿t标准煤，电力占48.6%。非商品能源消费1.0亿t标准煤，以薪柴消费为主。

县域能源消费持续增长，向着更加商品化、清洁化、电气化方向发展[11]。预计到2025年，我国县域能源消耗量预计为7.2亿t标准煤，不同品种能源需求见图3。其中，县域生活用能占县域能源消耗量的66.7%，县域生产用能占33.3%;县域商品能源合计6.36 亿t标准煤，占县域能源消费量的88.3%，县域非商品能源合计为0.84亿t标准煤，占县域能源消费量的11.7%;电气化水平30.4%，低于全国平均水平。

图3 2025年我国县域不同品种能源需求Fig.3 Energy demand of different types at county level in China in 2025

预计到2035年，我国县域能源消耗量为8.1亿t标准煤，电气化水平提升至39.5%。县域生产用能将从以煤炭、石油为主逐渐过渡到以电力、石油为主，非商品能源基本被完全替代。县域生活用能始终以电力消费为主，可再生能源资源的利用程度会逐渐加大。2035年县域不同品种能源需求具体见图4，全国一次能源需求于2030年前后达峰，县域地区由于承接城市的产业转移，能源需求持续增长，达峰时间晚于全国。

图4 2035年我国县域不同品种能源需求Fig.4 Energy demand of different types at county level in China in 2035

1.2 县域用电趋势分析

县域电网用电量保持较快增长，“十四五”期间用电增速与全社会用电增速持平。2010—2035 年县域用电量与增速趋势见图5，预计2025年县域电网用电量为4.45×1012kW·h，“十四五”年均增速为5.5%。2035年县域用电量达到6.33×1012kW·h，2025—2035年年均增速3.6%。由于县域地区拥有丰富的太阳能、风能、小水电等资源，未来将进一步推进我国县域地区可再生能源资源的开发利用，沼气、太阳能等可再生资源利用将会持续增长。

图5 2010—2035年县域用电量与增速趋势Fig.5 Power consumption and growth trend at county level from 2010 to 2035

在县域振兴战略的推动下，县域创新创业环境不断改善，县域产业快速发展，在县域休闲旅游业、县域新型服务业、县域特色产业、农产品加工业等行业带动下，县域用电量持续快速增长。

2 县域能源互联网网架体系

2.1 网架结构体系

构建县域能源互联网，对县域分布式光伏、风电、水/地源热泵、水电、沼气、秸秆等能源资源及生产生活垃圾，采取集中式与分散式并举的方式开发利用，实现县域冷、热、电等多种能源形式优化互补，提高能源利用效率，促进县域能源可持续发展。发展县域能源互联网，应从能源网架体系、信息支撑体系、价值创造体系3个维度打造共建共治共享的县域能源互联网[12]。在能源网架体系建设方面，建设以电网为基础的多能互补能源网络，分类推动县域能源基础设施升级，县域能源互联网的网架结构体系具体见图6。

图6 县域能源互联网网架结构体系Fig.6 Grid structure system of county energy internet

在规模较大的中心村及一般村庄等集聚类村庄，开展光伏建筑一体化、生物质热电联产、分户式直流微网等综合能源项目，结合农业、工贸、休闲服务等主导产业发展需要，有针对性地推广空气源热泵、溴化锂吸收式制冷机、冷热储能罐等技术应用，提高县域清洁用能水平。

在城市近郊区及县城城关所在地等城郊融合类村庄，推进电网基础设施互联互通和城乡公共服务标准均等化，建设以智能电网为基础、分布式能源低碳网络与城市能源管网互联互通、多种能源形态互相转化的能源互联网示范工程，不断强化县域能源基础设施服务城市发展、承接城市功能外溢的能力。

2.2 信息支撑体系

在信息支撑体系建设方面。建设多元互动信息系统，提升县域能源群调群控的能力。适应县域能源分布化、用能分散化发展需要，推广智能配电变压器终端应用，推进新一代信息技术与电力系统融合，推动县域可再生能源并网管控能力提升[13]。县域能源互联网的信息支撑体系具体见图7。

图7 县域能源互联网信息支撑体系Fig.7 Information support system of county energy internet

建设以新一代信息技术应用为基础的多元互动信息系统，提升县域能源群调群控能力。适应县域能源分布化、用能分散化发展需要，推广智能配电变压器终端应用，推进新一代信息技术与电力系统融合，推动县域可再生能源并网管控向群调、群控方向发展。首先，提高农网配电自动化水平，将调度主站功能下沉到各个集群系统，降低配电网调度系统数据吞吐，适应海量的随机性电源并网场景。其次，推动现有通信模式由主从模式向点对点模式的转变，将监控功能下沉到集群或分布式发电场站，实现不同分布式电源的自适应协调运行。最后，推广多能流微网群控技术，通过新型控制技术，实现对多种能源和用能设备的优化控制，实现分散可再生能源和多元用能设备的“即插即用”，推进“源-网-荷-储”一体化运行。

2.3 价值创造体系

在价值创造体系建设方面。通过网架、通信系统共享共用，推动能源与交通、农业等部门合作，实现与县域新产业同步升级、同步受益，强化融合发展理念，提升县域能源互联网价值创造水平[14]。县域能源互联网的价值创造体系具体见图8。

图8 县域能源互联网价值创造体系Fig.8 Value creation system of county energy internet

服务农业信息化水平提升，推进综合能源业务与现代农业融合。推进农业、渔业、牧业与县域配电网基础设施和信息资源共享，提升农业装备智能化和信息化水平，加快农业由增产转向增质。推进综合能源服务与美丽县域建设相融合。将光伏扶贫、生物质利用与有机农业有机结合，以资源永续利用和美丽宜居为导向，建设农风光互补发电集中区，构建产业扶贫新模式。充分挖掘能源大数据价值，打造跨界共融、开放共享、协同共促的数据价值新体系。在县域开展电力、天然气等能源数据与农业、水利、金融、政务等其他领域双向对接，共同构建县域数据资源体系。开发“精准灌溉”“绿能监控”“绿色金融”等模块服务县域振兴，提升政府的治理能力[14]。

3 县域能源供应典型场景设计

在新型城镇化和县域振兴战略协同推进下，县城将结合区位特点、资源优势、交通环境等条件，明确差异化的功能定位[15]。以县城为载体的新型城镇化，要求加快县城补短板强弱项，推进产业配套设施提级扩能，提升公共服务体系建设水平及政府治理科学化、精细化、智能化水平。县域能源供给模式，按照分布式供能、多能互补、绿色用能、智慧用能的原则，以最大程度提高县域能源利用效率和可再生能源利用率为目的，制定供用能方案。对于工业聚集区和用能负荷区，供用能策略是以分布式能源为基础，打造多能互补综合能源系统。对于县域面积较大用能密度较低，可再生能源较丰富区，供能策略配以能源小镇和能源民生工程建设，实现县域绿色用能为最终目标。

3.1 大城市及城市群周边县城

承载大城市产业转移，延长大中城市发展的经济深度，为临近城市提供所需的第三产业支撑，加强基础设施联通，与大城市及城市群形成经济互联互通，资源要素合理流动。

产业发展型负荷特性曲线一般呈现“单峰”特征，主要是从事产业生产和居民日常生活的用电负荷量较大，具体见图9。此外，其用电负荷受产业特性影响较大，以某省比较普遍的茶叶产业为例，典型村90%的家庭都在从事茶叶的种植、加工与销售，其他时间负荷相对平稳。

图9 产业型县域典型日负荷特性曲线形态Fig.9 Typical daily load characteristic curve of industrial counties

“能源互联网+县域产业”场景，对于县域产业来说，其用能需求主要为以工业生产为主的冷、热、电的负荷，用能高峰与其生产工业密切相关。受场地的限制等，其供能系统主要以分布式的光伏、风电为主，辅助以处理生活垃圾的垃圾电厂，最大限度开发县域清洁能源，协调满足现代县域工业用电负荷需求，具体的供能模式见图10。

图10 “能源互联网+县域产业”场景Fig.10 Scenario of“energy internet+county industry”

3.2 远离中心城市但具有特殊资源条件县城

发展特色小镇，围绕历史文化资源、旅游资源、自然资源等发展特色产业，以微型产业集聚区为单元，叠加现代社区功能、文化功能等，形成宜居、宜业、宜游的新型空间，完善产业配套设施，为特色小镇发展提供有力支撑，提高就业吸纳能力[15-16]。

特色旅游型负荷特性曲线呈现“双峰”的曲线，具体见图11。特色旅游型县域负荷受外来人口影响较大，呈现时节性特性，旅游旺季农家乐、民宿用电负荷大量增加。特色旅游型县域日负荷波动较明显，白天游客外出游玩，用电负荷较低。晚间(16:00—22:00)游客返回休住宿地时间，农家乐和民宿负荷陡增。

图11 特色旅游型县域典型日负荷特性曲线Fig.11 Typical daily load characteristic curve of characteristic tourism counties

“能源互联网+县域特色产业”场景，对于县域特色产业来说，其用能需求主要为以旅游产业为主的冷、热等负荷，用能高峰与与其特色产业的生产生活密切相关。通过建设屋顶光伏、太阳能热水器等，辅助以处理生活垃圾的沼气发电，开发县域清洁能源，协调满足现代特色产业用能负荷需求，具体的供能模式见图12。

图12 “能源互联网+县域特色产业”场景Fig.12 Scenario of“energy internet+county characteristic industries”

3.3 偏远且特色产业不突出的县城

推进以基于县域资源为主农业产业融合，辐射周边县域，完善公共服务和基础设施，为周边县域居民来县城的居住、教育、养老、休闲提供条件。无产业县域负荷特性曲线呈现波动性，具体见图13。居民生活型县域日负荷水平相对较低、波动相对较大，主要负荷为日常生活用电的无序性，在中午和晚间呈现长时间的高峰负荷[17]。

图13 居民生活型县域典型日负荷特性曲线Fig.13 Typical daily load characteristic curve of residential life type counties

“能源互联网+生活型县域”场景，对于生活型县域来说，其用能需求主要为以居民家庭为主的冷、热、电等负荷，用能高峰与其居民的生产生活密切相关[18-19]。通过建设屋顶光伏、太阳能热水器等，辅助以处理生活垃圾、粪便等生物质资源的沼气发电，开发县域清洁能源，协调满足居民生活用能负荷需求，具体的供能模式见图14。

图14 “能源互联网+生活型县域”场景Fig.14 Scenario of“energy internet+county life”

4 结论及建议

未来县域能源向着更加商品化、清洁化、电气化方向发展，县域电力需求将保持较快增长，负荷季节特性越发明显。根据发展阶段、区位条件、发展走势、产业结构等特征，因地制宜、梯次推进各地电网项目建设，满足县域经济社会发展和民生需要。全面掌握高标准农田、“一村一品”示范村镇、农业产业强镇、休闲农业重点县、美丽休闲县域等集中性负荷，现代农业产业园、县域创新创业园、种植资源库、基因库等重要负荷用电需求及负荷特性，提前合理规划电力基础设施布局，满足农业生产、产业发展、农民生活对供电可靠性、电能质量及供电安全的要求。

结合县域用能特点和太阳能、生物质资源禀赋优势，加快综合能源开发利用，推广分布式新能源开发、多能互补等新技术、新业务，提升能效和清洁能源占比，满足县域多种用能需求。创新商业模式，推动县域能源数字化、智能化转型，实现综合能源系统“源-供-储-用”协同优化调度和电网友好交互。