引言
隨著世界經濟快速發展、人口持續增加、人民生活水平不斷提高，傳統化石能源的逐漸枯竭以及能源消費引起的環境問題日益凸顯。世界各國都在積極開展能源的綜合利用，探索能源的運營管理模式和市場交易機制。以深入融合可再生能源與互聯網信息技術為特征的能源互聯網，是實現能源清潔低碳替代和高效可持續發展的關鍵所在[1]。
能源互聯網是一種互聯網理念、技術與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的新型生態化能源系統，通過多種能源協同、供給與消費協同、集中式與分布式協同、大眾廣泛參與，實現物質流、能量流、信息流、業務流、資金流、價值流的優化配置，實現創新、協調、綠色、開放、共享發展[1]。
德國、美國、日本、丹麥等國家正在通過能源互聯網相關技術，構建創新解決方案，滿足未來以分布式能源供應為特點的電力系統的需求，實現可再生能源高比例接入，減少化石能源消耗。中國從2015年至今先后出臺了《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》、《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》、《國家能源局關于組織實施互聯網+智慧能源（能源互聯網）示范項目的通知》、《國家能源局關于公布首批“互聯網+”智慧能源（能源互聯網）示范項目的通知》等一系列能源互聯網相關政策、文件，為能源發展指明了方向。
能源互聯網按架構可分為3個層級：物理基礎網絡、信息數據平臺和價值實現平臺[1]。其中，物理基礎網絡是涵蓋能源生產、傳輸、消費、存儲、轉換等不同環節以及冷、熱、電、氣等多種能源的能源設施網絡，是能源互聯網實現的基礎[2-4]。本文在前期積累和總結大量能源互聯網項目案例的基礎上，歸納并提出了能源互聯網規劃理念和方法，并結合廣東省某高新產業開發區的能源互聯網規劃案例（以下簡稱《規劃案例》），對能源互聯網物理基礎層規劃作深入分析。案例表明，將能源互聯網規劃理念和方法應用在物理基礎層規劃中，可進一步提高能源系統在經濟、社會、環境等方面的效益。
1 能源互聯網規劃理念和方法
能源互聯網規劃可概括為：在一個限定的地理區域和規劃周期內，滿足用戶冷、熱、電、氣等多種用能需求，確定各能源資源的優化配置、各能源轉換和存儲技術類型和容量組合以及各能源供應網絡的布局，使得系統在技術、經濟、能效、環境效益等多目標下達到最優[1]。
與傳統能源規劃方案相比，能源互聯網規劃方案具有以下特點。
（1）頂層設計。從能源系統頂層優化匹配需求和資源，避免負荷重復計算、占地沖突、能源結構不合理等問題。
（2）綠色高效。最大限度地利用可再生能源，同時滿足終端用戶的冷、熱、電多種能源需求，通過能源梯級利用和協調運行，具有更高的可靠性和能源利用效率以及更低的用能成本。
（3）動態彈性。針對不同應用場景設計不同類型綜合能源站，并根據外部因素和實際運行情況對場景進行更新和修編，提高了規劃方案在項目初期對各種不確定因素的適應性。
為解決在各種能源交互影響和約束條件下能源供應與需求的匹配優化問題，本文提出動態彈性規劃理念和全要素設計方法。
動態彈性規劃理念是在資源條件、基礎設施條件、負荷需求等不確定的情況下，使規劃方案具有較強的適應性。例如，將項目中可能出現的大量應用場景，歸納為幾種典型應用場景，并設計具有針對性的綜合能源站，提高規劃方案對實際場景發生變化時的適應性；同時，根據項目分期開發建設進度，及時更新典型應用場景，對規劃方案滾動修編，緊跟項目建設發展的需求，進一步提高規劃方案的適應性。
全要素設計方法是將不同能源之間統籌考慮、能源的各個環節統籌考慮，避免不同能源之間由于耦合關系造成的用能需求分析不準確、不同能源設施不匹配等問題，同時實現“源-網-荷-儲-人”全要素覆蓋。例如，用戶的用冷/熱需求與用電需求存在耦合關系，不同的供冷、供熱方案對應不同的電負荷，從而影響供電方案；先將用戶的用冷/熱需求與用電需求解耦，再根據不同的供冷、供熱方案修正用電需求，最終得到更準確的電負荷和負荷曲線，從而達到優化供電設施容量的目的。
2 能源互聯網物理基礎層規劃案例分析
能源互聯網物理基礎層規劃主要包括調研收資、需求分析、資源和基礎設施條件分析、規劃方案設計、方案評估5部分。
2.1 調研收資
調研收資包括項目的基本情況、用能需求、資源和基礎設施條件、邊界條件、能源交易等外部信息。其中，城市級的能源互聯網方案，收資側重于城市未來發展的定位、能源結構的優化、產業的規劃、本地可再生能源消納等；園區級的能源互聯網方案，收資側重于園區的用地規劃、不同類型用戶的需求、重要負荷和大用戶的供能保障等；企業級的能源互聯網方案，收資側重于企業的用能場景、負荷特性、發展規劃等。
《規劃案例》中的廣東省某高新產業開發區為國家級高新區，規劃面積約59 km2（水域面積9 km2），其發展定位為：全球性科技園區、國家科創策源地、生態文明示范城區。對于園區級能源互聯網項目的收資應包含以下內容：（1）基本情況，如社會經濟概況、城市總體規劃、區域控制性詳細規劃、能源發展規劃等；（2）用能需求，如用電現狀及預測、用熱（供暖/熱水/蒸汽）現狀及預測、用冷現狀及預測、重要負荷和大用戶、電動汽車充電設施現狀及預測等；（3）資源條件，如太陽能、風能、地熱能等可再生能源調研報告等；（4）基礎設施條件，如電源現狀及規劃、變電站現狀及規劃、輸配電線路現狀及規劃、熱源/換熱站/供熱管網現狀及規劃、氣源/調壓站/天然氣管網現狀及規劃、水資源綜合利用及廢水處理情況等；（5）邊界條件，如用能價格、新能源發電上網價格、新能源發電的相關政策及補貼等；（6）能源交易，如參與主體、用戶種類/數量、能源交易模式等。
根據調研收資結果，園區總體用能現狀及預測如表1所示。
2.2 需求分析
用能的種類、數量和對象，直接決定能源設施的組成以及對一次能源的需求。
用能的種類包括電負荷、熱負荷、冷負荷等，其中熱負荷又可分為供暖負荷、熱水負荷和蒸汽負荷。對于已建成的城市、園區或在運營的企業，可通過該區域的年鑒、能源規劃（或電力、供熱專項規劃等）、企業的發展規劃得到具體的用能需求，也可根據該區域能耗的歷史數據建立適合的數學模型進行擬合。對城市、園區的電負荷預測常采用彈性系數法、產值單耗法、人均能耗法、擬合分析法等；對冷、熱負荷預測常采用負荷密度法。對于未建成的區域，常采用負荷密度法進行負荷預測。冷、熱、電負荷指標受地域、建筑物節能水平、建筑能耗等級等因素影響而不同，文獻[5-7]是負荷密度法常用的設計標準。確定負荷后，根據不同的用能對象，如居民、商業、工業、公共服務業以及復合對象等繪制相應的典型日負荷曲線。
《規劃案例》結合園區的特點、負荷現狀及規劃，選擇若干處具有代表性、可實施性的區域作為需求分析的重點。對現有用戶的需求分析以實地調研收資為主；對未能收資的用戶及規劃用地，采用負荷密度法進行冷、熱、電負荷預測。以園區東部某高科技園為例，該區域為未建成區域，區域內現有2家生物技術企業和部分規劃地塊，其各類能源需求分析及預測如表2所示。
2.3 資源和基礎設施條件分析
通過收集氣象報告、地勘報告、可再生能源專項報告等，確定適用于當地資源稟賦的供能手段[8-9]，并繪制出可再生能源典型日的功率曲線，最大限度接入和消納當地可再生能源，減少化石能源消耗。
利用現狀電源、熱源、氣源、變電站、換熱站、調壓站和配套的管網、線路等，參與功率和能量平衡，以減少新建基礎設施的配置和規模；同時根據各個站點對于能源和負荷的接入能力，校驗規劃方案的合理性。
根據前期調研，園區可安裝光伏組件的屋頂面積為170萬m2，預計遠期可達286萬m2。計算得到園區屋頂光伏裝機容量約190.4 MW，年發電量約1.73億kW·h；遠期屋頂光伏裝機容量約320.3 MW，年發電量約2.90億kW·h[10]。鑒于資源條件、水源保護等原因，暫未考慮其他可再生能源的利用。
園區內現有220 kV變電站1座、110 kV變電站5座，總容量為667 MV·A，其中3座變電站主變負載率小于25%，10 kV出線間隔有較大余量；規劃110 kV變電站1座，具備電網接入條件。園區內現有天然氣調壓站1座，該調壓站將市域高壓管道天然氣（4.0 MPa）調至中壓（0.4 MPa）送入區內燃氣市政中壓管網，供氣量為4.5萬m3/h，居民、工商用戶日用氣量約5.8萬m3，具備天然氣分布式三聯供供氣條件。園區內未設集中供冷、供熱換熱站及管網，根據工程需要后期建設。
2.4 物理基礎層規劃方案設計
根據資源和基礎設施條件確定供能方式，設計與用能需求匹配的能源設施。通常采用用能需求最大日（如冬季最大負荷日、夏季最大負荷日等）進行功率平衡，并考慮各類機組約束條件（如發電機組最小運行負荷、蓄能設備功率、熱泵機組效率等）和運行方式（如24 h開機或僅在特定時段開機等），結合各類機組的投資、運維、折舊費用以及各類能源邊界條件（如采購價格、銷售價格、補貼價格等），以經濟性、能源利用效率、環境效益等作為優化目標，得到能源設施的配置。
為應對項目建設過程中可能出現的各種不確定因素，《規劃案例》采用動態彈性規劃理念，根據用戶類型、用能種類、負荷重要程度、負荷特性、經濟性需求等，將供能的對象歸納為3種典型應用場景，并設計A、B、C共3類綜合能源站。A類能源站依托于110 kV變電站，為區域提供大容量的冷、熱、電能，適用于負荷較大、較集中的區域；同時，利用區域內負荷不同時工作的特性，進一步優化能源站設備容量。B類能源站依托于10 kV開關站，提供中等容量的冷、熱、電能，適用于醫院、學校、商場、酒店等具有中等負荷規模的設施。C類能源站針對小型樓宇，設計小型或微型燃氣輪機三聯供系統，配合電動汽車、儲能，利用多種節能手段建設低碳智能樓宇。針對不同的區域和用戶，采用對應類型的綜合能源站，既降低了規劃工作的復雜程度，又提高了方案的適應性。圖1為該園區能源互聯網物理基礎層的總體布置方案。
圖 1 能源互聯網物理基礎層總體布置方案
以園區東部某高科技園為例，該區域規劃A類能源站1座。附近用戶以辦公和工業為主，占地約153 hm2。預測電負荷為60.6 MW，年用電量為3.15億kW·h；預測冷負荷為122.3 MW，年用冷量為4.59億kW·h；無集中供熱負荷。
該能源站主要目標為削減用電高峰期間峰值電負荷，使電負荷曲線更平穩。《規劃案例》采用全要素設計方法，將電負荷和冷負荷解耦分析，根據供冷方案修正電負荷。規劃思路如下：（1）優先利用和消納分布式光伏發電；（2）通過分布式光伏和天然氣三聯供機組，削減峰值電負荷；（3）天然氣三聯供機組滿足部分供冷需求，通過減少制冷用電負荷進一步削減電負荷，使剩余電負荷曲線盡可能平穩；（4）剩余電負荷和冷負荷通過電網和電制冷機組平衡。該能源站總體架構如圖2所示。
圖 2 某A類能源站總體架構
2.4.1 分布式光伏規劃方案
2.4.2 天然氣三聯供規劃方案
為削減用電高峰期間峰值電負荷，天然氣三聯供機組按照以電定冷/熱的原則設計，24 h運行。能源站附近用戶的夏季電負荷遠大于其他情景下的電負荷，因此能源站的整體設計以滿足附近用戶的夏季電負荷為主。需要考慮的約束條件包括發電機組最小運行負荷、燃氣輪機熱電比、電負荷和冷負荷平衡等，優化目標為電網供電負荷平穩同時經濟性較優。參考主流品牌（如GE、Solar等）燃氣輪機設計參數，為保證燃氣輪機高溫煙氣正常排放，最小燃機負荷應為50%以上。燃氣輪機發電機組容量不小于峰谷電負荷差值的2倍，平時不低于最小燃機負荷（50%額定出力）運行，用電高峰期以最大燃機負荷（100%額定出力）運行。通過與燃氣輪機發電機組配套的煙氣型溴化鋰吸收式冷水機組，回收燃氣輪機高溫煙氣，利用余熱制冷[11]。將余熱制冷功率折算至相應的電制冷用電功率，后者與燃氣輪機發電功率之和作為電負荷削峰值。剩余電負荷和冷負荷分別通過電網和壓縮式電制冷機組平衡。
設計燃氣輪機發電機組2×12 MW（發電效率為32.4%、供熱效率為52.6%），溴化鋰吸收式冷水機組2×20 MW，壓縮式電制冷機組7×10 MW。能源站夏季典型日各機組發電和制冷出力曲線如圖3、圖4所示。
圖 3 某A類能源站夏季典型日各機組發電出力曲線
圖 4 某A類能源站夏季典型日各機組制冷出力曲線
由此可見，在天然氣三聯供發電、制冷雙重削峰作用下，電網供電的峰谷差由25.5 MW降至8.5 MW，降幅66.7%，極大提高了電網設備利用率。
2.4.3 能源站建設方案
該能源站與規劃110 kV變電站一體化建設，能源站本體占地面積約9 600 m2，室外布置。根據園區《總體規劃（2016—2030年）綱要》，能源站附近規劃燃氣高壓管道（4 MPa）1條，由高壓管道分支接入能源站；燃氣輪機發電機組通過2回10 kV線路接入變電站10 kV側，變電站預留2回10 kV間隔；需新建供冷專用管道約4 km，接入各用戶集中供冷處。
2.5 方案評估
能源互聯網方案評估分為定性評價和定量評價。定性評價包括能源綜合利用效率、經濟效益、社會環境效益、安全可靠性、公平開放性和交互友好性；定量評價是在定性評價的基礎上進行分解和量化[12]。常用的評價指標包括一次能源利用效率、可再生能源占比、設備利用率、標煤替代量、CO2減排量、各類污染物減排量、單位面積CO2排放量、項目總投資、投資回報率、投資回收期、內部收益率、敏感性分析等。以某A類能源站為例，對經濟效益、能源綜合利用效率、社會環境效益作簡要分析。
該能源站總投資為36 570萬元，年凈收益為3 058.88萬元，投資回報率為8.36%，如表3所示。
對該能源站投資回報率進行敏感性分析，測算天然氣價、發電量、總投資、上網電價、售冷價變化率±10%時，對投資回報率的影響。其中影響最大的是上網電價，其次是發電量、總投資、天然氣價、售冷價，如表4所示。
3 結語
本文系統地闡述了能源互聯網物理基礎層的規劃內容，提出動態彈性規劃理念和全要素設計方法，并以廣東省某高新產業開發區能源互聯網規劃方案為例，對調研收資、需求分析、資源和基礎設施條件分析、規劃方案設計、方案評估進行簡要分析。《規劃案例》表明，能源互聯網規劃方案可滿足園區的多種用能需求，能有效提高能源綜合利用效率、降低用能成本、消納本地可再生能源、減少二氧化碳排放，具有較好的經濟、社會、環境效益，對其他能源互聯網項目具有一定的借鑒意義。