洪居華，劉俊勇，向 月，牛 毅

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為世界性難題。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)能源儲(chǔ)量不斷減少，另一方面可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）的開發(fā)利用技術(shù)逐漸成熟［1-3］，結(jié)合目前高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和信息處理技術(shù)，美國(guó)學(xué)者杰里米·里夫金提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念［4］。如今，能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)備受各界關(guān)注，而城市作為區(qū)域用能中心，在城市地區(qū)構(gòu)建城市能源互聯(lián)網(wǎng) UEI（Urban Energy Internet）是城市未來發(fā)展的重要建設(shè)內(nèi)容之一。由于UEI與配電側(cè)結(jié)合緊密，能量轉(zhuǎn)換、信息交互和商業(yè)模式等方面面臨的挑戰(zhàn)復(fù)雜多樣，針對(duì)這些方面，目前各國(guó)都在積極探索如何建設(shè)UEI?；谥行绿旖蛏鷳B(tài)城智能電網(wǎng)創(chuàng)新示范工程［5-6］的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，2016年6月國(guó)家電網(wǎng)天津市電力公司發(fā)布了《城市能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展白皮書（2016）》，該白皮書是國(guó)內(nèi)外首個(gè)系統(tǒng)性談及UEI建設(shè)發(fā)展的文件，其探索了多種能源間的互動(dòng)機(jī)制，對(duì)智能家居、電動(dòng)汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、含分布式電源的微電網(wǎng)、城市能源綜合信息平臺(tái)等都開展了相關(guān)的實(shí)踐研究并取得了一系列的成果。德國(guó)是最早進(jìn)行能源系統(tǒng)和信息系統(tǒng)融合技術(shù)探索的國(guó)家之一，其中的 E-Energy項(xiàng)目［7-9］對(duì)各國(guó)UEI研究具有一定的指導(dǎo)意義，其核心是將互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)與電力系統(tǒng)深度融合，并在6個(gè)城市和地區(qū)開展了相關(guān)示范工程。

本文收集相關(guān)材料，總結(jié)并探討了UEI當(dāng)前的發(fā)展情況和研究動(dòng)態(tài)。具體工作包括：剖析了UEI的概念與特征；分析了UEI的建設(shè)將對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)造成的影響并概述相關(guān)方面的研究情況；提出了UEI的關(guān)鍵技術(shù)體系，并展望其未來的發(fā)展趨勢(shì)，提出未來若干研究方向。

1 UEI的概念和特征

目前對(duì)UEI的理解眾多，尚未有統(tǒng)一的定義。文獻(xiàn)［5，10］認(rèn)為UEI應(yīng)以能源系統(tǒng)為物理核心，注重發(fā)展分布式能源采集與轉(zhuǎn)換技術(shù)，以通信技術(shù)進(jìn)行輔助，實(shí)現(xiàn)多種能源高效互補(bǔ)，強(qiáng)調(diào)的是建立多能耦合的能源系統(tǒng)，類似的示范工程有美國(guó)的“FREEDM”項(xiàng)目、新奧集團(tuán)的“泛能網(wǎng)”項(xiàng)目以及加拿大社區(qū)級(jí)綜合能源系統(tǒng)項(xiàng)目［11-13］。 而文獻(xiàn)［14-15］將互聯(lián)網(wǎng)開放、對(duì)等、共享的理念應(yīng)用于能源系統(tǒng)中，微電網(wǎng)或用戶利用智能設(shè)備通過虛擬電廠等方式參與能源交易，強(qiáng)調(diào)的是圍繞需求側(cè)響應(yīng)［16］的能源市場(chǎng)，如“Smart Watts”項(xiàng)目［8］。 本文認(rèn)為雖然國(guó)內(nèi)外專家對(duì)UEI的解釋存在差異，但本質(zhì)上具有如下共性特征：

a.多能互聯(lián)——在城市區(qū)域內(nèi)，整合風(fēng)、光、冷、熱、電、氣、儲(chǔ)等多種能源，實(shí)現(xiàn)不同能源間的高效轉(zhuǎn)換［17］；

b.廣泛應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——將信息系統(tǒng)與能源系統(tǒng)高度融合，提高能源生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和利用等環(huán)節(jié)的智能化水平［18-19］；

c.以電能為核心——UEI中涉及多種能源，相比于氣與熱等能源，電能具有瞬發(fā)瞬供的特點(diǎn)，更加便于傳輸、變換、存儲(chǔ)以滿足居民多樣化的用能需求［20］。

UEI示意圖如圖1所示。綜合多方觀點(diǎn)，本文給出UEI概念：UEI是指在人口密集、負(fù)荷集中的城市范圍內(nèi)，以電力網(wǎng)絡(luò)為核心，基于電轉(zhuǎn)氣P2G（Power to Gas）技術(shù)［21-23］、電動(dòng)汽車入網(wǎng) V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)［24-26］等，融合供氣網(wǎng)絡(luò)、供暖 ／冷網(wǎng)絡(luò)、電氣化交通網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)形式，建設(shè)開放的公共服務(wù)中心和能量管理平臺(tái)，提高用戶參與積極性，解決高滲透率可再生能源的接入，提高綜合能源利用效率，從而實(shí)現(xiàn)能量流、信息流和價(jià)值流一體化融合的能源生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 UEI示意圖Fig.1 Schematic diagram of UEI

其中，電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、電氣化交通網(wǎng)絡(luò)之間的耦合關(guān)系體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、運(yùn)行狀態(tài)及市場(chǎng)行為3個(gè)層面上。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵用婵矗煌茉淳W(wǎng)之間通過一些介質(zhì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)連通，如電網(wǎng)和電氣化交通網(wǎng)通過充電樁連接、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以連通熱網(wǎng)和電網(wǎng)等；從運(yùn)行狀態(tài)層面看，不同能源網(wǎng)之間的耦合體現(xiàn)在能量的相互轉(zhuǎn)化過程中，如基于V2G技術(shù)，電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能單元實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)間的能量雙向流動(dòng)，以及基于P2G技術(shù)，利用富余電力將水電解成氫氣和氧氣并經(jīng)處理后輸入天然氣管道中進(jìn)行存儲(chǔ)或發(fā)電供熱等；從市場(chǎng)行為層面看，不同能源網(wǎng)之間的耦合表現(xiàn)為價(jià)格信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，不同能源網(wǎng)絡(luò)中用戶行為發(fā)生自主性交集，如分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)下的電動(dòng)汽車充電行為等。

綜合現(xiàn)有的研究，UEI的特征主要?dú)w納為以下5點(diǎn)。

a.多能耦合、多網(wǎng)融合。風(fēng)、光、冷、熱、氣、電、儲(chǔ)等多種能源相互耦合；微電網(wǎng)、電氣化交通網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、城市熱網(wǎng)、信息網(wǎng)等深度融合。目前城市地區(qū)內(nèi)的可再生能源仍以光伏為主［27-29］。

b.設(shè)備多樣、場(chǎng)景復(fù)雜。考慮到城市工、商及居民負(fù)荷的差異化特性，能量需求場(chǎng)景比較復(fù)雜多樣。而不同能量的轉(zhuǎn)換則需要不同的能源耦合設(shè)備，如充電樁等。

c.交互頻繁、規(guī)模量大。能量流與信息流頻繁交互，雖然單一場(chǎng)景中涉及的能量與信息量規(guī)模較小，但由于城市內(nèi)同一時(shí)刻存在大量類似場(chǎng)景，因而產(chǎn)生海量的信息。

d.互聯(lián)通信、便捷互動(dòng)。互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和信息處理技術(shù)則用于處理海量信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)供能側(cè)和用能側(cè)的便捷互動(dòng)，有助于根據(jù)實(shí)際情況輔助用戶調(diào)整最優(yōu)用能行為。

e.優(yōu)質(zhì)服務(wù)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。UEI與用能側(cè)結(jié)合緊密，服務(wù)質(zhì)量將成為能源企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)應(yīng)不斷創(chuàng)新商業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和用戶雙贏，達(dá)到市場(chǎng)效益最大化。

2 UEI的建設(shè)對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的影響

UEI的能源系統(tǒng)核心是電力系統(tǒng)，UEI的建設(shè)將從改造當(dāng)前電力系統(tǒng)開始，這會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行、運(yùn)營(yíng)等方面造成影響。通過進(jìn)行前瞻性的總結(jié)分析，以期為國(guó)家未來的UEI建設(shè)提供理論參考。

2.1 UEI建設(shè)對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃的影響

UEI的規(guī)劃是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，涉及負(fù)荷預(yù)測(cè)、選址定容等問題。文獻(xiàn)［30-33］提出了負(fù)荷預(yù)測(cè)的新思路，首先對(duì)負(fù)荷類型進(jìn)行分類，研究不同類型負(fù)荷對(duì)激勵(lì)手段的響應(yīng)情況，提出基于需求側(cè)響應(yīng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，但是激勵(lì)元太單一，未來UEI背景下影響用戶用能需求的手段復(fù)雜且多樣，除考慮用戶響應(yīng)外，還需要考慮不同激勵(lì)手段之間的聯(lián)系關(guān)系。文獻(xiàn)［34-37］重點(diǎn)研究了分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、變壓器、變電站的選址定容問題，基于機(jī)會(huì)約束的城市配電網(wǎng)規(guī)劃問題和負(fù)荷不確定問題，在此基礎(chǔ)上對(duì)城市電網(wǎng)綜合性多目標(biāo)規(guī)劃問題做了進(jìn)一步的研究，但未來電動(dòng)汽車將呈規(guī)?；鲩L(zhǎng)，在進(jìn)行變壓器規(guī)劃時(shí)還應(yīng)考慮電動(dòng)汽車這一因素。文獻(xiàn)［38-39］研究了天然氣網(wǎng)絡(luò)與城市電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的問題，將兩者作為一個(gè)整體，以總建設(shè)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，有機(jī)地結(jié)合兩者數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行約束，給出混合整數(shù)非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［40-41］是將電動(dòng)汽車充電站考慮在內(nèi)的電網(wǎng)規(guī)劃研究，在考慮充電站選址定容的基礎(chǔ)上，以車流量最大和建設(shè)成本最小作為優(yōu)化目標(biāo)，但這類研究忽視了充電站選址對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ㄜ嚵髁坑绊懙睦鄯e效應(yīng)。綜合現(xiàn)有研究情況，將UEI對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的影響總結(jié)為以下3點(diǎn)。

a.對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響。負(fù)荷預(yù)測(cè)是電力系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。一方面，未來負(fù)荷預(yù)測(cè)除了考慮常規(guī)負(fù)荷外，還需要考慮用戶多樣化用能需求、分布式電源容量、電動(dòng)汽車保有量的增長(zhǎng)速度等，這極大地增加了負(fù)荷預(yù)測(cè)的難度；另一方面，信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得設(shè)計(jì)者在規(guī)劃初期可以獲得大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，有助于提高負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度［51］。

b.對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響。①改變現(xiàn)有城市配電網(wǎng)的規(guī)劃理念，化被動(dòng)為主動(dòng)，建立主動(dòng)規(guī)劃意識(shí)，從源-網(wǎng)-荷3個(gè)方面展開：在源端，利用主動(dòng)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可再生能源的主動(dòng)消納以及提升設(shè)備資產(chǎn)的利用率；在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，引入智能化電力電子設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性；在負(fù)荷側(cè)，應(yīng)考慮未來負(fù)荷的多樣性并圍繞需求側(cè)響應(yīng)，提高用戶參與的積極性。②現(xiàn)有設(shè)備智能化水平不高，發(fā)展具有物理信息強(qiáng)耦合特性的配用電設(shè)備是改造現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)。③極大地增加了規(guī)劃難度：電力系統(tǒng)規(guī)劃是一項(xiàng)多維度多時(shí)間尺度的系統(tǒng)性工程，多網(wǎng)融合問題、舊網(wǎng)重構(gòu)問題以及信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)問題都使得未來電網(wǎng)的規(guī)劃難度呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。④改變現(xiàn)有系統(tǒng)規(guī)劃方法：現(xiàn)有系統(tǒng)規(guī)劃考慮最惡劣工況條件以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，然而未來需要重點(diǎn)考慮的是不同需求場(chǎng)景下的協(xié)調(diào)規(guī)劃。

c.對(duì)分析評(píng)估的影響。①評(píng)估對(duì)象更加復(fù)雜，需要重新建立一套更加全面的UEI評(píng)估指標(biāo)體系。②數(shù)據(jù)分析更加困難：當(dāng)前不同系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)中涉及的網(wǎng)絡(luò)通信接口和設(shè)備接口不一，提高了數(shù)據(jù)獲取和分析的難度。③資產(chǎn)利用更加高效：投資成本是電力系統(tǒng)規(guī)劃的重要評(píng)估指標(biāo)，當(dāng)前電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，大量資源被閑置，加長(zhǎng)了建設(shè)投資成本的回收期；當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)生短時(shí)負(fù)荷激增時(shí)，通過快速仿真確定方案，調(diào)動(dòng)閑置資源進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移，減少了設(shè)備折舊，提高了資產(chǎn)利用率。

2.2 UEI建設(shè)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響

UEI的建設(shè)會(huì)使電網(wǎng)的運(yùn)行控制面臨更多的挑戰(zhàn)，如削峰填谷、微電網(wǎng)并網(wǎng)、多能耦合等。文獻(xiàn)［42-45］討論了交直流微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，研究了微電網(wǎng)如何在保證內(nèi)部運(yùn)行穩(wěn)定和減少并網(wǎng)擾動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)2種運(yùn)行狀態(tài)自由切換，具體包括了單網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)下的能量控制策略與基于多代理系統(tǒng)的多網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)及電能優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。分布式能源主要以微電網(wǎng)的形式存在，研究微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)控制是實(shí)現(xiàn)多能源網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［46］針對(duì)多能耦合背景下經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性問題展開研究，提出一種太陽(yáng)能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并重點(diǎn)研究了該系統(tǒng)的運(yùn)行策略，基于生命周期分析法建立了能源效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的多目標(biāo)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［47-48］介紹了一種電動(dòng)汽車有序充電分層控制策略，通過求解削峰填谷兩階段優(yōu)化模型從而得到充電策略。文獻(xiàn)［49］將需求側(cè)作為一種可以主動(dòng)參與微電網(wǎng)規(guī)劃的電源，而非被動(dòng)吸收電能的負(fù)荷，通過削減峰荷從而降低方案成本。文獻(xiàn)［50］研究了一種電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是P2G技術(shù)的應(yīng)用，提出了一種計(jì)及能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的削峰填谷模型，利用P2G技術(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)的協(xié)調(diào)作用來平滑負(fù)荷曲線。綜合上述文獻(xiàn)以及相關(guān)的研究，UEI對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響可以總結(jié)為以下4點(diǎn)。

a.安全性。UEI中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生聯(lián)系，氣網(wǎng)時(shí)延特性通過介質(zhì)設(shè)備擴(kuò)散至電網(wǎng)，影響電網(wǎng)頻率及出力等，可能造成電網(wǎng)安全性評(píng)估不準(zhǔn)確；此外，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)行為可能給電力網(wǎng)絡(luò)帶來擾動(dòng)，引起失穩(wěn)，甚至解列。

b.經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)等為了保證各自系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，通常具有一定備用容量。未來電力系統(tǒng)可以通過分布式電源、電動(dòng)汽車、天然氣、熱能等能源形式的多能互補(bǔ)、互為備用，從而節(jié)約投資成本。

c.可靠性。由于分布式能源具有波動(dòng)性以及隨機(jī)性的特點(diǎn)，如果處理不當(dāng)，易發(fā)生電壓暫降、電壓閃變、電壓諧波等情況，降低系統(tǒng)供電可靠性［51］。

d.靈活性。規(guī)?；妱?dòng)汽車的有序充放電行為、大量?jī)?chǔ)能單元的靈活接入將在宏觀層面上起到一定的削峰填谷作用，增強(qiáng)了電力系統(tǒng)的靈活性和應(yīng)變能力。

2.3 UEI建設(shè)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的影響

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)UEI的關(guān)注不僅僅集中于技術(shù)創(chuàng)新，也包括了對(duì)商業(yè)模式和市場(chǎng)機(jī)制的研究。文獻(xiàn)［52］從能源服務(wù)、數(shù)據(jù)利用、技術(shù)創(chuàng)新、體制改革4個(gè)方面詳細(xì)分析了未來UEI可能存在的商業(yè)模式，提出了能源交易、能源價(jià)格、能源市場(chǎng)三位一體的交易體系。文獻(xiàn)［53］基于信息經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，分析了信息通信技術(shù)對(duì)未來能源交易的巨大促進(jìn)作用，在此基礎(chǔ)上闡述了未來UEI能源交易的七大轉(zhuǎn)變，并列舉了16個(gè)可能存在的商業(yè)模式以供討論。文獻(xiàn)［54］考慮到天然氣發(fā)電雖然有助于保護(hù)環(huán)境但成本較高，利用天然氣資源進(jìn)行供電是不符合經(jīng)濟(jì)性要求的，因此考慮將天然氣發(fā)電作為一種電力調(diào)峰調(diào)頻資源，則可以兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。文獻(xiàn)［55］提出一種車主、運(yùn)營(yíng)商、電網(wǎng)及棄風(fēng)場(chǎng)共同合作的V2G商業(yè)模式，建立以運(yùn)營(yíng)商期望收益最大化為目標(biāo)、車主需求為約束的日前優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)消納風(fēng)力發(fā)電的目的。文獻(xiàn)［56］研究了分時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車的響應(yīng)行為，并探索了電價(jià)與車主響應(yīng)力度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)合相關(guān)材料，UEI對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的影響可以總結(jié)為以下3點(diǎn)。

a.交易模式。當(dāng)前各能源系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，UEI的發(fā)展有助于改變這一現(xiàn)狀，早日實(shí)現(xiàn)多能源系統(tǒng)互通。此外，UEI也有助于將市場(chǎng)交易從寡頭壟斷中釋放出來，增加市場(chǎng)活力。

b.商業(yè)模式。目前電力系統(tǒng)的商業(yè)模式單一，主要通過輸電網(wǎng)絡(luò)將電能送達(dá)用戶，然后根據(jù)電表數(shù)據(jù)核算電費(fèi)。UEI將賦予其更多內(nèi)涵，如電動(dòng)汽車充換電服務(wù)等。

c.營(yíng)銷模式。傳統(tǒng)電力行業(yè)的營(yíng)銷模式主要是圍繞電價(jià)展開，以制定電價(jià)政策的方式為主，如分時(shí)電價(jià)、階梯電價(jià)等。未來隨著電力市場(chǎng)趨于成熟，電價(jià)將由市場(chǎng)決定，為了繼續(xù)保證客戶粘性，企業(yè)應(yīng)調(diào)整自己的戰(zhàn)略重心。

3 關(guān)鍵技術(shù)

為了更好地進(jìn)行UEI的建設(shè)，針對(duì)性地解決建設(shè)過程中不可避免的諸如分布式能源大規(guī)模接入、多源信息處理、多網(wǎng)規(guī)劃、多源協(xié)調(diào)控制等技術(shù)問題，需要加深對(duì)以下4種關(guān)鍵技術(shù)的研究，推動(dòng)其不斷發(fā)展完善。

a.元器件建模技術(shù)：電源模型包括冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組［57］、天然氣發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等模型；儲(chǔ)能模型包括P2G、電轉(zhuǎn)氫［58］、飛輪儲(chǔ)能［59］、蓄電池儲(chǔ)能、蓄熱蓄冷等模型；考慮源荷二重性及移動(dòng)特性的電動(dòng)汽車建模；微電網(wǎng)、虛擬電廠［60-61］等獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)形式建模；智能電力電子設(shè)備建 模［62］。

b.綜合規(guī)劃技術(shù)：基于地理信息數(shù)據(jù)、電動(dòng)汽車出行數(shù)據(jù)、歷史用電數(shù)據(jù)、電力市場(chǎng)數(shù)據(jù)等信息的負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)［63］；基于天然氣儲(chǔ)量數(shù)據(jù)、風(fēng)光資源數(shù)據(jù)等信息的資源評(píng)估技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治黾夹g(shù)［64］，幫助分析微電網(wǎng)、虛擬電廠、電氣化交通網(wǎng)等城市網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；科學(xué)合理的方案評(píng)估技術(shù)；基于多源數(shù)據(jù)融合等信息技術(shù)的綜合能源信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

c.協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)：基于信號(hào)反饋的閉環(huán)控制技術(shù)；實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)“區(qū)域自治，全局協(xié)調(diào)”的分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制技術(shù)［65］；應(yīng)用于含分布式電源微電網(wǎng)的多代理協(xié)同控制技術(shù)［66］；應(yīng)用于微電網(wǎng)的并網(wǎng)控制技術(shù)［67］；對(duì)信息進(jìn)行處理分析評(píng)估，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)警及輔助決策功能的態(tài)勢(shì)感知技術(shù)［68-69］。

d.運(yùn)營(yíng)技術(shù)：大數(shù)據(jù)分析技術(shù)［70］，涵蓋了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)，為商業(yè)運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支持；加強(qiáng)用戶與能源系統(tǒng)間交流的信息交互技術(shù)；方便用戶隨時(shí)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳或調(diào)用的云存儲(chǔ)技術(shù)；通過激勵(lì)手段使用戶主動(dòng)改變用能方式的需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)。

綜上所述，UEI關(guān)鍵技術(shù)的具體內(nèi)涵及交互關(guān)系示意圖如圖2所示。規(guī)劃階段：利用綜合規(guī)劃技術(shù)來指導(dǎo)UEI的建設(shè)，包括能源網(wǎng)絡(luò)及信息網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)行階段：在各類局域能源網(wǎng)內(nèi)部，元器件建模技術(shù)是各種能量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)；在各類局域能源網(wǎng)絡(luò)之間，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)促成了多源協(xié)作和多網(wǎng)聯(lián)合的順利進(jìn)行。這些技術(shù)為運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)提供保障，而信息通信技術(shù)充分調(diào)動(dòng)了用戶參與能源交易的積極性。最后又通過需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)，將影響反饋回系統(tǒng)規(guī)劃、能量生產(chǎn)和運(yùn)行控制環(huán)節(jié)。這幾類關(guān)鍵技術(shù)之間彼此聯(lián)系、相互支持，共同構(gòu)成了UEI的關(guān)鍵技術(shù)體系。

圖2 UEI關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 Key technologies of UEI

4 發(fā)展趨勢(shì)和研究展望

在UEI現(xiàn)有研究情況和關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合示范工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文從設(shè)備形態(tài)、系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行控制、商業(yè)運(yùn)營(yíng)和協(xié)同發(fā)展5個(gè)方面進(jìn)行展望，并提出了未來UEI的若干研究方向，以供探討。

4.1 設(shè)備形態(tài)

未來UEI的設(shè)備應(yīng)盡可能具備物理信息強(qiáng)耦合特性，既能承擔(dān)物理層面上的能量生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、分配的任務(wù)，又能實(shí)現(xiàn)信息識(shí)別、采集、處理、反饋等功能。類比電力系統(tǒng)，未來能源系統(tǒng)在發(fā)、輸、配、用、儲(chǔ)等環(huán)節(jié)都需要大量新型信息物理設(shè)備的支持。在能量生產(chǎn)側(cè)，未來綜合能源信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將承擔(dān)制定能源生產(chǎn)計(jì)劃的任務(wù)。利用信息技術(shù)，獲取用戶綜合用能需求和不同能源網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)能力，并將兩者進(jìn)行匹配，形成能源生產(chǎn)計(jì)劃并發(fā)送給各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)控制中心。在能量傳輸過程中，需要能量路由器的參與［11，71-73］。 能量路由器可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間能量的雙向流動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)潮流的靈活控制。在能源轉(zhuǎn)換過程中，則需要能量樞紐的參與［74-75］。能量樞紐是在現(xiàn)有的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，如光伏發(fā)電技術(shù)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、P2G技術(shù)等。目前美國(guó)及瑞士開展的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)研究項(xiàng)目的核心即能量樞紐，其在能量樞紐的建模及應(yīng)用等方面取得了一定的成果［76-78］。在能量的利用環(huán)節(jié)，未來強(qiáng)調(diào)的是兼顧用戶經(jīng)濟(jì)效益和用能需求的智能用電管理設(shè)備，如智能樓宇等。

UEI元器件建模過程中，應(yīng)考慮到多源、多時(shí)間尺度、多重不確定性、動(dòng)態(tài)等特性。其中，多源是指UEI設(shè)備的輸入端可以是多種不同的能源；多時(shí)間尺度是指不同能量在轉(zhuǎn)化效率等方面存在差異，如氣熱轉(zhuǎn)變過程的時(shí)間系數(shù)相較于電轉(zhuǎn)變過程的時(shí)間系數(shù)很大，不同時(shí)間尺度使得能量轉(zhuǎn)換過程無法保證實(shí)時(shí)平衡；多重不確定性是指UEI設(shè)備廣泛應(yīng)用于能源生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)中存在著大量的不確定性因素，包括連續(xù)的、非連續(xù)的、時(shí)變的、非時(shí)變的，使得對(duì)設(shè)備模型的描述更加復(fù)雜；動(dòng)態(tài)是指能量轉(zhuǎn)換過程通常還伴隨著一系列基于時(shí)間序列的系數(shù)變動(dòng)。因此如何在多源、多時(shí)間尺度、多重不確定性下進(jìn)行元器件的動(dòng)態(tài)能量建模，如何實(shí)現(xiàn)元器件建模到UEI全網(wǎng)絡(luò)建模的映射，如何在多尺度下進(jìn)行綜合能源網(wǎng)絡(luò)的仿真都是未來UEI設(shè)備建模方面的關(guān)鍵科學(xué)問題。此外，電力電子器件的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)設(shè)備形態(tài)轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)，未來電力電子器件將朝著精細(xì)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

4.2 系統(tǒng)規(guī)劃

未來UEI將形成一個(gè)超大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，城市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)景、不同地區(qū)背景下發(fā)展出諸多不同拓?fù)涮匦缘木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前城市傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)都是獨(dú)立規(guī)劃的，造成了資源利用效率低，未來應(yīng)該立足全局，統(tǒng)籌城市能源，對(duì)舊網(wǎng)進(jìn)行改造重構(gòu)再利用，以城市電網(wǎng)為核心，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃，提高不同時(shí)間、空間尺度下的能源調(diào)配能力，滿足市民多樣化用能需求，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的最大化。此外，UEI的規(guī)劃還需要因地制宜，當(dāng)前我國(guó)城市布局大致有環(huán)狀分布、帶狀分布、塊狀分布等，城市類型分為交通樞紐型、經(jīng)濟(jì)貿(mào)易型、傳統(tǒng)工業(yè)型等，應(yīng)基于城市布局與城市類型進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，使建設(shè)方案更加科學(xué)合理。從宏觀層面考慮，城市與城市之間的資源情況不同，在規(guī)劃初期可以將周邊其他UEI的建設(shè)情況作為參考，通過多城合作，最終實(shí)現(xiàn)雙贏或多贏局面。

UEI面對(duì)的負(fù)荷類型更加多樣，負(fù)荷預(yù)測(cè)的難度更高，如何基于電動(dòng)汽車的時(shí)空特性及交通流等因素進(jìn)行電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷建模預(yù)測(cè)、如何科學(xué)分析多種關(guān)聯(lián)因素下的電動(dòng)汽車規(guī)模增長(zhǎng)情況等都是未來的研究趨勢(shì)及難點(diǎn)；進(jìn)行能源信息的綜合規(guī)劃時(shí)，需要考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間尺度上的差異這一特點(diǎn)，因此如何進(jìn)行多網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化、如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息無阻共享、如何保證一二次設(shè)備在時(shí)延情況下正常工作也是未來的研究方向；UEI體現(xiàn)出多層次、多結(jié)構(gòu)、多維度的特性，目前針對(duì)單一網(wǎng)絡(luò)的分析評(píng)估方法無法適用于多源網(wǎng)絡(luò)，因此如何綜合現(xiàn)有分析評(píng)估方法提出一套全面標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)體系及相應(yīng)的評(píng)估手段同樣是未來UEI系統(tǒng)規(guī)劃亟待解決的問題。

4.3 運(yùn)行控制

未來UEI更適合采取分散集中式能量管理模式。圍繞不同能源中心形成廣泛分散的區(qū)域能源模塊，再通過并網(wǎng)控制技術(shù)和分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制技術(shù)，使區(qū)域網(wǎng)與區(qū)域網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)與主網(wǎng)之間互聯(lián)通信，實(shí)現(xiàn)“區(qū)域自治，全局協(xié)調(diào)”。當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，利用大量分散的儲(chǔ)能裝置以及直流輸電裝置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)解耦，減小電網(wǎng)故障波及面積［79-80］；面對(duì)不確定性因素導(dǎo)致的小概率安全故障，可以利用多能互補(bǔ)的特性，實(shí)現(xiàn)多能多網(wǎng)互為備用，避免為了保證短時(shí)間內(nèi)線路的抗壓能力而盲目增大系統(tǒng)安全裕度的做法。

未來UEI運(yùn)行控制方面的研究將集中于探討多源異構(gòu)能源網(wǎng)在不同時(shí)間尺度下的協(xié)調(diào)控制方式以及如何實(shí)現(xiàn)多主體之間的自組織控制。此外，UEI的運(yùn)行過程中存在著類型多樣的不確定性因素，并且這些因素間還存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如何在這些不確定性因素的干擾下保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行也是值得研究的問題。

4.4 商業(yè)運(yùn)營(yíng)

UEI這一概念的出現(xiàn)不僅推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也極大地刺激了能源行業(yè)商業(yè)模式的改革與創(chuàng)新，未來UEI可能從以下7個(gè)方面轉(zhuǎn)變。

a.商業(yè)理念。未來企業(yè)將調(diào)整戰(zhàn)略，從以價(jià)格為導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑?wù)為導(dǎo)向，需求側(cè)響應(yīng)將成為公司業(yè)務(wù)的重要發(fā)展方向之一。在多能源交易市場(chǎng)中，利用價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)用戶調(diào)整其用能方式，從而充分挖掘用戶側(cè)調(diào)節(jié)潛力，實(shí)現(xiàn)峰能需求轉(zhuǎn)移，保證多種能源的供需協(xié)調(diào)優(yōu)化，提高綜合能源利用效率，平抑多能源市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)，最終提升企業(yè)與用戶的經(jīng)濟(jì)效益。以用戶和電網(wǎng)公司簽訂的可中斷遠(yuǎn)期合約為例，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)供需不平衡時(shí)，企業(yè)可以切斷部分用戶負(fù)荷以保證網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)運(yùn)行和電力市場(chǎng)穩(wěn)定，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性，而用戶可以根據(jù)合約從中獲取收益，實(shí)現(xiàn)雙贏。

b.交易主體。未來將形成不同主體共同參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的局面。以電能為例，隨著電改政策的落實(shí)，大量售電公司將成立，從而擴(kuò)大了市民購(gòu)電的選擇空間。此外，普通市民除了作為能源消費(fèi)者以外，還能扮演能源生產(chǎn)者，通過智能電表、智能家居、家庭儲(chǔ)能等手段，參與能源交易。

c.能源商品。未來能源商品將不僅僅是電能，還包括天然氣、熱能和儲(chǔ)能等。其次，電動(dòng)汽車、家庭儲(chǔ)能等可控資源也將成為一種重要的商品。

d.能源市場(chǎng)。為了活躍能源交易市場(chǎng)，未來可能出現(xiàn)能源期貨市場(chǎng)。此外還會(huì)依據(jù)不同能源特性衍生出輔助服務(wù)市場(chǎng)和碳交易市場(chǎng)等。輔助服務(wù)市場(chǎng)作為電能交易市場(chǎng)的補(bǔ)充，保證電能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；碳交易市場(chǎng)以節(jié)能減排為目的，有助于引導(dǎo)能源交易朝著低碳化、清潔化、可持續(xù)化方向發(fā)展。UEI背景下的未來能源交易市場(chǎng)如圖3所示。

圖3 未來能源交易市場(chǎng)Fig.3 Future energy trading market

e.數(shù)據(jù)信息。在傳統(tǒng)能源交易中，一方面由于信息不公開、不透明，用戶對(duì)能源生產(chǎn)消費(fèi)情況知之甚少，企業(yè)和用戶掌握的信息不對(duì)等，使得用戶處于弱勢(shì)地位，只能被動(dòng)地消費(fèi)能源；另一方面，能源企業(yè)空有大量數(shù)據(jù)，卻沒有合理利用，造成大量數(shù)據(jù)閑置浪費(fèi)。信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)能源信息的及時(shí)共享有助于提高用戶參與交易的積極性；通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，能源企業(yè)可以從用戶數(shù)據(jù)中分析出用戶的用能習(xí)慣，從而為用戶定制用能計(jì)劃，提供優(yōu)質(zhì)貼心的能源服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“比特管理瓦特”，從而在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境下掌握主動(dòng)權(quán)。

f.營(yíng)銷手段。UEI背景下的能源營(yíng)銷手段將更豐富多彩：能源網(wǎng)購(gòu)，開放的即時(shí)能源交易平臺(tái)；眾籌能源，集合游離資本進(jìn)行小規(guī)模新能源開發(fā)；電動(dòng)汽車后市場(chǎng)服務(wù)，以調(diào)峰調(diào)頻為目的的規(guī)?；妱?dòng)汽車的充換電策略制定；能源咨詢，為企業(yè)或個(gè)人定制私人化能源消費(fèi)方案；共享電動(dòng)汽車，借鑒現(xiàn)今流行的“共享單車”概念，在部分重要道路路口提供公共電動(dòng)汽車租賃服務(wù)；能源交易所，幫助進(jìn)行能源期貨及能源資產(chǎn)的交易和運(yùn)作。

g.交易模式。未來能源交易過程也是博弈的過程。良好健康的市場(chǎng)交易應(yīng)盡量減少政府的干預(yù)，交易主體多元化的同時(shí)，也產(chǎn)生了交易主體之間的信任問題，能源市場(chǎng)缺少一個(gè)值得信任的中心來幫助減少交易摩擦。

未來能源交易市場(chǎng)將呈現(xiàn)百花齊放的局面，然而目前的研究仍存在許多問題亟待解決，如保證能源交易市場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)機(jī)制問題、避免惡性競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)監(jiān)督問題、解決不信任情況下的用戶交易問題、防止數(shù)據(jù)泄露和數(shù)據(jù)濫用的數(shù)據(jù)安全管理問題等［81］。區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化與安全可信的特征使得其具有解決這些問題的能力，因此如何將區(qū)塊鏈技術(shù)與能源市場(chǎng)交易相結(jié)合，建立一個(gè)值得信任的市場(chǎng)環(huán)境是未來值得研究的方向之一。

4.5 UEI與其他政策、概念的聯(lián)動(dòng)發(fā)展

a.電改政策驅(qū)動(dòng)下的UEI發(fā)展。

UEI的發(fā)展建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，在該過程中政策起到了很大的作用。電力網(wǎng)絡(luò)是UEI的核心部分，電力行業(yè)在發(fā)、輸、配、售4個(gè)環(huán)節(jié)的改革具有長(zhǎng)期性，將會(huì)驅(qū)動(dòng)UEI的發(fā)展。一方面，發(fā)電環(huán)節(jié)的放開改變了以集中型火電為主的生產(chǎn)方式，通過政策支持和政府補(bǔ)貼等行為鼓勵(lì)分布式能源以及熱電聯(lián)產(chǎn)等生產(chǎn)方式，使能源網(wǎng)絡(luò)更加開放包容，有助于打破能源與能源之間、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間的壁壘，為UEI的多能互聯(lián)、多網(wǎng)融合奠定基礎(chǔ)。另一方面，售電側(cè)改革的不斷推進(jìn)，使售電市場(chǎng)成為了孕育新型商業(yè)模式的沃土。改革使得分布式能源以微電網(wǎng)或虛擬電廠等形式與傳統(tǒng)電廠共同競(jìng)價(jià)上網(wǎng)成為可能；電能交易不再局限于發(fā)電廠－電網(wǎng)－用戶，將產(chǎn)生如B2B形式的大用戶直購(gòu)、B2C形式的跨區(qū)平衡調(diào)度、C2C形式的微電網(wǎng)就地平衡、C2B形式的虛擬電廠參與電力市場(chǎng)等交易模式，這些多樣化的電力交易將組成UEI的早期能源市場(chǎng)。

b.智慧城市驅(qū)動(dòng)下的UEI發(fā)展。

智慧城市是利用信息通信技術(shù)，收集、處理、分析整個(gè)城市各個(gè)核心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而更好地服務(wù)市民。它要求最終實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)性發(fā)展。UEI與智慧城市有著諸多共性：智慧城市將打通醫(yī)療、教育、能源、交通等多個(gè)領(lǐng)域的信息通道，實(shí)現(xiàn)信息共享，而UEI同樣要實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的無障礙通信；智慧城市和UEI的發(fā)展都依賴于大量智能量測(cè)裝置和傳感器；智慧城市低碳生活的理念也會(huì)極大地促進(jìn)清潔能源的開發(fā)；同時(shí)利用智慧城市多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的用戶數(shù)據(jù)，將幫助UEI進(jìn)行更精確的負(fù)荷預(yù)測(cè)和需求側(cè)管理。UEI是智慧城市的重要建設(shè)內(nèi)容之一，而智慧城市的發(fā)展同樣有助于加快UEI的建設(shè)，兩者相輔相成。

5 結(jié)語(yǔ)

UEI是一場(chǎng)能源信息革命，它的出現(xiàn)將推動(dòng)城市能源供應(yīng)體系的結(jié)構(gòu)性改革和能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)，其打破了能源集中式生產(chǎn)的模式，使能源生產(chǎn)分散化、清潔化、智能化，引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，圍繞需求側(cè)，不斷催生新的商業(yè)模式，打造城市能源生態(tài)系統(tǒng)。

本文通過比對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中的觀點(diǎn)，給出了UEI的概念，同時(shí)總結(jié)了其五大核心特征：多能耦合、多網(wǎng)融合，設(shè)備多樣、場(chǎng)景復(fù)雜，交互頻繁、規(guī)模量大，互聯(lián)通信、便捷互動(dòng)，優(yōu)質(zhì)服務(wù)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。從規(guī)劃、運(yùn)行和運(yùn)營(yíng)3個(gè)方面歸納分析了UEI建設(shè)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，旨在為未來的電網(wǎng)改造工作提供一定的參考，并提出了UEI關(guān)鍵技術(shù)體系，包括元器件建模技術(shù)、綜合規(guī)劃技術(shù)、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)、運(yùn)營(yíng)技術(shù)。最后探討了UEI設(shè)備形態(tài)、系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行控制、商業(yè)模式和協(xié)同發(fā)展5個(gè)方面，并在此基礎(chǔ)上提供了若干未來UEI的研究思路，希望本文的工作能為后續(xù)相關(guān)的研究工作提供一定幫助。

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