張有綺 石 晶 劉 毓 唐鉑滔 王 瓊 慕俊強(qiáng)

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司蘭州供電公司）

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)充分利用新能源、儲(chǔ)能等先進(jìn)技術(shù)，使現(xiàn)有的化石能源系統(tǒng)在供給、消費(fèi)和管理上都能實(shí)現(xiàn)高效和清潔化。作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心支撐，城市配電網(wǎng)（Urban Distribution Network，UDN）是城市中最具多樣性、復(fù)雜性、低成本和高效益的一類獨(dú)立電力系統(tǒng)。城市配電網(wǎng)不僅是能量流和信息流的匯聚地，還通過(guò)負(fù)荷預(yù)測(cè)、需求側(cè)管理等方式影響其他能源系統(tǒng)。城市配電網(wǎng)在電力供需平衡、系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全運(yùn)行等方面均具有重要意義。然而，城市配電網(wǎng)的復(fù)雜特性以及當(dāng)前城市配電網(wǎng)運(yùn)行管理方法，在一定程度上制約了其作為城市能源互聯(lián)網(wǎng)核心支撐的作用。隨著智能電網(wǎng)和新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，城市配電網(wǎng)的地位將發(fā)生轉(zhuǎn)變。在“雙碳”目標(biāo)下，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)需要向可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，而城市配電網(wǎng)將成為未來(lái)城市電力系統(tǒng)的核心支撐。因此，針對(duì)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化相關(guān)問(wèn)題及內(nèi)容開(kāi)展研究具有重要的意義。

1 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)化機(jī)理

能源互聯(lián)網(wǎng)視角下，城市配電網(wǎng)的功能不僅僅是向用戶提供電力，還要參與分布式電源的建設(shè)與運(yùn)行，以及能量綜合管理等功能。因此，城市配電網(wǎng)向綜合能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。另外，城市配電網(wǎng)作為城市的能源供給端，同時(shí)又是能源消費(fèi)端，它將不同能源系統(tǒng)整合在一起，進(jìn)行城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和協(xié)調(diào)控制。城市配電網(wǎng)將電能、熱能和冷能等不同種類的能源進(jìn)行整合，將城市配電網(wǎng)與其他能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可通過(guò)分布式發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的就地消納；通過(guò)交通工具和智能家居等實(shí)現(xiàn)可再生能源的就地消納；通過(guò)智能家居、智能建筑等實(shí)現(xiàn)居民家庭能源供應(yīng)系統(tǒng)的互聯(lián)互通；可利用分布式發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)可再生能源的就地消納。

2 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化形式

2.1 城市配電網(wǎng)向綜合能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化

綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）是一種將各種能源形式在時(shí)間和空間上進(jìn)行優(yōu)化配置的能源系統(tǒng)。城市配電網(wǎng)作為電力生產(chǎn)和消費(fèi)的重要環(huán)節(jié)，其功能不僅包括電力供應(yīng)與需求管理，還包括能源存儲(chǔ)、傳輸、轉(zhuǎn)換和消費(fèi)等環(huán)節(jié)。將城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)進(jìn)行有效融合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同能源形式的靈活轉(zhuǎn)換以及不同能源形式間的高效優(yōu)化配置，從而推動(dòng)城市配電網(wǎng)向綜合能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化。

2.2 城市配電網(wǎng)向可再生能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化

隨著全球氣候變暖，大量的可再生能源接入配電網(wǎng)，其中風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源出力具有不確定性和間歇性，無(wú)法保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此需通過(guò)分布式儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)等技術(shù)，將可再生能源接入配電網(wǎng)。城市配電網(wǎng)中通常含有大量分布式電源（DG）、儲(chǔ)能裝置（PCS）和電動(dòng)汽車等，通過(guò)控制DG 的出力、PCS 的運(yùn)行以及電動(dòng)汽車的充放電策略，將DG 和PCS 的出力及充放電過(guò)程合理地轉(zhuǎn)化為可控的可控負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)向可再生能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。目前常用的DG 出力優(yōu)化控制方法有基于分布式能源發(fā)電與負(fù)荷預(yù)測(cè)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)、基于需求側(cè)響應(yīng)等。

2.3 城市配電網(wǎng)向儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)化

儲(chǔ)能系統(tǒng)可顯著提升能源利用效率，是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。城市配電網(wǎng)具有靈活高效的特性，配電網(wǎng)中分布式可再生能源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)荷等組成的多元智能能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多能協(xié)同互補(bǔ)，有效解決可再生能源并網(wǎng)消納問(wèn)題。為了更好地支撐城市配電網(wǎng)向儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，可利用微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備的互補(bǔ)特性，構(gòu)建一種新型的微電網(wǎng)運(yùn)行模式，即采用“微電網(wǎng)-儲(chǔ)能系統(tǒng)-用戶”三層結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮微電網(wǎng)和儲(chǔ)能設(shè)備在智能調(diào)度、靈活調(diào)節(jié)、深度調(diào)峰、分散式電力需求響應(yīng)等方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)向儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)化。

3 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的多能互補(bǔ)

城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)化研究主要圍繞如何將可再生能源、儲(chǔ)能、電能等多種能源系統(tǒng)整合在一起，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)與協(xié)調(diào)控制這一問(wèn)題展開(kāi)。在城市能源互聯(lián)網(wǎng)中，多能互補(bǔ)是指多種能源通過(guò)協(xié)同互補(bǔ)達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目的，它是城市能源互聯(lián)網(wǎng)的核心支撐，也是實(shí)現(xiàn)能源高效利用和多能協(xié)同互補(bǔ)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多能互補(bǔ)主要包括可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電能三種。

可再生能源主要包括風(fēng)力、太陽(yáng)能和水能等，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括蓄電池和超級(jí)電容器等，電能主要包括電動(dòng)汽車、智能家電和分布式電源等。可再生能源發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，而儲(chǔ)能系統(tǒng)具有存儲(chǔ)能量大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。城市配電網(wǎng)通過(guò)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電能等多種能源的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，可以提高可再生能源的利用效率，降低碳排放量，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。同時(shí)，多能互補(bǔ)可以有效地緩解城市電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段供電緊張的問(wèn)題。另外，通過(guò)多能互補(bǔ)可以充分發(fā)揮各個(gè)利益相關(guān)者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更高效、更清潔的用能目標(biāo)。

4 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的協(xié)調(diào)控制

城市配電網(wǎng)主要由能量流、信息流和物質(zhì)流組成。能量流是指能量從電力生產(chǎn)端到用電終端的流動(dòng)過(guò)程，是城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)；信息流是指城市配電網(wǎng)內(nèi)部信息的傳遞過(guò)程，它能夠?qū)崿F(xiàn)利益相關(guān)者之間信息的共享；城市配電網(wǎng)通過(guò)電力生產(chǎn)端到用電終端的流動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了能量流、信息流和物質(zhì)流的協(xié)同。

通過(guò)對(duì)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間能量、信息流和物質(zhì)流的協(xié)同分析，可以發(fā)現(xiàn)：一是隨著城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的多能互補(bǔ)和協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)內(nèi)部的能量流和物質(zhì)流也在不斷地發(fā)生變化。二是在城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間存在著多種利益相關(guān)者，為了實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和協(xié)調(diào)控制，需要考慮多個(gè)利益相關(guān)者。因此，在對(duì)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)，需要充分考慮不同利益相關(guān)者的利益需求。三是由于不同的利益相關(guān)者具有不同的經(jīng)濟(jì)屬性和價(jià)值屬性，在對(duì)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)，需要根據(jù)不同利益相關(guān)者的價(jià)值屬性來(lái)進(jìn)行分配。

4.1 建立能量流、信息流的耦合關(guān)系

在城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間建立能量流、信息流的耦合關(guān)系，首先，需要將城市配電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車納入能源互聯(lián)網(wǎng)體系，因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)是城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的物質(zhì)流轉(zhuǎn)換的載體，同時(shí)電動(dòng)汽車作為一種新型的能源消費(fèi)設(shè)備，是城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間物質(zhì)流轉(zhuǎn)換的媒介。其次，需要將城市配電網(wǎng)中的能量流和信息流納入能源互聯(lián)網(wǎng)體系，因?yàn)槌鞘信潆娋W(wǎng)作為城市能源網(wǎng)絡(luò)與其他能源網(wǎng)絡(luò)之間的樞紐，其在實(shí)現(xiàn)能量流轉(zhuǎn)換過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是其他能源系統(tǒng)與城市配電網(wǎng)之間物質(zhì)流轉(zhuǎn)換的媒介。因此將城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間建立能量流、信息流耦合關(guān)系需要將城市配電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車以及其他類型的負(fù)荷納入到能源互聯(lián)網(wǎng)體系之中。

4.2 實(shí)現(xiàn)能量流、信息流和物質(zhì)流的協(xié)調(diào)控制

城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制主要包括能量流、信息流和物質(zhì)流三方面的協(xié)調(diào)控制。首先，城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的能量流、信息流和物質(zhì)流之間建立耦合關(guān)系，利用該耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，主要包括以下兩個(gè)方面：①供需平衡。通過(guò)分析城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的能量流和信息流，建立兩者之間的耦合關(guān)系，建立城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的供需平衡模型，并根據(jù)該模型實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的供需平衡。②負(fù)荷預(yù)測(cè)。在建立供需平衡模型基礎(chǔ)上，利用該模型實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的負(fù)荷預(yù)測(cè)。同時(shí)，利用該模型實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的負(fù)荷預(yù)測(cè)，并通過(guò)負(fù)荷預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制。

5 城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵問(wèn)題

5.1 需要考慮利益相關(guān)者

為了實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的協(xié)調(diào)控制，需要考慮的利益相關(guān)者包括電力生產(chǎn)企業(yè)和電力用戶發(fā)電企業(yè)等。對(duì)于交通系統(tǒng)而言，其主要利益相關(guān)者為交通工具、電動(dòng)汽車、智能建筑和公共交通等。對(duì)于可再生能源而言，其主要利益相關(guān)者為光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電企業(yè)和家庭用戶等。另外，由于城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)之間存在著多種物質(zhì)流，因此還需要考慮的利益相關(guān)者包括可再生能源生產(chǎn)企業(yè)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式電源等。為了實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和協(xié)調(diào)控制，需要考慮的利益相關(guān)者還包括用戶、電網(wǎng)公司和能源服務(wù)公司等。

（1）電力生產(chǎn)企業(yè)

電力生產(chǎn)企業(yè)是能源互聯(lián)網(wǎng)的主要利益相關(guān)者，其主要利益訴求為：①可再生能源發(fā)電企業(yè)：電力生產(chǎn)企業(yè)的主要職責(zé)是根據(jù)其所掌握的各種分布式能源資源，對(duì)這些可再生能源進(jìn)行集成和優(yōu)化控制，以提高其利用效率，降低成本；同時(shí)，電力生產(chǎn)企業(yè)還可以將其所擁有的分布式能源資源通過(guò)需求側(cè)管理（Demand Side Management， DSM）向其他用戶出售電能。②儲(chǔ)能系統(tǒng)：電力生產(chǎn)企業(yè)可以利用其在電力市場(chǎng)中獲得的資金來(lái)投資或購(gòu)買儲(chǔ)能系統(tǒng)，以提高其對(duì)可再生能源的利用效率；另外，儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以通過(guò)自身的能量存儲(chǔ)功能為可再生能源提供調(diào)峰服務(wù)。③電能用戶：電力生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)對(duì)分布式能源資源進(jìn)行集成和優(yōu)化控制，能夠提高其用電效率、降低用電成本；同時(shí)，還可以通過(guò)對(duì)分布式能源資源進(jìn)行需求側(cè)管理，降低其對(duì)城市配電網(wǎng)的影響。

（2）電力用戶

電力用戶主要包括居民和商業(yè)用戶。由于居民用戶具有分散、個(gè)體化和個(gè)性化的特點(diǎn)，因此對(duì)于多能互補(bǔ)的需求也相對(duì)較高。商業(yè)用戶通常采用可再生能源進(jìn)行供能，其主要利益相關(guān)者是電力生產(chǎn)企業(yè)。在城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制時(shí)，首先需要將城市配電網(wǎng)中的分布式電源轉(zhuǎn)換為具有調(diào)節(jié)能力的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。另外，在不同能源系統(tǒng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，還需要考慮其對(duì)用戶側(cè)的影響，例如，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致用戶側(cè)負(fù)荷增長(zhǎng)、用戶用電成本增加、電能質(zhì)量下降等問(wèn)題；而在電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)中引入儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，則可能會(huì)導(dǎo)致用戶側(cè)用電成本增加、充電時(shí)間延長(zhǎng)、充電網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題等。

5.2 轉(zhuǎn)化效率

能源互聯(lián)網(wǎng)視角下城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，除了要考慮利益相關(guān)者外，最為重要的是考慮轉(zhuǎn)化效率。城市配電網(wǎng)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的求解方法主要包括傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和智能優(yōu)化算法兩大類。其中，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法主要包括線性規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、序列二次規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等；智能優(yōu)化算法主要包括遺傳算法、蟻群算法、人工免疫算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體問(wèn)題的特點(diǎn)選擇不同的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，并將不同的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法進(jìn)行有效結(jié)合，以建立起更加符合實(shí)際應(yīng)用要求的城市配電網(wǎng)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率求解模型，從而為城市配電網(wǎng)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的實(shí)時(shí)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)視角下城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化機(jī)理和轉(zhuǎn)化形式進(jìn)行總結(jié)，對(duì)城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)的多能互補(bǔ)與協(xié)調(diào)控制進(jìn)行分析，并提出轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵問(wèn)題。以上研究可為解決城市配電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)間相互制約關(guān)系和轉(zhuǎn)化提供新思路，對(duì)推動(dòng)我國(guó)城市配電網(wǎng)的發(fā)展具有一定的參考意義。