综合能源系统（3）——综合能源系统构成要素_能源系统的组网图

综合能源系统关键技术与典型案例　 何泽家，李德智主编

1、物理系统

综合能源系统的物理系统是由电力子系统、天然气子系统和热力子系统通过耦合元件耦合而成的供能系统。其中，耦合元件将某种形式的能源转换成另一种形式的能源，主要包括燃气发电机、电转气设备(Power to Gas， P2G)、电锅炉、燃气锅炉等。耦合元件的使用实现了能源相互转化和梯级利用，提高了能源的利用效率，降低了污染物的排放量。典型的电-气-热综合能源系统物理结构图如图2-5所示，实际综合能源系统包含更多的元件和耦合设备，如电池、电动汽车、储气罐、储热装置、智能楼宇。

从抽象的角度来看，综合能源系统可简单划分为“网络”和“元件”两类。其中，网络是实现元件之间复杂、多维度互联与融合的桥梁和媒介，保障元件之间的能量交互与信息交互，主要包括电力网络、天然气网络、热力网络等；元件是实现某一类特定功能的抽象最小单元，是综合能源系统的底层设备和运行基础，根据各自功能的区别，可分为独立型设备元件和耦合型设备元件，独立型设备元件如电、热、冷、气设备元件强调维持自身特有的能质属性，耦合型设备元件则强调冷、热、电、气各类能源形式相互间的转化利用。元件和网络的集合最终构成综合能源系统。

综合能源系统转换元件
综合能源系统中的转换元件包括独立型元件和耦合型元件。独立型元件包括产能元件与储能元件，产能元件是指综合能源系统中的能量生产单元，是将一次能源转化成可利用的二次能源，或直接将一次能源进行可利用化、可传输化处理的单位，主要包括发电设备和制热/制冷设备等。储能元件是系统的能量存储单元，能够实现能量在一定时间尺度和规模上的储存，包括储电、储热、储气等。耦合型元件是综合能源系统中实现能量转换的关键单元，是不同能源系统之间的耦合节点，包括电-气耦合、电-热耦合、气-热耦合以及气-电-热耦合等多种形式。

2、信息系统

综合能源系统的信息系统是综合能源物理系统的信息支撑层，通过搭建以信息通信技术为技术手段的全覆盖信息系统，实现能量流与信息流的融合统一。信息系统主要由信息采集终端、数据管理中台和业务应用平台三层架构组成。

2.1、信息采集终端

信息采集终端位于综合能源系统信息系统的最底层，通过传感器获取信息源原始信息，通过合理的通信方式进行通信传输，以实现原始数据的采集和上传。信息采集的功能主要由信息源、传感器和通信方式三类元素完成。

（1） 信息源

综合能源系统的信息包括能源信息、环境气象信息、能源生产实时信息、能源输配实时信息，负荷及需求实时信息、业务交易实时信息、相关方行为实时信息等。在电力子系统中，从能源生产端到能源输配端、能源消费端、能源交易端，需要实时采集交直流电压、电流、功率、频率、电能质量、用电总量用电时间、环境温度、湿度、风速、风向、辐照度等参数，以及供需方要求、个体交易行为、组织交易行为、交易互动、交易评价等信息。

在天然气子系统中，设立天然气管道采集点，设置采集压力、流量、温度等。此外由于天然气系统安全的特殊性，还需要加装安全报警和检测系统，如天然气泄漏、储存设施越界闯入等报警装置，全面监测天然气储存区的周边环境参数。

在热力子系统中，需要采集热源和管网的供水和回水的压力、温度、流量、热功率、补水瞬时流量、累积流量等参数。中继泵站需要采集进出口母管压力、除污器前后压力、水泵吸入和泵出压力、设备运行状态等参数状态。为蒸汽供热时，还要采集凝结水系统的凝结水温度、凝结水回收量二次蒸发器和汽水换热器的压力、温度、流量等信息。

（2）传感器

传感器是现代化信息系统和各种设备中不可缺少的信息采集手段，微型化、智能化、集成化是传感器发展的必然趋势。随着系统的自动化和复杂化，所需要的信息量越来越大，对传感器的精度、分析可靠性数据能力和响应要求越来越高，还要求传感器有标准输出形式，以便与系统挂接。综合能源系统中很多传感器都处于自然环境中，对传感器的稳定性、防干扰提出了更高的要求。一些新型互感器不断涌现，如分布式光纤传感器、热红外成像传感器等，其体积小、灵敏度高、集成程度高、性能稳定，为能源综合利用的信息层建设提供了更好的选择。

（3）通信方式

综合能源系统的诸多环节都面临着环境条件复杂信息采集量众多且信息位置不稳定等特点，通信方式必须具有自适应性、易扩展性、抗干扰性等特点，针对不同的能源主体，选择合适的通信方式至关重要。主要通信方式有：

1)光纤通信
光纤通信有着传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小的优势。这种通信方式容量大、距离远、抗电磁干扰性强、保密性能好、传输质量佳、尺寸小、重量轻、无辐射、材料来源丰富、环境保护好、适应性强、寿命长等优点，适用于城市范围内的能源骨干通信网。

2)无线通信
无线通信是利用人工设置的中继站转发无线信息，从而实现终端与终端、终端与主站的之间的通信。这种通信方式受地表环境限制少、通信距离远、通信质量好、可靠性高，适用于电力输电网、天然气管网等城市能源骨干网络。

3)微波通信
微波通信具有可用频带宽、容量大、通信质量高、传输距离远、抗干扰性强等优点，且具有扁平化、自组网、动态变化强、区域性应用等特点，非常适用于综合能源系统的终端感知通信，将成为分布式综合能源网通信系统的基础形式。

4)电力线载波通信
电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，利用现有电力线通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，不需要重新架设通信网络。随着智能楼宇、智能家居的兴起，电力载波为智能楼宇和智能家居的通信提供了良好的用户体验，有效解决了室内无线信号传输受墙体阻挡的问题。

2.2 数据管理中台

为了实现底层感知系统对综合能源系统的支撑作用，掌握大量而准确的数据十分必要。综合能源系统数据中台用于实现数据存储和数据服务，大数据模式是未来的发展方向，以此为基础，通过能源数据分析和数据挖掘，实现对综合能源系统价值的分析。

（1）数据存储和大数据

1)综合能源系统大数据架构
综合能源系统是一个完整的系统，其数据的产生、传输、存储、访问，既有分布式的特点，又有层级式的要求。综合能源系统的建设，将逐步形成以城市级为体量的完整能源数据系统。另外，新能源电站、能源微电网系统等，基于所有者、运营商、监管部门等的远程访问需要，在一定类别内建立各具特色的能源数据存储系统，这些数据系统和控制中心具有分布式、扁平化的特点。

2)数据筛选和服务
海量而杂乱的原始数据，必须经过合理的筛选融合之后才能被合理地使用和分析。在完成分层式信息筛选之后，根据得到的信息，每一个分层进行各自权限之内的信息处理并发送反馈调节响应，产生反馈调节响应的状态信息及反馈调节的结果后向上一层传输。

数据分析服务是以大数据的价值分析为目的，数据挖掘是在分析后台数据的基础上应用特定的算法抽取模式的过程。传统的决策树、粗糙集模糊数学分析、人工神经网络等方法，在大数据分析中起着非常重要的作用。但是因为大数据具有数据量大、查询分析复杂的特点，使用单一的分析方法已经远远不能满足需要，交叉融合多种智能数据分析技术的方法越来越受到人们的推崇，通过对数据进行挖掘和分析，发现有价值的规律和模式。而随着大数据时代的到来，新型数据挖掘技术不断涌现出来，其中分布式的数据挖掘技术广为大家所接受，通过并行计算和网格计算，实现在多个节点上进行数据挖掘。

3)大数据应用
综合能源系统中的大数据服务，主要应用于能源生产、变电站运维、网络运行、能源交易、能源平台服务等环节，以实现价值流与能源流的统一。

在能源生产方面，新能源开发利用涉及气象、水文、地质等各个方面的历史和实时数据作为决策支撑，分布式模式的效果和当地负荷规模、性质、习惯、发展规划等相关，这些均需要大量的数据存储和分析。

在变电站运维方面，新能源变电站的数据中心正向远程监控、大数据分析、集成控制、图形化展示的方向发展。监控中心通过强大的后台数据库服务器以提供海量的数据存储，完备的灾难恢复策略保障数据不丢失。

在政府能源服务层面，大数据有利于推动能源行业监管协调及能源运行安全预警体系的建立。按照行业类型分区域构建生产、运输、销售及贸易的基础数据库，建立能源数据采集、分析、处理和预警体系，及时准确地掌握能源行业的运行现状，努力提高政府决策和规划的科学性与时效性。

在企业服务层面，大数据有助于推进能源企业科学化运营管理，促进能源行业市场化发展。一是企业更好地规划能源生产与资源分配，大大降低企业的运营成本和决策失误所带来的损失；二是更加清楚地了解市场运行动态，以此为依据签订市场交易合同，进行行业市场化改革；三是全面分析和掌握客户消费行为，大力挖掘市场需求，科学管理能源用户；四是进行信息化操作和智能化管理，提高企业的运行效率，确保企业运行安全与能源的稳定供应。

在能源消费者服务层面，家庭用户通过了解每日能源消费用量与费用调整能源消费用量和消费结构，同时也使得收费过程更透明。客户和服务商之间的信息实时有效共享，实现交互评价和第三方应用。

（2）信息管控和云计算

综合能源系统海量数据的信息分析，是根据数据信息对价值的分析。在未来，智能设备和网络接口将遍布世界上各个地方，云计算将成为便利高效的数据分析模式。

对综合能源系统来说，分析和挖掘海量的大数据，通过云计算平台扁平化的管理模式，会提高整个系统的运行效率和灵活性。通过网络共享，将集中、丰富、能力较强的计算设备资源对接综合能源系统的大数据系统，从而构建综合能源系统的云计算平台，将云计算应用在分布式电站运维、智能电网规划与运行、智能用电等方面。发挥其高效率、低成本、协同互助、便利快捷的数据分析优势。

2.3 业务应用平台

应用业务平台是综合能源服务管理平台，其中包含供需方管理、负荷预测、综合能源交易系统、能源运行控制系统、多元化服务系统五个部分。

（1）供需方管理

供方和需方是业务系统平等的客户，在综合能源系统的交易环节中某一个体或组织，在此交易中为需方，在另一交易中也可能是供方。
供需方业务管理的主要内容是供方和需方的服务管理、关系管理、交易进程管理。服务管理的目标是建立标准化的市场准入体系；关系管理的目标是建立分层级的客户信息档案；交易进程管理的目标是建立规范化的交易流程。

（2）负荷预测

能源不同于任何其他商品，其存储成本高昂，在时间和空间上的灵活供给能力都很弱，这决定了负荷预测是业务系统的核心功能之一，海量的数据库系统和强大的数据分析系统是负荷预测的基础。新能源自身的间歇性、波动性、周期性，分布式模式的分散化、小型化、自由化，能源交易的市场化、自由化、多选择性，使能源系统稳定运行的难度越来越大，因此，科学合理地进行负荷预测尤为重要。以电力的负荷预测为模型，按照预测时间跨度可分成超短期预测、短期预测、中期预测、长期预测。

超短期预测指的是全监视状态下的分秒级预测和预防控制状态下的小时级预测，是能源管理系统的最高级应用基础。短期预测包括日负荷预测和周负荷预测。中期负荷预测包括月度预测、季度预测和年度预测，是电力日常调度的重要参考。长期负荷预测指的是三年以上的预测，是能源骨干网络升级改造的重要参考，主要的预测指标有新能源发展规划、新电源开发力度、设备研发制造、环保节能规划、区域经济水平、区域行业结构等。负荷预测是实现需求侧响应的基础，在多种能源综合利用的复杂情况下，负荷预测的难度也提高到新的程度，在今后的研究和建设中需要更加重视基于负荷预测的需求侧响应技术。

（3）综合能源交易系统

能源供应方和需求方是完全平等的客户，业务达成是按照商品交换价值规律双方洽谈的结果，平台只承载这个交易过程，而不主导双方的决定。综合能源交易市场的准入是全开放的，过程是全透明的，只要符合一定的条件和约束，任何个人或组织都可以参与能源的买卖，也都有权利监督能源交易过程。综合能源交易系统的运作是一种公共服务，能源输送方综合能源交易市场包括现货市场和期货市场。能源的现货交易具有即时性、偶然性和冲击性，如何通过供需匹配和备用调剂，实现能源传输的瞬时平衡，是能源现货交易需要解决的核心问题。新能源开发的能源接入，使供应端的情况更加复杂，能源期货市场对提前匹配、计划平衡有着重要的作用。

（4）能源运行控制系统

能源运行控制系统的第一个任务是决定采用何种能源形式和输运方式。基于对供需双方的能源特点、规模、区域、价格等因素分析，结合区域能源供应情况，优选能源输运方案和各能源配比。

能源运行控制系统的第二个任务是对输运管网进行规模预测和平衡调节。无论电力电网运输、天然气管网运输、煤炭石油铁路公路运输，都有其输送容量，任何一个交易的调度都要协调其他交易并行或顺序进行。对电网任何超限或供需不均的电力输送都可能造成电网坍塌，对电网进行平衡预测，要综合考虑基本负荷消纳、最大负荷能力、用户侧分布式发电补充、分布式储能和大规模储能调峰能力、电网等级和输送能力、各环节电力电子设备的稳控能力、各环节电能损耗、发电侧最大输出功率、发电侧基本输出功率、旋转备用发电能力、非旋转备用发电能力等，进行最大潮流和基本潮流分析，从而协调本次交易的输运调度。

能源运行控制系统的第三个任务是对输运管网进行指令下达。业务达成后，能源运行控制系统对输电网运营公司发送此笔输运要求详情，即时开始能源输送。多笔能源输送并行并保持长时间的容量稳定，是输运网络平稳、经济、高效运作的基础。对供方、需方、输送方等进行最优匹配和资源配置，体现了能源输运中心的优势，也是综合能源系统的能源交易优于传统能源交易的特征之一。

（5）多元化服务系统

多元化服务系统是直接面向用户提供用能数据共享、节能监测评估、能效优化建议等服务，基于负荷特性可划分出建筑能效服务、交通能效服务、工业能效服务、商业能效服务、居民能效服务等。

1. 用户负荷监测、数据存储、数据分析等系统可以由企业自身建设，由节能服务公司协助进行。在线监测的对象是影响能源消耗和能源效率的全因素，具体的指标数据和分析内容包括能源使用成本、能耗指标对比以及负荷运行状态等。
2. 能源使用成本。对能耗情况进行记录和分析，包括各项负载情况、运行效率、功率因数、电能质量、电能损耗等情况，实现能耗信息的分析，自动生成统计报表，并与历史用能数据进行对比，找出用能缺陷，提供优化用能的依据。
3. 能耗指标对比。通过系统提供的评估模型，结合能耗标准数据、电力消耗数据、热力消耗数据、设备消耗数据、系统损耗数据等指标进行分时段对比，对用能进行能效评估。
4. 负荷运行状态管理。实时监控记录各个用能单位、环节、设备的能耗及电能质量情况，实现状态报警、超限报警，实现智能管理，简化维护工作。根据生产状态，合理计划利用能源，使用户掌握单位产品的环节用能比重和成本、发展趋势。
5. 多元化服务系统可提供用电信息查询、用气信息查询、用热信息查询、业务办理等功能，同时为智能小区/楼宇、电动汽车充放电、用气时段管理、能效监测等智能用电和用气业务提供访问入口。
6. 技术方案共享和咨询。技术、方案、发展趋势、政策法规等是面向全社会及节能服务公司的参考，这个平台建设由能源服务机构联合行业组织、中介咨询机构等，实行专业化、专营化的建设和管理。主要的共享信息有技术知识服务、分布式能源建设及接入咨询、用户节能优化方案审核认证服务，以及咨询培训管理等。