內蒙古智慧綜合能源系統分析與研究

李雨佳 郭 俊 蘇雅亨 王伯釗 謝 青 閆 一

（1.內蒙古電力經濟技術研究院 2.中國能源研究會電能技術專業委員會）

0 引言

智慧綜合能源系統是依托以能源、信息為中心的、互聯網為模型的新一代能源基礎設施信息交互手段，有效促進用戶與能源生產過程的反饋互動，實現能量流與信息流的深度融合，實現不同能源之間及能源與消費者之間的協同互動，提升區域內能源綜合利用效率。智慧綜合能源系統的出現，推動了能源供給體系的變革，推動能源技術革命，促進電力體制改革，支撐社會生產模式轉型，創新商業模式、創造就業機會，促進產業升級。本文根據內蒙古現代能源經濟的結構特點，主要研究分析內蒙古智慧綜合能源系統的功能需求及系統架構。

1 我國綜合能源系統研究進展

綜合能源系統是指一定區域內利用先進的物理信息技術和創新管理模式，整合區域內煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，實現多種異質能源子系統之間的協調規劃、優化運行，協同管理、交互響應和互補互濟，綜合能源系統旨在滿足系統內多元化用能需求的同時，要有效地提升能源利用效率，促進能源可持續發展的新型一體化的能源系統。總的來說，它是多能互補能源網絡，是一個信息物理能源系統，更有助于能源運營的模式創新，是在現有電力網絡和智能電網基礎上更具前瞻性、更綜合和更高級的能源組織形態，其關鍵性核心技術包含了智能電網相關技術，如分布式發電、柔性輸電與配電、儲能、微電網、通信與傳感、控制與調度等。

綜合能源系統已成為國際上能源領域未來重要的戰略方向，美國在2001年提出集成能源系統發展計劃，2007年頒布能源獨立和安全法（ELSA），要求社會主要供能（電力和天然氣）環節必須進行能源協同規劃，2008年美國國家科學基金項目未來可再生電力能源傳輸與管理系統（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management system，FREEDM system）研究提出了能源互聯網這一概念的雛形。德國在智能電網的基礎上推出了技術創新促進計劃（EEnergy），基于信息和通信技術，借助互聯網采集相關的能源信息，進行分析決策，力推能源協同。日本計劃通過智能化的信息交換與控制系統，協調電力、熱能等不同能源品種在生產和運輸等不同環節的應用，實現社會經濟低碳、高效發展。

我國綜合能源系統相關技術發展也已處于起步階段。2014年中國電力科學研究院啟動了“能源互聯網技術架構”方面的基礎性前瞻性項目研究。2015年國家能源局提出制定“能源互聯網行動計劃”。國內相關研究機構與制造商正在加緊探索能源互聯網技術的研究與實踐，并取得了一系列成果。在能源互聯網基礎設施建設方面，國內相繼研究及發展智能風電系統、智能光伏系統、高效冷熱電三聯供及各種形式的分布式能源綜合利用技術，并進行新型儲能技術研發。目前中國正在大力推廣電池研發和新能源汽車技術，也在同步推進綜合能源網絡建設，嘗試構建能源互聯網的開放共享體系和市場交易體系，促進商業模式的創新。開發儲能、電動汽車應用新模式和智慧用能新模式，培育綠色能源靈活交易的市場體系。

2 內蒙古綜合能源管理系統的主要特點

習近平總書記指示內蒙古要做好現代能源經濟這篇大文章，作為國家的重要能源戰略基地，內蒙古能源發展離不開能源獨特的資源稟賦，據統計，內蒙古全區查明煤炭資源量9120億噸，天然氣剩余技術可采儲量9630億立方米，風能技術可開發量14.6億千瓦，分別占全國的27%、18%、57%，太陽能年總輻射量1331～1722千瓦時／平方米，均居全國前列，生物質能、地熱能等資源也較為豐富，開發空間較大。具備較強的煤電外送能力，全區500kV電網網架基本形成，已有5條特高壓和11條超高壓出區外送通道、外送電能力7000萬千瓦。油氣供應能力不斷提升，區內油氣管道覆蓋全區11個盟市，建成天然氣管道24條、輸送能力637億立方米，已建成10余條煤炭外運鐵路通道、運能近9億噸。

因此，內蒙古綜合能源系統基于現有能源產業布局及發展趨勢，構建適合內蒙古現代能源經濟發展的模式，從能源結構來看，橫向上，綜合能源系統需與內蒙古能源供給側結構性改革匹配推進，在供給側強調“多能源互補利用”，不斷提升煤炭利用效率，鼓勵非化石能源消費，與促進太陽能、風力發電等綠色能源的規模化生產相輔相成；縱向上，綜合能源系統需與內蒙古深化區域能源合作匹配推進，在需求側按照跨區級、區域級和用戶級分層分區域調控，對于省級區域來說，綜合能源管理系統的重點在于區域級，兼顧跨區級和用戶級。

1）跨區級。跨區級是為了適應遠距離輸送需要，同內蒙古與京津冀、中東部地區以及“一帶一路”沿線國家特別是俄蒙寬領域產業鏈合作等戰略相融合，通過大型輸電、輸氣等系統骨干網架，主要發揮能源遠距離傳輸的作用，以柔性直流傳輸、先進電力電子、信息物理系統等技術為核心，能源系統之間的互動受制于管理、運行、市場等因素，保證所覆蓋范圍各區域能源互聯網的安全穩定運行，與區域級能換系統有交互接口。

2）區域級。區域級與跨區級相比，重在解決內蒙古區內多種能源供應-消納-存儲等核心問題，主要以內蒙古區內各類工業企業和居民為用戶群體，由智能配電系統、中低壓天然氣系統、多種能源集中供應網絡耦合互聯組成，起到能源傳輸、分配、轉換、平衡的作用，以主動配電網、混合儲能、能源轉換等技術為核心，能源系統之間存在較強耦合。

3）用戶級。用戶級在能源網絡之間以智能用電系統、分布式／集中式供熱（冷）等系統、供水系統、供氣系統等網絡耦合而成，以需求響應、負荷預測、電動汽車等技術為核心，設備之間存在廣泛的耦合特性，能源轉換、存儲等技術應用，增加了能源網絡的耦合性。

3 系統架構及功能需求

（1）系統特點

目前，內蒙古全區電源類型主要為火電和風電，其中火電機組占所有裝機的70%左右，風電裝機占15%左右，抽蓄、燃氣等靈活調節電源基本沒有，且由于全區冬季供熱期長達半年，90%以上的火電機組為供熱機組，供熱期間火電供熱機組容量比例超過60%，火電機組大多無法參與調峰。近年來，內蒙古推動多能互補儲熱站，加快多種能源協同互補的功能方式，因此內蒙古區域級綜合能源系統需求主要為解決以下幾個問題。

1）能源供給優化配置。內蒙古綜合能源管理系統要突破單一能源的管控，要實現電、熱、冷、氣、風、光等多種能源協同共濟的綜合能源管理，通過各種能源供給側之間的優化，實時監控和預測，統籌各類能源優化配置。

2）能源需求的彈性轉變。內蒙古為解決城市邊緣地帶供熱管網無法覆蓋的區域，力推多能互補儲熱站，促進清潔能源消納，大量分布式儲能裝置和電動汽車等符合調節工具的加入，綜合能源平臺要逐漸匹配以用戶為中心，用戶間多能互補的格局，結合移動互聯網，為能源供應服務商和用戶之間創造雙向互動平臺，并結合用能建議、APP查詢等人性化服務，不斷優化能源服務。

3）能源供需互動。綜合能源管理系統相較于傳統能源管理系統，增加了市場化的手段調節能需互動，充分發揮儲能裝置、電動汽車等負荷調節功能，解決多能流綜合能量管理優化的靈活調節。

（2）系統架構

內蒙古綜合能源管理平臺的系統架構主要由能源互聯網綜合服務平臺、智慧能源調控與管理系統以及終端三部分組成（見下圖）。

1）終端是根據管理平臺信息和控制需要，裝設的數據采集及自動化控制設備，實現對內蒙古燃煤電廠、風電廠、光伏站、氫儲能、天然氣廠、三聯供能各個化解等能源網信息傳感采集以及商業區、加壓站、儲熱站、工業區、充電樁、居民區等用能設備的物聯接入。

2）智慧能源調控與管理系統是通過能效分析、終端接入、優化調度和能源監控等手段統一對電、熱、冷、氣、風、光等能源進行調度管理，按照層級調度的原則，將終端設備采集的數據都直接發送給綜合能源管理平臺，通過管理平臺實現對相應層級終端設備的遙控、遙調。

3）能源互聯網綜合服務平臺是根據終端采集的信息以及控制要求，按照分層分塊、互聯協同實現狀態檢測、自動需求響應、營銷管理、能源監控、優化調度、運維管理、大數據分析、多能優化協同等軟件分析功能，還包括新能源消費互動模式下用戶主動智慧用電互動客戶端（APP），通過能源互聯網綜合服務平臺實施查詢用 能信息及能源價格，方便自由地制定用能計劃。

圖 綜合能源基本結構圖

（3）系統功能

從功能角度出發，內蒙古綜合能源管理平臺實現綜合能源系統所有子系統及終端廠站的數據接入、能效分析、能源監控與調度優化，實現多能互補分層調控、“源-網-荷”協同優化，促進優化互動、高效智慧的能源消費模式的發展。具體包括多種能源的采集和監控、能源需求測監測、能源生產測監測、互動平臺和人性化用能服務、用戶用能分析以及與其他系統的接口服務和定制化的查詢服務七個方面，將應用云平臺與分析云平臺相結合，與智慧能源調控與管理系統協同，實現能源綜合管控，達到整個能源互聯網價值提升的目標。

1）多種能源的采集和監控。綜合能源管理系統基于能源物聯網采集多能流數據，完成平臺監控功能，實現全區電、熱（冷）、氣全面的能源監測及展示，包括系統圖、途中各設備狀態及參數，全區能源流動方向、能耗、用能情況及計量數據，將這些數據提供給能源互聯網綜合服務平臺的高級應用功能模塊，接收系統返回的監控功能，并通過遙控／遙調信號下發給終端設備執行。

2）多種能源的優化調度，根據內蒙古區內風光出力以及符合的變化，制定能源可替換計劃及能源轉化策略，找到各能源最經濟的供給比例，優化能源生產方式。指導各能源生產企業及時調整能源產量及各類能源的生產比例，還將結合能源管網動態運行方式，綜合調控各種能源的輸送量，從而達到不同種類能源間的優化互補，減少資源浪費。

3）能源需求測根據實時監控天氣信息、各分區人口分布情況、建筑及基礎設施中用能設備的運行信息，預測出周內、月內的用能需求，做好調度需求，并發送給產能單位，以便產能單位及時微調當天的生產計劃。

4）能源生產測能夠監控內蒙古全區能源生產企業根據綜合能源管理系統提供的能源需求預報，制定相應的生產計劃，并根據實施預報微調每天的生產計劃，以便減少管理成本及能源浪費，綜合能源管理系統將本著清潔能源優先利用的原則，統一協調分配各能源生產總量及比例。

5）互動平臺和人性化用能服務。綜合能源管理系統能夠改變計劃模式下能源被動消費的狀況，為市場化的能源價格機制提供實施平臺，使每個能源主體都成為能源的產消者，主動參與能源供需平衡，實現不同消費者之間的互動及生產者與消費者之間的互動。同時，綜合能源管理系統將開發能源用戶智慧用能終端（APP），用戶通過電腦或手機安裝后，能夠實時查詢用能信息及電、熱（冷）、氣的價格，用戶智慧用能客戶端可以為用戶提供經濟用能建議，讓用戶結合自身情況，方便自由制定用能計劃。

6）用戶用能分析。通過用戶一張網信息匯總，能源管理平臺向各級用戶提供實時用能情況、多時段報表、用能分析和用能建議，引入數據挖掘關鍵技術，并根據大數據的特點和用戶實際需求進行效果和效率的優化，基于分布式的預測分析，基于數據流的挖掘分析，作為深度數據和輔助決策的實用工具，方便用戶根據自己實際情況優化用能策略，降低用能成本。

7）與其他系統的接口服務和定制化的查詢服務。綜合能源管理系統要預留與其他系統通信、數據交互的接口，一是保障數據分析的可靠性，二是可根據需求定制相關的應用查詢服務。

4 結束語

內蒙古現代能源經濟建設正在穩步推進，智慧綜合能源系統能實現能量流與信息流的深度融合，實現不同能源之間及能源與消費者之間的協同互動，提升能源綜合利用的效率，通過搭建智慧綜合能源系統平臺，支持能源協同優化控制，進行多能流的分層分級平衡，實現能源系統“網源協調、統籌規劃、因地制宜”，下一步將隨著內蒙古現代能源經濟不斷推進的進程，對功能及架構不斷修正、完善和優化。