綜合能源系統規劃設計平臺應用現狀與展望

文_馮逸夫 徐以洋 張吉

1 中科華躍能源互聯網研究院 2 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 3 清華大學建筑節能研究中心

經濟發展和社會進步使人類對能源的需求日益增加，能源方面的需求已經不再局限于單一的冷、熱、氣、電等，能源供應的形式也逐漸地從傳統化石能源向新型可再生能源轉變。中國政府提出力爭在2030年前達到二氧化碳排量峰值，力爭在2060年前實現碳中和。國家正在全面構建綠色、清潔、低碳和生態化的能源結構體系，可有效提升電力系統運行效率和能源清潔利用水平。本文對綜合能源系統規劃設計平臺的研究現狀進行綜述，分析相關軟件的關鍵技術和適用場景，并對其功能的進一步完善提出展望。

1 綜合能源系統

綜合能源系統是指一體化地協調和優化各類型能源的生產、傳輸、分配、儲存、轉換以及消費等環節，是能源互聯及物聯的基礎架構。綜合能源系統的主要特點：①跨環節的“源-網-荷-儲-用”協調，打破了源、網、荷、儲和用不同環節間的壁壘，實現能源供需關系能夠雙向互動，不再是供應依靠于需求，而是能源需求側也可以主動調節，進而實現雙向靈活優化；②跨越單一系統的多能耦合互補，可以打破冷、熱、電和氣等不同能源系統的壁壘，實現多種類型能源互補，主要利用熱和氣易存儲和時間慣性大的特點，實現熱、電和氣不同能源種類之間的互相補給替代，從而增強電力系統的交互性和靈活性。

2 綜合能源系統規劃與設計平臺

綜合能源系統的規劃設計首先需要能源價格和政策、氣象和負荷數據的數據支持，之后確定合理的能源類型、設備系統形式、能源輸配網絡形式和儲能形式，最后按照能源耦合和傳輸規則進行模擬計算分析。規劃設計還可以按照具體的約束條件和數學模型算法對項目的投資或運行按照不同的時間或者階段進行規劃設計模擬分析。其中，部分平臺系統可以提供環保性、經濟性和能效性的評估。因此，此類平臺軟件貫穿整個綜合能源系統項目的規劃、設計、投資、建設和運行。

3 典型平臺軟件介紹

3.1 國外

3.1.1 RETScreen

RETScreen是由加拿大環保部基于 Microsoft Excel開發的清潔能源管理軟件，主要適用于分析各類可再生能源系統包含風力發電、光伏發電、水力發電、生物質能、太陽能、地源熱能、水源熱能等獨立的系統模塊；可針對性地分析投資運行節能收益、可再生能源生產量、能源系統壽命周期以及減排量等；每個系統模塊包含模型設定、設備數據參數設定、成本分析、溫室氣體排放設定、財務信息總結等。但RETScreen只能對單一資源系統進行運算分析，無法對多種混合的可再生能源發電系統進行仿真模擬。

3.1.2 EnergyPLAN

EnergyPLAN是由丹麥奧爾堡大學開發的綜合能源仿真計算模擬軟件，適用于并網型和獨立性的可再生能源發電系統。該軟件主要包括光伏發電、熱電聯產（CHP）、波浪能發電、風機發電等系統，模擬儲能系統類型包括抽水儲能和電解槽儲能。EnergyPLAN可以適用于分析地塊、城市到國家尺度中的自然環境資源、經濟發展狀態以及能源產業結構，并在此基礎上給出相應能源環境系統的優化建議以及政策機制，但是優化范圍只限于給定系統的運行并不包括投資決策。

3.1.3 DER-CAM

DER-CAM由美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發的針對分布式能源系統進行策略優化的軟件。DER-CAM主要包括熱電聯產、光伏發電和傳統的燃料燃燒技術發電；儲能技術包括電動汽車電池形式的移動儲存、固定儲存和熱儲罐等形式。軟件分為系統規劃和運行分析兩個板塊，系統規劃板塊適用于分析規劃階段項目的可行性，提出最優的分布式能源系統規劃方案；運行分析版本只考慮能源系統運行的維護成本，為能源系統提供最佳的優化運行策略。

3.1.4 HOMER

HOMER廣泛應用于分析離網的能源系統，是由美國國家可再生能源實驗室研發的軟件平臺。HOMER主要功能包括系統仿真模擬運算、系統設計及運行策略優化方案分析以及能源系統敏感性分析。軟件分析的能源類型包括太陽能發電、生物質能發電、傳統水力發電、河流水力發電、電力公用電網、風電、共燃發電機和燃料電池等，軟件分析的負荷類型包括熱、電和氫。該軟件可以測算不同方案的可行性和經濟效益，可以分析計算凈現值成本達到最低的能源系統策略，為區域內不用種類的能源形式實現并網、多級能源利用進行熱力供給以及氫能源使用規劃設計方案。該軟件主要適用于小功率類型的可再生能源系統。

3.2 國內

3.2.1 IEMS 軟件

IEMS是由清華大學開發的一套適應調度系統需求的綜合支撐平臺。該平臺以中間件技術為核心，采用多層體系結構，包括硬件、軟件、數據庫以及應用。其主要功能包括：現多能流數據的監測、狀態估計、安全評估與控制、優化調度、節點能價和虛擬電廠六部分，屬于多能流能量管理系統。

3.2.2 CloudEIP 軟件

CloudEIP是由清華大學開發的一款平臺軟件，主要應用的規模在地塊尺度、園區級別到城市尺度，可規劃及評估的系統包含微型能源系統、分布式能源系統以及綜合能源系統。其主要功能為多類型能源系統規劃和評估，包括能源需求負荷分析、能源系統經濟性分析、綜合能源系統優化及評估。

3.2.3 CloudPSS 平臺

CloudPSS平臺是由清華大學開發的綜合能源系統模擬分析運算平臺，該軟件支持數十種常見的能源系統設備模型。該系統主要包括建模仿真模塊和規劃設計模塊。其中，建模仿真模塊可對綜合能源系統的設計數據進行高效管理，同時靈活便捷地搭建綜合能源系統拓撲，實現全生命周期的能量流仿真計算；規劃設計模塊可輔助用戶實現綜合能源系統的設備選型配置、運行方式優化和經濟/環保效益評估。

3.2.4 華北電力大學綜合能源系統模擬軟件

華北電力大學開發的綜合能源系統模擬軟件包括設計和運維平臺兩部分組成，主要包括四大功能，即規劃優化，可以優化頂層設計規劃方案，為勘測設計部門提供設計支持；運行優化，通過搭建運維平臺，對各類型能源的出力根據不同時間段進行優化；效益評估，包括對經濟效益、環境效益和社會效益進行評估；市場交易，主要實現能源微網、綜合能源、分布式能源等多種類能源之間的交易。

3.2.5 IES-Plan 軟件

IES-Plan是由東南大學開發的一款軟件，主要應用系統包括鍋爐、熱電聯供機組、光伏發電、風力發電機等多種能源設備，支持多能互補及綜合能源系統并行規劃和比較。IES-Plan通過自然資源評估算法對當地的自然資源進行分析模擬，按照核心設備、業務類型和細分行業分別對應的用戶需求來提供不同種類的負荷估算。

3.2.6 PIES 軟件

PIES是由國網能源研究院能源互聯網研究所開發的綜合能源規劃設計與仿真工具，該軟件以投資成本最低為優化目標，實現綜合能源系統設計的技術組合與設備容量最優。軟件包括15類能源轉換設備和3類能源網絡，主要功能包括負荷預測、資源評估、優化規劃、生產模擬和財務評價。

3.3 結語

本節分析了國內外典型綜合能源系統規劃設計軟件的研究現狀，上述軟件均有各自不同的功能和特點，對比情況詳見如表1，以期對綜合能源系統仿真與規劃平臺的選擇提供一定參考價值，并為綜合能源系統的未來發展積累相關借鑒經驗。

表 1 典型綜合能源系統規劃設計軟件的對比分析

4 結語

市場上現有的規劃設計軟件種類繁多，但各自具有不同的功能和特點，對用戶進行綜合能源系統優化設計方面的研究能夠起到輔助作用，并且能夠滿足在不同領域的設計需求，可以一定程度地提高設計的智能化以及決策水平。在以后的綜合能源規劃設計軟件的開發過程中可以考慮實現成本、經濟、環境、能源效率等方面的多目標優化；實現用戶自主設置，雙向透明的可操作決策軟件；與此同時，進一步擴充和完善數據庫和參數庫，為用戶提供功能更加完備的功能模塊。