能源互联网视域下综合能源服务的新特征

文 | 王永真

相对于传统节能服务，在现阶段综合能源系统（Integrated Energy System，IES 或Comprehensive Energy Service，CES）中，既有新的对象产生，以及相应技术路径和商业模式的探索，也有基于大数据技术对传统能源服务的升级改造。当前，面对综合能源服务业态的林林总总，仍有太多企业分不清、看不明相关的新技术与新模式，难以打造适合自身特点的关键技术。因此，总结凝练这些新技术与新模式的特征、辨识与之相关的关键技术，有助于厘清综合能源服务的内涵与外延，科学地应对挑战。

在当前的能源互联网生态下，我国综合能源服务呈现多重新特征。值得注意的是，本文仅试图从单一维度对这些新特征进行示意区分，对于某一综合能源服务，以上特征互有交叉且多重并举，也是在能源互联网新趋势下对传统能源服务的继承与创新。

单一供能与综合供能并举，综合供能发展态势明显（简称：单一/综合）：多能联供是综合能源服务最基础的能源服务之一。在能源互联网特征下，对于能源规模用户，多能联供试图打破各行业条块分割的体制机制及技术壁垒，实现冷、热、电、气、氢等多种能源的联合供应，以提高能源的综合利用率与综合效益。其中，多能互补综合能源系统就是综合能源服务技术和体制壁垒破局的最佳体现。多能互补更强调源侧两种以上一次能源的集成互补，综合能源系统则更强调荷侧冷、热、电、气多能源的耦合供应。从能量利用角度来看，多能互补综合能源系统体现出源侧、网侧和荷侧多种异质能源的耦合互补与多能协同，已经从技术上实现了不同行业能流的优化。如，“北京市北科产业园综合智慧能源项目”将冷、热、电、气统一规划，打造了集燃气锅炉、直燃机、电制冷设备、配电系统、供冷/热管网于一体的综合能源系统，相较于单一分供系统，可节约配电容量300MVA；国网客户服务中心北方园区集合了光伏发电、储能微网、太阳能空调、太阳能热水、地源热泵、冰蓄冷空调、蓄热式电锅炉等七个能源子系统的集成应用和托管服务等等。

重资产与轻资产投资并举，轻资产的服务态势明显（简称：重资/轻资）：除传统大型能源设备以及管网等“重资产”的投资或改造外，对于存量改造项目，综合能源服务的另一主要业态是基于已有重资产基础上的多元供能增值服务（轻资产），即依托信息及物联网技术能源管控及托管平台、商业模式与增值服务的创新，来满足用户多元化、定制化的用能服务需求，涉及节能服务、运维服务、技术咨询等。如，“基于电力大数据的能源公共服务建设与应用工程示范项目”构建了“物理分布、逻辑统一、跨越协同”的企业级大数据平台，探索出电力数据对外服务的新模式；河北雄安市民服务中心应用城市智慧能源管控系统（CIEMS），初步实现对能源系统的生产、运行、传输、消费环节的集中数字化管理；张家口可再生能源示范区探索了“政府+电网公司+企业+用户”的“四方协作机制”。

从无序用能向有序用能的转变（简称：无序/有序）：能量系统在熵视域下具有明显的耗散结构特征，符合社会系统生存和演化的熵增规律，即能源系统逐渐由有序向无序发展。因此，能源系统的提质增效，就是持续通过物理和信息的方法，优化其架构及能流分布，在满足日益增长的负荷需求的条件下，不断减少能源系统内外部的熵增，尽可能地减缓能源系统从有序走向无序的速度。随着数字经济的快速发展，现阶段以信息流改造能量流的综合能源服务趋势也日益明朗，即利用能源大数据挖掘技术及商业模式，形成一种能源信息流的负熵策略，以减缓对应的能源物理系统向无序发展的速度，尽可能使能源系统更加有序。例如，“面向特大城市电网能源互联网示范项目”是基于数据挖掘与精准调节的生产设备有序控制技术，通过密炼机能耗数据的挖掘与分析，形成有序生产的电力调控策略，将无序生产设备控制为有序运行，削减峰值负荷约20%，具备节约配电投资以及节能降耗的潜力。“大规模源网荷友好互动系统示范工程”打造了多资源参与电网资源配置的管理机制及技术，利用有效的响应机制引导可调节负荷参与电网资源配置，将分散的海量可中断负荷、储能资源集中起来，进行精准柔性负荷的实时控制与有序控制。再如，伴随未来电动汽车的规模化发展，以及车网互动（Vehicle-to-Grid，V2G）技术和需求侧响应技术的成熟，电动汽车有序充电和释电技术将整合巨量无序的电动汽车储能资源，助力于电网的削峰填谷，这也是综合能源服务实现用能从无序到有序的体现。

从局部优化到全局优化的发展（简称：局部/全局）：综合能源系统的目标就是追求“能源三角”的多目标全局优化。当前，随着“云大物移智链”等数据驱动相关技术的发展，综合能源系统摆脱了传统物理驱动模型求解强耦合非线性能源系统问题的瓶颈，逐渐实现从局部优化上升到尽可能的全局优化，覆盖的优化对象越来越全面。比如，数据中心作为一个能耗大户，在传统模式中，为了追求高性能、保证服务质量和可靠性，通常采用电力冗余的设计或者制冷系统过大设计的运行策略，加大了数据中心冷却系统、配电装置等配套设备能耗的投入，致使数据中心的能耗成本可达到运行成本的50%以上。而人工智能技术的研究，让数据中心的全局优化具有了可行性，能为探究数据中心“算力”“能效”“成本”的系统性同步优化，数据中心能耗监控、动态控制与数据计算量联动互动的全局优化提供手段。再如，建筑空调系统的优化已经由原来只关注冷水机组的局部优化，逐步发展成对建筑负荷预测、冷冻机组、冷却塔以及冷却水泵等因素全景感知的综合能源服务的全局优化。对于新建项目的优化目标也由传统单一的经济最优，扩展到环境效益、投资成本以及节能率的多目标综合优化。

单向能流与双向能流并存，双向能流特征逐渐凸显（简称：单向/双向）：传统电网运行调控是单一的源随荷动模式，电力系统供应侧随时按照负荷侧的变化而变化，负荷侧则不会考虑供应侧的弹性变化。因此，为满足经济社会发展不断增长的用能需求，采用基于源随荷动的传统解决方案，就必须不断增加电力供应侧的装机。如此，在刚性投资不断加大的同时，电网设备未能全力运行，另外还要花费更多人力、财力去运维，影响企业效益。为了解决上述问题，“大规模源网荷友好互动系统示范工程”研究了大规模源网荷友好互动技术，将电网运行调控从传统单一的源随荷动模式，转变为“源随荷动、荷随网动”的源网荷储智能互动模式，显著提升新能源消纳水平、电网灵活调节能力和弹性恢复能力，有利于支撑新一代电力系统的安全经济运行。从单向到双向的体现还有电动汽车、分布式能源的发展，在并网时形成了电网潮流的反向分布，传统电网的单向分布由此变成了复杂动态的双向分布，这是综合能源服务的新特征和市场空间之一。类似地，“产消者”的新模式就是在以往单纯的能源消费者群体中产生的一个新形态—能源“产消者”（Prosumer，既是能源的生产者，也是能源的消费者），比如V2G 模式，具有储能的微能源网/分布式能源，甚至是产消型的数据中心，使能源消费用户具备了能源生产的能力，从而给综合能源服务注入新动力。

余能回收与利用将从高品位走向低品位领域（简称：高位/低位）：余能回收与利用是综合能源服务的业态之一，比如我国工业余热可回收资源潜力达到2189～8676 TWh。不过，当前综合能源服务在余热回收领域主要面临从高温到低温的挑战。水泥厂、玻璃厂、钢铁厂的余热回收已经有几十年的历史。以余热发电为例，早期余热发电的温度在300～1000℃，多采用高炉煤气余压透平发电装置（Top Gas Pressure Recovery Turbine，TRT）或者余热锅炉+汽轮机的方式，已经实现较为成熟的中高温余热的动力回收技术。剩下难以回收的300℃以下中低品位余热能，则需要更为先进、更昂贵的回收技术，比如有机朗肯循环技术（Organic Rankine Cycle，ORC）、烟气深度冷却技术、吸收式制冷技术等。根据卡诺循环基本原理，驱动热源温度越低，动力循环（正循环）的热电转换效率会越低。因此，低品位余热驱动的余热回收的热经济性收益会越来越小。同理，对于余热制冷来讲，高品位余热驱动的吸收式或者吸附式制冷的性能系数（COP）会大于低品位驱动的COP。因此，对于中低品位余热的回收需要有周全详细的方案，方能获得预期的综合能源服务投资回报率。相反，对于热泵（供暖模式）而言，环境温度越低，热泵搬运难度更大，其COP 会越低，热经济性就越差，且“三北”地区冬季供暖还面临结霜的问题。

电池规模化回收即将到来，单次到梯次利用正在形成（简称：单次/梯次）：随着电动汽车数量爆发式增长，不能达到电动汽车使用标准的动力电池将大量退役，对这些电池进行储能梯级利用，也是综合能源服务的业态之一。动力电池从电动汽车上退役后仍有高达80%的剩余容量，可应用于对电池性能要求较低的场合，即进入电池储能梯级利用阶段。典型的储能梯级场合，如削峰填谷，减小用电峰谷差，减轻电网供需矛盾；作为备用电源，提高供电可靠性；与可再生能源发电结合，提高它们的可控性等。例如，“面向特大城市电网能源互联网示范项目”引入综合能源服务商在用户内建设分布式储能，包括中国铁塔闲散储能电池资源、电动汽车退役电池的梯次利用，实现多方共赢，采用多种投资模式已建设4 个分布式储能项目，合计总容量10MW/44MWh；利用变电站退役电池进行梯级利用，提高资产利用率，已 投 运187kW/1.87MWh（2V/300Ah）。“数字储能技术”，则基于能量信息化的基本理念，可以针对不同储能应用需求，将多种物理、化学性质迥异的储能介质进行数字化混用，实现一套物理储能系统同时满足多种储能应用需求，达到储能系统的价值最大化，可为未来大规模电池泛在、梯级利用提供重要的技术支撑。

单一资源多功能加载，能源服务从单调到多样发展（简称：单调/多样）：综合能源服务也可体现在将传统不同行业单一的用能设备集成在一起，在方便供能的同时，节约占地，还能集中管控，并提供能源大数据增值服务。城市层面的智慧路灯作为一种集成各种信息技术应用的市政基础设施，是建立城市全面感知网络的优质载体。如广州供电局积极部署智慧用能新兴业务，智慧路灯集公共照明、视频监控、环境监测、微基站、充电桩等功能模块于一体，实现“一杆多用”。国网雄安新区供电公司主导研发的多功能复合杆柱示范工程，借助智能照明设备、多功能摄像头和交通指示灯、一键式报警装置、路灯WiFi 和5G 网络基站、多功能传感装置，实现对环境温度、空气质量、土壤湿度等指标的实时监测。再如，南方电网的首个“互联网+智慧用能综合示范小区”实现四网融合，集中承载“互联网、广播电视网、电信网和电网”的业务需求。另外，随着分布式电网的建设与发展，变电站的功能将包括储能、电力变换等，能量的传输也从单向转为双向，这使得电力的调度变得非常复杂，所需要采集的数据急剧增加。因此，“多站融合”的建设与运营模式成为一种综合能源服务的新业态，它是将变电站、充换电站、储能站，甚至是数据中心等集于一体。未来，从单调到多样的综合能源服务新业态，重点在于挖掘“一杆多用”“多站合一”“多表集抄”之后的数据增值服务，服务于城市智慧能源以及为智慧城市建设的基础设施起支撑作用。

需求侧管理与响应，是综合能源服务从实体到虚拟的趋势（简称：实体/虚拟）：利用存量能源载体的热惯性或者可调节负荷，可以实现与同等实体设备投入等价的效果。其中，虚拟电厂（Virtual Power Plant，VPP）是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源（Distributed Generation，DG）、储能系统、可控负荷、电动汽车等分布式能源资源（Distributed Energy Resource，DER）的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。“虚拟电厂”概念的内核可以概括为“通信”和“聚合”。虚拟电厂的关键技术包括协调控制技术、智能计量技术以及信息通信技术。如“冀北泛在电力物联网虚拟电厂示范工程”具备秒级感传算用、可聚合亿级用户能力，它依托泛（FUN）电平台，将蓄热式电采暖、智能楼宇、智能家居、储能、电动汽车充电站、分布式光伏等11 类泛在可调资源组合在一起，参与电力系统实时柔性互动，打造出泛在可调资源创新参与电力市场的市场机制和商业模式。另外，建筑的保温性能使其温度变化相较于空调耗电量大小的瞬变具有一定滞后性，某种程度上具有热储备的能力。通过改变空调的设定温度，改变其耗电量，可以将空调的制冷制热量在短时间内存储于建筑中。把空调―建筑系统等效为虚拟储能（Virtual Energy Storage，VES）装置，在保证用户舒适度的前提下，能够实现负荷削峰填谷的功能。

系统优化的颗粒度逐渐从粗放到精细，从静态到动态（简称：粗放/精细）：随着功率预测、负荷预测和智能规划技术的发展，对能源系统供应侧和需求侧的匹配研究，逐渐由以日为尺度，变为以小时、分钟甚至是秒为尺度。时间尺度的逐渐缩短，供、用能之间的动态变化以及匹配特性逐渐被挖掘，也给能源系统的节能降耗提供了潜力空间。如此，经过合理的设计，就能够避免能源供给设备的过大设计、设备利用率低以及配电资源的浪费。再如，由于计算困难，早期多联供系统中能源转化设备的性能系数往往取恒定值；如今随着智能算法的发展，综合能源系统的设备性能模型趋于更加精细，可以实现驱动热源、冷源变化，甚至是设备内部参数的动态变化，这样有利于综合能源系统的规划和策略制定。再如，“互联网+”在智能供热系统中的应用研究及工程示范，构建了智慧供热的“一站一优化曲线”，通过综合考虑室外气温、太阳辐射以及建筑物热惰性对供热负荷的影响，折算成一个综合环境温度，实现对每个站点温度调节曲线的优化。未来，以个性化、定制化、动态化为特征的能源需求会不断出现，这都将依靠传感、能源路由、边缘计算、数据挖掘等技术，是基于数据驱动的综合能源服务的重要业态之一。

能源的商品化属性凸显，从垄断态势走向共享共赢（简称：垄断/共享）：在目前能源相对充足的发展阶段，能源“民主化”的态势逐渐显现，能源行业扁平化的体制机制和大众参与的态势正在逐步形成。“创新、协调、绿色、开放、共享”是能源互联网的指导方针。综合能源服务作为能源产业发展的新形态，相关运营技术、商业模式还处于探索发展阶段。国家层面正在健全能源互联网相关技术从优化到实际落地的体制机制，放管服、新电改、电力现货市场、碳市场等能源市场机制日益完善的趋势不断明朗。例如，在“新基建”的驱动下，国家电网―国网电动汽车公司推出了“寻找合伙人”的商业模式，打造一种个人桩加入、桩群商户、充电桩生产企业、充电场地投入、资金场地投入的合作开放的综合能源服务模式。未来综合能源服务的典型特征之一是，能源将像商品一样，在生产者与消费者之间自由流动，从而构建起人人能够参与的综合能源服务新业态。再如，“基于能源互联网插座”的精细化用电管理模式及平台，可以能源的泛在通道—“插座”为抓手，将用电服务、计量和管理等功能下沉到能源系统的最底层—插座，在便捷扫码充电的同时，充分还原了电能的商品属性，也能够实现用户对电价的个性化自定义设置，形成“人人泛在的经济共享售电”的应用模式。“近零能耗建筑”集合了主动式、被动式的多种能源技术，可以畅想，未来的家庭在实现能源自给的同时，也可以基于能源互联网的思维及技术，充分参与到综合能源服务的生态中。