随着城市高效低碳供能需求的不断提升，传统独立能源系统向多能协同的综合能源系统升级已是大势所趋。园区综合能源系统作为多能互补的重要载体，近年来被广泛关注。本文重点从多能负荷预测、资源禀赋评估、能源设备建模、规划优化方法、系统仿真评估几个方面分析园区综合能源系统规划辅助决策技术的现状与难点，为读者提供一套园区综合能源系统的规划思路。
园区综合能源系统多能协同
规划辅助决策技术
来源：中国电力
蒋一博
国网（苏州）城市能源研究院
近年来，随着能源与信息技术的革新，以及对清洁低碳、安全可靠、智能开放、高效互动等能源管理目标的不断追求，综合能源系统成为社会各界共同关注的热点领域。综合能源系统可按其供能范围分为区域级、园区级、建筑级系统。其中园区综合能源系统是能源互联网与智慧城市在地理和功能上的重要载体，当前综合能源系统的相关研究与工程示范也大多围绕着园区级系统展开。
具体来看，园区综合能源系统一般以供能网络为骨架，以能源站为枢纽，在园区内实现源、网、荷、储互动，电、气、冷、热各类异质能源互补。近十年来，大量理论研究及工程实践证明，系统规划方案的科学与否将极大程度的影响未来系统运行性能。而系统规划需考虑园区功能、能源政策、能源价格、负荷水平、资源禀赋等一系列影响因素，是一项宏观统筹与微观优化相结合的复杂综合性工作。研究表明，通过数学计算与经验决策相结合的方式来实现综合能源系统规划是目前一种切实可行的实施路径。一方面通过数学方式刻画园区能源系统的基本特征，并采用优化算法确定系统供能技术路线与设备容量的理论最优值；另一方面通过能源政策、园区特征等宏观标准来判断数学规划方案的适用性，通过反馈完善，导出符合实际园区发展需求的最佳规划方案。在该技术方案中，基于数学优化的园区综合能源系统多能协同规划辅助决策方法是其中一项关键技术，需突破如下几点关键子技术。
多能负荷预测与资源禀赋评估技术是“输入保障”。多能负荷预测与资源禀赋评估技术实质上是利用数学方法来描述系统规划的外部环境，负荷与资源预测的精准与否将直接影响最终规划方案的合理性。综合能源系统负荷预测的难点在于系统涉及电、气、冷、热等多种不同能源形式，一方面各类能源的物理特性存在差异；另一方面不同能源负荷之间会相互影响。因此在单一能源系统中采用的负荷预测方法往往难以直接在综合能源系统中套用。而资源禀赋评估技术则更加依赖历史数据挖掘与大数据分析，从而找到风能、辐照强度、地热等本地资源的规律。
分布式能源设备建模技术是“数学基础”。园区综合能源系统可看作不同能源设备的有机结合。而系统规划辅助决策技术本质上是利用数学建模将实际物理系统转化为数学模型，并通过数学分析计算找到物理系统特征的过程。设备建模方法种类繁多，按模型是否随时间变化可分为稳态模型与动态模型两类。一般认为在系统规划工作中采用设备的稳态模型即可。综合能源系统中能源设备可被看作不同能源形式间的“转换器”，能源转化效率是其中的关键参数。目前多数研究为简化计算，将设备能源转化效率设置为定值。由于设备在不同的工作点具有差异化的效率，也有研究进一步建立了设备效率与运行状态间的关系。
系统多能协同优化规划模型是“决策助手”。该模型以系统未来预测数据、能源供用设备参数、能源价格等数据为输入，在系统投资经济性、碳排放指标、综合能效等不同目标下，考虑区域内源、网、荷、储不同环节的相互影响，计算系统设备及网络的最优配置方案，其本质为数学优化问题。一般而言，园区能源系统规划分为设备规划与网络规划两个部分，二者统一优化才可获得理论最优方案。但由于综合能源系统网络模型相对复杂，并且实际工程的要求也难以完全嵌入数学模型中。因此目前的主流规划方法是首先根据系统能量平衡来选择供能设备并确定其容量，再根据实际工程要求确定各设备地理位置与电网、管网的分布。一般情况下该方法均可有效处理系统规划问题。但该方法目前无法直接分析园区集中式供能与分布式供能的区别，部分与网络之间关系密切的特殊供能设备，如第五代供热技术，也难以采用该方法分析。
运行策略优化及仿真评估技术是“细节管理”。在系统规划方案确定后，还应对系统的运行策略进一步优化，从而充分体现系统的多能互补优势和供能灵活性。综合能源系统由于囊括了多种不同类别的能源设备，因此其运行优化的难点在于如何合理安排各类设备的配合原则以及设备和供能网络间如何衔接。传统能源站的运行模式一般为以热定电或以电定热，此类运行策略往往限制了系统的功率调节能力。因此近期的相关研究均打破了以热定电或以电定热的约束，转而采用数学优化模型来计算系统中各设备的最佳工作状态。可以认为系统运行策略优化是在多能协同规划优化基础上的精细化处理，二者均不可缺失。由于在优化过程中，设备与网络模型均进行了一定程度的简化。因此在解得系统运行方式后，还应采用专业的运行仿真工具来检验结果的可靠性，并对系统性能进行综合评估。
综上所述，园区综合能源系统多能协同规划辅助决策是一项包含负荷预测、资源评估、设备建模、规划优化、运行优化、仿真模拟等子领域的复杂技术。在未来能源互联的大背景下，园区综合能源系统作为城市能源精细化管理的重要载体，将会是社会持续关注的热点话题。系统多能协同规划辅助决策技术与经验决策的结合运用将成为园区综合能源系统规划的典型方法，服务城市能源系统整体发展。
专家介绍
蒋一博，博士，国网（苏州）城市能源研究院城市能源规划咨询中心研究员。主要从事综合能源系统规划、多能网络建模仿真、新能源技术、储能及分布式能源优化运行策略研究。曾先后参与国家自然科学重大基金项目、863项目、973项目等科技项目。发表SCI、EI检索论文十余篇，ESI高被引论文一篇。
团队简介：城市能源院坐落于江苏省苏州市高新区科技城，由国家电网有限公司和苏州市人民政府联合出资组建，2017年8月正式挂牌成立，是中国首个城市能源研究院。目前已获得国家科技型中小企业、省级研发机构认定、省高新技术企业入库。
城市能源院作为国家电网公司建设“具有中国特色国际领先的能源互联网企业”的重要单元，紧紧围绕国家电网公司党组部署的“高端智库、技术研发、市场示范、产业孵化、国际合作”五大职能定位，充分发挥“高端智库平台、产业孵化平台、国际合作平台”三大平台优势，通过不断推进跨界发展、创新发展、协同发展，为服务国网公司战略落地实施作出独特贡献。坚持在国际合作的背景下，城市能源院以建设“高端智库驱动型的能源产业创新孵化平台”为核心，成为城市能源变革整体解决方案的战略倡导者、规划引领者、实践推动者。
城市能源院自成立以来，积极探索实践“四个革命、一个合作”能源战略思想在城市全面落地，承担中国科学院、国家能源局、国家科技部、国家自然科学基金项目等多项国家级重大课题。牵头编制《苏州建设国际能源变革发展典范城市创建方案》。支撑国网公司综合能源服务顶层设计研究和国网江苏电力综合能源服务业务发展战略研究。联合德国能源署、国网欧研院开展同里新能源小镇综合能源系统规划。“城市能源优化利用实验室”获得国家电网公司培育类实验室命名。与东南大学共建创新联合体，设立研究生工作站获省教育厅批复；与苏州大学合作课题被省科技厅推荐为江苏省产学研合作成功案例。出资参股国网江苏电力设计咨询有限公司，提升建设城市能源革命整体解决方案核心能力。承接苏州广电传媒广场智慧管控平台建设项目，促成苏州广电大楼获得省内首个LEED铂金级认证。成功承办“第三届国际能源变革论坛—城市和区域能源转型分论坛”，发布首份《中国城市能源报告》，与中国能源报合作创办首个《中国城市能源周刊》，打造“城市能源”高端论坛，持续提升社会影响力和品牌美誉度。
