数字中心下的综合能源建设研究

齐刚 宋坤 张世磊

摘  要：数字中心下的综合能源解决方案主要包括分布式光伏、分布式风电、分布式储能系统等各种绿色能源投融资形成的多能互补，根据配套设备的用电要求进行智能调节和智能排产，并为大型工业公司和园区的售电组合贸易提供了最优政策，旨在给企业带来经济、安全、绿色、可持续发展的新型能源供给，达到10%～20%的综合利用率和减耗。数字中心深刻影响和变革了综合利用能源的管理与调度、协同利用、售电政策、能源存放、智慧能源仓储、智慧电网等，提高了综合利用能源的规模化研究开发和利用水平，从而促进了智能电网的国家发展战略，构建一个高效能、低成本投资、安全可靠、智慧灵活的综合利用能源网络，让企业在节约能源的基础上降低成本，在全社会中实现绿色能源的真正落地。

关键词：综合能源 数字中心 物联网 人工智能 优化调度 协同利用

中图分类号：TK01 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0081-05

Research on Comprehensive Energy Construction under Digital Center

QI Gang  SONG Kun  ZHANG Shilei

（Guodian Nanjing Automation Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu Province， 211100  China）

Abstract： The comprehensive energy solutions under the digital center mainly include the multi-energy complementarity formed by the investment and financing of various green energy sources such as distributed photovoltaic， distributed wind power and distributed energy storage system. It carries out intelligent regulation and intelligent production scheduling according to the power consumption requirements of supporting equipment， and provides the best policy for the power sales portfolio trade of large industrial companies and parks， aiming to bring economic， security green and sustainable new energy supply， with a comprehensive utilization rate of 10% ～ 20% and consumption reduction. The digital center has profoundly influenced and changed the management and dispatching， collaborative utilization， power sales policy， energy storage， smart energy storage， smart grid， etc. of comprehensive energy utilization， and improved the large-scale research， development and utilization level of comprehensive energy utilization， thus promoting the national development strategy of smart grid and building a high-efficiency， low-cost investment， safe and reliable and intelligent and flexible comprehensive utilization of energy network， enabling enterprises to reduce costs on the basis of energy conservation and realize the real implementation of green energy in the whole society.

Key Words： Comprehensive energy; Digital center; Internet of things; Artificial intelligence; Optimal scheduling; Collaborative utilization

1  綜合能源的定义

综合能源泛指在一定经济地区内能够充分利用先进的能源信息网络技术和各种具有创新性的能源管理模式，整合或者充分利用区域内的包括煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种可再生利用能源，实现多种不同的异质再生能源和系统之间的相互参与协调、规划和组织优化综合运营，协同参与经营、交互参与响应和协作相辅以至实现互补或者共赢[1]。在充分满足整个系统内的多元化使用能量需求的基础上，还应该有效提升整个系统的能量利用效率，促进整个系统内能源的可持续发展。狭义的综合能源体系则主要是泛指能源系统内部的各类能源之间的相互连接、耦合，让各能源的供给变得更为高效、柔性、多元、互补、安全。广义上的综合能源系统就是将综合能源系统本身与其他系统的数据连接起来，实现各个主要功能系统之间的共享协同和交互，在实现经济效益达到最大化的前提下，不断增强可再生能源所占的比重。

综合利用型的能源信息系统既可以包括一个能够涉及多种不同能源需求传递的信息网络，又可以包括一个能够接驳多种不同能源需求的信息系统，同时它还包括一个基于能源信息系统自身与其他各种能源信息系统，如电力数据和能源信息网络之间的自动互联。综合供电能源利用系统建设能够很好地充分发挥综合利用潜在的和综合协同利用效益，提高综合能源利用系统的供能质量和利用可靠性，实现不同的综合供能能源系统之间的有机、协调、优化和协同综合利用。

2  综合能源的发展

美国于2001年1月首次提出了一个综合利用清洁能源技术体系中的发展指导方案，旨在通过促进分布式清洁能源（DER）和清洁热电联合提供（combined heating and power，CHP）两种能源技术的充分引入和广泛推广应用，不断增强清洁利用能源综合利用的总体比重。2007年1月，美国政府制定了《能源独立和安全法》，以这一立法的具体形式明确要求整个人类社会的主要能源供给者和能量的各环节都必须同时启动一个综合利用型的能量发展规划。加拿大把推进综合利用再生能源发展体系建设视为其对于实现2050年的节能减排发展目标的重要政策基础和一个支撑性关键技术，而其中所关注的政策焦点更多看到的是对于整个社区经济层面的整个综合利用再生能源发展体系（integrated community energy system，ICES）的综合科学技术研究与示范发展体系建设，为此加拿大政府在2009年后又再次颁布了多项鼓励措施，以便于帮扶和助推ICES的科学研究、示范与发展建设。欧洲同样很早就已经起始开展了与全球综合利用清洁能源管理体系密切直接相关的课题研究，但最初并未付诸行动。通过欧盟的这一框架研究计划，欧洲各个发达国家都在这一技术领域对其发展进行了卓有成效的深入研究。日本由于其综合利用全球能源的严重问题限制了能源进口，因此已经发展成为整个亚洲地区目前首批进入专门从事能源综合利用国际能源管理体系问题研究的发达国家之一，并且日本希望通过这个研究领域相关技术创新的不断进步，来有效缓解其对全球能源需求供给的双重压力。

我国已经成功地通过973计划、863计划、国家自然科学基金等多项科学创新技术重点研究支持计划，启动了许多与国家综合利用清洁能源技术体系密切衔接相关的重要科学创新技术研发和相关产业化合作项目，并与韩国、新加坡、德国、英国等多个发达国家共同合作推进了这一科学技术研发领域的许多重要国际技术合作，内容主要涵盖包括基础理论、关键技术、核心研究装置和重点工程技术示范等多个重要方面[2]。两大国家电网集团公司、天津大学、清华大学、华南理工大学、河海大学、中国科学院等能源科技研究单位都已经基本形成了基于综合利用能源发电系统技术领域比较稳固的能源科技技术研发管理团队与技术研究发展方向。有机制的配合，即直接要求企业提高人力资源配合供给的安全、灵活、可靠。例如，2008年年初，曾在我国南方部分地区所连续发生的一次极度低温、雨雪、冰冻气候灾害，最初可能是因为在公用电力系统中通风引发的一种多米诺骨牌风电效应，不但贻及其他的电力供能系统，甚至还直接引发了我国交通、通信、金融等多职能部门的安全事故，暴露了当时我国各部分地区的大型公用电网电力系统在各种极端气候条件下仍然缺少具备足够的自愈适应能力的巨大安全风险。相关的临床研究亦充分表明，单纯地通过不断增加某一整体供能电力系统（其中如美国电力系统）的大量资金投入，以及不断改善其电力系统的供能安全性和提高防御自愈病的能力，并不能完全保证一个整体电力系统的供能安全性[3]。供电、供气、供热/供气制冷系统的各个峰值电流负荷设计要求中都存在明显的系统峰谷性和交错性负荷特征，目前各个省的供能系统都作为是相对独立的系统运行，只能按照自身的系统峰值电流负荷设计要求分别进行单独的系统设计和安装施工，由此就不可避免地会造成设备用能资源综合利用率低下等各种问题。

3  数字中心下的综合能源

3.1 数字化转型提升能效服务推动综合能源发展

通过将新一代能源科学技术与互联网信息科学技术的融合，对能源的供给和消费需求进行了联动反馈和响应，寻求科学技术的突破和模式的综合促进，可以有效地实现对新一代能源的综合利用和科学技术的梯级促进，提高了能源的使用效率;通过数字化的转型方式来提高能效管理的水平，可以大幅度地降低各类用电企业的综合使用能耗。

能效服务不只是面向某一项能源的形式、某一个环节的维护和优化，也不只是通过简单的产品方式来实现互联互通[4]。取而代之的方法就是，通过对综合用能大量的数据进行可视化，对大量的数字化系统进行了系统化的分析，优化各种综合用能指标，对多种能源形态及其管理工作流程构建成了全景分析、综合分析、专业性的分析，真正破除了行业痛点，优化了能效与经营。

随着我国可再生能源的繁荣和蓬勃发展，多能相互替换、电力的取得替代已经日益清晰，这成为今后能源清洁化发展中的一个重点。电网企业是一个直接连接综合用电网络和实现用电大量数据的核心平台，因此，同时满足对综合用户的功能要求和大量数据信息价值的利用，这就是现在综合利用能源的发展趋势。电网公司应该适时地将自身客户的要求与市场供给相结合，并且通过大数据等技术手段与能源系统进行有效的结合，构建起一个综合性的能源服务平台。

国家电网综合能源业务实践证明，综合能源业务的转变是指从传统的“供电+服务”向“供电+综合能源”的业务转变，这也就意味着电网企业将要从传统的供电终端发展到用户终端[5]。而想要实现这一技术的转型与延伸，则需要整合大批成熟的应用场景、边缘管理以及解决方案等，通过先进的数字化装置与解决方案技术手段来助力实現这一技术的数字化和延伸，并且可以提高新一代能源的使用效率，降低新一代能源的使用成本。电网公司依托于一套完善成熟的电力互联网网络体系，在实现电力信息传输的基础上，通过对节能综合利用的数据，实现对客户所有环境中的全场景节能利用数据进行实时采集，并通过对综合分析，充分发挥了客户的节能潜力，依托于电网现货市场及其他综合利用能源服务平台，助力了客户实现能效水平的提升，实现了经济效益与社会效益的双赢。

3.2 综合能源数字化转型的两大层面及四大破局点

综合能源服务在实现数字化转变时，需要考虑两个重点：横向整体性综合产品的应用以及纵向整体性的生命周期。综合能源服务涵盖了电、气、热、冷四大能源子系统，涵盖了不同技术与应用场景。在整体的综合能源服务落地之前，这些子系统的运行与管理都是相对独立的，但是综合能源服务的业务需求是规划设计、多功能运维，这就必然需要结合每一个子系统与行业市场的需要来进行综合分析。从全过程生命周期角度考虑，综合能源服务则是要求从服务推进到顾客的“最后一公里”，紧密追溯综合能源服务项目，摸清企业和顾客真实的需求与痛点，了解本地用能状况、使用结构与功能特点，提出切实可行的数字化使用能问题解决办法。

要想完成以上的目標，提供高质量综合利用的能源企业就需要承担很多挑战。例如，面向不同的细分行业、不同应用领域的全球综合性能源和服务要求，如何将全球能源利用量和数据转换成全球综合性能源的核心生产力，如何真正地实现全球综合性能源的数字化转型，有效地促进了供需两者之间在这样的平台上形成了联动，相互推广，不断地总结、迭代和创新[6]。

当前面临着如上两大挑战，就是更需要充分利用“互联网+大数据”信息技术在开展综合利用能源信息服务平台产业化过程中的巨大优势，实现从传统电网向非可再生能源服务互联网的一次跨越性转型升级。真正把万亿规模级别的能效市场发展机遇重新转变过来成为新的市场需求，培育能效信息服务新增长业态，激发中小企业向智能数字化产业转型的新的驱动能[7]。

面向能源的结构性转型，确保能源的综合利用可以实现大规模的数字化、低碳化、电气化，综合利用能源的转型还是需要突破以下几个方面：一是弥补专业性的人才短缺，无论在行业中的应用还是在专业方面;二是进一步加快行业规范体系的构建，以提高能效性价值和保障客户利润为第一目标的发展宗旨;三是要充分发挥电力和互联网的平台功能性质，促进经济社会的大生态、智慧化和信息化融合发展，以大数据驱动发展，在经济增长中加快能源产业结构的转变;四是要充分发挥市场主导性和竞争的机制，使得所有的参与者都能够分享到新一轮能源产业转型所带来的成效和收获。

3.3 数字中心下的综合能源解决方案

数字中心下综合能源解决方案主要包括分布式光伏、分布式风电、分布式储能系统等各种绿色能源投融资形成的多能互补，根据装置和设备的用电要求自动进行智能调节和智能排产，并为大型工业公司和园区的售电组合贸易提供了最优政策，旨在帮助企业提供一种经济、安全、绿色、可持续发展的新型能源供给，可为公司提供更多的环保、节约和创新，达到10%～20%的综合利用率，降低损耗，优化调度，提升社会供给系统中各项基础设施的综合利用效益。通过利用供电系统中在低谷期间对过剩的电能进行产生制冷/发热后再加以保管，在电力运行的高峰期使用;通过对供电与给/冷/热系统设备的有机结合，实现了同时改善供电与给/冷/热系统的设备效益和利用率[8]。协同功能综合利用，即通过技术增加了能源生产、输配、消耗、存放不同能源环节之间的各种时空协同耦合利用机制及相互的可替代性，一方面可以有效实现对不同能源品位利用能源的各种梯阶协同综合利用;另一方面也可以有助于有效弥补可再生利用能源（主要如利用风力、太阳能等）利用中的各种电子能量通信处理系统过程中的电子能量连续流动密度较低、分散性相对较强和能量间歇性明显的缺点问题，提高它们在能源规模化利用发展过程中的协同综合利用率。

数字服务中心下的新型综合电力能源管理服务。首先，智能型电力风机直接联合供电和分布式光伏联合发电为电力公司员工提供了稳定可靠的安全高效绿色综合电力收入来源;其次，配电屋智能改造系统云端托管采用了自动分析系统输出使用电压、输入使用电流和实际使用用电比例的智能云端化托管管理模式，实现了少数一人乃至多户无法有人看守;最后，在整个电力变换器系统改造的建设过程中，充分考虑了对全企业生命周期电力投资的高度优化，可以自主制定开发出一套具有高可预见性、高度可兼容性的新型综合能源服务解决模式方案。通过利用物联网技术平台，不仅可以轻松地直接实现对所有包括光伏、风机、储能等在内的多种整体环保绿色清洁能源综合解决模式方案，并对所有微电网能源进行了一套智能化的能源调度与综合协同节能管理，形成了多个基于微电网的综合能源管理信息系统，推动了各微网发电单元内部的能源自适应，提升了微网能源综合利用的管理效率;同时基于光伏、风机等发电装置的整体太阳能售后发电量也进行了智能化的预测，结合最佳能源组合控制售后发电量的战略，可以让发电企业在基于太阳能等新能源的综合使用上可以变得更加环保且更绿色、低价，在全社会中实现这种环保绿色的新能源的真正落地[9]。

数字中心下的综合能源利用人工智能（AI）技术可提高多能互补、智能调度和智能排产的效率。

第一，能源储藏。通过利用人工智能画清图纸来绘制各类能源在仓库中的使用状态，并且可以让客户随时追溯到能源物流和市场价格的变化，从而更有效地控制和管理被储存在仓库中的各种能源。

第二，智能电网。通过充分利用过去的大量网络信息技术资料资源来对当前电力系统运行过程中的频率波动及当前电网建设中的一些薄弱环节事故情况分析进行了自动编程，新的“智能电网”系统会自动地对一些电网重大事故情况作出快速而准确的判断和及时响应。通过自动跟踪各种能源电网如何与不同技术类型的再生能源电网负载之间的相互作用，来帮助选择和控制调整它们是否可以被精确控制的主要零部件，从而有效实现了快速提高效益的设计目标。

第三，故障管理。将解析学、传感器和运算机在操作过程中所产生的大量数据三者有机地结合起来，以便预测一个关键基础设备何时可能会出现崩溃。

第四，油气勘探。通过利用人工智能在各个地方搜索新的油井，以及其他一些具有附加价值的老化石油井。

第五，能源消费与浪费。通过对个人和企业的能源消费行为进行监控，人工智能技术可以为人们提供一种有效改善能源消耗流程的解决办法。采用智能式的恒温器，能够使系统通过自动地适应客户的行为，达到降低能源损失的目标。实施和推进我国智能电网的国家发展战略，其理念和愿景就是要努力构建一个高效能、低成本投资、安全可靠、智能灵活的综合性能源网络，而一个智能化的电力网络则必须在其中扮演一个重要的核心节点。

4  数字中心下的综合能源赋能

数字中心下的综合能源主要从两个基本方面对综合能源赋予功能：一是企业充分利用能源企业自身现有的能源系统基础功能，应用“大人云大物+智能互联网+智链接”等技术，建设一个“企业智慧综合利用能源+企业智慧安全可控和持续安全控制能源”平台;二是以广泛能源业务的综合应用及场景信息为主要依托，开展对于能源直销和销售潜在用户的基本业务信息、能源生产消费基本信息和实时能源使用者的能量能源信息的实时收集分析，优化广泛市场客户的综合能源行业供需关系运行分析，提供包括智能能源调节、需求动态反馈、价格趋势预测、能源大数据挖掘等各类多种形式的能源平台信息服务，促进综合能源应用领域内各个不同行业的能源信息数据共享和能源业务信息互动，向各级政府公开发布。实现对全国能源行业服务商的信息开放，满足中央地方人民政府对全国能源行业监管和节能服务工商企业的专门业务数据分析需要，开展地方工商企业能源产品链及相关的业务资源整合，构建一个具有较强市场性和竞争力的新型能源业务发展模式和产业生态圈。

赋能电力行业创新，电力企业仍然需要从传统的多功能能源供给方式向多能互补、源网荷载配送运售及互联网+社会经济共享等价值链方向延伸，加快探索开辟一条综合智慧型能源道路，积极促进绿色电能的发展。高质量地实施和完成能源产业“一带一路”互联网建设专项行动计划等工程，加大能源产业的集聚及“能源+”移动互联网、大数据、金融、交通等领域的全球化和跨境深度整合，以能源产业数据流、资金流、人才流、物流等领域的全球化数据整合，助推能源产业发展的动力、能源结构及能源产业模式的变革与转化。

参考文献

[1]贾宏杰，穆云飞，余晓丹.对我国综合能源系统发展的思考[J].电力建设，2015，36（1）：16-25.

[2]田世明，栾文鹏，张东霞，等.能源互联网技术形态与关键技术[J].中国电机工程学报，2015，35（14）：3482-3494.

[3]曾鸣，韩旭，李冉，等.能源互联微网系统供需双侧多能协同优化策略及其求解算法[J].电网技术，2017，41（2）：409-417.

[4]王栩颜.能源互联网中能源优化调度的研究[D].天津：天津理工大学，2018.

[5]张鹏.含光伏微源的冷热电联供型微网优化调度研究[D].成都：西华大学，2019.

[6]史佳琪.区域综合能源系统供需预測及优化运行技术研究[D].北京：华北电力大学（北京），2019.

[7]辛禾.考虑多能互补的清洁能源协同优化调度及效益均衡研究[D].北京：华北电力大学（北京），2019.

[8]王安阳.制造业园区综合能源系统多目标优化规划与运行调度研究[D].杭州：浙江大学，2021.

[9]陈泽.微能源网协同调度模型与优化研究[D].哈尔滨：黑龙江科技大学，2021.