能源互联网视角下城市配电网与其他能源系统的转化研究

张有绮 石 晶 刘 毓 唐铂滔 王 琼 慕俊强

（国网甘肃省电力公司兰州供电公司）

0 引言

能源互联网是未来能源系统的发展趋势，通过充分利用新能源、储能等先进技术，使现有的化石能源系统在供给、消费和管理上都能实现高效和清洁化。作为能源互联网的核心支撑，城市配电网（Urban Distribution Network，UDN）是城市中最具多样性、复杂性、低成本和高效益的一类独立电力系统。城市配电网不仅是能量流和信息流的汇聚地，还通过负荷预测、需求侧管理等方式影响其他能源系统。城市配电网在电力供需平衡、系统稳定性、安全运行等方面均具有重要意义。然而，城市配电网的复杂特性以及当前城市配电网运行管理方法，在一定程度上制约了其作为城市能源互联网核心支撑的作用。随着智能电网和新型电力系统的发展，城市配电网的地位将发生转变。在“双碳”目标下，传统电力系统需要向可再生能源为主体的新型电力系统转变，而城市配电网将成为未来城市电力系统的核心支撑。因此，针对城市配电网与其他能源系统转化相关问题及内容开展研究具有重要的意义。

1 城市配电网与其他能源系统的相互转化机理

能源互联网视角下，城市配电网的功能不仅仅是向用户提供电力，还要参与分布式电源的建设与运行，以及能量综合管理等功能。因此，城市配电网向综合能源系统的转化是能源互联网发展的必然趋势。另外，城市配电网作为城市的能源供给端，同时又是能源消费端，它将不同能源系统整合在一起，进行城市配电网与其他能源系统的相互转化，实现多能互补和协调控制。城市配电网将电能、热能和冷能等不同种类的能源进行整合，将城市配电网与其他能源进行转化，可通过分布式发电技术实现可再生能源发电的就地消纳；通过交通工具和智能家居等实现可再生能源的就地消纳；通过智能家居、智能建筑等实现居民家庭能源供应系统的互联互通；可利用分布式发电技术实现可再生能源的就地消纳。

2 城市配电网与其他能源系统转化形式

2.1 城市配电网向综合能源系统转化

综合能源系统（Integrated Energy System，IES）是一种将各种能源形式在时间和空间上进行优化配置的能源系统。城市配电网作为电力生产和消费的重要环节，其功能不仅包括电力供应与需求管理，还包括能源存储、传输、转换和消费等环节。将城市配电网与其他能源系统进行有效融合，可实现对不同能源形式的灵活转换以及不同能源形式间的高效优化配置，从而推动城市配电网向综合能源系统转化。

2.2 城市配电网向可再生能源系统转化

随着全球气候变暖，大量的可再生能源接入配电网，其中风电、太阳能等可再生能源出力具有不确定性和间歇性，无法保障电网的稳定运行，因此需通过分布式储能、需求侧响应等技术，将可再生能源接入配电网。城市配电网中通常含有大量分布式电源（DG）、储能装置（PCS）和电动汽车等，通过控制DG 的出力、PCS 的运行以及电动汽车的充放电策略，将DG 和PCS 的出力及充放电过程合理地转化为可控的可控负荷，从而实现城市配电网向可再生能源系统的转化。目前常用的DG 出力优化控制方法有基于分布式能源发电与负荷预测、基于数据驱动的负荷预测、基于需求侧响应等。

2.3 城市配电网向储能系统转化

储能系统可显著提升能源利用效率，是实现能源互联网的关键技术之一。城市配电网具有灵活高效的特性，配电网中分布式可再生能源、储能设备和负荷等组成的多元智能能源系统能够实现多能协同互补，有效解决可再生能源并网消纳问题。为了更好地支撑城市配电网向储能系统转化，可利用微电网内分布式电源和储能设备的互补特性，构建一种新型的微电网运行模式，即采用“微电网-储能系统-用户”三层结构，充分发挥微电网和储能设备在智能调度、灵活调节、深度调峰、分散式电力需求响应等方面的优势，实现城市配电网向储能系统转化。

3 城市配电网与其他能源系统的多能互补

城市配电网与其他能源系统之间的相互转化研究主要围绕如何将可再生能源、储能、电能等多种能源系统整合在一起，实现多能互补与协调控制这一问题展开。在城市能源互联网中，多能互补是指多种能源通过协同互补达到优化运行的目的，它是城市能源互联网的核心支撑，也是实现能源高效利用和多能协同互补的关键环节。多能互补主要包括可再生能源、储能系统和电能三种。

可再生能源主要包括风力、太阳能和水能等，储能系统主要包括蓄电池和超级电容器等，电能主要包括电动汽车、智能家电和分布式电源等。可再生能源发电具有间歇性和随机性等特点，而储能系统具有存储能量大、响应速度快等优点。城市配电网通过分布式电源、储能系统和电能等多种能源的协调互补，可以提高可再生能源的利用效率，降低碳排放量，从而实现能源的高效利用。同时，多能互补可以有效地缓解城市电网负荷高峰时段供电紧张的问题。另外，通过多能互补可以充分发挥各个利益相关者的优势，实现更高效、更清洁的用能目标。

4 城市配电网与其他能源系统转化的协调控制

城市配电网主要由能量流、信息流和物质流组成。能量流是指能量从电力生产端到用电终端的流动过程，是城市配电网与其他能源系统之间进行相互转化的基础；信息流是指城市配电网内部信息的传递过程，它能够实现利益相关者之间信息的共享；城市配电网通过电力生产端到用电终端的流动过程，实现了能量流、信息流和物质流的协同。

通过对城市配电网与其他能源系统之间能量、信息流和物质流的协同分析，可以发现：一是随着城市配电网与其他能源系统之间的多能互补和协调控制，系统内部的能量流和物质流也在不断地发生变化。二是在城市配电网与其他能源系统之间存在着多种利益相关者，为了实现多能互补和协调控制，需要考虑多个利益相关者。因此，在对城市配电网与其他能源系统之间进行转化时，需要充分考虑不同利益相关者的利益需求。三是由于不同的利益相关者具有不同的经济属性和价值属性，在对城市配电网与其他能源系统之间进行转化时，需要根据不同利益相关者的价值属性来进行分配。

4.1 建立能量流、信息流的耦合关系

在城市配电网与其他能源系统之间建立能量流、信息流的耦合关系，首先，需要将城市配电网中的储能系统和电动汽车纳入能源互联网体系，因为储能系统是城市配电网与其他能源系统之间的物质流转换的载体，同时电动汽车作为一种新型的能源消费设备，是城市配电网与其他能源系统之间物质流转换的媒介。其次，需要将城市配电网中的能量流和信息流纳入能源互联网体系，因为城市配电网作为城市能源网络与其他能源网络之间的枢纽，其在实现能量流转换过程中起到了至关重要的作用，同时也是其他能源系统与城市配电网之间物质流转换的媒介。因此将城市配电网与其他能源系统之间建立能量流、信息流耦合关系需要将城市配电网中的储能系统、电动汽车以及其他类型的负荷纳入到能源互联网体系之中。

4.2 实现能量流、信息流和物质流的协调控制

城市配电网与其他能源系统之间的协调控制主要包括能量流、信息流和物质流三方面的协调控制。首先，城市配电网与其他能源系统之间的能量流、信息流和物质流之间建立耦合关系，利用该耦合关系实现城市配电网与其他能源系统之间的协调控制，主要包括以下两个方面：①供需平衡。通过分析城市配电网与其他能源系统的能量流和信息流，建立两者之间的耦合关系，建立城市配电网与其他能源系统之间的供需平衡模型，并根据该模型实现城市配电网与其他能源系统之间的供需平衡。②负荷预测。在建立供需平衡模型基础上，利用该模型实现城市配电网与其他能源系统之间的负荷预测。同时，利用该模型实现城市配电网与其他能源系统之间的负荷预测，并通过负荷预测实现城市配电网与其他能源系统之间的协调控制。

5 城市配电网与其他能源系统转化的关键问题

5.1 需要考虑利益相关者

为了实现城市配电网与其他能源系统转化的协调控制，需要考虑的利益相关者包括电力生产企业和电力用户发电企业等。对于交通系统而言，其主要利益相关者为交通工具、电动汽车、智能建筑和公共交通等。对于可再生能源而言，其主要利益相关者为光伏发电、风力发电等可再生能源发电企业和家庭用户等。另外，由于城市配电网与其他能源系统之间存在着多种物质流，因此还需要考虑的利益相关者包括可再生能源生产企业、储能系统和分布式电源等。为了实现多能互补和协调控制，需要考虑的利益相关者还包括用户、电网公司和能源服务公司等。

（1）电力生产企业

电力生产企业是能源互联网的主要利益相关者，其主要利益诉求为：①可再生能源发电企业：电力生产企业的主要职责是根据其所掌握的各种分布式能源资源，对这些可再生能源进行集成和优化控制，以提高其利用效率，降低成本；同时，电力生产企业还可以将其所拥有的分布式能源资源通过需求侧管理（Demand Side Management， DSM）向其他用户出售电能。②储能系统：电力生产企业可以利用其在电力市场中获得的资金来投资或购买储能系统，以提高其对可再生能源的利用效率；另外，储能系统还可以通过自身的能量存储功能为可再生能源提供调峰服务。③电能用户：电力生产企业通过对分布式能源资源进行集成和优化控制，能够提高其用电效率、降低用电成本；同时，还可以通过对分布式能源资源进行需求侧管理，降低其对城市配电网的影响。

（2）电力用户

电力用户主要包括居民和商业用户。由于居民用户具有分散、个体化和个性化的特点，因此对于多能互补的需求也相对较高。商业用户通常采用可再生能源进行供能，其主要利益相关者是电力生产企业。在城市配电网与其他能源系统进行协同控制时，首先需要将城市配电网中的分布式电源转换为具有调节能力的分布式储能系统。另外，在不同能源系统之间进行转换时，还需要考虑其对用户侧的影响，例如，在分布式发电系统中引入储能设备时，可能会导致用户侧负荷增长、用户用电成本增加、电能质量下降等问题；而在电动汽车充电网络中引入储能设备时，则可能会导致用户侧用电成本增加、充电时间延长、充电网络安全问题等。

5.2 转化效率

能源互联网视角下城市配电网与其他能源系统的转化，除了要考虑利益相关者外，最为重要的是考虑转化效率。城市配电网能源系统转化效率的求解方法主要包括传统的数学规划方法和智能优化算法两大类。其中，传统的数学规划方法主要包括线性规划、混合整数规划、序列二次规划和动态规划等；智能优化算法主要包括遗传算法、蚁群算法、人工免疫算法和神经网络等。在实际应用中，可以根据具体问题的特点选择不同的数学规划方法，并将不同的数学规划方法进行有效结合，以建立起更加符合实际应用要求的城市配电网能源系统转化效率求解模型，从而为城市配电网能源系统转化效率的实时优化提供理论依据。

6 结束语

本文针对能源互联网视角下城市配电网与其他能源系统的转化机理和转化形式进行总结，对城市配电网与其他能源系统的多能互补与协调控制进行分析，并提出转化的关键问题。以上研究可为解决城市配电网与其他能源系统间相互制约关系和转化提供新思路，对推动我国城市配电网的发展具有一定的参考意义。