一、引言

能源互联网是互联网行业信息通信技术与传统能源技术相互融合的产物，由电力系统、热力系统、交通系统、分布式能源与信息系统广泛交互耦合形成，整合了信息流与能量流，利用互联网行业共享、开放、智能等新思想对能源行业施以影响，深度改变能源生产、传输、消费等各个环节。能源互联网以电力网络为基础主干和实现平台，将各种能源的物理变换过程以及与其相关的信息、通信、控制等装置、环节进行直接或间接连接，以达到“1+1>2”的结合效果。它具有丰富的技术内涵和社会价值外延，是当前国内外学术界、工业界、政界广泛关注的能源行业新形态。

从技术内涵上看，能源互联网通过整合区域内多种能源实现多个系统之间的协调规划、优化运行，协同管理和互补互济。在满足系统内多元化用能需求的同时，可以有效地提升能源利用效率，促进能源可持续发展的新型一体化的能源系统。它系统打破原有各能源供用（如供电、供气、供冷/热等）系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，在规划、设计、建设和运行阶段，对不同供用能系统进行整体上的协调、配合和优化，并最终实现一体化。其作为一种将电、气、热、冷等多种能源深度耦合的能源供应模式，能够实现异质能源的优势互补，从而显著提高能源利用效率以及系统运行的灵活性。

从社会价值上看，能源互联网是能源行业的创新发展业态，它带来了组织方式的变革，市场环境的营造，关键技术的突破和互联网精神的觉醒。能源互联网将打破传统意义上对于能源供应、消费环节泾渭分明的“鸿沟”，孕育众多商业主体，创造百花齐放的商业模式，和一个竞争充分、多边对等、主动参与的全新的能源系统生态圈，并由此重塑能源行业创新体系，激发能源行业创新活力。

（一）能源互联网的基本概念

从定义出发，能源互联网是以可再生能源为优先，以电力能源为基础，多种能源协同、供给与消费协同、集中式与分布式协同，大众广泛参与的新型生态化能源系统；能源互联网是以电力系统为中心，智能电网为骨干，互联网、大数据、云计算及其他前沿信息通信技术为纽带，综合运用先进的电力电子技术和智能管理技术，将电力系统与天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑系统等紧密耦合，横向实现电、气、热、可再生能源等“多源互补”，纵向实现“源网荷储”各环节高度协调，生产和消费双向互动，集中与分布相结合，能源与信息高度融合的下一代能源体系。

（二）能源互联网发展历程

20世纪80年代，学者Richard Buckminster Fuller提出了世界电能网络（world electrical energy grid）的构想。1986年，Peter Meisen创立了全球能源网络学会（Global Energy Network Institute, GENI）。这里的互联主要是指电力物理网络的连接，还没有引入互联网理念和技术。此时互联网的发展刚刚起步，处于向能源网学习阶段。

2003年美加“8⋅14”大停电后，期刊《The Economist》于 2004 年发表《Building the Energy Internet》，提出要借鉴互联网自愈和即插即用的特点，建设能源互联网（energy internet），将传统电网转变为智能、响应和自愈的数字网络，支持分布式发电和储能设备的接入，减少大停电及其影响。

2006年，瑞士联邦政府能源办公室和产业部门共同发起“未来能源网络展望”（Vision of Future Energy Networks）项目，其重点是研究多能源传输系统的利用和分布式能源的转换和存储,开发相应的系统仿真分析模型和软件工具。该项目提出未来能源网络包含两个元素：一是通过混合能源路由器（hybrid energy hub）集成能源转换和存储设备；二是通过能源内部互联器（energy interconnector）实现不同能源的组合传输。

2008年，美国国家科学基金资助FREEDM（future renewable electric energy delivery and management systems，未来可再生电力能源传输与管理系统）项目，历时5~10年，项目成立了FREEDM研究中心，提出建设能源互联网（energy internet），目的是研发可以实现分布式设备即插即用的下一代电力系统，并以此作为能源互联网的原型。项目提出能源互联网的出发点是类比于互联网将原有集中式转变为分布式，改造电力系统实现分布式能源的接入和即插即用。FREEDM的理念是在电力电子、高速数字通信和分布控制技术的支撑下，建立具有智能的革命性电网构架来消纳大量分布式能源。

同年，德国联邦经济技术部与环境部发起E-Energy项目，力图打造新型能源网络，在整个能源供应体系中实现数字化互联及计算机控制和监测，通过智能监视、控制和调节电力系统，提高电力供应的效率和环境兼容性，确保供应安全。其主要特点是利用ICT技术，建立能源市场允许各类型用户参与，通过供需双方实时数据共享，实现能源动态匹配和交易。该项目历时4年，实施了能源互联网（internet of energy）的6个示范项目。

2010年,日本启动“智能能源共同体”计划，开展能源和智能电网等领域的研究。2011年,日本开始推广“数字电网”计划，该计划基于互联网启发,构建一种基于各种电网设备的IP来实现信息和能量传递的新型能源网。通过提供异步连接、协调局域网内部以及不同局域网系统的数字电网路由器,并将其与现有电网及互联网相连。通过相当于互联网“IP地址”识别发电设备及用电设备在内的装置，由此进行统筹管理与能量调度。

从已有的研究实践来看，各国对能源互联网的认知和建设目的有所不同，但都是将互联网技术运用到能源系统，把一个集中式的、单向的、生产者控制的能源系统，转变成大量分布式辅以较少集中式的新能源与更多的消费者互动的能源系统，以提高可再生能源的比重，实现多元能源的有效互联和高效利用。

2011年，里夫金出版《第三次工业革命》，提出能源互联网是以新能源技术和信息技术的深入结合为特征的一种新的能源利用体系，将成为第三次工业革命的核心之一。该论述使得能源互联网被更多人关注，产生了较大影响。该书首次较为全面地论述了能源互联网四大特征：以可再生能源为主要一次能源；支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入；基于互联网技术实现广域能源共享；支持交通系统的电气化（即由燃油汽车向电动汽车转变）。从上述特征可以看出，里夫金所倡导的能源互联网的内涵主要是利用互联网技术实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调；最终目的是实现由集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变。

随着里夫金提出的能源互联网概念在国内的关注程度增加，国内学界业界关于能源互联网的讨论于2012年开始。2013年，国家电网提出未来的智能电网，是网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动的“能源互联网”。2014年6月，中国电科院启动了“能源互联网技术架构”方面的基础性前瞻性项目研究。同年7月国家电网提出建设全球能源互联网构想，该构想以特高压电网为骨干网架（通道），以输送清洁能源为主，实现全球互联的坚强智能电网，具有网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动的特征，符合以清洁替代和电能替代为重点的“两个替代”的需求。

2015年4月，国家能源局组织召开能源互联网工作会议，提出制定国家能源互联网行动计划，并成立中国能源互联网联盟。同月，清华大学能源互联网创新研究院揭牌，成为我国第一个能源互联网创新研究科研机构。

2016年，全球能源互联网发展合作组织正式成立，成为中国在能源领域发起成立的首个国际组织。同年，中关村能源互联网专家联盟在北京成立。2018年，IEEE电力能源协会（IEEE PES）能源互联网专业技术委员会正式在京成立，成为首个由中国发起并在中国成立的IEEE PES专业技术委员会，标志着中国在能源互联网领域逐渐走上全球领导地位。

（三）能源互联网技术体系

能源互联网主要活跃在电力、交通、天然气、能源和信息等行业领域，同时能源互联网的发展也将带动许多新兴的能源市场，包括新能源、电动汽车、储能、微网、能源管理服务等，以及相关的产业，包括设备制造、通信、金融、软件等。涉及冷热电、虚拟电厂、微能源网、多能互补、综合能源、能源路由器、能源互联网、区块链+能源、大数据+能源、能源+商业、可再生能源消纳、源-网、源-网-荷-储等研究对象。同时，在能源互联网研究中，呈现单项技术突破和多技术耦合集成参半的势头。其一，集中在能源领域及电力系统等原生领域上的高效清洁发电、先进输变/配电、大电网运行控制、储能等电力技术不断创新突破；其二，则是不同行业领域结合的能源电力将与人工智能、大数据、物联网、5G等现代信息通信技术和控制技术深度融合；其三，体现在如何将以上技术融合赋能能源互联网的建设于运行之中，创新运营技术将发挥巨大作用。综上，在整个能源互联网的研究范畴中，主要包括三大技术部分。

1 多能协同能源网络关键技术

高温超导材料，开展新型高温超导材料研究，为超导电缆、变压器、限流器等低损耗能量流传输设备的研发提供支撑。

大功率电力电子器件，推进以SiC,GaN等材料为代表的宽禁带电子器件的应用开展研究，推动电力电子变换器在电力网络中的应用。

能量路由器，需要标准化能量路由器的功能和作用，建立以能量路由器为核心设备的新一代能源互联网，为高比例可再生能源及储能的接入、高级能源管理与信息交互、自下而上自治组网和以用户为导向的市场模式等提供技术支撑。

直流电网，直流电网将是能源互联网中骨干网架以及配用电和微电网的核心,是实现能量高效率、低成本传输的关键，需要重点推进直流电网标准化进程，构建直流电网技术标准体系。

无线电能传输技术，以电动汽车无线充电为无线电能传输技术的突破点和应用对象，需研发高效率、低成本的无线电能传输系统以及相应的有序充电管理系统，实现电动汽车的即停即充和充电场站的负荷管理。

储能技术，能源互联网具有能量源的不确定性与能量流的无秩序性，而储能成为解决上述两大问题的支撑性基础。技术方面，需支持关键材料的研发、制造工艺和能量转化效率的提升，开发大容量、低成本、长寿命的储能系统；推广应用方面，积极培育储能产业链下游应用市场，针对分布式发电、需求响应、电力调频等领域，开展储能示范项目，同时进行配套政策机制建设，创造储能商业化应用条件；成果转化方面，除促进科研院所相关成果转化外，需加大对企业科研成果转化的支持力度，从而加速储能技术研发到产业化的过程。

能气转换技术，能源转换是多能协同的核心。需鼓励能源品质检测，宽负荷运行条件下火电机组性能监测与运行优化，多能协同的分布式能源系统，发电/储能一体化燃料电池，可再生能源电力CO2电化学转化，区域热能品位调节的热泵等。

电动汽车技术，建立能源互联网电动车的一系列关键技术标准、电动汽车电池梯次利用体系，以及电动车能量运营市场和模式。

港口岸电技术，港口岸电技术是指船舶靠港期间，停止使用船舶上的发电机，而改用陆地电源供电。需针对船舶岸基供电系统开展船岸协同无缝并网、高可靠防灾预制舱、多渠道缴费、远程管理与故障诊断、多元投资主体商业模式等方面的研究。

2 信息物理能源系统关键技术

海量信息采集与传输技术，能源互联网需实现信息的快速、广泛、准确采集，通过信息交互，实现不同区域、不同类型的能源生产与消费者能量双向流动与优化控制。

信息物理能源系统融合技术，包括用户需求建模方法、系统演化模型、系统结构优化技术、系统接口与标准协议、多个信息物理能源系统的网络协同控制技术等。

新能源发电云平台，需对以新能源发电为主要形式的多能集成和以需求响应为代表的新型能源消费开展理论研究，如新能源发电精准预测、基于大数据与行为心理学的负荷调度及结算、新能源发电优先的交易模型等。

虚拟发电厂，充分利用网络通信、智能量测、数据处理、智能决策等先进技术手段，有望成为包含大规模新能源电力接入的智能电网技术的支撑框架。

多能流能量管理，涉及冷、热、电、气、交通等多学科跨领域联合攻关，需要在基础理论方面开展深入研究，重点突破多能流综合能源系统建模、多能流耦合状态估计、多能流联合潮流分析、多能流安全评估与预警、多能流优化调度与控制等关键技术难点。

分布式协同控制，需重点研究分布式状态估计技术、分布式优化技术、分布式控制技术等关键基础理论，对比集中式、完全分布式、集中分布式等不同模式的通信代价与实施效果，确定不同应用场景下的最优技术路线。

电动汽车协同技术，通过电动汽车与充电设施网络、电力网络、交通网络和新能源发电的协同，达到方便用户出行、较少充电设施投资、优化电网运行、提高新能源发电消纳水平的目标。

需求侧互动技术，需鼓励对多种形式能源集成的综合响应、基于大数据与行为心理学交叉学科的需求响应建模、需求响应资源辨识与量化、需求响应计量和需求响应参与辅助服务结算等关键技术的理论研究。

电池云技术，开展能量信息化与网络化管控技术研究，通过互联网进行管控和运营以提高电池储能设备的有效利用率。

3 创新模式能源运营关键技术

主要包括源大数据分析、智能感知技术、云计算技术、能源网络虚拟化技术、信息双向互动平台、能量交易平台技术、能源互联网金融等技术。

围绕诸多关键技术，一方面，能源互联网的建设成本高、建设周期长，除了技术瓶颈需要攻关之外，其发展还必然受到政策、经济、社会等多方面因素的限制和影响；另一方面，各种物理设备的协调与交互需要强大信息网络的支撑。前沿信息技术的引入，尤其是与互联网等开放网络的连接，将给能源互联网的安全性带来巨大挑战。其整体融合完整性等建模包括信息物理系统的统一建模和信息物理安全性将是能源互联网研究的核心内容和难点。

二、最新研究进展

（一）综合能源系统规划与运行技术方向

1 基本情况介绍

综合能源系统是指在一定区域内利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内多种能源，实现多个系统之间的协调规划、优化运行和互补互济。在满足系统内多元化用能需求的同时，可以有效地提升能源利用效率，提高系统运行可靠性，降低用户用能成本、降低系统碳排放和其他污染物排放的新型一体化能源系统。综合能源系统打破原有各能源供用（如供电、供气、供冷/热等）系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，在规划、设计、建设和运行阶段，对不同供用能系统进行整体上的协调、配合和优化，并最终实现一体化。其作为一种将电、气、热、冷等多种能源深度耦合的能源供应模式，能够实现异质能源的优势互补，从而显著提高能源利用效率以及系统运行的灵活性。

综合能源系统规划与运行是指依据区域经济发展水平和社会发展规划，针对末端用户相应的需求，基于特定的边界条件，利用系统的源网荷储互补特性，借助一定的规划方法及建模技术，通过运行仿真及优化技术及系统综合效益评价技术实现整个综合能源系统在规划和运行过程中的有机协调与优化，使系统从规划到实际运行处于技术路线最合理、运行状态最佳、经济效益最好的状态。综合能源系统作为多种形式特性各异，能源环节多样的可调控资源的集成体，其在组成部分和运行方式上可以有多元化的选择，是综合能源系统高效安全运行的决定性工作。

能源互联网连接能源生产和能源消费，是源、网、荷、储等各能源参与方互联的基础平台，能够实现互联网式的双向交互、平等共享及服务增值^[1]。其中，“源-网-荷-储”各环节协调互补是实现能源互联的关键功能之一。“源-网-荷-储”协调互动一般指在多种能源联合供应生产的综合系统中，源侧设备之间具有耦合特性，负荷用户具有互补替代特性。多能互补指的是石油、煤炭、天然气和电力等多种能源子系统之间的互补协调，突出强调各类能源之间的平等性、可替代性和互补性。充分利用综合源系统的耦合互补机理可以实现电、热、冷、气之间的相互转化，发挥各能源间的协同作用和互补效益。从环节上实现了“源-网-荷-储”协调互动，就可以从服务上保障个性化、综合化、智能化服务需求，可以促进能源生态圈形成和新业态、新模式发展。

从能源生产供应的角度看，通过综合能源系统中不同的能源转换设备将自然界中太阳能、风能、地热能、天然气等多种类型的一次能源转换为冷、热、电能供应生活或工业用能。源侧设备耦合主要依据不同的设备特性进行耦合，如冷热电三联供(CCHP)系统、蓄热式电锅炉、冰蓄冷系统、热泵机组和储能系统等。“源-网-荷-储”整个系统通过源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动和源荷互动等多种交互形式，更经济、高效和安全地提高能源系统功率动态平衡，本质上是一种实现能源资源最大化利用的运行模式和技术。

“源-网-荷-储”互补可以促进新能源主动消纳，提升电力系统平衡调节能力。源、网、荷、储资源广泛存在于能源互联网各个环节，具有参与主体数量众多、分布分散且源荷双侧不确定性强等特点，只有实现在电源、电网、负荷和储能之间的互补互动，才能提高能源互联网的安全性和经济性。可以借助物联网、5G、大数据、人工智能、区块链、移动互联等支撑技术，构建“源-网-荷-储”互补调控体系。“源-网-荷-储”互补有利于提高新能源消纳水平，提升不确定性增强条件下电力系统的平衡调节能力。“源-网-荷-储”互补调控可通过源源互补、源荷互动等形式，结合电源侧不同类型间的协调互补特性、柔性负荷的灵活可调节特性和储能资源的充放电特性等，在新能源大发时鼓励负荷多用（储存）电，提高新能源的主动消纳能力。当前，华东电网、华北电网和宁夏、山西等省级电网都开展了“源-网-荷-储”协同提升新能源消纳的研究和应用。“源-网-荷-储”互补调控有利于电源侧减少发电煤耗，提高新能源消纳水平；促进电网削峰填谷，保证电网安全经济运行；有利于减少负荷被动切除，提高用电满意度^[1]。国内首套“大规模源网荷友好互动系统”三期工程启动试运行，作为国家电网公司的一项重大技术突破，源网荷友好互动系统与华东电网频率紧急协调控制系统紧密对接，将分散的海量可中断负荷集中精准控制，从电网“电源调控”转变为“电源调控”与“负荷调控”相结合，实现了电网与电源、负荷三者的友好互动，以保障电力供应在应急状态下的瞬时、短时和时段平衡，成为构建大电网安全综合防御体系的重要支柱。在华北电力调控分中心调度大厅内，源网荷储多元协调调度控制系统实时优化分布式储能、电动汽车、电采暖等负荷侧资源充用电功率与时间，自动将升高充用电功率的指令通过自动发电控制系统（AGC）发至国网电动汽车服务有限公司、国网冀北综合能源服务有限公司、特来电新能源有限公司各自云平台，执行市场出清结果。平台自动接收并将分解后的指令发给聚合代理的各个市场主体。有序充电桩、电池换电站、公交场站待充电的公交车、分布式储能和电采暖设备等均增加充用电功率或将功率调至最大，助力削峰填谷，有效促进新能源消纳。山西通过构建“源（新能源）—网—荷（电动汽车）—储（蓄电池）”协同运行的智慧能源系统，有效减少弃风弃光浪费，提升新能源利用率。

综合能源系统打破原有各能源供用（如供电、供气、供冷/热等）系统单独规划的既有模式，而是在规划阶段，对不同供用能系统进行整体上的协调、配合和优化，并最终实现一体化。电、热、冷、气等能源供应网络耦合形成的综合能源系统通过发挥多种能源优势互补的潜力，能够促进太阳能、风能等可再生能源的就地消纳，实现资源的优化利用，提高综合能源利用率。综合能源系统符合能源综合梯级利用的发展趋势，因此，近年来针对综合能源系统的规划建模分析成为国内外研究热点。

综合能源系统吸纳了包括地热、风光在内的新能源资源，具有高度非线性、高度不确定性等特点。综合能源系统的复杂性为其整体的特性分析、规划设计和运行管理带来了极大的挑战。现代仿真技术可以对综合能源系统进行详细的数字建模和模拟计算，实现对系统运行状态的分析和预测，为综合能源系统的建设和发展提供有效的研究手段与决策支撑。现代仿真技术在系统分析及基础仿真模型建模与测试方面，建立了冷热电联产系统内部各个设备的数学模型和仿真单元，同时提出了针对综合能源系统改进的运行策略。对系统中的光伏发电系统、集热器、制冷机等进行前期设计。以终端用户典型日的逐时冷、热、电负荷需求和机组的额定工况数据为输入参数，基于系统的经济、能耗和排放建立了综合评价指标。将其作为多目标优化的目标函数，建立以终端用户逐时能量供求平衡、系统各个设备的供能能力为约束条件的分布式供能系统运行策略的优化模型。在综合能源局域网调度方面，基于综合能源系统在能耗、成本、污染物排放等多目标上的优化调度需求, 建立了以能耗、成本、污染物排放量与理想点欧式距离作为目标函数的多目标优化调度模型。区域综合能源系统仿真技术具体可以涵盖园区级电-热-气-冷综合能源系统的规划方案可行性仿真验证、设备运行性能及网络潮流仿真、综合能源市场交易仿真以及综合效益评估仿真4 部分内容^[2]，各部分相互联系，共同构成区域综合能源系统的闭环优化。

参与综合能源服务市场中的主体繁多，效益评估问题也比较难。在进行综合能源系统综合效益分析时，评价体系应主要从综合能源系统的经济效益、社会效益、环境效益等方面进行说明。经济效益包括促进经济增长、促进产业升级、各种收益等；环境效益包括减少大气污染物排放、减少能源损耗、节约水资源、减少原料运输排气等；社会效益包括碳减排效益、减少系统备用成本、带动清洁能源产业发展改善社会福利水平等。其中，经济效益评价指标包括但不限于装置使用寿命年限、系统设备投资费用、系统运行费用、网损率、能源经济水平、管网热损失率、设备利用率；社会效益评价指标包括但不限于缓建效益能力、用户端能源质量、用户舒适度、主动削峰负荷量、智能电表普及度；环境效益评价指标包括但不限于能源转换效率细数、清洁能源功能占比、单位能量二氧化碳排放量、单位能量氮氧化合物排放量^[2]。

2 国外研究进展情况

基于本国国情和国家能源战略的需要，综合能源系统近年来在欧美等发达地区得到广泛研究和迅速发展。一方面，欧美国家的天然气、可再生能源等清洁能源占总能源消费的比例已处于较高水平，另一方面，欧美积极制定相应政策和计划，推动新型能源体系建设^[3]。综合能源系统由于其广阔前景深受欧洲众多科研资助机构的青睐，“能源网络Hub"项目作为英国能源领域核心项目便为综合能源系统开展专题研究。美国将综合能源系统纳入用能环节，并通过追加项目经费、统-能源生产与配送的供应商等方式，促进综合能源系统的构建。围绕综合能源系统的“源网荷储”互补特性、系统规划方法及建模技术、系统运行仿真及优化技术、系统综合效益评价体系四方面内容，国外学者开展了大量的研究工作。

（1） “源网荷储”互补特性国外研究进展情况

国外研究了电网与天然气耦合运行时的稳态潮流分析^[4]和电网与供热网络的联合稳态潮流分析^[5]。文献[6]使用网络流模型对美国全国的煤、天然气和电力网络进行了仿真分析。文献[7]研究了热-电-气耦合多能系统的联合规划问题，但没有考虑集中供热系统的详细管网模型，而仅考虑了供热和用热的功率平衡约束。研究了考虑集中供热网络模型的电热耦合系统的协调运行问题，考虑了温度损失和压强水头损失，但没有考虑集中供热系统中从热电厂至热用户的温度延时效应。针对多能源网络的建模，ETH在Vision of Future Energy networks课题中提出了能源集线器Energy Hub模型和Energy Interconnector模型^[8]，其中Energy Hub模型可以表示多种能量之间的转换、存储等，已经应用于优化设计、最优潮流、优化调度等不同方面;基于太阳能发电和多能源系统，研究在多目标需求下的冷热电优化调度模型和策略；从储能角度考虑了储能在多能源系统优化中起到的作用。

（2） 系统规划方法及建模技术国外研究进展情况

可再生电源混合优化模型是由美国国家可再生能源实验室于1993年提出的。该工具主要面向的是综合能源局域网内部，基于投资成本和运行成本的最优的能源供给构成研究、能源容量研究、局域网运行经济性分析等。作为一款适用多能源输入、易于实现输入的敏感性分析的免费软件，已经成为能源界和工业界应用广泛的综合能源规划工具之一。具体到模型内部，可再生电源混合优化模型以成本最优为目标函数，通过尝试电力能源和可再生能源的多种方案搭配来求解潜在方案的运行周期成本。其可部署的输入能源种类覆盖了传统的火电、热能、冷能、风机、水电、电池、生物质等能源，也纳入了联合循环装置、三循环装置及储能装置等新兴设备。其重点考量的“运行周期成本”也包括了能源局域网投资、折旧、维护及换新的投入与燃料本身的投入。最后的结果将会以图表的形式展示出来，并供使用者进行对比，主要用于富集新能源资源的区域级电力系统规划方面。可再生电源混合优化模型从应用上更偏向于微电网类型的综合能源规划。

新能源富集社区能源优化工具是另一款美国国家可再生能源实验室开发的优化规划工具，主要应用的范围为社区级微网设计。新能源富集社区能源优化工具通常被应用在给定系统运行边界和其他约束条件的独立微网能源解决方案，并给出系统规划的最优解。其独特之处在于，在输入真实的地理条件和约束内容后，工具内嵌的SA算法可以直接以地图的形式给出优化规划的结果，甚至可以与GPS定位系统结合，对实地案例进行规划。开发新能源富集社区能源优化工具的目的在于与前述“可再生电源混合优化模型”结合，共同优化分散的综合能源的经济型指标。凭借着可以视图化展示结果的优势，新能源富集社区能源优化工具适用于任意大小的能源集成系统和分散的能源集成优化。新能源富集社区能源优化工具是美国国家可再生能源实验室主要使用的软件开发工具之一，其成功案例包括了智力岛屿案例研究等。

分布式能源-用户适配模型是由美国劳伦伯克利国家实验室开发的优化规划模型，用于在分布式的风电与光伏设备中，基于电力电量平衡和线路容量等约束条件计算最优的组合。从本质上来说，分布式能源-用户适配模型是基于混合整数变量线性规划的代数优化模型，其主要的应用场合包括了设备选址规划、分布式能源可靠性分析及能源市场策略分析等。从本世纪初开始，分布式能源-用户适配模型就开始进入工业级应用中。自2001年至今，分布式能源-用户适配模型应用过得场景包括含有分布式可再生能源的综合能源系统碳排放量比较、热电联产与传统燃煤火电机组的产值比较、区域级分布式能源部署规划等。由此可见，分布式能源-用户适配模型的主要应用范围较广，涉及能源布局、网管连接、能源选型、效益分析等综合能源局域网相关问题。

微网经济评估工具是由日本方面开发的优化规划工具。与前述分布式能源-用户适配模型不同，微网经济评估模型内部算法是基于混合整数非线性规划模型，用以描述燃料的非线性消耗。微网经济评估工具主要面向的问题包括：微网经济性规模规划、可再生能源容量评估和可再生能源经济性评估等。早在2006年，微网经济评估工具就被应用于具有燃料发电装置、光伏电池板和风力发电机的能源组合示范工程，用以规划在微电网环境下应对波动负荷维持电力电量水平平衡。2007年，该工具又在能源局域网规划方面得到应用，用以在给定的能源类型和具体设备数量的约束条件下开展微电网占地规划及设备部署规划，并最终达到供电成本的经济最优。

集成市场化部署工具是最为广泛使用的综合能源开发系统之一，作为可以分析能源、经济和环境方面因素对综合能源系统开发影响的工具，集成市场化部署工具可以以全球、国家级或市区级地理范围为边界，开展长达数十年的模拟仿真规划。同样地，集成市场化部署工具内嵌了混合整数线性规划模型，运用CPLEX求解器进行求解。更为便捷的是，集成市场化部署工具集成了优化规划的诸多细节，允许使用者自行设计与定义模型的物理边界和经济环境，设定优化步骤的时间段划分。其工具内部包含的分布式能源种类覆盖也较为全面，包括了传统发电技术、新能源技术、储能装置及其他能量转换装置等。同时，设备的特性也描述的较为全面，包括了设备投资、操作成本、维护成本、设备生命周期、设备效率、空气排放等。集成市场化部署工具作为一个作为全方位覆盖的模型，其具体能源设备建模的要素覆盖了能源生产和消费的全流程。模型最常解决的问题就是基于用能成本经济型最优的综合能源局域网设备部署优化问题。同时，在加入时序的要素之后，模型还可以作为场景持续优化工具，对一定时序内的综合能源规划项目进行求解，并实现可再生能源的占比最优。

RETScreen清洁能源分析软件是一款决策规划的辅助支撑工具，广泛应用于加拿大的工业界、学术界及政府部门。早至上世纪九十年代，RETScreen清洁能源分析软件就开始免费向社会提供支持，主要负责包含热电联产及三联供热机组的综合能源局域网规划，其中覆盖的技术有吸收式制冷机、汽轮机和往复式发动机等。其面向的对象既包括了独立微网、也包括了区域级的综合能源系统。同集成市场化部署工具相似，RETScreen清洁能源分析软件也可作为场景分析工具，对传统能源和可再生能源的替代展开对比，并设立了一定量的经济性指标便于结果展示，其场景分析优化目标也仍然是经济成本的最优。然而，该工具的弊端在于未纳入相应的储能装置。RETScreen清洁能源分析软件的主要的应用场景有两个：大区域可再生能源分析和大区域能源容量部署。然而，该软件只是在理论上可以对综合能源局域网进行规划，实际生产中更倾向于利用其对热电联产及三联供热机组的贴切模型，展开对热电联产及三联供热机组的部署与规划。

（3） 系统运行仿真及优化技术国外研究进展情况

国外对区域综合能源系统中的生产、传输、转换、存储和消费环节进行了稳态建模，提出了能量集线器的概念和数学模型，它是一个连接各子系统的广义元件，同时围绕这种能源耦合单元研究了设备的配置、潮流计算和调度问题。同时以耦合能源系统为研究对象，基于能源集线器对多能流综合潮流进行系统解耦，通过对能源集线器的分配系数进行分析，探究了能源互补的协同效应。美国综合能源系统仿真技术，可以实现独自定义不同子系统的仿真时间和步长，求解效率高，在描述综合能源系统的高维特性上具有重要意义^[9]。

（4） 系统综合效益评价体系国外研究进展情况

相较于国内考虑的各环节、各类型效益指标,国外对综合能源系统的效益评价大多沿用传统的评价指标,即以综合能源系统的技术经济指标(投资及运行成本、净现值NPV、内部收益率IRR、投资回收期PP等)、气体减排指标(CO₂、SO₂、NO_X排放量)和化石能源消耗量等指标衡量综合能源系统的投资价值和环保效益，简洁明了且操作性强^[2]。以电-热耦合利用的CHP热电联产系统为研究对象,采用技术经济评价方法,构建了相对完整的投资效益评价指标体系,提出了各评价指标的计算公式、表征含义和应用局限性。

炯用效率是基于热力学第二定律的能效评估指标，其侧重于不同能量转化为寂态的最大做功能力。国外有人选取炯用效率为评价指标，分析了住宅建筑CCHP系统中各环节的炯用损失^[10]。有人则重点分析了微型CCHP系统的一次能源利用率和炯用效率，并得出结论采用高效燃气轮机对CCHP的优化运行起到重要的作用^[11]。炯用效率忽视了炯无的作用，且结果受参考系影响很大，目前研究也多集中于CCHP系统。

3 国内研究进展分析

我国目前的能源格局仍以化石能源为主。我国在逐步推动能源体系改革发展，促进清洁能源的开发和替代，努力构建多种能源综合互补、高效利用方面增加了科研投入，这些举措都为综合能源系统未来的发展打下了良好的基础。近年来，我国启动了大量的与综合能源系统相关的科学研究项目，尤其是电/热气混合型综合能源系统方面取得了较丰硕的成果，包括电力系统与燃气系统中的不确定性因素对综合能源系统运行的影响，冷热电联合供应体系的可行性和能源互联微网的经济效益等方面。并与德国、新加坡等国合作，开发以综合能源系统为主要能源服务体系的“生态文明城市”，取得了良好的实效 ^{[ 3 ]}。并且多个企业在综合能源典型示范项目的实施上也做了大量的工作。

（1） “源网荷储”互补特性国内研究进展分析

国内已经对涵盖多种能量形式的分布式综合能源局域网运行优化进行了一定的研究，最典型的是电-热和电-气的耦合调度问题。鉴于能源资源条件的限制，我国的能源消费结构在未来一段时间内仍然会以煤炭为主，但环境保护和可持续发展战略都要求我国必须加快改善能源结构的步伐，在一次能源消费结构中，提高冷、热、气、风、光等清洁能源的比重，而降低煤炭在发电中的比重。

模型研究方面，在传统的电、热/冷、天然气等各自领域，各系统的建模方法相对成熟。电网主要由潮流模型表示，遵循欧姆定律，主要变量有各节点的电压幅值和相角、线路有功/无功潮流、各节点注入功率等，有一整套相对完善的网络分析方法^[12]。供热网络遵循流体和热力学定律，包括水力和热力两大模型，主要变量有压力、流量、温度、热量等^[13]。随着CHP和CCHP等技术的出现，针对单个设备的建模、仿真、优化运行研究比较多。伴随微网的发展，多种能源形式的综合利用也在增加，建立了相应的数学模型。对楼宇型多能源系统通过建模，并对以电定热、以热定电运行的策略及其组合对系统经济、能源和环境目标的影响方法进行了研究^[14]。

（2） 系统规划方法及建模技术国内研究进展情况

综合能源系统规划运行中必然会包含不同种类不同数量的能源接入，电力物联网可以实现综合能源系统数据流和能量流的深度融合。面向电力物联网的综合能源系统规划模型遵循综合能源规划的可靠性、经济性和区域差异性的原则，是一套完整的综合能源系统规划的思路方法。面向电力物联网的综合能源系统规划模型首先对综合能源系统内部的组成部分进行建模，包括出力模型（风电、光伏）和成本模型（风电、光伏、火电）。在此基础上，综合能源系统配置规划模型的目标函数为多目标优化，综合考虑了运行成本的经济性最优和可再生能源的消纳量最优两个目标，同时以电力电量平衡约束、机组出力约束、机组爬坡约束、供电可靠性约束等作为条件，综合从经济效益指标、社会效益指标和环境效益指标三个指标集群设定标准，对综合能源系统规划展开优化。

模型目标函数为���=min(������������)+max (������������������)

式中：������������为综合能源系统在一定时间内的总运行成本，������������������为可再生能源消纳量。

考虑风电的区域综合能源系统运行规划充分考虑风电出力碎片化程度较高，出力规律不稳定，风电输出功率的预测误差精度不高等因素。考虑风电的区域综合能源系统运行规划采用重要性采样场景生成办法，对含有风电的区域综合能源系统进行运行优化。其采用的随机运行优化模型，主要以区域综合能源运行成本经济性最优为目标函数，其中考虑了机组燃料成本、运行操作成本、售电收益、蒸汽联产收益等经济性指标；同时考虑了系统电力电量平衡约束、系统热平衡约束、机组启停约束、储能装置约束等系统运行边界约束。重要性场景分析是一种基于风力发电预测场景经济分配问题运行成本的概率重要性抽样方法，其主要由给定场景集合与场景概率分布确定，最终达到风电实际出力的不确定性被转化为多个确定问题的集合，从而方便建立模型，优化计算方法。

考虑供需互动的区域综合能源系统设备配置与运行的协同优化，主要是以冷、热、电等多种能源的供需互动为立足点，基于主从博弈论，构建基于集中能源站1-N型架构的区域综合能源系统设计和运行协同优化决策框架。在供给侧主要是通过耦合投资和运行的费用建立协同优化模型；在需求侧，综合考虑多元能源需求弹性，提出基于用能满意度和购能支出的效用函数。在此基础上，模型结合了电、热、冷等多种能源价格及负荷变动趋势的决策变量，形成供需互动博弈机制。模型首先对综合能源系统的组成部分进行物理建模，主要包括原动机（燃气内燃机、燃气轮机）、燃气锅炉、吸收式制冷机、电制冷机等设备。模型采用的电、冷、热三联供系统开展，其中考虑了电力电量平衡、原动机功率平衡、热平衡和冷平衡等约束条件。基于供需互动的主从博弈主要考虑的是在供需关系保持稳定的基础上，能源供给侧和需求侧在电、冷、热等能源成本和价格和负荷波动曲线的共同作用下，以投资和运行成本经济性最优为目标实现供需均衡。

（3） 系统运行仿真及优化技术国内研究进展情况

国内方面，基于能源集线器理论，构建了热电联产系统模型，考虑了不同耦合形式和能源供应模式下的电力网络和燃气管网的相关约束，给出了区域综合能源系统的完全解耦、部分解耦和完全耦合的3种运行模式，并提出了适用的混合潮流算法。另外，相关人员基于瞬时系统模拟程序设计了一套冷热电联供系统，研究结果为小型冷热电联供系统的配置设计与运行管理提供了参考。而且建立了冷、热、电三联供系统的能量流模型，并将其作为电网与天然气网的耦合节点，推导了适用于天然气网能量流计算的有限元节点法，提出了一种电-气耦合微能源的能量流计算方法。基于开源三相配电网潮流仿真软件openDSS和MATLAB 平台，对含冷、热、电联产系统的微能源网进行综合仿真，分别计算了以电定热和以热定电2种典型运行方式下夏季典型日的逐时能量流^[9]。

综合能源系统仿真平台研发方面，已有高校、科研机构及能源企业围绕综合能源系统仿真的某一、多个模块进行了仿真平台的开发并进行了应用，如清华大学能源互联网研究院研发的能源互联网规划云平台Cloud EIP、华北电力大学研发的综合能源系统仿真平台以及部分能源企业自主研发的CCHP、微网仿真平台。另外国内对综合能源系统中半实物仿真平台也有研究。半实物仿真平台避免了由于光伏发电、风力发电等可再生能源波动性和随机性较大，电动汽车负荷和楼宇负荷不确定性因素较多，而采用纯数字仿真的误差较大的弊端，可以基于采集的系统实际的环境数据（温度、湿度、太阳光照强度等）、功率数据（电功率、ＥＶ、ＰＶ等数据）进行实时滚动预测，仿真计算，提高仿真精度，使得优化结果更真实，更贴切应用实际，有利于提高系统仿真的真实性和经济性评价的可信度。另外，由于建设ＣＣＨＰ系统、冰蓄冷系统、储能系统投资成本较高，并且储能系统种类繁多，因此采用经过验证的多种类型储能系统、ＣＣＨＰ系统仿真模型，通过仿真模拟真实运行情况，既能够保证精度，又可以灵活组态，节省平台建设成本。半实物综合能源系统仿真平台应用前景广阔，它具有灵活性、延展性。根据不同类型用户需求、电价方案、配置组合、设备类型进行组态，可为不同用户提供系统设计方案、优化运行策略和系统经济性评估的咨询服务。但已有平台大多应用于高校科研、企业开展系统运营，但仍未达到满足辅助决策、市场化推广的要求，尚未应用于政府部门政策制定参考、设计院等业务部门规划业务开展等领域^[15]。

（4） 系统综合效益平价体系国内研究进展情况

目前，有关能效评估指标的研究可分为基于热力学第一定律和热力学第二定律两类，且多为“效率”指标，即数值介于0与1之间。一次能源利用率是基于热力学第一定律的典型指标，其侧重于能量的数量。Santo以一次能源利用率最高为优化目标，分析了以内燃机作为驱动装置的CCHP 系统的运行情况，并预测出基于两种不同运行模式下系统的指标特性^[16]。除一次能源利用率外，Hui Li等人将一次能源节约率这一指标作为评价指标来对比分析CCHP系统和分供系统的一次能源利用情况，这一方法主要是通过与分供系统的对比来反映联供的节能优势^[17]。但一次能源节约率为相对性指标，其通过比较分供与CCHP一次能源耗量的差异以评估联供的能效，受分供参考系统参数的影响较大。

除指标所固有的问题外，上述能效指标主要是针对CCHP系统的评估。而针对多能协同园区，其能效评估存在一系列新的问题：（1）与CCHP不同，综合能源园区的能流关系复杂，其能量输入不再限于燃气、煤炭等一次能源；（2）热泵、电制冷机等能效比（COP）超过1的设备的广泛应用使得“效率”评估必须考虑空气中热能等能量的输入，而考虑空气中热能的利用程度并无实际意义；（3）综合能源系统能效评估的意义在于指导其提高可再生能源的消纳率、降低非可再生能源的利用量，因此仅仅细化传统一次能源利用率以反映对一次能源的利用效率缺乏实际意义。

综合能源系统评价指标体系方面，有文献构建了能源综合效益评价指标体系，涵盖了综合能源系统能够带来的经济、社会、环境效益等3个方面的效益情况，但二级指标设置较少，尚不能全面、深入地反映综合能源系统能够带了的效益情况。有文献分别从能源环节、装置环节、配网环节和用户环节建立了区域综合能源系统效益评价指标体系，并将反映经济效益、社会效益、环境效益等指标融入各环节中。

4 国内外研究进展比较

（1）“源网荷储”互补特性国内外研究进展比较

总体而言，国外尤其是欧洲在多能流领域的基础研究和示范较为领先，但目前国际上在多能流能量管理方面的研究也还处于起步阶段，尚缺乏系统性的基础理论和成熟的系统应用。电网能量管理系统的一些基本概念和方法在多能流系统中尚处于空白，研究空间很大。因此在多能流的研究和管理方面需要加大投入。

综合能源系统管网规划耦合方面，文献[18]分别考虑了天然气动态特性和电、气网的耦合节点，建立了电力-天然气优化运行模型；文献[19]考虑了含电热气相互耦合的分布式多能流综合能源系统的设备容量匹配优化问题，建立了以能量平衡和设备工作特性为约束的优化模型；文献[20]基于电网、热网、天然气网的通用模型及多能源网络的耦合机理，建立了电热天然气耦合系统的综合模型，并以经济成本最小为目标，研究阶梯碳交易机制下的区域综合能源系统经济调度模型。

（2）系统规划方法及建模技术国内外研究进展比较

国外综合能源规划工具大部分都对分布式电源（风电、光伏、储能装置）覆盖的比较全面，对传统能源的热电联产、三联供发电机也有比较细致的建模，使得混搭组合系统的可选方案比较多样。而且大部分综合能源规划工具均采用混合整数线性规划模型作为其内嵌算法，少部分采用了混合整数非线性规划模型。采用混合整数线性规划模型的优化工具具有解决问题较快，不会遇到局部解的问题等优势；而采用了混合整数非线性规划模型的工具应用范围更广，但也具有潜在的，模型无解的问题。同时，各工具的优化目标函数也不尽相同。一般的优化规划工具会同时考虑投资成本和运行成本的联合最优结果，而少数没有考虑动态优化的工具只考虑了投资成本最优。

国内综合能源评估工具的研究较晚，主要缺失点在于设备类型不够丰富，部分主要还是微电网设备而非冷热设备和储能设备；同时缺乏与实际工程技经测算相结合的国内经济性财务指标评估功能。就现有的研究开展情况来看，综合能源系统优化规划领域方面仍有如下待研究的方向：

1）考虑系统可靠性的综合能源系统规划方法

供能可靠性是对能源系统规划时的重要考虑因素之一。现有的综合能源联合规划研究大多仅考虑电能的供能可靠性，并未将冷、热、气等能源系统的可靠性考虑在内。在未来的研究中，一方面可以尝试定义适用于多能耦合系统的综合供能可靠性指标，并确定其合理的计算方法；另一方面可以深入研究互联设备的可靠性对不同能源子系统运行和整个综合能源系统的影响，并反映在系统联合规划的目标函数或约束条件中。

2）市场环境下的综合能源系统规划

在综合能源系统中，某一类型的负荷不再依赖于与同类型能源的供给，而是将取决于不同能源之间的转换。因此，各类能源的价格高低及其波动情况将对综合能源系统的运行方式产生极大地影响。在对系统进行规划，尤其是周期较长的规划时需要充分考虑能源价格的走势。此外，随着用能灵活性的增加，用户侧的需求侧响应将在系统运行中发挥更大的作用，而现有研究极少将需求响应纳入优化规划考虑中，且往往仅局限于电负荷的需求响应。基于此，未来市场环境下的综合能源系统规划应考虑纳入各环节参与者的行为方式，值得进一步研究。

（3）系统运行仿真及优化技术国内外研究进展比较

总体而言，国内外在区域综合能源系统的规划环节、运行环节、市场交易环节以及性能和综合效益评估具备了一定的研究基础，但是仍旧面临系统规划边界和目标不全面、多能流解析计算困难、系统多模态/多场景运行工况仿真困难、多维约束优化问题求解困难、市场交易机制不明确、效益评估标准尚未建立等诸多问题。

近年来，国外对数字孪生技术的理论层面和应用层面研究均取得了快速发展。美国通用电气公司（GE）和辛辛那提大学应用涵盖从设计到维护全过程的数字化来优化产品生产，但尚未实现数字孪生的统一建模技术。美国ANSYS公司提出ANSYSTwinBuilder技术方案，创建数字孪生并可快速连接至工业物联网，用于改善产品性能、降低意外停机风险、优化下一代产品。

与国外的快速发展势头相比，国内在数字孪生技术方面的研究仍处于萌芽阶段。目前可以描述复杂产品的数字孪生设计框架和五维模型概念，可以多角度分析了大数据和数字孪生技术之间的异同以及如何促进实现智能制造。

数字孪生技术在各领域的应用迅速发展，而无论国内还是国外，有关数字孪生技术在能源行业的应用大都处于探索验证阶段。法国达索公司致力于电气设备的数字孪生仿真建模研究，搭建了用户和设计师之间的交互平台。上海交通大学研究团队建立了数字孪生电网的潮流模型，验证了数字孪生电网的技术可行性。安世亚太数字孪生体实验室基于Flownex设计软件建立了数字孪生热电厂模型，为热电厂的工程设计和维护提供了技术参考。清华大学研究团队利用数字孪生CloudIEPS平台，建立了数字孪生综合能源系统模型，达到降低了能源系统运行成本的目标。

一般认为，数字孪生技术特别适用于资产密集型且可靠性需求高的复杂系统。该技术已逐渐应用到诸多工业领域，又以制造业领域为典型。智慧能源系统是融合多能源的综合复杂系统，与数字孪生技术的应用方向高度契合。然而，当前数字孪生技术在智慧能源领域应用发展比较零散，没有建立数字孪生技术在智慧能源领域的应用实施框架^[21]。

（4）系统综合效益评价体系国内外研究进展比较

从现有的研究成果来看,国内外已对综合能源系统效益评价指标体系展开研究，但能够应用于实际工程评价的综合能源效益评价指标体系及其评价标准尚未完全建立。同时,当前还未建立起适用于综合能源综合效益评估的理论体系,对系统能够带来的经济、环境和社会效益还停留在概念设想阶段。

在已有的研究中，对CCHP系统、燃气轮机系统等进行效益评价,并分别选取系统投资费等、一次能源消耗量等、NOx等作为评估综合能源系统的经济、能耗、环境效益的评价指标，但二级指标设置较少,尚不能全面、深入地反映综合能源系统能够带了的效益情况。从能源环节、装置环节、配网环节和用户环节建立区域综合能源系统效益评价指标体系，但又往往指标体系选取的颗粒度还不够细,涵盖的效益指标还不够全面,如并未考虑天然气管网、热力管网等的负载率,也未将投资收益等经济性指标考虑在内,仍有待进一步的丰富和完善。

总体而言，现阶段关于综合能源系统效益评价的研究还相对较少，尚缺乏系统性的基础理论和成熟的评价标准，综合效益评价体系在实际工程项目中的应用也处于空白，研究空间很大。因此在综合能源系统综合效益评价方面需要加大投入。