碳達峰條件下能源互聯網系統規劃設計與優化運行

孫元章，張鵬成，柯德平，徐箭，廖思陽

(武漢大學電氣與自動化學院，武漢430072)

0 引言

能源作為促進社會發展的基礎動力，與經濟發展密切相關，也是國家安全的重要戰略物資[1]。全球氣候、環境危機給每個國家的發展敲響警鐘，人類生產生活產生的以溫室氣體為主的污染性物質極大地阻礙著全球經濟的健康持續發展。改革開放以來，中國經濟跨越式發展，隨著國內生產總值、人均國內生產總值等經濟性指標的顯著提高，中國能源消耗尤其是化石能源消耗的總量也不斷攀升，CO2排放量顯著增加。經濟發展與環境保護的矛盾促使人們對現有發展模式和能源結構進行反思，并做出相應改進。中國早在2009年召開的國務院常務會議上指出，到2020年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40～45%，并將此作為約束性指標納入國民經濟和社會發展的中長期規劃，建立了相應的統計、監測和考核辦法[2]；習近平總書記在2020年聯合國成立75周年一般性辯論中指出，中國CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[3]。這一目標為中國經濟發展指明了更明確、更具體、更綠色的可持續發展道路，客觀上要求人們積極探索未來長時間內具體能源結構與能源利用形式。

探索能源格局轉變不可忽視其中蘊含的能源安全這一關鍵問題，俄羅斯學者撰文指出能源安全是一項公共產品[4]。中國長期以來的能源特征是“富煤、缺油、少氣”，隨著汽車等相關產業的發展，中國每年的油和天然氣產量遠遠不能滿足國內需求，供需不平衡的矛盾促使中國大量進口國外能源，油氣對外依存度逐年攀升[5 - 7]。國家統計局公布的年度統計公報中的數據顯示，截至2019年，中國石油對外依存度超過70%，天然氣對外依存度也達40%以上。國際形勢風云動蕩，局部不穩定因素依舊存在，中國能源進口通道暢通存在風險[8 - 9]。另一方面，國內能源和消費中心分布嚴重失衡，能源主要分布在三北、三西地區，產消錯位促使人們積極探索多種形式的能源運送方法和運輸路徑[10 - 12]。以煤炭為例，中國大力建設以鐵路運輸為主的多種運輸途徑，基本形成“九縱+六橫”鐵路運輸格局，積極探索鐵海聯運、鐵水聯運等新形式[13]。能源遠距離跨區流動對能源輸送通道的要求大大提高，抵御類似2020年新冠疫情這樣突發事件的能力值得人們關注[14]。

不論是能源結構轉變抑或是能源安全提升，能源互聯互通、互濟互用都是其實現基礎，由此能源互聯網應運而生。杰里米·里夫金在《第三次工業革命》一書中系統闡述了能源互聯網的一般概念和發展前景，指出“基于可再生的、分布式、開放共享的網絡，即能源互聯網”。世界各國以此為基礎,結合自己國家的發展特點加以豐富和完善，逐步形成適應本國發展的能源互聯網發展路徑。在中國，以國家電網為主導、以電力系統為核心的能源互聯網逐步發展，在統一能路[15 - 18]、多能互補[19]、節能減排[20]等方面取得重要突破。

國內外學者在能源強度、碳足跡、碳減排、能源運輸、能源安全和能效提升方面開展了諸多研究，對于能源互聯網的架構和實現方法也有相關研究，但各研究主題仍相對比較孤立。本文以中國能源政策和現有研究為基礎，試圖回答為什么建設能源互聯網、能源互聯網應具有哪些特征，以及如何建設和運行能源互聯網這3個問題，嘗試從能源結構頂層設計、區間能源流動和區域能源優化利用3個層次進行能源互聯網系統設計。

1 環境與安全促進能源互聯

1.1 碳排放與能源結構

碳排放是生產生活、貨物運輸、商品使用與回收等多方位、全流程產生的溫室氣體排放量。發達國家發展經濟的同時大量排放CO2，是造成全球氣候變暖等氣候問題的關鍵因素[21]。BP世界能源統計年鑒的數據顯示，2018年全球碳排放增長2.0%，為近7年最高增速。中國自改革開放后經濟迅猛發展，碳排放也相應增加，根據Global Carbon Atlas匯總的數據粗略估計，2018年中國碳排放量接近世界總排放量的四分之一，超過了美國、印度、俄羅斯3個國家碳排放的總和。圖1為2018年世界主要碳排放國對比。

圖1 2018年世界主要碳排放國對比

減少碳排放要從行業入手，積極推進多行業的綠色能源替代。圖2為中國化石能源消費基本構成。從圖2所示的一次能源消費基本構成來看，能源滲透至各個領域。正因如此，打破各行業用能信息壁壘、探索多類型能源綜合應用、建立能源互聯互通平臺至關重要。

圖2 中國化石能源消費基本構成

從各分立能源來看，煤炭、石油、天然氣在不同的用能主體中側重并不一致。表1基于國家統計年鑒，整理了2017年不同能源消費結構數據，數據顯示煤炭用于發電的份額超過其余各組分總和，石油主要用于交通和工業，天然氣在交通、發電領域的占比較高。電動汽車[22]、熱電聯合[23]及新能源發電技術[24]的不斷進步，為能源消費構成的優化轉變提供了技術支撐?；谙冗M技術的能源互聯網將為碳排放約束下的能源轉型體系構建提供可能。在此背景下，中國大力發展能源互聯網，一方面推進應用裝備領域替代，加強綠色建筑、綠色交通等領域建設，另一方面加速能源轉型，實施清潔電力利用、電能替代等舉措。生態環境部公布的《中國應對氣候變化的政策與行動2019年度報告》顯示，中國2018年度在產業結構調整、能效提升、能源結構優化、控制溫室氣體排放、大氣污染物和溫室氣體協同管理、低碳試點等方面取得了較大成就：北方地區在2017—2018年與2018—2019年兩個取暖季清潔取暖率達到50.7%；2018年城鎮新建建筑中執行綠色建筑標準的比例達到56%；電動汽車快速發展，截至2019年5月底，各類充電樁保有量97.6萬個，公共充電樁40.1萬個。

表1 2017年中國能源消費構成

1.2 能源供應與安全

能源安全的核心內涵之一是能源供應安全，是能源一段時間內的可獲得性，其涵蓋的范圍很廣，可以是不依賴于其他能源產地或是本地區或國家的能源自給自足[25]。經濟增長與環境保護對于傳統化石能源消費的需求不同，新能源、電動汽車大力發展與海上風電、P2G等技術漸趨成熟，這對化石能源消費起到了抑制作用。數據顯示，世界首條以輸送新能源為主的能源大通道——青豫直流工程累計向河南輸送新能源電力2 000 GWh，相當于減少煤耗9×105t、減少CO2排放量1.48×106t[26]?？梢?，能源消費結構正在發生著較大的變革，傳統能源安全也將被賦予新的內涵，將具有新的表現形式。

中國長期以來“富煤、缺油、少氣”的特征決定了石油和天然氣長期依賴進口的局面。圖3為中國能源產量情況構成，圖4為中國1990—2018年能源消費構成。

圖3 中國1990—2018年能源產量構成

圖4 中國1990—2018年能源消費構成

除部分年份外，我國能源生產基本逐年增長，能源消費量則一直逐年增長，21世紀以來能源快速增長。但近年來中國能源產量不能滿足國內能源需求，這部分差額由進口量補充。從能源生產和消費結構上看，煤炭產量占比維持基本穩定，石油產量占比整體呈下降趨勢，天然氣產量小幅增長，這與中國能源儲藏結構基本一致。電力及其他能源占比則逐年增長，得益于國家大力推進電能替代以及新能源發電等先進技術不斷成熟。從消費側分析，煤炭消費占比近年來不斷下降，石油消費占比基本維持恒定，天然氣、電力和其他能源的消費逐年增長，與生產側變化趨勢基本一致。兩者之間的差額分別由進口能源補充，石油、天然氣對外依存度常年保持高位。

基于此，必須重視國家能源安全。報道顯示，中國初步建成四大天然氣進口通道，分別是西北通道(中國—中亞天然氣管道，設計年輸量8.5×1010m3)、東北通道(中俄天然氣管道，近7.0×1010億m3)、西南通道(中緬油氣管道)和東南通道(海上通道)[27]。其中海上通道是石油、天然氣進口的關鍵通道，需要取道馬六甲海峽，國際形勢變化有可能導致這條關鍵通道被“切斷”。中緬油氣通道一定程度上緩解了中國對于馬六甲海峽的依賴，但中國石油、天然氣對外依存度高、整體的能源安全形勢依然比較嚴峻。文獻[28]針對能源利用中的主要問題闡明“能源缺口”的成因，并提出發展新能源和提高能源利用效率可以消除“能源缺口”，提升能源安全；文獻[29]以陜西省和廣東省為例，對能源生產大省和消費大省的能源供給情況與存在的問題進行分析，評估兩省能源安全并提出針對性的建議；文獻[30]指出人類已經邁進地緣政治時代，從能源貿易視角構建了基于能權的靜態博弈模型和競爭性均勢模式；文獻[31]基于混合投入產出分析研究能源安全性。在此背景下，推進新能源發展，基于能源互聯網實施能源替代具有重要的意義。

1.3 能源互聯網應用與價值

基于能源互聯網的能源互替可以服務于國家能源安全和環境改善。直觀上理解，能源互聯網是打破能源壁壘，實現能源信息互通，完成能源互聯、互替互用的能源網絡；也是服務國家能源戰略，促進能源消費體系變革，涵蓋能源生產、進口、運輸、儲存和消費各環節所涉及到的設備、機器、系統，基于一定運行規則，廣泛應用先進技術手段的能源網絡。國內外學者關于能源互聯網的概念有不同的理解和解讀。文獻[32]指出能源互聯網是以電為核心，利用可再生能源發電技術、信息技術，融合電力網絡、天然氣網絡、供熱/冷網絡等多能源網以及電氣交通網形成的異質能源互聯共享網絡。不論何種定義，能源互聯網關鍵在于信息共享、能源互濟。

在社會、經濟、環境和安全多方面的共同需求下，基于能源互聯網平臺的多種技術和應用得以發展，也進一步促進和推動了能源互聯網的發展。概念方面，文獻[33]基于能源互聯網框架研究負荷峰值轉移問題，考慮具有儲能裝置時用戶的雙重角色，以終端用戶的日內用能成本最小為目標，考慮網絡約束下實現峰值負荷平抑，旨在解決能源短缺的問題；文獻[34]總結了關于能源互聯網的四種普遍的定義——智能電網、全球能源互聯網、量子網絡和大型物理網絡系統，介紹了能源互聯網中能源路由器、能源樞紐、能源互聯網訪問設備、智能能源管理和能源交易等技術。應用方面，文獻[35]考慮新能源發電、儲能、電動汽車和能源交易平臺，建立混合整數線性規劃，利用遺傳算法解決用戶儲能和電動汽車的最優充電控制問題；文獻[36]考慮價格和風險成本配電網進行分析，從電力商角度對系統進行優化。綜上所述，能源互聯網具有的價值簡要分析如下。

1.3.1 促進能源結構轉型

能源對外依存度影響國家能源安全，氣候環境嚴峻形勢影響可持續發展。很顯然，能源頂層設計要進行結構轉型，降低化石能源使用比例，用新能源代替環境污染指數大、對外依存度高的能源。能源互聯網作為能源互通、信息共享的統一平臺，為能源互濟提供機會，可以深入挖掘綠色能源替代化石能源的空間、深度探索新技術手段應用于節能減排、降低能耗的實現途徑。理清底層能源轉換具體形式，暢通網絡能源互濟、信息共享，將為頂層能源結構轉型提供堅實保障。

1.3.2 提供信息互聯平臺

能源互聯網是實際物理網絡與信息網絡的融合，物理系統是框架，信息流是“神經”，是支撐網絡安全和經濟運行的關鍵要素。系統穩態運行時，基于供給、需求、價格和通道運載能力等信息做出合理決策和經濟調度；遭遇緊急突發事件時，緊急事件的信息通過網絡傳遞，能源系統基于此做出動作，多能源統一協調、互相支撐。

1.3.3 實現經濟靈活可靠運行

供給側能源結構變革，從結構上促進能源網絡的綠色運行，減少碳排，降低系統的能源對外依存度、提高新能源利用比例，實現能源的合理化利用。運輸側能源經濟運行，能源運輸通道部分共享，信息深度交融，多種能源互相備用、互相支撐，減少重復投資，提高系統運行靈活性和網絡應對突發事件的處置能力；消費側能效提升，在不影響用戶用能滿意度的基礎上選擇不同形式能源達到目標，這種能源類型的平穩過渡有利于平抑能源波動或某種能源的暫時性短缺。

2 能源結構調整

能源互聯網系統的構建極大依賴于能源供應，在環境約束下對能源互聯網供給側的能源構成進行設計。簡單來講，需要探索經濟增長與環境效應的關系，進而分析強約束下的經濟增長模式和碳排放軌跡，以此為基礎確定未來一段時間內能源消費結構，倒逼能源結構轉型和能源科技發展。系統目標的達成是各子系統作用的綜合效應，由于各省/區經濟發展和科技水平不同，差異化推進各地區能源轉變能保證整體指標的完成。

2.1 經濟增長與環境問題內在關聯

庫茲涅茨曲線是諾貝爾獲得者、經濟學家庫茲涅茨用來分析人均收入水平和分配公平程度關系的學說。它描述了公平程度隨收入增長先增后降的倒“U”形曲線的關系。隨著經濟發展和環境惡化之間的矛盾逐漸凸顯，許多學者關注這一問題，且發現環境惡化程度和經濟增長之間也存在圖5所示的倒“U” 形曲線(EKC曲線)形式[37]。

圖5 環境庫茲涅茨曲線示意圖

具體來講，環境在低收入水平上隨人均經濟增長而惡化，在高收入水平上隨經濟增長而好轉。其中存在庫茲涅茨環境拐點(并非是一個具體的點，而是一個區間)，環境在拐點出現之前逐漸惡化，在拐點出現之后漸漸好轉。與環境問題密切相關的是碳排放問題，關注的重點在于碳排放峰值什么時候出現，以及如何加速轉折點的出現。

圍繞這一問題，許多專家學者從碳排放驅動機制以及碳排放核算和預測等多個角度進行相關研究。碳排放驅動機制方面，文獻[38]選擇6個不同地區作為研究對象，基于EKC曲線研究空氣污染與經濟增長之間關系，將碳排放量、人均國內生產總值、外國投資等多變量輸入到建立的隨機效應和固定效應模型中，結果顯示不同地區具有不同的EKC曲線形式。文獻[39]利用STIRPAT模型分析江蘇省碳排放量與人口規模、人均GDP以及城鎮化率等指標之間的關系，定量給出不同指標變化時碳排放量變化的具體比例。碳排放預測與生產模擬方面，文獻[40]指出碳排放峰值對經濟轉型會產生倒逼機制，但目前還鮮有研究真正揭示該機制的基本特征和運行機理，沒有給出在碳峰值目標倒逼機制下的經濟轉型路徑。文獻[41]基于碳排放約束，設計重點行業部門的轉型情況，模擬中國能源消費總量和結構變化。

2.2 能源結構與區域分解

能源結構決定了各種能源的使用比例和使用方式。調整能源結構、轉變能源消費方式是許多國家應對氣候變化、實現可持續發展的重要舉措。國家統計局數據顯示，2020年中國前三季度清潔電力生產比重明顯提高，規模以上水電、核電、風電和太陽能發電占總發電量的29.2%[42]?！吨袊茉措娏Πl展展望2020》顯示，中國2060年電力有望實現近零排放，電能占終端能源消費比重、非化石能源占一次能源消費比重將分別達到70%和80%[43]。據預測，全球在2025年可再生能源裝機占比達到50%左右，2050年非化石能源占比達到40%左右[44]。不論從全球還是中國來看，化石能源消費將會持續下降，以新能源為代表的非化石能源將會受到越來越多的關注，電能作為清潔能源在節能減排等方面將發揮更大作用。

能源結構調整從整體上規劃了一段時間內的發展路徑，具體實現需要依靠各個子系統的協調配合，即在“蛋糕”做好之后確定各個子系統分得多少的問題，讓各消費主體公平承擔能源結構改革任務?！?019—2020年全國碳排放權交易配額總量設定與分配實施方案(發電行業)》、國家發展改革委和國家能源局關于印發各省級行政區域2020年可再生能源電力消納責任權重的通知中指出，碳排放配額和新能源消納責任均按照一定原則實現劃分。目前，關于碳排放強度約束目標下的地區分解方案等問題也有相關研究。文獻[45]利用泰爾指數進行區域分解，基于產業結構和能源效率等因素分析東部、中部和西部三個區域間碳排放的不平衡，結果顯示能源效率是造成區域不平衡的關鍵因素，中東部地區在經濟發展過程中更加重視節能和低碳發展。文獻[46]基于公平性指標、效率性指標、可行性指標和可持續性發展指標建立了碳排放總量控制目標分解模型，根據模型將2030年碳排放量總量預測值進行省級分配。文獻[47]利用LMDI分解方法分析了工業各行業對于碳排放的影響。

3 能源跨區模型

3.1 基本結構

能源互聯網系統由若干子系統構成，每個子系統可以獨立完成能源的生產、進口、外送、消耗和儲備等功能，是具有獨立性和系統性的能源系統，可以將一個能源子系統抽象為圖6所示的結構，同時接收外部系統、本地能源和負荷等多種信息并完成能源的轉換和分配。

圖6 能源子系統的結構示意圖

顯然，能源樞紐與各渠道之間進行雙向的信息溝通，既要滿足本地負荷和外送需求，又須兼顧本地能源和進口能源的供給能力。由此，衍生出多個問題，代表性問題分析如下。

3.1.1 基于歷史大數據的預測

如前所述，碳排放量將作為強約束指導能源結構變革，需要對碳排放的演變趨勢進行預測分析。能源消費與經濟增長息息相關，從全局看，做好國家層面的能源消費預測是系統平衡、能源規劃和政策制定的基礎[48]。而本地經濟發展趨勢、產業結構和城鎮化率等均會作用于能源消費，需要深入分析基于社會因素的能耗預測方法。本地能源開采量、能源儲備量、能源購入量和外送量預測是做好本地平衡的基礎。除此之外，衍生出的新能源利用、新技術應用趨勢也需要分析。文獻[49]基于建立的模擬場景預測2020—2050年中國電力行業的能源消費結構、電力生產和需求構成，預測分析碳排放特征和減排潛力。文獻[50]通過改進常規灰色預測模型對碳排量較大的中國、美國、印度三國的生物能源的生產消費和平衡情況進行預測，描繪未來一段時間內的能源生產和消費格局變化。文獻[51]提出多行業的氫負荷預測函數和計及原始數據檢驗的滾動灰色預測方法。

3.1.2 考慮本地分布負荷特性的單一能源規劃

基于宏觀政策，結合不同主體、不同層次預測結果，各能源運輸主體承擔能源配分任務。各種能源的特性不同、產銷地不同、運輸方式和路徑不同，能源運輸的模型也不完全相同。但總體來講，運輸過程中均需要考慮各種運輸通道的運力約束，需要考慮通道堵塞情況下的應急處置。文獻[52]建立分區煤炭供給模型來研究優化未來中國煤炭的產、運格局。文獻[53]分析了多種因素對于石油、天然氣供應鏈穩定的影響。文獻[54 - 55]指出煤炭等整個能源行業應急保障能力還有待提高，提出應該建立健全能源應急保障管理的體制機制、加強能源跨區域調度和應急能源儲備能力。

3.1.3 綜合能源輸儲用模型描述

不同能源由統一的調配中心進行安排，暢通各能源運輸主體信息交流，實現能源供給側互聯互通。一方面，統一主體調配可以綜合考慮多種能源分布特點和需求側能源需求，最大限度利用供需兩側信息，實現能源運輸通道的最優利用，減少由于信息缺乏或不對等情況下造成的通道堵塞；另一方面，在滿足用能需求和用戶滿意度情形下實現能源供給側互補，充分保障能源流動性和安全性。具體來講，考慮低碳經濟和可持續發展，結合用戶多能互補利用空間，在確保能源供應安全的條件下，以成本最小為目標建立綜合能源的統一調配模型。文獻[56]提出多個微電網的混合能源共享框架，提高具有熱電聯產和需求響應的熱電集成能源系統的靈活性。文獻[57]分析了熱泵、儲熱和需求響應對于綜合能源系統年度運行成本、消耗量和二氧化碳排放量的影響?？傮w來講，現有研究集中在設備層，對于省或國家層面的統一能源調配系統的研究還比較少。

3.1.4 能源市場和規劃

能源具有商品屬性，在能源運輸網絡運行過程中，極易受到市場的影響。能源價格會影響用戶對不同能源的需求，進而影響生產側的能源開采。能源供需波動對于能源網絡的運行有較大的影響，需要研究能源市場的演化機理，預測能源市場走向和變化趨勢，為能源運輸提供市場化指導。另一方面，規劃應該走在市場的前邊，基于市場化下能源波動，應該對能源網絡進行有效評估規劃，滿足突發情況下的能源穩定供應。對消費側來講，要規劃多種能源的應急儲備。文獻[58]分析了能源供應商、綜合能源服務提供商和能源用戶之間的關系，提出一種考慮能源級聯利用的區域綜合能源系統日前能源交易策略；文獻[59]提出兩階段隨機規劃模型和集成能源市場的兩階段清算模型，設計了市場結算的流程。

總體來講，對于預測、優化和規劃問題的研究比較多，但大多集中于電力行業或以電力為主體的區域綜合能源系統的運行，對于城市、省區或國家層面的能源互聯網系統問題研究較少，沒有一個統一的描述體系。

3.2 含多主體的統一能源網絡模型

單個能源子系統描述了一個用能單元的能源輸入輸出端口聯系，涵蓋了能源生產、進口、轉換設備和儲能裝置等方面，但能源互聯網由多個用能子系統和運輸通道組成，跨區之間的能源運輸流動也是能源互聯網關注的重點。

目前，煤炭、石油、天然氣及電力分別通過分立的運輸商進行區域間運輸，各利益主體之間信息封閉，在追求各系統利益最大化的同時忽略了能源互補這一特性，系統整體的經濟性難以保證，能源結構得不到充分優化，單一系統的危機很難通過能源協調化解，抵御突發安全事件的能力較差[1,5,51]。

能源區域間流動可以等價為能源物流問題，對單一能源網絡，在考慮各種運輸約束的前提下以系統運輸成本最小為目標進行能源優化分配。以煤炭為例[52]，區域煤炭活動主要包括煤炭生產、需求、庫存、能源流入、能源流出、進口、出口，出于地區能源供應安全的考量，庫存保持動態恒定，總量認為不變，則平衡式如式(1)所示。

Ni=Mi+Ii+Pi-Qi-Oi

(1)

式中：Ni為煤炭需求量；Mi為煤炭生產量；Ii為煤炭進口量；Pi為其他能源網絡運至網絡i的煤炭量；Qi為網絡i運送到其他網絡的煤炭量；Oi為煤炭出口量。

在煤炭系統中，要同時考慮本地煤炭的產能和運力的約束，可得式(2)—(3)。

Mi≤σi×Mei

(2)

Pij≤Peij

(3)

式中：Mei為i省本地的煤炭產能；σi為煤炭產能利用率；Pij為j地區運至i地區的煤炭量；Peij為j地區至i本地煤炭運輸通道的運能。

在產銷過程中的關鍵是煤炭運輸經濟性，以煤炭運輸成本最小為目標建立式(4)所示目標函數。

CT=min(∑Mi×CMi+∑i∑jPij×CPij)

(4)

式中：CT為整個煤炭運輸網絡的運輸成本；CMi為i地區單位產煤成本；CPij為j地區至i地區的單位運能成本。

基于上述分析，聯合式(1)—(4)可以得到煤炭網絡的優化調配模型。

在能源互聯網背景下，考慮終端用能用戶的能源需求，將多網絡綜合進行優化，在滿足用戶用能需求的同時可以實現供給側能源的互補，提供能源連續供應的持久性和可靠性。

在具有N種能源、M個能源子系統，B條運輸通道的能源網絡中，定義能源節點關聯三維矩陣A(i,k,j),i=1,2,…,M,j=1,2,…,M,k=1,2,…,N，B=max(bk),k=1,2,…,N，bk為第k種能源的運輸通道總數。

(5)

式中：aikj描述第i個能源網絡和第j個能源網絡之間是否有第k種能源的交換，取值為-1、0、1，其具體意義詳述如下。

當aikj=0時，代表i網絡和j網絡沒有能源k的交換或沒有相關能源通道；

當aikj=1時，代表i網絡和j網絡之間有第k種能源交換，且從j網絡流入i網絡；

當aikj=-1時，代表i網絡和j網絡之間有第k種能源交換，且從i網絡流入j網絡；

為計算能源運輸量、運輸費用、能源自給量和開采費用等，分別定義能源運輸矩陣E、 單位運輸成本矩陣S、 進出口矩陣I/O、 自開采矩陣D。

式中：Sk、Ek、Ik、Ok、Dk分別為第k種能源的單位運輸成本矩陣、能源運輸矩陣、能源進出口矩陣和能源開采矩陣；ikj、Okj、dkj(j=1,2,…,M)分別為第j個能源子系統中第k種能源的進口量、出口量和開采量。

則運輸成本ZT、 運輸過程中的碳排放成本ZC分別表示如下。

(7)

式中：S為單位運輸成本矩陣；sikj為i地區到j地區運輸第k種能源的單位運能成本；E為能源運輸矩陣；eikj為從i地區到j地區運輸的第k種能源量。

(8)

式中Pk為運輸第k種能源的單位碳排放成本。

考慮能源運力約束，可得式(9)。

?i、j、k,eikj≤eikjmax

(9)

式中eikjmax為i地區到j地區的第k種能源運輸通道的最大運力。

綜合可得能源運輸模型如式(10)所示。

minZ=min(ZT+ZC)

(10)

s.t. ?i、j、k,eikj≤eikjmax

式中Z為運輸總成本。

矩陣形式的能源網絡建?？梢院芎玫孛枋瞿茉淳W絡中能源流動的特征，具有很強的拓展性，可應用于不同規模、不同層級的能源運輸網絡。需要注意的是，能源互聯網包含多種能源的運輸，不同能源的運輸路徑不同、方式不同，所以其模型的具體表現形式是復雜的，尤其是保證用戶用能滿意度情況下實現能源的互替。

3.3 能源網絡評價與規劃建設

能源互聯網是基于能源政策和其他因素不斷修正和建設的適應力強且具有可擴展性的能源網絡，其建設是一個不斷修正的動態過程。

圖7展示了能源互聯網動態變化過程。

圖7 能源互聯網評價和建設流程

能源互聯網動態變化過程一方面是對網絡進行評價，另一方面是基于評價的規劃建設。根據統一能源網絡模型算得整個能源系統的能流分布，對運輸側，評估運輸通道利用率和應對突發事件能力；對消費側，評估運輸網絡故障時的能源自給能力，基于評價結果進行分析，著重關注系統薄弱點，其中包括可能過載的通道、容易發生堵塞的通道以及用戶儲備不足等。文獻[60]建立綜合能源安全評價體系，從能源側的能源可利用性和穩定性等角度出發評估中國30個省份的能源安全；文獻[61]利用博弈交叉效率模型，將能源等作為輸入變量，環境污染物和地區生產總值等作為輸出變量評估省級能源效率。

4 能源終端優化利用

4.1 能量樞紐的基本模型

在終端能源利用過程中，能源樞紐[62]被廣泛應用。能源樞紐可以描述輸入輸出之間的轉換、分配關系?？梢杂檬?11)來表示。

L=f(P)

(11)

式中：P為各種能源輸入量矩陣；f(·)描述能源的傳輸、轉化和分配過程[63]；L為經系統一系列作用之后的能源利用矩陣。

這一模型的建立并沒有針對特定的系統，具有很好的擴展性，可應用于不同尺度的能源網絡中。系統包含電纜等能源傳導設備、電動機等能源轉換設備和抽蓄電站等能源存儲設備[64]。

進一步，可以將輸入輸出之間的復雜關系用矩陣形式描述，稱之為耦合矩陣C。

(12)

式中：cij為第i種輸入能源和第j種輸出能源之間的耦合因子；L1，L1, … ,Ln分別為經系統傳輸、轉化和分配后的輸出量；P1,P2,…,Pm分別為對應系統不同能源的輸入量。

基于此模型可做進一步分解，該模型內部可以涵蓋儲能、新能源和電動汽車等多種主體。已有較多文獻針對含不同主體的能量樞紐進行分析建模。

4.2 基于能量樞紐的系統運行

對系統進行建模是一方面，另一方面是利用建立的模型指導系統運行，以達到成本最低或碳排放最小等目標，基本模型如式(13)所示[64]。

(13)

式中：C為描述系統的耦合矩陣；F(·)為描述能源系統成本或碳排放的函數；P為能源輸入；Pmin和Pmax分別為能源輸入的最小和最大值。模型的優化變量為能源輸入和轉換過程等，約束包括供需平衡約束和各環節的上下限約束。

不同類型的能源樞紐有不同的能源利用形式和優化目標。文獻[65]考慮可再生能源發電和負荷的隨機性，將能量樞紐容量設計問題分別描述為考慮機會約束和魯棒約束的優化問題，并提出一種迭代算法進行求解。文獻[66]提出一種分布式拍賣機制，用戶將能源需求提交給處理中心，中心采用交替方向乘子法(ADMM)求解分布式問題進而確定方案。文獻[67]建立了包含儲能和電動汽車的能量樞紐模型，分析污染物交易對于運營成本的影響并提出優化調度策略。

5 市場參與下的能源互聯網

制度調控和市場調節在資源配置過程中均發揮了較大的作用，“有形的手”和“無形的手”相互聯系、相互補充。從1997年到2007年，市場化對經濟增長年均貢獻1.45個百分點[68]。市場化對于能源互聯網建設有顯著推動作用，關于不同行業的市場化進程也逐步推進。文獻[69]基于用戶參與電力和碳排放市場的環境利益，提出一種兩階段調度模型，基于零和收益數據包絡分析模型設計多準則分配方案。文獻[70]通過建立能源和碳排綜合價格來協調傳輸和分配方案。文獻[71]提出一種線性松弛的交流最優潮流模型，以此為基礎完成電力市場的日前出清。

但同時要意識到市場化是一種從計劃性向博弈性轉變的過程，不是簡單地取締能源中心。由于涉及到跨區能源輸送，送端系統的不確定性或通道阻塞將會導致受端系統的風險，此時系統面臨的風險將傳遞給各用能用戶。各能源系統是能源購買的決策者，通過與市場之間的交互確定找到適合自己的模式，能源流動過程中的決策者增多，必然存在利益沖突和妥協，風險進一步加大。文獻[72]以云南水電市場為背景，指出其存在電價等決策因素不確定性大的問題，構建了兼顧收益與風險的發電計劃模型。文獻[73]通過引入阿羅-德布魯一般均衡模型來實現機會受限隨機電力市場的風險交易并得出了考慮風險的市場出清模型。

6 討論與展望

6.1 能源結構更加優化

當前對于能源結構已經進行了初步探索和分析，結合碳排放約束的能源結構轉型問題也逐漸受到關注。但能源結構變革不是一蹴而就、一步到位的，是與經濟發展和社會變遷緊密聯系的動態過程，是沿著節能減耗、綠色發展大方向前進的探索過程。還存在多方面問題需要深入研究。首先，中國當前確定了碳減排目標，在強約束且不對經濟造成較大影響的情況下如何進行生產安排是重中之重，既要考慮各行業的承受力和變革空間，也要考慮各地區的資源屬性和發展差異；其次，由于固有的能源稟賦，中國將在較長時間內依賴于國外的石油和天然氣，這一局面如何盡早改變需要探討；再有，能源互聯網技術和運營模式要走在結構轉型之前，要能夠為宏觀能源政策提供平臺支撐，其中涉及到技術問題，以碳捕獲、利用與封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)和新能源為代表的技術如何規劃發展從而促進結構轉變也需要討論。

6.2 能源互聯網的安全預警和經濟運行

隨著能源轉型發展的不斷深入，系統網架一方面變得越來越成熟，另一方面也變得越來越復雜，系統運行牽涉面越來越廣，涉及從生產、傳輸、轉化、消費各環節，運行風險進一步加大。加之多種能源的融合，以新能源為代表的多能源不確定性會在不同能源系統之間傳遞，進而增大系統運行風險。建設靈活、堅強、可靠、智能的能源互聯網，要加大大數據分析和信息技術支撐，建立系統風險預警平臺，建立健全系統應對風險挑戰的應急處置機制；要加大多種能源的儲備力度，打通儲備和系統之間的信息通道，提升系統遭遇緊急事件時與儲備能源之間的協同能力。此外，能源互聯網建設絕不能以系統經濟發展為代價，要探索系統經濟運行的新方法、新途徑，實現綠色、經濟、安全協同發展。

6.3 信息技術廣泛應用

能源互聯網的物理系統將各主體物理連接，而信息流動使整個系統具有活力和應用價值。生產和消費兩側信息融合是能源流動的前提，信息傳遞是大系統安全經濟運行和小系統區域自治的基礎。產消側消息匯集至能源調度中心才能進行合理的能源分配；應對突發事件時，預警信息的全網傳遞才能使各環節啟動相應應急預案，做出合理應對，避免損失擴大。要加強“5G”等先進信息技術的利用，促進系統發展。

6.4 市場與能源互聯網深度融合

能源互聯網除實際物理系統和信息技術外，需要研究市場與能源互聯網的融合過程。市場是促進能源互聯網不斷發展的關鍵因素，是激發市場主體活力的驅動因素。能源互聯網是多主體、多能源系統共同參與的，市場化下的能源交易將使得系統迎來更多的機會和挑戰。要考慮能源價格、能源需求、能源用能行為等因素，探索新的商業運營模式?，F階段關于電力市場、天然氣市場、碳排放市場等已有一定的研究，但在能源互聯網背景下探索綜合能源市場還比較少。

6.5 提升能效和綠色用能縱深推進

要引導用能終端探索能源互替新途徑，發展節能減排新技術。通過需求側響應等手段引導用戶改變用能習慣，順應能源供應側變化。通過市場機制引導用戶選擇新能源電力等綠色能源，在用能舒適度不發生較大變化的前提下選擇更加清潔的能源。大力發展CCUS技術，推進節能減排和碳捕集兩環節共同發力。

7 結語

隨著經濟增長、能源消費和環境惡化之間的矛盾日益凸顯，世界各國都在積極探索新發展路徑，允許能源互濟、融合新能源和其他先進技術的能源互聯網為此提供了平臺。本文以中國能源消費結構、碳排放和能源安全形勢為出發點，介紹了當前中國在這幾方面存在的問題?；诖?，回答了為什么要建設能源互聯網、建成什么樣的能源互聯網以及如何建設這樣的能源互聯網這3個問題。針對如何建設能源互聯網，本文將其分為3個層次，分別為能源結構轉型、區間能源流動和區域能源優化，并綜述了相關研究方法。討論了市場參與能源互聯網建設的優勢，展望了能源互聯網建設過程中可能會進一步發展的方向，并提出一些針對性的看法和建議。

目前對于各方面的研究相對比較獨立，從本文視角描述和分析能源互聯網的研究成果還比較少，希望本文能為能源互聯網相關研究提供參考。