第1章绪论
1.1综合能源系统概述
1.1.1综合能源系统的概念
能源是人类文明进步的基础和动力，攸关国计民生和国家安全，关系人类生存和发展，对于促进社会经济发展、增进人民福祉至关重要[1]。建设新型能源体系，既是推动能源绿色低碳转型、实现碳达峰碳中和的重要支撑，也是保障国家能源安全的必然选择[2]。互联网、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术与能源系统全过程深度融合，加快了能源系统数字化、网络化、智能化转型4]。建设清洁低碳、安全可靠、泛在互联、高效互动、智能开放的智慧能源系统，即能源互联网，能够支撑清洁能源的高效利用、多种能源的优化配置以及能源服务的智能创新，从而提高能源利用效率和能源管理水平。综合能源系统是在能源互联网环境下，满足终端用户灵活化、多样化、低碳化、智能化能源服务需求，提高能源综合利用效率的新型能源服务模式，旨在实现电、气、冷、热等多类型能源资源的综合利用，支撑能源类型的互补、能源系统的互联以及能源服务的集成与定制，促进多类型能源资源的高效转化、协同互补与梯级利用，实现横向多种能源的互补协调优化，纵向源-网-荷-储的分层有序梯级优化6]。建设综合能源系统对于提高能源综合利用效率，促进能源系统清洁低碳、协同互补、安全可靠、经济高效运行，实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。
综合能源系统的概念*初源于热电联产（combined heat and power，CHP）领域，重点在于优化热电系统的协同运作[7]。随后，综合能源系统的内涵逐渐丰富，涵盖了电力、热能、冷能、天然气等多种能源子系统。国内外学者一般将综合能源系统定义为：在国家、区域、社区甚至单*建筑层面上，通过协调各类能源的生产、运输、分配、存储、转换和消费等环节，实现电力系统、天然气管网、供热系统等能源系统的规划、设计和运行优化的能源产销一体化系统9]。综合能源系统的基本结构如图1.1所示。
图1.1综合能源系统的基本结构
综合能源系统一般是以电力为核心，提供电力、热能、冷能、天然气、水等多种能源的一体化解决方案。在综合能源系统规划、设计、建设和运行等各个阶段，通过中央智能控制服务中心，实现各种能源之间的协同作用和互动，以及“源、网、荷、储、用”等各个环节的协同运作。综合能源系统是能源革命的一种实现形式，对于提高能源利用效率、促进能源可持续发展具有重要意义。
根据地理分布以及能源自身的供应、输配和需求特性，可以将综合能源系统分为区域级、城市级和园区级。区域综合能源系统覆盖了特定地理区域内的能源供应和需求，包括多个能源站，并使用多种能源网络进行能源共享，可以优化区域内各种能源的利用，提高能源系统基础设施的利用率城市综合能源系统是城市系统的重要组成部分，与城市的各个子系统密切相关[11]。城市综合能源系统通过清洁能源开发利用、分布式储能、联防联控等技术手段帮助解决城市发展面临的能源短缺和环境污染问题[12]。园区综合能源系统关注个体用户或者建筑内的能源供应和需求[13]，通过智慧能源管理技术从能源的生产、转换、储存和消费等方面提高能源的利用效率[14]。
1.1.2综合能源系统的构成
随着新一代信息技术的迅速发展，综合能源系统实现了能源信息物理系统的深度融合，同时也有效地将网络信息流与能源流结合起来[15]。这种结合在提高综
合能源系统自动化程度的同时也使得能源网络与信息网络的交互机制变得日益复杂[16]。这种自动化程度的提高和信息技术的应用，使得综合能源系统能够更加智能地管理能源供给、转换、存储和使用。图1.2为信息物理融合背景下的综合能源系统[17，18]。
图1.2信息物理融合背景下的综合能源系统
1.物理系统
综合能源系统的物理系统由电力子系统、天然气子系统和热力子系统等能源子系统耦合而成[14]。综合能源系统中的转换元件包括耦合型元件和*立型元件。耦合型元件是综合能源系统中实现能量转换的关键单元，是不同能源系统之间的耦合节点，包括电气耦合、电热耦合、气热耦合以及气电热耦合等多种形式。在综合能源系统中，不同类型的能源子系统通过热电联供机组、电转气设备、电锅炉等耦合型元件连接。耦合型元件使得综合能源系统中的不同子系统之间能够发生双向甚至多向的能量流动[19]。
*立型元件包括产能元件和储能元件。综合能源系统中的能量生产单元被称为产能元件，是将一次能源转化成可利用的二次能源，或直接将一次能源进行可利用化、可传输化处理的单元，主要包括发电设备和制热/制冷设备等。储能元件是系统的能量存储单元，能够实现能量在一定时间尺度和规模上的储存，包括储电、储热、储气等[20]。
综合能源系统中的耦合型元件的作用是将某种形式的能源转换成另一种形式的能源，以实现能源的灵活利用，包括燃气发电机、电转气设备、电锅炉、燃气锅炉等[19]。燃气发电机以天然气或其他可燃气体作为燃料，通过内燃机等方式将化学能转换为机械能，再转换为电能[21]。燃气发电机在综合能源系统中可以提供电力，同时产生的余热可用于供热或其他用途。电转气设备将电能转换为气能，通常是通过电解水产生氢气，再结合其他反应制造其他气体，如氢气或合成气等，以满足天然气需求或其他气体需求[22]。电锅炉利用电能将水加热为蒸汽或热水，从而提供供热或者制冷所需的热能[23]。在综合能源系统中，电锅炉可以作为热力子系统的一部分，与其他能源转换设备共同为综合能源系统提供热能。燃气锅炉利用天然气等燃气燃烧产生的热能，将水加热为蒸汽或热水。燃气锅炉通常用于供热或工业用途，可以与其他能源转换设备共同组成综合能源系统的热力子系统[24]。通过这些耦合型元件的组合和协调，综合能源系统可以实现不同形式能源之间的高效转换和利用[25]。耦合型元件的使用实现了能源相互转化和梯级利用，提高了能源的利用效率，降低了污染物的排放量[26]。实际综合能源系统还包括很多的元件和耦合设备，如电池、电动汽车（electric vehicle，EV）、储气罐、储热装置、智能楼宇等。
2.信息系统
综合能源系统中，信息系统能够为物理系统提供信息支撑，其作用是通过建立全覆盖的信息系统，利用信息通信技术实现能量流与信息流的融合。综合能源系统中的信息交流主要通过传感器、路由器、交换机、控制器、通信设备实现综合能源系统的感知、通信、计算和控制[27，28]。综合能源系统的信息源包括能源信息、环境气象信息、能源生产信息、能源输配信息、负荷及需求信息、业务交易信息、相关方行为信息等多种类型[19]。传感器用于感知物理世界的各种参数和数据。传感器可以监测能源系统的运行状态、环境条件、用户需求等，将感知到的数据转换为数字信号，并通过通信设备传输给信息系统进行处理和分析。通信设备的通信方式包括有线和无线。这些通信设备将传感器获取的数据传输到信息系统中，以及将信息系统处理后的指令传输给控制设备和执行单元，实现对能源系统的实时监控、调度和控制。通过信息源、传感器和通信设备的协同作用，可以实现对综合能源系统的全面感知、智能控制和优化管理。
综合能源系统中根据能源子系统的功能特性安装了相应的信息收集设备以检测系统运行状态。在电力子系统中，需要实时采集一系列与能源生产、输配、消费环节相关的参数和信息，包括交直流电压、电流、功率、频率、电能质量等能量参数，温度、风速、风向、辐照度等环境参数，以及个体交易行为、组织交易行为、交易互动、交易评价等交易信息。在天然气子系统中，需要设立天然气管道采集点，设置采集压力、流量、温度等参数。为确保天然气系统的安全性，还需加装安全报警和检测系统，如天然气泄漏、储存设施越界闯入等报警装置，全面检测天然气储存区的周边环境参数。在热力子系统中，需要采集热源和管网的供水和回水的压力、温度、热功率、补水瞬时流量、累积流量等参数。中继泵站需要采集进出口母管压力、除污器前后压力、水泵吸入和泵出压力、设备运行状态等参数状态。在蒸汽供热时，还要采集凝结水系统的凝结水温度、凝结水回收量、二次蒸发器和汽水换热器的压力、温度、流量等信息。同时，不同能源子系统所属运营商或部门不同，需要通过协调各个子系统以达到*佳的运行状态[29]。
在综合能源系统中，许多传感器都位于自然环境中，这对传感器的稳定性和抗干扰性提出了更高的要求。随着技术的发展，一些新型传感器不断涌现，如分布式光纤传感器、热红外成像传感器等，它们具有体积小、灵敏度高、稳定性强等优点，为综合能源系统的信息系统建设提供了更好的选择。综合能源系统面临着诸多挑战，其中包括条件环境复杂、信息采集量众多且位置不稳定等特点。因此，通信方式必须具备自适应性、易扩展性、抗干扰性等特点。此外，针对不同的能源主体，选择合适的通信方式至关重要。光纤通信具有传输频带宽、抗干扰性强、信号衰减小等优势。这种通信方式具有容量大、距离远、抗电磁干扰性强、保密性好、传输质量高、尺寸小、重量轻、无辐射、材料丰富、环境保护好、适应性强、寿命长等优点，特别适用于城市范围内的能源骨干通信网。通过光纤通信技术，可以有效解决综合能源系统中信息传输的问题，提高系统的稳定性和可靠性[30]。
1.1.3综合能源系统的特点
综合能源系统通过整合区域内石油、煤炭、天然气和电力等多种能源资源，实现多异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济。综合能源系统有助于打通多种能源子系统间的技术壁垒、体制壁垒和市场壁垒，促进多种能源互补互济和多系统协调优化。在保障能源安全的基础上，利用综合能源系统促进能效提升和新能源消纳，大力推动能源生产和消费革命，综合能源系统的核心理念是通过各级、各类能源网络的互联互通、供给设施的共享和消费过程的综合利用，实现信息驱动的综合能源系统资源优化配置，促进各类能源消费的零碳化。综合能源系统的特点主要体现在以下方面。
1.多能互补
相较于传统的消费形式与消费用途一一对应的能源消费体系，综合能源系统将各种能源资源综合性输入，根据其品质高低进行综合互补利用。通过设定的能量配合关系，实现不同能源形式的转换，以达到*佳的能源利用效率。
在传统能源利用模式下，大部分能源在价格高昂的时段，用能成本会大幅增加。在基于多能协同管理的综合能源系统中，用户需求响应可以实现用能种类转换与时间转移相结合。因此，充分利用通信、分布式储能、分布式能源转换技术，能够有效激发负荷柔性[31]。在终端消费时，用户也能通过选择不同种类的能源达到同样的效果，打破了传统能源消费形式与消费用途之间一一对应的关系，实现了能源综合利用和用户侧选择性消费。不同类型能源相互耦合与相互替代的特点为需求侧多能互补提供了重要支撑，有助于实现综合能源系统的供需双向互动，促进能源消费者转换为产消者。
因此，在能源综合利用模式下，综合能源系统可以发挥传输便捷、传输损耗小、清洁能源消纳能力强的优势。这有助于打破不同能源品类之间的壁垒，充分调动各类异质能源子系统参与资源优化配置。推动能源系统由单一化供应模式转变为多元化供应模式，有助于实现各种能源的高效利用，降低用能成本，达到经济、环境、社会效益的总体*优效果。
2.深度融合
由于不同类型能源系统发展的差异，能源供应往往都是单*规划、单*设计、*立运行的，彼此间缺乏协调，进而造成了能源利用效率低、供能系统整体安全性和自愈能力不强等问题。为了解决这些问题，需要从协同规划理念出发，将多种类型的能源系统有机耦合，提供一个多种能源综合利用的平台。通过充分发挥不同能源的互补特性和协同效应，在更大范围内实现能源系统资源优化配置，提升系统灵活性，提高可再生能源消纳能力和系统综合能效。
综合能源系统涵盖了供电、供气、供暖、供冷、供氢和电气化交通等能源系统。深度融合是在综合能源系统“源-网-荷-储”纵向优化的基础上，充分利用各类能源系统中能源终端消费需求的不同时空分布特性和互补耦合特
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