中國儲能網(wǎng)訊：2016年2月份， 國家發(fā)改委、能源局、工信部聯(lián)合發(fā)布的《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》提出了微平衡的理念：
構建以多能融合、開放共享、雙向通信和智能調控為特征，各類用能終端靈活融入的微平衡系統(tǒng)。
建立基于互聯(lián)網(wǎng)的微平衡市場交易體系，鼓勵個人、家庭、分布式能源等小微用戶靈活自主地參與能源市場。
鼓勵企業(yè)、居民用戶與分布式資源、電力負荷資源、儲能資源之間通過微平衡市場進行局部自主交易，通過實時交易引導能源的生產(chǎn)消費行為，實現(xiàn)分布式能源生產(chǎn)、消費一體化。
我們清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院是該文件的重要支撐團隊，我本人也參加了這個文件的起草工作。德國的C-sells示范項目，是繼六個E-ENERGY燈塔項目的第二階段能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目，該項目很好地體現(xiàn)了微電網(wǎng)群形態(tài)下的微平衡，特此與大家共享。
今天在網(wǎng)上看到國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布的 發(fā)改能源[2017]1901號文件《關于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》明確了分布式發(fā)電就近交易的過網(wǎng)費政策，110千伏以下的50兆瓦以內的分布式發(fā)電項目的過網(wǎng)費大體會在5分錢左右。這對于微平衡系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了關鍵的政策支撐。
感謝Dr. Ole Langniss先生于2016年11月3日來清華大學做講座"Smart Grids for RE Integration - Large Scale Showcase C/sells"，文中的PPT大部分來自于那天他的報告，感謝交能網(wǎng)團隊仔細梳理有關資料，并撰寫成文。
何繼江
“C-sells”展現(xiàn)未來能源系統(tǒng)應該具備細胞般的自主性、分布式的參與性以及完整的多樣性。能源網(wǎng)絡和IT設施將分布式能源等能源生產(chǎn)者與能源用戶連接起來，通過多能互補、進行靈活性的市場化交易，實現(xiàn)從一個細胞結構到跨區(qū)域的能源系統(tǒng)優(yōu)化。
德國一直是全球能源轉型的先行者。2015年，德國可再生能源發(fā)電在總用電量中的比例已達32.5％。此外，2015年德國風光裝機占比超過40%，而棄風棄光率僅為1%左右。德國能源轉型已取得令人羨慕的階段性成果。
德國能源轉型促進了當?shù)匦履茉磁c分布式能源的迅速發(fā)展。由此帶來的電力市場多元化、市場主體多樣性以及短時間內的高復雜度，必然會對電網(wǎng)的擴建和儲能提出更高的要求。今天將給大家介紹德國能源互聯(lián)網(wǎng)第二階段示范項目——C-sells。
“C-sells”隸屬于在2016年12月正式啟動的SINTEG項目（Smart Energy Showcases – Digital Agenda for the Energy Transition），是德國繼E-ENERGY六個示范項目后在能源互聯(lián)網(wǎng)方面的進一步探索。E-Energy是2008年德國聯(lián)邦經(jīng)濟與能源部在智能電網(wǎng)的基礎上推出的一個為期4年的技術創(chuàng)新促進計劃。它提出打造新型能源網(wǎng)絡，在整個能源供應體系中實現(xiàn)綜合數(shù)字化互聯(lián)以及計算機控制和監(jiān)測的目標。E-Energy充分利用信息和通信技術開發(fā)新的解決方案，以滿足未來以分布式能源供應結構為特點的電力系統(tǒng)的需求。
“C-sells”是智慧能源系統(tǒng)在歐洲典型的應用項目，是歐洲推進分布式能源的重要窗口。目前有50個來自不同行業(yè)的合作伙伴參與了“C-sells”項目，其中包括了來自運營商和制造商、能源服務以及科研機構和電網(wǎng)調度等類別的眾多利益相關者。
一、為什么選在南德？
“C-sells”的目標是通過數(shù)字化基礎設施（發(fā)電、配電、儲能、地產(chǎn)）實現(xiàn)分散結構的大規(guī)模生產(chǎn)，從而實現(xiàn)生態(tài)進步和經(jīng)濟附加值。C-sell項目選址在德國南部的巴伐利亞州、巴登 - 符騰堡州和黑森州，覆蓋了德國重要的工業(yè)負荷中心如斯圖加特、萊茵-內卡區(qū)域、大慕尼黑地區(qū)，涵蓋2602個城鎮(zhèn)，3000萬人口，80萬個能源用戶。目前，核電是該地區(qū)的能源供應的重要來源之一，約占30%。但是，根據(jù)德國政府的計劃，要在2022年前關閉德國全部核反應堆。所以在這片區(qū)域內，如何將太陽能、生物質能和水力等清潔能源納入到現(xiàn)有的能源系統(tǒng)中，是一個重要的課題。
該地區(qū)具備發(fā)展分布式能源和能源互聯(lián)網(wǎng)的良好基礎。
首先，早在2008年，該地區(qū)就通過技術競賽、成功入選了德國聯(lián)邦經(jīng)濟技術部與環(huán)境部指定6個試點地區(qū)團體之一，參與了E-Energy項目。通過參與E-Energy示范項目，該地區(qū)已經(jīng)具備了良好的網(wǎng)絡基礎設施，也成功積累了項目運維的成功經(jīng)驗。
其次，德國南部光伏裝機容量占全國總量的一半左右，在巴伐利亞州、巴登-符騰堡州和黑森州，超過76萬消費者與能源公司合作。由于巴伐利亞州和巴登-符騰堡州的太陽能生產(chǎn)強勁，黑森州的風力發(fā)電，其復雜的網(wǎng)絡結構擁有400多個分銷網(wǎng)絡，工業(yè)化城市中心與農村人口稀少的地區(qū)相結合并且其在歐洲網(wǎng)絡的中心位置，德國南部為“智慧能源”發(fā)展提供了相當理想的條件。
二、“C-sells”項目的意義？
C-cells項目的標志向外傳達了四個重要信息：示范、互聯(lián)、交易和整合。
示范：巴伐利亞州、巴登-符騰堡州和黑森州是德國太陽能發(fā)電大州，光伏裝機達18 GWp，約占總裝機容量的50%，可以作為日后普遍推廣的解決方案模型。
互聯(lián)：正如標志所展示的，要構建多樣化、類似于細胞一樣組織結構的能源基礎設施，從而實現(xiàn)安全和高效的能源互聯(lián)。在我們未來的能源系統(tǒng)中，自主行動的個體在區(qū)域網(wǎng)絡中如細胞一般相互作用。電力的使用和供應與熱、氣供應共同被優(yōu)化，充分利用細胞內和細胞之間的靈活性。將各種容量大小、具備不同特征的能源網(wǎng)絡和基礎設施整合在一起，從物業(yè)小區(qū)，到區(qū)域網(wǎng)絡直到跨區(qū)輸電網(wǎng)絡層面。在這系統(tǒng)中，電網(wǎng)公司、發(fā)電方、消費者都是“細胞”一樣的存在。最終為所有互聯(lián)的參與方提供一個穩(wěn)定、高度靈活以及舒適的能源系統(tǒng)。
交易：這里“sells”也有一語雙關的意思。發(fā)音除了“細胞”以外，也意味著，這個細胞結構的能源系統(tǒng)方案，需要具有市場化的能力、參與市場化交易才能成功推廣。在c-sell項目里，為未來能源系統(tǒng)的市場機制、市場參與方扮演的角色下了定義，并希望實現(xiàn)項目經(jīng)驗的普遍推廣，建立普遍適用的市場機制。在虛擬平臺中不同的參與者能夠自主且同時地行動。這帶來了一種新的價值供應方式和商業(yè)模式。服務，解決方案和產(chǎn)品占據(jù)新的市場。
整合：借助C-sells的基礎設施信息系統(tǒng)(IIS)，實現(xiàn)市場、基礎設施網(wǎng)絡和供應安全的和諧共存，從而達到未來能源系統(tǒng)的核心基礎可以跨國實現(xiàn)的目的。
三、“C-sells”系統(tǒng)是如何運行的？
C-sells項目實現(xiàn)的關鍵是構建具有細胞結構的能源系統(tǒng)。C-sells的“細胞”是能源系統(tǒng)中的最基本單元，它是一個多樣化的、在空間上集成的能源基礎設施，可以根據(jù)輔助性原則進行自我決策。其中，自治度受很多因素的影響，包括容量大小、系統(tǒng)結構等。一方面，這些基礎單元是能源系統(tǒng)中的技術實現(xiàn)元素，包括新能源和傳統(tǒng)能源設備，儲能設施，能源網(wǎng)絡等。另一方面，也是能源市場的組成基礎。這些基礎單元通過IIS基礎設施信息系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。
一個“細胞結構”的基本功能是為位于其中的用戶供應能源，將來還需要進一步開發(fā)供能系統(tǒng)的靈活性。而多能互補（電，熱，交通等）可以實現(xiàn)一個細胞結構內的整體優(yōu)化。該細胞結構可以通過分布式能源、生產(chǎn)者與消費者之間的互動，應對電網(wǎng)日益增長的復雜性。能源流和IT設施將不同基礎元素連接起來，保證信息和能源的安全流動互通。
根據(jù)最新的“VDE-Zell-Studie”（德國VDE電力、電子與信息工程師協(xié)會在智能電網(wǎng)方面的研究課題）研究成果，尤其是其中關于能源網(wǎng)絡設施的部分，電能的生產(chǎn)和消費應該盡可能在基礎的配網(wǎng)層面實現(xiàn)動態(tài)平衡。（國家能源局的互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源的那個文件當中提到“微平衡”，與此基本一致。）
為了實現(xiàn)上述目標，必須在每個細胞結構內實現(xiàn)成熟的數(shù)據(jù)管理和安全防護系統(tǒng)，對不同的信息、測量值、信號等進行優(yōu)先排序和評估。如上圖所示，每一個細胞都已經(jīng)置身于能源市場中，在一個細胞里的所有互動都是符合市場規(guī)律的。每一個細胞都向市場提供整合的信息，例如，每一個細胞能向市場提供多大的靈活性，從而作為可以在系統(tǒng)輔助服務市場出售的產(chǎn)品。相應地，市場也會向每個細胞提供激勵，例如通過價格信號。基于此，每個細胞都可以自我決策，決定如何參與市場，如何通過市場交易提供怎樣的產(chǎn)品。而每出售出一個電力產(chǎn)品，細胞也可以獲得相應的收益，從而提高了流動性。通過購買價格最低的輔助服務產(chǎn)品，細胞內部的購買方也可以降低成本。
同時，每個細胞也不停地與周圍細胞以及市場環(huán)境發(fā)生相互作用。只有站在整個系統(tǒng)，或者是細胞集群的高度，才能實現(xiàn)最優(yōu)。這個結論在C-cells項目中得到了驗證。
在任何情況下，細胞之間的能源或信息交換都按照輔助性原則進行。這樣大大降低了交換的復雜程度。信息在傳送之前必須進行預處理和整合，從而保證信息接收方不會過載。例如，對于一個輸電網(wǎng)運營商而言，一個單獨的變壓站測量值是沒有意義的。對于能源和功率交換也有類似的規(guī)則：并不是所有的功率峰值都要向鄰近的細胞傳遞，而是應該盡可能降低功率梯度。對于能量交換，每個細胞應盡可能實現(xiàn)能源自給，從而減少新能源不足的、需要用傳統(tǒng)能源覆蓋的剩余負荷。C-sells的細胞結構保證了不同靈活性的基礎元素相互緊密連接，組成一個完整的系統(tǒng)。
如上圖右側所示，“C-sells”采用的是使能量系統(tǒng)更加靈活的蜂窩方式，加上各種智能屬性，可以對不同的技術方案和商業(yè)模式進行測試，而不會危及區(qū)域互連系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，基于ICT的系統(tǒng)集成在所有終端能源類型和選定的基礎設施服務上進行,比如說電動汽車。這就是所謂“細胞”的實現(xiàn)過程。另外，能源供應、使用、分配、存儲和其他基礎設施服務是在個別小區(qū)內執(zhí)行的。房地產(chǎn)，區(qū)，市，按照輔助性原則自主優(yōu)化。將網(wǎng)絡連接到網(wǎng)絡中還可以為安全和強大的能源基礎設施采取聯(lián)合行動。下圖展示了“C-sells”項目從個體到社區(qū)再到區(qū)域的層次結構。
四、項目運行實例：
在項目區(qū)域內的部分地區(qū)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了新能源發(fā)電量大于用戶需求量的情況，例如，Vogelsbergkreis地區(qū)某時刻的新能源發(fā)電量相當于負荷的140%（黑森州的陰影區(qū)域），Rottal-Inn地區(qū)某時刻的新能源發(fā)電量相當于負荷的133%（拜仁州東部的陰影區(qū)域）。項目方希望能夠解決新能源大量并網(wǎng)而出現(xiàn)的網(wǎng)絡擁塞問題。
在子項目“6-網(wǎng)絡細胞”和“7-物業(yè)小區(qū)”是C-sells項目方案的核心。規(guī)劃方希望，在43個細胞中降低復雜性，并且開發(fā)出清晰可見的、可復制的、輻射力強的樣板。(圖中展示了每個細胞層級中的示范項目)
細胞層級:
=> EigenSonne (7.5)展示了擁有自發(fā)自用設備的用戶（光伏+儲能+需求側管理），是如何通過智能測量系統(tǒng)（iMSYs）連接基礎設施信息系統(tǒng)集成來實現(xiàn)能源自給的。
例如在Heddesheim，裝機容量超過8 MWp的屋頂光伏設備通過智能測量系統(tǒng)（iMSYs）實現(xiàn)優(yōu)化，通過直接參與市場的策略參與了區(qū)域的靈活性市場。
=> LocalGridCells(6.4)展示了如何在配網(wǎng)中大規(guī)模并入新能源，并且對系統(tǒng)的透明度、經(jīng)濟性進行了評估。例如在Ulm-Einsingen，有130棟居住建筑（1GWh的用電負荷，211MWh光伏發(fā)電量），項目組對其進行了可提供系統(tǒng)輔助服務潛力以及低壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的評估。
=> QuartierFlexZellen (7.4+7.6): 一個位于居住區(qū)的微網(wǎng)系統(tǒng)，通過智能測量系統(tǒng)（iMSYs）和IIS整合了各項技術，參與靈活性市場+系統(tǒng)輔助服務市場+黑啟動。
例如在慕尼黑，一個宣傳標語為“慕尼黑智慧供熱”的示范項目，有1000個“P2H”設備并入IIS系統(tǒng)，從而開始了直接在終端用戶、居民側的靈活性的探索。
T FlexAnreize und Regionalzellen (6.3): 在區(qū)域能源網(wǎng)絡運營商側（例如Bayernwerk）進行的分布式發(fā)電，引起了較多的發(fā)電量過剩現(xiàn)象，在Ostbayern的細胞內，嘗試著對靈活性進行了市場化的激勵措施。這是通過將不同功能的儲能設備連接在一起實現(xiàn)的，例如帶有P2H的儲熱裝置，不同容量的電池等。
=> 智能測量系統(tǒng)（iMSYs） (6.5)將居民側和不同的靈活性選擇整合在市場上。
位于黑森州中部和北部的5000個智能測量系統(tǒng)（iMSYs）整合在一起，共同構成區(qū)域靈活性市場的基礎。位于Mittelbaden的5000智能測量系統(tǒng)（iMSYs） 將電力用戶整合在一起，在智能的區(qū)域網(wǎng)絡調節(jié)控制框架下運行。
=> RegioMarkt Zellen (6.6+7.2) 在位于中部能源網(wǎng)絡的27個變電站區(qū)域，搭建了靈活性市場框架范例。該區(qū)域靈活性市場展示了如何提供為配電網(wǎng)靈活性集成服務的輔助服務產(chǎn)品。此外，為激發(fā)需求側管理的潛力，為5000個家庭用戶提供了靈活的能源供應套餐。
=> GewerbeArealZellen (7.3): 實現(xiàn)了能源區(qū)域自治，通過出售靈活性產(chǎn)品獲得了盈利。例如斯圖加特機場，通過智能測量系統(tǒng)（iMSYs）整合了4.4MW的尖峰負荷、1.5MW的光伏發(fā)電功率以及2MW的熱電聯(lián)產(chǎn)，開發(fā)了新的參與電力市場交易的潛力。
=>不同輸電網(wǎng)運營商（TenneT和TransNet BW）區(qū)域內的系統(tǒng)穩(wěn)定性(6.2): 在輸電網(wǎng)層級上，所有細胞和市場、能源網(wǎng)絡都能實現(xiàn)和諧共處。如下圖所示，在不同的電網(wǎng)層級上，輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)運營商將進行系統(tǒng)穩(wěn)定性的調節(jié)，從而保證在新能源并網(wǎng)電量較大的情況下，不降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
C-sells 的細胞結構使得風力發(fā)電的示范項目之間可以協(xié)調運行，實現(xiàn)互補。細胞結構自下而上的方案，可以實現(xiàn)從一個細胞基礎單元，到全德國，全歐洲，甚至全世界范圍的擴展?？鐕?，中小企業(yè)以及初創(chuàng)公司都可以參與到C-cells項目的國際合作中來，從而為技術產(chǎn)品、商業(yè)模式和科研圈的全球合作開辟了新的道路。
以下圖片展示了對于未來的靈活性市場工作方式的預想。
最底層：中壓/低壓配網(wǎng)層面上，將發(fā)電設備和用戶通過iMSys連接起來，再通過智能遠程終端單元(RTUs)與配電網(wǎng)相連。配電網(wǎng)之間又通過a）不同級別的電網(wǎng)和b）智能電表網(wǎng)關管理員相連。而控制信號來自于a)系統(tǒng)輔助服務市場和b）電力市場，通過進行場外交易、現(xiàn)貨交易、期貨交易的系統(tǒng)集成商傳遞。
T Case#1: 低壓配網(wǎng)的分布式自動化(綠色)
當前條件： 局部大量的光伏發(fā)電并網(wǎng)
解決方案: 智能遠程終端單元(RTUs)將電壓控制在允許范圍內
T Case #2: 在系統(tǒng)出現(xiàn)特殊情況時，輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)運營商之間的互動 (紅色)
當前條件：輸電網(wǎng)運營商發(fā)現(xiàn)由于過多的光伏并網(wǎng)引起的電壓波動問題點
解決方案: 輸電網(wǎng)運營商通過iMYS與配電網(wǎng)運營商、智能電表網(wǎng)關管理員協(xié)調，有針對性地關閉部分光伏發(fā)電設備，直到系統(tǒng)電壓穩(wěn)定為止。
T Case #3: 為新的供應方開放系統(tǒng)輔助服務市場（黃色）
當前條件：輸電網(wǎng)或配電網(wǎng)運營商釋放靈活性需求的價格信號
解決方案: 集成商探測系統(tǒng)輔助服務市場，協(xié)調智能電表網(wǎng)關管理員（功能是通過iMSY整合靈活性）=>啟停發(fā)電設備 (與輔助服務的類型相關)
五、“C-sells”項目發(fā)展方向
對于一個如此大型的項目，“C-sells”項目需要結構分散化，它被分成7大子項目，分別是：
· 項目管理：項目管理負責項目合作伙伴的合作以及項目的外部代表。
· 環(huán)境設計：該子項目在整個項目中具有綜合和評估作用。 除了對項目進展情況進行科學監(jiān)測外，還形成了整個項目的考慮與所涉及眾多行為者的活動之間的聯(lián)系。
· 基礎設施信息系統(tǒng)（IIS）：用于集成現(xiàn)有或計劃的系統(tǒng)組件的蜂窩體系結構中的IIS的要求，構建塊和結構的定義。
· 構建智能電網(wǎng)：由于實施這樣一個智慧能源網(wǎng)絡的調節(jié)伴隨著高度的復雜性，在這個子項目中開發(fā)出了分配和調整責任的概念以及所有網(wǎng)絡上的各方（協(xié)調級聯(lián)）之間的接口。
· 智能物業(yè)和市場的研究：該子項目的目的是有條不紊地檢查物業(yè)在電力市場上的參與情況。這特別包括個體的經(jīng)濟運行，不同深度細節(jié)的特性及其組成。
· 智能電網(wǎng)單元演示：示范項目的基礎是企業(yè)用例（子項目3-5），該子項目的目的是在初步工作實施中得到智能電網(wǎng)的適用性，結果通過實際使用進行測試。
· 實現(xiàn)市場物業(yè)的市場化：該子項目是項目管理中關鍵，在該子項目中，對網(wǎng)絡和終端用戶的要求進行了蜂窩方法的適用性測試。
六、結語
數(shù)字化浪潮已經(jīng)席卷了工業(yè)界，“工業(yè)4.0”引領了智能制造的潮流。當IT技術的浪潮進入能源領域，德國也相應啟動了“能源4.0”?！癈-sells”是其中的重點項目，為全面推出智能電網(wǎng)奠定基礎。當中國同樣有著雄心勃勃的能源清潔轉型目標的時候，智能電網(wǎng)的實現(xiàn)卻似乎非常遙遠。在利用清潔能源的問題上，中國面臨比德國更加復雜的情況，“C-sells”對于中國的智能電網(wǎng)發(fā)展是否有重要意義我們不得而知，但至少“C-csells”告訴我們未來能源系統(tǒng)應該具備細胞般的自主性、分布式的參與性以及完整的多樣性，這應該也是中國能源未來的方向。能源網(wǎng)絡和IT設施將分布式能源等能源生產(chǎn)者與能源用戶連接起來，通過多能互補、進行靈活性的市場化交易，實現(xiàn)從一個細胞結構到跨區(qū)域的能源系統(tǒng)優(yōu)化，從而應對新能源大量并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的復雜性和不穩(wěn)定性。這無疑為我國的能源結構的低碳轉型提供了一定的借鑒意義。
何繼江：博士，副研究員。
清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院政策發(fā)展研究室主任。中國能源研究會能源互聯(lián)網(wǎng)專委會副秘書長、中國電動汽車充電技術與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長、電能替代產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進聯(lián)盟專家委員會委員、中國電機工程學會用電與節(jié)電專業(yè)委員會第五屆專業(yè)委員會委員。
國家發(fā)改委等三部委《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》文件起草工作組成員、《國家能源局關于組織實施“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源（能源互聯(lián)網(wǎng)）示范項目的通知》文件起草工作組成員。
責編：杉杉
