长安大学学报·自然科学版杂志投稿格式参考范文：高速公路自洽能源系统规划中的关键问题

　　0 引言

　　交通和能源是关乎国计民生的战略性、全局性、基础性行业，也是双碳工作的关键领域和主战场。中国是能源消耗大国，交通行业用能占到中国能源消费总量的 17% 左右，且主要依靠煤电和化石能源。中国风、光、水等自然资源丰富，在交通行业用能结构中，绿色电力有非常大的发展潜力。充分利用可再生清洁能源，构建清洁、绿色和高弹性的交通能源系统，实现交通能源绿色自洽，促进能源与交通系统融合势在必行，发展空间大，既有利于进一步发展可再生能源，又有利于推动交通能源低碳转型，共同为实现碳达峰、碳中和目标作出贡献。

　　近年来，中国学者逐步开展面向公路交通领域自洽能源系统的研究，多地已有不少实践应用案例。山东高速集团在荣乌高速威海段建设了边坡光伏发电项目并成功并网，作为全国首个高速公路边坡光伏试验项目，预计年均发电量 201 万度。山东枣菏高速交能融合示范工程总装机容量约 123.99MW，其中路域光伏总装机容量 117MW，目前，金乡段路域光伏已全部并网发电，金乡零碳智慧服务区日均可再生能源发电量约为 2050kW・h，达到服务区自发自用、余电上网目的，服务区实现了 100%“绿电” 供应和 “电中和” 运营。大盂收费站 “光储充供” 系统利用高速公路边坡布局光伏发电装置，打造了交能融合典型应用场景，当电网断电时，该系统可以采用离网运行模式对电动汽车和收费站进行供电。阿乌高速克拉美丽服务区是中国首个具备微网互济功能的沙漠高速公路自洽能源系统。该工程通过在服务区东西两侧路基边坡建设分布式太阳能光伏，每年可提供绿电 71 万 kW・h。然而，在应用中也显现出不少问题，突出的问题是在项目实施前期缺乏对实际场景特征的深入分析，对清洁能源、交通负荷波动性考虑不周，并由此导致清洁能源装机容量和储能设施配置失衡。因此，高速公路自洽能源系统实施前期应针对明确的目标进行系统规划与设计。

　　高速公路自洽能源系统的规划是依据项目所在地区的电网状况和电力部门用电政策，结合相关用能场景，确定合理的系统运行模式，并据此对系统的组成要素进行优化配置，在满足特定规划目标的情况下安全稳定运行。通过合理规划，能够有效地利用和管理能源，提高公路交通用能的可持续性、效率和环保性。在规划中有几个关键问题需要重点考虑：可再生能源出力不稳定，波动性显著，如太阳能和风能易受天气和季节等因素的影响，其可利用程度存在波动性。对自然资源禀赋进行准确评估是保障系统高效运行的重要一环。公路用能场景多样化且用能种类复杂。公路交通的能耗主要包括基础设施能耗和载运装备能耗两大类，具有高度不确定性和波动性，其用能主要与出行方式、时间特征以及自身的设施和服务有关。提高负荷预测的精度是高速公路自洽能源系统规划和运行的必然要求。能源的供需平衡对于系统的稳定、可靠运行具有重要意义。储能设备作为高速公路自洽能源系统的重要组成要素之一，可以实现可再生能源出力电量在时序上的转移变换。通过选择合适的能源存储技术，并考虑可再生能源出力与公路用能的动态变化与随机波动，最大程度地优化可再生能源的生成、存储和使用。储能的合理配置不仅可以在一定程度上减少系统运行费用，同时可以避免造成资源浪费、利用率低等问题。面对高速公路自洽能源系统的多种场景下，清洁能源自然禀赋供给与用能的双重不确定性，以及系统运行的复杂性，在系统规划阶段及运行阶段应综合考虑可靠性、可用性、可维护性和安全性对系统运行效能进行评价，是优化能源系统供给能力设计和负荷布局的科学依据，从而实现高速公路自洽能源系统高性能运行。

　　本文围绕高速公路自洽能源系统的规划，对系统进行了定义，从 “源 - 网 - 荷 - 储” 4 个层级阐述了系统的组成要素，提出了系统架构，梳理了高速公路自洽能源系统的规划路径。在此基础上，对交通自洽能源系统规划阶段中的关键问题进行了深入分析，并给出了建议。最后，对交通自洽能源系统的发展进行了展望。这些关键问题的解决不仅促进绿色能源与交通的融合发展，同时对降低交通运营成本、提高清洁能源利用率具有重大意义。

　　1 高速公路自洽能源系统组成架构

　　1.1 系统组成

　　高速公路自洽能源系统包含 “电源”(源)、“电网”(网)、“负荷”(荷)、“储能”(储)四大组成要素。通过充分利用公路交通范围内所承载的可再生资源禀赋，实现公路用电负荷的部分供给或全部供给。同时，4 个要素之间的能量流和信息流反映了自洽能源系统中的作用机制，支撑了系统功能的实现。

　　“源” 要素是指通过利用公路网内基础设施、交通服务设施可利用空间资源加装分布式新能源发电装置，提升系统的风、光等可再生能源占比，使系统从 “荷” 向 “源 - 荷” 共存状态转变。面对交通系统用能需求逐年增长的问题，如何通过利用高速公路的服务区、路侧边坡、场站等基础设施开展清洁能源潜力开发，实现清洁能源的自洽供给成为了高速公路自洽能源系统规划设计的难点。

　　“网” 要素包含设施网和能源网，考虑到交通自洽能源系统的分散性和波动性，通过多端、多点交通能源系统的协作化运行，将清洁能源与电网融合，就地满足负荷需求。分布式微网的构建能充分实现交通用能形式的多样化，优化能源结构，从而形成集安全、智能、经济、绿色一体化的微电网体系。

　　“荷” 要素指通过对公路交通负荷侧的控制，将负荷用能需求分散到分布式微网中，实现对交通自洽能源系统负荷侧的控制，实现交通能源系统负荷从 “随机” 到 “可控” 的转变，有助于交通能源系统的电力平衡。

　　“储” 要素体现为储能技术在公路交通自洽能源系统的应用。储能系统可在较短的时间内释放能量，补偿电网中的能量波动，改善电能质量，同时提升了风、光等可再生能源的消纳能力。除了平抑功率波动，储能装置还可以起到移峰填谷的作用，最终实现高速公路系统 “源 - 网 - 荷 - 储” 的协调运作。

　　综上所述，中国高速公路自洽能源系统的建设需要依据具体的交通场景和自然禀赋特征，通过交通基础设施与新能源的融合集成，从 “源 - 网 - 荷 - 储” 4 个层面构建交通自洽能源系统，满足系统供给向零碳转变、系统配用向高效转变的需要，实现高速公路用能结构的绿色化。

　　1.2 系统架构

　　高速公路自洽能源系统是一个涵盖交通网、能源网、储能技术等多个领域，由多个子系统构成的复杂系统。基于系统特性及组成要素，本文提出高速公路自洽能源系统架构，系统架构通过各要素协同配合实现系统的整合和管控。以高速公路服务区及沿线为例，建立自洽能源系统拓扑结构。

　　2 高速公路自洽能源系统规划路径

　　高速公路自洽能源系统的运行策略划分主要取决于系统的地理位置、电网等级、自然禀赋、负荷等级以及当地政策等。

　　运行策略 1：全额并网。将可再生能源所产生的电能全部接入公用电网，不依赖于独立的储能设备来存储电能。

　　运行策略 2：自发自用、余电上网。系统产生的电能主要用于满足系统本身的电力需求，多余电能接入电网。

　　运行策略 3：自发自用、余电储能。系统产生的电能主要用于满足系统本身的电力需求，同时通过配备储能设备来存储多余的电能，并在需要时释放。有助于提高系统的自用比例，减少对电网的依赖。

　　运行策略 4：离网运行。系统独立运行，不连接到电网。将可再生能源产生的电能全部用于满足系统本身的电力需求，通常需要配备储能设备以确保系统在夜间或用能高峰期能供电。

　　在求解规划问题中，涉及多个变量、约束和目标，同时还要考虑到时序性和动态性，使模型求解难度增大。克服这些难点需要综合运用数学建模、算法设计、人工智能等方法，选择合适的求解策略和算法，以及适当的建模方法，从而寻找全局最优解或者满意解。

　　在深入分析并确定交通基础设施用能节点分布状况、用能节点一定范围内自然环境清洁能源供给潜力以及用能节点负荷特征，并考虑交通基础设施正常运维、经济效益和清洁能源使用率等因素的基础上，确定自洽能源系统规划目标。依据不同应用场景下的规划目标，利用相应的规划模型，在满足一定约束条件下，得到规划方案。在规划路径中，其具体步骤和重点可能因地理位置和技术特点而有所不同，需要综合考虑技术、经济、环境和社会等多方面因素，以确保项目的可行性和可持续性。

　　3 高速公路自洽能源系统规划中的关键问题

　　合理规划系统对于清洁能源在公路交通系统的利用具有重要意义。基于高速公路自洽能源系统规划路径，在规划过程中需要重点关注以下 4 个关键问题。

　　3.1 基于多态清洁能源自然禀赋的供给潜力评估

　　当前，路域设置光伏、风机等进行清洁能源利用的研究发展迅速，但主要针对发电设施布设的区域选址优化，服务区、收费站、边坡等典型场景的局部公路路域发电潜力评估，对路网级清洁能源发电潜力评估方法的研究较少。高速公路路域多态清洁能源发电潜力受路线穿越区域地理气候条件、公路结构构造、交通行驶安全等因素影响，准确可靠的发电潜力评估方法建立存在以下难点：

　　自然资源禀赋评估依赖于大量气象数据，如太阳辐射、温度、风速和风向等。然而，气象数据的获取和准确性存在不确定性，不同数据源、测量的方法和设备的差异可能导致数据不一致，从而影响自然资源的准确评估。

　　不同地区的自然资源差异大。道路所处地区和地形对自然资源的可利用程度有着重要影响，如经纬度、植被分布、周边建造物等。因此，在评估过程中需要考虑地理和地形的复杂性，这无疑增加了评估的难度。

　　自然资源的可利用性随着日变化和季节的变化而变化。对自然资源禀赋进行评估的过程需要考虑到其日变化和季节性的影响，以更准确地估计自然资源。

　　在道路红线内进行光伏板、风机等设施的布置时，需考虑路基路面结构的稳定性、边坡坡度、阴影遮挡、桥涵隧道等因素的影响，可利用边界条件和面积的确定过程复杂。

　　清洁能源通过光伏板和风机等装置产能发电的转换效率，受设备类型、品牌、安装条件和使用环境等因素影响显著，难以准确获取;此外，逆变器输电线路等环节的能源损耗不易计算，直接影响清洁能源发电潜力的准确评估。

　　对自然资源禀赋进行准确评估是系统高效运行的重要一环，也是促进可再生能源发电消纳的有效措施。自然资源禀赋评估涉及对具体公路场景的自然资源进行全面、准确地评估，一般测算流程按照预测时长可分为 4 种类型，实际工程中至少应进行长期预测、中期预测和短期预测。目前，国内外针对自然资源发电量的预测方法主要有物理建模和数据分析 2 类。

　　3.2 公路用能负荷预测

　　公路用能负荷预测是指从高速公路负荷的变化情况以及经济、气象等因素的影响规律出发，通过对历史数据的分析和研究，建立数学模型对未来一段时间内的用电需求预计。根据不同的预测时间尺度分为 4 种类型，对负荷需求准确预测是确保高速公路自洽能源系统稳定、高效、经济运行的前提，能够有效降低发电成本。主要有以下难点：

　　开放、共享的交通数据是推动公路交通负荷预测研究的重要支撑。现有的获取渠道主要有政府交通管理部门、高速公路管理机构、第三方数据公司等。中国目前尚没有建立起完备的道路交通负荷数据库，不一致的标准将增大数据获取难度，阻碍数据的研究与分析。

　　交通量具有受时间因素影响大、敏感性强、数据非线性特征等特点，故深入分析历史交通信息，掌握影响交通量变化的因素，对于负荷预测的精度具有决定性作用。

　　从用能结构来看，公路交通用能涵盖了多种能源种类，典型场景的用能种类由于交通系统与能源系统种类繁多、特点各异、互动情况复杂，增加了负荷预测的不确定性和复杂性。

　　电动汽车快速发展。随着新型能源和技术的引进，新能源汽车保有量快速增长。由于交通出行的随机性、无序性，电动汽车的充电负荷具有随机性、冲击性，进一步增加了负荷预测的难度。

　　高质量的负荷预测需要准确的数学模型，目前常用统计学方法、机器学习方法和深度学习方法来进行负荷预测。传统的数学统计方法虽有一定的成效，但对受到多种因素影响的短期负荷预测而言，不能对波动性和随机性强的负荷进行精准预测。目前最常用的机器学习预测方法主要有支持向量机、随机森林和神经网络等。当训练样本较大时，支持向量机和随机森林等方法往往会遇到收敛速度较慢、易受数据影响的问题，神经网络的出现很好地解决了上述问题。以上研究均为点预测方法，即确定性预测，然而，随着电动汽车等随机性较强的负荷接入电力系统，传统的点预测难以满足负荷预测的需求。因此，负荷概率预测成为近年的研究热点。

　　针对以上难点，考虑公路不同基础设施的能源利用复杂性，基于基础设施场景的用能结构，将其能耗简单模型化，包括隧道能耗、服务区能耗、收费站能耗、公路沿线设备年能耗、营运管理中心设备年能耗。

　　3.3 储能方式选择及配置比例

　　由于新能源发电的波动性、间歇性等不确定性特点，新能源发电系统装机容量和渗透率不断提高的同时，也给电力系统的安全稳定运行带来了负面影响，如调峰能力差、对电网冲击大等。因此，为新能源发电系统配备储能单元可以提高系统的新能源发电电能质量，实现对电网的友好接入。尽管中国已经有超过 20 个以上的省 / 市 / 自治区提出了新能源配储比例，但如何制定比例一直饱受业内质疑。合理配置储能系统的主要难点在于：

　　公路用能受到多种因素的影响，包括时间、天气、人口增长等。预测这些变化对于确定储能容量至关重要。

　　储能方式选择需要考虑多个因素的综合影响，如成本、能量转换效率、周期寿命、响应时间等。储能系统的选型应匹配高速公路自洽能源系统应用场景中对储能系统的技术需求，进行综合技术经济比较后确定。

　　利用高速公路红线内建设用地布设储能设施时，对于安全性的要求更高，场景更复杂，施工难度更高。高速公路路域范围内可利用空间有限，不同的储能技术对空间的需求不同，需要根据实际道路情况进行合理规划，确保储能系统在可持续、安全、高效的前提下与周边环境和社会要求协调一致。

　　高速公路自洽能源系统中储能设施的比例设置取决于多个因素，包括具体用能节点的电网等级、电力需求和新能源波动等。一刀切的规定配储比例不利于新能源和储能投资。合理配置储能比例是确保新能源发电系统稳定运行的关键因素。只有在根据实际情况进行合理优化配置之后，才能保证新能源发电系统的安全、高效、可持续运行。

　　多种规划理论、方法被用于新能源领域的储能配置，目前主流的储能配置方法如何保证储能配置结果的工程适用性，是一个涵盖多时间尺度多目标多约束的复杂问题。常规寻优算法计算复杂，计算速度和收敛性均达不到要求。建议采用遗传算法、粒子群优化算法、飞蛾扑火算法等求解。

　　3.4 系统运行效能评价

　　自然禀赋供给能力与交通用能负荷具有强波动性与时空分布差异性，使得交通自洽能源系统的效能发挥机制存在复杂时空非线性特点，而交通自洽能源系统有效应用的前提是具备高弹性、可靠性、可恢复性及鲁棒性。因此，基于清洁能源供给潜力评估与用能负荷预测，建立适用于高速公路自洽能源系统的运行特性评价体系，是优化能源系统供给能力设计和负荷布局的科学依据，也是实现多场景、多用能节点、大公路网规模、大容量能源储用的高速公路自洽能源系统规划过程中必须解决的关键技术与难点。

　　为了提升系统的整体性能和安全性，需要综合考虑可靠性、可用性、可维护性和安全性这 4 个要素，即 RAMS，其相关关系从 20 世纪 80 年代起，轨道交通行业引入了 RAMS 管理，但在中国尚处于起步阶段。为了对高速公路自洽能源系统的运行过程进行全面评价，现通过引入 RAMS 理论将可靠性工程理论和方法应用于高速公路，保证其在全寿命周期内的安全、可靠。评价流程通过对 RAMS 评价模型进行分析，即可建立高速公路自洽能源系统 RAMS 评价指标体系。评价指标筛选方法是该阶段的核心问题，常用的指标筛选方法筛选出的高速公路自洽能源系统 RAMS 评价指标体系定权赋分评价包括指标权重计算和评价结果计算。指标权重的计算方法可分为主观定权法、客观定权法和组合赋权法。

　　通过对 RAMS 评价模型进行分析，即可建立高速公路自洽能源系统 RAMS 评价指标体系。评价指标筛选方法是该阶段的核心问题，常用的指标筛选方法包括生命周期评估、理论模型法、专家建议法、频度统计法、因子分析法、层次分析法、变异系数法、情景模拟法、主成分分析法等，筛选出的高速公路自洽能源系统 RAMS 评价指标体系如下：

　　可靠性：从电力供应以及负荷波动方面评价，指标包括电力供应不足概率、预计电力不足期望、预计有效供电期望、电力供应不足时长。

　　可用性：从自洽率、新能源利用率以及可用度三方面评价，指标包括自洽率、清洁能源利用率、可用度。

　　维修性：主要体现在维修时间、维修恢复程度以及维修费用，指标包括维修时间、维修恢复程度、维修成本。

　　安全性：主要从系统出现故障或危险状态的次数和每次故障持续时长进行分析，指标包括失负荷严重度、风险持续时长、风险指数。

　　定权赋分评价包括指标权重计算和评价结果计算。指标权重的计算方法可分为主观定权法、客观定权法和组合赋权法。评价结果的计算方法有很多，当前应用较多的有模糊综合评价(FCE)、理想优劣解距离法(TOPSIS)、灰色关联分析以及数据包络法(DEA)等。这些方法能够解决定性指标的量化、多准则综合评价以及后续方案的多目标决策、优化等问题，与高速公路自洽能源系统运行效能评价的研究契合。

　　4 结语

　　清洁能源发电潜力评估：受数据获取难度、区域地理位置和地形条件、时间动态性、公路结构构造复杂性、发电设备转换效率等众多因素影响，难以准确评估路域清洁能源发电潜力。清洁能源发电潜力评估模型的简化与完善是未来研究发展的难点。

　　公路用能负荷预测：公路用能负荷与具体用能场景、交通量及电动汽车数量等密切相关。依据具体用能节点构建负荷预测模型，可降低负荷预测的随机性和不确定性。后续研究中，可针对节假日等非平常日期深入分析验证，提高预测模型的普适性。

　　储能方式选择及配置：储能方式的选择及合理配置储能比例是确保系统稳定运行的关键因素。只有根据实际情况对储能设备进行合理优化配置，才能保证可再生能源发电系统的安全、高效、可持续运行。

　　系统运行效能评价：通过对 RAMS 评价模型进行分析，可建立高速公路自洽能源系统 RAMS 评价指标体系对系统运行效能进行综合评价。建议在筛选评价指标、建立等级评价集时，与规划场景的实际需求相结合，进一步细化评价指标，为建立更为完善的高速公路自洽能源系统运行效能评价体系提供参考。

　　发展展望：高速公路自洽能源系统的研究与建设是一项高度复杂的系统工程，需要解决多个技术、政策和社会问题。尽管目前该系统的研究在中国尚处于起步阶段，离实现成熟商业化还有很大距离，但面对交通低碳化、绿色化发展的需求，其因在技术、经济和环境等方面的综合优势而拥有广阔的发展前景。

赵莉莎;胡力群;袁旻忞;韩振强;韩泳图;黄虹鑫,长安大学公路学院;交通运输部公路科学研究院,202405