0 引言

　　交通和能源是關乎國計民生的戰略性、全局性、基礎性行業，也是雙碳工作的關鍵領域和主戰場。中國是能源消耗大國，交通行業用能占到中國能源消費總量的 17% 左右，且主要依靠煤電和化石能源。中國風、光、水等自然資源豐富，在交通行業用能結構中，綠色電力有非常大的發展潛力。充分利用可再生清潔能源，構建清潔、綠色和高彈性的交通能源系統，實現交通能源綠色自洽，促進能源與交通系統融合勢在必行，發展空間大，既有利于進一步發展可再生能源，又有利于推動交通能源低碳轉型，共同為實現碳達峰、碳中和目標作出貢獻。

　　近年來，中國學者逐步開展面向公路交通領域自洽能源系統的研究，多地已有不少實踐應用案例。山東高速集團在榮烏高速威海段建設了邊坡光伏發電項目并成功并網，作為全國首個高速公路邊坡光伏試驗項目，預計年均發電量 201 萬度。山東棗菏高速交能融合示范工程總裝機容量約 123.99MW，其中路域光伏總裝機容量 117MW，目前，金鄉段路域光伏已全部并網發電，金鄉零碳智慧服務區日均可再生能源發電量約為 2050kW・h，達到服務區自發自用、余電上網目的，服務區實現了 100%“綠電” 供應和 “電中和” 運營。大盂收費站 “光儲充供” 系統利用高速公路邊坡布局光伏發電裝置，打造了交能融合典型應用場景，當電網斷電時，該系統可以采用離網運行模式對電動汽車和收費站進行供電。阿烏高速克拉美麗服務區是中國首個具備微網互濟功能的沙漠高速公路自洽能源系統。該工程通過在服務區東西兩側路基邊坡建設分布式太陽能光伏，每年可提供綠電 71 萬 kW・h。然而，在應用中也顯現出不少問題，突出的問題是在項目實施前期缺乏對實際場景特征的深入分析，對清潔能源、交通負荷波動性考慮不周，并由此導致清潔能源裝機容量和儲能設施配置失衡。因此，高速公路自洽能源系統實施前期應針對明確的目標進行系統規劃與設計。

　　高速公路自洽能源系統的規劃是依據項目所在地區的電網狀況和電力部門用電政策，結合相關用能場景，確定合理的系統運行模式，并據此對系統的組成要素進行優化配置，在滿足特定規劃目標的情況下安全穩定運行。通過合理規劃，能夠有效地利用和管理能源，提高公路交通用能的可持續性、效率和環保性。在規劃中有幾個關鍵問題需要重點考慮：可再生能源出力不穩定，波動性顯著，如太陽能和風能易受天氣和季節等因素的影響，其可利用程度存在波動性。對自然資源稟賦進行準確評估是保障系統高效運行的重要一環。公路用能場景多樣化且用能種類復雜。公路交通的能耗主要包括基礎設施能耗和載運裝備能耗兩大類，具有高度不確定性和波動性，其用能主要與出行方式、時間特征以及自身的設施和服務有關。提高負荷預測的精度是高速公路自洽能源系統規劃和運行的必然要求。能源的供需平衡對于系統的穩定、可靠運行具有重要意義。儲能設備作為高速公路自洽能源系統的重要組成要素之一，可以實現可再生能源出力電量在時序上的轉移變換。通過選擇合適的能源存儲技術，并考慮可再生能源出力與公路用能的動態變化與隨機波動，最大程度地優化可再生能源的生成、存儲和使用。儲能的合理配置不僅可以在一定程度上減少系統運行費用，同時可以避免造成資源浪費、利用率低等問題。面對高速公路自洽能源系統的多種場景下，清潔能源自然稟賦供給與用能的雙重不確定性，以及系統運行的復雜性，在系統規劃階段及運行階段應綜合考慮可靠性、可用性、可維護性和安全性對系統運行效能進行評價，是優化能源系統供給能力設計和負荷布局的科學依據，從而實現高速公路自洽能源系統高性能運行。

　　本文圍繞高速公路自洽能源系統的規劃，對系統進行了定義，從 “源 - 網 - 荷 - 儲” 4 個層級闡述了系統的組成要素，提出了系統架構，梳理了高速公路自洽能源系統的規劃路徑。在此基礎上，對交通自洽能源系統規劃階段中的關鍵問題進行了深入分析，并給出了建議。最后，對交通自洽能源系統的發展進行了展望。這些關鍵問題的解決不僅促進綠色能源與交通的融合發展，同時對降低交通運營成本、提高清潔能源利用率具有重大意義。

　　1 高速公路自洽能源系統組成架構

　　1.1 系統組成

　　高速公路自洽能源系統包含 “電源”(源)、“電網”(網)、“負荷”(荷)、“儲能”(儲)四大組成要素。通過充分利用公路交通范圍內所承載的可再生資源稟賦，實現公路用電負荷的部分供給或全部供給。同時，4 個要素之間的能量流和信息流反映了自洽能源系統中的作用機制，支撐了系統功能的實現。

　　“源” 要素是指通過利用公路網內基礎設施、交通服務設施可利用空間資源加裝分布式新能源發電裝置，提升系統的風、光等可再生能源占比，使系統從 “荷” 向 “源 - 荷” 共存狀態轉變。面對交通系統用能需求逐年增長的問題，如何通過利用高速公路的服務區、路側邊坡、場站等基礎設施開展清潔能源潛力開發，實現清潔能源的自洽供給成為了高速公路自洽能源系統規劃設計的難點。

　　“網” 要素包含設施網和能源網，考慮到交通自洽能源系統的分散性和波動性，通過多端、多點交通能源系統的協作化運行，將清潔能源與電網融合，就地滿足負荷需求。分布式微網的構建能充分實現交通用能形式的多樣化，優化能源結構，從而形成集安全、智能、經濟、綠色一體化的微電網體系。

　　“荷” 要素指通過對公路交通負荷側的控制，將負荷用能需求分散到分布式微網中，實現對交通自洽能源系統負荷側的控制，實現交通能源系統負荷從 “隨機” 到 “可控” 的轉變，有助于交通能源系統的電力平衡。

　　“儲” 要素體現為儲能技術在公路交通自洽能源系統的應用。儲能系統可在較短的時間內釋放能量，補償電網中的能量波動，改善電能質量，同時提升了風、光等可再生能源的消納能力。除了平抑功率波動，儲能裝置還可以起到移峰填谷的作用，最終實現高速公路系統 “源 - 網 - 荷 - 儲” 的協調運作。

　　綜上所述，中國高速公路自洽能源系統的建設需要依據具體的交通場景和自然稟賦特征，通過交通基礎設施與新能源的融合集成，從 “源 - 網 - 荷 - 儲” 4 個層面構建交通自洽能源系統，滿足系統供給向零碳轉變、系統配用向高效轉變的需要，實現高速公路用能結構的綠色化。

　　1.2 系統架構

　　高速公路自洽能源系統是一個涵蓋交通網、能源網、儲能技術等多個領域，由多個子系統構成的復雜系統?；谙到y特性及組成要素，本文提出高速公路自洽能源系統架構，系統架構通過各要素協同配合實現系統的整合和管控。以高速公路服務區及沿線為例，建立自洽能源系統拓撲結構。

　　2 高速公路自洽能源系統規劃路徑

　　高速公路自洽能源系統的運行策略劃分主要取決于系統的地理位置、電網等級、自然稟賦、負荷等級以及當地政策等。

　　運行策略 1：全額并網。將可再生能源所產生的電能全部接入公用電網，不依賴于獨立的儲能設備來存儲電能。

　　運行策略 2：自發自用、余電上網。系統產生的電能主要用于滿足系統本身的電力需求，多余電能接入電網。

　　運行策略 3：自發自用、余電儲能。系統產生的電能主要用于滿足系統本身的電力需求，同時通過配備儲能設備來存儲多余的電能，并在需要時釋放。有助于提高系統的自用比例，減少對電網的依賴。

　　運行策略 4：離網運行。系統獨立運行，不連接到電網。將可再生能源產生的電能全部用于滿足系統本身的電力需求，通常需要配備儲能設備以確保系統在夜間或用能高峰期能供電。

　　在求解規劃問題中，涉及多個變量、約束和目標，同時還要考慮到時序性和動態性，使模型求解難度增大。克服這些難點需要綜合運用數學建模、算法設計、人工智能等方法，選擇合適的求解策略和算法，以及適當的建模方法，從而尋找全局最優解或者滿意解。

　　在深入分析并確定交通基礎設施用能節點分布狀況、用能節點一定范圍內自然環境清潔能源供給潛力以及用能節點負荷特征，并考慮交通基礎設施正常運維、經濟效益和清潔能源使用率等因素的基礎上，確定自洽能源系統規劃目標。依據不同應用場景下的規劃目標，利用相應的規劃模型，在滿足一定約束條件下，得到規劃方案。在規劃路徑中，其具體步驟和重點可能因地理位置和技術特點而有所不同，需要綜合考慮技術、經濟、環境和社會等多方面因素，以確保項目的可行性和可持續性。

　　3 高速公路自洽能源系統規劃中的關鍵問題

　　合理規劃系統對于清潔能源在公路交通系統的利用具有重要意義。基于高速公路自洽能源系統規劃路徑，在規劃過程中需要重點關注以下 4 個關鍵問題。

　　3.1 基于多態清潔能源自然稟賦的供給潛力評估

　　當前，路域設置光伏、風機等進行清潔能源利用的研究發展迅速，但主要針對發電設施布設的區域選址優化，服務區、收費站、邊坡等典型場景的局部公路路域發電潛力評估，對路網級清潔能源發電潛力評估方法的研究較少。高速公路路域多態清潔能源發電潛力受路線穿越區域地理氣候條件、公路結構構造、交通行駛安全等因素影響，準確可靠的發電潛力評估方法建立存在以下難點：

　　自然資源稟賦評估依賴于大量氣象數據，如太陽輻射、溫度、風速和風向等。然而，氣象數據的獲取和準確性存在不確定性，不同數據源、測量的方法和設備的差異可能導致數據不一致，從而影響自然資源的準確評估。

　　不同地區的自然資源差異大。道路所處地區和地形對自然資源的可利用程度有著重要影響，如經緯度、植被分布、周邊建造物等。因此，在評估過程中需要考慮地理和地形的復雜性，這無疑增加了評估的難度。

　　自然資源的可利用性隨著日變化和季節的變化而變化。對自然資源稟賦進行評估的過程需要考慮到其日變化和季節性的影響，以更準確地估計自然資源。

　　在道路紅線內進行光伏板、風機等設施的布置時，需考慮路基路面結構的穩定性、邊坡坡度、陰影遮擋、橋涵隧道等因素的影響，可利用邊界條件和面積的確定過程復雜。

　　清潔能源通過光伏板和風機等裝置產能發電的轉換效率，受設備類型、品牌、安裝條件和使用環境等因素影響顯著，難以準確獲取;此外，逆變器輸電線路等環節的能源損耗不易計算，直接影響清潔能源發電潛力的準確評估。

　　對自然資源稟賦進行準確評估是系統高效運行的重要一環，也是促進可再生能源發電消納的有效措施。自然資源稟賦評估涉及對具體公路場景的自然資源進行全面、準確地評估，一般測算流程按照預測時長可分為 4 種類型，實際工程中至少應進行長期預測、中期預測和短期預測。目前，國內外針對自然資源發電量的預測方法主要有物理建模和數據分析 2 類。

　　3.2 公路用能負荷預測

　　公路用能負荷預測是指從高速公路負荷的變化情況以及經濟、氣象等因素的影響規律出發，通過對歷史數據的分析和研究，建立數學模型對未來一段時間內的用電需求預計。根據不同的預測時間尺度分為 4 種類型，對負荷需求準確預測是確保高速公路自洽能源系統穩定、高效、經濟運行的前提，能夠有效降低發電成本。主要有以下難點：

　　開放、共享的交通數據是推動公路交通負荷預測研究的重要支撐?，F有的獲取渠道主要有政府交通管理部門、高速公路管理機構、第三方數據公司等。中國目前尚沒有建立起完備的道路交通負荷數據庫，不一致的標準將增大數據獲取難度，阻礙數據的研究與分析。

　　交通量具有受時間因素影響大、敏感性強、數據非線性特征等特點，故深入分析歷史交通信息，掌握影響交通量變化的因素，對于負荷預測的精度具有決定性作用。

　　從用能結構來看，公路交通用能涵蓋了多種能源種類，典型場景的用能種類由于交通系統與能源系統種類繁多、特點各異、互動情況復雜，增加了負荷預測的不確定性和復雜性。

　　電動汽車快速發展。隨著新型能源和技術的引進，新能源汽車保有量快速增長。由于交通出行的隨機性、無序性，電動汽車的充電負荷具有隨機性、沖擊性，進一步增加了負荷預測的難度。

　　高質量的負荷預測需要準確的數學模型，目前常用統計學方法、機器學習方法和深度學習方法來進行負荷預測。傳統的數學統計方法雖有一定的成效，但對受到多種因素影響的短期負荷預測而言，不能對波動性和隨機性強的負荷進行精準預測。目前最常用的機器學習預測方法主要有支持向量機、隨機森林和神經網絡等。當訓練樣本較大時，支持向量機和隨機森林等方法往往會遇到收斂速度較慢、易受數據影響的問題，神經網絡的出現很好地解決了上述問題。以上研究均為點預測方法，即確定性預測，然而，隨著電動汽車等隨機性較強的負荷接入電力系統，傳統的點預測難以滿足負荷預測的需求。因此，負荷概率預測成為近年的研究熱點。

　　針對以上難點，考慮公路不同基礎設施的能源利用復雜性，基于基礎設施場景的用能結構，將其能耗簡單模型化，包括隧道能耗、服務區能耗、收費站能耗、公路沿線設備年能耗、營運管理中心設備年能耗。

　　3.3 儲能方式選擇及配置比例

　　由于新能源發電的波動性、間歇性等不確定性特點，新能源發電系統裝機容量和滲透率不斷提高的同時，也給電力系統的安全穩定運行帶來了負面影響，如調峰能力差、對電網沖擊大等。因此，為新能源發電系統配備儲能單元可以提高系統的新能源發電電能質量，實現對電網的友好接入。盡管中國已經有超過 20 個以上的省 / 市 / 自治區提出了新能源配儲比例，但如何制定比例一直飽受業內質疑。合理配置儲能系統的主要難點在于：

　　公路用能受到多種因素的影響，包括時間、天氣、人口增長等。預測這些變化對于確定儲能容量至關重要。

　　儲能方式選擇需要考慮多個因素的綜合影響，如成本、能量轉換效率、周期壽命、響應時間等。儲能系統的選型應匹配高速公路自洽能源系統應用場景中對儲能系統的技術需求，進行綜合技術經濟比較后確定。

　　利用高速公路紅線內建設用地布設儲能設施時，對于安全性的要求更高，場景更復雜，施工難度更高。高速公路路域范圍內可利用空間有限，不同的儲能技術對空間的需求不同，需要根據實際道路情況進行合理規劃，確保儲能系統在可持續、安全、高效的前提下與周邊環境和社會要求協調一致。

　　高速公路自洽能源系統中儲能設施的比例設置取決于多個因素，包括具體用能節點的電網等級、電力需求和新能源波動等。一刀切的規定配儲比例不利于新能源和儲能投資。合理配置儲能比例是確保新能源發電系統穩定運行的關鍵因素。只有在根據實際情況進行合理優化配置之后，才能保證新能源發電系統的安全、高效、可持續運行。

　　多種規劃理論、方法被用于新能源領域的儲能配置，目前主流的儲能配置方法如何保證儲能配置結果的工程適用性，是一個涵蓋多時間尺度多目標多約束的復雜問題。常規尋優算法計算復雜，計算速度和收斂性均達不到要求。建議采用遺傳算法、粒子群優化算法、飛蛾撲火算法等求解。

　　3.4 系統運行效能評價

　　自然稟賦供給能力與交通用能負荷具有強波動性與時空分布差異性，使得交通自洽能源系統的效能發揮機制存在復雜時空非線性特點，而交通自洽能源系統有效應用的前提是具備高彈性、可靠性、可恢復性及魯棒性。因此，基于清潔能源供給潛力評估與用能負荷預測，建立適用于高速公路自洽能源系統的運行特性評價體系，是優化能源系統供給能力設計和負荷布局的科學依據，也是實現多場景、多用能節點、大公路網規模、大容量能源儲用的高速公路自洽能源系統規劃過程中必須解決的關鍵技術與難點。

　　為了提升系統的整體性能和安全性，需要綜合考慮可靠性、可用性、可維護性和安全性這 4 個要素，即 RAMS，其相關關系從 20 世紀 80 年代起，軌道交通行業引入了 RAMS 管理，但在中國尚處于起步階段。為了對高速公路自洽能源系統的運行過程進行全面評價，現通過引入 RAMS 理論將可靠性工程理論和方法應用于高速公路，保證其在全壽命周期內的安全、可靠。評價流程通過對 RAMS 評價模型進行分析，即可建立高速公路自洽能源系統 RAMS 評價指標體系。評價指標篩選方法是該階段的核心問題，常用的指標篩選方法篩選出的高速公路自洽能源系統 RAMS 評價指標體系定權賦分評價包括指標權重計算和評價結果計算。指標權重的計算方法可分為主觀定權法、客觀定權法和組合賦權法。

　　通過對 RAMS 評價模型進行分析，即可建立高速公路自洽能源系統 RAMS 評價指標體系。評價指標篩選方法是該階段的核心問題，常用的指標篩選方法包括生命周期評估、理論模型法、專家建議法、頻度統計法、因子分析法、層次分析法、變異系數法、情景模擬法、主成分分析法等，篩選出的高速公路自洽能源系統 RAMS 評價指標體系如下：

　　可靠性：從電力供應以及負荷波動方面評價，指標包括電力供應不足概率、預計電力不足期望、預計有效供電期望、電力供應不足時長。

　　可用性：從自洽率、新能源利用率以及可用度三方面評價，指標包括自洽率、清潔能源利用率、可用度。

　　維修性：主要體現在維修時間、維修恢復程度以及維修費用，指標包括維修時間、維修恢復程度、維修成本。

　　安全性：主要從系統出現故障或危險狀態的次數和每次故障持續時長進行分析，指標包括失負荷嚴重度、風險持續時長、風險指數。

　　定權賦分評價包括指標權重計算和評價結果計算。指標權重的計算方法可分為主觀定權法、客觀定權法和組合賦權法。評價結果的計算方法有很多，當前應用較多的有模糊綜合評價(FCE)、理想優劣解距離法(TOPSIS)、灰色關聯分析以及數據包絡法(DEA)等。這些方法能夠解決定性指標的量化、多準則綜合評價以及后續方案的多目標決策、優化等問題，與高速公路自洽能源系統運行效能評價的研究契合。

　　4 結語

　　清潔能源發電潛力評估：受數據獲取難度、區域地理位置和地形條件、時間動態性、公路結構構造復雜性、發電設備轉換效率等眾多因素影響，難以準確評估路域清潔能源發電潛力。清潔能源發電潛力評估模型的簡化與完善是未來研究發展的難點。

　　公路用能負荷預測：公路用能負荷與具體用能場景、交通量及電動汽車數量等密切相關。依據具體用能節點構建負荷預測模型，可降低負荷預測的隨機性和不確定性。后續研究中，可針對節假日等非平常日期深入分析驗證，提高預測模型的普適性。

　　儲能方式選擇及配置：儲能方式的選擇及合理配置儲能比例是確保系統穩定運行的關鍵因素。只有根據實際情況對儲能設備進行合理優化配置，才能保證可再生能源發電系統的安全、高效、可持續運行。

　　系統運行效能評價：通過對 RAMS 評價模型進行分析，可建立高速公路自洽能源系統 RAMS 評價指標體系對系統運行效能進行綜合評價。建議在篩選評價指標、建立等級評價集時，與規劃場景的實際需求相結合，進一步細化評價指標，為建立更為完善的高速公路自洽能源系統運行效能評價體系提供參考。

　　發展展望：高速公路自洽能源系統的研究與建設是一項高度復雜的系統工程，需要解決多個技術、政策和社會問題。盡管目前該系統的研究在中國尚處于起步階段，離實現成熟商業化還有很大距離，但面對交通低碳化、綠色化發展的需求，其因在技術、經濟和環境等方面的綜合優勢而擁有廣闊的發展前景。

趙莉莎;胡力群;袁旻忞;韓振強;韓泳圖;黃虹鑫,長安大學公路學院;交通運輸部公路科學研究院,202405