園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)：概念、特征與應用價值

付學謙，周亞中，孫宏斌，王 洋

（1. 中國農業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100083； 2. 清華大學 電機工程與應用電子技術系，北京 100084）

0 引 言

早在2008年，美國國家科學基金FREEDM研究中心就提出了“能源互聯(lián)網(wǎng)”的概念[1]。2011年里夫金在《第三次工業(yè)革命》中指出“能源互聯(lián)網(wǎng)”模式將改變世界[2]。2014年清華大學成立了能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院[3]。預計到2020年，中國將基本建成中國能源互聯(lián)網(wǎng)。能源互聯(lián)網(wǎng)可以外延到多個行業(yè)和領域，包括社會能源互聯(lián)網(wǎng)[4]、交通能源互聯(lián)網(wǎng)[5]、工業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)[6]。能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了能源和其他行業(yè)的發(fā)展融合，其特征和優(yōu)勢包括：1）建設信息物理系統(tǒng)，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)輕資產(chǎn)盤活能源重資產(chǎn)；2）發(fā)展多能互補技術，滿足用戶對不同品位的能源需求；3）引領技術跨界融合，推動市場改革與商業(yè)模式。

通過能源和農業(yè)工程領域的一體化戰(zhàn)略部署和有效協(xié)同，可以推動農業(yè)能源生產(chǎn)消費革命、清潔能源在農業(yè)工程領域的應用，加強農業(yè)-能源資源優(yōu)化，對保障以能源安全和糧食安全為基礎的國家總體安全具有重要意義。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)[7-10]的區(qū)別包括以下幾個方面：1）本質存在差異。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的本質是基于能源和農業(yè)生產(chǎn)的深度融合技術實現(xiàn)新能源與現(xiàn)代農業(yè)的協(xié)同高效可持續(xù)發(fā)展，而能源互聯(lián)網(wǎng)的本質是基于互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)能源的高效綜合利用；2）研究對象存在差異。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)研究對象為園區(qū)，解決現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)園能源問題，而能源互聯(lián)網(wǎng)研究對象為區(qū)域/全球，解決區(qū)域/全球能源-經(jīng)濟-生態(tài)平衡問題；3）研究范疇不同。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的研究范疇為能源與農業(yè)領域的技術、模式、業(yè)態(tài)和體系創(chuàng)新，而能源互聯(lián)網(wǎng)的研究范疇涉及一切與能源領域相關的技術、模式、業(yè)態(tài)和體系創(chuàng)新。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)推進了能源互聯(lián)網(wǎng)在農業(yè)領域的應用。

從能源角度出發(fā)，當前園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)存在的關鍵問題有以下幾點：1）環(huán)境-能源-糧食協(xié)同安全問題。能源與農業(yè)之間存在的行業(yè)壁壘是阻礙環(huán)境-能源-糧食協(xié)同安全的瓶頸問題之一；2）農業(yè)生產(chǎn)驅動力不足問題。固定資產(chǎn)投資不足以及能耗費用高昂是阻礙規(guī)模農業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一；3）農業(yè)生產(chǎn)集約化、規(guī)?；瘑栴}。信息化與自動化程度不高是阻礙集群農業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一。

園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)以下幾點：1）逐步實現(xiàn)異質能源和農業(yè)生產(chǎn)的深層次耦合優(yōu)化，打破現(xiàn)有能源系統(tǒng)和農業(yè)系統(tǒng)相互割裂的藩籬，實現(xiàn)農業(yè)和能源協(xié)同，促進清潔能源發(fā)展，減少環(huán)境污染；2）逐步實現(xiàn)新能源和現(xiàn)代農業(yè)融合，打破現(xiàn)有能源和農業(yè)行業(yè)的壁壘，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+能源+農業(yè)”跨界融合，以新型的產(chǎn)業(yè)模式促進農業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；?jīng)營，拉動農業(yè)生產(chǎn)性投資，推動農業(yè)規(guī)?；?、經(jīng)濟化發(fā)展；3）逐步實現(xiàn)農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)融合，促進農業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；⒓夯?、智能化發(fā)展，推動農業(yè)集群轉型升級。

研究并發(fā)展園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的應用價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）環(huán)境效益。農業(yè)和能源耦合方式的綠色化發(fā)展，減少了消耗化石能源的所帶來的環(huán)境污染問題。在“源”側農業(yè)秸稈氣化發(fā)電替代了傳統(tǒng)的火力發(fā)電，減少了環(huán)境污染。農業(yè)和新能源的空間耦合促進了新能源的發(fā)展，部分農業(yè)設施可為光伏板提供安裝空間，進一步提高可再生能源發(fā)電的比例；2）安全效益?，F(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)園采用集群化的發(fā)展模式，負荷率高、負荷密度大，因而采取多電源供電的方式提高園區(qū)供電的可靠性。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展在電力物聯(lián)網(wǎng)和農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之間的耦合交互，實現(xiàn)了設施農業(yè)環(huán)境和能源系統(tǒng)的泛在感知，提高了園區(qū)監(jiān)控的安全性；3）經(jīng)濟效益。農業(yè)和新能源跨界融合的產(chǎn)業(yè)模式帶來了協(xié)同經(jīng)濟效益。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)通過新能源與農業(yè)的跨界融合，除了實現(xiàn)電力和農業(yè)的雙創(chuàng)收，還可以一地兩用，節(jié)約土地租賃費用；園區(qū)運營管理人員即可以對新能源設備進行管理，也可以對農業(yè)生產(chǎn)進行管理，降低園區(qū)的人力成本。

本文以園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)為研究對象，首先針對引言中提到的關鍵問題，對國內外的研究現(xiàn)狀進行分析，介紹了 3個典型案例并分析對園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)關鍵問題的意義。然后提出了園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的概念、結構和特征，并對能源和農業(yè)深層次耦合優(yōu)化的相關問題進行了討論。最后針對園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的落地與實踐問題進行了闡述。

1 研究現(xiàn)狀與典型案例

1.1 研究現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)園的發(fā)展，高污染、高能耗的用能模式已經(jīng)很難滿足經(jīng)濟社會的發(fā)展要求。在能源互聯(lián)網(wǎng)的時代背景下，亟需發(fā)展園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)新能源與現(xiàn)代農業(yè)的協(xié)同高效可持續(xù)發(fā)展，對維持能源安全、環(huán)境安全和糧食安全具有重要意義。本部分將重點圍繞環(huán)境-能源-糧食協(xié)同安全問題、農業(yè)生產(chǎn)驅動力不足問題和農業(yè)生產(chǎn)集約化、規(guī)模化問題這個 3個關鍵問題，對國內外的研究現(xiàn)狀展開分析。

逐步實現(xiàn)新能源與農業(yè)的深層次耦合優(yōu)化，提高能源的利用率以及糧食的產(chǎn)量與質量，減少污染性氣體的排放是當前園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)一個熱點話題。文獻[11]基于農業(yè)可時移負荷，對溫室大棚和供能系統(tǒng)進行智慧化改造，提升新能源就地消納的比例。文獻[12]與文獻[13]通過余熱回收的方式降低了現(xiàn)代溫室和沼氣發(fā)酵罐的用能成本。植物工廠是設施農業(yè)發(fā)展的高級階段，文獻[14]通過預測植物工廠熱負荷的變化來有效調節(jié)供熱系統(tǒng)，實現(xiàn)植物工廠經(jīng)濟化運行。文獻[15]基于光伏溫室，設計了一種生態(tài)智能溫控系統(tǒng)，在降低能耗的同時還能保證溫室番茄處在適宜的環(huán)境。文獻[16]設計了一套調溫和灌溉的集合系統(tǒng)，能夠對畜舍和農田進行高效的調溫與灌溉，能耗費用降低14%。文獻[17]結合聚光光伏和衍射干擾技術，研制出一種新型農業(yè)光伏系統(tǒng)，能夠在發(fā)電和作物生長之間建立平衡，使生產(chǎn)的經(jīng)濟效益最大化。文獻[18]對阿爾及利亞某光伏農場的照明系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)進行了優(yōu)化，可使農場能源消耗減少 67%，生產(chǎn)的牛奶增加8%，二氧化碳排放量減少68%。文獻[19]基于作物蒸散模型和日光積分模型，提出一種將作物生長機制轉化為電力消耗的方法，對光伏溫室運行進行優(yōu)化，可節(jié)省電費最高達75.93%，總收入可提高7.43%。以上文獻針對環(huán)境-能源-糧食協(xié)同安全問題，多以設施農業(yè)內部的能源系統(tǒng)為研究對象，但隨著設施農業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，集群溫室與園區(qū)微能網(wǎng)之間的相互影響變得更加明顯，協(xié)同安全問題變得更加突出。因此除了需要關注設施農業(yè)內部能源系統(tǒng)的運行情況以外，集群溫室與園區(qū)微能網(wǎng)之間的協(xié)同安全問題也需要深入研究。

打破能源和農業(yè)之間的行業(yè)壁壘，形成 1種跨領域的產(chǎn)業(yè)運營模式，是推動園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展的動力之一。文獻[20]基于分布式能源等技術提出“五位一體”的農業(yè)循環(huán)經(jīng)濟模式，可降低農業(yè)生產(chǎn)的施肥費用。文獻[21]研究表明將水用于農業(yè)與光伏的集成系統(tǒng)所得的回報比單獨用于這 2個系統(tǒng)要高，這對水資源短缺農業(yè)地區(qū)的發(fā)展具有十分重要的指導意義。文獻[22]構建了1種動態(tài)投入產(chǎn)出模型，模擬結果顯示目標區(qū)域在 2025年可實現(xiàn)相當于838萬t標準煤的農業(yè)生物質能生產(chǎn)，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。文獻[23]和文獻[24]分析了光伏和水泵的融合系統(tǒng)對巴基斯坦農業(yè)灌溉的經(jīng)濟性，可緩解能源和經(jīng)濟相關的農業(yè)問題。文獻[25]和文獻[26]對中國的農作物秸稈的利用路徑以及經(jīng)濟效益等方面進行了闡述，為降低農業(yè)生產(chǎn)的能耗費用指明了方向。文獻[27]指出發(fā)展光伏農業(yè)可以有效緩解人口減少和土地減少的矛盾，促進設施農業(yè)的發(fā)展，增加農民收益，減少二氧化碳排放并改善環(huán)境。文獻[28]的研究表明利用光伏給農業(yè)灌溉供能的經(jīng)濟效益比柴油和電網(wǎng)要高。此外，文獻[29]、文獻[30]和文獻[31] 都從經(jīng)濟效益角度分析農業(yè)與能源跨界融合后所帶來的生產(chǎn)驅動力效益。以上文獻針對農業(yè)生產(chǎn)驅動力不足問題，對一些能源和農業(yè)跨界融合的產(chǎn)業(yè)模式的經(jīng)濟性進行了分析，但大多數(shù)文獻都是從宏觀層面論述農業(yè)與能源融合所帶來的生產(chǎn)驅動力效益，尚未具體考慮園區(qū)不同生產(chǎn)單元的結構與用能特征，因此需要深入研究該如何構建園區(qū)不同農業(yè)生產(chǎn)單元與能源融合的產(chǎn)業(yè)模式。

當前中國農業(yè)生產(chǎn)的集約化程度與國外相比，還有一定距離。造成農業(yè)生產(chǎn)難以集約化、規(guī)?；l(fā)展的關鍵問題之一就是當前中國農業(yè)的信息化與自動化水平不高。從目前國內外的發(fā)展情況來看，利用物聯(lián)網(wǎng)技術是提升農業(yè)信息化與自動化水平的有效方法之一。當前已有相關文獻對農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術研究進展、發(fā)展趨勢、面臨的挑戰(zhàn)[32-36]以及創(chuàng)新發(fā)展策略[37]等方面進行了歸納總結。設施農業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖是 2個典型的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用場景，在設施農業(yè)方面，主要需要對溫室內的溫度、濕度和光照強度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測與控制?，F(xiàn)有文獻已分別基于 AGCP（Agricultural Greenhouses Communication Protocol）協(xié)議[38]、時間自動機理論[39]、混雜自動機模型[40]等方面構建了設施環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)。此外，文獻[41]設計了1種溫室環(huán)境遠程測控系統(tǒng)來解決環(huán)境控制過程中參數(shù)無法修改的問題。文獻[42]通過低成本無線自組織傳輸網(wǎng)絡搭建了設施農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云服務平臺，實現(xiàn)設施環(huán)境的智能化控制。在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，主要需要對水中的溫度、pH值和溶解氧等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測與控制。目前已有基于 Android 平臺[43]、物聯(lián)網(wǎng)結構（感知層、傳輸層和應用層）[44]、窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術[45]和 LoRa 技術[46]等方面構建了水質的監(jiān)測控制系統(tǒng)。以上文獻針對農業(yè)生產(chǎn)集約化、規(guī)模化問題，都是基于農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)角度來考慮提升農業(yè)信息化與自動化水平。農業(yè)電氣化是農業(yè)信息化與自動化的前提，且隨著園區(qū)新能源比例、農業(yè)負荷密度的增加以及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)[47-50]的發(fā)展，如何利用農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同交互來推動農業(yè)生產(chǎn)進一步集約化發(fā)展，是 1個值得深入的問題。

1.2 典型案例

當前，中國正廣泛開展園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)模式。案例一利用農業(yè)生物質能來實現(xiàn)氣、熱、電、肥聯(lián)產(chǎn)以及能源的梯級利用，改變了傳統(tǒng)農業(yè)生物質粗放的管理模式以及高污染的消費模式。案例二通過漁光互補的生產(chǎn)方式促進能源和農業(yè)的跨界融合，提高了土地的利用效率，實現(xiàn)了電力和農業(yè)的雙創(chuàng)收。案例三通過將物聯(lián)網(wǎng)技術與設施農業(yè)的結合來促進農業(yè)生產(chǎn)的信息化與自動化，為集約化、規(guī)?；r業(yè)的發(fā)展提供了有利條件。

1.2.1 案例一

案例一為上海市某農業(yè)園區(qū)的生物質循環(huán)利用工程，據(jù)悉該示范工程可實現(xiàn)園區(qū) 80%的農業(yè)廢棄物回收利用，每日可處理秸稈生物質4 t，牛糞12 t，日產(chǎn)有機肥約1 t，日產(chǎn)沼氣約1 000 m3，發(fā)電58.4萬kW，凈內部經(jīng)濟效益率約為6.8%[51]。該工程以農業(yè)園區(qū)內秸稈和牲畜糞便等農業(yè)廢棄物為原料，厭氧發(fā)酵制取沼氣，一部分沼氣供給發(fā)電機組發(fā)電，產(chǎn)生的電能可用于園區(qū)的日常生活生產(chǎn)，此外通過余熱回收的方式將發(fā)電過程中的熱能供給發(fā)酵系統(tǒng)利用；另一部分沼氣也可供給沼氣熱水鍋爐，產(chǎn)生的熱水可供給玻璃溫室等園區(qū)單元使用。發(fā)酵罐中沼液還可以作為肥料用于果園施肥。集中型氣、熱、電、肥聯(lián)產(chǎn)沼氣系統(tǒng)工程示意圖如圖1所示。

圖1 集中型氣、熱、電、肥聯(lián)產(chǎn)沼氣系統(tǒng)工程示意圖Fig.1 Schematic diagram of centralized gas, heat, electricity and fertilizer co-production biogas system

園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)通過異質能源和農業(yè)生產(chǎn)的深層次耦合實現(xiàn)了生態(tài)農業(yè)模式循環(huán)發(fā)展，是 1種有效解決環(huán)境-能源-糧食協(xié)同安全問題的辦法。在電源側，沼氣發(fā)電工程同時解決了農業(yè)廢棄物管理粗放問題和傳統(tǒng)化石能源發(fā)電污染問題。在能源網(wǎng)絡中，氣/熱/電多能互補實現(xiàn)了園區(qū)農業(yè)能源的高效綜合利用。在負荷側，農業(yè)-沼氣池-能源模式不僅解決了農業(yè)生產(chǎn)用能問題，還解決了肥料來源問題。

1.2.2 案例二

案例二位于江西省宜春市某漁光互補示范項目，據(jù)悉該項目總裝機容量已達90 MW，年發(fā)電量9 000 kW·h，與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，每年可節(jié)約標準煤2.97萬t，減少二氧化碳等大氣污染物近10萬t[52]。漁光互補是指將光伏發(fā)電和漁業(yè)養(yǎng)殖相結合，在魚塘上方安裝光伏組件進行發(fā)電，在光伏組件下方的水域里可養(yǎng)殖魚類等物種，形成了“上發(fā)電下養(yǎng)魚”的新型產(chǎn)業(yè)模式，提高了土地利用率以及單位土地面積的產(chǎn)出量?！肮夥?漁業(yè)”的工程示意圖如圖2所示。

漁光互補是 1種新型的能源和農業(yè)跨界融合生產(chǎn)模式，產(chǎn)出的電能一部分可供水泵和增氧機等漁業(yè)設備使用，剩余的電能還能并入電網(wǎng)，進一步增加農戶收益。另外，相關的能源設備對漁業(yè)養(yǎng)殖的環(huán)境也有一定的優(yōu)化作用，如光伏板可以給魚塘遮陽，降低水域的溫度以及水中藻類的光合作用，提高水質，為魚類提供 1個良好的生長環(huán)境。

園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)通過新能源與農業(yè)跨界融合實現(xiàn)了農業(yè)和新能源雙主業(yè)驅動，是 1種有效解決農業(yè)固定資產(chǎn)投資不足問題的辦法。能耗費用是制約溫室、漁業(yè)工廠化生產(chǎn)推廣和發(fā)展的瓶頸問題，農光互補、漁光互補等跨界融合模式，是溫室、漁業(yè)工廠化生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1.2.3 案例三

案例三是 1個農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程案例，位于北京市大興區(qū)某西甜瓜種植基地。據(jù)統(tǒng)計，該案例將物聯(lián)網(wǎng)技術運用到溫室大棚后，可實現(xiàn)降低生產(chǎn)成本 20%以上、提高作物產(chǎn)量 15%左右[53]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術來構建智慧化的全控型溫室如圖 3所示，在該系統(tǒng)下，通過設施環(huán)境傳感器以及實施環(huán)境調控設備實現(xiàn)對溫室內的光照強度、濕度和溫度等環(huán)境因子的檢測和調控，促進農業(yè)生產(chǎn)的信息化與自動化，同時還可節(jié)省人力成本，提高生產(chǎn)效率。

園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)通過建設信息物理融合系統(tǒng)實現(xiàn)了農業(yè)生產(chǎn)的智能化，是 1種有效解決農業(yè)生產(chǎn)集約化、規(guī)?；瘑栴}的技術手段。擺脫傳統(tǒng)的農業(yè)生產(chǎn)方式，推動農業(yè)生產(chǎn)升級轉型的關鍵要素之一就是要把科學技術運用到農業(yè)生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)中。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)建設智能電網(wǎng)護航“智慧農業(yè)”，通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對能源系統(tǒng)、農業(yè)系統(tǒng)的泛在感知以及智能化、精準化控制。

2 園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的構想

2.1 園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的概念

當前園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)還沒有嚴格的概念，通常我們認為園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)在農業(yè)領域的延伸，其本質也是 1個微能網(wǎng)[54-56]。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，以分布式可再生能源接入為主，在不同形式能源互聯(lián)的基礎上利用先進的信息通信技術和物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的全面感知、管理與控制，同時可通過相關的物聯(lián)網(wǎng)平臺為農業(yè)生產(chǎn)提供一系列特定的服務。

2.2 技術創(chuàng)新和模式創(chuàng)新

基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術和農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，并根據(jù)前文所論述的關鍵問題和發(fā)展趨勢，本文提出園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)2個關鍵技術和1個運行模式：1）農業(yè)-能源耦合優(yōu)化技術；以能源與農業(yè)深度耦合的方式構建園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的物理系統(tǒng)，形成了“源-網(wǎng)-儲-荷”的能源結構；2）農業(yè)智能化技術；以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同交互構建園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)，形成了“感知層-網(wǎng)絡層-平臺層-應用層”的信息結構；3）跨界融合運行模式；傳統(tǒng)的農業(yè)與能源的運營模式存在分隔壁壘，園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)以協(xié)同管理的運行模式來打破這種壁壘，實現(xiàn)農業(yè)領域與能源領域的跨界融合發(fā)展。

2.3 基本框架

園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的基本框架如圖 4所示。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的物理系統(tǒng)由“源-網(wǎng)-儲-荷”4部分構成。在“源”側，以可再生能源為主，利用光伏機組、鍋爐、沼氣發(fā)酵罐等設備產(chǎn)生電、熱、氣等不同形式的能源。在“網(wǎng)”側，主要利用配電桿、熱力管道、燃料管道等設備對能源進行傳輸。在“儲”側，主要利用大容量儲能設備來提高可再生能源的消納能力，減少可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性對園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)帶來的不利影響。在“荷”側，指的是能源-農業(yè)耦合元件，常見的耦合元件有水泵、散熱器、補光燈、等離子固氮與水處理等。相比較其他形式的能源互聯(lián)網(wǎng)，如交通能源互聯(lián)網(wǎng)、社會能源互聯(lián)網(wǎng)和城市能源互聯(lián)網(wǎng)等，園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)在“源-網(wǎng)-儲-荷”各單元都具有一定的不同。農業(yè)系統(tǒng)在生物質生產(chǎn)方面具有獨特的優(yōu)勢，因此，園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)在“源”側對農業(yè)生物質能的利用相對較多。在“網(wǎng)”側，由于研究的主體為現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)園，所以更加注重配電網(wǎng)的建設運行。在“儲”側，氣儲單元中沼氣的儲量相對較高，且熱儲單元利用相變蓄熱技術將電能轉化為熱能進行存儲，在設施農業(yè)中具有白天“削峰”、夜間“填谷”的作用。在“荷”側，由于農業(yè)生產(chǎn)跟天氣情況和農作物生物特征密切相關，所以農業(yè)負荷具有很強的季節(jié)性和可時移性。

園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)在信息系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層 4部分構成，關鍵技術主要包括泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術和農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術。在感知層主要利用溫濕度傳感器、光譜傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和智能電表等設備對物理系統(tǒng)的“源-網(wǎng)-儲-荷”4部分以及農業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境進行實時感知和信息采集。在網(wǎng)絡層主要利用光纖專網(wǎng)、LTE電力無線專網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)等通信網(wǎng)絡對感知層采集到的數(shù)據(jù)進行高效傳遞。在平臺層主要利用大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等先進技術對網(wǎng)絡層傳輸過來的數(shù)據(jù)進行分析處理，為各類應用提供數(shù)據(jù)基礎。應用層通過平臺層分析處理后的數(shù)據(jù)為相關用戶和部門等提供便捷的服務，產(chǎn)生各類的決策指令由通信網(wǎng)絡傳輸給相關的控制設備，對能量的流動以及農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進行控制和優(yōu)化。

2.4 園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的特征

園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，信息-物質-能量深度耦合是其本質特征，從農業(yè)系統(tǒng)的角度來看，還具有以下幾點特征：1）農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的深度耦合；2）農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的產(chǎn)消互補；3）農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的信息共享。

2.4.1 農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的深度耦合

在園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)中，農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的深度耦合主要包含 2個方面。一方面是通過水泵、散熱器、LED 補光燈等能源-農業(yè)耦合元件耦合起來，根據(jù)能量物質轉換原理以及能量守恒定律，能源系統(tǒng)在通過耦合元件作用之后會改變設施農業(yè)的水環(huán)境、熱環(huán)境以及光環(huán)境。另一方面，農業(yè)系統(tǒng)可為能源系統(tǒng)中的發(fā)電設備提供安裝空間，如溫室大棚頂端為光伏板提供安裝空間；能源系統(tǒng)反過來又可以為農業(yè)系統(tǒng)提供運行動力，如光伏板為溫室大棚提供電能。農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的深度耦合示意圖如圖5所示。

圖4 園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的框架圖Fig.4 Framework diagram of the park-level agricultural energy internet

圖5 農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)深度耦合Fig.5 Deep coupling of agricultural and energy systems

農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的深度耦合能夠促進能源和農業(yè)協(xié)同生產(chǎn)。農業(yè)設施為新能源設備提供安裝空間，以新能源發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火力發(fā)電，減少環(huán)境污染。通過對設施農業(yè)的能量輸入，改善設施農業(yè)環(huán)境，增加糧食的產(chǎn)量與質量，維持環(huán)境-能源-糧食的協(xié)同安全。

2.4.2 農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的產(chǎn)消互補

農業(yè)系統(tǒng)由于在生物質能原料生產(chǎn)方面具有獨特優(yōu)勢，使得農業(yè)系統(tǒng)具有“源”和“荷”的雙重角色。通過能量和物質的相互轉化，農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)具有很強的產(chǎn)消互補性。一方面，能源系統(tǒng)向農業(yè)系統(tǒng)輸入電、氣、熱等不同形式的能源，農業(yè)系統(tǒng)經(jīng)過一系列的農業(yè)生產(chǎn)后可產(chǎn)出秸稈、牲畜糞便等農業(yè)生物質。另一方面，農業(yè)生物質可作為熱電聯(lián)產(chǎn)機組和沼氣發(fā)酵罐等能源設備的產(chǎn)能原料，產(chǎn)出的熱、電、氣又可維持農業(yè)系統(tǒng)的運行。如此循環(huán)，體現(xiàn)出農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的產(chǎn)消互補性，實現(xiàn)傳統(tǒng)單向的能量流動模式轉變?yōu)槟芰扛咝Ю玫难h(huán)流動模式。農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)產(chǎn)消互補示意圖如圖6所示。

圖6 農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)產(chǎn)消互補Fig.6 Agricultural systems and energy systems produce and consume each other

農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的產(chǎn)消互補打破了現(xiàn)有能源和農業(yè)行業(yè)的壁壘，促進了能源流與物質流之間的循環(huán)流動。農業(yè)生物質發(fā)電是 1種農業(yè)和能源跨界融合的產(chǎn)業(yè)模式，緩解了集群溫室、漁場工業(yè)化生產(chǎn)所需的能耗費用，是破解農業(yè)生產(chǎn)驅動力不足問題的途徑之一。

2.4.3 農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的信息共享

在園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)中，農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的作用下會頻繁的進行信息共享。信息共享便于園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)實時感知系統(tǒng)的運行情況，結合大數(shù)據(jù)、云計算等技術來制定相應的策略，促進不同系統(tǒng)之間的協(xié)調配合，實現(xiàn)農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的管理更加信息化、精細化與智慧化。農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)（主要指電力系統(tǒng)）的信息共享示意圖如圖 7所示。農業(yè)系統(tǒng)利用傳感器和人工智能等技術對未來的農業(yè)生產(chǎn)需求（如灌溉需求、補光需求、降溫需求等）、農業(yè)分布式發(fā)電系統(tǒng)（如農業(yè)園區(qū)光伏、風電等）的出力情況以及天氣情況進行預測，并將相關預測信息共享給電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)結合集中式發(fā)電系統(tǒng)的出力情況以及整個電力網(wǎng)絡的負荷情況，制定出當前的電價策略，并將相關的電價信息反饋給農業(yè)系統(tǒng)，并指導農戶選擇在合理的時間段進行相關的農業(yè)操作（如夏天空調負荷較多的情況下，可安排農戶在夜間對農田進行灌溉，避免白天因負荷較多而導致電力系統(tǒng)癱瘓）。

圖7 農業(yè)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)信息共享Fig.7 Agricultural and power systems information sharing

農業(yè)系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的信息共享在技術層面主要表現(xiàn)為農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)之間的協(xié)同交互，實現(xiàn)能源系統(tǒng)和農業(yè)系統(tǒng)的泛在感知，以精細化、經(jīng)濟化的管理方式促進傳統(tǒng)農業(yè)向智慧農業(yè)轉型，推動現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)園向集約化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展。

2.5 能源-農業(yè)深層次耦合優(yōu)化問題

在園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)中，農業(yè)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的深度耦合是其最復雜的特征，其中涉及多方面的問題需要討論，如下所示：

1）行業(yè)壁壘問題。能源系統(tǒng)和農業(yè)生產(chǎn)屬于不同行業(yè)管理，存在行業(yè)壁壘。雖然新能源與現(xiàn)代農業(yè)技術綜合利用技術不斷進步，但是農民維護能源系統(tǒng)有難度，重視發(fā)電量還是重視農業(yè)生產(chǎn)會帶來主體目標導向不一致問題，給園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)運營管理帶來挑戰(zhàn)，需要進行深入研究。

2）氣象災害問題。天氣變化會破壞設施農業(yè)環(huán)境和能源系統(tǒng)運行，低溫、雪災、連續(xù)陰天等極端天氣往往會造成極大的能源系統(tǒng)和農業(yè)生產(chǎn)危害和經(jīng)濟損失。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)新能源比例高，新能源與現(xiàn)代農業(yè)結合日益緊密，需要深入分析能源氣象和農業(yè)氣象對園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)安全經(jīng)濟運行帶來的雙重影響。

3）產(chǎn)業(yè)耦合問題?；诋a(chǎn)業(yè)耦合角度探索園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)理論，促進農業(yè)和能源跨界融合，提高資源綜合利用效率。農業(yè)負荷存在獨特的靈活性，充分發(fā)揮農業(yè)負荷的可時移特性可以促進新能源的消納。新能源與農業(yè)生產(chǎn)共享太陽能資源與土地資源，新能源發(fā)電可與作物光合作用、病蟲害防治、環(huán)境控制、節(jié)水灌溉等集成融合，具體產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化耦合的工程模式需要進一步深入研究，推動新能源和現(xiàn)代農業(yè)的共同發(fā)展。

4）尖端技術問題。農業(yè)能源尖端技術包括水-電聯(lián)產(chǎn)技術、巖床儲熱技術、溫室動態(tài)預測采暖技術等方面。如文獻[57]通過在光伏板背面安裝三級膜蒸餾組件，同時完成電力和淡水的生產(chǎn)，突破了農業(yè)生產(chǎn)在干旱地區(qū)電力和淡水資源缺乏的難題。文獻[58]研制出了1種簡易經(jīng)濟的溫室太陽能儲能巖床，實現(xiàn)白天吸熱，晚上放熱，突破了傳統(tǒng)溫室加熱系統(tǒng)造價昂貴以及安裝復雜的難題。文獻[59]研究出1種利用計算流體動力學和能量預測模型的溫室采暖控制方法，突破了傳統(tǒng)溫室加熱方式速率慢、精度低、能耗高的難題。由此可見，農業(yè)能源尖端技術的突破可以為農業(yè)生產(chǎn)帶來如突破自然限制、降低投資成本、節(jié)約能源損耗等諸多方面的效益。

5）經(jīng)濟成本問題。本文從投資成本和運行成本2個方面討論經(jīng)濟成本問題。在投資成本方面，通過資源共享的方式可降低投資成本。如光伏溫室的生產(chǎn)模式，通過能源設備和溫室共享 1塊土地資源來降低投資成本，其年投資回報率可達9%～20%，內部收益率在12.05%到21.89%之間，折現(xiàn)回收期為4～8 a[31]，相比傳統(tǒng)溫室具有更好的經(jīng)濟表現(xiàn)。在運行成本方面，通過協(xié)同優(yōu)化、能源互補等方式可降低運行成本。如通過對作物生長機制與電力消耗的協(xié)同優(yōu)化，可最高節(jié)省75.93%的電費成本[19]；通過可時移負荷對光伏發(fā)電的就地消納以及溫室微能網(wǎng)優(yōu)化，可降低56.5%的溫室運行成本[60]。綜上，資源共享、協(xié)同優(yōu)化等方式可有效降低園區(qū)的投資成本和運行成本，提升園區(qū)的經(jīng)濟效益。

2.6 框架落地與實踐問題

本文從支撐理論-優(yōu)化機制-關鍵技術-服務模式-效果評估-實施保障6個方面論述園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)框架的落地問題，如圖 8所示。以農業(yè)工程理論、能源互聯(lián)網(wǎng)理論、農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)理論和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)理論作為支撐理論。在優(yōu)化機制方面考慮農業(yè)產(chǎn)業(yè)化組織模式優(yōu)化、農業(yè)能源耦合優(yōu)化和多能互補優(yōu)化。關鍵技術包含農業(yè)-能源耦合優(yōu)化技術和農業(yè)智能化技術。服務模式以“互聯(lián)網(wǎng)+”為核心，考慮互聯(lián)網(wǎng)+農業(yè)跨界與融合、互聯(lián)網(wǎng)+能源跨界與融合。從環(huán)境-能源-糧食協(xié)同安全、經(jīng)濟效益和集約化水平這 3個方面進行效果評估。實施保障有現(xiàn)代農業(yè)園區(qū)管委會管理、政府（國農辦 1號文件扶持農業(yè)）和能源企業(yè)（電力扶貧）。

圖8 結構框架落地示意圖Fig.8 Schematic diagram of structural frame landing

園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)從能源開發(fā)和利用的角度推進現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)建設。園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)是農業(yè)工程和電力工程等多個重要學科交叉領域，需要從2個方面處理不同現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的實踐問題。現(xiàn)代電力系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)的工業(yè)領域，強調國際化標準化，執(zhí)行IEEE標準是園區(qū)能源系統(tǒng)實踐的重要手段。農業(yè)工程強調充分利用當?shù)刭Y源，因地制宜，充分考慮天氣環(huán)境條件和土地資源的限制，經(jīng)濟-環(huán)境-農業(yè)的協(xié)同可持續(xù)發(fā)展是不同類型生態(tài)農業(yè)工程模式實踐的重要參考。

3 結 論

當前，高污染、高能耗、低效率的農業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)很難滿足中國經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，因此在能源互聯(lián)網(wǎng)的時代背景下，發(fā)展園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)環(huán)境-能源-糧食協(xié)同安全的關鍵，也是促進農業(yè)生產(chǎn)向低碳化、智能化、集約化、高效化轉變的重要驅動力。本文在研究現(xiàn)狀以及典型案例的基礎上，對園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)的概念、結構框架以及特征等方面進行了初步探討。新興的園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)涉及到能源、農業(yè)、信息等多個學科領域，呈現(xiàn)多學科交叉的態(tài)勢，未來也需要多個學科的共同努力來促進園區(qū)農業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)進一步發(fā)展。