能源互联网概述

一、能源互联网基本概念

杰里米·里夫金在其著作《第三次工业革命》中最早提出了能源互联网的未来发展蓝图，刻画出一种以可再生能源为主要能量单元，利用互联网技术实现能量流与信息流实时流动，多种能源供应、传输网络及能源技术、信息技术高度耦合的新型能源利用体系。构建能源互联网不仅需要依靠能源技术自身的创新，同时强调能源技术与其他领域先进技术的相互融合，也需要能源体制乃至能源生产消费模式的变革，总的来说，能源互联网是对人类社会生活方式的一次根本性革命。当前我国正处在能源革命的关键时期，而“互联网+”概念的提出则预示着我国能源行业发展将要进入一个全新的历史阶段。能源互联网的建设能够在能源技术、生产、供应等多个环节激发“链式变革”。

能源互联网(Energy Internet)：综合运用先进电力电子技术、信息技术和智能管理技术，以电力系统为中心，将大量由分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来，横向实现电、气、热、可再生能源等“多源互补”，纵向实现“源-网-荷-储”各环节高度协调，实现能量双向流动的能量对等交换与共享机制的能源服务网络。

从以下两方面具体理解：

1. 能源信息互通

   与现有的能源系统相比，能源互联网可以被看作是一个拥有先进的电力电子技术、新能源技术和信息技术这三大技术的对等互联的共享网络。通过这些技术，可以实现能源和信息的协调和双向流动。

2. 多能源耦合

   能源互联网可以被理解为一个综合的能源供应系统，即电力系统与其他能源网络，如天然气网络、交通网络和信息网络紧密耦合。如图所示，电力系统是各种形式的能源之间的转换枢纽，是能源互联网的核心，因为它在能源传输效率方面有很大的优势，而且它为终端用户携带最方便的能源形式。在能源互联网中，不同的能源系统通过能源转换设备（如微型涡轮机、电动汽车（EV）、电力转燃气（P2G）或车辆转电网（V2G））进行耦合。例如，利用P2G技术，剩余的可再生能源可以转化为甲烷，然后用于供应天然气负荷）。

具备如下五大特征：

• 可再生： 可再生能源是能源互联网的主要能量供应来源。可再生能源发电具有间歇性、波动性，其大规模接入对电网的稳定性产生冲击，从而促使传统的能源网络转型为能源互联网。
• 分布式： 由于可再生能源的分散特性，为了最大效率的收集和使用可再生能源，需要建立就地收集、存储和使用能源的网络，这些能源网络单个规模小，分布范围广，每个微型能源网络构成能源互联网的一个节点。
• 互联性： 大范围分布式的微型能源网络并不能全部保证自给自足，需要联起来进行能量交换才能平衡能量的供给与需求。能源互联网关注将分布式发电装置、储能装置和负载组成的微型能源网络互联起来，而传统电网更关注如何将这些要素“接进来”。
• 开放性： 能源互联网应该是一个对等、扁平和能量双向流动的能源共享网络，发电装置、储能装置和负载能够“即插即用”，只要符合互操作标准，这种接入是自主的，从能量交换的角度看没有一个网络节点比其它节点更重要。
• 智能化： 能源互联网中能源的产生、传输、转换和使用都应该具备一定的智能。

二、能源互联网研究背景和意义

2.1 能源互联网的研究背景

传统化石能源的逐渐枯竭，能源消费引起的环境问题日益恶化，未来人类发展与传统能源结构不可持续的矛盾不断尖锐，世界范围内对能源供给与结构转变的需求愈发高涨，从而催生新型能源结构与供给方式。

环境、经济、社会、技术和政策成为能源互联网发展的五大驱动力：

• 环境驱动力： 环境问题已经成为制约人类可持续发展的世界性难题，也是我国发展面临的重要挑战，其中主要有污染物排放和温室气体这两方面。为缓解环境压力，需要在现有基础上显著提高可再生能源消纳能力和能源利用效率，通过技术进步实现能源生产和消费模式革命。
• 经济驱动力： 培育新的支柱行业和新的经济增长点，如新能源、燃气轮机等重大项目以及新能源汽车等战略性新兴产业，促进我国产业升级，能源行业作为国民经济的传统支柱行业，对经济的发展和产业升级具有重要影响。
• 社会驱动力： 用户行为和选择的改变将倒逼能源供给和传输的变化。深入人心的互联网思维和互联网体验也正在改变能源行业，在能源市场比较发达的美国、德国等国家，许多融合互联网的新型的能源企业不断出现，比如Opower、Powershop、Johnson Controls等。中国的新能源企业与互联网企业也开始尝试“跨界”合作，如阿里与阳光电源、中石油、中石化的合作，腾讯与四川电网的合作，绿能宝等。
• 技术驱动力：
  ①和欧美的智能电网相比，我国智能电网在市场化、需求侧等方面还存在较大差距，而互联网技术为实现真正以用户为中心提供了技术突破的可能性。
  ②新能源发展除了带来接入和消纳问题、分布式发展，与传统能源的集中式发展模式，多种新能源适合分布式发展。这影响整个能源行业的生产、传输、分配和消费方式，也将影响能源交易、融资等模式。
  ③能源领域的另一个重要发展方向是能源的综合利用，即综合能源系统。传统的能源子系统之间相对孤立，形成多个能源孤岛，不利于提高能效和可再生能源消纳。综合能源系统涵盖多个能源子系统，可以通过多种能源的综合管理和梯级利用，大幅提高能源的使用效率和减少碳排放，提高可再生能源的消纳能力，增强系统的可靠性和应对突发情况的能力，帮助边远地区实现能源供给。综合能源系统近年来得到了较快发展，尤其是在欧洲发展迅速。
• 政策驱动力： 我国《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出：“将推进能源与信息等领域新技术深度融合,统筹能源与通信、交通等基础设施网络建设, 建设`源网荷储’ 协调发展、集成互补的能源互联网”。

2.2 能源互联网的研究意义

能源互联网是第三次工业革命的核心之一，是未来能源行业发展的方向；
能源互联网是实现能源清洁低碳替代和高效可持续发展的关键所在；
从根本上改变对传统能源利用模式的依赖，推动传统产业向以可再生能源与信息网络为基础的新兴产业转变，是人类社会生活方式的一次根本性革命。

2.3 能源互联网的发展目标

• 能源市场化：
  基于信息互联网，能源互联网可以为各种参与者和大量用户提供开放平台，降低进入成本，便捷对接供需双方，使设备、能量、服务的交易更加便捷高效，实现多方共赢。
• 能源高效化：
  实现多类能源的开放互联和调度优化，为能源的综合开发、梯度利用和能源共享提供条件，大幅度降低能源的综合使用效率。
• 能源绿色化：
  多种能源的耦合互补、各种储能的应用、需求侧相应等，支撑高渗透率可再生能源的接入与消纳。

2.4 能源互联网的理念

• 开放：核心理念
  多类型能源的开放互联、各种设备与系统的开放对等接入、各种参与者与终端用户的开放参与、开放的能源市场和交易平台、开放的能源创新创业环境、开放的能源互联网生态圈、开放的数据与标准。
• 互联：是开放的重要体现
  为能源的共享和交易提供平台，连接供需，是能源互联网创造价值的基础，包括多种能源形式、多类能源系统、多异构设备、各类参与者等的互联。
• 以用户为中心
  商业取得成功的关键，用户的认可和广泛参与才能有效推动能源互联网在能源生产、运行、管理、消费、交易、服务等各个环节创造价值
• 分布式：重要动力
  光伏等新能源适合分布式，用户也将成为分布式的能源产消者。在分布式条件下，为了保证能源产消的即插即用和能量时时处处平衡，这对分布式优化和控制提出了高要求。
• 共享：精神
  共享的机制，为物理设备的开放互联提供有效的运行机制，形成有效的能源市场和良好的创新创业环境。
• 对等：形态之一
  打破垄断，去中心化，不同参与者之间处于对等的位置，在此基础上进行对等的交易。能源的生产和消费也是对等的不再是单向的生产跟踪消费模式，而是双向甚至是多边的。

三、能源互联网的形态

3.1 物理基础: 多能协同能源网络

• 能源协同以电力网络为主体骨架,协同气、热等网络,覆盖包含能源生产、传输、消费、存储、转换各环节的完整能源链。能源互联依赖于高度可靠、安全的主体网架(电网、管网、路网); 具备柔性、可扩展的能力;支持分布式能源(生产端、存储端、消费端)的即插即用。

• 多能协同能源网络为整个能源链的能源互补、优化配置提供了物理基础, 其整体效能的最大化离不开信息物理系统的融合。

3.2 实现手段: 信息物理能源系统

• 在能源互联网下, 信息系统和物理系统将会渗透到每个设备,并通过适当的共享方式使得每个参与方均能获取到需要的信息。
• 实现过程可分为三个阶段：
  第一阶段的价值体现在信息获取上;
  第二阶段的价值体现在优化管理上, 通过多能协同优化和调度, 可以从整个能源结构的角度实现社会总体效益最大化;
  第三阶段的价值体现在创新运营上, 在信息开放、共享的基础上, 运用互联网思维, 创新商业模式, 带动市场活力, 实现经济增量。

3.3 价值实现: 创新模式能源运营

• 创新模式能源运营要充分运用互联网思维,以用户为中心,创造业务价值。

四、能源互联网背景下广义协调优化运营模式

4.1 能源互联网广义“源-网-荷-储”协调优化运营模式基本架构

作为能源互联网的核心和纽带，电力系统的“源-网-荷-储”协调优化模式能够更为广泛地应用于整个能源行业，与能源互联网的技术与体制相结合，形成整个能源系统的协调优化运营模式。

在能源互联网背景下，“源-网-荷-储”协调优化有了更深层次的含义:
“源” 包括石油、电力、天然气等多种能源资源；“网” 包括电网、石油管网、供热网等多种资源网络；“荷”不仅包括电力负荷，还有用户的多种能源需求；而 “储” 则主要指能源资源的多种仓储设施及储备方法。
具体来讲，主要包含以下2个方面。

• 横向多源互补。“横向多源互补”是从电力系统“源-源互补”的理念衍生而来，能源互联网中的“横向多源互补”是指电力系统、石油系统、供热系统、天然气供应系统等多种能源资源之间的互补协调，突出强调各类能源之间的“可替代性”，用户不仅可以在其中任意选择不同能源，也可自由选择能源资源的取用方式。

• 纵向“源-网-荷-储”协调。“纵向源-网-荷-储协调”是从电力系统“源-网协调”和“网-荷-储互动”的理念中衍生而来。能源互联网中的“纵向源-网-荷-储协调”主要是指2个方面:
         1.通过多种能量转换技术及信息流、能量流交互技术，实现能源资源的开发利用和资源运输网络、能量传输网络之间的相互协调；
         2.将用户的多种用能需求统一为一个整体，使电力需求侧管理进一步扩大化成为全能源领域的“综合用能管理”，将广义需求侧资源在促进清洁能源消纳、保证系统安全稳定运行方面的作用进一步放大化。

能源互联网“源-网-荷-储”协调优化运营模式的主要架构如图所示。

4.2 能源互联网广义“源-网-荷-储”协调优化运营模式的基本方法

能源互联网广义“源-网-荷-储”协调优化运营模式主要分为4个部分，按照时间顺序如图所示。此处以能源互联网系统投资运营商的角度来阐述整个能源互联网“源-网-荷-储”协调优化运营。

1. 基础条件分析

   在系统规划方案设计前，系统运营商需对建设目标区域进行经济现状评估及未来发展趋势预测，在此基础上，结合地理信息系统(geographic information system，GIS)系统、信息物理融合系统(cyber physical system，CPS)系统等技术对用户的多种类能源需求做出预测，分析目前该地区已有的能源供应渠道和方式，这方面不仅包括用户的用电需求预测、负荷特征刻画及负荷发展特性预测，还包括用户供热需求、供水需求、天然气需求等多方面用能需求预测。此外，还应分析目标地区的气候地理条件，为集中式和分布式能源模块的选址提供数据信息支撑。

2. 系统规划

   以基础条件分析所获取的数据信息为依据，选择合适的地点开展分散能源模块和集中能源模块的构建，分散能源模块以分布式电源及其配套设施为主，集中能源模块以大规模清洁能源发电及灵活发电资源为主。在规划阶段就要充分考虑到未来的系统运营需求，分散能源模块要在能源供需内部自平衡的基础上，为集中能源模块提供有效补充作用；另一方面，集中能源模块的规划要为运行阶段清洁能源与灵活发电资源的互补协调提供基础。

   同时，系统运营商需完成能源传输模块构建，为集中和分散能源模块提供连接用户的能源通道，分散能源模块应通过微网与主能源系统相连，微网技术在其中起到缓冲和优化作用。此外，还需建设信息通讯网络及云端信息处理系统，计算系统规划方案的可行性并在多个方案中实现选择、优化，同时汇总能源信息并制定优化的系统运行方案。

3. 系统运行

   在系统运行阶段，系统运营商通过信息通讯网络采集用户的全部用能信息及能源供应侧的基础数据，通过云端信息处理系统的分析处理为用户提供优化的用能方案，通过合理的电价机制及需求侧响应措施引导用户用电主动追踪清洁能源发电出力；同时根据发电侧数据信息设计合理的调度排序和出力安排，结合分散能源模块“自发自用、余量上网”的模式，实现系统的双侧协调优化、双向自适应过程。同时应充分发挥电力系统的纽带效应，优化其他能源模块(如供热、供水、燃气供应等)的运行。

   在系统运营过程中，由于向用户承担了供电、供热、供气以及用电诊断、用能方案优化设计等职责，还为能源互联网覆盖区域内的用户提供了能源输送渠道，因此系统运营商的收益可包括电费、输配电费、能源信息服务费、供暖费及其他能源费用等。

4. 全过程评价

   在能源互联网项目建成运营后的3—5年间，对该项目的运营情况进行评价分析，构建包括可再生能源使用效率、供电可靠性、设备使用率等多方面指标体系，运用综合评价方法进行对比分析，寻找项目缺陷并进行循环修正。从能源互联网“源-网-荷-储”协调优化模式的主要内容来看，这种优化模式能够将能源互联网的能源开发、能源输送、能源需求与使用等几个环节协调统一为一个有机整体，这样的协调优化不仅能够从更高的层面出发，实现能源资源的优化配置，同时能促进清洁能源的高效开发利用，提高清洁能源在终端能源消费中的比重。

五、能源互联网“源-网-荷-储”协调优化关键技术

根据能量流与信息流的流动方向，能源互联网“源-网-荷-储”协调优化模式的技术架构如图所示。

在“源-网-荷-储”协调运营的技术框架下，与系统规划、系统运行、系统信息通信、云端信息处理这4个技术部分相对应的包括四种协调优化关键技术：

1. 广域能源优化配置规划技术

   广域能源优化配置规划技术要求能够统筹兼顾、因地制宜地协调一定能源区域内的各种能源资源，分析资源开发利用的具体模式，结合区域内能源网络的整体情况，确定分布式能源、集中式能源的容量及选址，设计相应的能源规划方案及系统运行方案，通过模型测算保证规划的合理性、可靠性，实现电力系统、铁路网系统、油气网系统的统筹协调。

   研究重点主要是规划模型研究，未来将以现有的智能电网规划模型为基础进一步延伸，并且以模型为依据构建软件平台和信息处理分析系统。目前这方面的模型研究包括多类型能源协调互补协调优化模型、能源互联网示范工程规划设计模型、考虑供需双侧能源需求的清洁能源并网消纳模型等。

2. 多能流互补控制技术

   能源互联网是多能源网络的耦合，这表现在能源网络架构之间的相互耦合，同时也包括网络能量流动之间的互补协调、安全控制。在能源供应与输配环节，未来能源互联网通过柔性接入端口、能源路由器、多向能源自动配置技术、能量携带信息技术等，能够显著提高电网的自适应能力，实现多能源网络接入端口的柔性化、智能化，降低网络中多能源交叉流动出现冲突、阻塞的可能性。在系统出现故障时，能够加速网络的快速重构，重新调整能源潮流分布和走向。

   目前多能流互补控制技术主要聚焦于控制策略与控制技术方面，控制策略主要指多类型能源发电的优化调度模型、控制模型等；控制技术主要指以数字信号处理为基础的非传统控制策略及模型，包括神经网络控制、预测控制、电网自愈自动控制技术、互联网远程控制技术、模糊控制技术、接入端口控制技术等。

3. 多能源计量监测及信息交互技术

   信息监测技术方面，智能电网的高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)系统是基础，其未来的研发过程要向着智能化、计量能力多元化、信息交互多向化方向发展，通过无线传感器技术、遥测技术等实现能源信息的自动采集、自动分析处理。

   信息交互技术方面，未来需重点研发信息交互自动感知技术、通用信息接口技术、数据清洗技术、信息数据压缩技术、数据信息融合技术等，实现用户与用户之间、用户与各个能源互联网模块之间的自由信息交换与动态反馈。

4. 智能云端大数据分析处理技术

   在能源互联网的技术框架下，云端信息处理技术将与大数据技术实现有机结合。在微观层面上，利用互联网营销技术、云存储和云计算技术，一方面，用户可以随时随地、按自身需求订制信息服务，便捷地获取能源资源信息；另一方面，大数据信息处理技术能够在精确分析用户综合用能习惯的基础上，在多个用户之间进行比较分析，为用户提供能源综合利用优化方案，引导用户用能与能源供应相协调。在宏观层面上，云端大数据技术将发挥数据汇总、分析、传输的职能，起到衔接各个技术模块的关键作用。

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