能源互联网的价值与实现架构研究

  本文关键词：能源互联网的价值与实现架构研究，由笔耕文化传播整理发布。

第 35 卷 第 14 期 2015 年 7 月 20 日

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Vol.35 No.14 Jul. 20, 2015 ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 3495 中图分类号：TM 73

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.003

文章编号：0258-8013 (2015) 14-3495-08

能源互联网的价值与实现架构研究
杨方，白翠粉，张义斌
(国网能源研究院，北京市 昌平区 102209)

Research on the Value and Implementation Framework of Energy Internet
YANG Fang, BAI Cuifen, ZHANG Yibin
(State Grid Energy Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China) ABSTRACT: Energy internet contains the revolution of information communication technology on the creation method of value in energy system. This paper discussed the basic concept of energy internet from a value perspective. Starting from the source of value under internet thinking, user needs oriented value propositions of energy internet were proposed. To achieve these value propositions, the basic architecture and possible ways of energy internet were put forward from three aspects: energy fusion to enhance sustainable supply capacity, information fusion to transform energy development mode and business fusion to innovate in industrial ecology. KEY WORDS: energy internet; implementation framework; value; user need; fusion 摘要： 能源互联网蕴含着信息通信发展对能源系统价值创造 方式的深刻变革。从价值角度探讨能源互联网的基本概念， 从互联网思维下新的价值来源入手，提出以用户需求为导 向的能源互联网价值主张， 进而重点从能源融合提升可持续 供应能力， 信息融合转变能源发展方式， 业务融合创新产业 生态三个层面提出能源互联网价值实现的基本架构和可能 途径。 关键词：能源互联网；实现架构；价值；用户需求；融合

针对用户侧分布式可再生能源、电动汽车等智能终 端大量接入产生的设备即插即用、能量信息双向流 动等需求，借鉴互联网开放对等的理念及体系架 构，对电网的关键设备、形态架构、运行方式及发 展理念等进行深刻变革。里夫金提出了人们可分散 自由生产可再生能源并共享的能源互联网发展愿 景[1]。在互联网发展理念下，能源互联网的核心设 备是电力路由器，它起着与信息网中路由器类似的 关键作用，多位学者就电力路由器开展了研究。美 国北卡罗莱纳州立大学研制了基于电力电子技术 和信息技术实现电力流和信息流融合的能源路由 器(energy router)装置[2-3]。 日本早稻田大学和 VPEC 公司联合研制了集群电网电力路由器，根据蓄电池 的剩余电量改变输出电力的频率。东京大学研发的 数字电网电力路由器可根据“IP 地址”识别电源及 区域电网[4]。 美国克莱门森大学 Corzine 教授[5]则借 鉴互联网中传输信息包的方式研制了传输能量包 (energy packet)的电路。 清华大学信息技术研究院的 研究团队认为能源互联网是以大电网为主干网，以 微网和分布式能源等能量自治单元为局域网的新 型信息能源融合广域网[6-8]。 另外， 中国电力科学研 究院[9]、国防科技大学[10]等研究团队均基于互联网 思维对能源互联网进行了研究。 2）源于大电网发展而来的能源互联网。主要 针对电网在配置范围、调控能力、双向互动等方面 存在的局限性，利用信息通信技术与能源电力技术 的融合，全面提升电网性能，促进清洁能源大规模 利用。德国联邦经济技术部与环境部提出 E-Energy 促进计划，基于面向服务体系结构使得电网和信息 网深度融合，实现电网从最初大型发电厂统一供电 的方式，转变为分布式发电主导的供电方式[11]。刘

0 引言
当前世界范围内信息通信、新能源、智能电网 等技术快速发展，给能源、制造、交通等多个领域 带来深刻影响。能源互联网被视为信息通信技术与 能源技术融合的产物，将为转变能源发展方式、实 现可持续发展提供可能的解决方案，引起了国内外 学者的广泛关注。当前对能源互联网的研究正在兴 起，技术方案百花齐放，概念理解尚未达成统一， 可以按照缘起和特点分为 3 类。 1）源于互联网发展而来的能源互联网。主要

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信息及 增值服务 智能优化控制系统 互联信息网络 广泛互联的 电力输送系统 能源利用 设备 分布式 集中式 能源系统 电源基地 能量获取系统 水 煤 风 光 气 油 核 其他

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振亚提出以特高压电网为骨干网架，以输送清洁能 源为主导，全球互联泛在的坚强智能电网的全球能 源互联网理念[12]。 赵俊华等[13-14]提出了基于信息物 理融合系统(cyber-physical system， CPS)的电网、 信 息网融合的基本理论和方法，讨论了模型的建立、 分析和控制等问题。 3）源于多种能源综合优化发展而来的能源互 联网。主要强调多种能源网络的高度耦合。瑞典联 邦 理 工 学 院 Favre-Perrod 等 提 出 了 能 量 集 线 器 (energy hub)的概念，能够实现电能、天然气、热能 等多种能源相互转化和存储
[15]

多元化服务 商业模式 市场交易 动力 热 冷 电 光 其他

信息流 电力流 其他类能源流

图1 Fig. 1

能源互联网基本概念示意图 Basic concepts of energy internet

。 董朝阳教授将能源
[16]

制系统构成 “云” ， 由多元业务和商业模式构成 “服 务” ，端–网–云–服务形成有机、开放的平台系统， 实现电力流、信息流及多种能源流的深度融合、双 向互动。 能源互联网的特点有： 1）在智能电网基础上纳入各种电源和负荷转 化设备，具有集中式与分布式相结合、系统优化与 局部自治相得益彰的互联、分层的网络结构，通过 推动网–源–荷的深度互动，并促进多种能源形式的 优化梯级利用，最大程度上支撑清洁能源的发展。 2）互联网及信息通信相关技术与能源融合， 通过互联互通、开放共享的信息网络和功能平台， 提升能源系统智能化水平，推动新价值创造。 3）互联网理念渗透下形成能源生态系统，用 户将依托设备级无缝接入、系统级优化配置、能源 信息的双向互动，满足对能源提供和多元使用者的 身份诉求，并孕育发展新商业模式。

互联网视为电力系统、交通系统、天然气网络和信 息网络 4 个紧密耦合而成的网络 。 武建东提出了
[17]

包含水、电、气甚至热力的智能能源网 成的泛能网
[18]

。新奥集

团提出由基础能源网、传感控制网和智慧互联网组 。 从已有的研究成果可以看出，能源互联网的范 畴有广义和狭义之分。广义上，能源互联网涵盖电 力系统、 油气管网、 能源运输物流网络等网络集合； 狭义上，能源互联网涵盖智能电网、发电设备设施 及分布式能源系统。虽然范畴上有所差异，但其本 质上均蕴含着信息通信技术与能源系统深度融合 而引起的能源系统价值创造方式的深刻变化。以互 联网为代表的信息通信网络迅猛发展，并衍生出了 互联网经济业态， “互联网+”全面兴起。以分散、 共享、扁平、高效、透明、开放等为代表的互联网 思维背后蕴含着新的基于信息网络的经济发展规 律的变化。本文将以价值为主线在狭义能源互联网 的范畴内进行研究和探讨，首先从互联网经济下价 值创造方式的变化入手，分析用户需求视角下能源 互联网的价值主张，进而提出能源互联网从能源融 合、信息融合和业务融合三个层面实现价值创造的 基本架构和可能途径。 态

2 能源互联网的价值分析
2.1 互联网思维下的新价值来源 与传统工业经济相比，互联网及其经济业
[19-20]

有两个显著变化：1）从迂回经济向直接经

济回归。互联网促进经济活动中供需双方实现信息 透明、数据共享，提高了资源配置效率、降低了交 易成本。2）从有限的满足人的选择向持续锁定人 的需求转变。基于大数据发现用户需求，实现从原 有的单一单次服务向持续满足并激发新需求转变， 大幅提升满足用户需求的程度。 因此，从用户需求角度看，新的价值将来源于 两个方面：1）新业务和商业模式创造的市场价值， 源于信息资源促进物理与虚拟融合，提升对人需求 的满足程度；2）新的生产、管理和交易方式创造 的效率价值，源于智能化提升生产效率、去中介化

1 能源互联网的基本概念和特点
从价值创造的角度看，能源互联网是以智能电 网为基础，连接各类发电设施、各类用电终端及分 布式能源系统的智能化、互动化的能源网络，并融 合互联网理念形成能源电力新型业态。其基本概念 示意图如图 1 所示。 与互联网架构类似，能源互联网将由能源获取 系统和利用设备构成“端” ，由分布式和集中式能 源输送配置网络构成“网” ，由信息网络及智能控

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降低交易成本，本质上是对人需求满足过程的效率 的提升。 2.2 能源互联网的价值主张 能源是人类生存和经济活动的基础。能源互联 网将改变能源系统价值创造方式，形成丰富的价值 主张。本文将从满足用能需求的程度、满足用能需 求过程的效率这两个新的价值维度出发，分析能源 互联网的价值主张。 基于人类使用能源的演进历程 [21-22] ，从充足 性、便捷性、清洁性、选择性、扩展性建立五层次 分析维度对用能需求满足程度进行展望，进而提出 这一维度下的能源互联网价值主张，如表 1 所示。 结合当前电力系统运行和发展的实际，从能源 利用效率、资产利用效率和市场配置效率 3 个方面 对满足用能需求过程中的效率提升空间进行展望，
表1 Tab. 1 用能需求满足程度下的能源互联网价值主张 Value proposition of energy internet under energy demand satisfaction degree
分析 价值来源 维度 充 满足人口增长、 经济发展和 提升能源可持续供应能力： 推动能源 足 性 生活水平提升带来的能源 供应多元化， 提高可再生能源利用程 消费需求增长 度， 释放消费侧可调节能力 提高民生服务水平： 支持各类智能终 技术进步下， 大量用能和供 端、 电动汽车、 电源等设备接入， 提供 便 能新设备和系统出现并广 捷 性 泛应用， 需要提供即插即 支撑经济转型升级： 满足智能生产、 用、 安全可靠的交互系统 网络制造等相关产业转型对能源供 应的要求， 促进节能设备改造和应用 促进减排环保： 促进各类清洁能源高 清 减少能源开发、 配置、 利用 效开发转化利用， 支持各类绿色用能 洁 过程对生态环境的破坏、 对 设备的推广利用， 引导绿色用能行为 性 气候变化的影响 和习惯 提高民生服务水平： 基于信息开放、 基于能源商品属性， 多元化 透明共享的数据服务平台提供专业 选 主体根据市场机制自主 择 性 选择能源交易、 服务和使用 支撑经济转型升级： 提升能源资源的 行为 优化配置水平， 推动经济及产业发展 方式转变 提高民生服务水平： 基于开放共享的 作为公共基础设施的重要 大数据平台提供跨行业服务， 支持智 扩 展 性 组成部分， 与信息、 交通、 慧城市建设和城镇化发展 制造、 城市管理等系统互 联， 提供更加灵活、 高效、 便捷的整体服务方案 支撑经济转型升级： 发挥公共基础设 施整体效率， 整合跨领域资源培育新 型服务业及高端产业 化、 体系化的中介服务 定制化、 网络化、 个性化服务 能源互联网的价值主张

进而分析这一维度下能源互联网的价值主张，如 表 2 所示。
表2 Tab. 2 满足用能需求过程的效率下能源互联网价值主张 Value proposition of energy internet under energy demand meeting efficiency
分析 价值来源 维度 能源 建立各能源系统之间、 能源系统内部 推动能源节约型社会建设 利用 网–源–荷之间有机、 高效的互动机 效率 制， 释放节能和能效提升的价值空间 资产 利用 效率 利用信息通信技术提升对物理系统 的可控性和可观性， 转变原有以物理 系统建设冗余换取运行安全稳定裕 度的发展模式 市场 配置 效率 建立反映能源商品属性并考虑外部 性成本的能源价格及市场交易机制， 释放市场对配置能源资源的优化调 节效益 支撑经济转型升级 推动能源节约型社会建设 支撑经济转型升级 提升能源可持续供应能力 提升能源系统发展质量 能源互联网的价值主张

综合表 1、2，从用户需求出发面向经济社会发 展，能源互联网可以提供包括提升能源供应可持续 能力、提升民生服务水平、支撑经济转型升级、促 进减排环保、推动能源节约型社会建设以及提升能 源系统发展质量等众多价值主张，将对我国经济社 会转型升级、推动能源革命发挥重要作用。

3 能源互联网的价值实现途径分析
3.1 价值实现基本途径 体系架构的变化、互联网理念的渗透使能源互 联网具有区别于传统电网的价值实现方式。能源互 联网体现了互联网与电网融合发展的趋势， “融 合”将在价值实现过程中发挥关键作用，本文将从 实现多种能源的融合、实现信息与能源的融合、实 现多元业务的融合三个层面进行分析。 3.2 实现多种能源融合 实现多种能源融合，即利用能源互联网的高效 性和可控性，促进多种清洁能源及化石能源以电力 为介质的有机融合，实现能源的集中与分散并存的 高效开发、优化配置和有效利用，更好地满足人们 对能源供应充足性、清洁性的基本需求，应对气候 变化和能源资源危机等问题。 1）风能、太阳能等可再生能源 90%需要转化 为电能才能利用，其波动性和随机性成为制约其大 范围消纳利用的瓶颈。能源互联网在智能电网的基 础上将网络范畴扩展至各类能源发电装置、各类能

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源使用装置以及分布式能源系统，本质上是将网– 源–荷视为系统的整体进行总体效率优化和运行控 制，通过提高系统的控制自由度和可控性，实现供 应与需求的精确匹配，提升对可再生能源的转化利 用能力。 2）分布式能源系统作为能源互联网的重要组 成部分，将在系统局部为用户提供一套能源品位与 用户用能需求相匹配的整体解决方案，满足用户用 能便捷性的同时提高能源利用效率，并在一定程度 上增加了能源互联网的调节可控性。 以分布式电源为例，能源融合视角下，其将不 再是单纯的电网服务对象，而作为能源互联网中的 基本元件，可以从规划、运行、市场交易等环节与 网、源、荷进行一体化融合： 1）通过建立完善的数据交换和协作框架，将 分布式电源纳入到配电网的规划和运行框架； 2）建立配电能量管理系统，使分布式电源可 以即插即用，并与输电系统进行互联，具备电压、 频率支撑和需求响应功能。 3）基于安全、高速的信息处理及广泛的传感 网络，规范的并网规则，实现电网以电压支撑、频 率控制等角度调度和管理分布式电源。 4）设计市场机制，清楚界定容量成本、服务 成本，反映输配电网对分布式电源的支撑作用。 3.3 实现信息与能源融合 实现信息与能源融合，即充分利用先进的信息
数据获取 控制 中心 信息网 物理网

通信技术、信息物理融合技术以及电力电子控制技 术，大幅提高电力系统的可控性和可观性。通过将 电力系统物理实体数字化，一方面可以利用信息系 统、计算资源的高效率和低成本来提高物理系统的 运行效率，产生“以软代硬”效益，另一方面可以 建立实时反映电力成本和供需关系的交互媒介，产 生“市场配置”效益，从而推动发展方式从原有计 划、粗放、保守向市场、集约、高效方向转变。 本文提出的信息与能源融合下能源互联网的 运行架构，如图 2 所示。信息与能源融合的实现途 径是形成具有广域感知、在线辨识、超实时仿真、 滚动闭环控制功能的物理信息融合层，它并不以独 立的物理形态存在，而是从功能上实现信息系统与 物理系统的无缝衔接，控制单元之间的协同互动。 包括 4 个关键环节： 1）系统范围内装设海量信息采集和传感设备， 采集基于同步时标、包括电压、电流、设备状态等 在内的节点信息，具备全状态观测电网运行状态和 设备运行工况的物理量信息，最大程度上降低系统 状态和参数的不可观性和随机性。 2）经由电力专网、互联网和工业控制网络， 按照信息的不同内容和属性将信息传输至分布在 全网各处的控制单元和控制中心，通信信息系统具 有高可靠性和安全性，并对传输延时和数据丢失具 有量化预测和建模能力。 3）控制单元，如能源路由器，是能源互联网
数据管理 控制 中心 数据分析 控制 中心

控制单元 传感器

控制单元 闭环控制流 电力流 信息流 传统能源 发电系统 可再生能源 发电系统 微网

分布式 能源系统

智能终端

图2 Fig. 2

信息与能源融合下能源互联网运行架构图

Architecture of energy internet under the fusion of energy with information

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中进行能量控制的智能装置，兼具局部智能决策和 闭环控制功能，通过大功率电力电子控制技术对功 率方向、容量、质量进行实时控制，通过软件密集 型嵌入式系统对控制策略进行实时更新和智能决 策，软件系统和控制策略的灵活性将使控制单元对 不同运行工况和需求场景具有自适应性。 4）控制中心与控制单元共同构成分层式智能 决策体系，控制中心以海量数据存储、云计算为基 础，通过扩展状态估计、多尺度负荷–发电预测、 扰动识别、超实时仿真、在线参数辨识等功能实现 物理系统在数字环境下的同步镜像运行和控制决 策生成。控制中心从全系统最优运行的角度为控制 单元提供模型、参数和辅助决策依据。 信息与物理融合所带来“市场配置”效益还需 与商业模式创新相结合，将在后续章节中探讨。其 带来的“以软代硬”效应已经开始在部分装置、环 节和系统局部显现效果，智能电网在广域观测控 制、电力电子、信息物理系统、超实时仿真技术、 信息通信网络建设等方面提供了发展基础。美国 ONCOR 输电公司利用动态增容技术大幅提高已有 线路输电能力，监测线路在 83.5%~90.5%的输送时 间内都能达到 6%~14%的增容效果，对重要输电阻 塞线路可额外增加 5%~10%的缓解效果
[23]

远待发掘。从现有的元件级、环节内、局部融合向 系统级、跨环节、全局协调优化的发展过程将对电 力系统存量资产及增量方式带来巨大的效率递增 价值。 3.4 实现多元业务融合 能源互联网已不是传统意义上生产电能、传输 和分配给用户使用的单向物理网络，在互联网理念 渗透下将在信息与物理融合的实体之上，形成连接 消费者、生产者、制造商、运维商等各方，通过业 务融合和商业模式创新持续满足用户需求、不断创 造新需求的服务平台层。源于用户选择性和扩展性 的价值诉求将在这里实现，从根本上实现网–源–荷 的深度互动、 推动产业链发展、 实现与交通、 制造、 信息、城市管理等领域的协同发展。 图 3 给出了互联网理念下能源互联网向用户提 供业务服务的实现架构。能源互联网可以提供的业 务服务众多，图中仅以部分业务作为示例。服务平 台层的形成和运作有 3 个显著特征： 1）在传统供电服务入口处出现面向用户不同 需求的新型业务，如电动汽车充放电、家庭能效管 理、工业系统节能、电网资产管理、分布式电源并 网、多网融合、虚拟电厂等。各业务是由多个模块 化、专业化子服务构成，如用户行为分析、资源运 行预测、融资服务、大数据分析等，各子服务之间 可以面向用户需求按照不同的商业模式进行动态 组合和优化协同，由此形成了具有网络化聚合效应 的平台服务层。 2）大量出现以用户需求为导向、以创新服务 为盈利中心的中间服务商，服务商之间、服务商为
其他利益相关方

。灵活交

流输电(FACTS)大量应用带来减少电网投资成本、 提高安全稳定运行水平的双重效益，电气距离较远 电源送出工程通过加装可控串联补偿装置可直接 减少输电线路建设规模
[24-26]

；受端系统通过加装动
[27-29]

态无功控制装置可明显提高系统安全稳定性

。

当前，信息与能源融合的价值初现但规模和潜力还
价值流 信息流 经济安全 即插即用 电动汽车充换电 充换电 服务网 络平台 电力市 场与辅 助服务 用户 经济可靠 自由选择

节能、 舒适性 能效管理

提高负荷 预测精确度

提高电网 运行效率 电网分析

???

分布式电源接入 分布式 电源设 备维护

???
用能监 测仪表 购置

???
用能管理 方案 数据 分析

充换电 设施 建设

智能交 通 GPS 系统 数据 处理 软件 开发 用能监 测仪表 安装

用能 监测

电网资产 管理

分布式电 太阳能 源接入 资源预测 方案咨询

用户行 为分析

电网需 求响应 分析

资源 整合 产业 孵化

能源互联网本体

图3 Fig. 3

互联网理念下能源互联网的业务服务实现架构示意图

Service architecture of energy internet under Internet concept

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用户提供服务的商业模式将更加灵活多样。服务商 的出现使原有分散的用户资源集中化，形成具有一 定规模、互动调节和博弈能力的市场参与主体。 3）用户侧可调资源通过服务商汇集参与电力 市场交易，既降低了用户的用电成本，又提升了能 源互联网的调节能力。通过精准、便捷、经济的满 足用户需求，用户粘性和需求满足度提升的过程将 进一步催生新的用户需求、增加用户规模。由此形 成了通过业务融合和商业模式创新实现资源整合和 产业培育的正向循环，创造巨大的市场发展空间。 为分析上述架构下业务融合和价值实现的过 程特点，本文以家庭用户满足分布式太阳能发电系 统使用的一站式服务为例进行了场景设计。 方案设计：用户到方案设计商提供的网站或 APP 提供个人关于住址、安装条件、家庭平均用电 量、可靠性与成本接受程度等简单信息，并配选额 外要求(如必选设备供应商)。方案设计商将从太阳 能资源预测公司获取基于地理信息系统的动态资 源评估和光伏模拟数据，并根据各类设备成本、性 能、运维信息数据库以及电价信息，生成反映用户 投入和产出关系的可选安装方案及维修套餐。 安装接入：用户选择确认后，方案将转化为订 单和服务执行表同步推送至服务链相关各企业，设 备商提供设备，运维商提供上门安装调试服务，配 电公司提供并网接入服务。 运行服务：分布式光伏作为智能设备并网接入 后将被自动识别和状态感知，控制中心将其视为新 增控制单元，自动更新系统实时参数和分析模型， 按照分层决策的模式进行自适应控制。控制策略由 虚拟运营商根据用户行为分析与电力市场价格所 形成的结算协议决定。区域内大量分布式用户经虚 拟运营商将所发电量出售给批发市场或指定用户 获取可观的经济收益。 一站式服务将显著提升用户使用分布式电源 的体验，并通过市场机制更好地满足了用户对经 济、绿色、可靠的电能供应需求，分布式光伏市场 规模不断扩大，形成良性发展态势。 当前，世界各国都已开始涌现以互联网方式提 供上述各类服务的中间商，提供全球太阳能资源评 估的 SolarGIS、提供基于大数据的用户行为分析及 电网资产状态评估的 C3 Energy Grid Analytics、提 供家庭能耗方案设计的 Opower、提供网上电力零 售的 Powershop 等等。随着市场环境的改善，运用

互联网手段来整合各类服务的趋势将更加明显。借 鉴互联网行业的发展规律，商业模式创新和业务融 合带来的价值有望呈现指数型的发展态势。

4 结论
在互联网经济蓬勃发展的大背景下，能源互联 网的出现蕴含着信息通信发展对能源系统价值创 造方式的深刻变革。本文从互联网思维下的价值来 源入手，分析了能源互联网可以提供的价值主张， 初步探讨了价值导向下能源互联网的实现途径和 发展重点等问题。目前对能源互联网的研究仍处于 初级阶段，多种能源融合的优化和控制，信息物理 融合机制，业务融合发展模式等诸多问题还待深入 研究。但可以看到的是，能源互联网植根于更深层 次满足用户需求，其在产业链的培育和壮大上具有 不可估量的潜力，将创造巨大的市场发展空间。

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第 35 卷

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(实习编辑

乔宝榆)



  本文关键词：能源互联网的价值与实现架构研究，由笔耕文化传播整理发布。