71能源互联网技术形态与关键技术

发布时间：2016-12-19 21:29

本文关键词：能源互联网技术形态与关键技术，由笔耕文化传播整理发布。

第35卷第14期34822015年7月20日中国；ProceedingsoftheCSEEVol.；(2015)14-3482-13中图分类号：TM；能源互联网技术形态与关键技术；田世明1，栾文鹏1，张东霞1，梁才浩1，孙耀杰2；(1．中国电力科学研究院，北京市海淀区10019；TechnicalFormsandKeyTech；TIANShiming1,LU

第35卷第14期 3482 2015年7月20日中国电机工程学报

Proceedings of the CSEE Vol.35 No.14 Jul. 20, 2015 ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng.

(2015) 14-3482-13 中图分类号：TM 73 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.002 文章编号：0258-8013

能源互联网技术形态与关键技术

田世明1，栾文鹏1，张东霞1，梁才浩1，孙耀杰2

(1．中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192；2.复旦大学，上海市杨浦区 200433)

Technical Forms and Key Technologies on Energy Internet

TIAN Shiming1, LUAN Wenpeng1, ZHANG Dongxia1, LIANG Caihao1, SUN Yaojie2

(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China；

2. Fudan University, Shanghai,Yangpu District 200433,China)

ABSTRACT: At present, internet has been widely used in the world and will promote the development of renewable energy by integrating renewable energy technology with cloud computing and big data technologies. This paper deeply analyzed and summarized the research programs and expert interpretations of energy internet. Firstly, an investigation of the current situation of domestic and foreign research programs had been made. Secondly, this paper tried to point out the academic connotation, technical characteristics, technical elements, and technical forms. Finally, the paper tried to propose the basic technologies for energy internet. We hope to provide reference for the development of energy internet of China.

KEY WORDS: energy internet; technical forms; renewable energy resource; micro energy grid; hybrid energy router 摘要：目前，互联网技术已经得到广泛应用，云计算和大数据技术正逐步与能源技术相融合，将推动可再生清洁能源发展。文章针对能源互联网前期已开展项目和学术观点展开深入分析，首先分析欧洲、美国和我国开展的能源互联网科研和实践工作，然后提出能源互联网的技术内涵和技术特征，并分析能源互联网的技术要素和技术形态，最后提出能源互联网关键技术，以期为我国能源互联网的发展提供参考。关键词：能源互联网；技术形态；新能源；微能源网；能源路由器

清洁能源在一次能源生产和消费中占更大份额，建立可持续发展的能源供应系统，是这一新能源革命的主要目标。在新能源革命条件下，电网的重要性日益突出。按照国家可再生能源发展“十二五”规划，2020年我国风电、太阳能发电并网装机容量将分别达到2亿千瓦和5000万千瓦水平，其中大部分采用集中开发外送模式。风电、太阳能发电等可再生能源具有波动性和随机性等特点，其大规模电力外送对电网的输送和接纳能力是一个大的挑战。

分布式电源高效利用是国内外当前关注的一个热点，受到了各国政府、产业界、学术界持续的关注[1-4]。对于分布式可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集, 就地存储, 就地使用”。微网是分布式电源高效利用的一种可行方式，对需要冷热电的商业或工业用户以及海岛供电、移动供电提供了新的途径。随着分布式电源、分布式储能、电动汽车等新型元件大量接入电网，未来配电系统的架构及格局将发生重大变化，其主要特征为：大电网和微电网相辅相成、协调发展；多个电压等级构成多层次环状网络结构；交直流混合运行方式；物理配电网与信息系统高度融合；融合多源能源、实现供需互动的能源互联网[5]。

互联网是一个充满创新活力的领域，引领了信息技术的发展，创造了众多新的商业模式。美国未来学家杰里米?里夫金提出的能源互联网，以可再生分布式能源+互联网为核心，实现分布式发电和电动汽车的广泛接入和人人参与的公平交易[6]。国内学者研究了能源互联网的特征及内涵, 详细探讨了能源互联网的基本概念、架构、关键技术和装备实现,推动了能源互联网的研究[7-10]。

我国领导人指出,要推动能源生产和能源消费

0 引言

20世纪末21世纪初，随着全球气候变化加剧，和传统能源日渐枯竭，一场新的能源革命悄然兴起。以可再生能源逐步替代化石能源，实现可再生

基金项目：国家863高技术基金项目(2015AA050203)；国家电网公司科技项目。

The National High Technology Research and Development of China 863 Program(2015AA050203)；State Grid Science & Technology Project.

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革命, 着力发展非煤能源，形成煤、油、气、核、新能源、可再生能源多轮驱动的能源供应体系，大力推进绿色城镇化和美丽乡村建设。这为我们研究未来能源互联网提出了明确的需求。

1 能源互联网研究现状分析

1.1 欧盟

国际上针对能源互联网进行了广泛的研究，着力研究下一代能源系统。下面对欧盟、美国、中国提出的能源互联网构想和相关项目及进行介绍、分析。

2008年12月德国联邦经济和技术部发起一个技术创新促进计划，以信息通信技术(information and communication technology，ICT)为基础构建未来能源系统，着手开发和测试能源互联网的核心技术。2011年欧洲启动了未来智能能源互联网(future internet for smart energy，FINSENY)项目，该项目的核心在于构建未来能源互联网的ICT平台，支撑配电系统的智能化，并开拓新的创新服务。在此之前，瑞士相关政府机构和产业集团发起了对智能能源互联网远景的研究工作，德国开展了以ICT为基础构建未来能源系统的开发和测试工作。

1）欧盟Future Internet for Smart Energy。该项目的核心工作是ICT与能源部门协作，识别智能能源系统的需求；通过分析智能能源场景，识别ICT需求，开发参考架构并准备欧洲范围内的试验，最终形成欧洲智能能源基础设施的未来能源互联网ICT平台[11]。

该项目旨在解决当前配电系统面临的挑战： ①集成分布式和间歇性发电，如热电联产，太阳能和风力发电；

②集成智能楼宇和微网；

③居民和商业用户的个人体验、用能引导以及用户参与在能源市场中发挥越来越重要的作用；

④削减高峰负荷；

⑤支持作为移动负荷的电动汽车充电基础设施；

⑥激活新的电力市场电子化交易及信息服务。通过LTE(4G)、物联网、互联网服务、云计算等先进技术，构建能源互联网ICT平台，传送中低压配电系统功率、能量及运行相关的控制管理数据、交易和服务信息，实现配电网、微网、智能楼宇、电动汽车等各种资源端到端连接和智能控制、管理，激活需求响应、辅助服务、电能交易等电子

化能源市场及服务。

2）德国E-Energy项目-基于ICT的未来能源系统。

德国联邦政府宣布将E-Energy作为一个国家性的“灯塔项目”，旨在推动基于ICT技术的高效能源系统项目。E-Energy计划已经选取了6个示范项目，分别由6个技术联盟来负责具体实施。这6个示范工程围绕低碳环保、经济节能的目标，开展大规模清洁能源消纳、节能、双向互动等方面的示范工作[12]。

表1 德国E-Energy项目的主要内容 Tab. 1 E-Energy Program for Germany

项目名称项目内容

库克斯港的综合调节大规模风力发电与供热需求（如海产品eTelligence项目

冷藏仓库和温泉热电联产）+利用价格杠杆进行自动控制。

哈茨可再生能源分散风力、太阳能、生物质等可再生能源发电设示范区的

备与抽水蓄能水电站进行协调，可再生能源联合

RegModHarz项目循环利用达到最优。莱茵-鲁尔地区的电力系统与居民用户之间的互动，使消费者可同E-DeMa项目时扮演发电者与电力消耗者角色。

亚琛的

完全自由零售市场示范，期望零售商能够完全自

Smart Watts项目由地购售电，多角度提升电网的效率。莱茵-内卡(曼海姆)电价型用户需求响应，通过网关直接控制次日价地区的MOMA项目格的科学用电。

斯图加特的利用智能电能表、ICT技术，期望实现有效控制MEREGIO项目

CO2减排效果。

3）瑞士Vision of Future Energy Networks。该项目是瑞士联邦政府能源办公室和产业部门共同发起的一个研究项目[13-14]，该项目的重点是研究多能源传输系统的利用和分布式能源的转换和存储，开发相应的系统仿真分析模型和软件工具。

项目提出未来能源互联网两个远景元素，一是通过混合能源路由器(hybrid energy hub)集成能源转换和存储设备；二是通过一个称之为能源内部互联器(energy interconnector)的设备实现不同能源的组合传输，如电力和气态能源通过地下管道组合传输。能源路由器实现不同能源载体的输入、输出、转换、存储，是能源生产、消费、传输基础设施的接口设备。该文指出，这样的混合能源路由器有许多可用的场景，如工厂、大型楼宇、城市和农村集中居住区、独立运行的电力系统(火车、轮船等)。 1.2 美国

美国未来学家里夫金2012年发布中文版《第

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三次工业革命》[6]，把两种不同的技术(可再生能源与互联网)连接在一起，描绘了新的、充满活力的能源互联网，在我国引起广泛关注。2008 年，美国国家科学基金项目启动“未来可再生电能传输与管理系统”(the future renewable electric energy delivery and management system，FREEDM)，开展配电系统能源互联网研究。

1）美国著名未来学家杰里米?里夫金提出的能源互联网。

杰里米?里夫金指出未来能源体系的特征是能源生产民主化、能源分配分享互联网化，即组建以可再生能源+互联网为基础的能源共享网络，，在能源通过分散的途径被生产出来之后，利用互联网创造新的能源分配模式。该文提出的新经济五大支柱如表2所示。

表2 里夫金能源互联网五大支柱 Tab. 2 Backbones of energy internet

能源互联网元素能源互联网五大支柱具体内容

可再生能源

以化石能源为主的生产模式向可再生能源为主的生产模式转型。

分布式发电

把全世界的每栋建筑变为微能源生产工厂，以便就地收集可再生能源。

分布式储能

每一栋建筑和每一个基础设施装备储能装置，如氢存储，用以存储间歇式能源发电。

能源互联

利用互联网技术将每一大洲的电力网转化为能源共享的互联网络

运输工具将转向插电式以及燃料电池动力车，这种

零排放交通运输电动车所需要的电可以通过洲与洲之间共享的电

网平台进行买卖。

实际上，杰里米?里夫金提出的能源互联网实现4种能源元素(可再生能源、分布式发电、分布式储能、电气化交通)+互联网，实现能源全球共享互联网络。

2）美国未来可再生电能传输与管理系统项目。美国国家科学基金项目未来可再生电能传输与管理系统FREEDM，研究一种构建适应高渗透率分布式可再生能源发电和分布式储能并网的高效配电系统，称之为能源互联网(energy internet)[15]。这种新型配电网主要能力是：

允许分布式电源和分布式储能随时随地并网、即插即用；通过分布式网络智能软件管理负荷、分布式电源和分布式储能；通过一个创新性的接口(固态变压器)与负荷、分布式电源、分布式储能实现互联；具有一个骨干通信基础设施；具有一个创新性的故障保护装置(fault isolation device，FID)；可

脱离主网独立运行并可适应100%可再生能源；具有完美的电能质量并保证系统稳定；具有高效率，交流系统部分具有单位功率因数。

该项目所提出的能源互联网主要面向高渗透率分布式电源并网，具有三个典型特征[16-17]，如表3所示。

表3 FREEDM能源互联网典型特征 Tab. 3 Typical characteristics of energy internet

典型特征

特征描述

包括一个直流400 V和交流120 V母线，通信

具有即插即用接口接口可理解识别连接到配电网的负荷、分布式

电源、分布式储能设备。

能量路由器连接到中压配电母线并支持管理

具有能量路由器

交流120 V和直流400 V母线,通过多种交直流端口实现交流、直流负荷及分布式电源、储能设备接入和电能双向传输。

除了能量路由器之外，还有故障隔离设备

电网分布式智能单元(intelligent fault management，IFM)，用于中压

配电网故障管理，实现区域差动保护。

该项目所提出的能源互联网主要特点是通过固态变压器接入中压配电网的多种负荷、储能设备及可再生能源转换成电能后可实现即插即用、故障快速检测和处理、配电网智能化管理；在中压配电网还是以交流方式传输电能，直流负荷、分布式电源在固态变压器的接入端口接入中压配电网。 1.3 中国

2014年7月国家电网公司董事长刘振亚在美国IEEE会议上发表署名文章，提出构建全球能源互联网。北京市电力公司牵头承担国家科技部863课题“交直流混合配电网关键技术”等项目研究，开展城市能源互联网技术研究和示范应用。中国电力科学研究院牵头承担国家电网公司基础前瞻性项目“能源互联网技术架构研究”，着力构建未来能源互联网架构；依托该项目及相关技改项目支撑，搭建相应的能源互联网研究平台。我国国防科技大学、清华大学、天津大学也从关键技术、关键设备等方面开展了能源互联网的研究工作。

1）全球能源互联网。

全球能源互联网是以特高压为骨干网架(通道)，以输送清洁能源为主导，全球互联泛在的坚强智能电网[18]。全球能源互联网将由跨国跨洲骨干网架和各国各电压等级电网(输电网、配电网)构成，连接“一极一道”(北极、赤道)和各洲大型能源基地，适应各种分布式电源需要，能够将风能、太阳能、海洋能等可再生能源输送到各类用户。全球能

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源互联网实现各种清洁能源、化石能源转换成电能后传输，并与其他传统能源传输方式(如铁路、管道等)分工协作、优势互补；作为连接各类电源和用户的网络枢纽，可优化配置电源资源和用户资源，并成为全球能源交易的载体；同时还可将清洁能源送至千家万户，提供增值的公共服务。

2）北京延庆能源互联网示范。

北京市电力公司承担的国家科技部863课题“交直流混合配电网关键技术”和国家电网公司科技项目“分布式能源高渗透率的交直流混合主动配电网运行生产管控关键技术研究”[19]，在延庆利用柔性直流技术升级改造现有配电网，建设拓扑灵活、潮流可控的多源协同主动配电网，示范建设城市能源互联网，支持高渗透率分布式能源的灵活接入和充分消纳，实现与智能微电网的协同互动，提升能量传输网络的优化配置能力，提高用户的电能质量和供电可靠性。该项目在八达岭经济开发区建设一座10kV交直流混联开闭站，通过三端口柔性直流环网控制装置实现3条10kV交流母线互联，从而将周边智能微电网群、光热电站和园区光伏接入开闭站。

2 能源互联网驱动力

2.1 可再生能源技术特征

可再生能源具有可再生、低碳环保这些优良特性外，其发电出力具有多变性和相对不可预测性以及难以根据电网调度指令实时改变发电出力。根据可再生能源特点，发电功率在秒级、分钟级、小时及季节级变化波动[20]。另外，风力发电、光伏发电等新能源发电目前还具有发电量在总发电量中所占比例较小、上网价格高等非技术特征。能源互联网要消纳高渗透率可再生能源发电，包括分布式能源发电，从而使其成为电力系统主力电源，需要解决如何应对其间歇性和随机性问题，保证发用电实时功率平衡。

2.2 能源互联网的需求和驱动力

进入21 世纪后，大规模开发利用化石能源带来的能源危机、环境危机凸显，建立在化石能源基础上的电力工业面临重大挑战。国内外已经认识到，解决能源可持续发展的技术路线包含两方面：一是发展可再生能源，二是节能。欧盟在《2050 年能源路线图》中提出，到2050 年可再生能源占到全部能源消费的55%以上。美国能源部在《可再生能源电力未来研究》中，认为可再生能源可满足

2050年8 0 %的电力需求。推动以清洁能源为主的能源系统，特别是电力系统重大变革将成为全球能源发展的大趋势。新一轮的能源革命将以清洁、低碳、可再生的能源开发和利用形式为主[21]。我国科学家指出，未来第三代电网在电源组成上，以非化石能源为主的清洁能源发电应占较大份额，应力求达到50%以上[22]。

清洁替代、电能替代是能源革命的重要方向，清洁替代是在能源生产环节，突破清洁能源开发、配置、协调控制等技术，建立科学可行的清洁能源发展机制，既包括大规模清洁能源基地的开发，也包括分布式可再生清洁能源的开发；电能替代是在终端能源消费环节，用电代替煤炭、石油等化石能源，实现能源的清洁利用[18]。

综上所述，能源互联网的驱动力是：1）适应高渗透率可再生能源发展，推动能源生产方式的革命、构建未来可持续能源供应体系的需要；2）适应政府节能减排管制规定，推动能源消费革命的需要；3）适应国家电改需求，利用互联网技术与思维，激活售电市场、实现开放服务的需要；4）适应分布式电源、电动汽车的发展，推动智慧能源产业升级的需要。

3 能源互联网技术内涵

3.1 互联网技术特征 3.1.1 互联网是全球互联网

互联网是由本地局域网、接入网、骨干通信网构成的全球无所不在的互联网络。互联网(Internet)始于1969年的美国，又称因特网。互联网将计算机网络互相联接在一起的方法可称作“网络互联”，在这基础上发展出覆盖全世界的全球性互联网络称互联网，即是互相连接一起的网络结构。经过４０多年的发展，互联网已经成为集信息采集、传输、存储、处理与传播、服务于一体的信息社会的重要基础设施[23-24]。 3.1.2 互联网技术特征

1）互联网是全球互联的。互联网的结构是按照数据包交换的方式连接的分布式计算机网络，只要存在互联网接入端口用户即可访问互联网。

2）互联网是开放的。在技术层面，互联网是基于开放互联协议TCP/IP协议簇形成的，原则上只要遵循协议用户即可无歧视接入互联网。

3）互联网按照公开规则运行。互联网存在所有主机都必须遵守的交往规则(协议)和维护机构，

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不受集中控制，但是负责互联网命名的机构除了命名之外，并不能做更多的事情。

4）互联网服务平等多样。互联网是一种信息通信基础设施，公共的通信平台，互联网用户可任件的智慧城市或社区一级，热电冷多能源联合优化运行；电生成天然气技术(Power to Gas，P2G)在源端、用户端应用，将在多能源融合和电网调峰中起到革命性推动作用；包括电生成氢在内的多种制氢何时间、任何地点获得公共的或经授权的信息和技术将逐渐实用化，氢能源在智慧城市、智慧社区

服务。

3.2 能源互联网技术特征

能源互联网的技术特征是泛在互联、对等开放、低碳高效、多源协同、安全可靠。

1）泛在互联。

泛在互联是能源互联网的基本特征。能源互联网支持一个国家范围内各种发电资源、微能源网及分布式能源、电动汽车、负荷通过输配电网络实现互联；也支持超过国家范围内能源基地的广域能源网络实现互联；既可以是大型水电厂、风电场、光伏电站能源生产，也可以是园区、楼宇、用户本身的能源生产，实现能源生产商、网络运营商及分散发电与用户即时协作；未来还可通过无线供电技术实现移动互联，提供无所不在的能源服务。

2）对等开放。

对等开放是能源互联网的基本特征。能源互联网构成各层级、多维度的开放平台。各种清洁能源，特别是可再生清洁能源，可无歧视接入能源互联网；能源互联网用户无歧视接入获取所需要的能源及服务；能源生产者也可以是能源使用者，用户的参与度大大提升；用户侧光伏发电、冷热电联合发电、需求响应等用户侧资源参与双向互动；可任何时间、任何地点支持各种能源服务，支持需求响应、辅助服务、电能购销服务，降低能源互联网峰谷差，提高其运营效益。

3）低碳高效。

低碳高效是能源互联网的基本特征。能源互联网是现代社会的基础设施，既包括大规模集中式电网，也包括分布式微能源网，可接纳大规模清洁能源发电和消纳分布式电源上网电能、即插即用；大规模传送二次清洁能源--电能、氢能到用户，有条件的地方传送天然气；并为城市、乡村或广域电气化交通提供安全可靠的动力；高渗透率可再生能源发电和储能设备规模应用，高效用电设备广泛应用，提高能源利用效率。

4）多源协同。

多源协同是能源互联网的基本特征。多源协同既包括大型能源生产基地规划运行方面的协同，也包括能源传输和终端能源利用方面的协同。在有条

规模化应用。

5）安全可靠。

安全可靠是能源互联网的必要特征。能源互联网是关键公共基础设施，如电力、交通、天然气等管网，均是生命线工程，与城乡人民生产生活、国防等息息相关，网络基础设施的安全性是第一位的；能源互联网覆盖区域广、气象环境差异大、可靠性要求高，如电气网络运行复杂、发生故障反应极快速，需确保能源互联网安全可靠运行；能源互联网具有高标准的信息安全和隐私保护。 3.3 能源互联网内涵

能源互联网是以电力网为基础，利用可再生能源技术、智能电网技术及互联网技术，融合电力网、天然气网、氢能源网等多能源网及电气化交通网，形成多种能源高效利用和多元主体参与的能源互联共享网络，消纳高渗透率可再生清洁能源，并激活新的商业模式。可再生清洁能源既包括集中开发的大型能源基地的可再生能源，也包括用户侧就地开发、用户自身消纳为主的分布式能源。能源互联网实现多能源的清洁生产、传输、利用和服务，是“可再生能源+智能电网+互联网”，而不是“互联网+可再生能源”。互联网在用户域及市场域发挥更多的作用，特别是在提供能源交易及服务便利性方面。

总体上看，能源互联网是智能电网的拓展。一是从电力网拓展到更大的能源系统范畴，电力网是其核心基础网络设施；二是由纯物理电网拓展到包括多类用户的信息互联网络，即各类市场主体也是能源互联网的活跃要素；三是分布式电源拓展到分布式能源；四是纯电动汽车拓展到氢能源等新能源汽车；五是氢能源或P2G技术，从单纯的储电拓展到储能，拓展了电能大规模存储以及在智慧城市或社区中应用；六是从电力交易拓展到新能源配额交易、用户侧资源虚拟调度等新型互动业务。

从能量流来看，能源互联网包括从电力生产、传输、配送、电能使用全过程，向外拓展到一次能源生产、智慧城市或社区多能源转换过程和用户使用过程，即包含了风力发电、光伏发电等能源部分。

从信息流来看，能源互联网中的信息一是包含

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