中国能源互联网之路_78能源互联网的认识和展望

发布时间：2016-11-17 18:43

本文关键词：能源互联网的认识和展望，由笔耕文化传播整理发布。

Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．２３Ｄｅｃ．１０，２０１５；：／ＤＯＩ１０．７５００ＡＥＰＳ２０１５１１０１；能源互联网的认识和展望；姚建国，高志远，杨胜春；（，江苏省南京市２）中国电力科学研究院（南京）１；摘要：能源互联网目前已经成为研究热点，但有关其理；论；、含义，其发展依赖信息通信技术（商业模式等８项关；０引言；能源问题是支撑人类社会可持续发展的核心问不论采用；技术

Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．２３Ｄｅｃ．１０，２０１５

：／ＤＯＩ１０．７５００ＡＥＰＳ２０１５１１０１００４

能源互联网的认识和展望

姚建国，高志远，杨胜春

（，江苏省南京市２）中国电力科学研究院（南京）１０００３

摘要：能源互联网目前已经成为研究热点，但有关其理念、架构、技术、发展路径等诸多方面尚无定

论。文中从互联网的发展经验出发，剖析能源互联网的实质和特征，辨析其与智能电网的区别与联系，梳理其关键支撑技术，提出了能源互联网的可能发展路径。指出能源互联网有广义和狭义２种

、含义，其发展依赖信息通信技术（商业模式等８项关键技术和机制，未来的发展可以分为同ＩＣＴ）时并存的自顶向下的广域全球能源互联网和自底向上的局域能源共享网络２种发展模式和路径。关键词：智能电网；能源互联网；能源互联；信息通信技术；可再生能源；储能

０　引言

能源问题是支撑人类社会可持续发展的核心问不论采用什么题。然而全球的化石能源是有限的，

技术，按目前的社会需求和开采强度，百年之内全球

１］

。更何况化石能源的分布化石能源就将趋于枯竭［

）。随着２互联网（以下简称ＥＩ０１１年美国学者杰里

［３］

米·里夫金的《第三次工业革命》一书的出版，相关研究逐渐开始增多。本文对Ｅ特征、关Ｉ的理念、

键技术进行了辨析，梳理了其发展现状和技术差距，分析和展望了中国的ＥＩ未来的发展路径。

其使用对环境也会带来很大危害。可以并不均衡，

预见，化石能源将逐渐不足以支撑人类社会的和谐发展，进入可再生能源时代是必然的。

对可再生能源，包括水能、风能、太阳能、生物能、海洋能、地热能等的开发和利用，已经经过了长期的努力，其基本形式是将其转化为电能以供传输和使用，但目前不论是对可再生能源的开发，还是电

２］

，网对其的接纳利用都还面临着许多问题［突出表

１　ＥＩ理念和架构的再认识

ＥＩ随着可再生能源时代的到来应运而生。国

际上对下一代能源网络的研究由来已久，近年来ＥＩ更是逐渐成为研究和实验热点，出现了众多的成果比较典型的有美国的未来可再生电能和原型系统，

［４］

，传输与管理系统（德国的基于信息通ＦＲＥＥＤＭ）

”信技术（的智能化能源系统“计划及ＩＣＴ）ＥＥｎｅｒ－ｇｙ

５］

，其试点建设［日本的基于信息互联网的数字电

６］

等。中国各科研院所和企业也已从多个方面开网［

］７１４－

，展了相关研究和实践［包括交直流混合主动配１１］

，电网等基础支撑技术的研究［能源路由器和电能］１２１３－

，交换器等支撑装备的实验室研发［北京延庆的

［４］

城市Ｅ等，国家电网公司提出了全球ＥＩ试点１Ｉ战１］

。目前，略［虽然有关Ｅ但在Ｉ的研究和实验众多，

现在能源开发的技术和成本，能源的传输，可再生能源本身的随机性、间歇性、波动性、反调峰特征，及其分布地域不均衡性等问题。这些都是目前可再生能源规模化使用需要应对和解决的问题。

互联网的繁荣发展和深刻影响，既是不争的事又带来了很多启示。在其发展过程中的一些经实，

验和特征值得借鉴，特别是以下几点：①大众参与；重标准、少干预；依②重机制、③以平台服务为基础，

托其上的应用是无限的；④衍生出众多的有效商业模式。如今的互联网已成为经济和社会发展的重要基础。

当可再生能源开发与互联网应用深入结合时会发生什么？众多学者都看好第三次工业革命和能源

。收稿日期：２０１５１１０１－－

其理念、架构、技术、关键设备、发展路径等方面也出现了分歧众多、适用范围各异的情况，需要深入探讨。

［］

以互联网思维为基础的ＥＩ原始理念３可以用

图１来表示，其后的相关研究大多以此为基础。其要点在于：①建立能源共享网络；②能源以电能为基本形式，允许多种能源形式的互联互通和综合应用（；基于电动汽车的智能交通就是一个典型应用）③海量用户接入该网络；④每个用户／应用都是该网

：／／ｈｔｔｗｗｗ．ａｅｓｉｎｆｏ．ｃｏｍｐｐ－

９

（）２０１５，３９２３·信息能源系统·

络的参与建设者，即同时具有能源消费者、储存者、提供者三重角色；存在类⑤在能源共享平台基础上，似互联网的商业机制，允许用户之间以及用户与平台之间进行灵活的能量交易；⑥该网络以分布式能源的利用和发展为目标。其发展思路是始于网络互联，建立能源共享平台，从而调动大众参与，最终最大限度地开发利用可再生／清洁能源

。

球）这是由全球资源禀赋ＥＩ和局域ＥＩ的有机结合，和电能的物理属性所决定的；ＥＩ更②在广域层面，多地表现为互联能源网络（特别是广域智能电网）的特点，以电能为基本形式，电力、天然气、氢气等多种起到了广域范围的基础能源保能源网络互联互通，

障、能源高效传输、资源优化互补配置的作用；③局域的Ｅ运行机制分布自治，物理上以Ｉ应大众参与，就地平衡为主，商业模式采用互联网式（可以是广；各类能源用户，各类用户侧热域）④在终端应用层，（冷）网、气网、电网等能源网络，交通、矿山等能源应用都是ＥＩ的重要组成部分

。

图１　ＥＩ的原始理念Ｆｉ．１　ＯｒｉｉｎａｌｃｏｎｃｅｔｏｆＥｎｅｒＩｎｔｅｒｎｅｔ　　　ｇｇｐｇｙ　

然而，这种以互联网方式大众开发、利用分布式能源的方式，对人类进入可再生能源时代有多大贡到２献？据估计，０５０年全球分布式能源年发电量也，约占全球总发电量的１仅合标准煤３５亿ｔ５％和一

［］

次能源消费的１１．５％１。而可再生能源资源特别

丰富的地区往往地广人稀、规模集中。可见，在相当分布式可再生能源的开发不能成为能源长时期内，利用的主要形式。

同时，电能是ＥＩ中多种能源和应用关联的基本因此它必然受到电能物理属性的约束：能源形式，

即电能的传输是有损耗的，特定的电压①空间约束，

等级有合适的经济传输距离和容量匹配关系；②时间约束，即电能的利用是瞬时（实时）平衡的（供用电；相等）精确）溯源性，即无法精确区分所消费③无（的电能具体由哪个电源点提供。这些物理属性限制了分布式能源实现共享的地理范围（单个用户的容，量并不大）而即使用户在广域内依托某种商业机制实现了名义上的能源共享，其实质还是以就地平衡为主。可见，分布式能源的开发和利用在局域范围内最经济。

因此，通过分布式能源利用实现ＥＩ从而解决能同时考虑到社源问题有其局限性。基于以上分析，

包括电力系统）的渐进式发展、智会能源支撑系统（

能电网的发展现状、分布式可再生能源的利用前景等因素，剖析得出ＥＩ的体系架构和关键支撑技术如图２所示。

图２中架构特点在于：乃至全Ｉ应是广域（①Ｅ１０

综合以上分析，认为广义的ＥＩ理念是包含广域和局域层面的完整的能源网络系统，在广域范围主要表现为互联能源网络（主干是电网）的特征，在局域则主要表现为能源共享网络的特征。狭义的ＥＩ理念则主要是指按照互联网机制运转的能源共享网络。从当前的技术、经济条件看，狭义的ＥＩ还只能在局域范围内实现，随着技术和经济条件的变化，它电压等级也会有所所覆盖的空间范围将有所扩大，提高。

图２　ＥＩ体系架构及关键支撑技术

Ｆｉ．２　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｋｅｓｕｏｒｔｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓ　　ｇｙｐｐｇｇ　　

ｏｆＥｎｅｒＩｎｔｅｒｎｅｔｓｓｔｅｍ　　ｇｙｙ　

２　ＥＩ与智能电网的区别与联系

当前国内外电力工业普遍在开展智能电网研究和建设，明确ＥＩ与智能电网的区别和联系有着重要意义。

从内容特征来看，两者确实联系紧密。例如：考

１５］１６］

、、察智能电网的本质动因［发展机理［中国坚强

智能电网的五大内涵，即坚强可靠、经济高效、清洁

姚建国，等　能源互联网的认识和展望

环保、透明开放、友好互动等，ＥＩ可以说也都具备，只是Ｅ所以许多研究认为智能电Ｉ有更多其他特征，

［］

网的未来发展就是Ｅ或者ＥＩ８，Ｉ是智能电网

［］

２．０９。

很大差距。

）包括支撑其实现的其他关２ＩＣＴ。ＥＩ的实现，键技术本身的应用都离不开Ｉ文献［等ＣＴ支撑，１７］已进行了深入研究，可以说目前ＩＣＴ总体上是先进的，互联网的发展就是明证，但其在ＥＩ中的应用还面临着许多特殊需求。目前的主要工作在于支撑能源共享平台的建立、对各类能源共享业务的支撑、适应Ｅ云计算等关键技术的深Ｉ发展的多网融合通信、入应用。

）电力电子技术。固态变压器是目前多个Ｅ３Ｉ

１２］

，原型系统的开发和实验焦点［从目前看ＥＩ各级

１８］

。目节点的实现都离不开电力电子技术的支撑［

笔者认为从ＥＩ的广义理念来看，ＥＩ在广域范，围内就是智能电网，就是全球Ｅ特高压和智能电Ｉ网是ＥＩ存在和运转的基础。但是从ＥＩ在局域表现的能源共享网络特征来看，智能电网在很多方面只表现为传统电网的升级，而没有将多种能源互联和利用作为其突出特征。除了能源形式、实体范围、组网方式

［７］

这些外在的不同，其最大的区别在于所面

对的场景不同。

）局域Ｅ多１Ｉ所面对的是可再生能源普遍开发，

种能源互相转化，海量用户节点同时参与能源提供、储存和使用的场景，而智能电网则立足于以化石能源为主，逐步向可再生能源时代转化的目前场景。）局域Ｅ智２Ｉ强调的是分布式开发可再生能源，能电网则没有强调这一特征，并且在实践中更多的是解决集中式开发所带来的各种问题。

（没有智能电网，狭义Ｅ局域能源共享网络）绝Ｉ

大多数情况都不能保持自我平衡（可再生能源未必，并且有波动性等特征）难以全面支撑当地经足够，

济社会的发展。同时局域能源共享网络的发展也将给智能电网带来深刻影响：一方面，保障一个局域能源共享网络的平衡不难，但在多时空尺度保障海量局域能源共享网络的平衡则给智能电网带来了新的

另一方面，电网本身的特征也因为众多局域能挑战；

源共享网络而逐步发生改变，如多种能源网络互联、大规模电动汽车充放电、分布式能源渗透率由量变到质变的提高等。

前的主要差距在于新型半导体功率器件的实用化、

以电力电子变压器为核心的能源路由器的实用化、支撑Ｅ高电Ｉ中终端节点综合能源及储能系统应用、压大容量电力电子装置的设计和应用。

）可再生能源技术。包括采集、并网、输送技４术，以及多种形式能源的协调和利用。目前的主要差距在于个体分散化的可再生能源开发、可靠和低成本的个体化综合能源利用、电网对大规模分散式开发的可再生能源的并网接纳及其可能引起的问题的应对。

）储能技术。利用其对功率和能量的时间迁移５

能力以应对电能利用的时间约束特性和可再生能源

］１９２０－

。目前各种方案普遍受限于技术水的波动性［

平、经济成本、应用规模及使用寿命、实施便利性等

［２１］

因素。部分新技术，如“电转气”或以冷和热的方式储能，其实际效能还需大幅提升。

）标准化即插即用接口技术。这是未来海量终６端能源节点的必然要求，特别是对于分布式能源的大众化开发。由于ＥＩ本身还只是处于理论研究和少量的实验室原型系统开发验证阶段，标准化工作还处于起步阶段。

）控制和调度技术。怎样保持未来Ｅ７Ｉ的安全稳定和精确平衡是一个挑战，海量节点、更多储能系统的加入、分散平等的网络构建方式决定了控制和

２２］

，调度技术必然发生巨大的变化［目前来看，分布

式智能控制、多智能体控制、复杂网络等理论都是可

３　ＥＩ中的关键技术和机制

就广域（全球）特高压和智能电网的持ＥＩ而言，续发展已为其奠定了重要技术基础，然而要建成全

，球Ｅ则面临一系列重大的技术经济问题，可谓任Ｉ重道远。局域能源共享网络所面临的许多新的技术问题则更为具体。综合分析后得出图２所示的支撑未来ＥＩ发展的基础关键技术和机制如下。

）能源转化和综合利用技术。建立以电能为基１实现多种本形式的多种能源融合传输和供给渠道，能源相互间的转化和综合应用，不论是对于ＥＩ广域层、局域层还是终端应用层都具有重要意义。目前这方面的研究总体还比较初步，典型的如电网和天

７］２１］

、、然气网的融合［电转气［冷热电三联供、用户端

考虑的支撑理论。即插即用、分布自治、集中协调必

然成为ＥＩ的主要控制方式。）互联网商业机制。互联网商业机制是能源共８

享网络的重要组成部分，调动大众参与开发可再生能源的关键。这些机制在互联网已经得到广泛验证，从Ｉ目前的主要差ＣＴ支撑角度考虑没有问题，距在于适应电能利用特性的机制设计、相关政策和管理制度的调整等。

：／／ｈｔｔｗｗｗ．ａｅｓｉｎｆｏ．ｃｏｍ１ｐｐ１－

综合能效系统等，在体系性和实用性等方面都还有

（）２０１５，３９２３·信息能源系统·

其他还有很多相关的重要技术，如超导技术、需

求响应技术、微网和主动配电网技术等。由于目前Ｅ仅有部分原Ｉ研究还处于起步阶段，型系统，许多问题还没有充分暴露。以能源路由器它是仿照互联网网络设备的最直接结果，目前为例，

被赋予了能源普遍认为是ＥＩ的关键甚至核心设备，转化、变压、交直流转换、控制电能传送路径、控制电

甚至自动化地互联实现电能供需平衡的功能质量，

能。其实上述功能目前电网中都有，只是由分散各

处的不同设备和系统协作完成。能否基于电力电子或其他技术）采用若干个能源路由器就可实现技术（

以上功能，甚至把电能或其他能源像信息一样自动路由实现供需平衡，支撑复杂的互联网商业机制？笔者认为可以大胆尝试，但必须要考虑到电能与信息的本质不同，避免照搬和走弯路。毕竟除了时间和空间约束，电能并不像信息那样可以任意分包、边界清楚、重复使用，也就决定了它难以实现精确的溯源性。同时还要考虑到电力电子等技术的实际成熟程度。

开发。

对于技术问题，在其他各类支撑技术的基础上，当前Ｉ能源转化和综ＣＴ是领先和起到促进作用的；合利用技术、电力电子技术、可再生能源技术、储能

，技术则成为Ｅ硬条件”当前它们都Ｉ实现和发展的“不同程度地存在瓶颈；分布式智能调度与控制、互联

“，网商业机制、即插即用”标准化则成为“软条件”它）特别是４个“硬条件”的支撑。因们需要各类技术（

此核心问题在于：未来储能、电力电子等技术能否有所突破并走向实用；能否找到高效、廉价而又便于实施的可再生能源开发技术；并最终促进３个“软条件”的成熟。当然作为以上技术综合应用的ＥＩ原型系统开发和实验是否成功也很重要。

］从文献［来看，其第１部分标题就是“即将爆３

，发的第三次工业革命”可见从里夫金的观点来看，目前以ＥＩ为核心特征的第三次工业革命还未开始或者刚刚开始。

综合以上分析和文献［中的规划，笔者认为１］

２０２０年以前，ＥＩ在广域上将逐步形成全球电网广域

而局域的“能源共享网络”只会在很小互联的共识，

的局域范围内和１因其容０ｋＶ以下电压等级出现，量小，对电网平衡的影响可以忽略，但为后续发展积累了经验，为Ｅ软条件的成熟奠定了基Ｉ发展的硬、础；跨２０２０—２０４０年，ＥＩ在广域上将逐步沿着跨国、

全球大型能源基地得以建设，而局洲互联方向推进，

域出现规模化的能源共享网络的可能性很大，其数量上也比较成规模，具体的局域范围、电压等级则取决于当时的技术、经济条件，特别是４个硬条件的成熟程度；全球将逐步形成广域互联２０４０—２０５０年，

，的Ｅ其下联结着若干分布全球的大型能源基地和Ｉ，含多种能源形式）并在海量的局域能源共享网络（

经济社会中实现普遍的电能替代和清洁替代。４．２　可能的商业机制

网络只是起到一个平台作用，商业机制才是互联网成功的关键。同样，合理的商业机制直接关系到用户参与Ｅ对于ＥＩ建设的积极性，Ｉ的发展至关重要。

２３］

电力体制改革９号文［的发布，标志着在用户侧引入竞争、进行市场化管理的发展趋势，对于ＥＩ

４　ＥＩ的发展可能性及其发展路径

４．１　基本判断

人类社会将进入可再生能源时代，这一点没有能源共享网疑义。但在可再生能源时代，ＥＩ中的“

］络”是否会如文献［中所述一样走向现实？核心问３题在于：即可再生能源是大规模集中开①场景问题，

发，还是由海量用户分散开发利用；大②技术问题，规模集中开发并远程输送已由特高压和智能电网在广域内实现并正在完善提升，而局域分散式开发的ＥＩ则受限于部分关键技术和机制。

对于场景问题，由于自然、地理和社会条件的限制，分散式和集中式大规模开发应长期并存。对于两类场景的多寡，除了技术条件，还需要具体分析。例如：水能和海洋能开发，应该普遍以集中开发为主；光伏开发，看似是最有希望实现分布式开发的能源，理论上，太阳抵达地球的辐射能量约为／，每年相当于１１７３０００ＴＷｓ７０００００亿ｔ燃煤放　　　

［］

出的热量，约为世界年耗能的１风能则００００倍２；　有很大的分布式开发前景，作为太阳能的一种转化形式，据估计全球风能总量约２其中可开７４０ＴＷ，　

［］

其他如生物质能、地热能等发的风能约２０ＴＷ２；

的发展具有重要意义。同时也需要看到，目前影响

用户投入和收益的政策、经济形势、技术发展等不确定因素太多，这里面有很多商业机遇，也有很多陷阱。建立能源共享平台的商业机制，还有许多问题需要研究，特别是政策、市场管理措施、参与方角色、投入和收益分配、结算方式等方面。

进而以需求响应为特也都有可能实现分布式开发；

征的用户综合能效系统也很有希望得到普遍应

１０］

。然而，用［很多偏远地区用能需求很小，但恰恰

适合目前的集中式又是可再生能源集中的地方，１２

姚建国，等　能源互联网的认识和展望

４．３　可能的发展路径

但其具体实现还依赖ＥＩ的发展前景非常广阔，

它需于许多技术和其他条件。特别是在发展初期，要合适的发展平台，需要合适的切入点以走进实际

应该是各种技术和机应用。未来实际的能源系统，淘汰、演变形成的。制经过实践检验、

在各项支撑技术顺利进展的情况下，ＥＩ可能的

发展路径如图３所示。其具体形态，则取决于各地不同的资源特点和当时经济社会发展情况

。

那不仅仅是一种技术ＥＩ如果真正地得到实现，

创新，更重要的是一种面向清洁、可再生能源而重构的能源生产、转化、传输、储存、消费、管理模式。／／附录见本刊网络版（ｈｔｔｗｗｗ．ａｅｓｉｎｆｏ．ｐ：ｐ－

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图３　ＥＩ可能的发展路径

Ｆｉ．３　ＰｏｓｓｉｂｌｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔａｔｈｏｆＥｎｅｒＩｎｔｅｒｎｅｔ　　　　ｇｐｐｇｙ　

５　结语

ＥＩ的建设是改变整个社会能源结构的重要举措。正如１只是由４台机器９６９年互联网发展之初，组成ＡＲ但不到５今天的互ＰＡＮＥＴ小网，０年时间，，联网已全面改变了世界。出于国内能源形势的需要，也为了在该领域获得先发优势，提前部署有关ＥＩ的研究和试点布局很有必要。

基于前文的分析，可以认为ＥＩ是全球ＥＩ和局域能源共享网络的有机结合，二者相辅相成。研究和建设ＥＩ需要考虑以下几个方面。

）全球化顶层布局，在中国已经取得的特高压、１智能电网建设成果基础上，以全球Ｅ着眼Ｉ为抓手，于全球能源大局，做好顶层设计并推进。）信息通信研究先行，优先建立局域能源共享２平台。

）硬件基础是关键，通过对各项关键支撑技术３的基础性研究打好基础。）软件条件要跟上，其中引入互联网发展精髓４的商业模式设计是ＥＩ的灵魂。）以微网／主动配电网研究为试点，建立局域能５源共享网络，依从自然发展规律，逐渐增多接入电网的局域ＥＩ数量。

：／／ｈｔｔｗｗｗ．ａｅｓｉｎｆｏ．ｃｏｍ１ｐｐ３－

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