《电子技术应用》

干货|能源互联网的概念及发展趋势

2018/5/6 15:39:00

  在应对气候变化、解决能源危机背景下,可再生能源逐步替代化石能源成为世界各国能源发展共识,能源系统的结构正在发生根本性变化,伴随以互联网为主要形式的信息通信技术的快速普及和广泛渗透,推动了能源互联网的研究与实践热潮。2016年2月,国家发展改革委等部委发布关于推进“互联网+”智慧能源(能源互联网)发展的指导意见,能源互联网成为推动我国能源革命,促进能源产业升级,形成新经济增长点的重要战略支撑;2017年6月,国家能源局公布了首批55个能源互联网示范项目,能源互联网进入试点示范阶段。

  1能源互联网的概念

  2004年,能源互联网概念在《经济学人》杂志上被首次提出,2011年,里夫金在《第三次工业革命》中具象化了能源互联网定义。当前对能源互联网的概念理解尚未达成统一,可以按照缘起和特点分为三类:

  (1)源于互联网发展而来的能源互联网

  主要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。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(energyrouter)装置。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。美国克莱门森大学Corzine教授则借鉴互联网中传输信息包的方式研制了传输能量包(energypacket)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。另外,中国电力科学研究院、国防科技大学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。刘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。赵俊华等提出了基于信息物理融合系统(cyber-physicalsystem,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

  主要强调多种能源之间的相互替代和综合优化,依托信息网络实现多个能源系统之间的高度耦合。

  瑞典联邦理工学院Favre-Perrod等提出了能量集线器(energyhub)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。董朝阳教授将能源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。武建东提出了包含水、电、气甚至热力的智能能源网。新奥集团提出由基础能源网、传感控制网和智慧互联网组成的泛能网。

  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。本文将聚焦在狭义能源互联网的范畴内进行研究和探讨。

  2能源互联网的架构

  (1)物理架构

  从物理架构上看,能源互联网可分为全球能源互联网、国家能源互联网、城市能源互联网和区域能源互联网。

  (2)逻辑架构

  着眼于功能的实现逻辑,能源互联网由价值层、业务层、信息层、能源层四层架构组成,如图2所示。价值层是实现参与方价值的平台,以为各参与方创造、交换、获取价值为基本功能;业务层是价值的形式载体,以实现业务流的制定、运营为基本功能;信息层是业务服务实现和能源传输配置的技术支撑平台,以实现信息流的采集、传递、应用与交互为基本功能;能源层是能量的物理载体,以实现能量的生产、传输、消费为基本功能。

  (3)运营架构

  从运营关系上看,能源互联网基于业务流、信息流和能源流的深度融合,提高能源系统整体运行效率,实现供需双方的高效匹配,如图3所示。其中,能源获取系统具备智能化的新能源发电功率预测及控制能力;分布式和集中式能源传输系统具备更加准确的状态预测、调度控制和互动机制;能源利用系统具有高度信息化的特点和各类基于电力大数据的高级功能应用。各系统深度融合形成有机、开放的平台系统,电将作为介质,电力骨干网架将作为发展基础,数据信息将作为核心,多种能源和服务将在这一立体平台上实现商品化交易。

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  能源互联网的运营架构

  3能源互联网与智能电网的相互关系

  能源互联网作为新时代下“互联网+”变革力量在能源领域的渗透融合,体现了能源系统转型升级的发展方向。智能电网作为国际电网发展的大势,在技术创新的驱动下日益在能源系统中发挥重要作用,其范畴和内涵也在不断与时俱进。从发展、系统的哲学观看,两者在内容范畴、内涵特征上均具有很强的一致性,是从不同视角对智能电力系统未来创新发展的勾勒和诠释。

  (1)内容范畴

  根据发改委、能源局《关于促进智能电网发展的指导意见》给出的智能电网的基本概念,“智能电网是在传统电力系统基础上,通过集成新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等新技术,形成的新一代电力系统,具有高度信息化、自动化、互动化等特征,可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行”。同时,《意见》还进一步指出未来智能电网在信息与能源的深度融合、以及基于互联网思维促进智能电网商业模式创新的重点发展方向。可见,植根于新一代电力系统的智能电网理念,与以电网为基础的能源互联网的范畴是一致的。

  (2)内涵特征

  回顾智能电网的发展历程,智能电网不断向着更高阶段发展,智能电网的理念内涵也是不断演进和与时俱进的。随着能源电力技术的发展和市场机制的完善,其将呈现如下趋势特征:一是形成以特高压输电、储能、超导等先进技术为基础,具有接纳高渗透率清洁能源和抵御自然灾害及各类重大威胁的弹性和自恢复能力的一体化现代电网。二是物理上实现全球电网互联,满足全球清洁能源输送需求,发挥洲际联网效益;功能上实现以电为介质的多种能源协调互补,与天然气、热、冷、交通等系统互联。三是在应用大量智能设备和系统实现设备在线监测、智能巡检、全寿命周期管理的基础上,充分利用信息通信、信息物理融合技术实现信息与能源深度融合,将电力系统物理实体数字化,全面支持各主体各设备系统的即插即用。四是基于互联网理念进行商业模式创新,为用户提供多元化增值服务,促进用户与电网深度互动,实现多利益相关方合作共赢。可见,智能电网未来发展趋势与能源互联网多种能源协调互补、信息通信技术的深度应用、新型商业运作模式等发展理念相一致。

  总体来看,能源互联网、智能电网体现了未来能源系统的发展趋势,其内容范畴和内涵特征在本质上具有一致性,只是在发展阶段、关注焦点上有所侧重。智能电网侧重于利用新能源技术、信息技术、储能技术等新技术促进电网智能化,是具有高度信息化、自动化、互动化等特征的新一代电力系统。能源互联网强调充分利用互联网技术及理念促进能源网络本体的信息化和商业模式创新,其中电网是促进多种能源优化互补、承载商业模式和业务创新的基础平台。

  4能源互联网的发展趋势

  (1)发展基础

  智能电网在电网基础设施的建设、创新示范工程建设以及技术、装备、标准等领域的实践积累已成为发展能源互联网的前提和基础。

  一是实现能源大范围优化配置。智能电网具有广泛互联、坚强的电网骨干网架,能够促进各类能源集中与分散并存的高效开发、优化配置和有效利用,是实现能源大范围优化配置的基础平台。我国在大容量远距离输电、输电设备状态监测,直升机、无人机、机器人输电线路智能巡检,输电线路冰冻灾害预防和治理,柔性直流输电,智能变电站,配电自动化,调度智能化等领域进行了一系列的研究与实践,对供电可靠性和能源大范围优化配置能力的提升具有重要作用。

  二是促进源-网-荷互动、提高间歇性电源的利用程度。智能电网注重利用信息通信技术促进源-网-荷互动,以适应风电、光伏发电、分布式电源大规模接入和各类用户智能终端即插即用的需求。

  三是支撑商业模式创新。智能电网通过电网运行和信息共享以承载市场机制和丰富的交易产品,为开展灵活的电能服务商业模式及衍生的各类增值业务奠定基础。目前我国已在智能电表、用电信息采集系统、电力光纤入户、营销互动服务、需求侧管理、用户侧分布式电源、电动汽车充换电设施等方面开展了系列工程实践。

  四是提供技术和标准保障。智能电网将为各类储能、信息通信、智能配用电等设备设施提供通用技术支撑,为多类型终端设备、多利益相关方之间的交互操作提供统一标准。当前我国智能电网核心技术和装备整体已经实现了从“技术跟随”到“技术赶超”,正在实现从“技术赶超”到“技术引领”的跨越。

  (2)发展机遇

  当前,我国能源系统正面临能源革命、“互联网+”国家战略和电力体制改革三轮驱动下创新发展的内在要求。能源革命的核心是要实现生产环节的清洁替代和消费环节的电能替代,“两个替代”对能源系统的可再生能源消纳、能源大范围优化配置和多种能源的协调互补等能力提出了更高要求。“互联网+”国家战略对能源系统提出了信息化和互联网化的新要求。同时,在我国全面深化改革背景下的电力体制改革要求能源系统能够适应市场化改革大势。在此背景下,能源系统需要推出国家层面的战略理念实现转型升级、带动产业发展。清洁化、电气化、信息化、互联网化应是这一战略理念的核心诉求。探索能源系统可持续发展新路径,推动产业升级发展,能源互联网创新发展迎来重要机遇期。

  2016年2月,国家发展改革委、国家能源局和工业和信息化部联合发布《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》,提出了2016-2018年推进试点示范工作和2019-2025年推进多元化、规模化发展的两阶段目标。在重点任务部分,部署了智能化基础设施建设、多能协同综合网络建设、能源与信息基础设施融合、生态体系、市场交易体系、智慧用能模式、绿色交易市场模式、能源大数据应用、关键技术和标准体系等十方面的重点任务。在组织实施部分,提出了完善政策法规、推动市场改革、开展试点示范、创新产业扶持、共享数据资源等八项保障措施。2017年6月,国家能源局公布了首批55个能源互联网示范项目,对建设和运行所需的土地、价格、资金、科技、人才等方面的政策措施给予了规定。首批示范项目计划于2018年底前建成,能源互联网迎来试点建设期,将推动能源互联网概念落地。

  (3)能源互联网本体发展趋势

  根据能源系统的演进规律,能源系统的发展演变分为三个阶段,如图4所示。初级阶段(化石能源主导阶段)是以油气、热力管网,智能电力系统、电气交通等能源系统为主,各系统之间相对独立和封闭,除电力系统外,各组成部分的网络化属性和优势尚未显现;中级阶段(多种能源并存阶段)是以多种能源网络协调互补为主要特征,以电网为核心持续加强与气网、热力管网的耦合,提高清洁能源比例和能源利用效率,初步形成多能源品种间互联互通的能源互联网;高级阶段(清洁能源主导阶段)将以电能为主要能源配置形式促进分布式能源就地开发利用和优化配置,实现各类能源的灵活转化和高效利用。

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  能源系统发展演进过程

  其中,能源互联网是能源系统的主体组成,伴随能源系统的清洁化发展,增量能源将以清洁能源为主,且主要配置方式以电为主,能源互联网在能源资源优化配置中地位会越来越重要,当能源供应实现以清洁能源为主的战略转型后,能源互联网将成为能源系统的核心组成部分。对于油气管网、热力管网,输油管网在电能替代尤其是交通部门电气化发展趋势下将逐渐被替代,燃气、热力管网在能源系统低碳、高效、清洁发展趋势下规模将逐渐缩小,且与能源互联网的交互耦合作用愈益增强。对于交通网络,在交通部门电能替代的推动下,燃油车将逐渐被电动车替代,以充换电基础设施为枢纽与能源互联网的智能交互逐渐增强,且伴随智能交通的发展,交通网络将逐渐演变为智慧车联网,极大改善出行交通环境、提升生产生活水平,交通系统的网络化属性和优势逐渐显现。

  (4)能源互联网业务服务创新发展趋势与动向

  随着可再生能源、储能、电动汽车等电力相关技术与领域的发展,以及信息通信、互联网、人工智能等基础技术的渗透融合,低碳环保、可持续发展、以用户为中心等理念的深入,能源运营商、服务商的创新意识逐渐增强,持续提升业务服务水平。结合发展现状与未来形势分析,智能配电网、智能用电、需求侧响应、综合能源、基础平台等方面将是能源互联网业务服务创新的重要领域。对五类业务模式进行细分,如表1所示。

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  表1五类业务模式细分

  以下从业务执行主体出发,选取传统电力企业(法国电力集团EDF、东京电力公司、中国国家电网公司等),综合能源服务商(STEM、AutoGrid、EnerNoc、协鑫等),跨界企业(特斯拉、ABB、华为、阿里等)三类企业为代表,分析其2016-2017年业务服务模式创新动向,以点窥面,看能源互联网业务服务创新发展趋势。

  ①智能配电网

  随着储能技术快速发展和市场日益成熟,以建设储能项目为手段提升配电网运行灵活性和安全性;

  把握物联网等技术发展契机,推动配电网数字化转型;

  以智能电表为依托,提升配电网运维管理水平。

  ②智能用电

  满足用户用电需求多元化趋势的电费计划创新;

  把握物联网、移动互联网等技术发展契机,创新用户用电管理、移动报修等服务;

  满足电动汽车快速发展带来的智能管控、增值服务需求的智慧车联网平台服务模式创新。

  ③需求侧响应

  以电费优惠、电费抵扣、电费红包等方式激励用户参与需求侧响应;

  以快速调频储能、虚拟电厂等模式提升电网调节能力;

  ③以业务重组等组织管理创新提升企业需求响应能力和规模。

  ④综合能源

  满足用户热、电、气等多元化用能需求的综合能源供应服务创新;

  以电和其他商品捆绑销售、多表费用集抄方式创新综合能源营销服务;

  跨界企业通过产业链延伸转型垂直一体化能源公司,创新全程一体综合能源服务。

  ⑤基础平台

  加快推进电力云平台的建设、能源数据平台搭建及管理体系建设、电力生产、管理及服务一体化云平台建设。


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