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能源互联网技术形态与关键技术


第 35 卷 第 14 期 3482 2015 年 7 月 20 日



国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE



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

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.14.002

文章编号:0258-8013 (2015) 14-3482-13

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。

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 Tab. 1
项目名称 库克斯港的 eTelligence 项目 哈茨可再生能源 示范区的

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]

德国 E-Energy 项目的主要内容 E-Energy Program for Germany
项目内容 综合调节大规模风力发电与供热需求 (如海产品 冷藏仓库和温泉热电联产)+利用价格杠杆进行 自动控制。 分散风力、太阳能、生物质等可再生能源发电设 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 E-DeMa 项目 亚琛的 Smart Watts 项目 电力系统与居民用户之间的互动, 使消费者可同 时扮演发电者与电力消耗者角色。 完全自由零售市场示范, 期望零售商能够完全自 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 MEREGIO 项目 利用智能电能表、ICT 技术,期望实现有效控制 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



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

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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
能源互联网元素 可再生能源

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

典型特征

Backbones of energy internet
能源互联网五大支柱具体内容

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。 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。 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。 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

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

分布式发电

分布式储能

能源互联

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) 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
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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]

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。

,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]

3 能源互联网技术内涵
3.1 3.1.1 互联网技术特征 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4 0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,

。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

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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 何时间、任何地点获得公共的或经授权的信息和 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

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 技术将逐渐实用化,氢能源在智慧城市、智慧社区 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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电力系统的运行控制、经营管理、运维服务、市场 交易信息,二是包括风机、光伏板及光照、风力等 状态监测、预测控制及环境信息,三是包含各类主 动负荷,包括用户用电、发电、购电、辅助服务等 复合特性的用户信息;四是电动汽车和储能充放电 运行及运营信息;五是新能源配额交易信息。 从业务流来看,能源互联网支持电能交易服 务、新能源配额交易、分布式电源与电动汽车充放 电、需求响应等互动业务。

器、主动负荷和多能源市场部分。多能源层在跨国 广域能源互联网、国家级骨干能源互联网、智慧城 市能源互联网、用户域能源互联网、市场域能源互 联网等不同层次的能源互联网中耦合程度不同。能 源路由器实现电力、 天然气、 冷/热气等多能源连接、 转换、存储,是一种全新的能源转换和存储装置, 其规划设计、能量协调与优化、运行控制等技术还 有待进一步研究。 主动负荷既包括冷、 热、 电负荷, 也包括分布式发电、电动汽车和储能装置。多能源 市场部分在开放平台支持下,实现电能交易、新能 源配额交易、分布式电源及电动汽车充电设施监测 与运维等多种新型业务,如图 2 所示。
电子 化能 源交 易服 务 新 能 源 配 额 交 易 分布 式电 源建 设管 理运 维服 务 电动 汽车 充电 设施 建设 管理 运维 服务 节 能 服 务 需 求 响 应

4 能源互联网技术形态
4.1 能源互联网构成要素 能源互联网构成要素包括跨国或跨洲大型能 源基地之间的广域能源互联网、国家级骨干能源互 联网、智慧城市能源互联网、用户域能源互联网及 市场域能源互联网。在信息通信网和技术标准及法 规的支撑保障之下,实现各级能源互联网络的能 量、信息、资金传送及交换、运营及交易等活动。 能源互联网传输的有一次能源,也有二次能源;能 源互联网市场主体包括发电商、网络运营商,也包 括售电商、第三方服务商和终端用户。 信息通信网由跨国广域能源互联网、国家骨干 能源互联网、智慧城市能源互联网等运行控制、管 理服务直接相关的信息通信网络构成,这些信息通 信网支持物理网络的运行控制,同时支持能源或能 量的交易及服务;用户域能源互联网及市场域互 联网以公共通信方式为主。信息通信网承载多种信 息通信服务,其安全性应满足遵守国家法规。
能源生产商+网络运营商+ 第三方服务商+用户 (市场域能源互联网) 电力传输网+电气化交通网+热/冷气网+ 天然气网络+氢能源网 (用户域能源互联网) 技术标准/法规 信息通信网 电力传输网+电气化交通网+天然气网络+ 氢能源网 (智慧城市能源互联网) 电力传输网+电气化交通网+天然气网络 (国家级骨干能源互联网)

市场服务

互联开放 平台

能源互联网共享网络 (先进量测系统+能源管理系统+能源交易平台)

主动负荷







DG

EV、 ESS







DG

EV、 ESS

能源转换

能源路由器

能源路由器

电力网 天然气网 供热网 氢能源网

图2 Fig. 2

能源互联网概念架构图

Conceptual architecture of energy internet

其中跨国或跨洲大型能源基地之间的能源互 联网涉及新能源发电和常规发电的远距离传输,也 涉及天然气的远距离传输,这两种能源应是独立规 划和传输的,在战略规划层面可能会有一定相关 性。国家级骨干能源互联网涉及 3 种网络,即电力 传输网、电气化交通网、天然气网,电力传输网直 接为电气化交通网提供动力来源,需要统一规划协 调,但是在运行控制、管理运营等层面是独立的; 电力传输网和电气化交通网在规划层面存在一定 的协调,运行控制、管理运营等层面是独立的;这 一层面,三网的耦合度较低。智慧城市能源互联网 包括电力传输网、电气化交通网、天然气网,未来 还有氢能源网,在市政设施规划层面需要高度协 调、统一规划,在运行控制层面独立运行,经营管 理、市场交易层面可联合优化运行;根据需要,电

电力传输网+天然气网络 (跨国广域能源互联网)

图1 Fig. 1

能源互联网构成要素图

Key elements of energy internet

4.2

能源互联网概念架构 能源互联网概念架构包括多能源层、能源路由

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力传输网、天然气网、热/冷气网、氢能源网实现一 定程度的能源转化和耦合,并随着相关技术发展而 增强耦合度。用户域能源互联网包括电力传输网、 电气化交通网、天然气网以及氢能源网,在城乡社 区、园区规划层面需要高度协调、统一规划,在运 行控制层面独立运行,经营管理、市场交易层面可 联合优化运行;根据需要,电力传输网、天然气网、 热/冷气网、 氢能源网实现能源的相互转化和深度耦 合。信息通信网贯穿能源生产、传输、配送、使用 全过程,可能会有光纤、无线等多种通信方式,即 支持能源企业内部的生产、传输、配送过程的调度 和控制,也支持包含用户域、市场域的信息集成和 服务;在不同的断面,出于安全和经济上的考虑, 信息通信网物理层应是分开的。 4.2.1 跨国广域能源互联网 跨国广域能源互联网实现跨国、跨洲大型能源 基地可再生能源生产、传输及交易,以输送大规模 可再生能源为主导。跨国广域能源互联网具有广域 资源配置、需求调节能力,是解决可持续能源供应 的重要手段之一。世界多国提出了跨国广域能源互 联网的构想,研究了其可行性。 根据欧洲“SuperGrid 2050”计划,北海超级 电网将与德国 2009 年 10 月在撒哈拉沙漠启动建设 的大型太阳能项目 “沙漠科技” 组成一个有机整体, 从而形成跨越欧洲、中东、北非的跨洲超级电网, 届时将覆盖 50 个国家、11 亿用户、约 4 万亿 kWh 的电力需求。超级电网是欧洲第一个专门用于传输 可再生能源的电力网络,利用空间扩张平滑和减小 可再生能源发电随时间变化而产生的波动,提高可 再生能源的信用度和经济性,不仅可以平衡整个欧 洲大陆的电力需求,而且能够及时把所产生的能源 以电力形式传输到邻近国家
[25]

基础设施之一。这种形态的能源物联网由大容量输 配电系统、通信网络、配用电侧各种发用电资源组 成,适应高渗透率可再生电源并网。 国家电网公司规划到 2020 年建成华北、华中、 华东同步电网和 19 回特高压直流工程,形成西电 东送、北电南送格局,输电能力达 3.8 亿 kW。直 流电网技术是解决我国能源资源分布不均带来的 电能大容量远距离传输问题、大规模陆上及海上新 能源消纳及广域并网问题、以及区域交流电网互联 带来的 安全 稳定运 行问 题最有 效的 技术手 段之 一 [27] 。利用电压源换流器型直流 (Voltage sourced converter high voltage direct current,VSC-HVDC)输 电技术将西南地区丰富的水能、三北地区丰富的太 阳能和风能、东部沿海地区丰富的风能汇集并连接 成多个区域直流电网,减小新能源发电的间歇性及 不稳定性;再进一步利用电网换相换流器高压直流 (Line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)输电技术及 DC/DC 直流电压 变换技术将区域直流电网输出的大规模电力送往中 东部负荷中心区域,实现全国范围内的资源优化配 置;同时将各大区电网通过特高压交直流输电线路 互联,从而形成覆盖全国的交直流输电骨干网架。 这种形态的能源互联网是先进电力电子器件 技术的应用,大容量直流断路器、模块式变压器变 换器(modular transformer converter, MTC)等智能高 效电能变换、转换装置的研发和应用[28-31],大力提 升输配电系统接纳清洁能源发电、传输能力为主要 特征。在市场域,能源互联网应支持常规发电、清 洁能源发电、天然气等多元市场主体的批发交易、 转送及服务。 4.2.3 智慧城市能源互联网 智慧城市能源互联网通过现有电网的智能化 改造,消纳大规模清洁能源和分布式清洁能源发 电;利用各种信息化技术手段提升传统电网基础设 施,构建适应竞争性市场的能源互联网开放平台, 实现可再生能源与互联网的融合,支持能源提供 者、网络及服务运营商、用户平等交易。 从技术的角度看,这种形态的能源互联网即是 利用可再生能源技术+智能电网技术+互联网技术, 当前实现电力网 + 电气化交通网 + 信息通信网等的 融合,未来实现电力网+电气化交通网+氢能源网+ 信息通信网等的融合,消纳高渗透率的波动性可再 生能源发电;传送和分配电能以及电能相关的购售 电业务;为电气化交通网络提供清洁能源,新型充



根据 “全球能源互联网”设想,预计到 2050 年,“一极一道”大型可再生能源基地电力送出能 力,通过北极通道可送出的电量可达 3 万亿 kWh/ 年,赤道地区外送电量可达 9 万亿 kWh/年
[18]

。分

析表明,全球三大区域电网北美、欧洲、中国三大 区域电网互联电力负荷曲线峰谷具有互补性,跨 国、跨洲广域能源互联网可在全球范围内实现移峰 填谷,提高能源使用效率 4.2.2
[26]



国家骨干能源互联网 国家骨干能源互联网是实现我国可再生能源

生产、传输、配送、消纳的核心网络,是能源互联 网的基石,是下一代可持续能源供应体系最重要的

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田世明等:能源互联网技术形态与关键技术
氢能源网 电力网

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冷/热网 天然气网

换电设施纳入能源互联网开放平台管理;由于我国 天然气资源禀赋、价格、法规等多种原因,天然气 局部富裕地区可根据需要发展冷热电联产和独立 发电;随着人工合成天然气技术的突破和价格的下 降,天然气未来也可作为大规模清洁能源用于储 能、发电及终端消费。 从国内外技术能力来看,还存在两方面需要解 决的问题, 一是能源路由器等关键部件的转换效率、 耐受非正常运行条件能力、使用寿命等需要提升; 二是可大规模商业应用的储能技术有待突破、成本 有待降低,以期适应波动性随机电源广泛应用。 在市场域,这种形态的能源互联网应支持常规 发电、清洁能源发电、热电冷资源、天然气、氢能 源等多元市场主体的批发及有条件的大中用户市 场交易、转送及服务。对我国来讲,这种形态能源 互联网可充分利用智能电网成果,适应我国电力市 场改革需求,较快速激活售电市场,同时提高我国 可再生能源消纳能力,是电能消纳和激活市场的 主体。 4.2.4 社区能源互联网 社区能源互联网是由供电电源、分布式能源、 储能元件、负荷等构成的微能源网,是能源互联网 的重要组成形式,具有高效、安全、可控的特点。 通过应用先进工业级电力电子技术,研发高效率能 源路由器,其变换效率优于传统变压器并可灵活接 入各种交直流电源或负载;用户侧热电冷联产、蓄 冰蓄冷、分散储能元件广泛应用;用户侧负荷资源 参与需求响应、响应实时电价,各种负荷灵活可 控
[32-34]

能源路由器 纯电动 汽车

能源路由器 氢能源 汽车

冰蓄冷热 分布式 光伏

分布式 储能

智能建筑

纯电动 汽车

图3 Fig. 3

社区能源互联网能量流图 community

Energy flow chart of energy internet for smart

种新型业务。混合能源路由器实现电、气、信息通 信网的高度耦合,物理形态可应用到工厂、大型楼 宇、城市和农村集中居住区[35-37]。对原来独立的供 电、供气网络组合在一起以后混合供能系统的可靠 性、遇到异常工况的安全性、多能源之间高转换效 率等还需要进一步研究。

5 能源互联网关键技术
5.1 新能源发电技术 能源互联网关键技术是指可再生能源的生产、 转换、输送、利用、服务环节中的核心技术,包括 新能源发电技术、大容量远距离输电技术、先进电 力电子技术、先进储能技术、先进信息技术、需求 响应技术、微能源网技术,也包括关键装备技术和 标准化技术。其中先进电力电子技术、先进信息技 术是关键技术中的共性技术。 新能源不仅包括风能、太阳能和生物质能等传 统可再生能源,还包括页岩气和小堆核电等新型能 源或资源[38]。 新能源发电技术包括各种高效发电技 术、运行控制技术、能量转换技术等。 在新能源发电技术方面,研究规模光伏发电技 术和太阳能集热发电技术、变速恒频风力发电系统 的商业化开发,微型燃气轮机分布式电源技术,以 及燃料电池功率调节技术、谐波抑制技术、高精度 新能源发电预测技术、新能源电力系统保护技术; 研究动力与能源转换设备、资源深度利用技术、智 能控制与群控优化技术和综合优化技术[39]。

。社区能源互联网包括工厂、大型楼宇、城

市和农村集中居住区微能源网。 这种形态的能源互联网由电力网、电气化交通 网、天然气网、信息通信网等紧密耦合构成,以高 度融合的电能和多种能源相互转换等物理层面实 现耦合为主要特征,如图 3 所示。电力网作为各种 能源相互转化的枢纽,是能源互联网的基础支撑。 电力网与电气化交通网的电动汽车及其充电、放 电、换电设施交互。电力和天然气两种能源之间可 双向转换。 这种形态的能源互联网核心思想是多能源的 转换、存储、交易和高效利用;在市场域,能源互 联网应支持常规发电、 清洁能源发电、 热电冷资源、 天然气、氢能源等多元市场主体的零售交易、转送 及服务并激活新能源服务、分布式电源监测及运 维、充电桩建设与运维、需求响应、节能服务等多

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第 35 卷

5.2

大容量远距离输电技术 大容量远距离输电是我国及世界能源革命的

实现平滑风电输出功率、参与电网频率控制的双重 目标[44]; 压缩空气储能是一项能够实现大规模和长 时间电能存储的储能技术之一。储能技术及新型节 能材料在电力系统中的广泛应用将在发、输、配、 用电的各个环节给传统电力系统带来根本性的影 响,是电工技术研发的重点方向[22]。 5.5 先进信息技术 先进信息技术由智能感知、云计算和大数据分 析技术等构成,代表能源领域信息技术的发展方向。 能源互联网开放平台是利用云计算和大数据 分析技术构建的开放式管理及服务软件平台,实现 能源互联网的数据采集、管理、分析及互动服务功 能,支持电能交易、新能源配额交易、分布式电源 及电动汽车充电设施监测与运维、节能服务、互动 用电、需求响应等多种新型业务。 1)智能感知技术。 智能感知技术包括数据感知、采集、传输、 处理、服务等技术。智能传感器获取能源互联网中 输配电网、电气化交通网、信息通信网、天然气网 运行状态数据及用户侧各类联网用能设备、分布式 电源及微电网的运行状态参数,传感器数据经过处 理、 聚集、 分析并提供改进的控制策略。 IEC 61850、 IEEE 1888 等标准可作为数据采集、传输标准的参 考借鉴。利用基于 IPV6 的开放式多服务网络体系, 支持 端 到端 的业 务, 实 现用 户与 电 网之 间的 互 动,而且可实现各种智能设备的即插即用,除了智 能电能表以外,还支持其他各种非电表设备的无缝 接入[45]。 2)云计算技术。 云计算 (cloud computing) 是一种能够通过网 络随时随地、 按需方式、 便捷地获取计算资源(包括 网络、服务器、存储、应用和服务等)并提高其可用 性的模 式, 实现随 时、 随地、 随身 的高性 能计 算[46-47]。互联网营销技术包括实现互联网营销的电 子商务平台技术和相应的营销模式;能源互联网将 支持 B2B(business to business) 、 B2C(business to consumer)、C2C(customer to consumer)等,利用互 联网强大的互联互通能力, 支持发电商(含分布式电 源与微网经营者)、网络运营商、用户、批发或零售 型售电公司等多种市场主体任何时间、任何地点的 交易活动[48-49]。 3)大数据分析技术。 大数据是指无法在一定时间内用传统数据库 软件工具对其内容进行提取、管理和处理的数据集

基础技术,是解决大型能源基地可再生能源发电外 送的支撑手段。我国可以发展建设以特高压骨干网 为基础,利用高压直流互联可再生能源基地,实现 覆盖全国范围的交直流混合超级电网,提高我国供 电的灵活性、互补性、安全性与可靠性[25]。大容量 远距离输电技术包括:灵活可控的多端直流输电技 术、柔性直流输电技术、直流电网技术、海底电缆 技术、运行控制技术等。直流电网技术是解决我国 能源资源分布不均带来的电能大容量远距离传输 问题、大规模陆上及海上新能源消纳及广域并网问 题、以及区域交流电网互联带来的安全稳定运行问 题最有效的技术手段之一 5.3 先进电力电子技术 先进电力电子技术包括高电压、大容量或小 容量、低损耗电力电子器件技术、控制技术及新型 装备技术。以 SiC、GaN 为代表的宽禁带半导体材 料的发 现, 使得人 类为 取得反 向截 止电压 超过 20 kV 的限度成为可能。新型半导体材料制成的新 器件(如 SiC 功率器件),与 Si 半导体器件相比, 具有开关损耗低、 耐高温、 反向截止电压高的特点, 在未来的输电和配电系统中有可能成为新一代高 电压、低损耗、大功率电力电子装置的主要组成器 件
[22] [27]





在控制策略方面,由于数字信号处理器性能的 升级,使得系统控制策略灵活多样。多种非传统控 制策略,如模糊控制、神经网络控制、预测控制等 控制技术,可以适应电网暂态过程的复杂控制策 略, 一系列软开关控制方法、 系统级并联控制方法, 重复控制
[40-43]

,故障检测等复杂算法被整合在 DSP

内实现,极大地增强了新型电力电子设备的灵活性 与系统的可靠性。 5.4 先进储能技术 先进储能技术包括压缩空气储能、飞轮储能、 电池储能、超导储能、超级电容器储能、冰蓄冷热、 氢存储、P2G 等储能技术;从物理形态上讲,包括 可用于大电网调峰、调频辅助服务的储能装备,也 包括用于家庭、楼宇、园区级的储能模块。风电、 光伏等可再生能源发电设备的输出功率会随环境 因素变化,储能装置可以及时地进行能量的储存和 释放,保证供电的持续性和可靠性。超导储能和超 级电容储能系统能有效改善风电输出功率及系统 的频率波动;通过对飞轮储能系统的充放电控制,

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合。能源互联网中管网安全监控、经济运行、能源 交易和用户电能计量、燃气计量及分布式电源、电 动汽车等新型负荷数据的接入,其数据量将较智能 电能表数据量大得多。从大数据的处理过程来看, 大数据关键技术包括: 大数据采集、 大数据预处理、 大数据存储及管理、大数据分析、大数据展现和应 用(大数据检索、大数据可视化、大数据应用、大 数据安全等)[50-51]。 5.6 需求响应技术 需求响应是指用户对电价或其他激励做出响 应改变用电方式。通过实施需求响应,既可减少短 时间内的负荷需求,也能调整未来一定时间内的负 荷实现移峰填谷。这种技术除需要相应的技术支撑 外,还需要制定相应的电价政策和市场机制。一般 来说,需要建立需求响应系统,包括主站系统、通 信网络、智能终端,依照开放互联协议,实现电价 激励信号、用户选择及执行信息等双向交互,达到 用户负荷自主可控的目的。在能源互联网中,多种 用户侧需求响应资源的优化调度将提高能源综合 利用效率。 5.7 微能源网技术 微能源网是指一个城乡社区或园区、工厂、学 校等可与公共能源网络连接,又可独立运行的微型 能源网络。微能源网实现园区内工业、商业、居民 用户主要或全部使用可再生清洁能源发电,灵活便 利的充电设施,太阳能、生物质发电或氢能等可再 生能源通过能源路由器接入微能源网。各种可再生 能源发电可由个人、企业以多种方式建设、运营, 当然,节能服务方式建设、运维微能源网应是可重 点探索的方式,微能源网主体实现了用电、发电、 售电等业务的融合。微能源网将可能为绿色城镇化 和美丽乡村建设树立典范。 微能源网主要技术包括多能源协调规划、多能 源转换、优化协调控制与管理、分布式发电预测等 技术。 5.8 标准化技术 能源互联网标准体系可由规划设计、建设 运行、运维管理、交易服务等标准构成。能源互 联网需要首先构建标准体系,分步骤推进标准体系 建设。能源互联网涉及众多设备、系统和接口, 第一位的是能源互联网开放平台标准,包括接口 标准。 能源互联网在多环节涉及多种能源的转换、交 易、服务及多元市场主体,相应的技术标准规范、

能源贸易法规,须配套跟进,确保能源互联网正常 运行。

6 结论
本文分析了国内外能源互联网典型项目和学 术观点,在剖析互联网技术原理和技术特征基础 上, 对能源互联网技术特征、 技术内涵、 构成要素、 关键技术等进行了研究,主要结论是: 1)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。 2)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。 3)能源互联网的驱动力是:①适应高渗透率 可再生能源发展,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,激活售电 市场的需要; 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。 4)能源互联网构成要素包括跨国广域能源互 联网、国家级骨干能源互联网、智慧城市能源互联 网、用户域能源互联网及市场域能源互联网。 5)能源互联网关键技术是包括新能源发电技 术、大容量远距离输电技术、先进电力电子技术、 先进储能技术、先进信息技术、需求响应技术、微 能源网技术,也包括关键装备技术和标准化技术。 其中先进电力电子技术、先进信息技术是关键技术 中的共性技术。 6)能源互联网开放平台是利用云计算和大数 据分析技术构建的开放式管理及服务软件平台,支 持电能交易、新能源配额交易、分布式电源及电动 汽车充电设施监测及运维、节能服务、互动用电、 需求响应等多种新型业务。 7)能源路由器实现电力、天然气、冷/热气等 多能源连接、转换、存储,是一种全新的能源转换 和存储装置。 8)能源互联网在多环节涉及多种能源、多种 能源的生产与转换、多能源交易和服务,相应的技 术标准、交易准则、能源法规需配套跟进,保障能 源互联网的健康发展。

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(实习编辑

乔宝榆)



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