能源研究与信息  2017, Vol. 33 Issue (1): 33-37   PDF    
能源利用新模式——能源互联网
茅大钧, 代宪亚     
上海电力学院 自动化工程学院, 上海 200090
摘要: 随着环境污染加剧、能源严重短缺等问题的出现,可再生能源的利用将越来越普及.以可再生能源技术和信息技术紧密结合为特征的“能源互联网”将会带来第三次工业革命.介绍了“能源互联网”的发展、内涵及其市场前景,并详细阐述了其应具备的特征以及架构体系和技术支撑.作为未来能源发展的新趋势,“能源互联网”将在能源消费、能源技术、能源产业方面带来革命潮流.“能源互联网”在促进能源可持续发展的同时,也将为社会带来巨大福利.
关键词能源互联网     可再生能源     电能     互联网技术    
A New Pattern of Energy Utilization:Energy Internet
MAO Dajun, DAI Xianya     
College of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China
Abstract: The utilization of renewable energy is becoming more and more popular with the deterioration in environment pollution and serious risks of energy shortage.Energy internet, whose characteristics are the combination of the renewable energy technology and information technology, will bring the "Third Industrial Revolution".This paper presented the development, content of Energy Internet and its market prospects, as well as the characteristics of Energy Internet, its architecture and technical support.As the new trend of future energy development, Energy Internet will bring the revolution to energy consumption, energy technology and energy industry.Energy Internet will also bring the society a great welfare during the promotion of energy sustainable development.
Key words: Energy Internet     renewable energy     electric energy     internet technology    

随着智慧能源概念的提出, 能源发展与大数据处理、云计算等互联网智能技术的关联性越来越强.近年来, 物联网、智能家居、智能电网已成为行业热点, 其快速发展离不开海量数据信息的计算与处理.为适应经济和社会的发展, 信息网络与能源网络的结合必然更加密切, 对能源产业进行互联网化将会是能源利用模式发展的新趋势.

另外, 化石能源消耗加剧、全球气候变暖、环境污染加剧等问题已经引起全球的共同关注, 扩大可再生能源规模已是世界发展的必然方向.美国著名经济学家杰里米·里夫金在其著作《第三次工业革命》中提及:以大规模利用化石能源为核心的第二次工业革命正在走向结束, 以新能源技术和信息技术紧密结合为特征的能源互联网将会带来第三次工业革命[1].能源互联网是新能源技术与互联网技术深入结合, 以分布式可再生能源为主要一次能源, 形成的新的能源利用模式.

1 “能源互联网”的发展

“能源互联网”概念的提出得到了各界的强烈响应与高度认可, 美国和欧洲对其的研究依然处于领先阶段. 2008年, 美国国家科学基金成立研究项目“未来可再生电力能源传输与管理系统”(the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System), 简称“FREEDM”, 以此作为“能源互联网”原型.FREEDM提出了“能源路由器”新概念, 模仿网络信息技术中路由器的概念, 运用“能源路由器”实现能源互联.该系统以电力电子技术为核心, 对分布式能源系统实现高效控制.另外, 加利福尼亚大学伯克利分校提出“以信息为中心的智慧能源网络”模型[2], 实现能源信息的数据采集, 并高效地对能源的生产、传输和消费各环节进行管理.该能源网络结合先进的信息通信技术以获取大量能源数据, 通过云计算进行数据分析, 应用于整个能源系统, 实现能源与互联网的高效结合.

与此同时, 2008年德国联邦经济技术部门和环境部门提出建立新型能源网络E-Energy.该网络在智能电网的发展基础上, 运用ICT (information communication technology) 实现电网设施与用户端的相互通信与协调, 其目标包括高效供电和优化能源供应系统.高效供电即通过电力系统的数字联网, 确保电能的稳定高效供应; 能源供应系统的优化可以理解为横向多种能源的优化互补, 包括化石能源以及风、光、电等可再生能源的相互协调供应.E-Energy项目的重点将是实现整个电力系统信息网路覆盖, 致力打造一个从发电到输电、变电、配电、用电的一个全新能源互联网.

我国能源互联网技术依然处于起步阶段.2013年, 北京市科委组织召开了“第三次工业革命”和“能源互联网”专家研讨会; 同年12月, 国家电网公司指出“能源互联网”是智能电网未来的发展方向; 2014年6月启动了“能源互联网技术架构”; 2015年2月, 刘振亚的专著《全球能源互联网》首发仪式暨专家座谈会在北京召开.2015年7月, 国务院印发《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》; 另外, 国家能源局在同年7月正式确定《能源互联网行动计划大纲》和12个支撑课题.虽然国内“能源互联网”的研究起步比较晚, 但其已得到了相当程度的重视和发展力度支持.

2 “能源互联网”的内涵

“能源互联网”虽然得到了广泛的认可, 但对其并无明确的定义.杰里米·里夫金在其著作《第三次工业革命》中也只是描绘了能源互联网的愿景, 并没有给出具体定义.从欧美对能源互联网的研究方向以及各界专家对能源互联网的分析可知, 对“能源互联网”的理解主要有两个方面:

(1) 采用互联网的技术架构为模型, 形成新型的能源网, 其概念包括各种能源产业以及不同能源网络之间的“互联互通”.对于各种能源产业, 例如供热、供冷、供气、供电等不同形式的能源之间可以形成互联; 对于不同能源网络, 例如分布式能源网, 各种微电网之间也可以形成互联.

(2) 搭载互联网通信技术和大数据处理技术, 可更加准确、高效地处理能源供应、能源消费等问题, 以实现一种新的应用模式——“互联网+智慧能源”.

以上两种理解, 只是认识的侧重点不同, 并不存在绝对的概念界限.作为未来能源可持续发展的必然趋势, 能源互联网的研究将变得更加深入和规范, 而其内涵也必然包括以上两种理解.华北电力大学曾鸣教授指出:“要构建一个具有‘横向多能源互补’、‘纵向源—网—荷—储协调’和能量流与信息流双向流动特性的大能源互联圈.”[3]

为适应新的发展变革, 不论从哪种认识角度, 能源互联网应具有以下特征:

(1) 可再生能源的大规模接入.

随着环境污染加剧、能源严重短缺等问题的出现, 可再生能源利用将越来越普及.太阳能、风能、光能等新能源技术正在影响越来越多的国家.以电能作为中介能源, 利用绿色可再生能源替换高污染化石能源, 以提高能源消费的环境友好程度, 将会得到越来越多的重视.虽然目前改变不了化石能源的主导地位, 但新能源的大规模利用已是发展的必然趋势.随着能源互联网概念的不断深入, 政府政策的大力支持, 可再生能源发展技术的不断进步, 必然会引导可再生能源的大规模接入.杰里米·里夫金在《第三次工业革命》中提到未来理想的能源互联网愿景:“在即将到来的时代, 我们创建的能源互联网可以让亿万人都能够在自己的家中、办公室以及工厂里生产和消费绿色能源, 多余的能源可以与他人分享, 就像现在我们在网络上分享信息一样.”[4]

(2) 搭载互联网技术实现能源共享.

2015年3月我国政府工作报告中首次提出制定“互联网+”行动计划, 即利用“互联网”或参考“互联网”的技术架构与其他行业相结合, 产生新的应用模式[5].如果将互联网与能源结合, 形成新的“互联网+能源”应用模式, 将能源产业进行互联网化, 并对能源产业通过ICT技术赋予数据属性, 则对能源产业的控制与管理将更加高效、经济.在广域能源供应体系中, 实现能源综合数字化互联, 实时动态地收集和处理海量负荷信息、市场交易数据、设备运行状态参数、气候环境等其他数据, 进而充分利用信息通信技术和数据云计算处理技术设计出新的解决方案, 进一步提高能源供应的智能化, 实现能源产业的最优化管理.“能源互联网”必须搭载互联网前端通信技术和大数据处理技术才能发挥其革命性作用.

(3) 能源消费终端改变消费模式.

目前可再生能源绝大部分转化为电能, 可通过以电能作为中间介质, 用绿色可再生能源替换其他一次化石能源[6].电能具有优质、清洁属性, 增加其消费比重将为能源终端消费的结构优化带来推动作用.首先, 推进电能消费发展可缓解因化石燃料燃烧带来的污染问题; 电能还是高效能源, 提高电能消费比重有助于世界各国提高能源利用效率, 进而降低世界能源需求, 实现可持续发展.

近年来, 随着电动汽车在交通行业的快速发展, 电气化交通系统将会是能源互联网的重要组成部分, 电动汽车的发展将改变传统大量消耗化石能源的交通行业[1].通过将电能作为中间介质, 不仅为可再生能源大规模利用提供了平台, 而且促进了消费市场的模式转变.电气化交通可节约大量化石能源, 未来一定会成为能源互联网的重要支撑.以电能为主的能源体系将不断强化能源消费模式, 其不仅在汽车应用中发挥作用, 在其他能源消费领域依然可起到重要作用.例如, 工厂各种加热设备可用电加热方式替换传统的煤燃烧加热方式, 既容易实现热量的均匀控制, 又可通过电力能源的高效性实现降低能耗的目标[7].

(4) “储能”的广泛应用.

大规模的新能源发电装置在接入的同时, 由于其自身发电能量具有间歇不连续与波动不稳定缺点, 将会给电网的稳定性带来一定的冲击作用.分布式储能技术可以缓解能量流的不确定性, 抑制和平缓能量的波动, 将成为能源互联网中重要的基础支撑[8].在今后能源互联网的发展过程中, 储能装置将广泛应用于商业建筑.智能储能装置通过互联网大数据进行云计算, 以实现充电与放电的快速切换, 更准确地匹配电源与负荷, 更高效地提高能源利用率.

3 “能源互联网”架构

根据能源互联网的特点, 可设计出能源互联网架构体系, 如图 1所示.从横向和纵向对能源互联网架构图进行分析.从横向来看, 为横向多能源互补.虽然目前可再生能源的大规模接入, 并不能完全替换化石能源, 但可与化石能源相互协调供应.利用互联网技术赋予能源数字属性, 准确分析能源供应情况, 以达到多种能源的最优供给.从纵向来看, 能源进行供电、供热、供冷、供气等其他能源转换, 然后传送至消费终端的过程中, 电力行业起到了主干作用.从发电系统经电网传送到用户端, 利用储能装置和互联网技术实现电力行业的高效运作.各个环节中, 对电气设备运行状态、电能传送数据、消费终端负荷变化等通过互联网技术进行实时监控, 确保整个系统的最优化运行.由于交通行业的能源市场巨大, 随着消费终端的消费模式转变, 未来的电气化交通系统也将占据重要地位.电动汽车充电装置、储能设备将充分发挥各自作用, 搭载通信技术、数据处理技术可确保电气化交通领域的稳定运作.

图 1 能源互联网架构 Fig.1 Architecture of the energy internet

整个架构体系中, 互联网技术将覆盖各个环节, 实现能量流与信息流双向流动.

4 “能源互联网”技术支撑

从能源互联网的特点和架构中可归纳出能源互联网的技术要求.从目前技术发展现状来看, 五大技术将在能源互联网中发挥重要作用.

4.1 先进传感技术

从能源互联网内涵可以认识到, 其范围涉及到整个能源领域, 能源之间的互联互通与能源传输必须依赖于多种多样的基础设备.基础设备工作状态良好, 系统的稳定性才能得到保障.准确监测设备信息、保障设备工作正常是能源互联网技术框架的基础要求.因此, 必须依赖先进传感技术对各种基础设备进行状态监测, 实时准确地获取设备参数, 并做出实时诊断, 避免出现设备安全隐患长时间存在, 以确保整个系统高效运行.

4.2 先进故障自诊断技术

实时监测设备信息, 分析系统运行参数, 运用先进的数据处理与诊断方法, 做出准确的故障预测与诊断, 及时处理安全隐患, 才能保证系统安全.随着科学技术的发展, 故障诊断技术愈发地趋向于高效率、安全性、可靠性, 其复杂性也越来越高.能源互联网体系庞大, 系统复杂, 其每一个环节不可能一直处于良好运行状态, 但如果不能及时发现各种故障与隐患, 将会影响到下一个环节的正常工作, 甚至带来巨大损失.所以, 为确保能源互联网的高效与安全, 既要利用先进传感技术准确获取各种参数信息, 又要利用先进的故障自诊断技术及时发现安全隐患, 给出专家建议, 并作出正确处理, 维护系统安全.

4.3 新能源发电技术

在介绍能源互联网特征时提及, 可再生能源大规模接入时, 将电能作为中介能源, 可用绿色可再生能源替换高污染化石能源.因此, 新能源发电技术必将是能源互联网架构的重要组成部分.

4.4 大容量储能技术

从能源互联网的内涵与新能源发电的特点可以看出, 大容量储能技术可为能源互联网提供重要保障.传统电网的运行时刻处于发电与负荷之间的动态平衡状态, 即“即发即用”模式.[9]但随着技术的进步、要求的提高, 这种模式的缺陷变得越来越明显.大容量储能设备可以有效地对电力系统进行调峰和平滑负荷.另外, 新能源发电、电气化交通的大规模接入所带来的电能不稳定与波动性问题, 也促进了大容量储能技术的发展.

4.5 互联网技术

在“能源互联网”架构中互联网技术覆盖其各个环节, 实现能量流与信息流双向流动.高效信息传输、大数据处理、云计算等都必须依托互联网技术才能实现.各种数据与信息的宏观体现、整体策略的准确部署、产业的最优管理都与互联网技术密不可分.

5 “能源互联网”市场前景

互联网与其他行业的结合将是未来的发展主流.据业内人士分析, 加上投资建设, 我国能源互联网市场约为5万亿元以上, 可见能源互联网存在广阔的市场前景.关于能源互联网的发展, 曾鸣教授指出:“能源互联网”将在能源消费、能源技术、能源产业方面带来革命潮流.[3]

美国通用电气将发电、输电、配电、用电等全过程进行物联网化, 通过准确处理产业链数据信息, 合理优化发用电交易模式, 并提供维修、节能等其他技术增值服务, 其能源管理收入规模可达440亿元; Google收购Nest后将涉足智能家居能源管理行业; 德国有上千家售电公司, 分别围绕新能源、电动汽车、储能等领域开展相关业务.[10]

2015年4月, 国内著名光伏企业协鑫集成科技股份有限公司与华为公司达成战略合作.通过本次合作, 协鑫集成与华为致力打造一个智能高效光伏电站, 拟在物联网、光伏电站开发与实施、光伏电站信息化技术等领域展开合作.4月20日, 中石化与阿里云达成技术合作计划, 利用阿里巴巴在大数据、云计算等数据处理方面的优势, 对传统石油化工业务进行产业升级, 开启多业态的能源产业全新模式[3].另外, 新电改方案进一步得到落实.能源互联网概念在不断加深.我国“国家能源互联网行动计划”正在制定和完善, 它作为我国首个能源互联网概念、框架纲领性文件, 将指导能源互联网的进一步发展.

6 结语

构建“能源互联网”可以促进能源结构优化, 提高能源利用效率, 推动能源可持续发展.与此同时, “能源互联网”的出现将带来广阔市场, 为社会带来巨大福利.但“能源互联网”的发展也面临诸多难题:网络信息安全、电动汽车充电装置覆盖率、产业转型初期的技术普及等, 都是待解决的问题.目前“能源互联网”的顶层设计以及纲领性文件正在完善, 相信在其指导下, 能源互联网的发展方向将更加明确.

参考文献
[1] 董朝阳, 赵俊华, 文福拴, 等. 从智能电网到能源互联网:基本概念与研究框架[J]. 电力系统自动化 , 2014, 38 (15) :1–11. DOI:10.7500/AEPS20140613007
[2] 曹军威, 杨明博, 张德华, 等. 能源互联网——信息与能源的基础设施一体化[J]. 南方电网技术 , 2014, 8 (4) :1–10.
[3] 姚尧. 5万亿能源互联网市场呼之欲出[J]. 中国经济信息 , 2015 (11) :58–59.
[4] 杰里米·里夫金. 第三次工业革命[M]. 张体伟, 孙豫宁, 译. 北京: 中信出版社, 2012.
[5] 安建伟. 什么是智慧能源产业创新与能源互联网?[J]. 互联网周刊 , 2015 (7) :64–65.
[6] 周海明, 刘广一, 刘超群. 能源互联网技术框架研究[J]. 中国电力 , 2014, 47 (11) :140–144.
[7] 翁芸, 黄洁敏, 单宋佳. 技术升级带动能源消费模式转型[N]. 国家电网报, 2014-06-09(005).
[8] 侯朝勇. 储能技术在能源互联网中的应用[C]//2013·学术前沿论丛——中国梦: 教育变革与人的素质提升 (下). 北京: 北京市社会科学界联合会, 2013: 553-560.