互聯網與能源系統的融合形態與技術

張勇軍，李立浧, ，陳澤興，徐敏，劉平，蔡澤祥，韓永霞，許愛東

（1. 華南理工大學電力學院，廣州 510641；2. 南方電網科學研究院有限責任公司，廣州 510080）

一、前言

由于資源、環境和氣候的多重壓力，我國能源體系轉型升級已提升到能源革命的國家戰略，包括能源結構的低碳化、化石能源清潔化、能源消費總量控制及能源服務的普惠便捷 [1～4]。應用互聯網技術與機制改造傳統能源行業的生產、傳輸、消費過程，實現“互聯網+”智慧能源創新，是近年來蓬勃發展的學術前沿和工程熱點領域。

近年來，互聯網以其便捷、開放且可實現資源的公開共享、實時交互等優勢，被廣泛用于改造傳統的行業[5～7]。相比其他領域，能源系統較為封閉，基于互聯網對能源系統的改造和創新面臨一系列技術與行業壁壘的挑戰[8～10]。國內外有代表性的探索工作有：美國研發了未來可再生能源傳輸與管理系統（FREEDM系統），提出了能源路由器的概念并進行了原型實現[11]；德國聯邦經濟和技術部發起E-Energy計劃，在此基礎上創建基于信息和通信技術（ICT）的高效能源系統[12]；日本著力于對 “數字電網”的構建，其核心在于電力路由器的研發[13]；我國則以能源革命戰略與電力體制改革為契機，掀起“互聯網+”智慧能源研究與實踐的新浪潮[14～16]，主要包括：國務院發布了《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，其重點行動領域包括以互聯網實現能源系統的升級，即“互聯網+”智慧能源；國家能源局、國家發展和改革委員會發布的《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030 年）》將能源互聯網技術創新列為一項重點任務；開展一系列能源互聯網示范項目建設等。上述多種措施的探索使能源系統與互聯網朝融合的方向邁進了一步，但對互聯網與能源系統融合的總體愿景、實施路徑規劃還缺乏總體描述。

二、互聯網與能源系統融合的驅動力

（一）推動能源供給革命，提高新能源消納能力

能源供給革命是能源革命的重要支撐。其主要內容涉及煤炭的清潔高效利用，發展非化石能源，形成煤、石油、天然氣、核能、新能源、可再生能源等多能源供應體系[17]。面向能源供給革命的基本述求，推動能源供應體系的轉型升級核心在于提高可再生能源的利用比例，并基于新能源利用比例的提高，調整能源利用結構，實現能源結構由高碳能源向低碳能源發展，解決能源資源難以為繼以及生態環境不堪重負的問題。我國新能源裝機容量正在高速增長，已成為世界上最大的太陽能發電國，但當前新能源消納能力還有待提高。傳統電網調節能力有限，面對未來新能源不斷滲透的場景，僅僅依靠電網來進行消納會顯得不足。互聯網與能源系統的融合，將集合互聯網中的共性技術，如云計算、大數據等，提升能源系統的靈活性，高比例地利用間歇性、分布式的可再生能源，建設可持續的、多元化的能源供應體系。

（二）推動能源消費革命，提高能源綜合利用效率

將傳統重視源端的節能改造轉移到用戶終端，是能源系統轉型升級的另一重要舉措。對于傳統電網，電力終端能效提升的技術除了一般的更換更節能的設備以外，更重要的技術措施還是實施電力需求側管理。電力需求側管理指的是電力企業采用行政、技術或者經濟等手段，與用戶共同協力提高終端用電效率、改變用電方式。近年來，我國的用戶側電力能效提升技術發展迅速，在節能降耗、維護生態環境方面起到了至關重要的作用。但仍存在不少問題，如監測用戶能耗數據不健全，控制用能系統的設備落后等，這些都有待進一步解決。但是，實際上對于用戶來說，用能的需求除了電力，還有天然氣、用熱、用冷的用能需求，如果能綜合考慮這些能源，進行終端能源的綜合優化，利用不同能源之間的互補性，將進一步提升能源綜合利用效率。因此，互聯網與能源系統的融合，將基于互聯網技術，實時獲取海量的用戶數據來進行數據挖掘，進一步提升用戶節能空間。

（三）推動能源體制革命，提供市場化所需技術支撐

能源體制革命是能源革命的制度保障。在能源體制革命中，明確提出了要構建有效競爭的市場結構和市場體系，形成主要由市場決定能源價格的機制，轉變政府對能源的監管方式，并且建立健全能源法治體系[17]。要實現上述目標，還原能源的商品屬性是關鍵，利用市場機制、經濟學去引導能源的生產及消費，將會有效地促進能源資源利用效率的提高。

能源體制革命一方面需要制度保障，另一方面也需要技術的支撐。事實上，我國電力市場的概念已提出多年但成效不顯著，隨著“能源互聯網”“互聯網+”智慧能源等概念的提出，多能源耦合成為趨勢，相比之下，多能源市場的開放相比單一的僅提供電力市場將更加能夠促進資源的互通和有效利用。互聯網與能源系統的融合正是在技術層面上提供了一個以互聯網開放共享的環境，打破行業壁壘，實現能源信息的透明化，利用大數據技術分析能源流動的各個環節，感知用戶需求，為能源市場的建立提供技術保障。

三、互聯網與能源系統的融合形態

（一）互聯網與能源系統融合形態的基本描述

廣義的能源系統包括了能源生產–傳輸–存儲–轉換–消費等五個環節，能源形式多樣，包含煤炭、石油、天然氣、可再生能源等一次能源，電、氫等二次能源，能源傳輸網絡包含了電網、天然氣網、供冷/熱網等。互聯網技術與能源系統的融合，正是希望借助互聯網信息獲取和處理技術，實現能源系統全環節的感知和運行優化，促進能源結構的優化和能源利用效率的提升；而互聯網思維與能源系統的融合則是借助共享、開放的互聯網平臺，推動能源系統全環節產業升級，以開放的環境激活能源系統市場。能源系統與互聯網融合的示意圖，如圖1所示。

圖1以兩個圓交疊的形式抽象地描繪了能源系統與互聯網融合的兩個網絡，重疊的部分可看成互聯網與能源系統融合的程度，交疊部分越多，則表示融合的程度越深。隨著互聯網技術與思維在能源系統中應用的逐步滲透，將逐步推進互聯網與能源系統的融合。結合互聯網與能源系統的融合程度，本文提出互聯網與能源系統的分階段融合形態，以2020年，2030年及2050年為三個時間節點，分別稱之為智能化、透明化、智慧化三個階段。

圖1 能源系統與互聯網融合示意圖

（二）融合形態1：智能化階段

智能化是互聯網與能源系統融合的初級形態。融合形態可具體描述為：以大規模遠距離交直流輸電系統為載體，實現化石能源與可再生能源的跨區域規模化資源配置；大力發展分布式電網/能源系統，集中配置與分布消納并舉，實現可再生能源的高比例消納，減少棄風、棄光現象；基于高度自動化與智能輔助決策的實現，電網輸電能力、運行可靠性及安全穩定水平得到充分提升，可避免大面積停電事故的發生。

具體來看，實現智能化階段的關鍵路徑在于推進互聯網中大數據技術在能源系統中的應用，以能源大數據來提升能源系統的智能化水平。在能源的生產側，基于大數據技術，整合氣象、地理、環境、能源等多維度信息，可實現可再生能源功率的精準預測，實現可再生能源的高比例消納，減少棄風、棄光現象，同時為能源結構的優化提供支持。能源消費側重視智能電表、智能能源表計的推廣應用，獲取用戶的用能信息并基于大數據分析充分挖掘用戶的節能潛力，引導用戶制定優質的用能計劃。

（三）融合形態2：透明化階段

透明化是互聯網與能源系統融合在智能化階段的進一步升級，兩者的融合程度進一步加深，打造透明能源系統。透明能源系統是指利用先進的互聯網技術，如芯片傳感技術，實現對能源系統中能源生產、能源傳輸、能源轉換與存儲、能源使用等全環節各類設備的信息監控和實時感知，使設備運轉信息、能源系統的運行信息和能源市場信息實現透明共享、平等獲取，是互聯網與能源網技術深度融合下的能源系統的中級發展形態。

具體來看，實現透明化階段的關鍵路徑在于推進互聯網中芯片傳感器和智能決策技術的發展，以能源系統透明化為目的實現能源系統的轉型升級。透明能源系統中能源系統的互聯網化程度進一步加深，擁有先進的信息感知與處理技術，使電網與能源網的狀態數據化與透明化，并且，人工智能等智能決策技術在能源系統中高度應用，使整個能源系統的狀態變得高度可視、高度可控、高度優化。

（四）融合形態3：智慧化階段

智慧化是互聯網與能源系統融合的高級形態。融合系統可具體描述為：基于智能化的能源裝備與控制技術，優先實現高比例可再生能源的接入；此外，可再生能源的分布式廣泛接入與用戶側的產銷一體化，使能源的生產、傳輸、轉換、消費及交易趨向零邊際成本，實現能源系統效率最優化及能源價值最大化利用；互聯網與能源系統深度融合，形成智慧化、深優化、高可靠性、能源觸手可及的泛在能源網。

具體來看，實現智慧化階段的關鍵路徑在于基于互聯網平臺建立能源交易市場，推進能源產業轉型升級。智慧化的融合模式中，一方面能源系統基于互聯網的信息平臺支撐，實現能源系統全環節的智慧化，即光伏、風能等新能源實現即插即用，能源需求可以得到滿足，可實現隨時、隨地地使用能源；另一方面則應用互聯網思維，將當下互聯網環境下實施的較為成功的商業模式與能源系統及互聯網平臺有機結合，拓展出種類豐富的新型能源商業模式，比如能源期貨、能源團購、能源定制、能源點評等，激活能源行業，形成新的經濟增長點。

圖2 互聯網與能源系統融合的關鍵技術體系

四、互聯網與能源系統融合的技術體系

為推進互聯網與能源系統的融合，一方面需加強能源信息支撐技術的發展；另一方面則需注重互聯網技術與思維在能源系統生產–傳輸–消費等環節的應用。互聯網與能源系統融合的關鍵技術體系，如圖2所示。

（一） 能源信息支撐平臺技術

以互聯網作為信息基礎支撐，是互聯網與能源系統實現融合的重要技術，包括互聯網基礎設施建設以及信息感知、處理、交互、安全技術。

在基礎設施建設方面，建設覆蓋各類能源系統及其各環節互聯網基礎設施的需求，實現能源信息傳輸的光纖到戶，以推動社會資源共享，突破信息網絡的“最后一千米”瓶頸。

在信息感知技術方面，加強光纖溫度傳感器、芯片級傳感技術的研制和開發，并在實際工程中實現推廣應用；開展基于納米光學的光纖傳感技術、基于光纖傳感技術的全光纖設備狀態檢測系統的研究，實現數據采集監控結果的實時性、精確性和完整性，推進信息感知技術的發展，實現能源系統信息透明化。

在信息處理技術方面，開展云計算技術研究，包括支撐信息化建設的虛擬化應用技術研究和企業云平臺應用關鍵技術研究；開展大數據技術研究，包括基于海量信息挖掘技術的分析、通過智能化技術建立“智能、高效、可靠、綠色”的數據中心管理體系；研究高性能計算技術，開發高性能計算的基礎環境仿真平臺。通過虛擬化、標準化和自動化的方式有機整合能源系統的硬件和軟件資源，有效支撐基礎數據進行可靠有效的傳輸、存儲和處理。

在信息交互技術方面，推進移動互聯網在能源系統的應用，通過掌上終端、服務器、個人計算機等多平臺的信息交互，實現能源業務、管理以及服務的移動化、信息化、電子化和網絡化。研究與信息交互相關的智能科學技術，重點是人工智能在信息交互技術中應用的研究，通過人工智能技術實現人與能源系統之間智能的交互界面，將能源系統調整到最佳的狀態來適應人類的需要，提高能源系統的運行效率。

在信息安全技術方面，開展云安全體系研究，解決云計算在實際應用中面臨的安全問題，包括云安全技術體系、管理體系和評價檢測體系等，確保云計算系統安全穩定運行。構建能源系統物聯網安全體系架構并開展物聯網應用信息安全體系研究。從用戶端著手規劃“數據安全體系”，解決由于云計算、移動互聯網帶來的系統邊界模糊化而導致的安全防護難題。

（二） 能源生產智慧化技術

1.建立開放、共享、標準和集成的能源生產信息公共服務網絡

基于互聯網建立面向海量能源主體接入的能源生產信息公共服務網絡，為能源生產、傳輸與消費全產業生態鏈提供信息交互對接的基礎平臺。“開放”在于能源生產信息公共服務網絡可由能源生產全產業鏈中所有用戶自由接入，隨時獲取能源生產信息；“共享”在于能源生產、傳輸、消費各環節的運行狀態和交易互動等信息可跨環節、無壁壘地傳輸及獲取；“標準”在于任意的能源生產、傳輸及用能設備并網接入后，需通過標準化數據共享協議在能源生產信息公共服務網絡實現設備狀態數據發布與共享；“集成”在于能源生產信息公共服務網絡集成能源生產的監測、運行、管理和調度等高級應用于一體。

2.基于大數據的新能源發電智能調度技術

融合新能源設備狀態數據、電網運行數據、氣象數據等多源數據，建立面向隨機間歇性電源的智能化調度技術，充分提升新能源的消納水平，減少甚至避免棄風、棄光現象。基于多源數據的數據挖掘與智能分析手段，研究高精度的新能源發電預測方法；綜合新能源電源與電網運行狀態信息數據，研究自適應的智能化隨機調度策略；考慮新能源的海量時空分布特點，研究集中決策–分布控制的新能源發電分層分級協調控制方法等。

（三） 分布式能源網絡技術

1.基于互聯網及大數據的能量管理技術

依托互聯網與大數據平臺構建適應分布式多能流能源網絡的能量管理體系，實現電、氣、熱、冷等能源資源協調運行與優化配置。主要關鍵技術包括：構建智能化高級量測體系，實現多樣化能源的精準量測、數據分析、信息交互及實時結算；計及間歇性電源和隨機性負荷的歷史行為與實時狀態，融合電、氣、熱、冷、智能交通等多網信息，并在此基礎上研究源–荷匹配的智能化調度潛力預測與挖掘技術；研究分布式能源網絡中能源生產–傳輸–消費–存儲多能流協同的能量優化調度技術，實現多樣化能源的綜合互補與能源供應的協同管理。

2.分布式能源系統的信息透明化

分布式能源系統的信息透明化技術是指利用先進的“互聯網+”技術，實現對分布式能源系統中的源、網、荷、儲、用全環節各類設備的信息監控和實時感知，使設備運轉信息、能源系統運行信息和能源市場信息實現透明共享、平等獲取。以分布式能源系統中設備與網絡運行狀態的透明化所產生海量的實時狀態數據為基礎，可實現分布式能源系統運行調度決策的智能化，支撐可再生能源的廣泛接入與精準發電預測，實現高比例可再生能源的消納，科學分配需求側負荷以及提取關鍵信息實現狀態估計與故障辨識。此外，透明化的分布式能源系統以信息透明對等為支撐，可促進分布式能源就近交易并獲取，用戶逐漸成為能源的產銷者，并以互聯網交易和共享促進能源交易和增值服務。

3.泛在的分布式能源網

泛在的分布式能源網是能源和信息深度融合的系統，能源網絡中的所有接入設備，其二次部分類似于信息網絡中的節點單元，具備存儲設備特性參數，實時監測記錄其自身運行狀態、運行參數的功能，并依據統一的通信規約和協議，通過物聯網在小微能源網絡內部實現信息的充分共享和交互。泛在的分布式能源網對于接入設備而言，具有高度靈活的可接入性、可擴展性，以及信息分享的廣泛性和安全性。因此可適應各類可再生小微能源的接入，逐漸形成泛在能源網，打破時空限制，實現能源的隨時隨地接入與使用。針對泛在分布式能源網的特點，可以總結出其關鍵技術有：①傳感器技術。需要通過射頻識別（RFID）等傳感技術隨時準確獲取終端的信息。②數據傳輸。通過有線或無線網絡實現終端的信息傳輸。③嵌入系統技術。綜合計算機軟硬件、集成電路技術等，對接收到的信息進行分類處理。

（四） 能源消費智慧化技術

1.基于互聯網平臺的能源交易與多元互動

利用互聯網的信息共享與實時互動的特點，建設面向能源供應商、能源用戶、大數據服務商等多元化主體的能源交易與能源服務平臺，實現各市場主體信息共享與交易互動的公平化、自由化、透明化。構建能源交易網上業務平臺，提供PC端、移動端等實時訪問交互渠道；具備多樣化服務擴展能力，為能源資源信息公開發布、用能合理精準匹配、用能個性化定制等新服務形態提供技術支撐；建立各類能源主體客戶管理體系，實現客戶營銷統計分析、潛在客戶挖掘與跟蹤，為客戶建立“綠色用能”和“綠色發電”數字化信息檔案，提供個性化信息定制服務及用能優化解決方案等增值服務。

2.基于數據挖掘的用戶側能效管理與需求側響應

以能源大數據為核心，圍繞用戶側用能特征、能效水平、調度潛力等問題進行深入挖掘與分析，實現融合控制、優化、診斷、維護等的綜合能效管理。通過智能表計與物聯網技術實現用能設備、用戶側分布式電源及儲能系統的數據采集、處理與顯示；建立考慮電池儲能優化配置與電動汽車有序充放電的實時調度系統，使用戶側負荷柔性化，滿足尖峰負荷需求及提供移峰填谷響應能力；基于云計算與智能決策技術處理分析能源大數據，辨識用戶用能行為特征模式及可調潛力，聯動能源市場實時價格機制和用戶互動需求，以降低用能成本和提升能效水平為目標參與需求側響應。

（五） 智慧能源新業態技術

1.基于電力光纖到戶推進四網“資源”融合

以電力光纖技術為基礎支撐，推進電信網、互聯網、廣播電視網和電力網信息資源的融合。電力光纖到戶是指在低壓通信接入網中采用光纖負荷低壓電纜（OPLC）等線纜，實現到表到戶。利用光纖數據傳輸精度高、速度快的特性，承載信息內容的用戶用電信息采集業務；集光纖和電力輸配于一身，避免二次布線，實現信息到達用戶“最后一千米”成本的降低；使用OPLC配合相應的設備和器件，可在一根傳輸線上實現多種業務，如交互式網絡電視（IPTV）、互聯網、電話等，具有較強的適應性和拓展性。

2.開發電動汽車商業模式，實現跨界融合

電動汽車作為一種新的技術，其大規模市場化后帶來的新型商業模式，促進了能源、交通、金融和互聯網的跨界融合。建立充電站綜合信息管理系統，可實現充電預估、開放充電商業模式、移動終端管理，是智能電網和互聯網領域的入口及關鍵技術；利用電動汽車作為能源網和交通網融合的樞紐，完善能源網和交通網間基礎設施的融合，提高通用性，促進服務主體多元化；打造ICT平臺，增強電動汽車價值鏈參與者間的聯系和互動，實現商業模式消費電子化；電動汽車與電力系統完善融合，成為智慧能源系統的核心之一，發揮多元作用。

3.能源系統的增值服務技術

以互聯網數據處理、傳輸為基礎，圍繞新的能源商業模式展開的管理和運營，可有效實現在線運營維護、能源定制與租賃服務、能源金融服務、媒體廣告服務等增值服務。基于智能化的用戶設備運行數據，運營維護公司可線上管理用戶發電設備，降低故障率和上門維修概率，極大地提高運營維護和生產效率；根據用戶需求和用能特點，為用戶提供定制化、專業化的能源服務，提供電力能源設備的租賃和二手市場服務，可提高資產利用效率；基于能源與金融之間的資源整合，不斷地推進能源行業與金融行業兩者優勢相結合，進而實現能源產業優化發展；利用能源管理平臺、智能交通平臺等多種渠道實現客戶群體信息的有效分析和管理，實現廣告的精準投放。

五、結語

互聯網與能源系統的融合是能源行業的互聯網化，將實現傳統能源行業的智慧化升級，在供給側實現能源生產的智慧化，有利于大規模消納新能源；在需求側支撐智慧用能，提升能源利用效率；在能源網絡實現其智慧化，有助于多能互補與新能源即插即用。同時，基于互聯網技術與互聯網平臺，推進能源市場化改革，還原能源商品屬性，帶動能源產業升級和新業態，創造新的經濟增長點。

為實現互聯網與能源系統的融合，還應在政策層面上加以引導。如加強多能源網絡供給側結構性改革，補齊多能源物理互聯和信息互聯的基礎設施短板；進一步放開能源用戶側、配售側、需求側市場，配電、售電由增量市場擴大到存量市場；加強能源產業體系頂層設計；完善市場法律法規，形成長效機制，加快制定并完善能源產業市場法律法規，試點能源產業市場負面清單制度。

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