能源互聯網支撐新能源分布式發展

■清華大學信息國家研究中心研究員曹軍威

我國是能源第一消費國，電能是我國能源消費的重要形式，其中以火電為代表的傳統化石能源發電超過全國發電總量的70%以上；但同時我國能源資源相對匱乏，降低電力碳排放是實現“雙碳”任務的重中之重。

另一方面，近十年能源互聯網技術與應用逐漸成熟并成為主流趨勢。2014年我國明確提出了能源生產與消費革命的長期戰略。同時，國際上提出第三次工業革命是能源與信息技術碰撞的結果，以能源互聯網為主要標志。2016年，由國家發展改革委、國家能源局、工業和信息化部聯合制定的《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》發布，由此能源互聯網發展迅速走上快車道，成為我國踐行能源革命和“互聯網+”戰略的有力抓手。

能源互聯網為新能源的接入提供保障

能源互聯網是以互聯網理念構建的新型信息—能源融合“廣域網”，它以大電網為“主干網”，以微網、分布式能源、智能小區等為“局域網”，以開放對等的信息—能源一體化架構真正實現能源的雙向按需傳輸和動態平衡使用，可以最大限度地適應新能源的接入（如圖1）。能源互聯網借鑒互聯網理念的開放、對等、互聯、分享，希望實現能量的交換像互聯網信息交換一樣方便快捷，最終為用戶提供更多價值服務。

圖1 能源互聯網基本理念

我國新能源資源多位于西部和北部地區，通過集中式的大電網將新能源電力輸送到人口、工商業稠密的東南部用戶中心；另外，分布式的特點是從配用側邊緣做起，例如園區級的、區域性的能源微網、分布式能源、智慧社區等都可以作為能源互聯網的基礎，接入分布式新能源的同時實現“源網荷儲”的局域互動，自下而上構建能源基礎設施，實現“局域消納在先，廣域互聯在后”，與傳統集中式大電網相結合以后，既有分布式新能源靈活接入的優勢，又有堅強可靠的保障，以統一的互聯網架構同時兼顧穩定性和靈活性，這就是能源互聯網的基本理念。

新能源占比較大的新型電力系統最大挑戰在于新能源發電的間歇性和不確定性。比如新能源發電的代表風電和光伏發電，都會受到天氣變化等多方面外部因素的影響，無法做出確定性的出力計劃。另外，新型電力系統中類似電動汽車充電這類隨機性強的負荷比例增加，給負荷預測也增加了難度，總的體現為給電網調度帶來更大的困難和挑戰。而能源互聯網強調冷熱電、風光儲、源網荷的統籌協調，可實現新能源靈活接入、基于儲能的消峰填谷、需求側管理和響應等，能夠最大限度解決這些問題。

傳統電源如火電、水電等很難分布式部署，而新能源尤其是光伏發電使得分布式電源成為可能，近年來新型儲能技術的發展使得可以在局域實現“源網荷儲”的互動。2011 年美國杰里米·里夫金在《第三次工業革命》一書中就指出：“互聯網技術和可再生能源結合起來所構成的能源互聯網，將是實現能源分布式供應的一種有效模式。”能源供給模式呈現出從集中到分散的演變趨勢，資源和生產單位的地理分布從特定區域擴展到無處不在，供給主體從少數能源巨頭轉變為家庭和個人，大規模集約生產方式模式演化為無數微小單位的集成。

關鍵技術為能源互聯網保駕護航

能源互聯網是信息能源基礎設施一體化，在能源互聯網支撐下，源網荷儲就不僅是獨立的環節，它把各個環節組合在一起，在一個小的區域或空間內互聯，然后再逐漸地自下而上去拓展和互聯。從具體功能上來看，能源互聯網主要有五個層面：能量層、信息層、業務層、價值層和用戶層。能量層包括不同形式的能源和負荷實現能量多向互動和多能互補；信息層利用新一代信息技術和傳感通信技術對數據進行采集處理；業務層的核心是能量管理和控制以及大數據分析高級應用；價值層實現價值分享，還原能源和電力的商品屬性，從價值驅動角度給用戶提供更多的增值服務，并反過來通過交易、價值流動促進能量和信息的流動；用戶層是為能源互聯網參與方、平臺用戶和多元主體提供個性化和交互體驗服務的功能層。五個層面都有不同的關鍵技術。

1.能量路由器

能量路由器借鑒信息基礎設施中的網絡路由器原理，對能量進行存儲轉發，是能源互聯網運行與控制的具體實施裝置。能量路由器具有硬件通用化、軟件定制化和即插即用等技術特征，既是能量管理控制又是能量計量的終端，同時可以跟數據中心等信息基礎設施有機結合，是信息能源基礎設施一體化的核心裝備。

2.能量控制器

相對于能量路由器是電力電子一次設備，能量控制器是負責數據采集、分析、處理、控制的二次設備，尤其在邊緣側可以采用云邊協同的架構，實現能源互聯網的源網荷儲精準調控。基于5G和AI 技術，可以實現數據驅動的能量控制器，一方面基于5G 支持大規模高并發低時延的電網和負荷數據量測和感知，同時基于AI開展在線實時數據分析與決策，實現高速精準調控，支持實時電網和負載調節相關業務，適應園區、微網等不同場景下差異化目標，易移植推廣性強。

3.能源大數據

基于能源互聯網的能源大數據分析，通過對電網和負荷電流、電壓、有功、無功瞬時值和變化量的直接量測和AI算法處理，得到在線實時動態數據，構建大數據分析應用，實現資源利用的最大化，同時數據資產成為核心競爭力，數據驅動運營管理。通過數據挖掘和深度學習等方法可以構建能源互聯網高級應用，比如功率預測，負荷建模、運行調度、電能質量分析治理，安全穩定性分析，風險研判、態勢感知、能量交易等，所有這些功能都可以基于數據驅動的方法來實現。

4.能源區塊鏈

在分布式碎片化的能源系統結算與交易方面，區塊鏈技術與能源互聯網本身特點相吻合，支持多能源多主體的系統，而且促進信息與物理系統的融合，實現能源交易多元化，底層有共識機制，然后通過上層的智能合約實現不同主體之間的交易規則，用計算機腳本的形式固化在程序里，可以大大提升交易和結算的效率。除了適應性，區塊鏈應用于能源互聯網還存在許多差異化的內容，例如如何在能源區塊鏈中反映多種價值傳遞模式、能量交易的靈活性、數據安全、效率提升等。在新能源分布式發展的大趨勢下，能源區塊鏈可以支持園區能源互聯網的分布式交易，進而促進區域新能源的消納，儲能的應用和需求側管理和響應。

5.能量管理平臺

在一個城市或全國范圍內，如果有很多區域型或碎片化的能量管理系統，則無法按照傳統能源系統的方式進行管理。能源互聯網能量管理平臺是構建于基礎設施之上的信息管理系統，具有多元主體接入、全景數據展現、能量信息透明、智能分析應用、價值閉環驅動等特征。在互聯網思維指導下，能量管理平臺不僅僅是用能終端用戶的入口，還是供能方、網方、中間方（運營方、服務方）等多方主體的入口。因此能量管理平臺最終構建的是能源互聯網生態圈，以此為載體實現能源互聯網的用戶服務和價值創造。

圖2 能源互聯網示范工程全景圖

能源互聯網典型場景支撐新能源分布式發展

能源互聯網是新型基礎設施建設中融合基礎設施的典型代表，能源互聯網發展應注重典型的分布式場景應用示范，包括園區綜合能源、多站合一、基站微電網、光儲充、城市軌道交通等，體現能源、信息、交通融合基礎設施特征，能源互聯網是新基建重要組成和核心驅動力。

圖2 是能源互聯網示范工程的全景圖，圖中既有氣電又有冷熱要素，既有分布式能源燃氣冷熱電聯供，又有風光儲電動汽車微網的模式，還有社區需求側管理響應經濟運行的要素，在能量層之上還可以通過信息通信的方式實現信息的透明、能量管理和交易等要素，綜合園區尤其是工業園區這種場景比較典型，未來也會出現區域能源運營商的新業態。區域能源運營商對區域內部進行各種優化，成為對區域低碳、綠色、節能、提質增效發展的責任主體。另外，也不是所有的場景都必須做到復雜多元，很多能源互聯網示范工程也可以針對部分內容有特色地開展。

1.多站合一

通過發展能源互聯網，將數據中心、能源站、變電站、儲能站、光伏站等基礎設施實現多站合一，進而提高多種基礎設施融合的整體效率。多站合一的優勢包括：實現資源優化互補、提高能源利用效率；集成化設計節省空間、增加運營面積、提高收益率；減少供電備用、減少靜默成本；智慧化設計提高運維效率、集中維護成本降低等。

2.基站微電網

5G時代通信基站用電量成倍增長，同時現有鐵塔基站還有供電可靠性受天氣等條件變化的影響較大。發展基站交直流混合微電網，可以接入光伏和儲能等分布式電源，面向峰谷差利用，控制充放電特性，實現合同能源管理。雖然每個基站容量不大，但基站數量是十分巨大的，聚合起來仍然可以作為電力市場交易層面上的重要因素，因此基站微電網也是源網荷儲一體化的典型案例，支持分布式新能源發展。

3.光儲充系統

面向電動汽車充電應用，基于能量路由器實現光儲充集成化系統，可以通用化實現光伏逆變器、儲能PCS、電動汽車充電功率模塊、并網變流器等，上層實現能量調度管理、電能質量治理以及電量交易等高級應用。如圖3，當源網荷儲這樣一個能量系統變成一個非常小的規模，實現模式可能變成在設備層面上的一二次融合，隨著一體化、集成化和標準化水平不斷提高，可以實現全生命周期的成本最低。

圖3 基于能量路由器的光儲充集成系統

4.城市軌道交通

城市軌道交通系統面臨可持續發展難題，可以將電網供電、列車牽引供電、再生制動能量回饋、儲能充放電、新能源發電、場站冷熱電供應等統籌考慮，搭載電網調峰控制、電能質量調節等高級應用，達到提高全系統效能、降低生命周期成本的目標。城市地鐵的牽引用電是直流，地鐵站用電也有交流，場站本身就是一個交直流混合的系統，也可以通過類似能量路由器的理念，實現一個集成化的能量、信息、交通融合典型場景。

以上典型場景雖然規模不大，但都是面向不同的領域，不同的基礎設施，不同的邊界條件，可以開展有特色的能源互聯網示范工程，達到支撐新能源分布式發展的目的。

能源互聯網的價值實現

能源互聯網發展還應注重價值實現，示范工程應遵循需求牽引、價值驅動、用戶中心，價值實現可借鑒互聯網平臺效應、勇于跨界融合拓展商業模式，同時增加“雙碳”相關增值服務等。

1.平臺效應

未來能源系統對碎片化和價值分享要求越來越高，要面向用戶為中心開發定制化產品，包括研發售后等都要發生相應的調整，傳統以價值鏈傳遞為導向的方式不再適用。互聯網時代強調圍繞用戶的需求去構建價值環，然后進行價值實現與分享。平臺效應可以通過互聯網運營的方式體現，如免費模式、O2O、跨界模式、收集長尾效應等，另外有各種各樣的用戶在平臺上就可以實現社群的功能和商業模式。本質上是通過平臺可以尋找低效點、提質增效，打破中間無效的環節、打破既有利益分配格局，提升用戶體驗，最終達成用戶中心、價值驅動，而行業本身自我創新、主動跨界的效果。

2.跨界融合

新基建強調信息、能源、交通基礎設施具有廣泛密切的聯系，而不是相互割裂，因此需要相互影響，加強頂層設計。例如，電網是傳統基礎設施的典型代表，切入新基建應該走融合基礎設施的道路，與信息基礎設施的融合是主要方向，能源互聯網是主要載體。但關鍵是觀念和視角的轉變，更多從基礎設施的角度去深刻理解電網企業的業務和場景。因此電網企業的價值應該從更好地服務用戶角度去體現，綜合能源服務、新能源消納、儲能發展、電動汽車充電等都是具體的形式，甚至可以跨出能源電力領域，與信息和交通基礎設施融合發展，激發平臺效應。因此新型基礎設施建設提到的是更廣泛和更融合的智慧能源基礎設施，應該更多地跳出電網本身看電網，從能源互聯的角度、從信息能源交通融合的角度去發揮電網作為核心與其他相關基礎設施融合并為終端用戶“賦能”的作用。

3.增值服務

結合我國所提出的“雙碳”目標，目前碳的數據管理多數還是基于宏觀分析，基于能源互聯網的數據，就可以做到更加精細化的管理，而不僅僅是宏觀層面的估計，甚至可以在一個園區、工業區、居民小區，乃至一個區域和城市，做到碳資產、碳交易的管理和碳減排的監測等。以能源互聯網為基礎的碳增值服務是區域能源運營商的業務發展方向之一。

總之，“雙碳”目標的提出為綠色低碳發展帶來挑戰和激勵，能源互聯網是實現“雙碳”戰略的必由之路。■