首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源示范項目特點研究

梁海峰， 李曉航， 高亞靜

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

1 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源基本概念

2015年的政府工作報告中，“互聯(lián)網(wǎng)+”的行動計劃被首次提出，之后國家能源局召開能源互聯(lián)網(wǎng)工作會議，制定了能源互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)工作計劃。2016年3月，國家發(fā)改委、能源局、工信部印發(fā)了《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，將“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(后文簡稱為能源互聯(lián)網(wǎng))定義為“一種互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)，具有設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等主要特征”。簡單來說，能源互聯(lián)網(wǎng)就是利用新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以電力系統(tǒng)為核心，對于傳統(tǒng)能源行業(yè)格局進行改造，最終達到橫向多能互補，縱向“源-網(wǎng)-荷-儲”互相協(xié)調(diào)的新能源體系[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)的主要特征包括：

(1)將可再生能源作為主要一次能源。

(2)充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)能源、信息共享。

(3)大規(guī)模接入分布式發(fā)電系統(tǒng)與分布式儲能系統(tǒng)。

(4)支持交通系統(tǒng)電氣化。

目前，能源互聯(lián)網(wǎng)在我國仍處于探索階段，國家政策支持各種類型的新技術(shù)、新應(yīng)用的探索與推廣，嘗試開展多種多樣的能源互聯(lián)網(wǎng)模式與業(yè)態(tài)工程示范。《指導(dǎo)意見》中提出，2019年至2025年，我國將在深入總結(jié)前期試點示范經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對一些成熟可靠的技術(shù)和模式進行推廣應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者近年來對于能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念[2]、主要框架[3]、關(guān)鍵技術(shù)[4]、商業(yè)模式[5]、系統(tǒng)運行優(yōu)化與規(guī)劃[6]、信息技術(shù)支持[7]展開了探索研究。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

2.1 基本架構(gòu)

在邏輯功能上，能源互聯(lián)網(wǎng)主要由能源生產(chǎn)與消費層、能源與信息傳輸層、“互聯(lián)網(wǎng)+”層、能源交易層組成[8]，如圖1所示。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)

(1)能源生產(chǎn)與消費層。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，用戶同時扮演能源生產(chǎn)者和消費者兩種角色。用戶在進行能源消費的同時，用戶側(cè)的分布式能源、可中斷負荷均可以視作可調(diào)度資源。

(2)能源與信息傳輸層。能源傳輸層指在協(xié)同控制基礎(chǔ)上，具有多種電源、負荷調(diào)控手段，以經(jīng)濟性和安全性為目標(biāo)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)、發(fā)電與負荷的配電網(wǎng)；信息傳輸層即園區(qū)內(nèi)局域網(wǎng)，負責(zé)傳遞能源生產(chǎn)情況、負荷預(yù)測信息和需求側(cè)管理調(diào)度信號等。

(3)“互聯(lián)網(wǎng)+”層?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”層的功能包括能源大數(shù)據(jù)處理、分析，生產(chǎn)與消費行為的統(tǒng)計、分析以及信息安全保障等內(nèi)容。上述功能影響著能源管理策略與能源互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式。本層體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的深度融合。

(4)能源交易層。能源交易層受上一層傳遞信息引導(dǎo)，淡化生產(chǎn)者與消費者的界限，設(shè)備、能源和服務(wù)都可以進行自由交易。通過信息與能源的高度融合不斷探索新的能源商業(yè)模式。

2.2 運行方式

電力系統(tǒng)的“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化運行方式能夠廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各個行業(yè)，指通過多種交互手段，使電源、電網(wǎng)、負荷、儲能4部分協(xié)調(diào)作用。能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，“源”包括石油、電力、天然氣等多種資源；“網(wǎng)”包括電網(wǎng)、石油管網(wǎng)、供熱網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)；“荷”包括用戶的多種能源需求；“儲”包括多種能源的存儲方案。整個能源供應(yīng)體系以分散化模塊和集中化模塊兩種形式體現(xiàn)，在分散模塊達到自優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對于集中化模塊進行整體優(yōu)化。

這種運行方式主要由兩方面組成：(1)橫向多源互補。即多種能源之間可以靈活替代，協(xié)調(diào)互補；(2)縱向“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)。即結(jié)合能量轉(zhuǎn)換技術(shù)、能源傳輸網(wǎng)絡(luò)、需求側(cè)管理、儲能技術(shù)等形成一個廣義的用能調(diào)控機制，不僅調(diào)控能量供應(yīng)側(cè)，將需求側(cè)同樣視作一個柔性可調(diào)的能源供應(yīng)方[9]。這種運行方式涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有態(tài)勢感知技術(shù)、廣域能源優(yōu)化配置技術(shù)、多能流互補控制技術(shù)、多能源計量檢測及信息交互技術(shù)以及智能云端大數(shù)據(jù)技術(shù)。

3 我國首批示范項目與分類

2017年3月6日，國家能源局公布首批示范項目，共有55個。根據(jù)申請主體的情況，55個首批能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目可分成7類。(1)16個電能技術(shù)企業(yè)申請示范項目；(2)9個電網(wǎng)企業(yè)申請示范項目；(3)9個非電領(lǐng)域企業(yè)申請項目；(4)7個主業(yè)為能源的企業(yè)申請項目；(5)8個園區(qū)或其代表企業(yè)申請項目；(6)4個研究機構(gòu)申請項目；(7)2個政府機構(gòu)。

本文從建設(shè)規(guī)模、技術(shù)類別、能源交易方式3個角度對于本次示范項目進行分類，具體分類如下：

(1)建設(shè)規(guī)模：城市型能源互聯(lián)網(wǎng)項目和園區(qū)型能源互聯(lián)網(wǎng)項目。

(2)技術(shù)類別：多能協(xié)同型示范項目、綠色交通型示范項目、能源大數(shù)據(jù)型示范項目和智能化生產(chǎn)型示范項目。

(3)能源交易方式：綜合能源服務(wù)型項目和網(wǎng)絡(luò)平臺交易型項目。

4 首批示范項目的規(guī)劃特點

通過審批的55個示范項目來自于不同的申請單位、公司，各個項目有不同的研究重點，通過各項目特點的分類與總結(jié)，進一步揭示了能源互聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展方向。

4.1 能源協(xié)調(diào)與替代

能源互聯(lián)網(wǎng)不是單一的電力網(wǎng)絡(luò)，而是熱、電、氣等多種能源形式相融合的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)多能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是是綜合能源系統(tǒng)[10]。綜合能源系統(tǒng)在能源生產(chǎn)模塊方面包括了電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)，綜合能源系統(tǒng)中供需平衡、各子系統(tǒng)之間耦合關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)約束都具有重要的研究價值[11]。應(yīng)用技術(shù)有多源協(xié)同的優(yōu)化調(diào)控技術(shù)、態(tài)勢感知技術(shù)、協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)等[12]。例如中寧縣基于靈活性資源的能源互聯(lián)網(wǎng)試點示范項目通過光伏、風(fēng)電、生物質(zhì)、余熱發(fā)電、熱電等多種電源互補互濟，并通過園區(qū)電解鋁、電解錳、縣城空調(diào)、熱水器、供暖等冷熱電負荷調(diào)節(jié)和中斷控制等手段，提升可再生能源就地消納能力，且提出了節(jié)省煤炭69.35萬t/年，減排二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物分別為70.78萬t/年、11 841 t/年和6 901 t/年的具體目標(biāo)。

典型的綜合能源系統(tǒng)應(yīng)包括熱、電、冷、氣多種能源，同時應(yīng)具備儲能設(shè)備，多能互補綜合能源系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 多能互補綜合能源系統(tǒng)

綜合能源系統(tǒng)主要出現(xiàn)在園區(qū)型示范項目中，采取依托當(dāng)?shù)貎α控S富、使用便捷的可再生能源，開展冷熱電聯(lián)供，對廢氣廢水充分再利用等手段，達到提高能源持續(xù)供應(yīng)能力、降低環(huán)境污染的目的。

4.2 信息能源設(shè)施一體化

“互聯(lián)網(wǎng)+”的核心思想在于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式與相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施碎片化后通過信息技術(shù)的優(yōu)化重組[13]，重視能源與信息的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。蘇州工業(yè)園區(qū)的能源互聯(lián)網(wǎng)試點示范園區(qū)項目通過和百度云合作，打造基于人工智能的云平臺管理系統(tǒng)，可以提供政務(wù)、警務(wù)、工業(yè)等方面的云管理，雙方將共同打造ABC創(chuàng)新生態(tài)，即人工智能(Artificial Inteuigence, AI)、大數(shù)據(jù)(Big Data)、云計算(Cloud Computing)相結(jié)合的一種新模式。天府新區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目將大數(shù)據(jù)技術(shù)與能源系統(tǒng)的交互融合作為自己的項目亮點，其子項目“高品質(zhì)、低能耗數(shù)據(jù)中心功能系統(tǒng)”將承載能源互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，存儲并處理大量的能源使用數(shù)據(jù)；子項目“分散式數(shù)據(jù)接入與智能終端”將改造原有終端用戶與配電網(wǎng)能源使用數(shù)據(jù)的量測水平，為將來的需求側(cè)管理提供基礎(chǔ)。由國家電網(wǎng)主管、全球能源互聯(lián)網(wǎng)牽頭的基于電力大數(shù)據(jù)的能源公共服務(wù)建設(shè)與應(yīng)用工程研發(fā)了面向政府、企業(yè)、電力用戶的3類大數(shù)據(jù)公共服務(wù)產(chǎn)品。面向政府的產(chǎn)品包括實現(xiàn)能源政策評價、基于用電數(shù)據(jù)的經(jīng)濟形勢分析、基于用電數(shù)據(jù)的社會服務(wù)與保障等數(shù)據(jù)產(chǎn)品；面向企業(yè)的產(chǎn)品包括實現(xiàn)基于用電數(shù)據(jù)的征信體系建設(shè)、新型配售電公司用戶側(cè)管理、促進設(shè)備制造業(yè)發(fā)展、符合電力知識邏輯結(jié)構(gòu)的一站式電力知識庫、支撐雙創(chuàng)平臺共享發(fā)展等數(shù)據(jù)產(chǎn)品；面向用戶的產(chǎn)品包括實現(xiàn)家庭能效管理、分布式能源消納、用戶用電行為細分及用電優(yōu)化建議等數(shù)據(jù)產(chǎn)品[14]。

能源互聯(lián)網(wǎng)的信息具有分散性、多樣性、大數(shù)量級、實時性等特點。能源互聯(lián)網(wǎng)的分散協(xié)同調(diào)度與控制要求在海量數(shù)據(jù)信息中快速進行準(zhǔn)確篩選，進行有效分析。信息與能源基礎(chǔ)設(shè)施融合的成為了能源互聯(lián)網(wǎng)的大趨勢。目前主要采用的信息技術(shù)有能源大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計算技術(shù)。能源大數(shù)據(jù)技術(shù)是對于多種能源、人口信息、氣候信息等多領(lǐng)域數(shù)據(jù)進行存儲、處理、融合和分析的技術(shù)[15]，對于能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃、運行檢修和能源交易都有著重要的作用。例如通過對于環(huán)境信息的收集，可以為風(fēng)機選址提供優(yōu)化方案；根據(jù)道路信息、配電網(wǎng)規(guī)劃信息以及用戶使用習(xí)慣，可以輔助確定電動汽車充電樁的位置、安裝密度分布；根據(jù)用戶用能信息確定不同的需求響應(yīng)策略。云計算技術(shù)可以分為公有云、私有云和混合云3種[16]。公有云的安全性較低，私有云成本較高，混合云作為公有云和私有云的結(jié)合，更適于在能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用。云計算的優(yōu)勢在于可以通過分布式存儲、計算和調(diào)度系統(tǒng)對于海量數(shù)據(jù)進行存儲與計算。在能源互聯(lián)網(wǎng)中主要應(yīng)用有電能質(zhì)量監(jiān)測、負荷預(yù)測、需求側(cè)管理[17]。例如SUMMIN GBIRD平臺利用區(qū)域電網(wǎng)歷史負荷數(shù)據(jù)，對管轄區(qū)域內(nèi)下一時段進行負荷預(yù)測；再通過可利用電源實時統(tǒng)計，仿真電力系統(tǒng)潮流，生成下一時段調(diào)度方案。

4.3 新型商業(yè)模式

2016年，國務(wù)院發(fā)改委印發(fā)了《有序放開配電網(wǎng)業(yè)務(wù)管理辦法》，向全社會打開了配售電市場的大門。放開政策下的增量配電網(wǎng)和售電業(yè)務(wù)結(jié)合，有利于能源互聯(lián)網(wǎng)對于市場環(huán)境的營造，從而激發(fā)各商業(yè)主體的積極性，打破傳統(tǒng)意義上能源供應(yīng)方和消費環(huán)節(jié)涇渭分明的鴻溝，同時將傳統(tǒng)運營理念轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩魹橹行牡慕嵌葎?chuàng)造價值[18]。

臨港區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范項目通過成立售電公司，搭建能源交易平臺，提供售電服務(wù)，并建立分時價格體系，探索更為靈活的交易模式。蒙西高新技術(shù)工業(yè)園區(qū)研發(fā)了智慧蒙西能源運行管控及交易平臺，實現(xiàn)“發(fā)-配-售”一體化，供需雙方直接交易；并計劃打開綜合能源交易窗口。國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司主導(dǎo)的上海國際旅游度假區(qū)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源工程以海量用戶為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，建立市場成員寬泛準(zhǔn)入的能源交易平臺，同時提供定制化、專業(yè)化的能源信息增值服務(wù)。針對居民用戶，開發(fā)居民社區(qū)能源服務(wù)平臺，實現(xiàn)多種能源用能遠程抄收；推廣智能家居，提高可轉(zhuǎn)移負荷需求側(cè)響應(yīng)參與度；針對工商業(yè)用戶，則對各企業(yè)提供量身定制的合同能源管理和節(jié)能等相關(guān)服務(wù)；針對微網(wǎng)用戶，提供基于不同發(fā)電形式、電能質(zhì)量和安裝容量的不同套餐服務(wù)。

可以預(yù)見，能源互聯(lián)網(wǎng)下市場將呈現(xiàn)出參與主體、交易商品多元化的特性。其中參與主體將包括：(1)能源供給/消費者；(2)能源網(wǎng)絡(luò)運營商。包括大電網(wǎng)與增量配電網(wǎng)等多種形式；(3)能源代理商。主要包括不同社會主體成立的售電公司、能源綜合服務(wù)商等；(4)政府[19]。交易商品將不再局限于電力，發(fā)展為圍繞電、熱、氣、水等多種能源的自由交易，以“焦耳”為單位計量能源消費；并將衍生出輔助服務(wù)市場、碳交易市場、發(fā)電權(quán)市場等交易形式。

目前主要的能源商業(yè)模式有合同能源管理模式(Energy Performance Contracting, EPC)、綜合能源服務(wù)模式、虛擬電廠商業(yè)模式[20]。EPC模式是將節(jié)省下的能源費用支付節(jié)能項目成本，長遠來看，有利于用戶降低運行成本，降低環(huán)境負面影響。綜合能源服務(wù)模式指將電、熱、氣等能源打包銷售，與傳統(tǒng)模式不同在于，除了能源供應(yīng)業(yè)務(wù)，還可以提供土地增值、能源采購、虛擬電廠接入等項目，可以提供更多套餐模式，增加用戶選擇。虛擬電廠模式通過調(diào)用分布式能源，應(yīng)用于實時交易市場，提升了交易靈活性，降低了分布式電源增長帶來的調(diào)度難度[21]。本次示范項目中主要采取了前兩種模式進行運營，并有以下3點共同點：

(1)注重智能化交易平臺開發(fā)。用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)、手機APP等方式進行繳費、瀏覽并選購能源套餐和能源服務(wù)等行為。

(2)關(guān)注用戶用能行為。分析用戶數(shù)據(jù)與各類用戶用能習(xí)慣，并通過提供激勵的手段引導(dǎo)用戶改變習(xí)慣；針對用戶的用電偏好提供多種能源套餐，擴展用戶選擇空間。

(3)免去中間環(huán)節(jié)。建設(shè)“發(fā)-配-售”一體化的能源運營體系，方便雙方直接交易，降低成本。

能源互聯(lián)網(wǎng)下新型商業(yè)模式核心在于互聯(lián)網(wǎng)思維，實施重點在于將用戶地位從被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c。同時，開展能源自供、能源代工、能源WiFi、能源團購、能耗顧問等多種業(yè)務(wù)[22],構(gòu)建能源與服務(wù)并重的商業(yè)平臺。

4.4 交通電氣化

北京東潤環(huán)能投資有限公司的承德市公共交通樞紐能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目利用承德交通樞紐上充電資源的優(yōu)勢，以分布式光伏對電動汽車充電，同時結(jié)合微電網(wǎng)和儲能技術(shù)，形成獨立單元。青海省新能源汽車充電設(shè)施與分時租賃創(chuàng)新示范工程在青海全省范圍內(nèi)的主要城市、景區(qū)和公路建設(shè)光儲協(xié)同的電動汽車充、放、換電一體化設(shè)施，集成旅游、餐飲、無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能；建立基于能源互聯(lián)網(wǎng)的新能源汽車充電設(shè)施運營管理網(wǎng)絡(luò)，包括新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與運營、新能源汽車分時租賃線上線下服務(wù)、用戶智能充放電的定制套餐服務(wù)以及光儲系統(tǒng)對電網(wǎng)輔助服務(wù)共享經(jīng)濟模式等；并開展了基于電動汽車能源互聯(lián)網(wǎng)云調(diào)度、智能充放電運營模式試點。

電動汽車可以在電網(wǎng)中兼任負荷與電源的功能，通過實時電價或者分時電價的方式對于電動汽車的充放電活動進行引導(dǎo)，可以提高電動汽車與電網(wǎng)形成互動，同樣可以起到類似于儲能的調(diào)峰作用，減輕電網(wǎng)壓力[23]。其關(guān)鍵技術(shù)主要是V2G(Vehicle-to-Grid)技術(shù)，電動汽車既可以當(dāng)作負荷，也可以當(dāng)作移動儲能單元。V2G的發(fā)展將會催生電動汽車聚合商的出現(xiàn)。聚合商將以折扣電價吸引電動汽車加入集中充電協(xié)議，以此使電動汽車有序進行充放電過程。作為負荷，電動汽車可以起到移峰填谷的作用；作為儲能單元，可以在峰荷時段為電網(wǎng)功能，優(yōu)化電網(wǎng)運行。交通電氣化的發(fā)展重點主要在于搭建交通能量管理系統(tǒng)，構(gòu)成主網(wǎng)與交通系統(tǒng)之間的互動機制，從而通過電價、需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)充分引導(dǎo)電動汽車充放電。

5 能源互聯(lián)網(wǎng)的未來與展望

能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)熱點研究領(lǐng)域，想要進一步發(fā)揮這一新興產(chǎn)物在未來生產(chǎn)生活中的作用，要從以下幾個角度推進能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展：

(1)各領(lǐng)域的深度整合

能源互聯(lián)網(wǎng)作為跨領(lǐng)域的融合產(chǎn)物，需要進行更深層的整合，包括傳統(tǒng)能源與新能源的整合，柔性輸配電技術(shù)、智能化控制技術(shù)、遠程監(jiān)測與診斷技術(shù)和能源路由器等多種先進技術(shù)的整合，傳統(tǒng)商業(yè)模式與結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、手機的新興商業(yè)模式的整合。這一過程不只需要宏觀層面的合理規(guī)劃，還要培養(yǎng)、引進跨界人才，推動整合進程。

(2)能源市場的改革探索

以用戶為發(fā)展驅(qū)動力。分析、總結(jié)用戶的用能需求與偏好，注重服務(wù)類業(yè)務(wù)的開展。在競爭主體的產(chǎn)品質(zhì)量、供能可靠性都大幅提高的背景下，多樣化、個性化定制的服務(wù)必將會為運營主體帶來明顯優(yōu)勢。同時，參與主體增多、進入門檻降低將會引入更多社會資本的注入，提高參與模式的靈活性，也將帶來更強烈的競爭，這也將激發(fā)能源市場的不斷創(chuàng)新。

(3)支撐技術(shù)的完善

目前能源互聯(lián)網(wǎng)仍有許多支撐技術(shù)仍處在瓶頸階段，例如智能傳感技術(shù)，該技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)；綜合能源調(diào)度運行管理技術(shù)，可以提高能源利用效率與電網(wǎng)運行效率；信息物理系統(tǒng)，實現(xiàn)能源與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交互，并提高信息與硬件的安全性；主動配電網(wǎng)規(guī)劃運行技術(shù)；高級資產(chǎn)管理體系；大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)等。

我國的能源互聯(lián)網(wǎng)正處在起步階段，55個示范項目在初步建設(shè)中各有千秋，已經(jīng)為我國的能源革命提供了美好前景。相信在我國的政策鼓勵與各界機構(gòu)的努力下，必將會迎來蓬勃的發(fā)展。