能源互聯(lián)網(wǎng)支撐新能源分布式發(fā)展

■清華大學(xué)信息國(guó)家研究中心研究員曹軍威

我國(guó)是能源第一消費(fèi)國(guó)，電能是我國(guó)能源消費(fèi)的重要形式，其中以火電為代表的傳統(tǒng)化石能源發(fā)電超過全國(guó)發(fā)電總量的70%以上；但同時(shí)我國(guó)能源資源相對(duì)匱乏，降低電力碳排放是實(shí)現(xiàn)“雙碳”任務(wù)的重中之重。

另一方面，近十年能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用逐漸成熟并成為主流趨勢(shì)。2014年我國(guó)明確提出了能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。同時(shí)，國(guó)際上提出第三次工業(yè)革命是能源與信息技術(shù)碰撞的結(jié)果，以能源互聯(lián)網(wǎng)為主要標(biāo)志。2016年，由國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局、工業(yè)和信息化部聯(lián)合制定的《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》發(fā)布，由此能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速走上快車道，成為我國(guó)踐行能源革命和“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的有力抓手。

能源互聯(lián)網(wǎng)為新能源的接入提供保障

能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)理念構(gòu)建的新型信息—能源融合“廣域網(wǎng)”，它以大電網(wǎng)為“主干網(wǎng)”，以微網(wǎng)、分布式能源、智能小區(qū)等為“局域網(wǎng)”，以開放對(duì)等的信息—能源一體化架構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)能源的雙向按需傳輸和動(dòng)態(tài)平衡使用，可以最大限度地適應(yīng)新能源的接入（如圖1）。能源互聯(lián)網(wǎng)借鑒互聯(lián)網(wǎng)理念的開放、對(duì)等、互聯(lián)、分享，希望實(shí)現(xiàn)能量的交換像互聯(lián)網(wǎng)信息交換一樣方便快捷，最終為用戶提供更多價(jià)值服務(wù)。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)基本理念

我國(guó)新能源資源多位于西部和北部地區(qū)，通過集中式的大電網(wǎng)將新能源電力輸送到人口、工商業(yè)稠密的東南部用戶中心；另外，分布式的特點(diǎn)是從配用側(cè)邊緣做起，例如園區(qū)級(jí)的、區(qū)域性的能源微網(wǎng)、分布式能源、智慧社區(qū)等都可以作為能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，接入分布式新能源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的局域互動(dòng)，自下而上構(gòu)建能源基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)“局域消納在先，廣域互聯(lián)在后”，與傳統(tǒng)集中式大電網(wǎng)相結(jié)合以后，既有分布式新能源靈活接入的優(yōu)勢(shì)，又有堅(jiān)強(qiáng)可靠的保障，以統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)同時(shí)兼顧穩(wěn)定性和靈活性，這就是能源互聯(lián)網(wǎng)的基本理念。

新能源占比較大的新型電力系統(tǒng)最大挑戰(zhàn)在于新能源發(fā)電的間歇性和不確定性。比如新能源發(fā)電的代表風(fēng)電和光伏發(fā)電，都會(huì)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(jì)劃。另外，新型電力系統(tǒng)中類似電動(dòng)汽車充電這類隨機(jī)性強(qiáng)的負(fù)荷比例增加，給負(fù)荷預(yù)測(cè)也增加了難度，總的體現(xiàn)為給電網(wǎng)調(diào)度帶來更大的困難和挑戰(zhàn)。而能源互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)冷熱電、風(fēng)光儲(chǔ)、源網(wǎng)荷的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)新能源靈活接入、基于儲(chǔ)能的消峰填谷、需求側(cè)管理和響應(yīng)等，能夠最大限度解決這些問題。

傳統(tǒng)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(fā)電使得分布式電源成為可能，近年來新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展使得可以在局域?qū)崿F(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的互動(dòng)。2011 年美國(guó)杰里米·里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中就指出：“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和可再生能源結(jié)合起來所構(gòu)成的能源互聯(lián)網(wǎng)，將是實(shí)現(xiàn)能源分布式供應(yīng)的一種有效模式?！蹦茉垂┙o模式呈現(xiàn)出從集中到分散的演變趨勢(shì)，資源和生產(chǎn)單位的地理分布從特定區(qū)域擴(kuò)展到無處不在，供給主體從少數(shù)能源巨頭轉(zhuǎn)變?yōu)榧彝ズ蛡€(gè)人，大規(guī)模集約生產(chǎn)方式模式演化為無數(shù)微小單位的集成。

關(guān)鍵技術(shù)為能源互聯(lián)網(wǎng)保駕護(hù)航

能源互聯(lián)網(wǎng)是信息能源基礎(chǔ)設(shè)施一體化，在能源互聯(lián)網(wǎng)支撐下，源網(wǎng)荷儲(chǔ)就不僅是獨(dú)立的環(huán)節(jié)，它把各個(gè)環(huán)節(jié)組合在一起，在一個(gè)小的區(qū)域或空間內(nèi)互聯(lián)，然后再逐漸地自下而上去拓展和互聯(lián)。從具體功能上來看，能源互聯(lián)網(wǎng)主要有五個(gè)層面：能量層、信息層、業(yè)務(wù)層、價(jià)值層和用戶層。能量層包括不同形式的能源和負(fù)荷實(shí)現(xiàn)能量多向互動(dòng)和多能互補(bǔ)；信息層利用新一代信息技術(shù)和傳感通信技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理；業(yè)務(wù)層的核心是能量管理和控制以及大數(shù)據(jù)分析高級(jí)應(yīng)用；價(jià)值層實(shí)現(xiàn)價(jià)值分享，還原能源和電力的商品屬性，從價(jià)值驅(qū)動(dòng)角度給用戶提供更多的增值服務(wù)，并反過來通過交易、價(jià)值流動(dòng)促進(jìn)能量和信息的流動(dòng)；用戶層是為能源互聯(lián)網(wǎng)參與方、平臺(tái)用戶和多元主體提供個(gè)性化和交互體驗(yàn)服務(wù)的功能層。五個(gè)層面都有不同的關(guān)鍵技術(shù)。

1.能量路由器

能量路由器借鑒信息基礎(chǔ)設(shè)施中的網(wǎng)絡(luò)路由器原理，對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，是能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行與控制的具體實(shí)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(shù)特征，既是能量管理控制又是能量計(jì)量的終端，同時(shí)可以跟數(shù)據(jù)中心等信息基礎(chǔ)設(shè)施有機(jī)結(jié)合，是信息能源基礎(chǔ)設(shè)施一體化的核心裝備。

2.能量控制器

相對(duì)于能量路由器是電力電子一次設(shè)備，能量控制器是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、控制的二次設(shè)備，尤其在邊緣側(cè)可以采用云邊協(xié)同的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)精準(zhǔn)調(diào)控?；?G和AI 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的能量控制器，一方面基于5G 支持大規(guī)模高并發(fā)低時(shí)延的電網(wǎng)和負(fù)荷數(shù)據(jù)量測(cè)和感知，同時(shí)基于AI開展在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與決策，實(shí)現(xiàn)高速精準(zhǔn)調(diào)控，支持實(shí)時(shí)電網(wǎng)和負(fù)載調(diào)節(jié)相關(guān)業(yè)務(wù)，適應(yīng)園區(qū)、微網(wǎng)等不同場(chǎng)景下差異化目標(biāo)，易移植推廣性強(qiáng)。

3.能源大數(shù)據(jù)

基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源大數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)電網(wǎng)和負(fù)荷電流、電壓、有功、無功瞬時(shí)值和變化量的直接量測(cè)和AI算法處理，得到在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化，同時(shí)數(shù)據(jù)資產(chǎn)成為核心競(jìng)爭(zhēng)力，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)營(yíng)管理。通過數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)等方法可以構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)高級(jí)應(yīng)用，比如功率預(yù)測(cè)，負(fù)荷建模、運(yùn)行調(diào)度、電能質(zhì)量分析治理，安全穩(wěn)定性分析，風(fēng)險(xiǎn)研判、態(tài)勢(shì)感知、能量交易等，所有這些功能都可以基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)。

4.能源區(qū)塊鏈

在分布式碎片化的能源系統(tǒng)結(jié)算與交易方面，區(qū)塊鏈技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)本身特點(diǎn)相吻合，支持多能源多主體的系統(tǒng)，而且促進(jìn)信息與物理系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)能源交易多元化，底層有共識(shí)機(jī)制，然后通過上層的智能合約實(shí)現(xiàn)不同主體之間的交易規(guī)則，用計(jì)算機(jī)腳本的形式固化在程序里，可以大大提升交易和結(jié)算的效率。除了適應(yīng)性，區(qū)塊鏈應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)還存在許多差異化的內(nèi)容，例如如何在能源區(qū)塊鏈中反映多種價(jià)值傳遞模式、能量交易的靈活性、數(shù)據(jù)安全、效率提升等。在新能源分布式發(fā)展的大趨勢(shì)下，能源區(qū)塊鏈可以支持園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式交易，進(jìn)而促進(jìn)區(qū)域新能源的消納，儲(chǔ)能的應(yīng)用和需求側(cè)管理和響應(yīng)。

5.能量管理平臺(tái)

在一個(gè)城市或全國(guó)范圍內(nèi)，如果有很多區(qū)域型或碎片化的能量管理系統(tǒng)，則無法按照傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的方式進(jìn)行管理。能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理平臺(tái)是構(gòu)建于基礎(chǔ)設(shè)施之上的信息管理系統(tǒng)，具有多元主體接入、全景數(shù)據(jù)展現(xiàn)、能量信息透明、智能分析應(yīng)用、價(jià)值閉環(huán)驅(qū)動(dòng)等特征。在互聯(lián)網(wǎng)思維指導(dǎo)下，能量管理平臺(tái)不僅僅是用能終端用戶的入口，還是供能方、網(wǎng)方、中間方（運(yùn)營(yíng)方、服務(wù)方）等多方主體的入口。因此能量管理平臺(tái)最終構(gòu)建的是能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，以此為載體實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的用戶服務(wù)和價(jià)值創(chuàng)造。

圖2 能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程全景圖

能源互聯(lián)網(wǎng)典型場(chǎng)景支撐新能源分布式發(fā)展

能源互聯(lián)網(wǎng)是新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中融合基礎(chǔ)設(shè)施的典型代表，能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)注重典型的分布式場(chǎng)景應(yīng)用示范，包括園區(qū)綜合能源、多站合一、基站微電網(wǎng)、光儲(chǔ)充、城市軌道交通等，體現(xiàn)能源、信息、交通融合基礎(chǔ)設(shè)施特征，能源互聯(lián)網(wǎng)是新基建重要組成和核心驅(qū)動(dòng)力。

圖2 是能源互聯(lián)網(wǎng)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?xì)饫錈犭娐?lián)供，又有風(fēng)光儲(chǔ)電動(dòng)汽車微網(wǎng)的模式，還有社區(qū)需求側(cè)管理響應(yīng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要素，在能量層之上還可以通過信息通信的方式實(shí)現(xiàn)信息的透明、能量管理和交易等要素，綜合園區(qū)尤其是工業(yè)園區(qū)這種場(chǎng)景比較典型，未來也會(huì)出現(xiàn)區(qū)域能源運(yùn)營(yíng)商的新業(yè)態(tài)。區(qū)域能源運(yùn)營(yíng)商對(duì)區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行各種優(yōu)化，成為對(duì)區(qū)域低碳、綠色、節(jié)能、提質(zhì)增效發(fā)展的責(zé)任主體。另外，也不是所有的場(chǎng)景都必須做到復(fù)雜多元，很多能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程也可以針對(duì)部分內(nèi)容有特色地開展。

1.多站合一

通過發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)中心、能源站、變電站、儲(chǔ)能站、光伏站等基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)多站合一，進(jìn)而提高多種基礎(chǔ)設(shè)施融合的整體效率。多站合一的優(yōu)勢(shì)包括：實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化互補(bǔ)、提高能源利用效率；集成化設(shè)計(jì)節(jié)省空間、增加運(yùn)營(yíng)面積、提高收益率；減少供電備用、減少靜默成本；智慧化設(shè)計(jì)提高運(yùn)維效率、集中維護(hù)成本降低等。

2.基站微電網(wǎng)

5G時(shí)代通信基站用電量成倍增長(zhǎng)，同時(shí)現(xiàn)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(fā)展基站交直流混合微電網(wǎng)，可以接入光伏和儲(chǔ)能等分布式電源，面向峰谷差利用，控制充放電特性，實(shí)現(xiàn)合同能源管理。雖然每個(gè)基站容量不大，但基站數(shù)量是十分巨大的，聚合起來仍然可以作為電力市場(chǎng)交易層面上的重要因素，因此基站微電網(wǎng)也是源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化的典型案例，支持分布式新能源發(fā)展。

3.光儲(chǔ)充系統(tǒng)

面向電動(dòng)汽車充電應(yīng)用，基于能量路由器實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)充集成化系統(tǒng)，可以通用化實(shí)現(xiàn)光伏逆變器、儲(chǔ)能PCS、電動(dòng)汽車充電功率模塊、并網(wǎng)變流器等，上層實(shí)現(xiàn)能量調(diào)度管理、電能質(zhì)量治理以及電量交易等高級(jí)應(yīng)用。如圖3，當(dāng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)這樣一個(gè)能量系統(tǒng)變成一個(gè)非常小的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)模式可能變成在設(shè)備層面上的一二次融合，隨著一體化、集成化和標(biāo)準(zhǔn)化水平不斷提高，可以實(shí)現(xiàn)全生命周期的成本最低。

圖3 基于能量路由器的光儲(chǔ)充集成系統(tǒng)

4.城市軌道交通

城市軌道交通系統(tǒng)面臨可持續(xù)發(fā)展難題，可以將電網(wǎng)供電、列車牽引供電、再生制動(dòng)能量回饋、儲(chǔ)能充放電、新能源發(fā)電、場(chǎng)站冷熱電供應(yīng)等統(tǒng)籌考慮，搭載電網(wǎng)調(diào)峰控制、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等高級(jí)應(yīng)用，達(dá)到提高全系統(tǒng)效能、降低生命周期成本的目標(biāo)。城市地鐵的牽引用電是直流，地鐵站用電也有交流，場(chǎng)站本身就是一個(gè)交直流混合的系統(tǒng)，也可以通過類似能量路由器的理念，實(shí)現(xiàn)一個(gè)集成化的能量、信息、交通融合典型場(chǎng)景。

以上典型場(chǎng)景雖然規(guī)模不大，但都是面向不同的領(lǐng)域，不同的基礎(chǔ)設(shè)施，不同的邊界條件，可以開展有特色的能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程，達(dá)到支撐新能源分布式發(fā)展的目的。

能源互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)

能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還應(yīng)注重價(jià)值實(shí)現(xiàn)，示范工程應(yīng)遵循需求牽引、價(jià)值驅(qū)動(dòng)、用戶中心，價(jià)值實(shí)現(xiàn)可借鑒互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)效應(yīng)、勇于跨界融合拓展商業(yè)模式，同時(shí)增加“雙碳”相關(guān)增值服務(wù)等。

1.平臺(tái)效應(yīng)

未來能源系統(tǒng)對(duì)碎片化和價(jià)值分享要求越來越高，要面向用戶為中心開發(fā)定制化產(chǎn)品，包括研發(fā)售后等都要發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，傳統(tǒng)以價(jià)值鏈傳遞為導(dǎo)向的方式不再適用?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代強(qiáng)調(diào)圍繞用戶的需求去構(gòu)建價(jià)值環(huán)，然后進(jìn)行價(jià)值實(shí)現(xiàn)與分享。平臺(tái)效應(yīng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的方式體現(xiàn)，如免費(fèi)模式、O2O、跨界模式、收集長(zhǎng)尾效應(yīng)等，另外有各種各樣的用戶在平臺(tái)上就可以實(shí)現(xiàn)社群的功能和商業(yè)模式。本質(zhì)上是通過平臺(tái)可以尋找低效點(diǎn)、提質(zhì)增效，打破中間無效的環(huán)節(jié)、打破既有利益分配格局，提升用戶體驗(yàn)，最終達(dá)成用戶中心、價(jià)值驅(qū)動(dòng)，而行業(yè)本身自我創(chuàng)新、主動(dòng)跨界的效果。

2.跨界融合

新基建強(qiáng)調(diào)信息、能源、交通基礎(chǔ)設(shè)施具有廣泛密切的聯(lián)系，而不是相互割裂，因此需要相互影響，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。例如，電網(wǎng)是傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的典型代表，切入新基建應(yīng)該走融合基礎(chǔ)設(shè)施的道路，與信息基礎(chǔ)設(shè)施的融合是主要方向，能源互聯(lián)網(wǎng)是主要載體。但關(guān)鍵是觀念和視角的轉(zhuǎn)變，更多從基礎(chǔ)設(shè)施的角度去深刻理解電網(wǎng)企業(yè)的業(yè)務(wù)和場(chǎng)景。因此電網(wǎng)企業(yè)的價(jià)值應(yīng)該從更好地服務(wù)用戶角度去體現(xiàn)，綜合能源服務(wù)、新能源消納、儲(chǔ)能發(fā)展、電動(dòng)汽車充電等都是具體的形式，甚至可以跨出能源電力領(lǐng)域，與信息和交通基礎(chǔ)設(shè)施融合發(fā)展，激發(fā)平臺(tái)效應(yīng)。因此新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提到的是更廣泛和更融合的智慧能源基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)該更多地跳出電網(wǎng)本身看電網(wǎng)，從能源互聯(lián)的角度、從信息能源交通融合的角度去發(fā)揮電網(wǎng)作為核心與其他相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施融合并為終端用戶“賦能”的作用。

3.增值服務(wù)

結(jié)合我國(guó)所提出的“雙碳”目標(biāo)，目前碳的數(shù)據(jù)管理多數(shù)還是基于宏觀分析，基于能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，就可以做到更加精細(xì)化的管理，而不僅僅是宏觀層面的估計(jì)，甚至可以在一個(gè)園區(qū)、工業(yè)區(qū)、居民小區(qū)，乃至一個(gè)區(qū)域和城市，做到碳資產(chǎn)、碳交易的管理和碳減排的監(jiān)測(cè)等。以能源互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的碳增值服務(wù)是區(qū)域能源運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)發(fā)展方向之一。

總之，“雙碳”目標(biāo)的提出為綠色低碳發(fā)展帶來挑戰(zhàn)和激勵(lì)，能源互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略的必由之路。■