1、第47卷中 国 电 力能源互联网技术框架研究周海明， 刘广一， 刘超群（中国电力科学研究院， 北京100192 ）摘要： 为满足未来提高可再生能源应用比例， 减少环境污染等能源供用要求， 研究了与未来能源资源约束条件和应用技术水平相匹配的能源供应与消费技术框架。 相对于传统的能源供应体系， 这种基于先进信息技术的 “能源互联网” 技术框架能够发挥能源综合应用和负荷侧互动技术优势， 整体优化能源供给与消费， 提高能源的整体利用效能。关键词： 智能电网； 能源互联网； 新能源中图分类号：TM715；TK01+8；TP393文献标志码：A文章编号：1004-9649（2014）11-0140-05收
2、稿日期：2014-06-29作者简介： 周海明（1971）， 男， 河北迁安人， 高级工程师（教授级）， 从事电力系统及其自动化研究。E-mail: 0引言中国目前主要依赖于化石能源发电， 是世界上最大的火力发电国（国内的水电、 生物乙醇应用受限于自然条件和土地资源）。 中国也是世界上最大的风机和太阳能电池板生产国， 拥有丰富的风力资源和太阳能资源， 生物能与地热能的总量也相当可观， 此外还有漫长海岸线所蕴藏的潮汐能。能源的供给在持续满足国民经济发展需要的同时要尽量减少对环境的影响。 煤炭、 石油等传统能源资源有限、 用于火力发电存在污染问题。因此， 中国在提高传统能源利用效率的同时积极发掘新
3、能源、 提高清洁能源和可再生能源应用比例。 以风电为代表的可再生能源在国内发展迅速，中国是目前世界上风电发展速度最快和发电量最大的风力发电大国。 但是， 风电发电量与消纳量的矛盾也随着风电发电比例的提高日益突出。文献1提出， 以新能源大规模开发利用为特征的新一轮能源变革正在世界范围内蓬勃兴起。随着新一轮能源变革的到来， 新能源技术、 智能技术、 信息技术、 网络技术不断突破， 与智能电网全面融合， 正在承载并推动第三次工业革命。“能源互联网” 将互联网技术和可再生能源将结合起来， 为第三次工业革命创造强大的基础。 未来，数以亿计的人们将在自己家里、 办公室里、 工厂里生产出自己的绿色能源， 并
4、在 “能源互联网”上与大家分享。这种基于互联网思维提出的 “能源互联网”概念包含了基于信息共享的多种能源的 “互联互动” 及 “替代与转化” 的含义。 针对电能在能源供应环节中的作用， 文献2提出， “能源互联网是未来的智能电网， 具有网架坚强、 广泛互联、 高度智能、 开放互动的特征”， “电网、 互联网、 物联网等相互融合， 构成功能强大的社会公共服务平台。 互联的广泛性带来了资源配置的广泛性，既广泛配置电力资源， 也广泛配置其他公共服务资源”。 以电能为中心， 对不同的供能环节进行整体优化， 形成一体化的社会综合能源供用体系，即 “能源互联” 系统， 可以促进社会用能效率提升、 提高可再
5、生能源应用比例、 实现人类能源可持续供应。1能源互联网需求分析“能源互联网” 的需求推动力源于能源供需矛盾和新型可再生能源的出现。 其追求的目标是充分利用新技术优势， 对不同的供能环节进行整体优化， 形成一体化的社会综合能源供用体系， 即“能源互联” 系统， 通过对能源的产生、 传输、 分配、 转换、 存储、 消费等环节进行整体协调控制，通过整体优化提高能源的利用效率， 并通过不同能源间的“替代和转化” 提高可再生能源应用比例。 电能的方便传输和易于使用的特点使其在能源整体化应用中， 将扮演纽带作用。能源互联网的需求推动作用可以归结为以下2个方面。中 国 电 力ELECTRIC POWER第4
6、7卷 第11期2014年11月Vol 47，No 11Nov. 2014电 力 规 划电 力 规 划140第11期（1） 供需互动的需求。 在电力系统中， 分布式电源、 三联供机组、 电动汽车、 储能装置、 可控负荷、 智能建筑大量出现， 电网内将出现越来越多的 “发用电联合体” （Prosumer）。 它们的出现使能量的流动方向由单向向 “双向互动、 互联”转换， 相对传统负荷它们具有更多的智能特性，不但可以受控， 而且可以主动提供能量， 在能源整体控制过程中可以作为局部的 “虚拟发电厂”参与能源调度控制。信息化的进步和 “智能负荷” 以及 “发用电联合体” 的出现也给负荷主动参与提高能源整
7、体使用效率提供了新手段， 新型负荷的互动控制和主动供电能力， 可以减小和补充系统备用， 提高能源系统整体效率。（2） 能源间的替代转化需求。 社会对能源的需求是多样的， 除用电需求外还有供热、 制冷等需求， 这些不同能源需求的变化会影响能源的供应平衡。 各种新能源技术的发展， 能源供应种类向多样性发展（电、 天然气、 风能、 生物质能等绿色可再生能源）。“多种能源” 在满足 “不同能源需求” 过程中， 将会出现不同种类能源间的替代与转化需求。以风电为代表的可再生能源在国内发展迅速，但是， 由于当前技术条件限制， 风电在用电低谷及供暖季节存在较突出风电发用矛盾， 弃风现象时有发生， 一方面负荷需
8、求旺盛， 另一方面可再生能源却无处消纳。 通过能源间的替代和转化可以实现不同种类能源负荷需求和供应间的联产、联供， 从而使可再生能源如替换常规电能一样在其他能源供应领域发挥更大的作用， 形成能源领域的 “互联” 和整体优化。 这种能源互联系统可以综合考虑能源供给成本及其特性， 在满足能源需求的前提下， 优化能源供给， 满足使用成本或者污染排放最低等优化目标。信息技术的进步， 互联网改变了当代社会人们的生活方式。 电力及能源领域信息化程度的提高， 也为能源跨领域的集约化供给提供了契机。不同能源领域以及用户信息的互联互通， 能够更加便捷地了解当前能源的供给与消费情况。 发挥能源间互补优势、 充分利
9、用可控负荷资源， 对能源供应与消费体系进行整体优化， 可以改善能源供用结构、 推进能源使用效率整体提高。2能源互联网技术框架分析2.1能源互联网构成构建 “能源互联网” 的主要目的是优化能源结构（更多应用新能源）、 提高能源效率（发挥不同能源优势和新型负荷的技术优势）， 从而改善用户体验。 优化能源互联网资源， 首先需要确认能源图1能源互联网总体描述Fig.1Overall description of the energy Internet周海明等： 能源互联网技术框架研究电 力 规 划电 力 规 划141第47卷中 国 电 力互联网构成要素， 界定优化范围。根据文献1和2描述， 结合智能电
10、网研究成果， 图1描述了能源互联网总体构成： 电、 供热及供冷等形式的能源输入通过与信息等支撑系统有机融合， 构成协同工作的现代 “综合能源供给系统”。 该系统内多种能源（化石能源、 可再生能源）通过电、 冷、 热和储能等形式之间的协调调度供给， 达到能源高效利用、 满足用户多种能源应用需求、 提高社会供能可靠性和安全性等目的；同时， 通过多种能源系统的整体协调， 还有助于消除能源供应瓶颈， 提高各能源设备利用效率。不同能源对环境的影响不同， 传统能源供应体系中， 特定能源已经形成了相对稳定的消费市场， 比如石油主要用于交通、 化工、 发电等行业；天然气则主要于日常生活、 供热、 发电、 交通
11、等领域。 可再生能源目前几乎全部用来发电。 一次能源长期以来形成了自身的产业链条， 不同种类能源间互相补充空间有限。 但是， 电能可以充当不同能源间的桥梁。 目前可再生能源绝大部分转化为电能。 如果通过电能用绿色可再生能源替换其他高污染一次能源， 可以提高能源消费的整体环境友好程度。 要实现这种能源的优化供给需要具备几个条件：要具备不同种类能源间的（供求关系等）信息互通；要具备能源输出互相替代的必要技术手段， 即通过电能能够满足被替代能源消费主体的需求；要能够给能源消费者清晰、 及时的引导信号， 吸引能源消费主体参与能源消费优化配置。 具备以上条件， 配合必要的技术手段， 最终实现社会能源的整
12、体优化利用。 实现这一目标可以通过技术手段构建 “能源互联网”。2.2能源互联网技术框架为了达到上 述 整 体 优 化 目 标 ， 在 明 确 能 源“互联” 范围基础上， 需要进一步研究合理的能源互联网技术框架， 应用先进技术发挥多种能源与用户互联、 互动的整体优势。这种能源互联网技术框架设计的唯一目的是发挥技术优势， 从技术角度提高能源的使用效率。在不存在政策、 市场和技术条件限制的前提下，设计满足上述条件的能源互联网技术框架模型，如图2所示。 图2所示 “能源互联网技术框架”包括 “市场环境”、 “能源供给、 转化和消费” 、“信息支持” 以及 “调度控制”4个部分。市场环境包括能源供给
13、侧市场和能源需求侧市场。 其中， 能源供给侧市场负责发布不同种类能源的市场价格信号， 调节市场能源供应结构（可以在这个环节使用价格信号或补贴鼓励使用清洁能源， 减小环境污染）； 能源需求侧市场负责发布吸引可控负荷和具有反向送电（或其他能源形式）的 “发用电联合体” 参与需求侧调度控制的价格或其他激励信号， 以鼓励负荷参与需求侧响应。能源供给、 转化及消费是能源互联网中的能源流， 也是整个技术框架的最终优化协调对象。多种能源发出的电、 热、 冷等能量形式通过输电电网、 管网或者运输通道最终抵达用户侧， 满足用户的用能需求。 能源互联网框架在以上基础上，加强了对分布式电源和微电网的支持， 同时应用
14、各种储能以及电转化为气体等技术， 结合信息共享和多种能源的成本对比， 以电能为中心实现有目标（优化或降低污染、 提高清洁能源比例等）的多种能源间的替代和转换。 消费环节除了包括传统用户还增加了智能可控用户以及可以反向供能的发用电联合体等。信息共享支持是整个技术框架中的信息流。“高速、 可靠和安全” 的未来信息网络技术是实现图2能源互联网技术框架模型Fig.2Architecture model of the energy Internet technology电 力 规 划电 力 规 划142第11期能源互联网技术框架下大量数据采集、 传输、 分析再到优化计算的基础条件。在信息技术支持下， 为
15、保障整个能源框架的安全优化运行， 需要设置必要的运营管理机构，对能源进行集中调度管理， 这种调度管理可以采用与外部市场环境相适应的商业运营模式并根据能源管理范围进行分级设计。 同时针对用户侧可控负荷和具有发电及其他供能（供热、 制冷等）能力的 “发用电联合体” 在自愿的前提下可以直接参与或通过 “负荷调度控制代理”， 应用 “虚拟发电厂” 技术参与能源互联网的调度控制。 这种基于信息共享的通过能源整体调度控制实现能源的整体优化利用是能源互联网技术框架的核心内容。2.3能源互联网优化控制概念模型在上述能源互联网技术框架内能源消费有如下特性。（1） 能源供应能够 “互联”。 能源互联网技术框架下不
16、同能源间可以相互支持以及一定程度上的替代转换。 这种互联可以通过控制系统实现面向用户最终需求的 “应用转化”， 也可以直接通过能源间的转换与替代实现。（2） 能源互联后不影响用户的使用。 方便用户安全高效使用， 原来互相割裂的能源供应 “互联” 后应提升用户体验， 不影响用户的正常使用。（3） 能源互联后能够优化。 能源互联网技术框架下的能源供应应该比 “互联” 之前有更高的效率。可见， 能源互联网是一个以对能源进行整体优化为目标的复杂能源供用系统， 为了实现整体优化的目的， 需要建立相应的优化模型。综上所述， 不同种类能源消费行为的成本是变动的， 同时， 不同种类能源供应对环境的影响不同。
17、再考虑到新型负荷的可控性， 建立如下能源互联网优化模型。等式约束t=0，1，2， ，T时有ni=0Pi（t）=mj=0Lj（t）（1）优化目标minTt=0ni=0Fi（Pi）（2）其他约束条件：Pyi（t）为各种能源的供给约束；Lyj（t）为各种负荷的应用约束。式中：t表示时段；T表示时间范围， 可以是一天或者其他时间周期。 典型应用T=24 h（1天），t为1，2，3， ，24。j表示能源互联网中负荷的种类（冷、 热、 电等）， 共有m种；i表示能源互联网中能源输入的种类（如风能、 太阳能、 煤、 石油等）， 共有n种；Lj（）为负荷特性函数（如用电、 冷、热等）， 共有m种；Pi（）为某
18、种能源的输出特性函数， 式 （1）表示能源的输入等于能源的消费需求。此处的消费包含冷、 热、 电等需求；Fi（）为某种能源的特性函数， 比如可以是污染指数， 或者成本， 相应优化目标公式（2）对应污染最小或者能源供应成本最低；Pyi为能源i的供给约束；Lyj为负荷j的应用约束。以上模型的物理意义是在满足能源总供给与需求之间平衡和能源与供给消费约束的前提下，追求能源供应总成本最低或者污染排放最小等优化目标。能源互联网的优化模型根据不同市场运营规则细节上将有所不同， 这里讨论的优化模型是对能源互联网技术框架的一种目的性描述， 求解该模型需要确定不同能源的成本函数和其他约束条件， 这些约束条件与具体
19、的能源互联网运营规则和物理环境密切相关。3能源互联网研究现状上述 “能源互联网” 技术框架是对未来能源整体供用体系的概念性设想， 关于未来的能源发展， 国内外普遍开展了基于先进信息通信技术的包含能源互动思想（包含能源间的转化和替代）的相关研究。 除了文献1中关于 “能源互联网” 的设想外， 美国各大研究机构和高校都在进行相关研究。 在用户互动方面， 美国在需求侧响应方面已经进入实际应用阶段， 电网中出现了专职的“调荷服务商” 用于为电网提供负荷调度服务； 能源的互联与转换方面， 美国发电公司长期根据市场需要选择出售天然气与电力的比例。 欧盟也在开展 “智能能源的未来网络”（FINSENY）项目
20、， 研究将能源与信息的整合， 汇集了能源和ICT（信息通信技术）行业的关键技术以确定智能能源系统对ICT的要求，从而提供创新性的能源解决方案以优化能源传输， 改变人们的能源消费方式， 减少CO2的排放， 改善生活环境3。 日本则在微网及分布式电源基础上致力于研究冠名为 “电力路由器”的电能控制技术及相关装备4。 在国内， 关于未来能源供应技术的研究一直受到高度重视， 国家电网公司明确 “能源互联网” 是未来的智能电网，智能电网是承载第三次工业革命的基础平台， 对第三次工业革命具有全局性的推动作用。 目前，国家电网公司已积极开展、 部署相关研究工作。北京市科委组织了 “第三次工业革命” 和 “能
21、源互联网” 专家研讨会， 并启动了相关软课题研究，以期形成详细的能源互联网调研报告和路线图。中国能源发展目前面临总量供应（石油、 天然周海明等： 能源互联网技术框架研究电 力 规 划电 力 规 划143第47卷中 国 电 力气对外依存度高）、 资源配置（能源与生产力分布不均衡）、 能源效率（大量煤炭直接燃烧， 整体能效偏低）、 生态环境（土壤、 水质、 大气污染）四大问题。针对以上问题， 可以采用增加清洁能源发电比例、 提高能源效率的方法加以改善。 本文所述能源互联网技术框架统一配置能源资源， 从能源供给和使用2个方面进行整体优化， 基于信息共享建立必要的市场调节机制， 优化引导能源的开发和使
22、用， 最终实现增加清洁能源发电比例、 提高能源效率， 以电能为中心统一优化配置能源资源； 使能源发展方式由消耗型向可持续、 可再生和更环保的发展轨迹过渡； 实现能源供应安全、清洁、 环保与友好地发展5-11。4结语通过本文描述的能源互联网技术框架实现能源整体优化， 在未来的发展实现过程中既需要考虑能源供应中宏观战略层面的规划布局和机制体制问题， 又要解决局部的关键技术细节问题。 这2个部分是密切联系和互相影响的， 一方面， 技术的发展， 要求有与之对应的政策来发挥技术进步的优势； 另一方面， 国家的能源政策将会直接刺激未来能源互联技术的应用。 因此， 能源互联网未来的研究需要从整体架构（能源整
23、体结构、 整体优化调度运营等）和关键技术细节（能源替代转换技术、 新型能源供需互动以及先进信息技术）两大方面开展后续研究。参考文献：1杰里米里夫金.第三次工业革命M.张体伟，孙毅宁，译.北京：中信出版社，2012.2刘振亚.智能电网与第三次工业革命N.科技日报，2013-12-05（1）.3PASQUALE A, MICHAELA B. Finseny white paper EB/OL.(2012-4-24)2014-06-25. http:/www.finseny.eu/finseny-white-paper/.4半 泽 智.电 力 路 由 器 ： 让 电 力 自 动 实 现 灵 活 调
24、度EB/OL.(2013-06-04). 2014-06-25.http:/ Bo, XIN Song-xu, BAI Jian-hua, et al. Study on issuesconcerning solar power development and accommodation in ChinaJ. Electric Power, 2013, 46(1): 1-6.7张栋.西南水电开发及外送经济性研究J.中国电力，2012，45（12）：46ZHANG Dong. Study on economics of south-west hydropowerexploitation and
25、transmission J. Electric Power, 2012, 45(12): 4-6.8杨方，王文迪，葛旭波，等.我国智能电网发展格局及综合评价J.中国电力，2012，45（12）：8185YANG Fang, WANG Wen-di, GE Xu-bo, et al. Comprehensiveassessment on development patterns of smart grid in China J.Electric Power, 2012, 45(12): 81-85.9裴哲义，范高锋.中国风电运行消纳相关问题研究J.中国电力，2014，47（4）：14PEI Z
26、he-yi, FAN Gao-feng. Research on wind power operationand accommodation problems in China J. Electric Power, 2014,47(4): 1-4.10李军军，吴政球，谭勋琼，等风力发电及其技术发展综述J电力建设，2011，32（8）：6472LI Jun-jun, WU Zheng-qiu, TAN Xun-qiong, et al Review ofwind power generation and relative technology development JElectric Powe
27、r Construction, 2011, 32(8): 64-7211赵婷，高昆仑，郑晓崑，等.智能电网物联网技术架构及信息安全防护体系研究J.中国电力，2012，45（5）：8790ZHAO Ting, GAO Kun-lun, ZHENG Xiao-kun, et al. Researchon technical framework and cyber security protection system ofIOT in smart grid J. Electric Power, 2012, 45(5): 87-90.（责任编辑杨静）StudyontheEnergyInternetTe
28、chnologyFrameworkZHOUHai-ming,LIUGuang-yi,LIUChao-qun（China Electric PowerResearchInstitute, Beijing 100192, China）Abstract: In order to increase the utilization proportion of renewable energy and reduce environmental pollution at the same time, theenergy technology framework, which matches the leve
29、l of energy supply technology and the future energy resource constraints, are studiedin this paper. Compared with the traditional energy supply system, the“Energy Internet”technology architecture, which is based onadvanced information technology, can give full play to the technology advantages of comprehensive engergy utilization and load-sideinteraction, and globally optimize energy supply and consumption and improve the overall energy utilization efficiency.Keywords: smart grid; energy internet; renewable energy电 力 规 划电 力 规 划144
