第2篇技術篇

能源互聯網關鍵技術概述

清華大學高峰

1 背景

能源互聯網作為能源技術和互聯網技術與思維的深度融合，是我國能源技術革命的具體實現，為能源環境的可持續發展與經濟健康增長提供有效支撐，并將助力中國引領第三次工業革命。從國家層面開展能源互聯網的頂層設計，是有序推進我國能源互聯網建設的重要保障。需要把握能源互聯網的形態和特征，分析技術發展的趨勢，結合市場環境，實現技術創新，支撐創新商業模式，支撐我國能源戰略，把握第三次工業革命帶來的機遇。

能源互聯網涵蓋了材料、器件、設備、系統、通信、信息等多方面的技術環節，以及政策、金融、運營、管理、標準、市場準入（檢測認證）等多方面的非技術環節。能源互聯網的發展需要在“能源生產、能源儲運、能源消費、能源管理”各個環節，針對每個重點創新研究方向，分別開展基礎前沿技術創新研究、關鍵技術與設備攻關研究、示范應用與產業轉化研究。

2 能源互聯網的概念和體系架構

能源互聯網是以可再生能源為優先，電能為基礎，其他能源為補充的集中式和分布式互相協同的多元能源結構，同時通過以互聯網技術為管控運營平臺，實現多種能源系統需供互動、有序配置，進而促進社會經濟低碳、智能、高效的平衡發展的新型生態化能源系統。

如圖1所示，能源互聯網可以劃分為物理基礎網絡、信息數據平臺和價值實現平臺，每層的功能要求及具體內涵如下。

圖1 能源互聯網架構

2.1 物理基礎網絡：實現多能融合能源網絡

以電力網絡為主體骨架，融合氣、熱等網絡，覆蓋包含能源生產、能源傳輸、能源消費、能源存儲、能源轉換的整個能源鏈。能源互聯依賴于高度可靠、安全的主體網架（電網、管網、路網）；具備柔性、可擴展的能力；支持分布式能源（生產端、存儲端、消費端）的即插即用。

2.2 信息數據平臺：實現信息物理融合能源系統

多種能源系統的信息共享，信息流與能量流通過信息物理融合系統（CPS）緊密耦合，信息流將貫穿于能源互聯網的全生命周期，包括其規劃、設計、建設、運營、使用、監控、維護、資產管理和資產評估與交易。智能電網在信息物理系統融合方面做了很多基礎性的工作，實現了主要網絡的信息流和電力流的有效結合。

2.3 價值實現平臺：實現創新模式能源運營

創新模式能源運營要充分運用互聯網思維，利用大數據、云計算、移動互聯網等互聯網技術，實現互聯網+能源生產者、能源消費者、能源運營者和能源監管者的效用最大化，是充分發揮“‘互聯網+’對穩增長、促改革、調結構、惠民生、防風險的重要作用”的核心所在。

3 能源互聯網的技術體系

結合能源互聯網的三層體系和能源鏈的5個環節，形成了如圖2所示的能源互聯網技術體系。能源互聯網的相關技術均可落點在該技術體系之中。

圖2 能源互聯網的技術體系

3.1 能源互聯網的支撐技術

3.1.1 多能融合能源網絡支撐技術

（1）能源生產技術

能源互聯網在能源生產環節需要在傳統能源生產技術如熱電聯產技術基礎上，更加關注新能源和分布式能源生產技術。

（2）能源轉換技術

能源轉換是多能融合的核心，其包括不同類型能源的轉換（切換）以及不同承載方式能源的轉換（變換）。不同類型的能源轉換（切換）在能源生產端除了通常的利用發電機等各種技術手段，將一次能源轉換成電力二次能源外，還包括如電解水生成氫燃料，電熱耦合互換等多種形式；在能源消費端，能源轉換（切換）是能源消費者可以根據效益最優的原則在多種可選能源中選擇消費。不同承載方式的能源轉換（變換）主要體現在能源傳輸環節。

（3）能源存儲技術

能源存儲技術主要有物理儲能、化學儲能、電磁儲能、熱能存儲、氫能及燃料電池五大類十幾種技術。目前，儲能技術處于快速發展階段，未來在可再生能源消納、提供電力輔助服務、電動汽車、電力需求響應等多個方面都存在廣闊的應用前景，是支撐能源互聯網運行的關鍵技術。大容量、低成本、長壽命的新型儲能技術，包括替代傳統鉛酸電池的鈉鹽電池，可快速充放電、長壽命的鋰離子電池，高儲能密度的超級電容等，為能源互聯網中大容量、分布式能量緩存需求提供支撐，是未來儲能技術的共同發展方向。

（4）能源傳輸技術

能源傳輸網絡除了大家熟知的輸油管道、輸氣管道等非電能源傳輸網絡外，更主要的是傳輸電力能源的電力網絡。電力傳輸網從最早的直流網絡過渡到了交流網絡，交流電力網絡成為最近幾十年最主要的電力輸送網絡。近幾年在高壓輸電領域，隨著需要傳輸的電力容量越來越大、距離越來越遠，出現了特高壓輸電網絡需求，與此相關，特高壓運行理論研究、特高壓電力裝備和試驗設備、特高壓網絡的保護控制裝備的研發和生產技術，取得了一系列重大突破，并成功應用于工程實踐。此外，基于局域通信網的網絡式保護技術研究取得了突破，可適應現代主動配電網的需求，需要在保護原理進一步完善的基礎上，進行推廣應用研究。為防止配電網絡故障引起的電壓驟降對敏感用戶的影響，快速斷路器技術、固態斷路器技術的研究也需要加強。

（5）能源消費技術

能源互聯網下物理層的能源消費技術主要包括以下兩個方面。

① 電動汽車技術

電動汽車是接入能源互聯網最重要的移動設備，電動汽車能夠同電力系統完美融合，成為能源互聯網的核心之一，發揮多元作用。電動汽車將會是電力網絡比重龐大的負荷，同時具有大規模能量存儲能力。新能源汽車是能源互聯網非常重要的組成部分，既是能源的使用者，也是能源的創造者、能源的存儲單元和能源的傳輸主體。

② 港口岸電技術

港口岸電或岸基供電（簡稱AMP）指船舶靠港期間，停止使用船舶上的發電機，而改用陸地電源供電。采用岸電措施后，可將靠港船舶的溫室氣體和污染物排放量減少90%以上，顯著改善了港口地區的空氣質量和環境衛生。瑞典2000年率先采用，美國2001年采用，中國2010年開展示范工程。

3.1.2 信息物理能源系統支撐技術

信息物理能源系統包括能為能源互聯網提供數據傳輸、資源共享的大規模、跨區域網絡，包括這類網絡末端的數據采集和系統控制節點，用以支持實現能源互聯網中相關設備的互聯和互操作。

（1）信息物理融合通用技術

信息物理融合通用技術主要包括：

? 海量信息采集技術；

? 能量信息傳輸技術；

? 信息物理能源系統融合技術。

（2）能源生產（轉換）信息物理融合技術

能源生產領域信息物理融合現有支撐技術主要關注于安全生產、提高能源生產效率、降低生產設備運維成本。能源生產領域的新型信息物理融合技術更應關注于能源交易、輔助服務、降低信息系統本身的運維成本等。

① 虛擬發電廠技術

虛擬電廠是將分布式發電機組(Distributed Generation, DG)、可控負荷(Dispatchable Load, DL)和分布式儲能設施(Distributed Energy Storage, DES)有機結合，通過配套的調控技術、通信技術實現對各類DER進行整合調控的載體。虛擬發電廠具有多樣化電源集成的互補性和豐富的調控手段。因此，虛擬發電廠在電力市場中既可以參與前期市場、實時市場，也可以參與輔助平衡市場，改變可再生能源一向被動的局面。

② 新能源發電云平臺技術

以傳統互聯網和大數據技術為基礎，同時結合新能源和分布式電廠的運營技術、行業開發技術、管理技術，實現新能源發電云平臺，可以對新能源電站發電情況進行實時集中監控、功率控制和能量管理，實現發電量損失降低，提升運營效率。最后通過大數據挖掘技術進行發電廠的亞健康診斷和故障預警。此外，還可以為每個電站進行全生命周期的資產風險評估和風險評級，從而判斷電站的交易可能和潛在交易價值，降低電站投資風險，促進電站交易。在新能源發電資產都信息化、數據化之后，在此基礎上創新商業模式的產生也會不斷演化出平臺，如能源資產交易平臺、能源交易平臺等。

（3）能源消費信息物理融合技術

能源互聯網下信息層的能源消費技術包括以下3個方面。

① 需求側互動技術

用戶側能源的互動、高效利用是能源互聯網的終極目標，隨著電力市場化逐步深入，用戶側用電呈現多樣化發展，進一步提升的互動用電需求對靈活市場下的杠桿政策、新型用電元素的調控方式及互動策略都提出了新的挑戰。

② 電動汽車協同技術

電動汽車的普及將改變能源消費的結構，是實現能源消費低碳化轉型的重要途徑。在此基礎上，發展電動汽車充（放）電導引、充（放）電調控、參與電網優化運行、與新能源發電配合等，協同交通網、電力網和新能源發電層面的技術體系，將有效促進能源、交通和信息系統的融合，成為能源互聯網的重要組成部分。

③ 電動汽車與電網互動

電動汽車與電網的互動技術包括電動汽車接入電網技術、電動汽車電池向電網放電技術、智能電網與電動汽車互聯互通協同技術。通過電動汽車與智能電網的互動，實現電網大規模地接入電動汽車，通過電能在電動汽車和電網間的雙向流動，實現削峰填谷、節能降耗目標。

（4）能源傳輸信息物理融合技術

電力傳輸網是能源傳輸的主要網絡，現有的智能變電站系統、配電網自動化系統都是典型的CPS系統。配電自動化裝置和配電自動化系統在配電網已廣泛應用。基于故障指示器技術、地理信息系統（GIS）技術的配電網故障遠程監測系統已經大量應用，并取得了較好的運行效果。但配電網單相接地故障檢測技術的實用化程度還不夠，針對具有大量分布式電源接入的主動配電網，其保護、運行控制、故障監測和故障定位技術還需要加強研究。

（5）能源存儲信息物理融合技術

電池管理系統是實現電池成組、大規模應用的關鍵技術。其采集、分析電池模塊的荷電狀況、設備運行情況，并配合SCADA系統的指令，管理電池組進行充（放）電操作。SCADA系統（數據采集與監視控制系統）采集、監視儲能系統的運行，向上級管理系統（如電網的SCADA系統）傳遞運行數據，接收上級管理系統的操作指令，并下達給電池管理系統進行充（放）電操作。

3.1.3 創新模式能源運營支撐技術

（1）信息雙向互動平臺技術

用戶參與并引導社會力量廣泛參與是搭建能源互聯網的關鍵，用泛在的可再生能源替代傳統能源，可以降低產品成本，提高產品競爭力，并創造更多的就業機會。在能源互聯網時代，部分傳統優質電力企業將完成從傳統的集電力生產、傳輸、運營于一體的單一電力能源生產商，轉型成為電網管理運營服務的運營商。另外，創新型企業也將在能源互聯網領域搭建類似“淘寶”這樣的能源互動交易平臺，從而真正實現能源的雙向按需傳輸和動態平衡使用，最大限度地適應新能源的接入和生產。

（2）能源大數據技術

從能源設備全生命周期角度考慮，利用大數據技術，可以挖掘出零部件故障信息，追溯其在設計、制造、裝配、運輸、安裝各個環節的潛在缺陷，快速找尋引起故障或失效的原因，及時提出關聯性解決方案；依賴數據挖掘引擎，可以發掘產品設計仿真結果輸入、輸出之間的參數關聯性，進而優化系統模型參數，提高數字化模型的準確性，縮短測試驗證周期，進而降低產品設計研發成本。

（3）能源網絡虛擬化技術

能源領域很多技術如需求側互動、電力交易等領域，都需要更為靈活的網絡架構支持。軟件定義網絡（Software Defined Network, SDN），是一種新型網絡創新架構，是網絡虛擬化的一種實現方式，其核心技術通過將網絡設備控制面與數據面分離開，從而實現了網絡流量的靈活控制，使網絡作為管道變得更加智能。因此，在能源互聯網領域，可以參考SDN技術和架構，使能源互聯網架構更為靈活，以支撐未來業務和技術的發展。

（4）能量交易平臺技術

主要考慮能源互聯網的實現離不開市場機制，雖然由于市場模式或者說在市場模式基礎上進一步衍生出的商業模式都沒確定，但無論如何其實現都離不開交易平臺支撐，從這個角度來說，現有的市場交易平臺需要從海量用戶接入、用戶雙向互動、售電公司代理競價、跨國跨地區市場競價等方面考慮對其支撐。

（5）能源互聯網金融技術

互聯網金融是目前互聯網領域的熱點研發方向之一。在能源互聯網建設領域，將同樣面對互聯網金融的產品化。在傳統能源產業同互聯網結合的同時，需要在能源互聯網領域建立信用機制，保障傳輸及交易安全。以區塊鏈技術為代表的互聯網金融技術是能源互聯網的重要技術方向。

3.2 能源互聯網的關鍵使能技術

能源互聯網的關鍵使能技術是一項或者一系列能夠體現能源互聯網基本特征的支撐技術。如圖3所示，能源互聯網包括能源協同化、能源高效化、能源商品化、能源眾在化、能源虛擬化和能源信息化6大特征。下面將針對這6大特征分別分析相應的關鍵使能技術。

圖3 能源互聯網的本質特征

3.2.1 能源協同化

能源協同化通過多能融合、協同調度，提升能源系統整體效率，資金利用效率與資產利用率。通過能源互聯網技術可實現電、熱、冷、氣、油、煤、交通等多能源鏈協同優勢互補，其潛在效益包括：在產能側，通過儲熱、電制氫等方式，可以應對可再生能源的不確定性，減少棄風棄光，提高可再生能源的消納能力，支撐高比例可再生能源的接入；在用能側，通過多能綜合利用，實現梯級利用和余能回收，提高一次能源綜合利用效率，減少能源消耗和各種污染物排放等；多能源系統協同規劃建設，可以減少重復建設導致的浪費，提高經濟性；為用戶多樣化用能選擇提供了優化空間，可以滿足用戶不同品位的能源需求，降低用能成本，提高供能的可靠性。能源協同化的關鍵使能技術包括以下幾方面。

? 多能流能量管理；

? 分布式協同控制；

? 電動汽車協同技術；

? 新能源發電云平臺；

? 熱電轉換技術；

? 能氣轉換技術；

? 儲能技術。

3.2.2 能源高效化

能源高效化著眼于能源系統的效益、效用和效能。通過風能、太陽能等多種清潔能源接入，保證環境效益、社會效益。以能源生產者、能源消費者、能源運營者和能源監管者等用戶的效用為本，推動能源系統的整體效能。能源高效化的關鍵使能技術包括以下幾方面。

? 直流電網；

? 大功率電力電子器件；

? 高溫超導材料；

? 網絡友好型風力發電機；

? 無線電能傳輸技術；

? 電動汽車技術；

? 港口岸電技術。

3.2.3 能源商品化

能源具備商品屬性，通過市場化激發所有參與方的活力，形成能源營銷電商化、交易金融化、投資市場化、融資網絡化等創新商業模式，探索能源消費新模式。通過以智能電網為配送平臺，以電子商務為交易平臺，融合儲能設施、物聯網、智能用電設施等硬件，以及碳交易、互聯網金融等衍生服務于一體的綠色能源網絡發展，實現綠色電力的點到點交易及實時配送和補貼結算，建設能源共享經濟和能源自由交易，促進能源消費生態體系建設。能源商品化的關鍵使能技術包括以下兩方面。

? 能源交易平臺技術；

? 能源互聯網金融技術。

3.2.4 能源眾在化

能源生產從集中式到分布式到分散式實現泛在，能源單元之間對等互聯，使能源設備和用能終端基于互聯網進行雙向通信和智能調控，實現分布式能源的即插即用，逐步建成開放共享的能源網絡。能源鏈所有參與方資源共享、合作，將促進前沿技術和創新成果及時轉化，實現開放式創新體系，推動跨區域、跨領域的技術成果轉移和協同創新。能源眾在化的關鍵使能技術包括以下幾方面。

? 能源大數據技術；

? 能源信息雙向互動平臺技術；

? 能源路由器；

? 電動汽車技術。

3.2.5 能源虛擬化

虛擬化是指通過軟件方式將物理資源抽象成虛擬資源，以提升物理資源利用率。能源虛擬化在物理基礎層按照共享、可調度、可重用的模式設計而形成物理資源池，以按需分配、靈活組裝、動態調度的方式來提供物理資源服務，涉及的物理資源包括化石能源（煤炭、石油、天然氣）、非化石能源（水能、核能、風能、太陽能、生物質能等）及能源輸送網絡（含儲能、能量形態轉換等裝置/設備/系統，涉及電力系統、石油天然氣系統、交通運輸系統等）。通過對物理資源的描述、抽象、配置、調度等，實現物理資源池的虛擬化。多個虛擬資源聚合形成虛擬資源池，在虛擬資源池之上，形成虛擬網絡。虛擬化前，無論是電力系統還是石油天然氣網絡系統，其硬件與軟件資源獨立，軟件必須與硬件緊耦合。虛擬化后，硬件和軟件資源抽象成共享資源池；軟件與硬件解耦，上層操作系統從資源池中分配資源。當軟件與硬件徹底解耦時，可以實現軟件定義每一件事（Software Defined Everything, SDE）。

能源虛擬化的關鍵使能技術包括以下幾方面。

? 需求側互動；

? 虛擬發電廠；

? 電池云；

? 能源網絡虛擬化技術。

3.2.6 能源信息化

能源信息化基于能量流和信息流的融合，能源鏈的資源和信息共享，實現互聯網與現有業態無縫對接的使能技術。能量信息化與互聯網化管控的核心思想是在物理上把能量進行離散化（碎片化），進而通過計算能力賦予能量信息屬性（信息化），改變能量的時空控制粒度，實現未來的個性化定制化的能量運營服務。基于能量信息化與互聯網化技術，使能量變成像計算資源、帶寬資源和存儲資源等信息通信領域資源一樣進行靈活地管理與調控，從而使供電與負載在用戶側無縫融合，從而支撐能源互聯網發展中技術體系、模式與思維創新的需要。能源信息化的關鍵使能技術包括以下幾方面。