第1篇 戰略篇

能源互聯網引論

清華大學 曾嶸

1 引言

能源是人類生存和發展的重要基石，是社會經濟運行的動力和基礎。每一次工業革命都離不開能源類型和使用方式的革新，推動著人類社會的發展和進步。目前，第三次工業革命正在世界范圍內發生，而能源互聯網是第三次工業革命的核心之一，是未來能源行業發展的方向。

發展能源互聯網將從根本上改變對傳統能源利用模式的依賴，推動傳統產業向以可再生能源和信息網絡為基礎的新興產業轉變，是對人類社會生活方式的一次根本性革命。《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》提出，“將推進能源與信息等領域新技術深度融合，統籌能源與通信、交通等基礎設施網絡建設，建設‘源-網-荷-儲’協調發展、集成互補的能源互聯網”。當前我國正處在能源革命的關鍵時期，國家能源局《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》的發布，將在能源技術、生產、供應等多個環節激發“鏈式變革”，是推動我國能源革命的必然選擇。

2 能源互聯網的發展動態與現狀

能源互聯網作為當前國內外一個全新的研究熱點，多個國家的科研機構已經開展了初步的研究工作，以力圖在此次技術革命中占領先機，并取得一定成果。

2.1 國外能源互聯網的發展動態與現狀

2004年The Economist發表了Building the Energy Internet，首次提出建設能源互聯網，通過借鑒互聯網自愈和即插即用的特點，將傳統電網轉變為智能、響應和自愈的數字網絡，支持分布式發電和儲能設備的接入，以減少大停電及其影響。此后國際上針對能源互聯網進行了廣泛的研究，著力研究下一代能源系統。2011年，美國學者杰里米·里夫金在其著作《第三次工業革命》中提出能源互聯網是第三次工業革命的核心之一，使得能源互聯網被更多人關注，產生了較大影響。下面對歐盟、美國、日本等提出的能源互聯網構想和相關項目進行介紹、分析。

2008年12月德國聯邦經濟和技術部發起了一個技術創新促進計劃，以信息通信技術(Information and Communication Technology, ICT)為基礎構建未來能源系統，著手開發和測試能源互聯網的核心技術。之后，德國聯邦政府發起E-Energy，并將其作為國家性的“燈塔項目”，旨在推動基于ICT技術的高效能源系統項目，致力于能源的生產、輸送、消費和儲能各個環節之間的智能化。

2011年歐洲啟動了未來智能能源互聯網(Future Internet for Smart Energy, FINSENY)項目，該項目的核心在于構建未來能源互聯網的ICT平臺，支撐配電系統的智能化；通過分析智能能源場景，識別ICT需求，開發參考架構并準備歐洲范圍內的試驗，最終形成歐洲智能能源基礎設施的未來能源互聯網ICT平臺。

Vision of Future Energy Networks項目由瑞士聯邦政府能源辦公室和產業部門共同發起，其重點是研究多能源傳輸系統的利用和分布式能源的轉換和存儲，開發相應的系統仿真分析模型和軟件工具。該項目提出未來能源互聯網包含兩個元素，一是通過混合能源路由器(hybrid energy hub)集成能源轉換和存儲設備；二是通過能源內部互聯器(energy interconnector)實現不同能源的組合傳輸。

2008年，美國國家科學基金項目在北卡州立大學啟動“未來可再生電能傳輸與管理系統”(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management System, FREEDM)，并建立了FREEDM系統研究院，由17個科研院所和30余個工業伙伴共同參與。該項目重點研究適應高滲透率分布式可再生能源發電和分布式儲能并網的高效配電系統，并稱之為能源互聯網(energy internet)。FREEDM項目的核心在于將電力電子技術和信息技術引入電力系統，效仿通信網絡中路由器的概念，提出能源路由器的概念并實施初步開發，以希望在未來的配電網層面構建能源互聯網，實現分布對等的系統控制與交互。

2010年，日本啟動“智能能源共同體”計劃，開展能源和智能電網等領域的研究。2011年，日本開始推廣“數字電網”計劃，該計劃是基于互聯網的啟發，構建一種基于各種電網設備的IP來實現信息和能量傳遞的新型能源網。通過提供異步連接、協調局域網內部以及不同局域網系統的數字電網路由器，并將其與現有電網及互聯網相連，通過相當于互聯網地址的“IP地址”識別發電設備及用電設備在內的裝置，由此進行統籌管理與能量調度。

由上，盡管各方認知方式的側重點有所不同，但都是將互聯網技術運用到能源系統，把一個集中式、單向的、生產者控制的能源系統，轉變成大量分布式輔以較少集中式的新能源與更多的消費者互動的能源系統，以提高可再生能源的比重，實現多元能源的有效互聯和高效利用。

2.2 國內能源互聯網的發展動態與現狀

早在20世紀80年代，清華大學前校長高景德便提出了CCCP（現代電力系統是計算機、通信、控制與電力系統以及電力電子技術的深度融合）的概念。近年來，國內快速發展的智能電網也不斷強調信息技術與現代電網的緊密結合。2012年8月首屆中國能源互聯網發展戰略論壇在長沙舉行，對能源互聯網概念進行了初步介紹。2013年12月，北京市科委組織“第三次工業革命”和“能源互聯網”專家研討會。2014年2月，國家能源局委托江蘇現代低碳技術研究院開展“能源互聯網戰略研究”課題。2014年6月，中國電力科學研究院牽頭承擔國家電網公司基礎前瞻性項目“能源互聯網技術架構研究”，著力構建未來能源互聯網架構，搭建相應的能源互聯網研究平臺。中國科學院學部開展 “我國新一代能源系統戰略研究”課題，提出了新一代能源系統的理念。

隨著黨的十八大提出能源革命戰略、2015年政府工作報告推出“互聯網+”行動計劃，能源與互聯網正不斷實現深度融合，極大地促進了國內能源互聯網的發展。2015年4月，國家能源局首次召開能源互聯網工作會議。2015年4月，由清華大學發起并組織，以“能源互聯網：前沿科學問題與關鍵技術”為主題的香山科學會議在北京香山飯店召開，為我國能源互聯網的發展建言獻策，在國內外產生了重要影響。2015年6月，國家能源局開展“國家能源互聯網行動計劃戰略研究”，并將其作為國家“互聯網+”行動計劃的重要載體，由清華大學牽頭承擔其中能源互聯網的形態特征、關鍵技術和技術標準、商業模式、效益評價等5個重點課題。2016年2月，國家發改委、能源局、工信部聯合發布國家能源互聯網綱領性文件《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，提出了能源互聯網的路線圖，明確了推進能源互聯網發展的指導思想、基本原則、重點任務和組織實施。2016年3月，國家“十三五”規劃綱要明確提出“將推進能源與信息等領域新技術深度融合，統籌能源與通信、交通等基礎設施網絡建設，建設‘源-網-荷-儲’協調發展、集成互補的能源互聯網”。2016年4月，國家發改委、能源局正式發布《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》，為未來我國能源互聯網技術的發展制定了行動計劃。目前，中電聯（中國電力企業聯合會）牽頭并組織清華大學等高校和科研機構正在開展國家能源互聯網系統標準的制定。

此外，清華大學、國防科技大學、華北電力大學、天津大學、中國電力科學研究院等高校與科研機構，從能源互聯網的基本概念及形態、發展模式及路徑、技術框架及拓撲、關鍵技術分析等方面展開了廣泛的研究。

從目前的情況來看，能源互聯網已經受到了國內各級政府和研究機構的高度重視，能源互聯網的理念與技術也已在國內引起了越來越廣泛的關注，正逐漸由以基礎性研究為主的概念階段向以應用性研究為主的起步階段轉變。

3 能源互聯網的形態與特征

能源互聯網理念一經提出，國內外不同行業和領域紛紛開展了有益的探索研究。盡管各方認知方式的側重點有所不同，但都是將互聯網技術運用到能源系統，以提高可再生能源的比重，實現多元能源的有效互聯和高效利用。

3.1 能源互聯網的形態

本文認為能源互聯網可以分為三個層級：① 物理基礎（多能互聯能源網絡）, ② 實現手段（信息物理能源系統）, ③ 價值實現（創新模式能源運營）。

3.1.1 物理基礎：多能互聯能源網絡

能源互聯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、傳輸、消費、存儲、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。

能源轉換是多能互聯的核心，其包括不同類型能源的轉換（切換）以及不同承載方式的能源轉換（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）是指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。不同類型能源轉換的基本示意圖如圖1所示。不同承載方式的能源轉換（變換）主要體現在能源傳輸環節，如在天然氣網中，有液態和氣態之間的轉換。

能源存儲在多能互聯的環境下必將愈發凸顯其重要地位。能源存儲也不再局限于電能的存儲與釋放，冰蓄冷、熔鹽蓄熱、液態空氣、氫氣等均是能源存儲的發展方向。如果氫燃料電池以電動汽車等途徑進入千家萬戶，氫氣或液氫的存儲將可以提供持續的清潔可控電能，成為分布式太陽能和風能的重要補充。

能源傳輸本身也具有多樣性，如可持續傳輸的電網、管網等方式，非連續傳輸的航運、火車、汽車等，因此能源互聯網必將呈現出形態各異的實現方式。多能互聯能源網絡將首先實現能源局域網，以微電網技術為基礎，將冷、熱、水、氣等網絡互聯協調，實現能源的高效利用，如圖2所示。

以能源局域網為基本節點，以電網、管網為骨干網架，由點及面形成廣域互聯，即能源廣域網。多能互聯能源網絡為整個能源鏈的能源互補、優化配置提供了物理基礎，其整體效能的最大化離不開信息物理系統的融合。

3.1.2 實現手段：信息物理能源系統

物聯網、大數據、移動互聯網等信息技術的飛速發展，可為涵蓋能源生產、存儲、傳輸、轉換和消費整個能源鏈條的效率、經濟、安全提供有效支撐。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。在能源互聯網下，信息系統和物理系統將滲透到每個設備，并通過適當的共享方式使得每個參與方均能獲取到需要的信息，如圖3所示。信息物理融合的能源系統必將產生巨大的價值，第一階段的價值體現在信息獲取上；第二階段的價值體現在優化管理上，通過多能協同優化和調度，可以從整個能源結構的角度實現社會總體效益最大化；第三階段的價值體現在創新運營上，在信息開放、共享的基礎上，運用互聯網思維，創新商業模式，帶動市場活力，實現經濟飛躍。

3.1.3 價值實現：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，以用戶為中心，實現業務價值。在具有活力的市場環境下，包括能源生產、傳輸、消費、存儲、轉換的整個能源鏈相關方均能廣泛參與，必然會有一大批具有創新模式的能源企業脫穎而出，如能源增值服務公司、能源資產服務公司、能源交易公司、設備與解決方案的電子商務公司等，從而帶動能源互聯網的產業發展。

以能源消費環節為例，傳統的產業價值模式是能源供應商給能源消費者提供能源、可靠性和通用服務，并從能源消費者獲取收益。而在能源互聯網環境下，除了能源、可靠性和通用服務外，能源供應商還可以為能源消費者提供節能服務、環境影響消減以及個性化服務，而能源消費者還可以在需要時反向為能源供應商提供能源、需求側響應、本地化信息等，從而使得信息流和資金流從單向變為雙向。另外，還可以有第三方為其提供各種服務平臺，使得價值、信息和資金在這些平臺上流轉和交換，如能量交易平臺、能量聚合服務平臺等。

創新模式能源運營需要監管者能夠致力于構建以傳統電網為骨干，充分、廣泛和有效地利用分布式可再生能源，滿足用戶多樣化能源電力需求的一種新型能源體系結構與市場；為運營者提供一個能夠與能源終端用戶充分互動、存在競爭的能源消費市場，使其提高能源產品的質量與服務，贏得市場競爭；不僅為能源終端用戶提供傳統電網所具備的供電功能，還為其提供了一個可以進行各種能源共享的公共平臺，如圖4所示。

3.2 能源互聯網的特征

在能源互聯網上述三個形態層級的基礎上，本文總結出能源互聯網的6大特征：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、能源信息化。

3.2.1 能源協同化

能源協同化通過多能融合、協同調度，實現電、熱、冷、氣、油、煤、交通等多能源鏈協同優勢互補，提升能源系統整體效率、資金利用效率與資產利用率。

3.2.2 能源高效化

能源高效化主要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、消費者、運營者和監管者等用戶的效用為本，推動能源系統的整體效能。

3.2.3 能源商品化

能源商品化指能源具備商品屬性，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，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。

3.2.4 能源眾在化

能源眾在化體現在能源生產從集中式到分布式到分散式實現泛在，能源單元即插即用、對等互聯，能源設備和用能終端可以雙向通信和智能調控。能源鏈的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。

3.2.5 能源虛擬化

能源虛擬化是指借鑒互聯網領域虛擬化技術，通過軟件方式將能源系統基礎設施抽象成虛擬資源，盤活如分散存在的鉛酸電池儲能存量資源，突破地域分布限制，有效整合各種形態和特性的能源基礎設施，提升能源資源利用率。

3.2.6 能源信息化

能源信息化指在物理上把能量進行離散化，進而通過計算能力賦予能量信息屬性，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的資源一樣，進行靈活地管理與調控，實現未來個性化定制的能量運營服務。

4 能源互聯網的發展展望

在互聯網技術、計算機技術、通信技術和電力電子技術等不斷革新、進步的背景下，能源互聯網將激發能源生產、傳輸、存儲、消費等能源全價值鏈的變革，將形成集中式與分布式協調發展、相輔相成的能源供應模式；將對能量流賦予信息屬性，實現信息流對能量流的靈活管控。能源互聯網有望成為“第三次工業革命”的決定性推動力量，從而提高可再生能源比重，促進化石能源清潔高效地利用，提升能源綜合效率，推動能源市場開放和產業升級，形成新的經濟增長點，提升能源國際合作水平。

能源互聯網可以借鑒互聯網的發展歷程。從電信網由一種中心控制型的網絡、一個主導提供商為各個用戶提供服務，演變成現在互聯網基礎設施。整個過程是將一個大一統的網絡碎片化、消費者廣泛介入的過程，移動互聯網的爆發式發展更加體現了智能手機的發展和消費者介入的效應。隨著太陽能發電、電動汽車等分布式能源技術的發展，消費者必將廣泛介入能源網絡，能源互聯網的迅猛發展指日可待。

但能源互聯網不能簡單套用互聯網的概念，照搬互聯網的實現方式，因為能源的傳輸與信息的傳輸是有很大的區別的。舉例來說，信息傳輸的過程中會有信號的衰減，需要通過使用能源的信號放大器進行增益，也就是說信息的傳輸要消耗能源；能源的傳輸過程中會有能源的損耗，由于能量守恒定律的限制，沒有“能源放大器”去補充這些損耗，這就需要采用分布式能源等方式減少能源的傳輸，縮短能源傳輸的距離，或者研究如超導技術這樣無損的能源傳輸方式。

能源互聯網是一個全新的系統，本質上是一個物質，能量與信息深度耦合的系統，是物理空間、能量空間、信息空間乃至社會空間耦合的多域、多層次關聯，包含連續動態行為、離散動態行為和混沌有意識行為的復雜系統，表現出混雜多尺度動態與復雜網絡特性，具有更廣闊的開放性和更大的系統復雜性。因此，需要對能源互聯網的物理架構、體系結構、標準協議、協同控制方法等關鍵基礎理論問題進行深入研究，揭示能源互聯網的控制、運行和演化機理，研究能源互聯網的信息能源融合機制，提出面向可靠性、安全性、自愈性等目標的能源互聯網體系結構設計與優化技術，形成相應的基礎理論和關鍵技術創新。

5 結語

能源互聯網是以互聯網的理念構建的新型信息與能源高度融合的網絡，是以電力網絡為基礎架構，協同了冷、熱、氣等多種能源所形成的智慧網絡。

本文首先梳理了國內外能源互聯網的發展動態與現狀，接著在分析能源互聯網研究背景的基礎上，初步提煉了能源互聯網的形態與特征，認為能源互聯網可以分為三個層級：物理基礎——多能協同能源網絡；實現手段——信息物理能源系統；價值實現——創新模式能源運營。文中還介紹了能源互聯網具備的六大特征：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。最后結合我國相關能源政策和技術發展方向，對能源互聯網的實現進行了展望。

發展能源互聯網將從根本上改變對傳統能源利用模式的依賴，是對人類社會生活方式的一次革命。能源互聯網有望成為第三次工業革命的決定性推動力量。