刘开俊

(国网北京经济技术研究院，北京市102209)



能源互联网发展路径探究

刘开俊

(国网北京经济技术研究院，北京市102209)

过度依赖化石能源的发展模式正在发生变革，加快构建以清洁能源输送为主导的能源互联网已成为能源发展的必然趋势。分析了能源互联网的基本内涵和特征，阐述了能源互联网框架体系构建和顶层设计的基本理念，以电力发展为核心提出了能源互联网发展中的任务和挑战，并对能源互联网的发展路径进行了展望。

能源互联网；智能电网；多网协调规划；分布式能源；特高压输电

0 引 言

化石能源过度使用导致能源紧张、气候变化、环境污染等问题日益突出，能源发展面临着如何更安全、高效、环保地利用传统能源并将其与清洁能源相结合的重大挑战。近年来，能源发展逐步向以新能源技术和信息技术的深入融合为特征的新型能源利用体系，即能源互联网转型。发展能源互联网体现了人类对当前能源、环境问题的深刻认识和思考，目的是对能源与社会系统进行更高层次的融合，优化能源利用结构，提升能源利用效率[1]。目前，能源互联网的发展仍处于概念雏形阶段，缺乏对能源互联网整体框架体系的全面定义和顶层设计理念、以及对中长期的发展路径的合理设想。

本文在第三次工业革命提出的能源互联网内涵特征的基础上，以能源互联网与能源生产消费四个革命之间的关系为指导，全面阐述了能源互联网的架构体系及顶层设计理念，并以电力系统为核心，阐述了能源安全、能源流与电力流的协调规划、输电网实现广域资源优化配置及分布式能源灵活接入等关键问题，展望了能源互联网的实现路径，旨在为今后能源互联网发展规划提供借鉴与参考。

1 能源互联网的基本内涵

美国著名学者杰里米·里夫金在《第三次工业革命》一书中提出能源互联网愿景，引发了全球关注。根据里夫金的描述以及后续研究者们的展望，能源互联网是一种以清洁能源输送为主导，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以电力系统为核心并与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的大型能源互联系统，具有能量流与信息流双向流动的特性[2-3]。

能源互联网是兼容传统电网，充分利用分布式清洁能源，满足用户用能需求多样化的新型能源体系结构，其框架结构如图1所示。能源互联网不仅具备传统电网所具备的供电功能，还能够作为实现公共的能源交换和共享平台，与消费者进行互动，让消费者也成为生产者。能源互联网将能源和信息这两者紧密地联系在一起，推动能源领域技术创新，促使互联网从最初的消费型互联网向生产型互联网转变，最终变成一个生产型互联网和发展型互联网并重的时代[4-5]。未来成熟的能源互联网将呈现四大主要特征：

(1)开放性。随着清洁能源逐步成为能量的主要来源以及分布式技术的大范围推广，能源互联网需要形成开放式的体系结构，实现信息的随时随地接入与获取，支持大规模分布式设备以及不同能源网络的分散接入，平衡能量的供给与需求。

(2)互联性。系统为支持大规模分布式能源的接入，将建立起小规模、广分布的局域网络。能源互联网为实现广域多种能源形式间的转换，必须实现大规模互联，形成简捷高效的能量交换方式。

(3)对等性。能源互联网中所有接入单元的连接都必须建立在分散交换和路由的基础之上，相互间实现对等的能流双向流动，在保证冗余和可靠性的同时不降低系统的利用率。

(4)共享性。能源互联网借鉴互联网应用中社交网络的信息共享机制，以分散式的局部最优实现全局能量管理的调度优化，为电网、天然气网与电气化交通网构建能源共享平台，实现能源、信息的广域共享。

图1 能源互联网示意图Fig. 1 Architecture of Energy Internet

2 能源互联网框架顶层设计理念解析

能源互联网的本质是满足大规模清洁能源安全高效利用和充分共享的综合能源系统，根本目标是实现终端能源的“清洁替代”和“电能替代”，彻底变革现有的能源生产和消费模式，树立互联共享的能源观念，实现能源消费、供给、技术、体制的四个革命。

2.1 促进形成高度开放、市场化的能源体制

能源互联网要实现支持产用一体(Prosumer)的新型能源生产与消费形态。从根本上改变现有的自然垄断的能源体制，对于推动能源市场发展、行业体制改革具有重要意义。

在保障能源安全可靠供应的基础上，通过制定健全的能源法治体系，允许大量社会资本作为独立主体参与能源行业的各环节，构建高度开放、有效竞争的市场结构。充分利用市场优化配置资源的作用，还原能源的商品属性，建立基于市场规律的精细化价格机制，引导并鼓励清洁、节约、高效的能源生产消费方式。同时，积极推行能源及相关行业技术标准化，保障能源互联网规范有序地发展。

2.2 构建互联共享的多元化能源供给体系

在能源互联网中，大规模清洁能源将采用集中和分布式结合的开发模式，在终端能源消费中逐步取代常规化石能源，形成多种清洁能源为主、常规化石能源为辅的多元化能源供应格局，实现多类型能源互补供应，降低单一能源供应短缺带来的风险，大大提高能源供应可靠性。

新型智能化的输配网络将改变传统能源产业中生产顺应消费、能源单向流动的方式，形成具有生产消费双向互动、多种能源横向转化特点的全新能源互联共享网络。一是利用特高压交直流输电技术和柔性输电技术不断扩大清洁能源的输送范围和消纳空间，充分发挥不同地域间能源类型互济和时空互补特性，实现全国、洲际、甚至全球范围内互联共享的全新能源供给网络；二是在配电网层面满足分布式清洁电源、电动汽车、灵活调节负荷等可控分布式设备的大规模接入，使能源用户兼有生产者和消费者双重属性，通过能源路由器(Energy Hub)构建用户之间的能量交换平台，协调控制能量在生产、使用和储存各环节之间灵活双向流动；三是以电网为纽带，通过电动汽车和充换电装置与交通网结合形成智能电气化交通网，通过电转气技术与天然气网络的融合，实现能量在多种用能网络中的横向转化，进一步提高能源供给的灵活性。

2.3 实现清洁、节约的能源消费模式

能源互联网将促使清洁能源在终端能源的占比大大提升。同时，随着电气化交通网和气电混合网络的形成，进一步深化社会生产生活电气化水平。能源互联网的发展推动我国终端能源消费中的“清洁替代”和“电能替代”，优化能源消费结构，有利于提高能源利用效率。

终端能源用户在用能产能上将具有选择权和自主管理权。选择权是指用户利用具有信息能量双向流动功能的新型基础设施，实时了解能源价格，面对多元化的能源供应可以选择能源形式及供应商。自主管理权是指用户通过需求侧能源管理系统可以自主控制发电、储能、智能电器的精细化控制，在节约用能的同时获得经济利益，逐渐改善用能习惯，建立清洁、节约的能源消费观念。

2.4 引领能源信息技术革新

能源互联网并不是对现有电网、交通网、天然气网等用能系统的简单叠加，而是通过新型能源与信息技术，对智能电网为核心的多种能源网络进行升级改造，有效支撑清洁能源的高效可靠利用和能量与信息的高度融合及协调控制，引导清洁高效的能源生产消费模式，满足能源发展战略需求。

以电能作为能量传输和转化的核心和纽带，能源互联网的技术革新主要涵盖能源生产、传输、分配、储存、消费、转化等几个方面：一是开发转化效率更高的清洁能源发电设备，尤其是适用于家用、商用的分布式发电系统；二是新型智能电网是能量输配的关键技术，在输电网重点发展以特高压为骨干的输电技术，实现清洁能源远距离大容量的优化配置，在配电网基于先进电力电子技术和信息技术发展具有智能能量管理、智能故障隔离、支持分布式设备“即插即用”等功能的新型智能电网；三是积极开发并广泛应用新型电化学储能、电磁储能和物理储能等能效更高、寿命更长、成本更低的储能装置；四是推广智能家电、电动汽车、快速投切负荷等可控负荷，利用其资源属性提高电网运行调节灵活性；五是进一步发展电转气等新型能源技术，以电能为纽带实现多种能源形式之间灵活转化。

3 建设能源互联网的关键问题是发展电力

电能是清洁、高效的二次能源，大规模风能、太阳能等清洁能源只有转化为电能才能实现高效利用。电网是支撑电力传输和分配的物理平台，也是多种能源相互转化的枢纽。因此，电力对于建设能源互联网，实现终端能源“两个替代”至关重要，其面临的主要挑战是从多能融合的角度落实以电力为中心的能源安全和能源系统规划，满足清洁能源的广域消纳和分布式接入。

3.1 落实以电力安全为中心的多元化、全方位能源安全

在能源互联网中，清洁、高效的电力将在终端能源系统中承担更为重要的角色，大规模清洁能源和常规化石能源均需要转化为电力，同时多种一次、二次能源间的转化也需要以电力为纽带，因此落实电力安全就是从根本上为能源安全提供保障。

未来电力系统发展的首要任务是在充分利用风电、光伏等大规模清洁能源的同时，解决其出力间歇性、随机性对电力安全产生的新挑战。首先，在电源集中开发的送端，可以根据当地能源禀赋采用多种清洁电源与常规电源联合送电的方式，降低电源基地送出电力的总体波动性。其次，通过构建坚强电网结构和利用柔性输电技术，加强电网对传输功率波动的调节能力和承受能力。最后，在用户密集的配电网构建满足能量灵活自由交互的能量路由器，利用电动汽车、可控负荷等新元件实现对大量分布式电源的出力波动的时间空间转移，保证电力供需平衡。

电力安全的另一项任务是发展发电能源多元化。在坚持发展风电、光伏的基础上，开发并完善生物质、地热、潮汐能等多种新型清洁能源发电技术，同时积极推广应用电转气等能源转化新技术，不断降低电力生产对常规非可再生能源的依赖程度，实现多类型能源互补和灵活转化，降低单一能源短缺对电力生产供应带来的风险。

此外，利用互联网和大数据技术，广泛掌握能源链各环节的实时信息，对危及能源安全的因素及其发生概率、危害风险进行识别和评估，有效提高能源安全事前风险管理和预警水平。

3.2 电网发展需要针对能源流规划，实现与交通、天然气系统协调规划

随着能源互联网中电气化交通网和电力、天然气混合网的发展，未来电力系统作为能源互联网的核心，承担着协调多种能源输配、转化的重要任务。因此，为保证能源的安全高效利用，电网规划必须以能源流设计为基础，不仅要考虑电力流设定的边界条件，更要综合考虑多能系统协调优化，以低碳发展、经济高效、技术可行为原则，重点解决电网与交通网、电网与天然气网等多能源网络协调规划的新问题。

首先，在电气化交通系统中，电网规划必须加入针对电动汽车充电设施的布局和定容规划：一是考虑道路结构、交通流量、充电行为对电力负荷时空分布的影响，保证充足电力供应提供充电服务；二是随着V2G(vehicle to grid)技术的广泛应用，应考虑将大量车载电池作为分布式储能元件充分利用，利用智能能量管理系统统筹优化电池充放电行为，调节负荷峰谷、支持清洁能源消纳。

其次，近年出现的电转气(power to gas)技术可以利用电能将水与空气中的二氧化碳转化产生甲烷(天然气的主要成分)，使电力与天然气的双向转化成为可能。该技术的成熟和应用将推动电力、天然气系统不断加深融合，因此，电网规划一方面要充分考虑天然气可靠供应对燃气发电机组出力的影响，另一方面要优化电转气设施的分布和容量，将清洁能源的富余电力高效地转化为天然气进行输送、存储、再利用，提高清洁能源利用率。

以上几类考虑多系统协调规划的电网规划问题在数学上均可以简化抽象为多级混合整数规划模型(Multistage Mix Integer Programming)，需要在常规规划方法和理论上有所创新和突破[6-7]。一是在规划模型的建立过程中，基于多种能源的生产消费平衡与流动规模，在优化目标、边界条件和可控变量等方面综合考虑电力、交通、天然气等多种不同社会生产活动因素的影响；二是在数学模型求解方法和理论上，可以采用启发式算法(heuristic algorithm)或人工智能算法(artificial intelligence algorithm)，解决求解模型维度急剧增加造成常规运算方法求解困难的问题，提高可行解寻优的计算效率；三是在电网规划中引入模糊理论、博弈论等方法，以解决市场环境、政策法规以及运营体制等因素对电网规划的不确定性影响。

3.3 加强输电网实现能源广域优化配置，重点发展特高压输电和柔性输电技术

能源互联网通过以电网为核心的输配网络实现清洁能源的最优分配，因此必须扩大网络覆盖范围以提高其规模效益。从我国能源禀赋来看，清洁能源集中开发基地主要分布于远离负荷中心的西部和北部地区，且本地消纳能力有限；从全球视角来看，清洁能源主要分布于“一极一道”地区，同样存在利用和消纳困难的问题。为满足大规模清洁能源电力超远距离、超大容量输送至电力负荷中心，必须进一步发展特高压交直流输电技术，研制高可靠性、适应极端气候的换流变压器、换流阀、直流滤波器等直流输电设备，建设并不断扩大特高压骨干网架覆盖范围，形成国内互联、洲内互联、乃至全球互联能源网，实现广域范围内能源时空互补和资源优化配置[8-9]。

柔性直流输电是基于电压源换流器(VSC)技术的新一代直流电网技术，是构建能源互联骨干网架的另一项核心技术，构建大容量的电力传输直流电网，实现新能源的平滑接入，有功、无功的独立控制，快速灵活的电力配置，全局功率的调节互济，在与交流系统互联、大规模清洁能源并网送出等方面具有独特的技术优势[10]。未来柔性直流技术的主要发展前景一是直流电网拓扑、安全稳定特性研究、与交流系统相互作用机理等基础理论研究，二是在更高电压等级交联聚乙烯(XLPE)电缆、直流断路器以及新型大容量绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等设备器件的突破。

3.4 建设新一代配电网，实现分布式设备的友好接入

面对能源互联网中数量庞大的分布式设备接入需求，电力系统必须发展能够满足用户自由接入的即插即用(plug and play)平台，使系统具有强大的扩展性，主要体现在2个方面：一是为用户提供友好自由的接入环境，并在用户自由投切负荷或分布式电源时最小化对系统侧的扰动；二是利用标准化通信接口，使大量分布式设备接入电网后可以通过广域协调控制系统进行优化分配和管理。

以美国FREEDM系统研究中心研发的固态变压器(Solid State Transformer，SST)为代表的新型电力电子设备已经可以实现上述功能[11]。SST是基于大功率开关器件和高频变压器的变换器，其核心硬件由整流器、变换器和逆变器三部分组成。与传统变压器相比，SST利用电力电子控制技术和直流总线储能功能，具有双向潮流灵活转变、功率因数可控修正、用户侧电压整定、故障双向隔离等创新功能，支持系统与用户之间的实时信息交互，实现电力高效路由控制管理。

目前，SST已经集成了智能能量管理(IEM)系统和故障隔离设备(FID)等装置并成功应用在“1MW 绿色能源路由器”系统示范工程中，利用标准化通信接口，实现庞大量的分布式设备的广域协调控制，根据系统需要可以采用集中式分层计算或分布式计算等先进优化控制算法，处理规模庞大的系统变量信息，充分发挥可控元件的调峰、储能潜力。该类技术的商业化应用还需要大功率半导体开关、大容量储能元件、分布式算法、数据挖掘、数据管理、信息安全等关键技术领域的进一步发展，提高系统的兼容性、灵活性和稳定性。

4 我国能源互联网的实施路径

根据国务院近日发布的《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》中所提出的“互联网+”智慧能源行动计划，能源领域将逐步通过互联网技术促进能源系统扁平化，引领能源生产与消费模式革命，推进分布式能源网络建设，提高清洁能源占比，促进能源利用结构优化，加快电网智能化改造，全面提高电力系统运行的安全性、可靠性和灵活性。

能源互联网将互联网体系与能源网络进行融合，实现多网络间信息流和能源流的双向互动，这与当前互联网的架构思路是相似的。但能源互联网与传统互联网之间也存在的差异：传统互联网的构建是自下而上，从每一个基础单元开始的，对目标网络的传输性能和可靠性也没有严格的限制；能源互联网的构建则是在电网、天然气网、电气化交通网等网络都在并行发展的基础上，研究如何在各网络间建立联系，实现各网络互联，满足能量与信息的高效、安全、可靠共享需要。因此能源互联网的发展既要借鉴传统互联网的经验，也要充分考虑自身的独特性。

为实现构建能源互联网的目标，需要从顶层设计、系统架构、标准制定、技术创新等多个方面和环节入手，从多网络并行发展到相互融合，从简单架构到复杂体系，全面建立能源互联网技术与产业发展体系。

近期要站在全局高度，做好顶层设计和系统架构研究，明确能源互联网的功能定位与组织架构，统筹考虑系统布局，协调发展，确定能源互联网的未来的发展模式和技术需求，特别是要重视对能源互联网的相关政策、技术标准与协议的统一、深入研究，以便为后续工作的开展提供依据。

中期要根据顶层设计架构，在电网、天然气网和电气化交通网中同步推动分布式、清洁能源、智能控制、信息管理系统和网络分享安全等关键技术领域的研发创新，并根据“E-Energy”、“Energy Hub”等相关研究计划，开展新技术与各能源网络的融合实验，确保能源互联网中各子网络的并行智能化升级，为最终形成能源互联网创造条件。

远期通过信息的实时互通与广域共享，实现电网、天然气网、电气化交通网的融合，为大规模清洁能源的接入和消纳提供坚强的智能化平台。根据能源互联网的实际应用情况，在需求调研、机制设计、政策支持等方面完善软环境，最终使能源互联网成为横向多资源优化互补，纵向生产、运输、使用、储存链条最优，适应社会可持续发展的未来理想能源体系，全面带动清洁能源体系建设和先进制造业发展，全面实现能源供给和消费革命。

5 结 语

能源互联网是将清洁能源技术和信息技术高度融合的新型能源利用体系，代表了以清洁能源输送为主导的未来能源产业发展方向。

能源互联网的顶层设计理念是以国家能源“四个革命”为指导，在开放性的能源体制下，通过互联共享的多元化供给体系完成终端能源“两个替代”，形成清洁高效的消费模式，引领能源信息技术革新，最终发展为满足大规模清洁能源高效利用和充分共享的综合能源系统，全面实现能源生产和消费革命。

落实能源互联网建设的关键是坚持以电力发展为核心，重点解决落实全方位能源安全，以能源流为基础协调规划多能融合系统，进一步发展特高压和柔性输电技术、以及分布式设备即插即用接入，满足大规模清洁能源安全利用和互联共享等关键问题。近期要尽快明确顶层设计和完善相关政策、技术标准，以此为依据，中期并行开展电网等子网络的升级改造，远期适时完成多网融合，全面实现能源互联网的构想。

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刘开俊，男，教授级高工，电力系统规划领域专家。

(编辑： 魏希辉)

Development Path Exploration of Energy Internet

LIU Kaijun

(State Power Economic Research Institute，Beijing 102209，China)

The development patterns of over reliance on fossil energy are changing, accelerating the construction of energy internet with clean energy transmission as the core has become the inevitable trend of energy development. This paper analyzed the basic connotation and characteristics of energy internet, and expounded the basic idea of its framework system construction and top-level design. Finally, taking the power system development as the core, this paper proposed the task and challenge in the development of energy internet, and discussed the development path of the energy internet.

energy internet; smart grid; multi network coordinated planning; distributed energy; UHV transmission

国家电网公司科技项目(北极风电开发与全球互联电网展望)。

TM 715

A

1000-7229(2015)10-0005-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.001

2015-08-10

2015-09-11