能源互联网探析

【中云网12月25日消息】 【内容提要】 能源互联网将代表未来信息与能源-电力技术深度融合的必然趋势、是新一代工业革命大潮的重要标志、是智能电网的重要组成部分和未来发展前沿。能源互联网借鉴互联网思维和理念构建新型信息-能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网、分布式能源等能量自治单元为“局域网”，以开放对等的信息-能源一体化架构真正实现能量的双向按需传输和动态平衡使用，因此可以最大限度的适应新能源的接入

【中云网12月25日消息】 【内容提要】 能源互联网将代表未来信息与能源-电力技术深度融合的必然趋势、是新一代工业革命大潮的重要标志、是智能电网的重要组成部分和未来发展前沿。能源互联网借鉴互联网思维和理念构建新型信息-能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网、分布式能源等能量自治单元为“局域网”，以开放对等的信息-能源一体化架构真正实现能量的双向按需传输和动态平衡使用，因此可以最大限度的适应新能源的接入。本文在介绍能源互联网的基本概念、内涵与外延的基础上，分析了需要重点解决的关键技术问题，即能源互联网总体架构与标准体系、能源互联网组网与互操作模型与技术、能源互联网建模、仿真与分析技术、能源互联网运行与控制装备与技术、能源互联网的安全防护、质量监督与认证体系、能源互联网量测、评价与技术经济分析。

1.能源互联网概念及范畴

1.1基本概念

能源互联网是以互联网思维与理念构建的新型信息-能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网、分布式能源等能量自治单元为“局域网”，以开放对等的信息-能源一体化架构真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，因此可以最大限度的适应新能源的接入[1]。虽然能源形式多种多样，电能源仅仅是能源的一种，但电能在能源传输效率等方面具有无法比拟的优势，未来能源基础设施在传输方面的主体必然还是电网，因此未来能源互联网基本上是以互联网式的电网为枢纽构成的能源-信息系统。

能源互联网基本架构如图1所示。微网、分布式能源等能量自治单元可以作为能源互联网中的基本组成元素，通过新能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及微网内的储能或用电消纳形成“局域网”。能源互联网是此基础上的广域联接形式，作为分布式能源的接入形式，是从分布式能源的大型、中型发展到了任意的小型、微型的“广域网”实现。大电网的形成有其必然性，在传输效率等方面仍然具有无法比拟的优势，将来仍然是能源互联网中的“主干网”。微网或分布式能源接入、互联和调度灵活但存在供电可靠性较高等问题，大电网供电可靠性较高但尚难以适应大量新能源的灵活接入和双向互动，能源互联网可以起到衔接作用，综合两方面的优势。能源互联网是采取自下而上分散自治协同管理的模式，与目前集中大电网模式相辅相成，符合电网发展集中与分布相结合的大趋势。

图1 能源互联网基本架构

1.2内涵与外延

能源互联网的内涵是以互联网思维和理念变革能源基础设施。如果说智能电网还是现有电网架构上通过信息化和智能化的手段，解决设备利用率，安全可靠性、电能质量等基本问题；而能源互联网的关键性拓展在于采用互联网理念、方法和技术实现能源基础设施架构本身的重大变革，使得能量的开放互联与交换分享可以跟互联网信息分享一样便捷。能源互联网区别于传统能源基础设施的本质特征包括：

开放

互联网实现信息的随时随地接入与获取，主要取决于开放式的体系结构。能源互联网要实现开放性，需要可再生能源和储能、用能装置的“即插即用”。能源互联网的发展要借鉴互联网的发展方式，走标准先行、应用驱动，进一步带动产业和市场发展的道路。

互联

“局域网”与“广域网”的本质不同在于“广域网”必须解决规模化开放互联的问题，这就需要简洁易行的标准协议作为基础。“局域网”内部可以进行多种能源形式的转换，可以进行风光储用的平滑与协调，但“广域网”的互联必须是建立在局域消纳的基础，形成简捷的能量交换方式，才可能实现大规模互联。

对等

同传统电网自顶向下的树状结构相比，能源互联网的形成是能量自治单元之间的对等互联。任意单元之间的连接是逻辑上的，真正的实现必须建立在分散路由的基础之上。能量的传输应该是多次路由的结果，其间是解耦的，进而可以避免一系列安全稳定性问题；同时传输路由路径之间可以是动态互为备用的，在保证冗余和可靠性的同时不降低系统的利用率。

分享

分布、分散与分享也是能源互联网的主要特征，原来仅依赖于中心调度与管理的功能可以采用分散-协调的方式来更高效地实现，而“局域网”（如微网）的监控甚至可以采用没有“中心”的对等模式。借鉴互联网应用中借助社交网络的信息分享机制，能源互联网中各局域网间的能量交换与路由也都是就近实时动态进行的，以分散式局部最优和高效的全局协调来实现电网整体能量管理的调度优化。

能源互联网的外延在于信息物理融合，真正实现信息能源基础设施的一体化。信息基础设施与能源基础设施发展的内在动因决定了信息能源基础设施走向融合一体化发展的道路。未来信息基础设施以数据中心为核心，通过高速通信网络相连接，同时支持物联网和移动互联网的接入，其发展过程中遇到了明显的能源瓶颈；同时，智能电网与能源互联网的发展对信息化、智能化的要求越来越高，迫切需要新一代信息技术的支撑。信息能源基础设施之间的功能、性能等方面的互补性也为其融合一体化提供了经济可行性。

1.3概念的演进

1.3.1分布式可再生能源

能源可持续发展是当前摆在人类面前最重要的难题。目前人类处于工业化社会，需要大量的能源，但使用的能源主要是化石能源，这种能源不具有可持续性，有不可再生的局限，存储总量有限，且会对环境造成破坏，如碳排放、温室效应等。同时，由于经济的发展和社会的进步，能源的需求还在进一步加大，此矛盾导致了化石能源价格的不断激增，会对人类社会特别是发展中国家的发展带来很大阻碍。为了摆脱社会发展对化石能源的过度依赖，可再生能源的发展提供了彻底解决能源可持续发展的希望。

分布式能源是指分散存在且易于利用的各种类型的能源，包括可再生能源（如太阳能、生物质能、风能、水能、波浪能等）和可方便获取的化石类燃料（如天然气），将这些能源转换为电能充分加以利用，实现对用户的分布式供电，有助于提升能源的利用效率，更好地满足用户的能源需求。在分布式能源中，可再生能源不会对环境造成影响，可以被重复利用，具有可持续的特点。由于以上特点，分布式可再生能源受到了各国能源专家的重视，被视为替代传统能源的可靠途径。

1.3.2智能电网和微网

尽管分布式可再生能源具有可持续可再生的特点，该种能源大多具有能量输出不稳定的特点，如太阳能受限于太阳光的强弱，风能受限于风力的大小。同时由于其分布式的特点，大量能源节点的无序接入将对电网稳定运行产生很大的影响，会产生不必要的扰动，甚至导致整个电网的崩溃。因此，需要采用一定的设备和结构形式对分布式能源的接入进行处理，而智能电网和微网技术为解决这一问题提供了新的契机。微网为中小容量分布式能源接入提供了一种新的结构形式，可有效的解决分步式能源的接入和使用。而智能电网借助信息系统的辅助，不但有助于分布式能源的灵活接入，而且能实现其间的双向互动。

1.3.3能源互联网

通过借助因特网的信息交互和传输共享的概念，作为智能电网的进一步发展的能源互联网概念被提了出来。通过能源互联网，能量能以类似于因特网的方式，在电力线路网络中按需流动。同时能源互联网能够对电力流动的路径进行优化和管理，类似于互联网中的路由。通过能源互联网实现了能量流在电力网络中的双向按需流动。

目前开展的智能电网基本是现有电网架构下的信息化、智能化[2]，能源互联网是借鉴互联网思维与理念构架的新型电网，其中的开放互联、能量交换与路由等特征有别于目前一般意义下的智能电网，可以形象的称为智能电网的2.0版本[3]。

总的来说，信息通信与能源电力结合发展分为三个阶段，第一个阶段为数字化、信息化阶段。此时，信息通信为能源电力行业提供服务，带来方便、快捷等好处。第二个阶段为智能化阶段，也就是智能电网阶段。在该阶段，信息通信成为能源电力基础设施不可或缺的组成部分，以信息流与能量流的结合为特征。第三个阶段为信息物理融合阶段，表现为信息通信基础设施与能源电力基础设施的一体化，也就是信息能源基础设施一体化意义下的能源互联网阶段。

1.4意义与作用

1.4.1能源互联网是现实意义下能源可持续发展提切实可行的道路

能源可持续发展是当前摆在人类面前最重要的难题，可再生能源的发展虽然提供了彻底解决能源可持续发展的希望，但可再生能源的利用方面仍然存在问题。能源互联网在现实意义下提供了一条切实可行的发展道路。里夫金在《第三次工业革命》一书中做了这样的描述：“当数以百万计的建筑实时收集可再生能源，并通过智能互联电网将电力与其他几百万人共享，由此产生的电力使集中式核电与火电站都相形见绌。”[4]

1.4.2能源互联网天然支持分布式可再生能源的接入

欧盟、美国和中国相继分别提出到2050年实现可再生能源在能源供给中占100%, 80%和60%～70%的目标。而风、光等大部分可再生能源的间歇性和波动性决定了仅依赖现在的集中式电网运行架构是无法适应如此规模的可再生分布式能源接入的。能源互联网通过局域自治消纳和广域对等互联，可最大程度地适应可再生能源接入的动态性，通过分散协同的管理和调度实现动态平衡。

1.4.3能源互联网在安全、可靠、稳定以及利用率等方面技术优势明显

互联网体系架构决定了其安全稳定性较高，而其冗余方式可保证系统整体的可靠性；同时通过分散路由等方式实现设备和线路的动态备用，保持一定的利用率。能源互联网可以借鉴其中的机制，但能量和信息的交换和传输是有本质不同的。相比现在集中式电网自上而下的紧耦合模式，能源互联网能实现局域自治，在广域互联中可通过储能缓冲、直流输电等方式实现解耦，同时局域不稳定问题可以通过广泛互联实现广域的动态互备用，达到安全稳定可靠的目标，而不是依靠过大的安全裕度而降低了系统的利用率。

1.4.4能源互联网是源用混合场景下对现有输配网的有益补充

能源互联网不是取代现有电网架构，而是着重在分布式可再生能源接入越来越广泛，源用混合场景越来越普遍的形势下借鉴互联网理念提供一种自下而上的新型组网方式，能源互联网通过局域自治和广域能量交换最大限度的适应源-用的动态随机性，减少对大电网的影响，大大降低大电网的安全稳定性风险，是对现有大电网的有益补充。

2 能源互联网发展重点及重要技术

能源互联网的发展需要多方关键技术的支撑，目前技术创新发展方向和研究热点主要集中在总体架构与标准体系、组网与互操作模型与技术、建模、仿真与分析技术、运行与控制装备与技术、安全防护、质量监督与认证体系、量测、评价与技术经济分析等方面。

2.1能源互联网总体架构与标准体系

在图1所示的能源互联网基本架构的基础之上，发展分层分级的能源互联网总体架构，大致分为以下四个层面：

能源“局域网”

对应目前电网架构中的用户侧，如在微网或智能小区的内部，实现多种能源形式的转化和分享。例如里夫金提到未来理想的能源互联网场景“在即将到来的时代，我们将需要创建一个能源互联网，让亿万人能够在自己的家中、办公室里和工厂里生产绿色可再生能源。多余的能源则可以与他人分享，就像我们现在在网络上分享信息一样”。这是典型的在需求侧实现能量的分享。

能源“广域网”

对应目前电网架构中的配电网，在微网或者分布式能源等能量自治单元基础之上实现之间的能量交换与路由。与美国FREEDM项目类似，在配网层面上实现可再生能源接入、储能已经负荷的“即插即用”。

能源“主干网”

对应目前电网架构中的输电网，把一个同步集中控制的大电网逐步转变成一个异步自治互联式电网，如可以大力发展高压直流输电技术连接区域交流电网，或者采用直流背靠背技术，将现有集中统一的交流大电网进行分隔，避免由于无法实现动态灵活的供需平衡而引发和传播安全稳定性问题。

全球能源互联网

全球能源互联网的构想由国家电网公司提出，是一个面向未来的能源基础设施蓝图。借鉴互联网实现国际乃至洲际互联，能源互联网也可以实现全球联网。由于互联的电网分属于不同的地区、国家和运营商，对能源互联网的开放性和标准化的要求比较高。没有一个简洁、有效、易行的全球统一的能源互联标准，全球能源互联网就无法实现。

能源互联网的标准体系共分为4层：

第1层是能源互联网通用基础标准

第2层能源互联网的公共支撑性标准

包括术语与缩略语、方法学、用例分析、概念模型、体系架构和技术指导原则等等。

第3层是能源互联网的专业基础标准

这是各专业的共性要求。可以分为八个专业，分别是组网、运行管理、测量、互操作、信息集成、安全、市场和技术支持系统。八个专业是目前的分法，以后不排除增加新的专业，或者在专业领域增加新的个性标准。

第4层是针对各专业的个性标准

这样，通过将通用基础标准、公共支撑性标准和专业基础标准提取出来，既可以避免重复和不一致，也能使个性标准的专业针对性很强。

标准化工作是能源行业的重要基础，标准化工作是推动技术进步、提高产品质量、工程质量和服务质量，促进国民经济和社会健康发展的重要技术基础。从技术发展角度，互联网的成功经验显示，标准的引领作用显得非常重要。因此能源互联网的发展也应该走标准引领进而推动市场和产业发展的道路。

2.2能源互联网组网与互操作模型与技术

开放性是能源互联网区别于以往智能电网的一个关键，要实现类似互联网的开放对等广泛互联，在能源互联网标准体系中开放的接口定义和互操作模型框架必不可少。互联网的标准模型协议的主要特点是开放、简洁、易行，才导致了大规模应用和迅速发展。如TCP/IP协议等奠定了互联网发展的基础，广域互联规避了局域网信息交换底层复杂协议和机制，与局域网协议有本质的不同，因此才能形成大规模的互联发展。

要实现能源互联网开放式的组网，相关单元如风、光、储、负荷、能量交换与路由装置等要实现“即插即用”，必须满足相应的互操作模型。不但信息模型与交换技术是必须的，相应的能量传输、交换乃至路由技术更加重要。组网与互操作模型是能源互联网得以以开放对等方式实现广泛互联的基础。虽然不同层级互联的对象不同，其相应的组网与互操作模型应该是一致的。

2.3能源互联网建模、仿真与分析技术

基于现有的电网仿真环境，结合信息物理融合仿真技术，将信息和能源基础设施仿真紧密结合，开发适合能源互联网场景的软硬件结合的仿真和开发环境，为能源互联网研究与发展奠定基础。

开发信息物理多元模型

针对能源互联网涉及的通信、计算、储能、电力电子、可再生能源接入等等开发相应的仿真模型。

实现能源局域网、广域网和主干网的联合仿真

与互联网类似，能源互联网在局域、广域和主干网的特点不同，相应的实现和管理方式也有本质的不同，能量在局域侧重多种形式的快速转化，在广域传输侧重系统的开放性、可扩展性和标准协议的简约，在主干网强调大电网的异步自治解耦互联。而联合仿真意味着将现有的电网暂态和稳态仿真分析与计算机网络仿真技术相结合，得到信息物理融合意义下的电网运行和信息网络运行相互作用关系的分析结果。

实现分散协同的能量路由调度、分析与优化

首先，能源互联网中需要的新型的能量管理系统必须是分散协同式的，其充分考虑了可再生能源发电的特点，强化可再生能源发电系统和电网之间的链接和交互，使得可再生能源发电被充分利用，最大化整个电网的收益。其次，在能源互联网系统中，传统电网用户不仅是电力使用者，也是电力生产者。他们可以将生产的电力无障碍地传输给电网，并获取相应的回报。通过电力生产控制、通讯技术和能源存储装置的协调工作，能源互联网系统可以实现可靠的双向电力传输，同时为普通和工业用户提供高质量的电力供应。

另外，能源互联网发生故障时要求能源互联网各分布子系统可以自动实现孤岛运行与并网运行之间的平滑切换，整个网络的中枢系统可以基于本地信息对能源网中的事件做出快速独立的响应。传统的能量管理系统在消纳大规模可再生能源发电方面遇到瓶颈，需要在能源互联网的基础上实现一个能源信息实时采集、处理、分析与决策的分散协同式的新一代能量管理系统。

基于物联网、云计算和大数据分析等先进通信信息技术的支撑，主要包括电能信息采集控制系统、电能质量监测分析系统、电网能量管理系统、用户侧能量管理系统等多个子系统。例如负荷信息不全和参数不准一直是电力系统仿真分析和能量管理的重要问题，能源互联网与信息基础设施紧密结合，可以为实时动态的收集和处理海量负荷信息提供最强有力的技术支撑，同时提供智能信息处理和决策支持能力，实现电源和负荷的协调控制、电能质量控制以及其他高级能量管理功能和应用。如能够根据能源需求、市场信息和运行约束等条件实时决策，自由控制可再生能源发电与电网的能量交换；提供分级服务，通过延迟对弹性负荷的需求响应确保关键负荷的优质电力保证；对设备和负荷进行灵活调度确保系统的最优化运行等等。

2.4能源互联网的关键装备--能源路由器

能源路由器是能源互联网运行与控制的具体实施装置，在实际应用中执行智能管理系统的调控指令，包括能源的高效传输装置、低损耗转换装置、高效能源自由路由装置等。通过这些装置实现能源远距离、高功率、低消耗的传输和调配，完成不同地区上传能源的全网优化分配，实现不同地区用能需求的全网调配。优化的能源路由方式与低功耗能量传输装置的结合是实现能源互联互通，共享能源生产与分配的核心环节。

能源互联网从根本上是对能源流的精细化管理控制，改变传统单项的能源流流向为双向的流向，在能源网络中对电源、负荷或储能容量等进行分组，构成能源子网，分区域、分层次的实现能源的管理控制。因此，可以友好接入到当前电网中的能源路由器，完成区域能源的管理控制，对实现覆盖于当前电网上的能源互联网是核心的设备。任何不稳定的能源接入（例如风能）都需要一个优秀的能源路由器。通过能源路由器可以管控能源网内的能源流，能源路由器提供多种接口对应多种能源流类型的接入和输出，可以提供对不同结构为电网的管理，实现多层次能源网络的开发式管理控制。

能源路由器是能源互联网实现的核心，比信息路由要复杂很多，是智能变压器的进一步发展，主要技术包括能源路由器的存储控制，能源互联与路由机制，在分布式能源的基础上实现能源的对等互联、缓存、交换和路由。能源路由器可以根据信息流完成对能量流的控制，是电磁技术、通信技术、控制技术、电力电子技术、计算机技术的高水平综合产物。

2.5能源互联网的安全防护、质量监督与认证体系

当前基础设施部署广泛，已投入高额成本，且技术为人们所熟知，彻底更换现有基础设施的激进作法不现实。但照搬互联网架构到能源领域的问题之一是安全性，现有互联网架构的最大问题是发展之初没有做好安全防护方面的顶层设计，导致大规模发展后互联网安全问题成为制约因素。比如传统网络强调机器的连接，而现在互联网是以内容为中心，借鉴内容中心架构、软件定义架构，可以更好地解决互联网安全问题。因此要在能源互联网中实现信息流支撑能源流的安全防护和管理，可以借鉴未来网络体系架构研究的最新成果，从源头上避免安全方面的问题。

能源互联网的开放并不意味着没有监管，相反能源互联网由于其对安全可靠性要求更高，而需要加强监管和质量保障。需要通过调查研究相关领域的质量监督和认证体系，尝试建立能源互联网场景下的相关体系架构，其中包括能源互联网建设、组网、实施、运行、服务、运营等多个阶段相关的监督和认证体系。

2.6能源互联网量测、评价与技术经济分析

借鉴互联网和电网的发展经验，量测和评价体系是必不可少的。这包括对能源互联网量测体系架构与一般要求、测量数据传输接口与管理规范、测量组件接入能源互联网的技术要求等等内容。

能源互联网的评价指标体系将涉及多个维度：从基础设施到上层业务服务；从能源到信息增值服务；从网络性能到传输质量；从安全可靠性到风险成长性等等，都需要仔细梳理，形成对实践具有指导意义的评价体系。

能源互联网关键技术涉及储能、电力电子、数据中心等，许多技术仍然处于产业化前期，尚不具备大规模推广的市场前景。能源互联网发展的经济可行性如何是一个被广泛关注的问题，其中除了关键技术的经济可行性外，还需要考虑能源互联网作为整体架构的技术经济分析，进行具体研究和详细核算。

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（曹军威/清华大学信息技术研究院研究员、院务委员会副主任）

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