能源互联网体系框架及新技术研究
前 言
能源革命从上个世纪开始就成为全球关注的议题之一，诸多国家都致力于新能源领域的开发及相关技术的攻关。革命初期，多能源转换，尤其是将化学能转化为热能乃至机械能，是领域研究的重点；到了中叶，开发可再生清洁能源在很长的周期内成为解决环境和资源短缺问题的突破点，相应的开发及储存技术也应运而生；当前，随着互联网技术的兴起，对于能源的利用已不仅停留在清洁、高效、低成本，更多的是立足于智能管理、优化控制等网络化程度更强的能源利用。因此，能源互联网这一新兴词汇便随着互联网技术中的大数据、云计算、人工智能应运而生。
什么是能源互联网
能源互联网是以互联网技术为基础，以电力系统为中心，将电力系统与天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑系统等紧密耦合，横向实现电、气、热、可再生能源等“多源互补”，纵向实现“源、网、荷、储”各环节高度协调，生产和消费双向互动，集中与分布相结合的能源服务网络。
能源互联网的特征，从物理维度上是一个以电力系统为核心，以可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统；从信息维度上是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的信息物理融合系统；从市场维度上看：提供绿色能源灵活交易的平台，构建开放、自由、充分竞争的市场环境，能激发市场中各商业主体的积极性。
与智能电网相比，能源互联网的侧重点在于新能源的占比及影响的研究，更着重去探讨当可再生能源的占比到达很高的时候，现有的电力系统应该如何去支撑整个环境。同时，虽然电网作为核心部分，但清洁可再生能源的多能转换利用决定了能源互联网需要将电网与天然气、热能网络等紧密耦合，其能量形式可以囊括电能、化学能、热能、机械能等。
能源互联网体系研究
能源互联网的体系由下至上可以分为能源层、网络层和应用层，如图1所示。
图1 能源互联网体系架构图
其中，能源层主要是进行能源的生产、转换、传输和利用，包括化石燃料的发电、清洁可再生能源的多能转化、电力利用等；网络层主要是通过广域布局的智能传感进行能源相关数据的采集和传输，利用互联网技术，实时获取海量数据；而应用层主要是利用大数据、云计算、人工智能等技术进行能量信息的数据共享，主要包括能源设备的运行状态和各能源系统的实施运转状况等，主要实现途径是对海量数据信息进行分析和处理，从而搭建能源交易平台来对各种能源交易进行数据支撑，承担能源互联网的信息采集、管理方案、能源交易等方面的运行工作。
在此体系下，能源互联网可以完成多能源协调管理，根据电、气、热网领域行业的运转情况，从能源价值最大化、系统安全运行、多能源交易准则和法规的角度对多能交易及资源配置进行统一的协调管理，从而可以保障能源的高效、安全供应及能源互联网的健康发展。同时，用户可以借助平台了解需求侧的具体情况，同时借助系统控制网络实现能源储备和需求的匹配。作为需求侧主体，用户也可以参与供电供热等供给侧环节，借助能源交易平台及分布式储能系统进行在线的能源交易、转售等业务。
能源互联网新技术研究
能源互联网3层架构中所涉及的新技术主要包括大数据、云计算、智能传感、新能源发电、储能等相关技术，这些技术最终都会通过能源互联平台进行连接，成为能源互联网个性化的技术链。
1 分布式能源与ICT融合技术
通过将光伏发电与互联网相结合打造的光伏云是分布式能源接入能源互联网的雏形。光伏云分为设备、数据处理、服务、应用端四部分。由光伏阵列和电表组成的设备部分是实现光伏发电的基础设施，数据处理环节通过前置机中的采集设备将光伏发电的发电量、电能质量等数据信息经过大数据存储和处理提供给服务端，在服务部分可以实现数据服务、安全服务、任务调度服务等多种多样的监控、管理服务，这些服务可以在我们的手机、电脑平台查看和操作，实现光伏的应用端落地。通过着四部分的配合，能源与大数据云计算相互协调，真正实现能源的可控化和智能化。
光伏云网以客户需求为导向，以全面提升分布式光伏运营效率为目的，整合技术、信息、数据等分布式光伏全产业链资源，实现信息发布、在线交易、智能管理、金融服务、大数据分析等功能，提供集信息发布、咨询评估、方案推荐、设备采购、安装调试、并网接电、电费结算及补贴代发、金融服务、运行维护等全流程一站式服务，实现分布式光伏线上线下全业务全流程贯通。
2 能源转换与ICT融合技术
能源转换设备的主旨是一次能源向方便使用的能源的转换。它可以将太阳能、风能、热能、生物质、地热、燃气、油等能源转换为电能，也可以将电能以特定介质储存起来。电力在能源的生产、转换、传输、应用环节起到枢纽的作用。真正实现能源的互联互通。当前能源转换设备面临的三大挑战是：1、提升电能变换能力；2、系统优化设计；3、装备和系统的可靠性。面对这三大挑战行业的研究重点集中在提高能量转换效率和能量的自动择优配置方面。
等效于互联网的连接和信息传输，在能源互联网中能量的转换设备通常被称为能源路由。在能源路由器中，可以实现可再生能源控制、能源存储、能源管理，将网络层采集的数据传输到应用层分析，然后，有效控制能源的应用。
3 新型储能与ICT融合技术
能源互联网的安全、灵活可接入属性决定了必须拥有强大的储能装置满足能源的供需波动，新型储能材料作为能源互联网中削峰填谷、能源综合利用的关键，铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池、液硫电池等多种新型储能材料作为当今的热门话题和技术前沿深受行业研究人员的追捧。
储能系统从整个电网，即发电侧、输电侧到用户侧都具备作用，在发电侧主要起到新能源发电的平滑，相当于能源的一个数据库；在输电侧主要起到调峰、调频作用；在用户侧主要是分布式发电系统合理配置方面的问题。更重要的是，储能技术利用ICT技术将依据不同时段的电价、电能质量等相关信息，有效地调度能源流的方向，从而达到降低运行维护费用和提升整个能源网络整体效率的目的。
4 智能传感技术
智能传感技术包括光纤传感、生物特征识别、无线传感、图像识别、传感网等技术。智能传感器获取能源互联网中输配电网、电气化交通网、信息通信网、天然气网运行状态数据及用户侧各类联网用能设备、分布式电源及微电网的运行状态参数，传感器数据经过处理、聚集、分析并提供改进的控制策略。通过智能传感技术体系，能源互联网支持端到端的业务，实现用户与电网之间的互动，而且可实现各种智能设备的即插即用，除了智能电能表以外，还支持其他各种非电表设备的无缝接入。
智能传感作为全球能源互联网的“神经末梢”，对于准确感知电网状态参量，保障电网安全稳定运行具有重要意义。主要包括光纤传感、生物特征识别、无线传感、图像识别、射频识别、多维感知等。智能传感技术有助于能源互联网的可感知、可控制、更智能。
5 大数据、云计算技术
云计算是一种能够通过网络随时随地、按需方式、便捷地获取计算资源(包括网络、服务器、存储、应用和服务等)并提高其可用性的模式，可实现随时、随地、随身的高性能计算。互联网营销技术包括实现互联网营销的电子商务平台技术和相应的营销模式；能源互联网将支持B2B、B2C、C2C等，利用互联网强大的互联互通能力，支持发电商(含分布式电源与微网经营者)、网络运营商、用户、批发或零售型售电公司等多种市场主体任何时间、任何地点的交易活动。
大数据是指无法在一定时间内用传统数据库软件工具对其内容进行提取、管理和处理的数据集合。能源互联网中管网安全监控、经济运行、能源交易和用户电能计量、燃气计量及分布式电源、电动汽车等新型负荷数据的接入，使得其数据量将较智能电能表数据量增大很多。从大数据的处理过程来看，大数据关键技术包括：大数据采集、大数据预处理、大数据存储及管理、大数据分析、大数据展现和应用(大数据检索、大数据可视化、大数据应用、大数据安全等。
结束语
能源领域的变革对工业、交通、城建等发展影响深远，是一个国家可持续发展的根本动力之一。2015年9月26日，习近平总书记在联合国发展峰会上发表重要讲话，倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。这是习近平总书记站在世界高度，继“一带一路”之后提出的又一重大倡议，是对传统能源发展观的历史超越和重大创新。信息通信技术与能源领域的深度融合，实现了信息流和能量流的双向智能交互，既利于国家的可持续发展，也符合了大力发展数字化、智能化产业的时代背景。《人民日报》最近发表的专家文章中指出“构建综合能源系统有助于打破能源子系统间的壁垒”、“有助于解决我国能源发展面临的挑战和难题”、“有助于推动我国能源战略转型”。而能源互联网的建设，更是在综合能源系统逐步完善的基础上，依托互联网技术实现能源全周期的智能管理、双向交易及附加服务，最终迈入全球能源互联网的发展路径中。
作者简介
王梦迪，现就职于中国信息通信研究院泰尔系统实验室能源与环境测评部。
联系方式：wangmengdi@caict.ac.cn
齐曙光，现就职于中国信息通信研究院泰尔系统实验室，高级工程师，研究方向为信息通信能源技术、基础设施节能技术。
联系方式：qishuguang@caict.ac.cn
校 审 | 陈 力、 陆 廷
编 辑 | 凌 霄
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