【能源互联网洞悉】能源互联网技术发展体系概述
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：能源互联网通过对电、热、冷、气等多能源品种的高效转换、互补利用，以及对海量能源数据的多维度实时获取和深度挖掘，实现能源资源、能源信息和能源市场的横向多环节贯通与纵向分层协同。由此，能源互联网技术体系将由先进能源技术、能源信息融合技术和应用支撑技术三大类构成，技术发展整体上经历近期试点示范、中期集成应用、远期迭代创新三个阶段。
能源互联网技术发展体系概述
执笔人：王轶楠、王雪、吴潇雨
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
能源互联网通过对电、热、冷、气等多能源品种的高效转换、互补利用，以及对海量能源数据的多维度实时获取和深度挖掘，实现能源资源、能源信息和能源市场的横向多环节贯通与纵向分层协同。由此，能源互联网技术体系将由先进能源技术、能源信息融合技术和应用支撑技术三大类构成，技术发展整体上经历近期试点示范、中期集成应用、远期迭代创新三个阶段。
一、能源互联网的技术体系
能源互联网作为能源技术和信息技术的深度融合，其技术体系涉及能源网络协同、信息物理系统融合、创新运营模式等多领域技术的交叉融合。结合能源互联网能源层、信息层和应用层三个层级，聚焦能源生产、输送、配置、消费、服务、市场各个环节，从先进能源技术、能源信息融合技术、应用支撑技术三大类构建能源互联网技术体系，如图1所示。
图1 能源互联网的技术体系
其中，先进能源技术是能源系统自身在能源生产、转换、传输、存储、消费等各环节的技术进步，通过建设高比例可再生能源接入、多能互补的能源网络，实现能源互联网的高效化与协同化。能源信息融合技术是将先进信息通信技术引入能源系统，建设开放共享的能源信息网络，同时利用“大云物移智”等先进互联网技术实现能源互联网的智能化与泛在化。应用支撑技术是利用先进的控制技术和信息技术进一步革新能源系统，通过能源互联网的虚拟化和市场化，建设主体互动、自由交易、安全高效的能源生态系统。
二、能源互联网的关键技术
（1）先进能源技术
先进能源技术是指能源系统自身在能源生产、转换、传输、存储、消费等各环节的技术进步，通过建设高比例可再生能源接入、多能互补的能源网络，实现能源互联网的高效化与协同化，其关键技术包括新型发输配电技术、多能转换技术、储能技术、能源路由器等。
● 新型发输配电技术
除常规或传统发输配电技术外，核能小型模块堆发电技术、无线输电技术、直流配电网技术、冷热电三联供技术等新型发输配电技术可显著提升能源互联网中清洁能源发电的比重，为提高电能利用的便捷性提供新的解决途径，支撑储能、电动汽车等灵活资源接入及能源双向互动与梯级利用。
核能小型模块堆发电技术的突破将推进能源互联网中一次能源供应结构的变革。当前，世界范围内核能小型模块堆发电技术都处于设计论证和示范项目建设阶段。未来，核能小型模块堆发电技术将凭借其高度的安全性、良好的经济性、功率规模的灵活性和特殊厂址的适应性被广泛应用于能源互联网中，实现区域供电、供热、制氢等形式的能源综合利用。
无线输电技术的突破将带来能源互联网功能形态的深刻变革。当前，近距离无线输电技术处于推广应用阶段，美国、日本、中国、俄罗斯等国家正积极研发论证超远距离无线输电技术，力争早日实现从空间太阳能电站向地面的无线输电。未来，无线输电技术将重点突破输电功率和距离限制，提升能源互联网中电能传输的灵活性和经济性，促进能源广域互联。
直流配电网在输送容量、系统可控性以及供电质量等方面具有更加优越的性能，可以有效降低电力电子变换器的使用频率，有效解决分布式电源、多样性负荷与电网之间的矛盾。当前直流配电网技术处于技术攻关和示范项目阶段，未来直流配电网技术发展需加快突破运行控制关键技术瓶颈，同时需同步研发直流配电网关键设备，为能源互联网实现高比例可再生能源、大容量储能等低损耗接入及能源间的高效双向互动提供解决方案。
冷热电三联供（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）技术是能源互联网实现能效提升的重要元素。国外CCHP技术发展成熟，现处于大规模推广应用阶段；国内CCHP技术起步较晚，受气源短缺影响，处于小规模试点阶段。未来，随着能源互联网中新能源的广泛应用和控制技术的快速进步，CCHP技术将逐步向多种能源形式的耦合和集成方向发展，如研发太阳能热动力的CCHP系统。
● 多能转换技术
多能转换技术是能源互联网实现不同能源开放互联、高效转换的核心技术。能源转换除了常规的利用发电机等各种技术手段将一次能源转换成电力等二次能源外，还包括利用电解水制氢、热电耦合等技术，将电能转换为热、冷、气等其他形式的能源，欧洲率先把这种由电能向其他终端能源品种的转换技术称为P2X（Power to X）技术。未来随着P2X技术成本逐步降低、清洁性和系统调节效益日益显现，在能源互联网中的发展前景十分可观，新型P2X技术将持续突破能源互联网中不同能源种类间的转换限制。
● 储能技术
随着能源结构清洁转型不断深化，储能在未来能源发展格局中将扮演至关重要的角色，其独特的“能量转移”功能是解决新能源接入间歇性和波动性问题的重要技术路径，是实现能源互联网多能互补的重要手段。储能在电力系统中的应用可分为电源侧、电网侧和用户侧三大环节，包括新能源并网、电网辅助服务、分布式及微电网、工商业储能、电动汽车动力电池梯次利用等应用场景。未来，电化学储能技术有望成为能源互联网中能源存储的核心，储能装置经济性和容量水平的提升是实现商业化应用的关键。
● 能源路由器
能源路由器具有能源交互、智能分配、缓冲储能的功能，是能源互联网实现能源优化管理的核心设备，可为能源互联网中高比例可再生能源及储能的接入、高级能源管理与信息交互、自下而上自治组网和以用户为导向的市场模式等提供技术支撑。当前能源路由器设计理念先进，仍处在探索和研发阶段，如美国北卡州立大学和瑞士苏黎世理工大学研发的固态变压器和欧盟UNIFLEX-PM项目提出的“能量变换器”。未来，电力电子技术和大规模储能技术的协同发展是能源路由器实现的必要条件。
（2）能源信息融合技术
能源信息融合技术是将先进信息技术与能源技术深度融合，实现能源系统全环节智能化和分布式能源即插即用，以及能源链的资源和信息开放共享，其关键技术包括“大、云、物、移、智”等先进信息技术在能源领域的应用创新。
● 大数据技术
大数据技术立足于对海量能源信息数据的分析计算和深度挖掘，助力能源互联网实现智能化用能决策和高效运维管理。能源互联网中的大数据来自于管网安全监控、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。未来，大数据技术将助力能源互联网安全、稳定、经济、协同运行，催生新的商业模式。
● 云计算技术
云计算技术为能源互联网随时随地、按需匹配、便捷获取计算资源提供解决方案。在能源互联网中，利用有限的软硬件计算资源，将分散的能源资源数据在“云端”集成为新的“有机体”，实现广域能源信息共享，从整体进行智能计算，使能源资源配置更经济高效。未来，云计算在能源互联网中的应用范围将从企业云、局域云拓展到广域云，为能源产业链源-网-荷-储全局优化调度提供云计算服务。
● 物联网技术
在能源互联网时代，数据采集和连接需要深度下沉，物联网技术是能源互联网实现广泛互联的重要支撑技术。基于广域信息传感和低功耗通信，物联网技术弥补了传统通信技术无法监测与控制用能设备的不足，可有效获取能源互联网感知层的原始数据，为需求侧响应“最后一千米”提供技术保证。当前，低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）物联网技术凭借流量小、连接数量大的特性为工业生产、交通以及国家公共服务部门海量智能终端互联提供解决方案，实现广覆盖、低速率、低功耗和低成本的无线网络接入。未来，智能传感芯片设计制造核心技术的攻破将带动低功耗广域网物联网技术发展，为能源互联网中海量的“小数据连接”提供解决方案。通过泛在互联和智能感知，为精准分析源、网、荷、储相关业务提供理性、可靠的数据支持。
● 5G技术
5G技术是能源互联网实现能源信息高效可靠传输、共享的关键技术。5G改变传统能源业务运营方式和作业模式，为能源互联网用户打造定制化的“行业专网”服务，相比于以往的移动通信技术，能更好的满足能源互联网业务的安全性、可靠性和灵活性需求。中国5G发展已进入全球5G研发第一阵营，目前5G系统设备已具备商用条件，终端产品也日益丰富。未来，5G将以提供传输速度超过10Gbps的增强型移动宽带、毫秒级超可靠低时延及10倍于4G的超高连接数密度等优势，广泛应用于能源互联网中的智能配电自动化、视频传输、分布式能源接入等业务。此外，5G与云计算、大数据、人工智能等技术的融合创新，将进一步催生新需求、新技术、新模式，构建开放共赢的能源互联网产业生态。
● 人工智能技术
人工智能技术可为能源互联网提供智能决策支撑，实现能源的综合优化管控。通过人工智能技术可实现对海量运行数据的优化、分析、判断、决策，有助于形成具有柔性自适应能力的能源互联网。当前人工智能技术正处于蓬勃发展阶段，截至2018年底，我国人工智能企业数量位列世界前第二，投融资规模世界第一。随着相关技术的不断成熟以及各类应用场景的落地，预计2020年人工智能市场的整体规模将接近1000亿 。未来，人工智能技术将与能源系统深度结合，广泛应用于能源互联网源荷预测、多能协同智能调度决策、故障诊断等，进一步提升能源互联网智能化水平。
（3）应用支撑技术
应用支撑技术是利用多能协同控制技术、虚拟电厂技术、区块链技术等进一步打通物理能源层与应用市场层之间的渠道，通过能源互联网的虚拟化和市场化，建设主体互动、自由交易、安全高效的能源生态系统。
● 多能协同控制技术
多能协同控制技术是能源互联网实现能源优化调度、系统稳定运行、经济效益最大化的核心技术手段。通过多能流网络最优调度与控制，实现对能源互联网中广泛分布的一次能源和二次能源的灵活配置。当前多能协同控制技术仍处于技术攻关阶段，相关在研项目如“能源系统集成中心”（美国）、“能源系统弹射器”（英国）、“未来能源网络愿景”（瑞士）和“多能流综合能量管理系统”（中国）。未来，多能协同控制技术发展将加快打破不同能源系统间的控制界限，主要研究能源互联网内综合能源的分布自治综合控制系统实现方法，规范化信息模型和开放式服务接口的建立方法，以及冷热制取、存储及释放效率的优化控制方法。
● 虚拟电厂技术
虚拟电厂技术是能源互联网实现全域综合需求响应的重要技术手段之一。虚拟电厂技术采用互联网方式集成多种类型分布式能源系统和多种类型用能负荷，通过集成调控和管理，对外形成供能能力更为高效、更具弹性的类电厂系统，可实现规模化的能源资源合理分配、优化调度。目前，虚拟电厂技术在欧美发达国家有较多的研究，已有一些可供借鉴的小规模示范项目，我国虚拟电厂基本处于前期试点研究阶段。国内外现已实施的虚拟电厂项目包括：德国卡塞尔大学太阳能供应技术研究所的试点项目、欧盟虚拟燃料电池电厂项目、欧盟FENIX（Flexible Electricity Network to Integrate the Expected Energy Solution）项目、中国上海黄埔区商业建筑虚拟电厂项目等。未来，虚拟电厂技术发展需集中在物理、调控和市场三个层面。
● 区块链技术
区块链技术作为未来关键市场技术，是能源互联网实现能源全生命周期可信、可追踪的重要技术手段，将推动能源互联网金融业的发展。区块链强大的分布式算法能够保证能源互联网全网数据同步，从功能维度、对象维度和属性维度最大程度匹配能源互联网的特点，突破能源互联网金融在交易计价、风险测量和结算等方面存在的技术瓶颈。未来，区块链技术可广泛应用于能源生产、能源交易、能源资产投融资和节能减排环节，通过解决授信机制问题，提高广域能源互联网范围内的运行效率和整体水平。
三、能源互联网技术发展展望
能源互联网技术发展应针对先进能源技术、能源信息融合技术、应用支撑技术三大类中的关键技术，重点开展基础原理突破、核心设备攻关、试点示范应用和功能迭代创新，分阶段不断完善技术及标准体系。未来，能源互联网技术发展将表现为三大类技术的共同进步与深度融合，结合相关技术发展趋势，能源互联网技术整体上将分为近期试点示范、中期集成应用、远期迭代创新三个阶段，推动能源互联网从概念框架验证逐步向成熟定型方向发展。
近期试点示范阶段，能源互联网尚处于概念框架验证时期，技术发展将围绕多能源品种接入展开研发攻关，逐步提高能源在生产、传输、转换、存储、消费等环节的状态信息可测程度和数据精度。具体表现为：先进能源技术方面，大力发展新型发输配电技术，不断提高技术的成熟度和经济性，积极发展电化学储能技术，加快突破储能经济性和容量限制的技术瓶颈。能源信息技术方面，加快研制信息通信领域的核心传感器设备，持续攻坚核心技术算法，提高设备间泛在物联程度。应用支撑技术方面，加快建设基于虚拟电厂技术的能源互联网示范项目，推动基于物联网的信息采集与传输等研发和应用取得重大突破。
中期集成应用阶段，能源互联网处于快速发展时期，各类技术将以系统性、体系化的方式集成，围绕横向多能互补和纵向源-网-荷-储协调重点布局，逐步实现能源各环节的状态信息智能可控。具体表现为：先进能源技术方面，加快提高以P2X为代表的新型能源转换技术的经济性和转换效率，加快研制具有产业化前景的能源路由器设备，实现多能源品种的高效传输、低损耗转换、自由路由等功能。能源信息融合技术和应用支撑技术方面，应结合能源互联网示范工程，重点布局基于物联网的能源数据信息采集、基于5G通信的能源互联网广域信息传输、基于人工智能核心算法和大数据分析的能源优化调度，全面提升能源互联网的数字化、智能化程度。
远期迭代创新阶段，能源互联网处于发展成熟时期，各类相关技术达到深度融合，将在能源互联网全产业链、全价值链实现集感知、分析、预测、决策、控制、自学习于一体的智慧化运营与管理。具体表现为：以更先进的发输配电技术引领能源技术向更清洁、低碳、高效的方向发展；基于人工智能、数据挖掘技术实现对复杂场景下的多能流协同调度和智能控制决策；应用区块链技术助力能源互联网共享数据、优化业务流程、降低运营成本、提升协同效率、建设可信体系。此外，全产业链的数字化与互联互通会显著增强能源互联网的交互能力，通过共享能源公共基础设施和知识信息资源，降低创新壁垒与成本，引发创新思想的指数级增长，这将为能源互联网技术迭代带来颠覆性变革。
作者介绍
王轶楠，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，控制理论与控制工程专业博士，工程师。主要从事能源互联网、智能电网、综合能源服务、商业模式创新等相关研究，发表SCI、EI论文10余篇，申请发明专利6项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，曾获国家电网公司2019年度软科学成果奖一等奖。
王雪，国网能源研究院能源互联网研究所高级研究员，电力系统自动化专业硕士，主要从事能源互联网、智能电网、商业模式创新、国际能源等研究，先后承担国务院发展研究中心、国家能源局、国家电网公司委托的重大课题30余项，主笔编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，多次获得国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。
吴潇雨，国网能源研究院能源互联网研究所中级研究员，电力系统自动化专业博士，工程师。主要从事能源互联网、综合能源系统、综合能源服务等研究，发表相关SCI、EI检索论文10余篇。先后参与国家能源局、国家电网公司委托的重大课题5项，参与编写出版《国内外能源互联网发展分析报告2019》等著作，获国家电网公司软科学成果奖、国网能源院科技进步奖等奖项等。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
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编辑：杨彪
审核：蒋东方
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