【能源互联网洞悉】数字化推动能源高质量发展
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：在数字技术蓬勃发展的浪潮下，数字经济正在深刻改变人类的生产和生活方式，逐步推动各行业的数字化转型，为经济发展提供了新动能，也为能源行业指明了新方向。能源企业将数字化技术应用于能源生产、传输和消费各环节中，以构筑更加高效、清洁、经济、安全的现代能源体系，实现转型升级，重塑能源发展态势。
数字化推动能源高质量发展
执笔人：薛美美、张宁、代红才、吴贞龙
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
能源数字化演进路径
能源数字化发展大致分为能源信息化阶段、能源智能化阶段以及能源智慧化阶段三个阶段。各阶段分别以数据采集传输、能源系统状态监测，数据分析处理、能源系统优化控制，数据集成融合、能源系统虚拟重构为重点。
第一阶段为能源信息化阶段，以数据采集传输、能源系统状态监测为重点，是数字化发展的初级阶段。该阶段以能源生产监测环节中基础性数据采集和信息通信类技术的应用为主。但缺乏对数据信息的智能分析与处理，且能源生产、传输、消费等环节的信息相对封闭，数据流未形成闭环，数据缺乏一致性，很多信息难以集中访问与处理。此外，企业创新与变革初见端倪，新型理念、业务流程和商业运营模式正处于酝酿、发酵和试错的过程中。
第二阶段为能源智能化阶段，以数据分析处理、能源系统优化控制为重点，是数字化发展的中级阶段。该阶段数字化技术的整合式应用覆盖了能源生产、传输和消费的各环节，实现了终端设备信息的全面感知、能源各环节各要素互联互通、人与物之间的协同交流。通过对闭环数据的深度共享和智能分析，实现对各类资源的优化配置；且能充分发挥前瞻感知、主动预警和超前防御的风险控制优势，保障能源系统灵活安全、高效、可靠运行。
第三阶段为能源智慧化阶段，以数据集成融合、能源系统虚拟重构为重点，是数字化发展的高级阶段。届时，实体模型与数字模型深度融合，现实世界和虚拟世界实时互馈，通过虚拟世界的数字复盘及演算能力预言并重构现实。能源系统将具有自动化的智慧决策能力，相关元素能够自治自愈，支撑高度无人化的智慧运作，彻底重塑能源生产、传输和消费方式，对能源结构、能源效率和能源安全等产生显著影响。随着相关技术与应用场景持续迭代创新，能源数字化影响无可限量。
当前，能源行业整体处于第一阶段向第二阶段迈进过程，各类能源系统由于特性差异，发展程度不尽相同。电力系统信息化基础较好，积极探索泛在物联的数字化技术集成创新，已经进入能源智能化阶段，是能源数字化的先行领域；传统化石能源行业受自身系统特性影响，总体处于能源信息化阶段，部分应用探索逐步向第二阶段过渡，正加速挖掘数字化赋能潜力。
能源领域数字化技术应用
近年来，以“云大物移智链”等为代表的数字化技术在不同领域得到广泛应用，有望在能源领域进行应用的数字化技术，按照数据采集、传输、处理等环节的不同，可以分为终端感知类、信息通信类、数据智能类和集成应用类四类。终端感知类技术，是用于终端设备感知光、声、热、气、味等信息的技术，传感器是其代表性应用。信息通信类技术，旨在支撑和保障信息的传输。数据智能类技术，包含大数据、智能算法技术与运算支撑技术。大数据是从大量、混杂、完备的数据中获得价值信息的技术，目前已有较为广泛的应用。集成应用类技术，是结合多种数字化技术的综合应用，包括可穿戴设备、区块链、物联网、车联网、无人机、工业机器人、智能机器人等。
图1 能源领域主要数字化技术应用趋势
能源数字化技术应用机理分析
伴随着能源革命和数字革命的深度融合，能源数字化开启能源与信息技术协同创新的新篇章。数字化技术将助力能源生产挖潜增效，保障能源传输高效运行，促进能源消费优化升级，打造能源新格局。
（1）助力能源生产挖潜增效
数字化技术促进化石能源开发利用。勘探环节，通过借助终端感知类技术，油气生产企业可精准获取地震成像、地质建模信息，将显著提升勘探效率和油气可探明储量；煤炭生产企业则可以提升测井精确度和效率，便于后期开采、灾害防治、地质保护等工作的开展实施。开采环节，随着终端感知技术的升级，将提高化石能源开采成功率，提高产量同时降低开采成本；随着运算支撑技术的成熟，将进一步提升开采建模速度；工业机器人以及自动化智能机器人的应用，有望实现油气自动钻井和煤炭无人开采，挖掘可采资源潜力，同时提升安全性。维护环节，数据智能类技术的应用将有助于预防性维护和及时故障预警；多媒体信息采集、显示技术将提升故障处理效率；远期，随着机器自愈技术的成熟，将进一步降低机器设备意外停机和经营风险；对于煤炭开采，将显著降低甚至消除透水、瓦斯爆炸、塌方等不安全隐患。转换环节，大数据分析、物联网、区块链以及数据智能类等数字化工具的应用，将实现火力发电过程自动化，减少非计划停机，提高火力机组发电效率；且炼油、炼焦、供热等能源加工转化过程中，能源利用率将有所提升。
图2 化石能源开发利用相关的主要数字化技术
数字化技术助力清洁能源高效利用。设计环节，风机、光伏电池等设备厂商可利用大数据、智能算法，实现对气象、风场、日辐射等自然地理条件的3D精确建模，针对差异化场景利用运算支撑技术进一步提升模型效率，提高研发效率、缩短周期、提升设备可靠性。建设环节，借助传感器、无人机，智能监测资源分布、并网需求和地理位置等信息，利用数据智能技术，优化风电场选址，调整光伏电池至最佳倾角，提高资源利用率和投资回报率，缩减建设成本。运行环节，通过利用数据智能类技术，结合终端感知数据、气象预测数据等，可实现对风电、光伏发电出力更加精准的预测与调控，提高清洁能源利用率，增强源网协调优化能力。维护环节，依靠无人机、高级传感器等设备，利用智能算法、多媒体信息采集显示技术，实现精细化智能运维，提高运营效率和安全性，缩短调试时间，降低运营成本和经营风险。
图3 清洁能源开发相关的主要数字化技术
（2）保障能源传输高效运行
数字化技术提高能源传输效率。随着物联网技术的发展，通过引入高级传感设备，采用认知计算和信息通信类技术，将调整优化油气和电网的骨干传输管网，实现感知层信息采集系统间的互联互通与联动智能防御，保障传输安全，提升输送效率。
数字化技术提升运维管理水平。终端传感类技术、可穿戴设备、工业机器人、无人机等的广泛应用，将支撑油气管网以及电力系统的调度、变电、配电以及营销等环节精准掌握现场情况，实现对各元素的实时远程立体化可视化监控和管理，提升管网管理和维护效率；利用智能算法技术，将实现智能预警以及预防性维护，远期将进一步实现自动巡检和智能精准决策。
数字化技术优化调度控制性能。油气管网和智能电网数据平台将为各类业务提供统一的技术和数据支撑，促进数据流、业务流以及能源流三流合一；依托大数据、智能算法技术，实现信息深度挖掘；利用运算支撑技术，提升平台计算力和响应力，增强人工智能效果。
图4 能源管网传输相关的主要数字化技术
（3）促进能源消费优化升级
数字化技术将提高工业用能效率。工业生产企业可借助大数据和人工智能等技术，结合终端传感器实时采集的感知数据和历史用能数据，研判设备运行状态。同时，相关技术可支撑形成需求响应优化方案，合理安排用电时间和组织生产。未来随着认知计算的发展和智能机器人的普及，将对智能用能决策形成更好支撑，持续提升企业能源管理水平。
数字化技术将重塑交通用能格局。随着区块链等技术逐步成熟，将为电动汽车的充电桩信息获取与交易结算等提供便捷的解决方案。同时，运算支撑技术将支撑电动汽车作为灵活性负荷和储能参与智能电网运行，实现车网优化互动。未来，随着5G和车联网技术的普及，以及多媒体信息采集、显示技术等的进阶发展，将重塑汽车租赁、汽车共享、无人驾驶、物流运输等服务模式，助力车路协同，实现智能交通。
数字化技术将支撑楼宇用能优化。终端传感器的广泛安装和机器学习、物联网等技术应用，将支撑构建智慧楼宇能源管理系统，连接建筑内部的安保、暖通、火警、给排水等系统，根据实时感知的温湿度等环境参数，实现对照明、供热、制冷、除湿、加湿、通风、净化等设备的自动控制。同时，可接入第三方应用数据，为停车、充电、储能、餐饮等服务提供智能引导，在保证楼宇安全、提升用户体验的同时，提高楼宇设备运行效率，显著降低建筑能耗。
数字化技术将提升家居用能体验。随着物联网和信息通信类技术的发展和应用，居民家庭中将逐步普及可穿戴智能设备、智能安防、高端智能家电等，并覆盖安防、健康、医疗等应用领域，打造舒适、安心便捷的智能家居系统。利用基于数据智能技术的智慧能源管理系统，一方面可监测及预测设备用能，保障智能设备的优化运行；另一方面可实现对分布式电源、储能等新兴能量元素的控制。
图5 能源消费相关的主要数字化技术
如何把握能源数字化发展方向
一是把握发展方向，做好能源数字化顶层设计。数据信息正成为能源领域新的关键生产要素，未来能源数字化发展将呈现出“技术多样化”“应用个性化”“系统智能化”“交互网络化”“场景平台化”等特点。宜及时把握前沿趋势，对照能源数字化演进路径，制定中长期战略规划，围绕技术方向、应用场景、实施路径等形成能源数字化的顶层设计方案，提高工作的系统性、整体性和协同性。
二是找准关键环节，明确能源数字化发力重点。立足数字化技术的最新技术进步，结合能源领域发展关键短板，在油气资源勘探开发、新能源高效利用、能源网络智能运行、终端用能智慧优化等领域推动数字化技术的深度应用，形成数字与实体深度交融、信息流与能量流息耦合驱动的新型发展模式，有效促进相关环节的质量变革、效率变革、动力变革。
三是制定支持政策，营造能源数字化发展环境。政府应出台相关政策，鼓励能源电力企业与互联网企业、相关高科技企业、金融企业、制造企业和研究机构间的合作，并支持能源电力企业业态创新，适度放宽对数字化发展催生的新业务的监管。同时，有效识别潜在风险，制定相关制度、规范和规则，以保障企业数据安全，规范能源企业间信息交互。
四是突破核心技术，提升能源数字化赋能能力。相关企业应围绕各类数字化技术及其在能源系统中的应用开展深入研究，尤其是针对数据智能类技术，加强算法研究与场景应用设计，形成自主知识产权，建立以能源企业和相关数字化高新技术企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的绿色技术创新体系，以创新驱动发展突破技术瓶颈、破解发展难题。
作者介绍
薛美美，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，能源与气候经济专业博士。目前主要从事能源电力系统建模、电量数据经济政策价值挖掘、能源转型等领域研究。近年来参与和负责“十二五”国家科技支撑计划课题、国家重点研发计划、多项国家自然科学基金委项目的重要研究内容，可参与多项国家电网公司科技项目、战略课题等。公开发表SCI/SSCI学术论文10篇，参与编写国网能源院年度报告《中国能源电力发展展望2019》，组织和参与撰写的多篇研究专报获得国家领导批示。
张宁，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，博士，高工，从事能源电力规划、能源转型、能源互联网、综合能源等领域研究。发表SCI、EI检索论文30余篇，其中一作一区SCI4篇，一作非综述类论文他引百余次，担任20余个SCI期刊审稿人。出版中文专著4部，英文专著3部，参编国网标准3项。曾获行业级一等奖、二等奖，国家电网公司特等奖、一等奖、二等奖等奖项。
代红才，国网能源研究院能源互联网研究所所长，IEEE PES能源互联网专委会政策与规划分委会副主任,高级工程师。长期从事能源互联网、综合能源服务、企业发展战略与规划、电力市场改革等领域的研究，具有丰富的研究经验。曾作为课题负责人或主要工作人员参与多项国家发改委、能源局、国家电网公司等单位委托的多项重大科研项目，受到委托单位和专家的好评。近年来作为项目负责人承担了《能源互联网功能形态架构设计及关键支撑技术研究》、《综合能源服务战略研究》等重大课题。曾获得国家电网公司科技进步奖特等奖、二等奖、三等奖等奖项，多次获得国网能源研究院科技进步特等奖、一等奖等。
吴贞龙，国网能源研究院能源互联网研究所研究员（培养锻炼）、国网重庆市电力公司江北供电分公司一线职工，电气工程领域硕士，主要从事能源互联网、电力物联网、企业管理、继电保护等研究，先后承担国家电网公司委托的重大课题3项，参与编写《中国能源电力发展展望2019》等著作，荣获地市公司至国家级职工技术创新荣誉7项，主导一线变电设备缺陷管理方法的变革，二次专业班组管理工作变革，作为骨干参与十余座变电站的基建及技改工程，将工作实践转化成论文成果7篇。
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。
往期回顾
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编辑：杨彪
审核：蒋东方
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