【电网发展前瞻】电网发展形态系列文章（六）：以电为中心的能源互联网理论分析

编者按：国网能源院电网发展综合研究所主要聚焦于电网发展规划与投资政策、智能电网政策与效益、电网精准投资策略、电网投资效益评价与项目后评价等领域，从理论方法、政策机制、发展规划等方面开展研究，实现从理论研究到落地应用的贯通。本专栏将围绕电网发展规划关键问题，从理论研究、政策解读、理念探讨和典型实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。

文章导读：随着“互联网+”理念的兴起，能源互联网等发展思路为传统能源行业提供了新的发展理念和路径，有利于实现高渗透率分布式能源的灵活接入和充分消纳，支持多种能源的协同优化，提高能源安全和效率，催生新的业务模式。从单一能源到能源互联网，是新时代能源开发利用方式的继承与创新。从核心业务上看，能源互联网以投资、建设、运营为核心业务，充分发挥其枢纽与平台作用、推动能源清洁转型。从发展趋势上看，能源互联网是发展理念、网络功能、技术特征、业务服务的全方位提升与发展。在考量能源互联网发展趋势基础上，经过深入研究能源互联网的内涵、特征、构成、功能定位、发展目标和形态架构，构建起以电为中心的能源互联网理论体系。

以电为中心的能源互联网

理论分析

执笔人：柴玉凤、张晨

国网能源院

电网发展综合研究所

      从单一能源到能源互联网，是新时代能源开发利用方式的继承与创新。从未来发展趋势上看，能源互联网是发展理念、网络功能、技术特征、业务服务的全方位提升与发展。发展理念上，能源互联网向开放、互动、共享转变；网络功能上，平台功能全面升级，实现能源资源配置平台、用户交互平台、市场交易平台、业态创新平台深度融合；物理形态上，能源革命与数字革命深度融合，向新一代电力系统演进；业务服务上，从单一供能服务向综合能源服务转变，通过挖掘数据中的业务价值，释放基于数字驱动的综合能源服务商业价值。

一、内涵及特征

      围绕未来能源互联网发展趋势，有机融合各方探索，我们给出以电为中心的能源互联网内涵：能源互联网是以电为中心，坚强智能电网为基础，以可再生能源为优先，电、气、热、冷、热等多种能源为补充的集中式和分布式相互协同的多元能源结构，同时利用先进的能源技术和新一代信息技术、控制技术，实现多种能源系统协同互补、源网荷储优化配置，推动商业模式不断创新，为用户提供便捷、可靠、优质、综合的能源与服务，促进社会发展清洁低碳、安全可靠、泛在互联、高效互动、智能开放的智慧能源系统。

      从能源互联网内涵来看，能源互联网具有“一横一纵一融合，二个最大”的特征。

     （1）“一横”：横向多能源耦合，安全可靠

      对不同能源的供应特性和用能对象的需求特征进行智能化分析；以互联网技术为手段，加强能源间的互补与融合，突出各类能源之间的相互协调，优化各能源品种自身产业链，实现跨能源种类的优化互补。

     （2）“一纵”：纵向多环节贯通，高效互动

      对各种能源的生产、传输、存储、消费 等环节，实施能量流、信息流和业务流高度体化管理，消除源、网、荷、储不同环节间的壁垒，支持能源纵向运营优化，提升资源配置水平，实现供需双向互动、优化配置。

     （3）“一融合”：信息物理融合，智能开放

      能源互联网将以电网信息物理融合系统为基础，以可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其它系统紧密耦合，通过信息物理系统推进能源互联网在“一横”“一纵”不同维度上的融通融合，实现可靠、实时、高效的实时感知、状态监测、动态控制和信息服务等。

     （4）能源品种维度的最大：最大限度开发利用可再生能源，清洁低碳

      在绿色可持续发展理念下，可再生能源大规模开发利用，能源发展进入重大变革期，而风光等可再生能源具有随机性、波动性等特征，多能源系统集成能够实现不同能源系统之间优势互补，促进可再生能源消纳开发利用。电力系统需要满足瞬时的发电与负荷平衡，电力难以实现大规模存储，可再生能源的波动性与随机性为电力系统发电与负荷平衡带来了困难，而供热系统与供气系统无须满足严格的实时供需平衡，同时热、冷和气均可较经济地大规模存储，因此，多能源系统集成将为可再生能源消纳带来巨大潜力。

     （5）时空维度的最大：最大深度最大广度接入，泛在互联

      能源系统与互联网、物联网系统深度融合，使得全要素、全生产关系泛在互联的广度更大、泛在互联的深度自上而下加深，实现各类信息传感设备与通信信息资源的结合，从而形成具有自我标识、感知和智能处理的物理实体，在其之上进行不同形式数据的汇集、整理、挖掘分析并形成相关数据应用，各类主体广泛接入，实现跨地域、跨能源品种互通互济，能源系统与信息系统、社会系统融合发展形成一个更加智能、互联、广泛的能源系统、服务体系。

二、物理构成

      能源互联网作为以电、气、热、冷等多种能源为载体，以能源技术与信息技术深入结合为特征，实现能源互济互补和高效利用的信息物理网络，将实现多能源网络的系统集成，形成以电力网络为枢纽，涵盖天然气管网、供热网络、交通网络及多类型储能设备的一体化能源耦合系统。在物理层面上，能源互联网按照规模可分为区域-城市-园区三个维度。

      区域能源互联网：这一层级是指大区级（比如华东）、省级及以上的能源系统，主要由综合能源生产基地、能源传输网络、综合能源负荷中心等构成。

      城市能源互联网：城市能源互联网主要由综合能源生产场站、“电/气/热/冷”能源消费园区、城市能源输配系统等构成。城市能源输配系统通过相互耦合的城市配电网、天然气输配网、供热系统等多能源网络，实现连接各综合能源生产场站与能源消费园区的功能。

      园区能源互联网：终端能源互联网是面向园区、工厂和楼宇等用户的综合能源系统，主要由分布式能源生产设备、综合能源消费用户、微能网等构成。

      这三层系统有机结合，构成了能源互联网的物理基础。在此基础上，信息互联网技术和能源市场又为实现能源的互济互补和高效利用，推动能源互联网的开放互联提供了重要保障。

三、功能定位

     （1）可再生能源大规模接入

      改善能源供应与消费结构，降低化石能源消耗是目前人类在能源利用中需要解决的一个突出问题，可再生能源对传统化石能源的替代，对能源网络的运行控制提出了更高的要求。一方面，以风能和太阳能为主要形式的可再生能源有较大的随机性和不确定性，不能像常规能源一样可调可控；而能源网络中，尤其是电力系统又对供需的实时匹配有较高要求，必须保证实时的功率平衡。这就要求提高能源网络的运行水平，在可再生能源高渗透率的情形下仍然能保证电力系统的稳定性、安全性和可靠性。能源互联网极强的系统自愈性，能够利用先进的能量智能管理设备实施自动故障检测，对网络中突发事件做出反应，隔离电网中存在的故障器件或者局部网络，实现网络的快速重构，以及各个微型能源网络孤岛与并网运行状态的平滑切换，保证系统内正常的能源电力供应，这使得能源互联网具有高度的网络开放程度，能够接纳各类可再生电源的柔性接入。

     （2）能源的灵活转换与综合利用

      在能源领域中，长期存在着不同能源形式协同优化的情况，几乎每一种能源在其利用过程中，都需要借助多种能源的转换配合才能实现高效利用。在能源系统的规划、设计、建设和运行阶段，对不同供用能系统进行整体上的功能互补与协调转换，以实现对各类能源的综合利用。不同能源供应系统的运行特性各异，通过彼此间协调，可降低或消除能源供应环节的不确定性。

      不同品质、品种能源的自身物理特性、需求和供给特性各异，在能源动态特性方面，电力系统动态过程最短，对实时平衡的要求最高，而热力网络和燃料网络动态过程相对更慢；在能源品质方面，不同的能源形式有品质高低之分，用户对能源需求也有不同的层次差异；在负荷方面，各种能源的生产和消费按照季节、时段都有显著的时间特征，各类用户的特定种类能源消费也有相应典型的负荷曲线。综合考虑上述各类能源的差异性，为不同时间尺度的能源供需提供高效匹配，降低能源网络的运行成本，提高能源利用效率，实现多种能源之间的灵活转换是能源互联网功能定位之一。

     （3）需求侧资源参与能源网络互动

      随着可再生能源、分布式电源以及电动汽车的大规模接入，使得电力系统呈现出较强的双侧随机性。能源互联网所构建的高效信息交互系统，保证了能源互联网端对端的能源电力信息流共享以及对整个系统的效率优化和安全调度。需求侧资源是未来电力系统以及能源互联网中重要的可调控资源，其调控潜力大、成本低的特点，使得需求侧可控资源能够作为平抑可再生能源间歇性和分布式电源故障情况下维持系统功率平衡的一种有效手段。

      通过建立需求响应的市场机制和对应的需求响应平台，充分发挥需求侧资源灵活性，实现能源互联网内各种分布式动态能量管理系统和相关系统的对接和互动。一方面，通过实施智能用电、需求响应及直接负荷控制，尽可能多地接纳可再生能源，提高能源利用效率；另一方面，通过信息交互系统，实时掌握用户用电情况，通过用户侧的智能自动控制设备，对不同用户的不同用电设备进行精细化管理控制，在不影响用户基本用电需求的同时，协调需求侧与供应侧的优化运行。

四、发展目标

     （1）可再生能源供应与消费比重大幅提升

      通过能源互联网的建设可以安全可靠的连接地理上分散性、随机性、波动性和不可控的多元化可再生能源生产端及消费端，实现最大限度地适应分布式可再生能源的接入。通过大规模建设分布式可再生能源生产和存储基础设施、加强区域协调，实现可再生能源的就地收集、就地存储、就地使用，有效降低能源传输损耗，基本解决弃风、弃光等问题。完善针对可再生能源的差异化价格补贴机制，鼓励可再生能源的生产和消费，基本实现可再生能源生产成本与化石能源相当，使可再生能源占一次能源比重逐年提升，有力支撑国家应对气候战略、环境可持续发展战略和国家能源安全战略，从而有力推动能源生产革命。

     （2）各类市场主体无差别可靠接入

      电力体制改革取得重大进展，构建平台开放、信息透明、公平竞争、诚信守则、创新活跃的市场环境；在能源互联网关键技术及与之匹配的能源基础设施建设上取得重大突破，分布式清洁能源生产、存储技术，大规模间歇式能源并网技术，能量路由器技术，能源大数据的智能信息挖掘、处理技术等的研究及应用日臻成熟，为能源互联网各主体无差别可靠接入提供重要支撑，初步形成创新驱动、服务导向、应用引导、协同发展、安全可控的能源互联网发展格局，从而有力推动能源消费革命。

     （3）能源互联网产业体系全面构建

      在分布式清洁能源生产、分布式能源存储等技术的研究及应用方面取得重大突破，涵盖能源生产、消费、交易、服务的能源互联网标准体系初步完善，初步形成门类齐全、布局合理、结构优化的能源互联网产业体系，从而有力推动能源技术革命。

     （4）充分满足人民美好生活用能需求 

      技术的应用、模式的创新都归于价值的创造，价值创造的出发点是最大化满足用户的需求，通过价值创造，以开放共享的理念，打造最大化的满足多元用户的便捷可靠优质高效的能源和服务需求，实现能源生态体系的共商共建、共赢共享，充分满足各类用户生活用能需求。

五、形态架构

      物理网络层是电网、气网、热网融合的结构坚强、运行灵活、多种能源互联互通的能源供给网络，是能源互联网的物质基础。客户侧电动汽车、储能、分布式电源、蓄冷/蓄热设施、冷热电三联供以及其他用能设施等，通过能源路由器实现多种能源的接入、转换、存储、控制，利用能源互联网的平等、开放、共享特性，促进各种能源以电力为介质的有机融合，实现多种能源的互联互通、集中与分散并存的高效开发、优化配置和有效利用。

      信息支撑层是覆盖城市能源所有地域、所有领域的能源通信网，是能源互联网的智慧支撑、神经中枢。承载信息流，是覆盖能源开发利用各环节及相关社会或的信息采集、传输、处理、存储、控制的数字化智能化系统。信息流贯穿于能源互联网的全生命周期，包括其规划、设计、建设、运营、监控、运维、资产管理和资产评估与交易。 

      应用服务层是各类能源应用服务的集合，是在深度融合能源物理网络层和信息网络层的基础上开展的各类能源服务和其他业务服务，主要包括能源交易、信息服务、金融服务等，可为智慧城市、智慧园区等提供能源服务和业务服务，以赋能传统的能源服务业务，催生新型业态，构建开放共享、高效互动的能源生态体系。

专家介绍

柴玉凤，国网能源院电网发展综合研究所研究员，主要从事智能电网、能源互联网、电动汽车服务等领域的研究咨询工作，承担20余项国家电网公司科技项目、管理咨询项目等课题研究，多次获得国家能源局软科学研究优秀成果奖、国家电网公司软科学技术进步奖等奖项，发表论文二十余篇。

张晨，博士，国网能源院电网发展综合研究所高级研究员。长期从事能源互联网、综合能源和智慧用能领域的政策机制、体系架构及商业模式研究。先后承担政府委托项目、中科院咨询项目、国家电网公司科技项目等数十项重大课题。获得国网公司软科学成果奖、国网能源院科技进步奖等奖项10余项。

团队简介：电网发展综合研究所（简称电网所）是国网能源院内设业务所，成立于2009年10月，目前拥有员工18人，平均年龄34岁，博士11人，副高级职称以上10人，是一个朝气蓬勃、开拓创新的宽口径、复合型研究团队。

      电网所下设电网综合业务、智能电网两个研究室，自成立以来，以电网发展、电网安全、电网运营等研究咨询为核心，为政府政策制定和能源电力行业发展提供决策咨询服务。发扬“踏实肯干、勇于担当、开拓创新”的“勤劳、担当、创新”精神，深耕细作，精益求精，不断提高科研能力和质量，不断涌现思想火花和智库成果。累计承担近400项研究项目，其中，政府委托项目21项，国家电网公司科技项目97项、管理咨询项目36项、专项研究项目54项，其他省级电力公司和社会企业机构委托项目170余项。获得中国电力科学技术奖2项，国家能源局软科学研究优秀成果奖3项，中电联中国电力创新奖3项，国家电网公司科技进步奖15项，国家电网公司软科学优秀成果奖10项。依托研究成果形成100余篇内参专报，相关建议被政府部门、国家电网公司采纳，纳入相关政策文件、标准规范、会议材料和决策依据等。挂牌“国家电网公司劳模创新工作室”，获得“国网能源院先进集体”“国网能源院课题攻关党员先锋团队”“国网能源院先进党支部”“课题攻关党员创新团队”等荣誉称号。

      2020年初，以“四个革命，一个合作”能源安全新战略为指引，聚焦新时代如何发展新电网，电网所集思广益，提出“三二一”研究体系，即三大功能定位、两轮创新驱动、一个国际视野，形成六大研究方向，分别是电网发展规划战略、电网安全应急保障、电网运营服务升级、电网治理能力提升、电网技术创新发展、电网发展国际比较，并成立六个柔性研究团队，围绕六大研究方向开展基础能力建设和研究咨询工作。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：蒋东方

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