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第2篇技术篇

能源互联网关键技术概述

清华大学高峰

1 背景

能源互联网作为能源技术和互联网技术与思维的深度融合，是我国能源技术革命的具体实现，为能源环境的可持续发展与经济健康增长提供有效支撑，并将助力中国引领第三次工业革命。从国家层面开展能源互联网的顶层设计，是有序推进我国能源互联网建设的重要保障。需要把握能源互联网的形态和特征，分析技术发展的趋势，结合市场环境，实现技术创新，支撑创新商业模式，支撑我国能源战略，把握第三次工业革命带来的机遇。

能源互联网涵盖了材料、器件、设备、系统、通信、信息等多方面的技术环节，以及政策、金融、运营、管理、标准、市场准入（检测认证）等多方面的非技术环节。能源互联网的发展需要在“能源生产、能源储运、能源消费、能源管理”各个环节，针对每个重点创新研究方向，分别开展基础前沿技术创新研究、关键技术与设备攻关研究、示范应用与产业转化研究。

2 能源互联网的概念和体系架构

能源互联网是以可再生能源为优先，电能为基础，其他能源为补充的集中式和分布式互相协同的多元能源结构，同时通过以互联网技术为管控运营平台，实现多种能源系统需供互动、有序配置，进而促进社会经济低碳、智能、高效的平衡发展的新型生态化能源系统。

如图1所示，能源互联网可以划分为物理基础网络、信息数据平台和价值实现平台，每层的功能要求及具体内涵如下。

图1 能源互联网架构

2.1 物理基础网络：实现多能融合能源网络

以电力网络为主体骨架，融合气、热等网络，覆盖包含能源生产、能源传输、能源消费、能源存储、能源转换的整个能源链。能源互联依赖于高度可靠、安全的主体网架（电网、管网、路网）；具备柔性、可扩展的能力；支持分布式能源（生产端、存储端、消费端）的即插即用。

2.2 信息数据平台：实现信息物理融合能源系统

多种能源系统的信息共享，信息流与能量流通过信息物理融合系统（CPS）紧密耦合，信息流将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、使用、监控、维护、资产管理和资产评估与交易。智能电网在信息物理系统融合方面做了很多基础性的工作，实现了主要网络的信息流和电力流的有效结合。

2.3 价值实现平台：实现创新模式能源运营

创新模式能源运营要充分运用互联网思维，利用大数据、云计算、移动互联网等互联网技术，实现互联网+能源生产者、能源消费者、能源运营者和能源监管者的效用最大化，是充分发挥“‘互联网+’对稳增长、促改革、调结构、惠民生、防风险的重要作用”的核心所在。

3 能源互联网的技术体系

结合能源互联网的三层体系和能源链的5个环节，形成了如图2所示的能源互联网技术体系。能源互联网的相关技术均可落点在该技术体系之中。

图2 能源互联网的技术体系

3.1 能源互联网的支撑技术

3.1.1 多能融合能源网络支撑技术

（1）能源生产技术

能源互联网在能源生产环节需要在传统能源生产技术如热电联产技术基础上，更加关注新能源和分布式能源生产技术。

（2）能源转换技术

能源转换是多能融合的核心，其包括不同类型能源的转换（切换）以及不同承载方式能源的转换（变换）。不同类型的能源转换（切换）在能源生产端除了通常的利用发电机等各种技术手段，将一次能源转换成电力二次能源外，还包括如电解水生成氢燃料，电热耦合互换等多种形式；在能源消费端，能源转换（切换）是能源消费者可以根据效益最优的原则在多种可选能源中选择消费。不同承载方式的能源转换（变换）主要体现在能源传输环节。

（3）能源存储技术

能源存储技术主要有物理储能、化学储能、电磁储能、热能存储、氢能及燃料电池五大类十几种技术。目前，储能技术处于快速发展阶段，未来在可再生能源消纳、提供电力辅助服务、电动汽车、电力需求响应等多个方面都存在广阔的应用前景，是支撑能源互联网运行的关键技术。大容量、低成本、长寿命的新型储能技术，包括替代传统铅酸电池的钠盐电池，可快速充放电、长寿命的锂离子电池，高储能密度的超级电容等，为能源互联网中大容量、分布式能量缓存需求提供支撑，是未来储能技术的共同发展方向。

（4）能源传输技术

能源传输网络除了大家熟知的输油管道、输气管道等非电能源传输网络外，更主要的是传输电力能源的电力网络。电力传输网从最早的直流网络过渡到了交流网络，交流电力网络成为最近几十年最主要的电力输送网络。近几年在高压输电领域，随着需要传输的电力容量越来越大、距离越来越远，出现了特高压输电网络需求，与此相关，特高压运行理论研究、特高压电力装备和试验设备、特高压网络的保护控制装备的研发和生产技术，取得了一系列重大突破，并成功应用于工程实践。此外，基于局域通信网的网络式保护技术研究取得了突破，可适应现代主动配电网的需求，需要在保护原理进一步完善的基础上，进行推广应用研究。为防止配电网络故障引起的电压骤降对敏感用户的影响，快速断路器技术、固态断路器技术的研究也需要加强。

（5）能源消费技术

能源互联网下物理层的能源消费技术主要包括以下两个方面。

① 电动汽车技术

电动汽车是接入能源互联网最重要的移动设备，电动汽车能够同电力系统完美融合，成为能源互联网的核心之一，发挥多元作用。电动汽车将会是电力网络比重庞大的负荷，同时具有大规模能量存储能力。新能源汽车是能源互联网非常重要的组成部分，既是能源的使用者，也是能源的创造者、能源的存储单元和能源的传输主体。

② 港口岸电技术

港口岸电或岸基供电（简称AMP）指船舶靠港期间，停止使用船舶上的发电机，而改用陆地电源供电。采用岸电措施后，可将靠港船舶的温室气体和污染物排放量减少90%以上，显著改善了港口地区的空气质量和环境卫生。瑞典2000年率先采用，美国2001年采用，中国2010年开展示范工程。

3.1.2 信息物理能源系统支撑技术

信息物理能源系统包括能为能源互联网提供数据传输、资源共享的大规模、跨区域网络，包括这类网络末端的数据采集和系统控制节点，用以支持实现能源互联网中相关设备的互联和互操作。

（1）信息物理融合通用技术

信息物理融合通用技术主要包括：

❑ 海量信息采集技术；

❑ 能量信息传输技术；

❑ 信息物理能源系统融合技术。

（2）能源生产（转换）信息物理融合技术

能源生产领域信息物理融合现有支撑技术主要关注于安全生产、提高能源生产效率、降低生产设备运维成本。能源生产领域的新型信息物理融合技术更应关注于能源交易、辅助服务、降低信息系统本身的运维成本等。

① 虚拟发电厂技术

虚拟电厂是将分布式发电机组(Distributed Generation, DG)、可控负荷(Dispatchable Load, DL)和分布式储能设施(Distributed Energy Storage, DES)有机结合，通过配套的调控技术、通信技术实现对各类DER进行整合调控的载体。虚拟发电厂具有多样化电源集成的互补性和丰富的调控手段。因此，虚拟发电厂在电力市场中既可以参与前期市场、实时市场，也可以参与辅助平衡市场，改变可再生能源一向被动的局面。

② 新能源发电云平台技术

以传统互联网和大数据技术为基础，同时结合新能源和分布式电厂的运营技术、行业开发技术、管理技术，实现新能源发电云平台，可以对新能源电站发电情况进行实时集中监控、功率控制和能量管理，实现发电量损失降低，提升运营效率。最后通过大数据挖掘技术进行发电厂的亚健康诊断和故障预警。此外，还可以为每个电站进行全生命周期的资产风险评估和风险评级，从而判断电站的交易可能和潜在交易价值，降低电站投资风险，促进电站交易。在新能源发电资产都信息化、数据化之后，在此基础上创新商业模式的产生也会不断演化出平台，如能源资产交易平台、能源交易平台等。

（3）能源消费信息物理融合技术

能源互联网下信息层的能源消费技术包括以下3个方面。

① 需求侧互动技术

用户侧能源的互动、高效利用是能源互联网的终极目标，随着电力市场化逐步深入，用户侧用电呈现多样化发展，进一步提升的互动用电需求对灵活市场下的杠杆政策、新型用电元素的调控方式及互动策略都提出了新的挑战。

② 电动汽车协同技术

电动汽车的普及将改变能源消费的结构，是实现能源消费低碳化转型的重要途径。在此基础上，发展电动汽车充（放）电导引、充（放）电调控、参与电网优化运行、与新能源发电配合等，协同交通网、电力网和新能源发电层面的技术体系，将有效促进能源、交通和信息系统的融合，成为能源互联网的重要组成部分。

③ 电动汽车与电网互动

电动汽车与电网的互动技术包括电动汽车接入电网技术、电动汽车电池向电网放电技术、智能电网与电动汽车互联互通协同技术。通过电动汽车与智能电网的互动，实现电网大规模地接入电动汽车，通过电能在电动汽车和电网间的双向流动，实现削峰填谷、节能降耗目标。

（4）能源传输信息物理融合技术

电力传输网是能源传输的主要网络，现有的智能变电站系统、配电网自动化系统都是典型的CPS系统。配电自动化装置和配电自动化系统在配电网已广泛应用。基于故障指示器技术、地理信息系统（GIS）技术的配电网故障远程监测系统已经大量应用，并取得了较好的运行效果。但配电网单相接地故障检测技术的实用化程度还不够，针对具有大量分布式电源接入的主动配电网，其保护、运行控制、故障监测和故障定位技术还需要加强研究。

（5）能源存储信息物理融合技术

电池管理系统是实现电池成组、大规模应用的关键技术。其采集、分析电池模块的荷电状况、设备运行情况，并配合SCADA系统的指令，管理电池组进行充（放）电操作。SCADA系统（数据采集与监视控制系统）采集、监视储能系统的运行，向上级管理系统（如电网的SCADA系统）传递运行数据，接收上级管理系统的操作指令，并下达给电池管理系统进行充（放）电操作。

3.1.3 创新模式能源运营支撑技术

（1）信息双向互动平台技术

用户参与并引导社会力量广泛参与是搭建能源互联网的关键，用泛在的可再生能源替代传统能源，可以降低产品成本，提高产品竞争力，并创造更多的就业机会。在能源互联网时代，部分传统优质电力企业将完成从传统的集电力生产、传输、运营于一体的单一电力能源生产商，转型成为电网管理运营服务的运营商。另外，创新型企业也将在能源互联网领域搭建类似“淘宝”这样的能源互动交易平台，从而真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，最大限度地适应新能源的接入和生产。

（2）能源大数据技术

从能源设备全生命周期角度考虑，利用大数据技术，可以挖掘出零部件故障信息，追溯其在设计、制造、装配、运输、安装各个环节的潜在缺陷，快速找寻引起故障或失效的原因，及时提出关联性解决方案；依赖数据挖掘引擎，可以发掘产品设计仿真结果输入、输出之间的参数关联性，进而优化系统模型参数，提高数字化模型的准确性，缩短测试验证周期，进而降低产品设计研发成本。

（3）能源网络虚拟化技术

能源领域很多技术如需求侧互动、电力交易等领域，都需要更为灵活的网络架构支持。软件定义网络（Software Defined Network, SDN），是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术通过将网络设备控制面与数据面分离开，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。因此，在能源互联网领域，可以参考SDN技术和架构，使能源互联网架构更为灵活，以支撑未来业务和技术的发展。

（4）能量交易平台技术

主要考虑能源互联网的实现离不开市场机制，虽然由于市场模式或者说在市场模式基础上进一步衍生出的商业模式都没确定，但无论如何其实现都离不开交易平台支撑，从这个角度来说，现有的市场交易平台需要从海量用户接入、用户双向互动、售电公司代理竞价、跨国跨地区市场竞价等方面考虑对其支撑。

（5）能源互联网金融技术

互联网金融是目前互联网领域的热点研发方向之一。在能源互联网建设领域，将同样面对互联网金融的产品化。在传统能源产业同互联网结合的同时，需要在能源互联网领域建立信用机制，保障传输及交易安全。以区块链技术为代表的互联网金融技术是能源互联网的重要技术方向。

3.2 能源互联网的关键使能技术

能源互联网的关键使能技术是一项或者一系列能够体现能源互联网基本特征的支撑技术。如图3所示，能源互联网包括能源协同化、能源高效化、能源商品化、能源众在化、能源虚拟化和能源信息化6大特征。下面将针对这6大特征分别分析相应的关键使能技术。

图3 能源互联网的本质特征

3.2.1 能源协同化

能源协同化通过多能融合、协同调度，提升能源系统整体效率，资金利用效率与资产利用率。通过能源互联网技术可实现电、热、冷、气、油、煤、交通等多能源链协同优势互补，其潜在效益包括：在产能侧，通过储热、电制氢等方式，可以应对可再生能源的不确定性，减少弃风弃光，提高可再生能源的消纳能力，支撑高比例可再生能源的接入；在用能侧，通过多能综合利用，实现梯级利用和余能回收，提高一次能源综合利用效率，减少能源消耗和各种污染物排放等；多能源系统协同规划建设，可以减少重复建设导致的浪费，提高经济性；为用户多样化用能选择提供了优化空间，可以满足用户不同品位的能源需求，降低用能成本，提高供能的可靠性。能源协同化的关键使能技术包括以下几方面。

❑ 多能流能量管理；

❑ 分布式协同控制；

❑ 电动汽车协同技术；

❑ 新能源发电云平台；

❑ 热电转换技术；

❑ 能气转换技术；

❑ 储能技术。

3.2.2 能源高效化

能源高效化着眼于能源系统的效益、效用和效能。通过风能、太阳能等多种清洁能源接入，保证环境效益、社会效益。以能源生产者、能源消费者、能源运营者和能源监管者等用户的效用为本，推动能源系统的整体效能。能源高效化的关键使能技术包括以下几方面。

❑ 直流电网；

❑ 大功率电力电子器件；

❑ 高温超导材料；

❑ 网络友好型风力发电机；

❑ 无线电能传输技术；

❑ 电动汽车技术；

❑ 港口岸电技术。

3.2.3 能源商品化

能源具备商品属性，通过市场化激发所有参与方的活力，形成能源营销电商化、交易金融化、投资市场化、融资网络化等创新商业模式，探索能源消费新模式。通过以智能电网为配送平台，以电子商务为交易平台，融合储能设施、物联网、智能用电设施等硬件，以及碳交易、互联网金融等衍生服务于一体的绿色能源网络发展，实现绿色电力的点到点交易及实时配送和补贴结算，建设能源共享经济和能源自由交易，促进能源消费生态体系建设。能源商品化的关键使能技术包括以下两方面。

❑ 能源交易平台技术；

❑ 能源互联网金融技术。

3.2.4 能源众在化

能源生产从集中式到分布式到分散式实现泛在，能源单元之间对等互联，使能源设备和用能终端基于互联网进行双向通信和智能调控，实现分布式能源的即插即用，逐步建成开放共享的能源网络。能源链所有参与方资源共享、合作，将促进前沿技术和创新成果及时转化，实现开放式创新体系，推动跨区域、跨领域的技术成果转移和协同创新。能源众在化的关键使能技术包括以下几方面。

❑ 能源大数据技术；

❑ 能源信息双向互动平台技术；

❑ 能源路由器；

❑ 电动汽车技术。

3.2.5 能源虚拟化

虚拟化是指通过软件方式将物理资源抽象成虚拟资源，以提升物理资源利用率。能源虚拟化在物理基础层按照共享、可调度、可重用的模式设计而形成物理资源池，以按需分配、灵活组装、动态调度的方式来提供物理资源服务，涉及的物理资源包括化石能源（煤炭、石油、天然气）、非化石能源（水能、核能、风能、太阳能、生物质能等）及能源输送网络（含储能、能量形态转换等装置/设备/系统，涉及电力系统、石油天然气系统、交通运输系统等）。通过对物理资源的描述、抽象、配置、调度等，实现物理资源池的虚拟化。多个虚拟资源聚合形成虚拟资源池，在虚拟资源池之上，形成虚拟网络。虚拟化前，无论是电力系统还是石油天然气网络系统，其硬件与软件资源独立，软件必须与硬件紧耦合。虚拟化后，硬件和软件资源抽象成共享资源池；软件与硬件解耦，上层操作系统从资源池中分配资源。当软件与硬件彻底解耦时，可以实现软件定义每一件事（Software Defined Everything, SDE）。

能源虚拟化的关键使能技术包括以下几方面。

❑ 需求侧互动；

❑ 虚拟发电厂；

❑ 电池云；

❑ 能源网络虚拟化技术。

3.2.6 能源信息化

能源信息化基于能量流和信息流的融合，能源链的资源和信息共享，实现互联网与现有业态无缝对接的使能技术。能量信息化与互联网化管控的核心思想是在物理上把能量进行离散化（碎片化），进而通过计算能力赋予能量信息属性（信息化），改变能量的时空控制粒度，实现未来的个性化定制化的能量运营服务。基于能量信息化与互联网化技术，使能量变成像计算资源、带宽资源和存储资源等信息通信领域资源一样进行灵活地管理与调控，从而使供电与负载在用户侧无缝融合，从而支撑能源互联网发展中技术体系、模式与思维创新的需要。能源信息化的关键使能技术包括以下几方面。