全球能源互聯網—四川行動

褚艷芳，田立峰，魏　巍，李淑琦，李世平，侯國彥

(1. 國網四川省電力公司，四川 成都　610041;2. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都　610072)

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全球能源互聯網—四川行動

褚艷芳1，田立峰1，魏巍2，李淑琦2，李世平1，侯國彥1

(1. 國網四川省電力公司，四川 成都610041;2. 國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都610072)

能源互聯網是解決未來可再生能源大規模有效利用的重要基礎，發展能源互聯網對改變當前以化石能源為主的能源生產和消費模式具有重要意義。闡述了能源互聯網的理念，探討了中國特色的能源互聯網及其主要特征；同時闡述了能源互聯網和互聯網的區別，提出了能源互聯網發展進程中需要研究的關鍵技術。結合當前四川電網的發展狀況，分別從特高壓輸電線路、“互聯網+”管控系統、綜合能源管理平臺、多類型能源優化互補調度、富余水電制氫、智能調度與安全防護等方面對四川電網在能源互聯網的構建過程中已做出的成果及其未來的發展方向做出了討論。

能源互聯網；特高壓輸電；能源管理；智能調度

0　前　言

近年來，由傳統化石能源所帶來的環境污染日益嚴重，并且這些資源是不可再生的，是有限的，按照目前的社會需求和開采速度，百年之內全球化石能源將處于一種枯竭的狀態[1]。為了應對能源危機，世界各國積極研究新能源技術，尤其是對太陽能、水能、風能和生物質能等可再生能源。就可再生能源的傳輸利用來說，能源互聯網旨在最大程度上提高再生能源的利用效率，降低經濟發展對傳統化石能源的依賴程度，從根本上改變當前的能源生產和消費模式。

能源互聯網的提出，打破了傳統能源產業之間的供需界限，最大程度地促進煤碳、石油、天然氣、熱、電等一、二次能源類型的互聯、互通和互補；在用戶側支持各種新能源、分布式能源的大規模接入，實現用電設備的即插即用；通過局域自治消納和廣域對等互聯，實現能量流的優化調控和高效利用，構建開放靈活的產業和商業形態。能源互聯網是能源和互聯網深度融合的產物，受到了學術界和產業界的廣泛關注[2]。

四川省是“一帶一路”和“長江經濟帶”的重要接合部，在全球能源互聯網戰略中具有特殊地位，且四川省擁有大量的清潔能源，目前全省80%的發電裝機都是清潔能源，其水電技術可開發量約1.2億kW，風能、太陽能資源也非常豐富[3]。國網四川省電力公司在2016年工作會議上提出，要主動順應能源革命和改革創新發展趨勢，積極融入全球能源互聯網建設[4]。總經理石玉東在四川日報上發表文章，提出國網四川省電力公司主動圍繞全球能源互聯網戰略構想，本著“促共識、搭平臺、引資源、建示范”原則，將大力實施能源互聯網“四川行動”計劃。

1　能源互聯網概述

1.1能源互聯網定義

隨著互聯網理念的不斷深化，一種新型的能源體系架構——“能源互聯網”的構想應運而生。如圖1所示，其主要理念是將可再生能源作為主要的能量供應源，通過互聯網技術實現分布式發電和儲能的靈活接入，以及交通系統的電氣化，并在廣域范圍內分配共享各類能源[5]。而針對不同國家的國情來說，能源互聯網應以國家需要解決的問題為導向。就中國當前能源開發利用現狀來說，首要任務是節能減排及提高可再生能源的開發利用效率。電能作為一種清潔、高效的二次能源，其傳輸效率高，使用便捷。將電力系統作為鏈接一次能源和二次能源的樞紐，既能提高各種一次能源的利用效率，又可以充分利用各地的清潔能源，進行能源轉型。

圖1　能源互聯網示意圖

綜上所述，中國的能源互聯網應當是以互聯網技術為基礎，以特高壓為骨干網架，通過電力系統，將太陽能、風能、水能等各種清潔能源、化石能源轉換成電能后傳輸，并與其他傳統能源傳輸方式分工協作，對資源進行優化配置[6-11]。

1.2能源互聯網的主要特征

能源互聯網將能源行業與互聯網相聯接，構建一個以電能為主體，強調多種能源形式綜合互補的能源生態系統。其特征主要有以下5點：

1)包容性。能源互聯網可接納大規模集中式電網、分布式微電網以及大規模清潔能源發電和消納分布式電源，將各種一次能源，特別是可再生能源轉化成二次清潔能源到用戶，為人們的生活提供安全可靠的動力，提高能源利用效率。

2)開放性。能源互聯網依靠先進的柔性控制技術，優化能量傳輸路徑，提供多種兼容性的電能輸出接口，實現電動汽車等特殊用戶的規模化接入。

3)系統性。能源互聯網能夠在系統內部通過能源配置的優化調節，保證局部能源設備的互通，通過傳統化石能源和清潔能源的協調互補，提高系統的安全性和經濟性。

4)信息性。電力行業是一個實時的動態系統，能源互聯網通過互聯網信息技術將實時的能量信息進行接收和發送，并進行智能化處理，有利于對能源配置的優化。

5)可靠性。安全可靠是能源互聯網需具備的最重要特征。能源與人們的生活息息相關，能源的缺失會對人們的生活產生極大影響。而能源互聯網的穩定不僅需保證電氣網絡的安全可靠，信息傳遞的可靠性也是至關重要的。

2　能源互聯網與互聯網的區別

互聯網(internet)是基于IT技術的信息網絡，又稱為網際網絡。它是指網絡以一組通用的的協議相連，形成邏輯上的單一巨大的全球化網絡，它擁有交換機、路由器、各種不同的連接線路、種類繁多的服務器和不計其數的計算機、終端，且能夠將海量信息瞬間發送到千里之外的用戶手中，它是信息社會的基礎。

能源互聯網(intergrid)不僅基于信息技術，更基于特高壓電網技術，具備網架堅強、廣泛互聯、高度智能、開放互動的特征。能源互聯網是綜合運用先進的電力電子技術，信息技術和智能管理技術，將大量由分布式能量采集裝置，分布式能量儲存裝置和各種類型負荷構成的新型電力網絡、石油網絡、天然氣網絡等能源節點互聯起來，以實現能量雙向流動的能量對等交換與共享網絡。它利用先進的的傳感器、控制和軟件應用程序，將能源生產端、能源傳輸端、能源消費端的數以億計的設備、機器、系統連接起來，形成能源互聯網的物聯基礎。大數據分析、機器學習和智能預測是能源互聯網實現生命體征的重要技術支撐：它通過整合運行數據、天氣數據、電網數據、安全數據、電力市場數據等，進行大數據分析、負荷預測、發電預測、機器學習、打通并優化能源生產和能源消費端的運作效率，需求和供應將可以進行隨時的動態調整。

表1　能源互聯網和互聯網的區別

如表1所示，能源互聯網與互聯網具有相似的結構特征，但是卻擁有不同的網絡功能、網絡協議、網絡服務、網絡設備、及服務對象。能源互聯網在普通IT技術的基礎上，將能量管理系統、信息安全系統、企業資源計劃系統、辦公自動化系統等多種內部信息流與能源傳輸、能源運行、能源交換有機結合。

因為網絡安全的原因，能源互聯網的各個信息系統(實時的或者非實時的)且與外界隔離的，實際上是企業內網(intronet)。因此，能源互聯網(intergrid)是由一次電網(powergrid)和企業內網(intronet)兩部分有機組合而成。如何構造多能源主體和信息網絡的相互關系及協調控制策略是未來保證能源互聯網高效運行的重要因素。由于能源互聯網中的信息流已不再獨立運行，它將和能量流相互依存，相互影響，具有更加復雜、靈活、多變的特性，因此一旦信息系統發生紊亂，將直接影響能量的正常傳輸，引發一系列的能量阻塞、中斷。圖2揭示了信息系統和電力系統的交互影響關系：利用電網狀態感知技術及信息通信系統，可有效維護電網安全運行。但是，如果電力系統與信息系統無法正確交互作用，就有可能會引發信息流和電力流的連鎖反應，造成電網大面積停電的風險。

圖2　信息系統和電力系統交互關系示意圖

3　能源互聯網的核心技術

未來能源互聯網會有大量的分布式和集中式可再生能源的接入，為了有效推動能源互聯網的發展，需要對可再生能源的生產、傳輸、存儲和服務環節中的核心技術進行研究[12-16]。

3.1可再生能源發電技術

隨著國家不斷推進可再生能源發展的政策，可再生能源產業保持快速穩步發展的態勢，如圖3所示。而“以清潔能源為主導、以電為中心”將是未來能源發展的主要方向，可再生能源發電技術在構建能源互聯網的過程中會起到至關重要的作用。可再生能源發電技術主要有集中式與分布式風電、太陽能發電技術，運行控制技術、能量轉化技術等。其重點研究方向有風電精準預測與運行調控技術、間歇式可再生能源發電的系統保護技術、大規模新能源發電并網控制技術等。

圖3　2005-2014年中國可再生能源裝機容量

3.2特高壓大容量遠距離輸電技術

大容量遠距離輸電是解決大規模可再生能源發電外送和能源資源大范圍優化配置的關鍵，是解決中國能源分布不均衡最有效的手段，如圖4所示。中國將電網建設為以特高壓為骨干網架，各級電網為分區的具有中國特色的電網，利用高壓直流互聯可再生能源基地，形成覆蓋全國的交直流混合電網[17]。其重點研究領域包括：柔性直流輸電技術、直流電網技術、多段直流輸電技術等。直流電網技術對于解決中國能源資源分布不平衡、區域交流電網互聯的穩定運行等問題是最有效的技術手段之一[18-21]。

圖4　中國未來電力流向示意圖

3.3互聯網信息技術

互聯網信息技術負責能源信息的識別、采集、分析、傳輸、管理等，是能源互聯網的重要組成部分，如圖5所示。通過互聯網，不僅能夠利用互聯網營銷技術、云存儲、云計算技術來獲取能源儲備和用戶使用信息，而且能再云端大數據技術的分析處理下，進行能源的優化配置。為了適應能源互聯網的發展，需要在互聯網信息領域取得創新和突破，如大數據的數據采集、預處理、存儲分析，能夠與能量傳輸特點相匹配的新型通信網絡技術，能源路由器等方面。

圖5　能源互聯網的信息技術架構

3.4智能調度控制與安全防護技術

由于新能源系統廣泛采用分布式發電機及儲能元件，且用戶能源消納方式有所改變，因此智能調度與安全防護尤為重要。如圖6所示，智能調度控制中心連接各類電源并通過雙向信息流實現發電機出力、用戶側負荷和儲能系統之間的協調以及水、火、風、光、儲能等能源的動態平衡。

3.5先進的儲能技術

可再生能源發電是未來能源互聯網的主要能量來源，而大規模可再生能源的非線性隨機波動特性接入會影響電網的穩定性、經濟性。在能源網絡中配置大容量的儲能系統能夠平滑電網的能量輸出，保證供電的持續性和可靠性。如圖7所示，可行的大規模電網儲能方式有抽水蓄能、壓縮空氣儲能等物理儲能，以及鋰電池、液流電池、鉛酸電池等化學儲能。未來儲能技術的創新和突破，會對電力系統發、輸、配、用電的各個環節帶來根本性的影響，對能源互聯網的建設有至關重要的作用。

圖6　智能調度及安全防護一體化示意圖

圖7　儲能技術種類示意圖

4　能源互聯網在四川的實踐

4.1加快建設特高壓輸電線路

特高壓電網是構建能源互聯網的關鍵，是輸送清潔能源的最有效手段。四川省的水、風及太陽能資源蘊藏總量達1.93億kW。通過特高壓輸電網絡進行大區互聯，有助于減輕化石能源的壓力，實現能源、經濟、社會可持續發展。

四川省是輸電線路位居國網系統第一，輸變電規模位居第二超級電力大省，也是中國較早建設投運特高壓電網的省份之一，先發優勢明顯，如圖8所示，目前已有3條特高壓輸電線路投入運行：

1)向家壩至上海(復奉)±800 kV特高壓直流輸電工程是我國自主研發、自主設計和自主建設的世界上電壓等級最高、技術水平最先進的直流輸電工程之一；

2)±800 kV錦蘇線是輸電距離最遠的特高壓直流輸電工程之一；

3)±800 kV賓金線是目前輸送功率最大的特高壓直流輸電工程之一。

5年來，三大特高壓直流輸電線路，已累計向上海、江蘇、浙江等地輸送四川清潔水電達到2 033億kW·h，相當于節約燃煤9314萬t，減排煙塵7.4萬t、二氧化硫45.8 萬t、氮氧化物48.4 萬t、二氧化碳18 297 萬t。四川清潔能源以清潔和綠色方式滿足了中國東部的部分能源需求，為實現節能減排，推進大氣污染防治作出了重要貢獻。但就四川水電儲量來說，每年仍有非常嚴重的棄水現象。2015年全省富余水電裝機約450萬kW，棄水電量達102億kW·h。因此特高壓輸電工程的建設仍需大力推進，在未來的5年內，國網公司規劃將繼續建設：

1)8座1 000 kW 特高壓交流變電站；

2)16座500 kV變電站；

3)構建跨省電力交換和電力平衡的能源交換大平臺。

四川在建設具有信息化、自動化、互為化為特征的四川電網已卓有成效，已初步建成500 kV電網覆蓋全省各市州，169座110 kV及以上自能變電站，基本建成國網公司系統最大的省級電網。

圖8　四川特高壓直流工程線路

4.2積極構建“互聯網+”管控系統

國網四川省電力公司以國網天府新區供電公司為試點，探索更加高效、更加扁平的運營模式。為加快電網規劃建設，公司著力打造以自動化系統為基礎，以信息化平臺為支撐，以智能化控制為手段，適應現代化能源互聯網發展的天府新區“智慧電網”。科學編制電網發展規劃，優化變電站布點及廊道路徑，提高電網建設標準，推動自動化系統改造升級。加快建設營配信息高度融合的GIS應用平臺、快速響應的移動工單平臺、便捷高效的客戶溝通互動平臺，打造以實時信息為基礎的運營監控指揮中心。充分利用大數據、云計算、互聯網等現代化手段對電力系統綜合利用進行智能檢測控制、操作運營和能效管理。推動未來電動汽車、微電網、智能用電等新型、互動的用電模式發展，建設堅強、可靠的現代化能源互聯網絡[22-26]。

如圖9所示，四川省電力公司計劃以天府新區為依托，建設分布式智慧能源的“互聯網+”管控系統示范工程，具體措施包括：

1)建設分布式智慧能源設備廣泛接入的生態化能源系統，搭建實時計量與結算平臺；

2)對儲能設施進行互聯網化管控和利用；

3)建立為分布式設備提供調頻、調峰等能源服務及經濟補償機制。

圖9　“互聯網+”管控系統結構

該示范項目旨在充分消納四川省富余水電，提高清潔能源消費比例，實現能源結構清潔化轉型。

4.3著力打造綜合能源管理平臺

綜合能源管理著眼于城市級別的整體能源監控和優化，對能源生產、傳輸、使用進行監管。它能幫助用能單位在滿足擴大生產的同時，合理計劃和利用能源，降低單位產品能源消耗，提高經濟效益。同時電力、水務及燃氣等公用事業公司或市政部門，以及終端能源消費者和生產者如樓宇、工廠、企業、居民、電廠等，應與能源管理中心緊密溝通協作，形成一個分層級的綜合管理體系。通過采用先進的信息通信技術，對各個層級上能源子系統信息提取集成，實現管理體系的統一化、實時化和智能化，為政府管理者和公眾了解掌握能源生產、傳輸、使用情況以及相關經濟和環境因素，維持能源供給和安全，實現積極的經濟發展和節能減排目標，制定能源相關政策及規劃，提供信息技術支撐和科學的決策依據。

如圖10所示，國網四川省搭建綜合能源管理平臺，探索智慧服務模式，建設能源優化配置網絡和智慧公共服務網絡，實現能源的互聯與服務的互動，具體措施包括：

1)構建公司社區生活數據資源池，支撐新的社區服務模式的建立；

2)推進家庭能源互聯網(HEMS)，提升“電與生活”的互動體驗，促進商業模式的轉變；

3)構建能源互聯網基本單元，形成新的客戶聚合能力。

圖10　綜合能源管理平臺

4.4科學發展多類型能源優化互補調控系統

圖11　多類型能源互補調度示意圖

四川省不但擁有豐富的水電資源，同時還擁有風電和太陽能發電基地。如圖11所示，水電、風電、太陽能發電等多種能源形式互聯形成混合能源互補供電系統，有利于實現能源的最優化利用；并提高供電系統的安全性、可靠性和連續性。合理的能量管理與控制系統不僅能夠提高系統的安全性、穩定性、降低系統運行成本，而且能夠實現互補發電設備的動態優化組合，提高電能質量。因此國網四川省電力公司針對混合能源互補供電系統進行研究，其研究重心為：基于不同電源的運行特性，制定電源間的協調和互補運行機制；解決調度計劃業務中新型能源發電能力不確定問題；協調優化多類型電源，促進清潔能源消納和節能減排，以實現清潔能源整體協調優化互補的目的[27-29]。

4.5大力發展富余水電制氫

四川省是全國最大的清潔能源基地，然而由于輸電通道建設滯后，水電消納受到制約， 2014年棄水量達96.8億kW·h，2015年達102億kW·h，棄水現象越來越嚴重。可再生能源進行有效消納，通過儲能技術進行能量管理是主流的解決途徑。而以制備燃料的方式將電能轉化為化學能，具有大規模長周期儲能的潛力，符合能源行業儲能的約束條件。

在可用于化學儲能的燃料中，氫氣以其出色的綜合性能和廣闊的應用前景為業界關注。四川省通過富余水電制氫項目，既緩解了水力資源的廢棄現象，又有助于實現產能端的“清潔替代”和用能端的“電能替代”。氫氣按一定比例加入天然氣制得的混氫天然氣具有高效低耗的特征，可大規模用于交通運輸業；而純氫燃料電池被認為是有望取代傳統內燃機的技術，為待棄水制氫消納指明了方向。

四川省開展富裕水制氫項目，在“十三五”期間預計消納10億kW·h/a，占富余水電5%～10%；到“十四五”末期，有望消納30億kW·h/a，占比富余水電約10%[30]。

4.6努力完善智能調度控制與安全防護策略

分布式電源、微電網、儲能裝置、電動汽車充放電設施接入配電網運行改變了配電網能量平衡的模式，為了實現能源互聯網的穩定運行，進行智能調度控制與安全防護的研究是很有必要的。通過配電網智能調度實現各種資源的優化配置是建設能源互聯網的關鍵內容[31]。

智能調度控制中心連接各類電源并通過雙向信息流，對配電網絡、電源和負荷進行資源優化配置，實現發電機出力、用戶側負荷和儲能系統之間的協調以及水、火、風、光、儲能等能源的動態平衡，以此來提高配電網的安全性、可靠性、優質性、經濟性、友好性指標，實現配電網高效運行。

5　結　語

能源互聯網是一個綜合性的學科，發展能源互聯網需要依靠信息科學、材料科學、管理科學、控制科學等多項科學技術。對中國化的能源互聯網所涉及的研究方向做了簡單分析，介紹了能源互聯網在國內的重點研究方向，討論了能源互聯網發展過程中需要考慮的可再生能源發電技術、互聯網信息技術、大容量遠距離輸電技術、先進儲能技術、配置規劃技術等多項核心關鍵技術。最后詳細介紹了國網四川省電力公司在能源互聯網發展過程中所做的科學研究和示范工程，研究成果可為國內外區域型送端電網能源互聯網建設提供良好的的參考借鑒。

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褚艷芳(1962)，高級工程師，現任國網四川省電力公司副總經理、黨委常委，國網成都供電公司總經理、黨委副書記；

田立峰(1963)，博士，高級工程師，主要從事智能電網、計算機科學與技術、特高壓交直流輸電等方面的研究；

魏巍(1984)，博士，高級工程師，主要從事特高壓交直流電網安全穩定、新能源并網等方面的研究。

Energy internet is the key to solve the issue of effective utilization of renewable energy; and developing the energy internet is of great significance for changing the present energy generation and consumption modes dominated by fossil fuels. Firstly, the concept of energy internet is reviewed and the energy internet with Chinese characteristics and its main features are discussed. The difference between the energy internet and the internet are described and the key technologies needing investigated in the development of energy internet are proposed. Combining with the current situation of Sichuan power grid, the achievements already made in the construction of energy internet and the future developing direction of Sichuan power grid are respectively presented in such aspects as UHV transmission lines, "internet plus" based project, integrated energy management platform, multi-energy hybrid dispatching optimization project, hydrogen production using surplus hydropower, intelligent dispatching control and security defense. These discussions can provide a reference for energy internet construction in other regions of China.

energy internet; UHV transmission; energy management; intelligent dispatching

TK-9

B

1003-6954(2016)04-0011-07

2016-06-16)