探析智能電網到能源互聯網的概念與框架

羅文俊

摘 要：隨著社會的不斷發展，經濟發展模式也在不斷改變，新能源技術是未來經濟發展中的主流技術，與此同時，互聯網技術也將進一步普及，其應用范圍以及應用深度亦將進一步加深。第三次科技革命已經到來，能源技術逐步與互聯網技術結合，其最終目的是改變目前能源利用模式，為整個社會的可持續發展提供了支持。

關鍵詞：經濟發展 新能源技術 互聯網技術 能源互聯網 能源利用

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0046-02

從20世紀80年代開始，我國各行業都在悄然發生著變化，尤其是能源行業，無論是技術基礎，還是組織結構，或是經濟模式，都在不斷地發展和變化。導致其變化的因素眾多，例如：化石能源的過分應用，導致環境日益惡化；在發展中國家向前發展的過程中，單純依靠石油、煤炭等不可再生能源的經濟發展模式，已經日漸枯萎、無以為繼。隨著可再生能源的發展，以及在信息科技的推動下，建立起一個能夠符合持續發展的能源利用模式，是當前人類社會發展中迫切需要解決的問題。

1 能源互聯網的基本概念、架構及其組成

立夫金理論提出能源互聯網應包含以下5個方面：一是由再生能源取代不可再生的，并且具有嚴重污染的化石能源；二是支持分布式電源的接入；三是支持氫儲能以及其他儲能的接入；四是通過互聯網技術，對電力系統進行改善和優化；五是鼓勵逐步轉向電氣化交通轉變。在立夫金理論的基礎上，筆者對能源互聯網進行定義：它是一種依托前沿互聯網信息技術，以電力系統為中心技術支持，將大規模分布的可再生能源視作一次性能源，并與交通以及天然氣等等網絡系統緊密結合的多網流系統。

其基本框架以及組成元素如圖1所示。

2 廣域內分布式設備的協調和控制

2.1 廣域內分布式設備的協調優化

對于能源互聯網而言，最關鍵的核心便是可再生能源，特別是對分布式的可再生能源的充分利用和廣泛共享。再生能源具有一定的間歇性，其中儲能、可控負荷兩項是能源互聯網中的重要構成。因此，分布式設備的接入，應將其作為主要的、關鍵的研究內容。現階段，對設備接入的研究包括以下幾點：（1）設備接入對配電系統所產生的影響，最為重要的是對系統穩定性、供電質量以及其他方面的影響。（2）設備規劃問題，其需要重點研究的較為單一，即電源，以及設備在整個配電系統中的選址、定容，此項研究的目的是想要通過對設備的合理規劃，最終達到優化電壓輪廓，減少網絡損耗，以及提升系統穩定性的目標。（3）設備的協調和控制，重點是電源和設備的配網，亦或是能量管理、電壓控制、無功控制等[1]。

2.2 廣域負荷側控制

可控負荷優勢明顯，不僅反映時間快，而且其地域分布也較為廣泛，可以預見，其必將成為未來電力系統中最為重要、應用最多的設備，能夠有效地應對可再生能源間歇性問題，并且是在發生故障的狀況下，保證系統功率平衡的重要方法。鑒于在能源互聯網中，可再生能源是最為主要的部分，占有極高的比例，因此，協調、控制可控負荷，顯得十分重要。

實驗證明，控制負荷的手段最為主要、最為有效的有兩種：第一種是直接負荷控制；第二種是價格響應，兩種方法相比，用戶對價格響應的接受程度更高，因此，實施也較為容易，應用性更強。再生能源也有一定弊端，即發電波動不穩定，十分的頻繁，但實踐證明，如果價格變化十分頻繁，則無法起到引導用戶行為的作用，所以要想通過加價格響應的方式來應對再生能源發電，其難度較大，由此可見，直接負荷控制手段可操作性更強，也更為簡單[2]。

2.3 分布式設備的即插即用

鑒于分布式設備，特別是可控負荷數量過于巨大，那么，將接入系統問題全部交由電網公司負責，其顯然無力承擔。客觀上對能源互聯網提出了更高要求，需要有一定的可擴展性。所以，電網公司要進行轉型，尤其是多個業務內容的調整，具體而言，要承擔輸配電系統的相關工作，包括系統的升級，以及系統的擴容，與此同時，要保證用戶側能量管理系統，以及調度機構兩者之間有滿足要求的信息溝通能力，并要不會影響到分布式設備的接入。要想達到這一目標，則能源互聯網需要能夠滿足設備的一插即可用的能力[3]。

3 電力系統與天然氣網絡的融合

天然氣對環境造成的不利影響不大，除此以外，新興的聯合循環燃氣機組優勢顯著，不僅高效，而且反應速度快，更為重要的是建設時間更短。燃氣發電的比重在逐漸提升，可以預測，在未來會有大幅度提升。尤其是美國頁巖氣革命，產生巨大影響，也將進一步推動燃氣發電發展。在未來，燃氣將成為主要的一次能源。由此可見，能源互聯網，必然是天然氣網絡和電力系統兩者相互融合共同發展的產物[4]。

4 電力系統與電氣化交通系統的融合

在化石能源消耗中，除了發電行業用量巨大外，交通行業的消耗量也十分巨大。隨著經濟科技的發展，電池技術越加成熟，同時，電池成本也在不斷減少，促進了電動汽車的發展。電氣化交通作為新興產業在快速發展。未來電力系統和交通系統兩者將有著更深層次的契合發展，其耦合的橋梁就是電動汽車。電氣化交通系統，特別是電動汽車，將是未來能源互聯網中的重要構成部分[5]。

電動汽車與其用電設備相比，更具特殊性。首先，當其多數量的接入電力系統后，必然無法做到在規定時間、規定地點以及規定程度下充電。這種情況，必然會對電力系統造成不利的影響。舉例而言，導致電力系統峰荷大量增加，系統網絡受到損害，還可能導致電能質量的下降。其次，如對車載電池進行充分利用，又形成一個規模分布式電能儲存網絡，可以支持再生能源的接入，并且能夠發揮出減峰補谷的作用。當前，無論是國內還是國外，都對將電動汽車接入電力系統這一問題進行了深入研究，主要的研究內容包括3點：一是對電力系統所產生的影響；二是針對電力系統進行控制，還有調度方面的問題；三是充電設施的規劃問題。但是，目前所進行的研究，將主要目光集中在電力系統，忽視了電動汽車自身的特征，對電力系統、交通系統兩者之間的相互關系缺乏一個明確、適合的描述說明。

5 能源互聯網的信息物理建模及安全性

5.1 信息質量及能源互聯網的信息物理建模

能源互聯網的建立，從本質上而言，是為了對廣域內的能量生產，以及大量的消耗設備進行調度和協調。而要想真正地實現協調，則要求信息能夠在各種設備中進行雙向傳遞。所以，信息技術的重要性不言而喻，在能源互聯網中有著至關重要的作用。

長期以來，針對信息系統和物理系統兩者之間的研究，更多的是停留在淺層次的研究，通常在研究過程中，會假定信息系統所提供的信息是符合要求，不僅完整，而且是及時準確的。實際上，在發展過程中，物理系統的調控，對于信息系統的依賴性在逐漸增強，所以，上述假定是不成立的。鑒于此，必須要更深層次的展開針對信息質量對物理系統性能所具有的影響的研究。

5.2 能源互聯網的信息物理安全性

在經濟社會發展中，信息系統和一次能源系統這兩者之間在不斷融合，同時，融合的程度也在不斷加深。對于能源互聯網而言，信息安全問題顯得尤為重要和緊迫。實際上，在供水系統、電力系統以及天然氣系統中，信息安全問題已經不是新生問題，政府和行業內都已對其有了長期的關注和研究，例如：電力系統，通常人們認為電力信息系統與外部信息網絡之間是彼此獨立的，因此，安全性能高，不會輕易受到威脅和攻擊，但是在2010年，專門性的計算機病毒出現，打破了人們的認識。

網絡攻擊不會對物理系統進行直接性的破壞，而是以影響其功能的形式進行破壞，這一問題已經成為電網研究部中的焦點。想要解決這一問題，還需要專業人士不斷地進行思考和探究。

6 結語

綜上所述，能源互聯網的發展，是智能電網發展的主流趨勢，其核心是電力系統。從本質上來講，能源互聯網的發展，能夠推動能源結構的轉變，同時，石化能源的利用方式也將發生一定改變，向分布式可再生能源利用轉變。可以這么說，未來能源互聯網的發展，能夠預示能源產業的發展方向。

參考文獻

[1] 董朝陽，趙俊華，文福拴，等.從智能電網到能源互聯網：基本概念與研究框架[J].電力系統自動化，2014，38（15）：1-11.

[2] 曾鳴，楊雍琦，劉敦楠，等.能源互聯網“源—網—荷—儲”協調優化運營模式及關鍵技術[J].電網技術，2016， 40（1）：114-124.

[3] 曾鳴，楊雍琦，李源非，等.能源互聯網背景下新能源電力系統運營模式及關鍵技術初探[J].中國電機工程學報，2016，36（3）：681-691.

[4] 李柏青，劉道偉，秦曉輝，等.信息驅動的大電網全景安全防御概念及理論框架[J].中國電機工程學報，2016，36（21）：5796-5805，6022.

[5] 蒲天驕，劉克文，陳乃仕，等.基于主動配電網的城市能源互聯網體系架構及其關鍵技術[J].中國電機工程學報，2015，35（14）：3511-3521.