中國能源互聯網的模式探索和建設實踐

謝偉 李琦芬 高迪 桂雄威

上海電力學院

0 引言

全球能源的多元化、低碳化、智能化、定制個性化將是未來能源科技革命發展并完善的方向。藉由能源科技創新引領，實現能源互聯網場景革命下的真正意義上清潔低碳、安全高效的現代能源體系，必將成為下一代能源技術發展目標。本文將重點梳理中國多種能源形態的探索、多視角評述能源互聯網概念，并提出能源互聯網架構和前瞻性技術分析，闡述上海能源互聯網的建設實踐和展望。

1 國外能源互聯網的源起

21世紀以來，隨著新能源和信息技術的發展，以及能源體制變革，美國、德國、日本等國陸續提出能源互聯網或類似的概念和行動計劃，主要有兩類理解方向。美國以FREEDM為代表較早提出能源互聯網，其內涵最初與智能電網部分內容建設相輔相成。德國于2008年在智能電網的基礎上選擇了6個試點地區進行為期4年的E-Energy技術創新促進計劃，成為實踐能源互聯網最早的國家。

美國以FREEDM為代表。2007年美國北卡羅來納州立大學的Alex Huang（黃勤）教授提出了能源互聯網（Energy Internet）概念。FREEDM項目提出了能源路由器的概念，并進行了原型實現。FREEDM項目利用電力電子技術實現對變壓器的控制，路由器之間利用通信技術實現對等交互[1-2]。2012年7月，美國能源部下屬新能源國家實驗室（NREL）提出能源系統整合概念（Energy Systems Integration）：完成各系統間的高效互聯，進而實現經濟效益和社會效益的最大化[3]。早在2008年的硅谷，ET+IT（能源技術+信息技術）的概念稱之為Smart Grid（智能電網)[4]。

德國能源互聯網以E-Energy為代表[5]。2008年開始推動的“E-Energy”能源互聯網示范項目，在六個城市試點不同側重的智能電網示范項目，以最先進的調控手段來應付日益增多的分布式電源和各種復雜的用戶終端負荷。E-Energy項目認為能源互聯網依然是信息互聯網[6]。

隨后，日本提出數字電網(digital grid)概念[7]，其出發點是為了減少大面積的連鎖故障和實現高滲透可再生能源的消納，核心是將同步電網分為幾個異步的子電網。子電網之間通過數字電網路由器連接，通過數字電網控制器直接調控潮流，使子電網內的可再生能源不會影響大電網[8]。

此外，隨著歐美國家電力市場的不斷放開和能源價格的攀升，IT技術尤其是移動互聯網技術的不斷發展，“能源互聯網”在不少國家形成了一個新的創業生態圈。

2 中國能源互聯網的模式探索

2.1 中國多種能源形態的探索

熱電聯產作為分布式能源在中國的雛形，早在2004年《國家發展改革委關于分布式能源系統有關問題的報告》中，就對分布式能源的概念、特征、發展重點等作了較為詳細的描述[9]。報告指出，分布式能源即是利用小型設備向用戶提供能源供應的新能源利用方式[10]；蔡睿賢院士在文獻[11]中提出分布式能源系統是相對于能源集中生產（主要代表形式是大電廠加大電網）而言的，把二次能源供能點分散到用戶側；徐建中院士在文獻[12]中指出，分布式能源是靠近用戶側，由不同模塊化設備組成的提供多種形式能源的供應系統[12]。近年，在分布式能源項目廣泛開展的同時，多能互補概念也引起了學術界的提倡和重視。政府在發布的《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》中指出，多能互補集成優化示范工程主要有兩種模式[13]。

微電網是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與大電網并網運行，也可以孤立運行[14-15]。王成山教授在文獻[14-16]中對微電網在大規模接入分布式發電系統時所起的作用進行了深入的研究。ICT(Information and Communication Tech-nology)領域的大量變革創新[17]，為能源領域的提升和發展提供了技術支持。

在分布式能源和微電網快速發展后，能源領域相繼出現智能電網(Smart Grid)[18-19]、綜合能源(Integrated Energy System)和能源互聯網(Energy Internet)[10]三種重要理念和技術，其目的都是實現環境友好和能源可持續供應的目標[21]。

貽鑫院士在文獻[28]中提出，智能電網是指一個完全自動化的供電網絡[22]；國家電網公司提出“堅強智能電網”概念和建設規劃23]。

綜合能源系統被認為是未來人類社會能源的主要承載形式[24]。我國賈宏杰教授在文獻[25]中，對適合中國國情的區域綜合能源系統進行了研究，并在文獻[26]中給出了綜合能源系統的定義。新奧集團提出泛能網，可視為利用泛在網和物聯網技術對能源系統進行改造的一種嘗試[26-27]。協鑫集團在2014年提出“六位一體”分布式微能源網的概念[28]。

能源互聯網的概念最早見于美國學者杰里米·里夫金的著作《第三次工業革命》[29]。隨后能源互聯網理念不斷地得以豐富和實踐（如圖1）。

圖1 多種能源形態的關系圖

2.2 能源互聯網的多維度分析

能源互聯網概念被我國產業界熟知與接受，源起于美國未來學家里夫金的《第三次工業革命》，其提出的融合互聯網技術和可再生能源技術構建新型能源供需架構的思路，指明了能源互聯網相關技術研究的方向。與此同時，我國國務院正式提出“互聯網+”行動，其概念成為“互聯網+能源”傳統行業的商業生態探索的助力，順應了傳統企業轉型發展的需求，能源互聯網在中國得以迅速發展[35]（見表1）。

2.3 能源互聯網的架構與技術分析

本文建立能源互聯網的基礎架構（如圖2），大致分為硬件能源層、軟件信息層和金融價值層三個層級。其中，硬件能源層是多能流的綜合能源系統，是物理基礎；軟件信息層是以IEMS為代表的綜合能源管理系統，是執行路徑；金融價值層是以能源互聯網金融為主的能源運營模式，是價值實現。能源互聯網的這三個層級相輔相成、實現能源流、信息流、價值流的滲透與融合，共同推動能源系統的快速發展。

3 中國能源互聯網的實踐

近年來，上海為能源結構調整和能源技術創新做了部分嘗試。（見表2）

上述的天然氣分布式供能及多種能源形態的探索可看作上海能源互聯網能源技術層面的前期實踐。現狀表明，能源互聯網的能源技術層面已有較完備的技術要素，但能源互聯網的整體發展還未實現質的改變，前期技術的探索儲備依然值得肯定，各傳統單體能源應用模式即將形成合力轉變為能源網絡化應用模式，這將有助于進一步探索能源互聯網示范項目積累經驗。

表1 智能電網、綜合能源系統、能源互聯網的對比

表2 能源互聯網多維度橫向梳理

圖2 能源互聯網的基本架構

表3 上海市能源事記簡表

4 展望和總結

能源互聯網已經成為國內外學術界和產業界的關注焦點和創新前沿。近年來，能源互聯網的提出和發展體現了深刻的環境、經濟、社會、技術和政策等諸多驅動力的背景訴求。發展能源互聯網將從根本上改變對傳統能源利用模式的依賴，推動傳統能源產業向以可再生能源和信息網絡為基礎的新興產業轉變，是對人類社會生活方式的一次根本性革命。

本文對能源互聯網在國外、國內的發展做出總結梳理，并已上海為例，介紹能源互聯網的發展與建設實踐（見表3）。目前，很多項目已進入工程落地階段，示范試點遍地開花，理念探索不斷地付諸于實踐，相信能源互聯網的發展將極大地提升人民的生活品質。