能源互聯(lián)網(wǎng)體系與應(yīng)用新技術(shù)研究

能源革命從上個(gè)世紀(jì)開始就成為全球關(guān)注的議題之一，諸多國家都致力于新能源領(lǐng)域的開發(fā)及相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)。革命初期，多能源轉(zhuǎn)換，尤其是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能乃至機(jī)械能，是領(lǐng)域研究的重點(diǎn);到了中葉，開發(fā)可再生清潔能源在很長的周期內(nèi)成為解決環(huán)境和資源短缺問題的突破點(diǎn)，相應(yīng)的開發(fā)及儲(chǔ)存技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生;當(dāng)前，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，對于能源的利用已不僅停留在清潔、高效、低成本，更多的是立足于智能管理、優(yōu)化控制等網(wǎng)絡(luò)化程度更強(qiáng)的能源利用。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)這一新興詞匯便隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能應(yīng)運(yùn)而生。

什么是能源互聯(lián)網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以電力系統(tǒng)為中心，將電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)、供熱網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)、交通、建筑系統(tǒng)等緊密耦合，橫向?qū)崿F(xiàn)電、氣、熱、可再生能源等“多源互補(bǔ)”，縱向?qū)崿F(xiàn)“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)高度協(xié)調(diào)，生產(chǎn)和消費(fèi)雙向互動(dòng)，集中與分布相結(jié)合的能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

能源互聯(lián)網(wǎng)的特征，從物理維度上是一個(gè)以電力系統(tǒng)為核心，以可再生能源為主要一次能源，與天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等其他系統(tǒng)緊密耦合而形成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng);從信息維度上是能量的開放互聯(lián)與交換分享可以跟互聯(lián)網(wǎng)信息分享一樣便捷的信息物理融合系統(tǒng);從市場維度上看：提供綠色能源靈活交易的平臺(tái)，構(gòu)建開放、自由、充分競爭的市場環(huán)境，能激發(fā)市場中各商業(yè)主體的積極性。

與智能電網(wǎng)相比，能源互聯(lián)網(wǎng)的側(cè)重點(diǎn)在于新能源的占比及影響的研究，更著重去探討當(dāng)可再生能源的占比到達(dá)很高的時(shí)候，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)應(yīng)該如何去支撐整個(gè)環(huán)境。同時(shí)，雖然電網(wǎng)作為核心部分，但清潔可再生能源的多能轉(zhuǎn)換利用決定了能源互聯(lián)網(wǎng)需要將電網(wǎng)與天然氣、熱能網(wǎng)絡(luò)等緊密耦合，其能量形式可以囊括電能、化學(xué)能、熱能、機(jī)械能等。

能源互聯(lián)網(wǎng)體系研究

能源互聯(lián)網(wǎng)的體系由下至上可以分為能源層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖

其中，能源層主要是進(jìn)行能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸和利用，包括化石燃料的發(fā)電、清潔可再生能源的多能轉(zhuǎn)化、電力利用等;網(wǎng)絡(luò)層主要是通過廣域布局的智能傳感進(jìn)行能源相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取海量數(shù)據(jù);而應(yīng)用層主要是利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)進(jìn)行能量信息的數(shù)據(jù)共享，主要包括能源設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各能源系統(tǒng)的實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等，主要實(shí)現(xiàn)途徑是對海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，從而搭建能源交易平臺(tái)來對各種能源交易進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐，承擔(dān)能源互聯(lián)網(wǎng)的信息采集、管理方案、能源交易等方面的運(yùn)行工作。

在此體系下，能源互聯(lián)網(wǎng)可以完成多能源協(xié)調(diào)管理，根據(jù)電、氣、熱網(wǎng)領(lǐng)域行業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，從能源價(jià)值最大化、系統(tǒng)安全運(yùn)行、多能源交易準(zhǔn)則和法規(guī)的角度對多能交易及資源配置進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理，從而可以保障能源的高效、安全供應(yīng)及能源互聯(lián)網(wǎng)的健康發(fā)展。同時(shí)，用戶可以借助平臺(tái)了解需求側(cè)的具體情況，同時(shí)借助系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)能源儲(chǔ)備和需求的匹配。作為需求側(cè)主體，用戶也可以參與供電供熱等供給側(cè)環(huán)節(jié)，借助能源交易平臺(tái)及分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行在線的能源交易、轉(zhuǎn)售等業(yè)務(wù)。

能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)研究

能源互聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)中所涉及的新技術(shù)主要包括大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能傳感、新能源發(fā)電、儲(chǔ)能等相關(guān)技術(shù)，這些技術(shù)最終都會(huì)通過能源互聯(lián)平臺(tái)進(jìn)行連接，成為能源互聯(lián)網(wǎng)個(gè)性化的技術(shù)鏈。

1 分布式能源與ICT融合技術(shù)

通過將光伏發(fā)電與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合打造的光伏云是分布式能源接入能源互聯(lián)網(wǎng)的雛形。光伏云分為設(shè)備、數(shù)據(jù)處理、服務(wù)、應(yīng)用端四部分。由光伏陣列和電表組成的設(shè)備部分是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)通過前置機(jī)中的采集設(shè)備將光伏發(fā)電的發(fā)電量、電能質(zhì)量等數(shù)據(jù)信息經(jīng)過大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理提供給服務(wù)端，在服務(wù)部分可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)、安全服務(wù)、任務(wù)調(diào)度服務(wù)等多種多樣的監(jiān)控、管理服務(wù)，這些服務(wù)可以在我們的手機(jī)、電腦平臺(tái)查看和操作，實(shí)現(xiàn)光伏的應(yīng)用端落地。通過著四部分的配合，能源與大數(shù)據(jù)云計(jì)算相互協(xié)調(diào)，真正實(shí)現(xiàn)能源的可控化和智能化。

光伏云網(wǎng)以客戶需求為導(dǎo)向，以全面提升分布式光伏運(yùn)營效率為目的，整合技術(shù)、信息、數(shù)據(jù)等分布式光伏全產(chǎn)業(yè)鏈資源，實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布、在線交易、智能管理、金融服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析等功能，提供集信息發(fā)布、咨詢評(píng)估、方案推薦、設(shè)備采購、安裝調(diào)試、并網(wǎng)接電、電費(fèi)結(jié)算及補(bǔ)貼代發(fā)、金融服務(wù)、運(yùn)行維護(hù)等全流程一站式服務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布式光伏線上線下全業(yè)務(wù)全流程貫通。

2 能源轉(zhuǎn)換與ICT融合技術(shù)

能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的主旨是一次能源向方便使用的能源的轉(zhuǎn)換。它可以將太陽能、風(fēng)能、熱能、生物質(zhì)、地?zé)?、燃?xì)?、油等能源轉(zhuǎn)換為電能，也可以將電能以特定介質(zhì)儲(chǔ)存起來。電力在能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、應(yīng)用環(huán)節(jié)起到樞紐的作用。真正實(shí)現(xiàn)能源的互聯(lián)互通。當(dāng)前能源轉(zhuǎn)換設(shè)備面臨的三大挑戰(zhàn)是：1、提升電能變換能力;2、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì);3、裝備和系統(tǒng)的可靠性。面對這三大挑戰(zhàn)行業(yè)的研究重點(diǎn)集中在提高能量轉(zhuǎn)換效率和能量的自動(dòng)擇優(yōu)配置方面。

等效于互聯(lián)網(wǎng)的連接和信息傳輸，在能源互聯(lián)網(wǎng)中能量的轉(zhuǎn)換設(shè)備通常被稱為能源路由。在能源路由器中，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源控制、能源存儲(chǔ)、能源管理，將網(wǎng)絡(luò)層采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層分析，然后，有效控制能源的應(yīng)用。

3 新型儲(chǔ)能與ICT融合技術(shù)

能源互聯(lián)網(wǎng)的安全、靈活可接入屬性決定了必須擁有強(qiáng)大的儲(chǔ)能裝置滿足能源的供需波動(dòng)，新型儲(chǔ)能材料作為能源互聯(lián)網(wǎng)中削峰填谷、能源綜合利用的關(guān)鍵，鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、液硫電池等多種新型儲(chǔ)能材料作為當(dāng)今的熱門話題和技術(shù)前沿深受行業(yè)研究人員的追捧。

儲(chǔ)能系統(tǒng)從整個(gè)電網(wǎng)，即發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)到用戶側(cè)都具備作用，在發(fā)電側(cè)主要起到新能源發(fā)電的平滑，相當(dāng)于能源的一個(gè)數(shù)據(jù)庫;在輸電側(cè)主要起到調(diào)峰、調(diào)頻作用;在用戶側(cè)主要是分布式發(fā)電系統(tǒng)合理配置方面的問題。更重要的是，儲(chǔ)能技術(shù)利用ICT技術(shù)將依據(jù)不同時(shí)段的電價(jià)、電能質(zhì)量等相關(guān)信息，有效地調(diào)度能源流的方向，從而達(dá)到降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和提升整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)整體效率的目的。

4 智能傳感技術(shù)

智能傳感技術(shù)包括光纖傳感、生物特征識(shí)別、無線傳感、圖像識(shí)別、傳感網(wǎng)等技術(shù)。智能傳感器獲取能源互聯(lián)網(wǎng)中輸配電網(wǎng)、電氣化交通網(wǎng)、信息通信網(wǎng)、天然氣網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及用戶側(cè)各類聯(lián)網(wǎng)用能設(shè)備、分布式電源及微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、聚集、分析并提供改進(jìn)的控制策略。通過智能傳感技術(shù)體系，能源互聯(lián)網(wǎng)支持端到端的業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)用戶與電網(wǎng)之間的互動(dòng)，而且可實(shí)現(xiàn)各種智能設(shè)備的即插即用，除了智能電能表以外，還支持其他各種非電表設(shè)備的無縫接入。

智能傳感作為全球能源互聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)末梢”，對于準(zhǔn)確感知電網(wǎng)狀態(tài)參量，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。主要包括光纖傳感、生物特征識(shí)別、無線傳感、圖像識(shí)別、射頻識(shí)別、多維感知等。智能傳感技術(shù)有助于能源互聯(lián)網(wǎng)的可感知、可控制、更智能。

5 大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是一種能夠通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地、按需方式、便捷地獲取計(jì)算資源(包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用和服務(wù)等)并提高其可用性的模式，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨身的高性能計(jì)算。互聯(lián)網(wǎng)營銷技術(shù)包括實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)營銷的電子商務(wù)平臺(tái)技術(shù)和相應(yīng)的營銷模式;能源互聯(lián)網(wǎng)將支持B2B、B2C、C2C等，利用互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的互聯(lián)互通能力，支持發(fā)電商(含分布式電源與微網(wǎng)經(jīng)營者)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、用戶、批發(fā)或零售型售電公司等多種市場主體任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的交易活動(dòng)。

大數(shù)據(jù)是指無法在一定時(shí)間內(nèi)用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具對其內(nèi)容進(jìn)行提取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合。能源互聯(lián)網(wǎng)中管網(wǎng)安全監(jiān)控、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、能源交易和用戶電能計(jì)量、燃?xì)庥?jì)量及分布式電源、電動(dòng)汽車等新型負(fù)荷數(shù)據(jù)的接入，使得其數(shù)據(jù)量將較智能電能表數(shù)據(jù)量增大很多。從大數(shù)據(jù)的處理過程來看，大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)包括：大數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)預(yù)處理、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理、大數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)展現(xiàn)和應(yīng)用(大數(shù)據(jù)檢索、大數(shù)據(jù)可視化、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)安全等。

結(jié)束語

能源領(lǐng)域的變革對工業(yè)、交通、城建等發(fā)展影響深遠(yuǎn)，是一個(gè)國家可持續(xù)發(fā)展的根本動(dòng)力之一。2015年9月26日，習(xí)近平總書記在聯(lián)合國發(fā)展峰會(huì)上發(fā)表重要講話，倡議探討構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)以清潔和綠色方式滿足全球電力需求。這是習(xí)近平總書記站在世界高度，繼“一帶一路”之后提出的又一重大倡議，是對傳統(tǒng)能源發(fā)展觀的歷史超越和重大創(chuàng)新。信息通信技術(shù)與能源領(lǐng)域的深度融合，實(shí)現(xiàn)了信息流和能量流的雙向智能交互，既利于國家的可持續(xù)發(fā)展，也符合了大力發(fā)展數(shù)字化、智能化產(chǎn)業(yè)的時(shí)代背景?！度嗣袢請?bào)》最近發(fā)表的專家文章中指出“構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)有助于打破能源子系統(tǒng)間的壁壘”、“有助于解決我國能源發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和難題”、“有助于推動(dòng)我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型”。而能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，更是在綜合能源系統(tǒng)逐步完善的基礎(chǔ)上，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源全周期的智能管理、雙向交易及附加服務(wù)，最終邁入全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路徑中。