能源互聯(lián)網的“熱響應”與“冷思考”

對能源系統(tǒng)的優(yōu)化，關系到人類社會的高質量可持續(xù)發(fā)展。能源互聯(lián)網(Energy internet，EI)作為本次能源革命的排頭兵，其發(fā)展態(tài)勢成為引領我國能源轉型的風向標。

能源互聯(lián)網，一方面提倡源側分散式可再生能源的大規(guī)模接入，統(tǒng)籌用戶側能源產消者，實現(xiàn)能源的雙向流動與開源創(chuàng)造;另一方面，通過能源“硬技術”突破和“軟機制”設計，實現(xiàn)能源系統(tǒng)全生命周期的“能效提升”。

最終，基于“共建、共治、共享”理念，能源互聯(lián)網通過打破遍及能源系統(tǒng)物理層、信息層和應用層“環(huán)-網-荷-儲”的各環(huán)節(jié)，以及在規(guī)劃、建模、運行、優(yōu)化和市場等鏈條中的“泛在之墻”，實現(xiàn)全局優(yōu)化與多方“共贏”。

目前，能源互聯(lián)網的產業(yè)發(fā)展和科學研究還處于快速發(fā)展和不斷完善之中，因此，本文立足我國能源互聯(lián)網發(fā)展的新態(tài)勢，圍繞能源互聯(lián)網及其示范工程中物理層、信息層和市場層的建設內容，一方面，總結能源互聯(lián)網發(fā)展的良好勢頭、做好能源互聯(lián)網的“熱響應”;另一方面，看清能源互聯(lián)網發(fā)展遇到的困難、提供能源互聯(lián)網發(fā)展過程中的“冷思考”。以期為能源互聯(lián)網的科學研究和產業(yè)發(fā)展厘清思路、提供參考。

能源互聯(lián)網：以電為核心，集成冷、熱、氣等能源，具有“三橫四縱”結構特征的能源生態(tài)網絡

能源互聯(lián)網是能源系統(tǒng)和互聯(lián)網技術深度融合的產物，也是智能電網發(fā)展的高級形態(tài)。能源互聯(lián)網包容性強、覆蓋面廣、業(yè)態(tài)多樣。而當前業(yè)界對能源互聯(lián)網內涵外延的詮釋，多是基于自身學科或產業(yè)，不一而足。如：

1. 《T/CEC 01.1-2016 能源互聯(lián)網 第1部分：總則》：能源互聯(lián)網，以電能為核心，集成熱、冷、燃氣等能源，綜合利用互聯(lián)網等技術，深度融合能源系統(tǒng)與信息通訊系統(tǒng)，協(xié)調多能源的生產、傳輸、分配、存儲、轉換、消費及交易，具有高效、清潔、低碳、安全特征的開放式的能源互聯(lián)網絡;

2.《關于推薦“互聯(lián)網+”智慧能源發(fā)展的指導意見(發(fā)改能源[2016]392號)》：“互聯(lián)網+”智慧能源(簡稱能源互聯(lián)網)是一種互聯(lián)網與能源的生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業(yè)發(fā)展新形態(tài)，具有設備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等主要特征;

3. 清華大學能源互聯(lián)網創(chuàng)新研究院：能源互聯(lián)網是以電力系統(tǒng)為核心與紐帶，構建多種類型能源的互聯(lián)網絡，利用互聯(lián)網思維與技術改造能源行業(yè)，實現(xiàn)橫向多源互補，縱向源-網-荷-儲協(xié)調，能源與信息高度融合的新型(生態(tài)化)能源體系。

盡管上述有關能源互聯(lián)網的概念表述不一，但均突出了能源互聯(lián)網的三大基本要素：

1. 物理實體上，以電為核心，集成冷、熱、氣等能源，實現(xiàn)異質能量流的多能互補與綜合利用;

2. 信息物理融合上，借助“互聯(lián)網”的系統(tǒng)化思維和信息化手段，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的全景感知和數(shù)據化管控;

3. 應用交易價值上，能源技術創(chuàng)新和機制設計可遍及系統(tǒng)的規(guī)劃、運行、市場等環(huán)節(jié)，重塑能源系統(tǒng)生產關系的新生態(tài)。

上述特征，可以通過能源互聯(lián)網的“三橫四縱”概念框架進行通俗闡釋，即，“橫向：物理流-信息流-價值流的三流合一”;“縱向：源-網-荷-儲的四環(huán)協(xié)同”?？芍^，通過信息物理融合和市場機制設計，能源互聯(lián)網追求突破物理層、信息層和價值層藩籬的深度交互，實現(xiàn)“三流合一”;通過協(xié)同設計、統(tǒng)一規(guī)劃和集成優(yōu)化，能源互聯(lián)網追求打破“源-網-荷-儲”各環(huán)節(jié)條塊分割的壁壘，實現(xiàn)“四環(huán)協(xié)同”。

能源互聯(lián)網物理層：以電為核心的“熱響應”與“冷思考”

“能源互聯(lián)網為何是以電能為核心，而不是以“熱能(冷能)為核心”成為能源互聯(lián)網實施過程中常遇到的疑問，特別是剛接觸能源互聯(lián)網概念，來自“工程熱物理與動力工程學科”或“供熱供燃氣通風及空調工程”學科，從事供暖、制冷的學者和技術人員常會如此發(fā)問，究其原因，筆者認為：

1. “以電能為核心，集成冷、熱、氣等能源”，該表述是一個并非具有絕對數(shù)量指標的泛指，而是注重“電”、“熱(冷)”、“氣”在不同應用情景下的靈活集成。

縱觀世界能源發(fā)展史，正是一個“電”、“熱(冷)”、“氣”不斷趨向融合的發(fā)展史，這正是能源互聯(lián)網的物理基礎——綜合能源系統(tǒng)的核心所在。

通過“共建、共享、共治”，能源互聯(lián)網打破物理層的桎梏，實現(xiàn)冷熱電氣的同步規(guī)劃、建設和運營，實現(xiàn)物理層“源-網-荷-儲”全生命周期的多目標優(yōu)化。

實際上，能源互聯(lián)網并不是一個全新的概念，而是伴隨工業(yè)革命的發(fā)展以及人類對能源系統(tǒng)的特征需求逐步發(fā)展而來的。如以第一次能源危機為起點，能源互聯(lián)網的發(fā)展可大致分為四個階段：孕育階段(1970-1997)、概念階段(1998-2006)、起航階段(2007-2015)、升華階段(2016-至今)。對應能源互聯(lián)網的不同發(fā)展階段，雖然不同能源利用技術交叉并存，但又有所側重。

因此，能源互聯(lián)網孕育階段——以基于能的梯級利用的天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為代表，概念階段——以基于能的因地制宜的分布式能源系統(tǒng)為代表，起航階段——以基于能的多能互補的綜合能源系統(tǒng)為代表，升華階段——以基于能的互聯(lián)互濟的能源互聯(lián)網為代表。最終，能源互聯(lián)網將盡可能地逼近能源價格合理、能源供給充足和能源清潔環(huán)保的目標。

2. 能量利用及能源特性角度，一方面，電氣化對世界能源轉型起到了重要的作用，“人均生活用電”是社會經濟發(fā)展的重要指標，而這是由電能所具有的“小慣性”、“易傳輸”、“好轉化”特征決定的。

即相對于“冷”、“熱”、“氣”等慣性比較大的能源載體，電能的慣性小、響應快、便于傳輸，且容易轉換成冷、熱等能源形態(tài);另一方面，冷/熱的使用，可以間接通過電能的使用來量化。如“冷”、“熱”、“氣”等能源的傳輸與轉化，多依靠的是泵、風機等耗電設備或鍋爐、空調、熱泵等熱功轉換設備。

進而，可以間接通過電能的耗損以及設備的性能(如泵的機械效率、鍋爐熱效率、空調制冷系統(tǒng)等)折算出“冷”、“熱”、“氣”的消耗量。

因此能源互聯(lián)網物理層的“熱響應”有以下內涵，一方面，能源互聯(lián)網以電為核心的表述，并不意味著對于所有的能源系統(tǒng)都將全部改由電作為絕對核心，也并不意味著重視“電能”而歧視“熱(冷)能”;另一方面，應看到，能源互聯(lián)網闡述的是“以電為核心，集成冷、熱、氣等能源”的整體概念，應是因地制宜、因時制宜的。

如，我國北方寒冷地區(qū)的以“熱”為核心的區(qū)域供熱系統(tǒng)智慧化，也是能源互聯(lián)網業(yè)態(tài)的具體表現(xiàn)之一。首批能源互聯(lián)網示范項目——“‘互聯(lián)網+’在智能供熱系統(tǒng)中的應用研究及工程示范項目”，針對國內集中供熱系統(tǒng)網源間信息孤立的問題，以丹東城區(qū)集中供熱為對象，建立了一種互聯(lián)、開放、共享的網源一體化集中供熱系統(tǒng)，提出網源一體的經濟性調控策略，初步實現(xiàn)了信息共享、智慧決策與集中控制。

而能源互聯(lián)網定義中的“冷思考”應該看到，一方面，相對于電力系統(tǒng)，冷/熱能源系統(tǒng)熱慣性大且響應慢、能源設備相對粗糙、從業(yè)人員培訓不系統(tǒng)、運維信息化程度不高，因此，應冷靜看待冷/熱供能系統(tǒng)在能源互聯(lián)網研究和落地上的短板。

另一方面，電能作為二次能源，在當前我國技術經濟條件下，多由煤燃燒的熱功發(fā)電而來，后在通過電轉熱(冷)技術得以消費。

如此，能量轉換環(huán)節(jié)多、能源損失大。因此，應推進集中式和分布式齊頭并進，不斷提高可再生能源發(fā)電技術的比例，并不斷優(yōu)化“源-荷”在能量與能級上匹配性，方能構建高能效的能源互聯(lián)網終極形態(tài)。

能源互聯(lián)網“能源層-信息層”：以熵為視角的“熱響應”與“冷思考”

近幾年，能源互聯(lián)網及其相關業(yè)態(tài)在我國風起云涌，如“泛能網”、“綜合能源系統(tǒng)(服務)”、“多能流(源)系統(tǒng)”、“智慧能源”、“虛擬電廠”、“源-網-荷-儲一體化”、“多能互補”、“風光水火儲”、“新一代電力系統(tǒng)”、“冷熱電聯(lián)供”、“微能源網”、“總能系統(tǒng)”、“微電網”、“分布式能源”、“能源產消者”、“區(qū)塊鏈能源”、“自能源”、“智能電網”、“能源互聯(lián)平臺”、“需求側響應”等等。

2019年，國家電網公司也提出了以堅強智能電網和泛在電力物聯(lián)網為抓手，打造“樞紐型、平臺型和共享型”的世界一流能源互聯(lián)網企業(yè)的愿景。

一下子，“泛在電力物聯(lián)網熱”漫延在整個能源界，也帶動了對“(能量)信息物理融合系統(tǒng)”概念的熱議。同時，國網公司相關專家和業(yè)界也給出了“能源互聯(lián)網=堅強智能電網+泛在電力物聯(lián)網”的范式框架。那么，就能源系統(tǒng)而言，能量信息物理系統(tǒng)和能源互聯(lián)網的差異在哪?筆者試從熵的角度給予解釋。

如圖1所示，從“熵”的角度看(熵，熱力學中表征物質狀態(tài)的參量之一，其物理意義，是體系混亂程度的度量)，一方面，堅強智能電網涉及的能的轉換、傳輸及儲存，都會存在著內外部的能量不可逆損失，是一個能量價值不斷貶低的熱力學“熵增”過程;另一方面，要構建物理信息融合的泛在電力物聯(lián)網，旨在強調，在能源的使用、交換過程中，會產生大量有用的信息，而這些新的有用的信息經過數(shù)據挖掘后，可用以指導能量流的重構與優(yōu)化，可以看成是一個增加價值的“負熵”過程。

圖1 從熵的角度看能源互聯(lián)網及國網的“三型兩網”

盡管對信息熵和熱力學熵，目前尚難以具有共識的權重和方法進行量化、統(tǒng)一，但對信息物理融合系統(tǒng)，可看做是在利用泛在電力物聯(lián)網的信息流“負熵”理念和技術，去進一步降低堅強智能電網中的熱力學“熵增”，使其熵增過程盡可能減慢，甚至追求能量系統(tǒng)熵的增速接近到零。

因此可以認為，泛在電力物理網，就是要實現(xiàn)不同綜合能源系統(tǒng)內外部能源信息的聯(lián)通和共享，以有效支撐能量的供需互動與有序配置;并且信息流將貫穿于能源互聯(lián)網的全生命周期，包括其規(guī)劃、設計、建設、運營、監(jiān)控、維護、資產管理和資產評估與交易，等等。

具體來說，需要將沒有連接的設備、客戶都連接起來，沒有貫通的業(yè)務都貫通起來，沒有共享的數(shù)據都即時共享出來，形成跨專業(yè)數(shù)據的共享共用生態(tài)，將過去沒有用好的數(shù)據價值都挖掘出來。

因此，能源互聯(lián)網信息層的“熱響應”，即，要看到堅強智能電網和泛在電力物聯(lián)網的互補性。除了物理層基于能的梯級利用、能的因地制宜、能的多能互補和能的互聯(lián)互濟等技術實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)熵增的降低外，借助信息層“云大物移智”技術，構建“源-網-荷-儲”全鏈條交互的“泛在電力物聯(lián)網”甚至“泛在能源物聯(lián)網”，將是現(xiàn)階段及未來能源互聯(lián)網“熵增降速”的關鍵一環(huán)。

而能源互聯(lián)網信息層的“冷思考”，即看到能源互聯(lián)網與信息物理融合系統(tǒng)的統(tǒng)一性。能源互聯(lián)網可看作是堅強智能電網與泛在電力物聯(lián)網的合集，而能源界的信息物理融合系統(tǒng)，則可理解為堅強智能電網與泛在電力物聯(lián)網的交集。

同時，當信息物理融合系統(tǒng)的能量流與信息流實現(xiàn)高度融合且物理空間邊界不斷擴大，在特定的能源系統(tǒng)時空尺度下，信息物理融合系統(tǒng)或與能源互聯(lián)網收斂到統(tǒng)一，即形成具備自我“新陳代謝”的能源生態(tài)。

能源物聯(lián)網應用層：技術與機制的“熱響應”與“冷思考”

2016起，國家發(fā)改委、國家能源局等部門，陸續(xù)批準了4批增量配電網項目、首批23個多能互補集成優(yōu)化示范工程、28個新能源微電網示范項目、首批55個“互聯(lián)網+”智慧能源(能源互聯(lián)網)示范項目，遍布全國31個省、直轄市和自治區(qū)，標志著能源互聯(lián)網已進入先行先試的發(fā)展階段。

其中，作為撬動新一輪能源革命的重要支點，首批55個“互聯(lián)網+”智慧能源(能源互聯(lián)網)示范項目引起了全社會的廣泛關注。

2019年3月，我國《國家能源互聯(lián)網發(fā)展白皮書2018》發(fā)布，從國家層面系統(tǒng)構建了我國能源互聯(lián)網發(fā)展的指標體系，梳理了能源互聯(lián)網的產業(yè)生態(tài)現(xiàn)狀。2019年6月，由央企集團(公司)牽頭的首批能源互聯(lián)網示范項目也通過驗收。

整體來看，首批落地的能源互聯(lián)網示范項目，在關鍵技術與市場機制、綜合能源服務與大眾參與等方面開展了探索性工作，有力推動了能源互聯(lián)網新技術、新模式和新業(yè)態(tài)的發(fā)展，這些，都是對能源互聯(lián)網應用層“熱響應”的積極體現(xiàn)。

關鍵設備及系統(tǒng)方面：“支持能源消費革命城市園區(qū)雙級‘互聯(lián)網+’智慧能源示范項目”，啟動的多端交直流混合柔性配網互聯(lián)工程，通過采用世界最大容量±10千伏等級中壓柔直換流閥、首創(chuàng)應用三端口直流斷路器、世界最大容量±10千伏三端口直流變壓器，實現(xiàn)了供電區(qū)域互聯(lián)互濟，促進分布式可再生能源的友好接入，提升電網資源使用效率和電能質量，如圖4所示;“‘互聯(lián)網+’在智能供熱系統(tǒng)中的應用研究及工程示范項目”，研發(fā)了新型凝抽背供熱技術、“一站一優(yōu)化曲線”智能調節(jié)技術，并與熱電聯(lián)產、吸收式熱泵、電蓄熱技術耦合，形成“源-網-荷”一體化集中智慧供熱系統(tǒng)。

關鍵機制及策略方面：“大規(guī)模源網荷友好互動系統(tǒng)示范工程”，基于“互聯(lián)網+”市場化模式的源網荷儲運營機制，實現(xiàn)了非工業(yè)柔性負荷調控、工業(yè)剛性負荷調控以及主動需求響應的接入。并通過需求側響應激勵機制，構建了可中斷負荷商業(yè)化運營機制，積極引導電力市場主體積極參與產業(yè)鏈上下游的互動;“基于電力大數(shù)據的能源公共服務建設與應用工程”示范項目，通過開放服務的方式為政府和社會各方提供基于電力大數(shù)據的價值信息，實現(xiàn)將電網數(shù)據轉化為社會公共價值的新模式，實現(xiàn)了電網基礎數(shù)據資源的整合。

同時，首批能源互聯(lián)網示范項目的先行先試，催生了一批綜合能源服務新業(yè)態(tài)的出現(xiàn)，打破了項目承擔單位、地方政府、通信運營商、供能企業(yè)、用能客戶、汽車公司、市政企業(yè)等不同業(yè)態(tài)之間的壁壘，探索了“共建、共享、共治、共贏”的理念、方式及模式。

如：電網、電信網、廣電網、互聯(lián)網的“四網融合”;通信塔、輸電塔的“多塔合一”;變壓站、儲能站、數(shù)據中心的“多站合一”;路燈、監(jiān)視、交通、廣播的“多桿合一”;水、電、氣、熱的“多表合一”;“能源互聯(lián)網的微通道——能源互聯(lián)網插座”;“基站閑散儲能模式”;“退役電池梯次利用”等等。

再如，基于“面向特大城市電網能源互聯(lián)網示范項目”研發(fā)出的“智慧路燈”，集照明、監(jiān)控、信息發(fā)布(廣播與道路指示牌)、充電樁(手機充電與電動車充電)、微基站、井蓋防護等十多種功能于一體，整合后的道路桿件，由原來的52桿縮減至35桿;清華大學能源互聯(lián)網創(chuàng)新研究院研發(fā)的“基于能源互聯(lián)網插座”的精細化用電管理模式及平臺，以能源的泛在通道——“插座”為抓手，將用電服務、計量和管理等功能下沉到能源系統(tǒng)最普遍的最底層——插座，并采用物聯(lián)網手段與大數(shù)據后端結合，在能解決公共用場所充電難問題的同時，設置出多樣化的套餐服務，精細化管理用戶的用電行為、提高充電設備的利用率，也能夠服務于社區(qū)及其區(qū)域能源系統(tǒng)的“削峰填谷”和“需求側響應”。

最后，為確保能源互聯(lián)網生態(tài)的健康發(fā)展，也應注重能源互聯(lián)網應用層的“冷思考”，如：

1. 跨界融合、加強能源互聯(lián)網關鍵技術的集成優(yōu)化：能源互聯(lián)網內涵外延，涉及眾多相關技術的突破(如中低品位能源轉換技術、高效低成本的儲能技術、靈活柔性的低壓直流技術等等)，而如何發(fā)揮多種技術之間的梯級利用、網絡耦合、多元互補以及熱電耦合與解耦，進而打破各種技術之間的局部優(yōu)化壁壘，實現(xiàn)能源互聯(lián)網各元素的“多元互動、集成優(yōu)化”，充分釋放能源互聯(lián)網的“跨界”潛力;

2. 數(shù)字驅動、深化能源互聯(lián)網的信息物理融合：物聯(lián)化已成為能源轉型的重要趨勢，通過物聯(lián)化技術實現(xiàn)能源系統(tǒng)“源網荷儲”各環(huán)節(jié)信息流的貫通，進而以信息流改造能源流，充分挖掘能源的數(shù)字化價值，已是泛在電力物聯(lián)網建設的必然趨勢;

3. 因地制宜、重視政府對能源互聯(lián)網項目的落地協(xié)調作用：政府在能源互聯(lián)網示范項目的建設審批、機制設計和運維管理方面，特別是在不同門類工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)基礎設施建設以及“能源數(shù)字礦產”上具很大的挖掘空間;

4. 科學組織、加快能源互聯(lián)網技術相關標準的制定：能源互聯(lián)網的落地涉及到物理層、信息層和應用層諸多創(chuàng)新技術的規(guī)模化應用。進而，要實現(xiàn)能源互聯(lián)網項目的高質量可推廣落地，各類技術須有統(tǒng)一的設計規(guī)范、路徑接口及評價指標;

5. 統(tǒng)籌謀劃、倡導能源互聯(lián)網的大眾參與多元化市場機制：堅持以惠民利民為中心和堅持創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，就是發(fā)展能源互聯(lián)網的指導方針。某種程度上，“輕資產”市場機制設計的創(chuàng)新效益大于技術創(chuàng)新的“重資產”高投入回報。因此，要切實有效提升大眾參與程度，可加快形成以開放、共享為主要特征的能源產業(yè)發(fā)展新形態(tài)。