前  言

能源是人类社会发展的物质基础,在国家安全、国民经济中具有特别重要的战略地位。伴随我国经济的30多年的高速增长,能源与环境问题已成为社会经济发展的严重约束性条件,以往主要依靠化石能源的用能模式不可持续,能源行业亟待转型升级。

当前,随着互联网技术的兴起,对于能源的利用已不仅停留在清洁、高效、低成本,更多的是立足于智能管理、优化控制等网络化程度更强的能源利用。因此,能源互联网这一新兴词汇便随着互联网技术中的大数据、云计算、人工智能应运而生。

1.什么是能源互联网

能源互联网就是以互联网技术为基础,以电力系统为中心,将电力系统与天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑系统等紧密耦合,横向实现电、气、热、可再生能源等“多源互补”,纵向实现“源、网、荷、储”各环节高度协调,生产和消费双向互动,集中与分布相结合的能源服务网络。

其中,“源”是指煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、地热能等一次能源和电力、汽油等二次能源;“网”是指涵盖天然气和石油管道网、电力网络等能源传输网络; “荷”和“储”是指代表各种能源需求和存储设施。

能源互联网是一套完整的能源生态系统,其中包括能源供给、能源需求响应、传输、形式转换、数据应用、信息管理以及运行调度控制等。在能源互联网中能源供给和消费的形式更为多样化,相互之间的转换也更为灵活多变,由此总结出能源互联网的如下特征:1)能源形式的多元化和高渗透率;2)大量的分布式能源接入使得能源的生产侧、传输侧和需求侧在地理上不再分隔;3)更为灵活的能源交互需要跨区域的潮流分布和多源间的协同调度支持;4)多种能源间的交互需要海量的数据量测处理和多元应用;5)社会的互动参与成为影响能源互联网安全经济运行的核心内容。

能源互联网是智慧能源应用在能源系统中,在技术层面与能源系统中的分布式能源、储能设备、节能低碳技术等协同性技术相互配合;在运营模式上,借鉴互联网的运营管理和创新商业模式思路,推进能源系统的安全、高效、低碳运行。

2.能源互联网体系架构

能源互联网是一个开放式的概念,也是一个不断丰富和发展的概念,是人们对未来能源网络发展方向和前景构想的集合。能源互联网的体系由下至上可以分为能源层、网络层和应用层,如图所示。

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图中,能源层主要是进行能源的生产、转换、传输和利用,包括化石燃料的发电、清洁可再生能源的多能转化、电力利用等;网络层主要是通过广域布局的智能传感进行能源相关数据的采集和传输,利用互联网技术,实时获取海量数据;而应用层主要是利用大数据、云计算、人工智能等技术进行能量信息的数据共享,主要包括能源设备的运行状态和各能源系统的实施运转状况等,主要实现途径是对海量数据信息进行分析和处理,从而搭建能源交易平台来对各种能源交易进行数据支撑,承担能源互联网的信息采集、管理方案、能源交易等方面的运行工作。

能源互联网通过信息的互联互通实现多能源协调管理,根据电、气、热网领域行业的运转情况,从能源价值最大化、系统安全运行、多能源交易准则和法规的角度对多能交易及资源配置进行统一的协调管理,从而可以保障能源的高效、安全供应及能源互联网的健康发展。同时,用户可以借助平台了解需求侧的具体情况,同时借助系统控制网络实现能源储备和需求的匹配。作为需求侧主体,用户也可以参与供电供热等供给侧环节,借助能源交易平台及分布式储能系统进行在线的能源交易、转售等业务。

3.能源互联网关键技术研究

能源互联网3层架构中所涉及的关键技术主要包括工业物、联网大数据、云计算、能源梯级利用、储能等相关技术等,这些技术最终都会通过能源互联平台进行连接,成为能源互联网个性化的技术链。

3.1、工业互联网

物联网(Internet of Things,IoT)概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出,早期的物联网是指依托射频识别(Radio Frequency Identification ,RFID)技术和设备,按约定的通信协议与互联网相结合,使物品信息实现智能化识别和管理,实现物品信息互联而形成的网络。

物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等技术领域,其涵盖的关键技术非常多,为了系统分析物联网技术体系,将物联网技术体系划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性技术和支撑技术。

预计在未来15年,工业物联网(IoT)投资将高达60万亿美元[1]。并且到2020年,超过500亿美元的资产将连接至互联网[2]。全球范围内,各国积极应对新一轮科技革命和产业变革带来的挑战,包括中国在内的各主要国家和地区政府都在积极布局以期把握变革的先机。

3.2、云计算

目前云计算发展对数据中心和设备提出了新要求:大规模、高密度、高可靠性、高能效、高效交付以及智能运维。一般来说,数据中心的选址和布局,要考虑自然灾害预防、战略安全,以及产业支撑等相关因素,还要考虑用户体验和产业支撑要求,以及能源供应和绿色节能要求。对于大规模云计算数据中心,由于其规模庞大,能源消耗问题非常突出,因此应由国家统筹规划指导,在布局时应重点考虑在气候适宜和能源富集地区建设。

3.3、工业大数据

大数据的广义定义是指无法在一定时间内用传统数据库软件工具对其内同进行抓取、管理和处理的数据集合。工业大数据除了具备大数据的一般特征,还具有反映工业逻辑的新特征,这些特征可以归纳为多模态、强关联、高通量等特征[3]

基于工业互联网的网络、数据与安全,工业大数据将构建面向工业智能化发展的三大优化闭环处理流程。一是面向机器设备运行优化的闭环,核心是基于对机器操作数据、生产环境数据的实时感知和边缘计算,实现机器设备的动态优化调整,构建智能机器和柔性产线;二是面向生产运营优化的闭环,核心是基于信息系统数据、制造执行系统数据、控制系统数据的集成处理和大数据建模分析,实现生产运营管理的动态优化调整,形成各种场景下的智能生产模式;三是面向企业协同、用户交互与产品服务优化的闭环,核心是基于供应链数据、用户需求数据、产品服务数据的综合集成与分析,实现企业资源组织和商业活动的创新,形成网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新模式。

3.4、能源梯级利用

20世纪80年代初, 在对能源利用的核心科学问题进行全面深入地综合与总结后, 吴仲华提出了基于热能品位概念的“温度对口、梯级利用”理念, 作为普遍适用的热能利用原理, 对能源动力的发展应用具有重要的意义。

现在,能的梯级利用原理已成为能源动力系统集成开拓的关键核心科学问题,于它集成的总能系统则成为能源科学发展的主流思想,对能源科学技术和能源学科、乃至国民经济发展都产生了巨大而深远的影响。目前总能思想在燃料化学能梯级利用、分布式能源系统、可再生能源利用、能源动力系统温室气体控制等方面都做出了系统性、创造性的成果。

3.5、储能技术

目前储能主要分以下四大类型:第一,机械储能;第二,电磁储能;第三,化学储能;第四,相变储能。储能技术的分类,物理储能,主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能,电磁储能包括超导储能、超级电容储能、高密度电容储能;电化学储能,以电池为主,有铅酸、镍氢、锂离子、液留。

储能系统从整个电网,即发电侧、输电侧到用户侧都具备作用,在发电侧主要起到新能源发电的平滑,相当于能源的一个数据库;在输电侧主要起到调峰、调频作用;在用户侧主要是分布式发电系统合理配置方面的问题。更重要的是,储能技术利用工业互联网技术将依据不同时段的电价、电能质量等相关信息,有效地调度能源流的方向,从而达到降低运行维护费用和提升整个能源网络整体效率的目的。

结束语

第三次工业革命正在世界范围内发生, 而能源互联网是第三次工业革命的核心之一,是未来能源行业发展的方向。

目前,中国能源领域的互联网化程度还比较低,所以实施能源互联网行业发展战略将给能源领域带来极大地发展。国家能源局在2015年7月正式确定《能源互联网行动计划大纲》和12个支撑课题。可以看出,国内“能源互联网”的研究虽然起步比较晚,但已得到了相当程度的重视和发展力度支持。我国能源行业改革进入深水期,行业调整结构迫切需求转型升级的关口,能源互联网能够打开能源产业改革、开拓、创新的发展新局面。