能源互联网信息技术研究综述

　　摘要：可再生能源将在一定程度上缓解能源供给的紧张局势，但实现与已有能源系统的有机融合存在诸多问题，使得当前的能源体系面临着新一轮变革．借鉴信息领域的互联网理念、方法与技术等成果，能够保证从能源生产、传输到消费全过程的开放对等、便捷接入、智慧用能的能源互联网成为了重要发展方向．本文从基础架构角度讨论能源、信息基础设施发展的一般规律，阐述了能源互联网概念和基本特征；在总结能源互联网体系结构与技术框架、综述国内外相关信息技术研究成果的基础上，详细分析了发展能源互联网过程中信息技术所面临的关键问题和挑战．

　　关键词：能源互联网；可再生能源；分布式能源；信息技术；最优控制

　　能源被认为是能够提供热、光、动力等形式的能量来源，包括化石能源、核能、风能、水能、光能等．１９世纪电的发现和利用、内燃机等机械技术的发展直接推动了第２次工业革命，推动了人类文明近百年的快速发展，同时也导致化石能源的急速消耗和能源需求规模的不断增加，发掘更多能源形式和提高能源利用效率成为了缓解当前能源供需矛盾的有效办法．实现下述目标成为了目前被广泛认同的努力方向：１）保证可再生能源适时适量地转化为所需的能源形式；２）确保能源的高效利用，避免生产、传输、分发等各个阶段的损耗．在该过程中，信息处理和利用将处于基础性地位，为信息技术的应用和发展提供了前所未有的机遇和挑战．

　　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ经过４０余年的发展，已成为了信息高效传输与共享的重要载体，形成了具有相当规模且管理较为有效的体系架构．在能源竞争日益激烈的背景下，Ｒｉｆｋｉｎ在《第３次工业革命》一书中指出：“第３次工业革命”的标志将是互联网和可再生能源结合而形成的新能源互联网（ｅｎｅｒｇｙＩｎｔｅｒｎｅｔ），它是实现能源分布式供应的一种有效模式．从优化运行角度看，保证能源生产和传输过程中所需信息流高效传输的通道是引导和控制分布式能源生产单元操作的关键；获取能源需求和供给信息，并实施合理调配策略，能够实现能源的高效流动；用户参与可提供有用信息，为引导能源流优化调度提供支撑，并支撑个性化能源消费．能源互联网旨在利用信息技术和能源技术实现以可再生能源为主的能源供给和应用体系．因此，能源互联网是“信息流、能源流、控制流”的高度融合，可保证能源使用更为可靠、经济和便捷，支持智能供应和个性化利用等功能．

　　电灯、电热水器、电磁炉、电动汽车等发明几乎涵盖了人类生产、生活的方方面面，技术发展使得电能可以便捷地转化为光、热、动力等，电能已成为人类利用能源的主要形式．此外，电力网络已通过高压形式实现低功耗、远距离传输，覆盖面极为广泛的分发网络便利了人们对电能的使用．因此，在未来能源供应体系中，电力网络将处于整个能源网络的核心地位．基于此，本文重点以电能为背景叙述能源互联网研究中亟待解决的信息技术问题．

　　完全实现可再生能源供给，实现全球或更广泛范围的能源共享是能源互联网的目标．可以想象，在不远的将来，仅利用太阳能、地理位置的差异能使洲际间电力生产和消费实现互补，两极的电力生产可以供给全球．因此，能源互联网的成功与否取决于如何高效利用分布式可再生能源、并提供稳定的能源供给．面对可再生能源受自然条件等因素影响，难以保证电能质量的挑战（如仅可在白天利用太阳能发电，风力的不稳定性导致生产的电能难以被直接利用等），探讨基于广域、分布式的控制方法成为了能源互联网亟待研究的方向．基于电力系统，成果主要表现在以下２个方面：１）耦合能源流和信息流实现分布式能源接入，实现产能、用能的模式变革；２）构建能够支撑上述模式变革的能源架构．代表性的研究方向包括智能电网、分布式能源、微网等．然而，能源互联网作为能源体系新模式，如何借鉴Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的经验、开拓信息和能源的有机融合模式等仍存在较多问题．

　　本文在分析、总结相关领域已有成果的基础上，对涉及的相关信息技术进行了梳理，重点以电力网络为例，从体系架构、相关技术和潜在的研究热点等角度全面分析了信息技术研究潜在的机遇和挑战，并探讨性地分析了多种能源形式共存的能源互联网模式和可行的管理运营模式．

　　１、能源互联网发展现状

　　全球能源供需矛盾和环境压力是促使人们探讨更广泛清洁能源形式、更便捷能源控制方式和更高效能源使用方法的直接推动力．《第３次工业革命》中提出的融合互联网技术和可再生能源技术构建新型能源供需架构的思路开启了能源互联网相关技术研究的大门．针对能源供应相对短缺、能源利用效率不高及能源需求量持续增加的现状，各研究团体根据自身需求和已有条件开展了大量原创性工作，从不同角度诠释了他们对能源互联网的理解，形成了该领域多源并进的局势．

　　１．１能源互联网起源

　　文献提出了基于虚拟储能装置实现能源供应系统的伸缩管理方法，并设想为能源互联网．正式以能源互联网为对象的研究可以追溯到２００８年德国ＢＤＩ提出和实施的Ｅ－Ｅｎｅｒｇｙ理念和能源互联网计划．随后，在系统设计、管理方式等方面，研究人员开展了广泛研究，其中，美国南加州州立大学的研究人员提出了ＦＲＥＥＤＭ的系统架构；加州大学Ｂｅｒｋｅｌｅｙ分校研究人员从信息系统与能源网络相融合的角度提出了以信息为中心能源架构，突出了能源管理．此外，文献对比分析了Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和电网成功运营的经验，阐述了能源互联网建设过程中应借鉴的相关概念和方法．

　　１．２已有能源互联网原型总结

　　目前，按建设方式和管理模式，能源互联网原型分为以集中、自上而下模式为主和以分散、合作自治模式为主２种．典型地，美国由于其广阔的疆域与自然形成的能源布局，强调集中式的超级大电网在未来能源互联网中占据重要地位；欧盟作为区域一体化组织，更多地强调分散模式；中国已形成集中控制的能源供给、传输体系，提高传输网络健壮性、兼容性和智能化水平是主要目标．从实现目标来看，无论选用哪种模式，能源互联网都是将集中式、单向、生产者控制的能源体系，转变成分布式和集中式能源供给共存，支持多类型主体广泛参与，协同满足生产者、消费者需求的能源网络．

　　２、能源互联网对信息技术的要求

　　２．１能源互联网需求

　　２．１．１能源互联网的３种理解

　　直观地，能源互联网（ｅｎｅｒｇｙＩｎｔｅｒｎｅｔ，ＥＩ；Ｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｅｎｅｒｇｙ，ＩＯＥ）在于构造一种能源体系使得能源能像Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中的信息一样，任何合法主体都能够自由地接入和分享．从控制角度看，在于通过信息和能源融合，实现信息主导、精准控制的能源体系．根据融合方式的不同，目前存在３种观点：１）侧重信息互联网．借助互联网收集信息，分析决策后指导能源网络的运行调度，信息网络可以认为是能源网络的支持决策网络，其本质与当前的智能电网类似，以欧洲的ｅ－ｅｎｅｒｇｙ为典型代表；２）侧重能源网络结构．借鉴互联网开放对等的理念和体系架构，形成包括骨干网（大电网）、局域网（微网）及其连接网络的新型能源网，采用自治或中心控制的方法实现能源的供给平衡，其实质为一种分布式的能源网络，以美国的ＦＲＥＥＤＭ为典型代表；３）革新性能源互联网．互联网技术和能源网络的深度融合，结构上难以区分能源网络和信息网络，在运行模式上采用区域自治和骨干管控结合，能源和信息双向通信，信息流支撑能源调度，能源流引导用户决策，最大限度地利用可再生能源，以日本的数字电网、电力路由器为代表．

　　２．１．２互联网与能源互联网

　　能源互联网旨在解决当前能源网络运营中存在的问题，如调度精确度较低、新能源接入兼容性差、能源传输损耗大等，因此，信息高效利用、新能源合理调度是其实施的关键，能源流和信息流的深度融合是其实施的必然趋势．综合其实现目标和实施方法，能源互联网被认为是在现有能源供给系统（能源生产、能源传输、能源存储等）的基础上，通过新能源技术与互联网技术深入融合，将大量分布式能量采集装置和分布式能量储存装置互联起来，通过智能化的管理，实现能量和信息双向流动的能源对等交换和共享网络．

　　能源互联网应具有的特征包括：１）分布式．适应可再生能源的分散特性，能够就地收集、存储和使用能源的网络节点是能源互联网的基本组成部分之一．２）联接互动．保证分布式的微型能源网络互联互通，合理的能源交换平衡微网供需．３）开放性．提供对等、扁平和双向流动的能源共享网络，发电装置、储能装置和负载能够即插即用．４）安全性．任意恶意行为都应该被及时的发现和阻止，严格的接入控制规则避免用户信息的泄露和篡改．５）健壮性．具有自愈和一定的抗毁能力，在环境影响、操作失误、恶意攻击等情况下仍能保持系统正常运行，并具有及时发现和修复错误的能力．６）基础设施继承性．充分利用已有的传统能源网络，在传统基础网络设施逐步改造的基础上，实现微型能源网络融入，渐进性地形成能源互联网．

　　在建设目标、实现模型、协议支持、服务对象、相关要求及相互关系方面，传统的（信息）互联网和能源互联网存在诸多的联系，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ为能源互联网构建提供了借鉴．

　　２．１．３智能电网与能源互联网

　　智能电网是基于物理电网，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动的特征，涉及电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度环节，是实现“电力流、信息流、业务流”高度一体化融合的现代电网，是对传统电网的升级与改造，强调优化的电能配送．能源互联网是新型电子控制技术、信息技术、分布式能源生产、可再生能源利用技术和储能技术的有机结合，强调可再生能源的利用和能源单元的自由接入．智能电网可以认为是以电力为能源形式的能源互联网的发展雏形，在目标规划、实现模式和优化策略等方面为能源互联网建设提供了良好的借鉴．具体地，它们之间具有５个明显的共同特点：

　　１）自愈性．指无需或仅需少量人为干预，存在危险或潜在危险隔离的器件，针对出现的故障，能快速自愈使其恢复正常运行；

　　２）安全性．物理系统和信息系统遭到外部攻击时，能有效抵御由此造成的伤害，避免对其他邻域部分形成影响；

　　３）高效性．采用ＩＴ、监控技术等来优化设备和资源的使用效益，合理规划，整体上实现网络运行和扩容的优化；

　　４）经济性．与消费市场实现无缝衔接，利用市场设计提高电力系统的规划、运行和可靠性管理水平；

　　５）集成性．监视、控制、维护、能量管理（ＥＭＳ）、配送管理、市场运营等模块和其他信息系统之间的有机融合，完善业务运行．

　　相对地，智能电网、能源互联网在基础设施建设、技术方案设计、服务对象规划等方面也具有各自特点，通过与传统电网加以比较，发现能源互联网在以下方面较智能电网有更高的要求，对信息技术提出了更多的挑战：

　　１）能源生产来源．能源互联网强调分布式可再生能源的应用和能源的个性化利用；智能电网仅强调电力资源的高效利用，侧重基于能源消费的电力优化供应．

　　２）主体接入方式．能源互联网强调生产、储能、消费装置的“即插即用”；智能电网重点在于对传统电网的继承与改造，多采用用户被动接入、集中控制的方式．

　　３）优化和控制方式．能源互联网支持多种控制方式，运行拓扑不再局限于特定结构，决策单元摆脱中心控制节点限制，自主能源调配；智能电网强调骨干电网的构建和优化，较少关注用户自主贡献．

　　４）优化配置范围．能源互联网可以实现多种能源的优化调配和针对性管理，综合调配可获得联合收益；智能电网仅支持电力能源，对能源互联网建设有借鉴作用．

　　５）催生的业务类型．能源互联网支持分布式能源供应，广布的自能源或微电站成为能源网络主体，势必催生新的能源供给商业模式；智能电网目前还偏重于分布式能源生产主体的被动接入，运营模式相对单一．

　　总之，能源互联网采用互联网理念、方法和技术，旨在构建能源－信息融合的基础设施体系，实现能源、信息网络的革新，更好地满足上层服务的需求．以具有优越传输能力的电力资源为对象，智能电网的成果提供了信息化和智能化的基础，为能源互联网提供能源和信息技术融合的平台，能源互联网前瞻探究有利于明确智能电网的未来发展方向．智能电网和能源互联网在较长的时间内将相辅相成，坚强的骨干电网、智能变电站、分布式能源、微网等研究成果将极大地支撑了能源互联网发展．

　　２．２能源网络主体职能演进的需求

　　以电网为例，文献指出可再生分布能源的并网将支撑电力更有效地流动，“虚拟电站（ｖｉｒｔｕａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓ）”将大量出现，形成既有生产能力又是消费主体的产销主体（ｐｒｏｓｕｍｅｒｓ）．

　　对于能源互联网，ＢＤＩＩｎｉｔｉａｔｉｖｅ报告指出：

　　能源网络中可再生能源生产供应比重将逐步提高，最终实现以可再生能源生产为主、信息驱动、和谐的能源供销生态环境．在该过程中，能源生产方式、传输模式及能源消费形式势必发生转变．

　　２．２．１支撑以可再生能源主导的生产模式转变

　　大规模可再生能源生产基地的建设将提供足以取代传统能源的能源供应能力，大量分布式微型新能源生产进一步扩展了能源供应多样化，特别地，以家庭为单位能源供应模式是未来能源互联网中重要的能量来源之一．但是，由于可再生能源受到天气、地理位置、技术等条件的限制，其供应波动幅度较大，难以满足目前大规模供电的需求，利用传统能源生产电力的模式还将存在较长的时间，传统能源生产和可再生能源生产相辅相成的局面将是能源互联网过渡时期的能源供应格局．协调多种能源形式共存，支持复杂多变可再生能源的接入给信息技术提出了挑战．

　　２．２．２加速信息驱动的能源双向传输模式发展

　　在现有能源网络中，生产和消费被严格划分，能源传输企业（如国家电网）调节供需关系，保持典型的生产－并网－消费模式，供需平衡依赖传输控制效率，存在传输能耗严重和生产安排过剩的问题．分布式微网技术和智能用户使得生产者和消费者的角色的转变越来越难以区分，直接催生能源双向传输的需求．信息是引导能源合理流动的关键，保证电力的近距离利用和提高能源利用率是面临的问题．平衡信息分享范围和信息传输效率、整合强大的信息搜集和计算能力是主要突破点．

　　２．２．３支持能源消费智能化程度提高

　　能源互联网要求能源利用效率最优化，一方面，用户应可以通过分享信息，建立最小范围的能源供需子网，降低能源使用成本；另一方面，用户应能根据能源价格和自身能源需求，建立恰当的供需模型，安排其消费、并网和存储策略，实现利益最大化．能源互联的发展将革命性地改变能源消费模式，消费智能化程度势必大幅度提升，对应的信息传输、优化调度和智能控制技术面临挑战．

　　２．３能源互联网功能建设的需求