城市能源互联网为能源产业注入创新动力

　　文 · 孙宏斌 夏天

　　能源互联网是以电网为主干和平台，各种一次、二次能源的生产、传输、使用、存储和转换装置，以及它们的信息、通信、控制和保护装置直接或间接连接的网络化物理系统。它是新一代能源系统和互联网技术的深度融合及发展，可能颠覆传统能源行业的行业结构、市场环境、商业模式、技术体系与管理体制，促进能源系统的开放互联和市场化，最大限度开发利用可再生能源、提高能源综合利用效率。能源互联网的基本架构大致可分为“能源系统的类互联网化”和“互联网+”两层。前者指能量系统，是互联网思维对现有能源系统的改造，也是支持构建能源互联网的关键。后者指信息系统，是信息互联网在能源系统的融入。

　　工业革命后，大量农业人口向城市转移，城市数目和规模不断扩大，被称为城市化现象。据统计，2020年我国城市化水平将达到60%。城市化的加速发展，一方面促进了经济繁荣和社会进步；另一方面，众多的人口、密集的社会经济活动，给城市能源供给与环境带来严峻的挑战，由此引发的环境污染严重、能源需求密集、能源供需不平衡、能源安全性低、降温负荷需求持续增加、城市经济发展动力不足等问题，成为制约城市可持续发展的重要因素。

　　能源互联网对城市发展的意义

　　以能源为切入点，建设城市能源互联网，实现开放的信息-能源一体化架构，对解决城市发展面临的环境及能源问题尤为适用，主要体现在：

　　环境方面，通过能量管理调控、对接用户用能需求、储能应用等手段，实现清洁能源高消纳，降低化石能源占比，减少城市环境污染。2010年我国非化石能源在一次能源消费中的比重为9.4%，2015年为12%，2020年将提高到15%，2030年提高到20%。建设城市能源互联网是实现这一目标的有效手段。

　　交通方面，利用电动汽车替代传统汽车，实现节能、降低碳排放，缓解城市压力。按照我国现有电力结构（火电占比72.4%），相比传统汽车，电动汽车可节能47.6%，按每年行驶10万公里计算，可减排二氧化碳1185吨；将电动汽车充电需求与可再生能源发电对接，碳排放将进一步降低。

　　资源利用方面，通过分布式资源调控管理，提高城市资源利用率，应对城市能源需求量大、密集度高的特点，促进经济产业发展。

　　社会影响方面，推动能源供给体系变革、推动能源技术革命、促进电力体制改革、支撑社会生产模式转型、创新商业模式、创造就业机会，促进产业升级、形成新增长点。

　　能源互联网的科学技术问题

　　能源互联网的发展有赖于若干关键科学技术问题的突破，归纳如下。

　　能量的捕获和转换技术。能源互联网中的能源为各种一次能源，为实现能量的捕获和转换，需研究风机、光伏、光热、冷热电三联供、热泵、吸收式制冷、电解制氢、电动汽车等技术，其中有大量新技术需不断完善。

　　能量自由传输技术。为实现能量自由传输，设备级的前沿技术包括：能源互联网标准协议、能源路由器、能源集线器、多端直流、大容量低成本高效率储能、超导、无线能量传输等。

　　设备即插即用技术。为支撑大量分布式资源的对等接入和能量的开放互联，实现设备即插即用，除需保障能源网络的安全稳定外，还需研究：首先，能量和信息的标准接口和协议；其次，分布式设备的自组织管理；最后，设备自身的自治控制。能源路由器/集线器、微网、代理、集群、虚拟电厂等技术及分层控制、分布式控制、对等控制等控制技术的发展为设备的即插即用提供了有效手段。

　　信息和能量的耦合。能源互联网是典型的信息能源融合的开放系统，关键技术包括信息物理系统建模与仿真、信息物理融合规划、信息安全等。能源互联网建模的难点在于如何表征信息流与能量流间的耦合关系，揭示能量流与信息流的相互作用机理，在此基础上实现信息-物理相互影响的定量分析与评估。在规划层面，物理和信息的规划需要协同。在互联网环境下，信息安全问题更加突出。

　　能量管理理论和技术。能源互联网的设备元件具有异质性、随机性、多目标和多尺度等特点，系统特性复杂，综合能源系统建模和仿真、多能流耦合的在线分析与运行控制等理论和技术是系统能源管理领域的关键问题，通过开放与对等的多能流能量管理技术实现多种能源形式的互联与共享，提高分布式可再生能源利用率与系统整体能效。其中，大数据、云计算将是技术支撑手段，用于新能源出力和负荷预测、用户行为分析和建模、能耗分析等，为用户提供个性化的解决方案。

　　市场机制和模式。在能源互联网中，能源的生产者、服务者和消费者之间的界限将会消失，设备、能量和服务都可以进行自由交易，市场在能源生产和消费过程中的配置作用将更加凸显。能源互联网市场机制、市场行为、市场化环境下的安全可靠运行等将成为潜在研究热点。

　　能源互联网作为当前学术界和产业界共同关注的焦点，具有提高能源综合利用效率、促进能源转型、提高资产利用率、提高能源全周期运转灵活性、促进能源体制改革，推进能源行业市场化、金融化和产业升级、促进众筹众创的重要发展意义，对传统能源行业将产生颠覆性的影响。在第三次工业革命的时代背景和国家能源革命、互联网+、创新驱动战略行动下，能源互联网具有巨大的发展潜力，也将带动大批相关产业的发展。

　　（作者分别系清华大学电机系教授、教育部长江学者特聘教授，电力网高级工程师）