能源互联网探析

能源互联网探析时间：2014-12-2609:27来源：中云网作者：曹军威分享到：QQ空间新浪微博腾讯微博人人网5【中云网12月25日消息】【内容提要】能源互联网将代表未来信息与能源-电力技术深度融合的必然趋势、是新一代工业革命大潮的重要标志、是智能电网的重要组成部分和未来发展前沿。能源互联网借鉴互联网思维和理念构建新型信息-能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网、分布式能源等能量自治单元为“局域网”，以开放对等的信息-能源一体化架构真正实现能量的双向按需传输和动态平衡使用，因此可以最大限度的适应新能源的接入。本文在介绍能源互联网的基本概念、内涵与外延的基础上，分析了需要重点解决的关键技术问题，即能源互联网总体架构与标准体系、能源互联网组网与互操作模型与技术、能源互联网建模、仿真与分析技术、能源互联网运行与控制装备与技术、能源互联网的安全防护、质量监督与认证体系、能源互联网量测、评价与技术经济分析。1.能源互联网概念及范畴1.1基本概念能源互联网是以互联网思维与理念构建的新型信息-能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网、分布式能源等能量自治单元为“局域网”，以开放对等的信息-能源一体化架构真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，因此可以最大限度的适应新能源的接入[1]。虽然能源形式多种多样，电能源仅仅是能源的一种，但电能在能源传输效率等方面具有无法比拟的优势，未来能源基础设施在传输方面的主体必然还是电网，因此未来能源互联网基本上是以互联网式的电网为枢纽构成的能源-信息系统。能源互联网基本架构如图1所示。微网、分布式能源等能量自治单元可以作为能源互联网中的基本组成元素，通过新能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及微网内的储能或用电消纳形成“局域网”。能源互联网是此基础上的广域联接形式，作为分布式能源的接入形式，是从分布式能源的大型、中型发展到了任意的小型、微型的“广域网”实现。大电网的形成有其必然性，在传输效率等方面仍然具有无法比拟的优势，将来仍然是能源互联网中的“主干网”。微网或分布式能源接入、互联和调度灵活但存在供电可靠性较高等问题，大电网供电可靠性较高但尚难以适应大量新能源的灵活接入和双向互动，能源互联网可以起到衔接作用，综合两方面的优势。能源互联网是采取自下而上分散自治协同管理的模式，与目前集中大电网模式相辅相成，符合电网发展集中与分布相结合的大趋势。图1能源互联网基本架构1.2内涵与外延能源互联网的内涵是以互联网思维和理念变革能源基础设施。如果说智能电网还是现有电网架构上通过信息化和智能化的手段，解决设备利用率，安全可靠性、电能质量等基本问题；而能源互联网的关键性拓展在于采用互联网理念、方法和技术实现能源基础设施架构本身的重大变革，使得能量的开放互联与交换分享可以跟互联网信息分享一样便捷。能源互联网区别于传统能源基础设施的本质特征包括：开放互联网实现信息的随时随地接入与获取，主要取决于开放式的体系结构。能源互联网要实现开放性，需要可再生能源和储能、用能装置的“即插即用”。能源互联网的发展要借鉴互联网的发展方式，走标准先行、应用驱动，进一步带动产业和市场发展的道路。互联“局域网”与“广域网”的本质不同在于“广域网”必须解决规模化开放互联的问题，这就需要简洁易行的标准协议作为基础。“局域网”内部可以进行多种能源形式的转换，可以进行风光储用的平滑与协调，但“广域网”的互联必须是建立在局域消纳的基础，形成简捷的能量交换方式，才可能实现大规模互联。对等同传统电网自顶向下的树状结构相比，能源互联网的形成是能量自治单元之间的对等互联。任意单元之间的连接是逻辑上的，真正的实现必须建立在分散路由的基础之上。能量的传输应该是多次路由的结果，其间是解耦的，进而可以避免一系列安全稳定性问题；同时传输路由路径之间可以是动态互为备用的，在保证冗余和可靠性的同时不降低系统的利用率。分享分布、分散与分享也是能源互联网的主要特征，原来仅依赖于中心调度与管理的功能可以采用分散-协调的方式来更高效地实现，而“局域网”（如微网）的监控甚至可以采用没有“中心”的对等模式。借鉴互联网应用中借助社交网络的信息分享机制，能源互联网中各局域网间的能量交换与路由也都是就近实时动态进行的，以分散式局部最优和高效的全局协调来实现电网整体能量管理的调度优化。能源互联网的外延在于信息物理融合，真正实现信息能源基础设施的一体化。信息基础设施与能源基础设施发展的内在动因决定了信息能源基础设施走向融合一体化发展的道路。未来信息基础设施以数据中心为核心，通过高速通信网络相连接，同时支持物联网和移动互联网的接入，其发展过程中遇到了明显的能源瓶颈；同时，智能电网与能源互联网的发展对信息化、智能化的要求越来越高，迫切需要新一代信息技术的支撑。信息能源基础设施之间的功能、性能等方面的互补性也为其融合一体化提供了经济可行性。1.3概念的演进1.3.1分布式可再生能源能源可持续发展是当前摆在人类面前最重要的难题。目前人类处于工业化社会，需要大量的能源，但使用的能源主要是化石能源，这种能源不具有可持续性，有不可再生的局限，存储总量有限，且会对环境造成破坏，如碳排放、温室效应等。同时，由于经济的发展和社会的进步，能源的需求还在进一步加大，此矛盾导致了化石能源价格的不断激增，会对人类社会特别是发展中国家的发展带来很大阻碍。为了摆脱社会发展对化石能源的过度依赖，可再生能源的发展提供了彻底解决能源可持续发展的希望。分布式能源是指分散存在且易于利用的各种类型的能源，包括可再生能源（如太阳能、生物质能、风能、水能、波浪能等）和可方便获取的化石类燃料（如天然气），将这些能源转换为电能充分加以利用，实现对用户的分布式供电，有助于提升能源的利用效率，更好地满足用户的能源需求。在分布式能源中，可再生能源不会对环境造成影响，可以被重复利用，具有可持续的特点。由于以上特点，分布式可再生能源受到了各国能源专家的重视，被视为替代传统能源的可靠途径。1.3.2智能电网和微网尽管分布式可再生能源具有可持续可再生的特点，该种能源大多具有能量输出不稳定的特点，如太阳能受限于太阳光的强弱，风能受限于风力的大小。同时由于其分布式的特点，大量能源节点的无序接入将对电网稳定运行产生很大的影响，会产生不必要的扰动，甚至导致整个电网的崩溃。因此，需要采用一定的设备和结构形式对分布式能源的接入进行处理，而智能电网和微网技术为解决这一问题提供了新的契机。微网为中小容量分布式能源接入提供了一种新的结构形式，可有效的解决分步式能源的接入和使用。而智能电网借助信息系统的辅助，不但有助于分布式能源的灵活接入，而且能实现其间的双向互动。1.3.3能源互联网通过借助因特网的信息交互和传输共享的概念，作为智能电网的进一步发展的能源互联网概念被提了出来。通过能源互联网，能量能以类似于因特网的方式，在电力线路网络中按需流动。同时能源互联网能够对电力流动的路径进行优化和管理，类似于互联网中的路由。通过能源互联网实现了能量流在电力网络中的双向按需流动。目前开展的智能电网基本是现有电网架构下的信息化、智能化[2]，能源互联网是借鉴互联网思维与理念构架的新型电网，其中的开放互联、能量交换与路由等特征有别于目前一般意义下的智能电网，可以形象的称为智能电网的2.0版本[3]。总的来说，信息通信与能源电力结合发展分为三个阶段，第一个阶段为数字化、信息化阶段。此时，信息通信为能源电力行业提供服务，带来方便、快捷等好处。第二个阶段为智能化阶段，也就是智能电网阶段。在该阶段，信息通信成为能源电力基础设施不可或缺的组成部分，以信息流与能量流的结合为特征。第三个阶段为信息物理融合阶段，表现为信息通信基础设施与能源电力基础设施的一体化，也就是信息能源基础设施一体化意义下的能源互联网阶段。1.4意义与作用1.4.1能源互联网是现实意义下能源可持续发展提切实可行的道路能源可持续发展是当前摆在人类面前最重要的难题，可再生能源的发展虽然提供了彻底解决能源可持续发展的希望，但可再生能源的利用方面仍然存在问题。能源互联网在现实意义下提供了一条切实可行的发展道路。里夫金在《第三次工业革命》一书中做了这样的描述：“当数以百万计的建筑实时收集可再生能源，并通过智能互联电网将电力与其他几百万人共享，由此产生的电力使集中式核电与火电站都相形见绌。”[4]1.4.2能源互联网天然支持分布式可再生能源的接入欧盟、美国和中国相继分别提出到2050年实现可再生能源在能源供给中占100%,80%和60%～70%的目标。而风、光等大部分可再生能源的间歇性和波动性决定了仅依赖现在的集中式电网运行架构是无法适应如此规模的可再生分布式能源接入的。能源互联网通过局域自治消纳和广域对等互联，可最大程度地适应可再生能源接入的动态性，通过分散协同的管理和调度实现动态平衡。1.4.3能源互联网在安全、可靠、稳定以及利用率等方面技术优势明显互联网体系架构决定了其安全稳定性较高，而其冗余方式可保证系统整体的可靠性；同时通过分散路由等方式实现设备和线路的动态备用，保持一定的利用率。能源互联网可以借鉴其中的机制，但能量和信息的交换和传输是有本质不同的。相比现在集中式电网自上而下的紧耦合模式，能源互联网能实现局域自治，在广域互联中可通过储能缓冲、直流输电等方式实现解耦，同时局域不稳定问题可以通过广泛互联实现广域的动态互备用，达到安全稳定可靠的目标，而不是依靠过大的安全裕度而降低了系统的利用率。1.4.4能源互联网是源用混合场景下对现有输配网的有益补充能源互联网不是取代现有电网架构，而是着重在分布式可再生能源接入越来越广泛，源用混合场景越来越普遍的形势下借鉴互联网理念提供一种自下而上的新型组网方式，能源互联网通过局域自治和广域能量交换最大限度的适应源-用的动态随机性，减少对大电网的影响，大大降低大电网的安全稳定性风险，是对现有大电网的有益补充。2能源互联网发展重点及重要技术能源互联网的发展需要多方关键技术的支撑，目前技术创新发展方向和研究热点主要集中在总体架构与标准体系、组网与互操作模型与技术、建模、仿真与分析技术、运行与控制装备与技术、安全防护、质量监督与认证体系、量测、评价与技术经济分析等方面。2.1能源互联网总体架构与标准体系在图1所示的能源互联网基本架构的基础之上，发展分层分级的能源互联网总体架构，大致分为以下四个层面：能源“局域网”对应目前电网架构中的用户侧，如在微网或智能小区的内部，实现多种能源形式的转化和分享。例如里夫金提到未来理想的能源互联网场景“在即将到来的时代，我们将需要创建一个能源互联网，让亿万人能够在自己的家中、办公室里和工厂里生产绿色可再生能源。多余的能源则可以与他人分享，就像我们现在在网络上分享信息一样”。这是典型的在需求侧实现能量的分享。能源“广域网”对应目前电网架构中的配电网，在微网或者分布式能源等能量自治单元基础之上实现之间的能量交换与路由。与美国FREEDM项目类似，在配网层面上实现可再生能源接入、储能已经负荷的“即插即用”。能源“主干网”对应目前电网架构中的输电网，把一个同步集中控制的大电网逐步转变成一个异步自治互联式电网，如可以大力发展高压直流输电技术连接区域交流电网，或者采用直流背靠背技术，将现有集中统一的交流大电网进行分隔，避免由于无法实现动态灵活的供需平衡而引发和传播安全稳定性问题。全球能源互联网全球能源互联网的构想由国家电网公司提出，是一个面向未来的能源基础设施蓝图。借鉴互联网实现国际乃至洲际互联，能源互联网也可以实现全球联网。由于互联的电网分属于不同的地区、国家和运营商，对能源互联网的开放性和标准化的要求比较高。没有一个简洁、有效、易行的全球统一的能源互联标准，全球能源互联网就无法实现。能源互联网的标准体系共分为4层：第1层是能源互联网通用基础标准第2层能源互联网的公共支撑性标准包括术语与缩略语、方法学、用例分析、概念模型、体系架构和技术指导原则等等。第3层是能源互联网的专业基础标准这是各专业的共性要求。可以分为八个专业，分别是组网、运行管理、测量、互操作、信息