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能源互聯網的概念及發展趨勢
來源:分布式能源 | 0評論 | 2435查看 | 2018-05-03 14:40:08    
       在應對氣候變化、解決能源危機背景下,可再生能源逐步替代化石能源成為世界各國能源發展共識,能源系統的結構正在發生根本性變化,伴隨以互聯網為主要形式的信息通信技術的快速普及和廣泛滲透,推動了能源互聯網的研究與實踐熱潮。2016年2月,國家發展改革委等部委發布關于推進“互聯網+”智慧能源(能源互聯網)發展的指導意見,能源互聯網成為推動我國能源革命,促進能源產業升級,形成新經濟增長點的重要戰略支撐;2017年6月,國家能源局公布了首批55個能源互聯網示范項目,能源互聯網進入試點示范階段。

  1. 能源互聯網的概念

  2004年,能源互聯網概念在《經濟學人》雜志上被首次提出,2011年,里夫金在《第三次工業革命》中具象化了能源互聯網定義。當前對能源互聯網的概念理解尚未達成統一,可以按照緣起和特點分為三類:

  (1)源于互聯網發展而來的能源互聯網

  主要針對用戶側分布式可再生能源、電動汽車等智能終端大量接入產生的設備即插即用、能量信息雙向流動等需求,借鑒互聯網開放對等的理念及體系架構,對電網的關鍵設備、形態架構、運行方式及發展理念等進行深刻變革。

  里夫金提出了人們可分散自由生產可再生能源并共享的能源互聯網發展愿景。在互聯網發展理念下,能源互聯網的核心設備是電力路由器,它起著與信息網中路由器類似的關鍵作用,多位學者就電力路由器開展了研究。美國北卡羅萊納州立大學研制了基于電力電子技術和信息技術實現電力流和信息流融合的能源路由器(energyrouter)裝置。日本早稻田大學和VPEC公司聯合研制了集群電網電力路由器,根據蓄電池的剩余電量改變輸出電力的頻率。東京大學研發的數字電網電力路由器可根據“IP地址”識別電源及區域電網。美國克萊門森大學Corzine教授則借鑒互聯網中傳輸信息包的方式研制了傳輸能量包(energypacket)的電路。清華大學信息技術研究院的研究團隊認為能源互聯網是以大電網為主干網,以微網和分布式能源等能量自治單元為局域網的新型信息能源融合廣域網。另外,中國電力科學研究院、國防科技大學等研究團隊均基于互聯網思維對能源互聯網進行了研究。

  (2)源于大電網發展而來的能源互聯網

  主要針對電網在配置范圍、調控能力、雙向互動等方面存在的局限性,利用信息通信技術與能源電力技術的融合,全面提升電網性能,促進清潔能源大規模利用。

  德國聯邦經濟技術部與環境部提出E-Energy促進計劃,基于面向服務體系結構使得電網和信息網深度融合,實現電網從最初大型發電廠統一供電的方式,轉變為分布式發電主導的供電方式。劉振亞提出以特高壓電網為骨干網架,以輸送清潔能源為主導,全球互聯泛在的堅強智能電網的全球能源互聯網理念。趙俊華等提出了基于信息物理融合系統(cyber-physicalsystem,CPS)的電網、信息網融合的基本理論和方法,討論了模型的建立、分析和控制等問題。

  (3)源于多種能源綜合優化發展而來的能源互聯網

  主要強調多種能源之間的相互替代和綜合優化,依托信息網絡實現多個能源系統之間的高度耦合。

  瑞典聯邦理工學院Favre-Perrod等提出了能量集線器(energyhub)的概念,能夠實現電能、天然氣、熱能等多種能源相互轉化和存儲。董朝陽教授將能源互聯網視為電力系統、交通系統、天然氣網絡和信息網絡4個緊密耦合而成的網絡。武建東提出了包含水、電、氣甚至熱力的智能能源網。新奧集團提出由基礎能源網、傳感控制網和智慧互聯網組成的泛能網。

       從已有的研究成果可以看出,能源互聯網的范疇有廣義和狹義之分。廣義上,能源互聯網涵蓋電力系統、油氣管網、能源運輸物流網絡等網絡集合;狹義上,能源互聯網涵蓋智能電網、發電設備設施及分布式能源系統。雖然范疇上有所差異,但其本質上均蘊含著信息通信技術與能源系統深度融合而引起的能源系統價值創造方式的深刻變化。以互聯網為代表的信息通信網絡迅猛發展,并衍生出了互聯網經濟業態,“互聯網+”全面興起。以分散、共享、扁平、高效、透明、開放等為代表的互聯網思維背后蘊含著新的基于信息網絡的經濟發展規律的變化。本文將聚焦在狹義能源互聯網的范疇內進行研究和探討。

  2. 能源互聯網的架構

  (1)物理架構

  從物理架構上看,能源互聯網可分為全球能源互聯網、國家能源互聯網、城市能源互聯網和區域能源互聯網。

  (2)邏輯架構

  著眼于功能的實現邏輯,能源互聯網由價值層、業務層、信息層、能源層四層架構組成,如圖2所示。價值層是實現參與方價值的平臺,以為各參與方創造、交換、獲取價值為基本功能;業務層是價值的形式載體,以實現業務流的制定、運營為基本功能;信息層是業務服務實現和能源傳輸配置的技術支撐平臺,以實現信息流的采集、傳遞、應用與交互為基本功能;能源層是能量的物理載體,以實現能量的生產、傳輸、消費為基本功能。

  (3)運營架構

  從運營關系上看,能源互聯網基于業務流、信息流和能源流的深度融合,提高能源系統整體運行效率,實現供需雙方的高效匹配,如圖3所示。其中,能源獲取系統具備智能化的新能源發電功率預測及控制能力;分布式和集中式能源傳輸系統具備更加準確的狀態預測、調度控制和互動機制;能源利用系統具有高度信息化的特點和各類基于電力大數據的高級功能應用。各系統深度融合形成有機、開放的平臺系統,電將作為介質,電力骨干網架將作為發展基礎,數據信息將作為核心,多種能源和服務將在這一立體平臺上實現商品化交易。

  能源互聯網的運營架構

  3. 能源互聯網與智能電網的相互關系

  能源互聯網作為新時代下“互聯網+”變革力量在能源領域的滲透融合,體現了能源系統轉型升級的發展方向。智能電網作為國際電網發展的大勢,在技術創新的驅動下日益在能源系統中發揮重要作用,其范疇和內涵也在不斷與時俱進。從發展、系統的哲學觀看,兩者在內容范疇、內涵特征上均具有很強的一致性,是從不同視角對智能電力系統未來創新發展的勾勒和詮釋。

  (1)內容范疇

  根據發改委、能源局《關于促進智能電網發展的指導意見》給出的智能電網的基本概念,“智能電網是在傳統電力系統基礎上,通過集成新能源、新材料、新設備和先進傳感技術、信息技術、控制技術、儲能技術等新技術,形成的新一代電力系統,具有高度信息化、自動化、互動化等特征,可以更好地實現電網安全、可靠、經濟、高效運行”。同時,《意見》還進一步指出未來智能電網在信息與能源的深度融合、以及基于互聯網思維促進智能電網商業模式創新的重點發展方向。可見,植根于新一代電力系統的智能電網理念,與以電網為基礎的能源互聯網的范疇是一致的。

  (2)內涵特征

  回顧智能電網的發展歷程,智能電網不斷向著更高階段發展,智能電網的理念內涵也是不斷演進和與時俱進的。隨著能源電力技術的發展和市場機制的完善,其將呈現如下趨勢特征:一是形成以特高壓輸電、儲能、超導等先進技術為基礎,具有接納高滲透率清潔能源和抵御自然災害及各類重大威脅的彈性和自恢復能力的一體化現代電網。二是物理上實現全球電網互聯,滿足全球清潔能源輸送需求,發揮洲際聯網效益;功能上實現以電為介質的多種能源協調互補,與天然氣、熱、冷、交通等系統互聯。三是在應用大量智能設備和系統實現設備在線監測、智能巡檢、全壽命周期管理的基礎上,充分利用信息通信、信息物理融合技術實現信息與能源深度融合,將電力系統物理實體數字化,全面支持各主體各設備系統的即插即用。四是基于互聯網理念進行商業模式創新,為用戶提供多元化增值服務,促進用戶與電網深度互動,實現多利益相關方合作共贏。可見,智能電網未來發展趨勢與能源互聯網多種能源協調互補、信息通信技術的深度應用、新型商業運作模式等發展理念相一致。

  總體來看,能源互聯網、智能電網體現了未來能源系統的發展趨勢,其內容范疇和內涵特征在本質上具有一致性,只是在發展階段、關注焦點上有所側重
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