鄔捷龍，楊健

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安　710048；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢　430072）

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能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

鄔捷龍1，楊健2

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安710048；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072）

摘要：以能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命蓬勃發(fā)展，其核心研究領(lǐng)域從智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)而拓展到全球能源互聯(lián)網(wǎng)。首先對能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)預(yù)測了能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，探討了該領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)，以期為推動全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；發(fā)展重點(diǎn)

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能源互聯(lián)網(wǎng)作為能源技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域，是涉及諸多行業(yè)、跨越眾多學(xué)科領(lǐng)域的綜合系統(tǒng)工程[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)給其核心學(xué)科領(lǐng)域——電工學(xué)科的發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，是該學(xué)科在未來階段發(fā)展的一個(gè)新的方向[2]。

2011年，美國學(xué)者杰里米·里夫金《第三次工業(yè)革命》一書中，提出了以可再生分布式能源+互聯(lián)網(wǎng)為核心的“能源互聯(lián)網(wǎng)”，引發(fā)了全球廣泛關(guān)注[3]。在能源革命、“互聯(lián)網(wǎng)+”和創(chuàng)新驅(qū)動等國家戰(zhàn)略的背景下，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)掀起能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的浪潮。能源互聯(lián)網(wǎng)就是在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的電力電子和信息技術(shù)，將大量由分布式能源采集裝置、分布式能源儲存裝置和各種負(fù)荷構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)能源流、信息流雙向流動的能源對等交換與共享網(wǎng)絡(luò)。2014年，國家電網(wǎng)公司在俄羅斯莫斯科舉行的全球可持續(xù)電力合作組織峰會上，率先提出了“全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展構(gòu)想”，站在全球視角將能源互聯(lián)網(wǎng)的概念進(jìn)一步拓展為以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，輸送清潔能源為主導(dǎo)，全球互聯(lián)泛在的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。

能源互聯(lián)網(wǎng)由4個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)即電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)緊密耦合構(gòu)成，基本架構(gòu)與組成元素如圖1所示[4]。在圖1中，分別以紅色、淺綠色和淺藍(lán)色箭頭表示能量流、信息流和交通流。

1　全球能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為了應(yīng)對未來可再生能源的規(guī)?；?，在能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想提出之前，各國均以新能源和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的智能電網(wǎng)作為培育新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)，有針對性地?cái)M定了發(fā)展戰(zhàn)略和行動路線。

1.1國外研究現(xiàn)狀分析

2008年美國在北卡州立大學(xué)建立了研究中心，目的是利用電力電子和信息技術(shù)在未來配電網(wǎng)層面實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)。提出了能源路由器的概念并進(jìn)行了原型實(shí)現(xiàn)，通過電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對變壓器的控制，采用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)路由器之間的對等交互。同年，科羅拉多州的波爾得成為全美第一個(gè)智能電網(wǎng)城市，智能電網(wǎng)的安裝使得消費(fèi)者不僅能直觀了解實(shí)時(shí)電價(jià)，從而錯(cuò)開用電高峰期，還能優(yōu)先使用清潔能源。智能變電站可收集每家每戶的用電情況，出現(xiàn)問題時(shí)能重新配備電力，更為安全、有效地服務(wù)電網(wǎng)。此外，西門子、IBM、英特爾、谷歌等企業(yè)也積極投入美國的智能電網(wǎng)建設(shè)中。

圖1　能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)與組成元素Fig. 1 Basic Frameworks and components of Energy Internet

2008年，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部為了建立一個(gè)通過信息和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)可以自我調(diào)控的智能化能源系統(tǒng)，在已有智能電網(wǎng)研究的基礎(chǔ)上選擇了6個(gè)試點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行了為期4年的E-Energy（智能電網(wǎng)）技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)計(jì)劃，最終期望在能源供應(yīng)體系全過程中實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)字化互聯(lián)以及計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)測的目標(biāo)。有數(shù)據(jù)顯示，在過去的十多年里，德國包括風(fēng)能、生物能、太陽能在內(nèi)的新能源電力所占份額達(dá)到了25%，太陽能發(fā)電成本下降幅度高達(dá)90%。

目前，日本正在探索未來家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）。未來家庭能源管理HEMS是能源互聯(lián)網(wǎng)的基本單元。家庭能源管理系統(tǒng)包括：智能監(jiān)控家庭太陽能，EV電動車，儲電池或燃燒電池，空調(diào)，冰箱等家電，與微電網(wǎng)智能互動調(diào)整平衡等。

1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

以特高壓為載體的能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展延伸到能源和傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的必然成果，其根本目的是推進(jìn)清潔替代和電能替代[5-7]。2009年5月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，其目標(biāo)是要全面建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各電壓等級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展并具有信息化、自動化、互動化特征的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。2014年，國家電網(wǎng)公司提出了全球能源互聯(lián)網(wǎng)，建立以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、全球互聯(lián)的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，是清潔能源在全球范圍大規(guī)模開發(fā)、配置、利用的基礎(chǔ)平臺，實(shí)質(zhì)就是“特高壓電網(wǎng)+智能電網(wǎng)+清潔能源”。

能源互聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顟B(tài)對比情況和各國家研究重點(diǎn)的對比情況分別見表1和表2。綜上所述，美國、德國、日本等國家陸續(xù)開展了能源互聯(lián)網(wǎng)研究；我國能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)踐發(fā)展迅速，特高壓和智能電網(wǎng)領(lǐng)域已成為世界領(lǐng)先的實(shí)踐者。全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略構(gòu)想一經(jīng)提出就迅速得到世界響應(yīng)，構(gòu)建跨洲輸電通道實(shí)現(xiàn)全球能源互聯(lián)也逐步進(jìn)入實(shí)施層面。

2　全球互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢

能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目標(biāo)是利用互聯(lián)網(wǎng)和其他前沿信息技術(shù)，促進(jìn)大能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的信息交互，從而實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與能源消耗的實(shí)時(shí)平衡。為了保證可再生能源的充分利用，眾多分布式設(shè)備的廣域協(xié)調(diào)技術(shù)和即插即用技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中占有舉足輕重的地位[4，8]。與此同時(shí)，作為電氣化交通系統(tǒng)核心的電動汽車也必將在能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。頁巖氣開采技術(shù)的進(jìn)步和“電轉(zhuǎn)氣”（power to gas，P2G）技術(shù)的出現(xiàn)，促使電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)之間的能量流動將由單向變?yōu)殡p向，進(jìn)而為可再生能源的大規(guī)模存儲奠定基礎(chǔ)。

此外，全球資源主要分布在北極等高緯度地區(qū)以及各洲近海地區(qū)；太陽能資源主要分布在北非、東非、中東、澳大利亞、智利等赤道附近地區(qū)；水能資源主要分布在南美洲、亞洲、北美洲和非洲中部主要流域。這些清潔能源富集地區(qū)大部分地廣人稀，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，必須就地轉(zhuǎn)化為電能，在全球能源互聯(lián)網(wǎng)平臺上，實(shí)現(xiàn)清潔能源全球范圍開發(fā)、配置和利用[9-11]。全球各大洲之間、洲內(nèi)能源基地與負(fù)荷中心之間的距離都在特高壓交、直流電網(wǎng)輸送范圍內(nèi)。特高壓電網(wǎng)是全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的關(guān)鍵：特高壓交流主要用于構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)的國家、洲、洲際同步電網(wǎng)，以及遠(yuǎn)距離、大容量輸電，特高壓直流主要用于大型能源基地超遠(yuǎn)距離、超大容量電力外送和跨國、跨洲骨干通道建設(shè)。

表1　能源互聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顟B(tài)對比表Tab. 1 Comparison of the development status of the energy internet technology at home and abroad

表2　各國家研究重點(diǎn)對比表Tab. 2 Comparison of the development focus in different countries

全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程很大程度上取決于重大技術(shù)突破。主要包括清潔發(fā)電和用電技術(shù)：大容量和高參數(shù)風(fēng)機(jī)、高效率光能轉(zhuǎn)換、大規(guī)模海洋能發(fā)電、可再生能源大規(guī)模開發(fā)及聯(lián)合調(diào)控、高效電能替代等；特高壓和智能電網(wǎng)技術(shù)：特高壓交直流及海底電纜、大容量柔性交直流輸電、高壓直流斷路器、氣體/固體絕緣管道輸電、高溫超導(dǎo)輸電、新一代智能變電站等；先進(jìn)儲能技術(shù)：大規(guī)模儲能電池制造和大容量成組、電化學(xué)儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能等；電網(wǎng)控制技術(shù)：特大型交直流電網(wǎng)運(yùn)行控制、大系統(tǒng)仿真計(jì)算、分布式發(fā)電協(xié)調(diào)控制、微電網(wǎng)集群控制、電力信息海量數(shù)據(jù)采集與處理等。

因此，在未來研究學(xué)者應(yīng)結(jié)合國際與我國國情，加大力度深入發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)應(yīng)出臺相關(guān)政策以促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)與交通系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)等領(lǐng)域的結(jié)合。建立不同領(lǐng)域信息進(jìn)行融合時(shí)的統(tǒng)一模型，并保證信息結(jié)合時(shí)的高安全性[12-15]。

3　全球能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)

全球能源互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）近年來我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光伏產(chǎn)業(yè)、風(fēng)能制造產(chǎn)業(yè)、生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)皆已嶄露頭角，產(chǎn)業(yè)競爭力顯著提高。因此，可建立示范基地，推廣太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源的應(yīng)用。同時(shí)增加示范城市，開展民用風(fēng)電和光伏計(jì)劃，加快分布式能源的發(fā)展，改變以傳統(tǒng)能源為主的狀況。

2）交通行業(yè)是化石能源消耗的大戶。隨著電池技術(shù)的成熟及其成本的降低，以電動汽車為主要代表的電氣化交通正在蓬勃發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的耦合程度在不久的將來會逐步增強(qiáng)。電氣化交通系統(tǒng)尤其是電動汽車將成為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。與此同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)電動車與新能源汽車的示范與應(yīng)用，推進(jìn)機(jī)電能源技術(shù)協(xié)同發(fā)展，促進(jìn)節(jié)約型社會的建設(shè)。

3）在能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，隨著分布式能源生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量的迅速增長及儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，成千上萬個(gè)分布式能源生產(chǎn)與儲能企業(yè)接入主干電網(wǎng)，從而完成從傳統(tǒng)的單項(xiàng)電能供應(yīng)商向電能雙向供應(yīng)商的轉(zhuǎn)型。

4）特高壓實(shí)踐的成功是能源互聯(lián)網(wǎng)提出的基礎(chǔ)[14-15]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架（通道），因此，在我國大范圍推廣特高壓交直流輸電技術(shù)將為能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5）相比于其他的一次能源，天然氣對環(huán)境造成的影響相對較小。且聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鈾C(jī)組在效率、反應(yīng)速度和建設(shè)周期等方面都具有明顯優(yōu)勢。一方面，隨著頁巖氣應(yīng)用不斷加強(qiáng)，天然氣的成本呈下降趨勢，燃?xì)鈾C(jī)組在發(fā)電側(cè)的比例因此有望提高；另一方面，利用最近出現(xiàn)的“電轉(zhuǎn)氣”技術(shù)，可以將可再生能源機(jī)組的多余出力轉(zhuǎn)化為甲烷（天然氣的主要成分），再注入天然氣網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)輸和利用。因此，未來的電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)之間的能量流動可由單向變?yōu)殡p向。

4　結(jié)語

在對全球能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，預(yù)測了能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，進(jìn)而確定了未來該技術(shù)領(lǐng)域在可再生能源、電氣化交通系統(tǒng)、電網(wǎng)管理運(yùn)營服務(wù)、天然氣、特高壓電網(wǎng)這5個(gè)方面的發(fā)展重點(diǎn)，以期對全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供參考。

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鄔捷龍（1962—），男，本科，高級工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)維檢修、調(diào)度運(yùn)行等方面的研究及管理工作。

（編輯申光艷）

Research on the Current Situation and Development Trend of the Technology of Energy Internet

WU Jielong，YANG Jian2
（1. State Grid Shaanxi Electric Power Company，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2. School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，China）

ABSTRACT：The third industrial revolution represented by of the technology of energy internet is developing rigorously with its core research extending to the global energy internet from the smart grid and energy internet. This paper，first of all，reviews and analyzes the current situations of the research on the technology of energy internet both at home and abroad，and secondly forecasts the development trend of the technology on the basis of the analysis and finally explores the development focus in the field in a hope to provide useful reference for promoting the development of the global energy internet.

KEY WORDS：energy internet；research status；development trend；development focus

作者簡介：

收稿日期：2016-02-12。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61533016）。

文章編號：1674- 3814（2016）03- 0008- 05

中圖分類號：TK01+9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A