能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)路徑及實踐的分析論文

在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達的今天，信息對個人與公司的決策選擇、國家的政策制定均產(chǎn)生影響。信息經(jīng)濟學是運用信息科學和經(jīng)濟學的方法從信息和經(jīng)濟的各個方面研究信息經(jīng)濟的基本理論、發(fā)展規(guī)律、運行機制和運作方法的一門學科，其主要研究的重點之一是信息對經(jīng)濟的影響。信息經(jīng)濟學認為，市場信息的透明是建立完全競爭市場的基礎(chǔ)，市場信息流通越充分，資源將越趨近于最優(yōu)化配置?；ヂ?lián)網(wǎng)正是一種快捷的傳遞信息的手段，有助于降低和消除信息的不對稱。2015年國務院發(fā)布《關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》，希望進一步激發(fā)互聯(lián)網(wǎng)與各領(lǐng)域的融合發(fā)展，促進中國經(jīng)濟提質(zhì)增效升級。由于信息的不對稱會產(chǎn)生交易成本，互聯(lián)網(wǎng)可以提高信息的傳播速度和傳播量，降低信息不對稱，從而降低交易成本，實現(xiàn)信息經(jīng)濟學中的帕累托最優(yōu)，繼而達到市場在資源配置中起決定性作用的目標。目前，在我們身邊成功運用互聯(lián)網(wǎng)改造行業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)的案例比比皆是，例如阿里巴巴、京東、滴滴等，其成功的核心均是利用互聯(lián)網(wǎng)打造平臺戰(zhàn)略，通過互聯(lián)網(wǎng)零邊際成本、規(guī)模效應的特點，培育客戶消費習慣，提高客戶對公司產(chǎn)品及服務的需求粘度，降低中間成本和交易成本。能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。盡管能源的形式多種多樣，但是，經(jīng)濟性始終是能源的首要特征。我國正處于工業(yè)化發(fā)展階段，能源需求巨大，而社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展對我國能源行業(yè)的發(fā)展提出了新的要求。鑒于互聯(lián)網(wǎng)的突出優(yōu)勢和在經(jīng)濟社會各領(lǐng)域的成功實踐，互聯(lián)網(wǎng)與能源的結(jié)合也逐漸成為傳統(tǒng)能源行業(yè)自我改造及轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。1能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程能源互聯(lián)網(wǎng)的提出經(jīng)歷過幾個階段。自20世紀以來，信息和通信技術(shù)領(lǐng)域的大量變革創(chuàng)新，為能源領(lǐng)域的進一步提升和發(fā)展提供了技術(shù)支持。在各種技術(shù)的推動下，能源領(lǐng)域先后出現(xiàn)了智能電網(wǎng)，綜合能源系統(tǒng)與多能源系統(tǒng)以及能源互聯(lián)網(wǎng)。目前較為主流的看法有三種能源互聯(lián)網(wǎng)模式。1.1以分布式可再生能源為中心的能源互聯(lián)網(wǎng)美國學者里夫金先后在其著作《第三次工業(yè)革命》中提到的能源互聯(lián)網(wǎng)，以可再生能源為主要一次能源，產(chǎn)銷一體成為能源生產(chǎn)與消費主要形式，由于可再生能源低能量密度、分散式的特點引發(fā)了產(chǎn)銷者之間的合作意識，從而使得基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立開放網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)廣域能源共享成為必然;這種網(wǎng)絡(luò)支持超大規(guī)模分布式發(fā)電系統(tǒng)與分布式儲能系統(tǒng)自由接入網(wǎng)絡(luò)。其所倡導的能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵大體就是:從化石能源走向可再生能源，從集中式生產(chǎn)走向分布式生產(chǎn)，從封閉走向開放，從產(chǎn)權(quán)獨占走向協(xié)同共享。1.2以跨區(qū)域電力輸送為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)方案由中國國家電網(wǎng)公司提出，它是以特高壓電網(wǎng)構(gòu)建骨干電網(wǎng)，跨國輸送清潔能源為主。該方案積極貫徹國家“一帶一路”戰(zhàn)略構(gòu)想，是提高中國在國際能源領(lǐng)域影響力的首要舉措，是未來能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一。但是，國際間的任何能源合作與網(wǎng)絡(luò)互連，均涉及復雜的政治博弈，其實現(xiàn)的壁壘不在技術(shù)層面。該方案在短期內(nèi)實現(xiàn)的可能性較低。1.3以綜合能源系統(tǒng)為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)及多能源系統(tǒng)（以下統(tǒng)稱綜合能源系統(tǒng)）就是對能源系統(tǒng)中存在的不同能源形式進行優(yōu)化組合，如熱電冷聯(lián)供發(fā)電機組通過高低品位熱能的協(xié)調(diào)優(yōu)化，以達到提升燃料利用效率的目的。因此，綜合能源系統(tǒng)就是在規(guī)劃、建設(shè)和運行等過程中，通過對能源的產(chǎn)生、傳輸與分配（能源網(wǎng)絡(luò)）、轉(zhuǎn)換、存儲、消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化后，形成能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。按能源形式劃分，綜合能源系統(tǒng)主要由電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)（含氫系統(tǒng)）、熱力系統(tǒng)（含供熱、供冷）以及未來電氣化后的交通系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成。2符合我國能源稟賦特點的能源互聯(lián)網(wǎng)綜合已有的各種定義與詮釋，能源互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和交通系統(tǒng)的耦合、互通和融合，如圖1所示。能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最終形態(tài)是實現(xiàn)大能源系統(tǒng)的重塑與融合。電力是各種形式能源產(chǎn)品的最重要的消費方式，是經(jīng)濟、能源市場發(fā)展的晴雨表，同時控制手段豐富。因此，未來匯聚多種能源系統(tǒng)的能源互聯(lián)網(wǎng)必將以電力系統(tǒng)為核心，其他系統(tǒng)為輔的復雜網(wǎng)絡(luò)形態(tài)?，F(xiàn)階段，能源互聯(lián)網(wǎng)在中國的現(xiàn)實意義主要有兩點：一是通過能源互聯(lián)網(wǎng)中“源-網(wǎng)-荷-儲”中“源源互補”、“源網(wǎng)協(xié)調(diào)”、“網(wǎng)荷儲互動”3種方式實現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化，從而擴大可再生能源并網(wǎng)規(guī)模，克服供應側(cè)與負荷側(cè)雙側(cè)隨機性帶來的挑戰(zhàn)，彌補我國目前電源結(jié)構(gòu)中靈活性資源不足的缺陷;二是通過互聯(lián)網(wǎng)手段改造我國的電、氣、熱以及交通等傳統(tǒng)行業(yè)，提高市場透明度，減少中間環(huán)節(jié)，降低用能成本，提高能源利用效率。從發(fā)展方向來看，一方面，在不同能源形式的縱向產(chǎn)業(yè)鏈上面，通過消除和簡化能源生產(chǎn)、運輸、配送到消費各個環(huán)節(jié)中的非必要流程，提高能源利用效率;另一方面，在不同能源之間構(gòu)建橫向平臺，梯級利用能源，發(fā)揮不同能源品位高低的特點，提高能源利用效率。但是，在能源互聯(lián)網(wǎng)的探索中，美國、歐洲、日本對能源互聯(lián)網(wǎng)均有各自不同的側(cè)重點，因此我國也應該以國家的資源稟賦條件為前提實踐能源互聯(lián)網(wǎng)。未來的能源必然轉(zhuǎn)向以可再生能源為主，風能、太陽能、水能將成為主要的一次能源。在我國中東部地區(qū)，能源需求強度高，但是各種自然資源非常有限，風能、太陽能由于自身能量密度較低，所以，可再生能源供給方式無法滿足中東部地區(qū)的能源需求;在我國西北部地區(qū)，不僅集中了我國主要煤炭、石油、天然氣等化石資源，而且蘊含著豐富的風能、太陽能等非化石能源。因此我國未來的能源互聯(lián)網(wǎng)將形成以中東部可再生能源優(yōu)先就地平衡、西北部化石能源和非化石能源管網(wǎng)集中單向輸送的格局。3能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)實現(xiàn)路徑能源互聯(lián)網(wǎng)不同于其他行業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)，其突出的特征是保持供給側(cè)與負荷側(cè)、生產(chǎn)側(cè)與消費側(cè)的實時平衡。結(jié)合能源實時平衡的特征，根據(jù)上述能源互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)實意義，現(xiàn)階段能源互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)路徑可分為3大類：一類是通過大能源系統(tǒng)的降階簡化，將尋求整體解決方案轉(zhuǎn)為局部問題優(yōu)化，各能源互聯(lián)網(wǎng)局域網(wǎng)絡(luò)、本地化網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)部能源消費供給自平衡的基礎(chǔ)上，再尋求外部能源的支撐;另一類是通過儲能環(huán)節(jié)實現(xiàn)供給側(cè)與負荷側(cè)的解耦，利用儲能環(huán)節(jié)緩沖供給側(cè)的隨機波動性，按需配給負荷側(cè)對能源的需求，同時保證供給側(cè)的持續(xù)高效生產(chǎn)，提高供給側(cè)產(chǎn)能利用率;第三類是通過跨能源種類的優(yōu)化，發(fā)揮不同能源各自的優(yōu)勢，以綜合能源效率最高的形式，解決能源供給側(cè)與負荷側(cè)的實時平衡。3.1能源微網(wǎng)能源微網(wǎng)的建立實際是通過局部優(yōu)化替代整體決策。集中決策的優(yōu)點是可以實現(xiàn)全局的整體優(yōu)化，但其實現(xiàn)的前提是需易于建立研究對象數(shù)學模型。從控制論的觀點來看，集中決策的特點在于準確獲取對內(nèi)控制對象、對外擾動信息，依據(jù)這些信息集中進行控制決策。因此，當整個系統(tǒng)階數(shù)較低、數(shù)學模型較簡單時，系統(tǒng)外部擾動信息沒有動態(tài)變化，決策中心有能力掌握絕大部分系統(tǒng)信息時，整體決策是科學、有效的。然而，隨著系統(tǒng)階數(shù)增加，系統(tǒng)外部擾動信息量實時變化時，決策中心全面獲取系統(tǒng)信息，并針對每個系統(tǒng)環(huán)節(jié)的利益關(guān)注，構(gòu)建協(xié)調(diào)全局優(yōu)化并兼顧個體需求的集中決策模型的難度將大大增加。最終，當系統(tǒng)規(guī)模和外部擾動信息獲取成本增加到一定程度，集中決策將變得不科學、不可行。分散化的微平衡決策，依控制論觀點就是一個完全由市場機制決定的負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，市場環(huán)境中的客觀規(guī)律充分作用。這時的子系統(tǒng)（市場主體）直接面對市場多變環(huán)境，參與市場競爭，作出各種決策，因此子系統(tǒng)對于內(nèi)部變化和外部干擾極為敏感，適應能力強。以電力系統(tǒng)、油氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)為主體構(gòu)成的能源系統(tǒng)規(guī)模龐大，體系復雜。因此，能源系統(tǒng)整體層面的信息快速處理、科學決策變得越來越困難，需要進行分散化處理，對系統(tǒng)進行降階簡化，以便于子系統(tǒng)簡單數(shù)學模型下局部自平衡決策的形成?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展降低了信息獲取成本，加快了信息流通速度，縮減了信息傳遞環(huán)節(jié)，為分散化交易提供了可能。因此，與傳統(tǒng)能源、電力行業(yè)相比，能源微網(wǎng)中的自平衡實現(xiàn)了個別能源供應者和消費者之間的自發(fā)、自主的能源交易，實現(xiàn)局部的自我平衡，垂直層級集中決策的管理運營方式向分散化決策的局部微平衡轉(zhuǎn)變。3.2儲能技術(shù)由于風電和光伏發(fā)電具有低能量密度、波動性和間歇性的特征，導致未來新增電力裝機的容量置信度較低，電力系統(tǒng)供電可靠性存在下降的可能。以電儲能為主要代表的儲能技術(shù)具備雙向功率調(diào)節(jié)能力和靈活調(diào)節(jié)特性，可以顯著提高系統(tǒng)對分散可再生能源的接納能力。一方面滿足了負荷側(cè)對電力隨機、波動性的需求;另一方面，在用電低谷期將風電、光伏發(fā)電電能儲存起來，待用電高峰期再釋放，降低對燃煤電廠調(diào)峰調(diào)頻的要求，使得燃煤電廠保持在較高的運轉(zhuǎn)效率，減少燃煤電廠的污染物排放，實現(xiàn)供給側(cè)與負荷側(cè)的解耦。對于電力系統(tǒng)應用而言，儲能系統(tǒng)的基本技術(shù)特征體現(xiàn)在功率等級及其作用時間上，儲能的作用時間是區(qū)別于電力系統(tǒng)傳統(tǒng)即發(fā)即用設(shè)備的顯著標志，是儲能技術(shù)價值、電力時間的重要體現(xiàn)。儲能所擁有的這一獨特技術(shù)特征將改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)供需瞬時平衡的傳統(tǒng)模式，在能源革命中發(fā)揮重要作用。3.3綜合能源系統(tǒng)多種能源協(xié)調(diào)運行，可發(fā)揮不同系統(tǒng)的優(yōu)勢和潛力，豐富可再生能源消納途徑，擴大可再生能源消納空間，促進可再生能源的消納。同時，多種能源的統(tǒng)籌考慮可以在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，提高能源利用效率。4神華集團能源互聯(lián)網(wǎng)實踐神華集團是以煤為基礎(chǔ)，集電力、鐵路、港口、航運、煤制油與煤化工為一體，產(chǎn)運銷一條龍經(jīng)營的特大型能源企業(yè)，是目前我國規(guī)模最大、現(xiàn)代化程度最高的煤炭企業(yè)和世界上最大的煤炭供應商。目前，神華集團在清潔能源發(fā)展戰(zhàn)略的指引下，沿著化石能源清潔化、新能源規(guī)?；瘍蓷l路徑積極實施轉(zhuǎn)型發(fā)展。為推進清潔能源戰(zhàn)略落地，神華集團正在全方位、多領(lǐng)域開發(fā)建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)項目，在能源微網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)以及儲能技術(shù)研究等方面重點開展工作。4.1北七家能源微網(wǎng)在北京神華北七家科技園區(qū)圍繞3000kW分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建源一儲一荷型小型微電網(wǎng)，實現(xiàn)微電網(wǎng)的孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島方式的、自動切換。并網(wǎng)運行模式下，光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)、氫儲能系統(tǒng)并網(wǎng)運行，儲能用雙向逆變器既可以在并網(wǎng)充電模式下也可以在并網(wǎng)放電模式下工作;孤島運行模式下，以電池儲能系統(tǒng)和氫儲能系統(tǒng)（雙向）作為獨立運行模式的主控單元，雙向儲能逆變器無縫切換，電池向母線供電，光伏發(fā)電、負載正常運行，實現(xiàn)系統(tǒng)孤島運行。通過部署分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和能源傳感器系統(tǒng)，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究開發(fā)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的分布式能源供需雙側(cè)資源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，構(gòu)建多類能源耦合運行、智能運維的智能微網(wǎng)綜合開發(fā)運營平臺系統(tǒng)，幫助電力的經(jīng)營管理者挖掘用能數(shù)據(jù)，完成高度精確的預測需求，為能源用戶提升用能、用電體驗，引導其有意識地調(diào)整優(yōu)化自身用電方式，從而實現(xiàn)顯著的節(jié)能降耗。4.2氫儲能及電池儲能系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的電池儲能，與電解水技術(shù)和燃料電池技術(shù)相結(jié)合的電一氫一電的模式近年來被認為是可以大規(guī)模應用的儲能技術(shù)，低谷電時，利用電解水制氫并儲存，高峰電時利用儲存的氫氣供給燃料電池發(fā)電，從而完成電一氫一電的儲能路徑。神華集團在北七家能源微網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，建設(shè)900kW，9MWh大容量儲能示范工程。利用傳統(tǒng)電池儲能技術(shù)的雙向存儲特點，結(jié)合以氫氣為載體、以電解水制氫和燃料電池發(fā)電為實現(xiàn)形式的儲能方式，采用雙向、單向兩種能力存儲模式，根據(jù)峰谷時段電價差異，開發(fā)儲能調(diào)峰應用系統(tǒng)，利用低谷時段電價給儲能系統(tǒng)充電，在峰值時段放電，減少峰值時段的用電量，降低電網(wǎng)在高峰時段的用電壓力，減少電費支出。儲能系統(tǒng)常規(guī)時間工作在峰時段放電、平時段待機、谷時段充電的調(diào)峰模式?；诓煌目刂撇呗?，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)應急備用、電能質(zhì)量管理與控制、負荷跟蹤與補償、分布式發(fā)電管理與平滑等功能。據(jù)此，在儲能系統(tǒng)中，進行自設(shè)備、子系統(tǒng)至整個系統(tǒng)的多層級綜合控制管理，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)不同工作模式下設(shè)備、子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制及系統(tǒng)在不同工作模式之間的平滑切換。4.3富平綜合能源系統(tǒng)2012年，神華集團在富平高新區(qū)開發(fā)2x350MW超低排放熱電聯(lián)產(chǎn)項目，計劃2017年10月兩臺機組全部投產(chǎn)。為響應能源“四個革命、一個合作”能源發(fā)展戰(zhàn)略思想、踐行五大發(fā)展理念，神華集團依托2x350MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組，建立多能源互補、集中與分布式供應相結(jié)合的能源生產(chǎn)系統(tǒng)，開發(fā)區(qū)域綜合能源示范項目，為所在區(qū)域提供一體化能源服務。該項目已正式納入國家能源局首批多能互補集成優(yōu)化示范工程。項目踐行“煤炭綠色開采、綠色運輸、綠色儲存、綠色轉(zhuǎn)化”的清潔發(fā)展路線，實現(xiàn)以電替代油、電替代天然氣、汽替代所有散燒鍋爐、低品質(zhì)蒸汽制冷替代電制冷，達到終端用能零碳排放。能源互聯(lián)。從能源生產(chǎn)角度，建立區(qū)域智能能源供應網(wǎng)絡(luò)，能源供給方以富平熱電廠為主，以光伏、風力發(fā)電等分布式可再生能源進行補充，經(jīng)過能源轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)“電、熱、汽、冷、水”五聯(lián)供;從能源傳輸角度，物理層面采用綜合管廊傳輸，避免由于敷設(shè)和維修地下管線頻繁挖掘道路而對交通和居民出行造成影響和干擾，保持路容完整和美觀;便于各種管線的敷設(shè)、增減、維修和日常管理;有效利用了道路下的空間，節(jié)約了城市用地;從能源消費角度，園區(qū)內(nèi)推廣智能家電、智能電動汽車、智能充電樁、智能儲能設(shè)施和其他智能用電設(shè)備，可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)和控制。園區(qū)內(nèi)發(fā)電設(shè)施、企業(yè)或家庭的智能儲能設(shè)備，可以在用電低谷、電價較低時自動進行儲能，在用電高峰或電價高時自動放能自用或出售給其他用戶，降低園區(qū)從大電網(wǎng)獲取能源的能源總量，起到虛擬調(diào)峰電站的作用。信息互聯(lián)。通過工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)，實時感知工業(yè)園區(qū)內(nèi)固定消費端、電動汽車等移動消費端、儲能設(shè)備和屋頂光伏發(fā)電等可再生能源節(jié)點的接入、斷開和消費信息，對“電、熱、汽、冷、水”進行實時高效配置，實現(xiàn)能源調(diào)度智能化，提高能源生產(chǎn)效率。綜合能源供應中心所有設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、透明化，配備智能分析軟件，實時采集設(shè)備的狀態(tài)特征和運行過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障預判和預測性維護，實現(xiàn)設(shè)備運行優(yōu)化管理，提高安全運行水平和對能源的利用率。建立基于網(wǎng)絡(luò)化的智能感知、計量、控制和保護設(shè)備，搭建覆蓋能源生產(chǎn)、傳輸和消費全部環(huán)節(jié)的能源物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)自動計量和自動交易。建立智慧能源管控系統(tǒng)，通過基于分布式能源調(diào)度模型的發(fā)電功率預測、用能預測、協(xié)調(diào)調(diào)度、節(jié)能潛力分析以及用能優(yōu)化與管理等核心技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)域中的能源一體化優(yōu)化調(diào)度，并引入大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，綜合管理區(qū)域資源，實現(xiàn)經(jīng)濟。安全和高效的能源分配和管理，有效提升能源使用效率，降低單位GDP能耗?；谥腔勰茉丛品掌脚_，建立實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)能源交易和其他相關(guān)服務的商務平臺，在云計算平臺上對各生產(chǎn)節(jié)點和消費節(jié)點實現(xiàn)全自動無人化交易結(jié)算?？梢允占a(chǎn)和消費數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)，并基于大數(shù)據(jù)實現(xiàn)能源管理智能化分析應用，比如幫助家庭消費者分析其用能數(shù)據(jù)，提供用能節(jié)能服務。價值互聯(lián)。綜合能源系統(tǒng)為能源生產(chǎn)、配送、消費方提供了新業(yè)務和商業(yè)模式機會，為相關(guān)方資金流的互通提供了平臺，促進物理與虛擬融合，提升對能源需求的滿足程度;新的生產(chǎn)、管理和交易方式通過提升生產(chǎn)效率、去中介化降低交易成本