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第23章:什么是能源互联网?

定义

能源互联网可理解是综合运用先进的电力电子技术, 信息技术和智能管理技术, 将大量由分布式能量采集装置, 分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来, 以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。

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简介

美国学者杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)于2011年在其著作《第三次工业革命》中预言,以新能源技术和信息技术的深入结合为特征,一种新的能源利用体系即将出现,他将他所设想的这一新的能源体系命名为能源互联网(Energy Internet)。杰里米·里夫金认为,“基于可再生能源的、分布式、开放共享的网络,即能源互联网”。随后,随着中国政府的重视,杰里米·里夫金及其能源互联网概念在中国得到了广泛传播。2014年,中国提出了能源生产与消费革命的长期战略,并以电力系统为核心试图主导全球能源互联网的布局。2016年3月全球能源互联网发展合作组织成立,由国家电网独家发起成立,是中国在能源领域发起成立的首个国际组织,也是全球能源互联网的首个合作、协调组织。

物联是基础:“能源互联网”用先进的传感器、控制和软件应用程序,将能源生产端、能源传输端、能源消费端的数以亿计的设备、机器、系统连接起来,形成了能源互联网的“物联基础”。大数据分析、机器学习和预测是能源互联网实现生命体特征的重要技术支撑:能源互联网通过整合运行数据、天气数据、气象数据、电网数据、电力市场数据等,进行大数据分析、负荷预测、发电预测、机器学习,打通并优化能源生产和能源消费端的运作效率,需求和供应将可以进行随时的动态调整。

近年来,伴随着美国未来学家里夫金《第三次工业革命》一书的出版,能源互联网领域的概念在国内逐渐被炒热。多次往返于中美之间的里夫金在他的新书中阐述了这样一种观点,在经历第一次工业革命和第二次工业革命之后,“第三次工业革命”将是互联网对能源行业带来的冲击。即把互联网技术与可再生能源相结合,在能源开采、配送和利用上从传统的集中式转变为智能化的分散式,从而将全球的电网变为能源共享网络。

“能源互联网”将有助于形成一个巨大的“能源资产市场” (Market place),实现能源资产的全生命周期管理,通过这个“市场”可有效整合产业链上下游各方,形成供需互动和交易,也可以让更多的低风险资本进入能源投资开发领域,并有效控制新能源投资的风险。

“能源互联网”还将实时匹配供需信息,整合分散需求,形成能源交易和需求响应。当每一个家庭都变成能源的消费者和供应者的时候,无时无刻不在交易电力,比如屋顶分布式光伏电站发电、当为电动汽车充放电的时候。

国内发展历程

2015年09月26日,中国国家主席习近平在纽约联合国总部出席联合国发展峰会,发表题为《谋共同永续发展 做合作共赢伙伴》的重要讲话。在讲话上,习近平宣布:中国倡议探讨构建全球能源互联网,推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。

2016年2月,国家发展改革委、国家能源局、工业和信息化部联合制定的《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》29日发布。《意见》提出,能源互联网建设近中期将分为两个阶段推进,先期开展试点示范,后续进行推广应用,并明确了10大重点任务。《意见》明确了能源互联网建设目标:2016-2018年,着力推进能源互联网试点示范工作,建成一批不同类型、不同规模的试点示范项目。2019-2025年,着力推进能源互联网多元化、规模化发展,初步建成能源互联网产业体系,形成较为完备的技术及标准体系并推动实现国际化。

2017年9月26日,在全球能源互联网推动下,中国与周边国家能源互联互通初具规模。费志荣表示,下一步,中国将稳步推进国内能源互联网建设,优化电网布局,提高国内能源资源优化配置能力。加快能源互联网示范项目建设,积极研究提出配套政策措施,为能源互联网新模式、新业态发展预留充足发展空间。

2017年7月,为落实《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》(发改能源[2016]392号)和国务院第138次常务会议的部署,有效促进能源和信息深度融合,推动能源领域结构性改革,国家能源局以《国家能源局关于组织实施“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目的通知》(国能科技[2016]200号)公开组织申报“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目。

2017年8月,全国55个首批能源互联网示范项目已陆续开工,中国能源互联网进入实操阶段。

2017年7月,国家能源局正式公布包括北京延庆能源互联网综合示范区、崇明能源互联网综合示范项目等在内的首批55个“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目,并要求首批示范项目原则上应于2017年8月底前开工,并于2018年底前建成。

具备特征

可再生:可再生能源是能源互联网的主要能量供应来源。可再生能源发电具有间歇性、波动性,其大规模接入对电网的稳定性产生冲击,从而促使传统的能源网络转型为能源互联网。

分布式:由于可再生能源的分散特性,为了最大效率的收集和使用可再生能源,需要建立就地收集、存储和使用能源的网络,这些能源网络单个规模小,分布范围广,每个微型能源网络构成能源互联网的一个节点。

互联性:大范围分布式的微型能源网络并不能全部保证自给自足,需要联起来进行能量交换才能平衡能量的供给与需求。能源互联网关注将分布式发电装置、储能装置和负载组成的微型能源网络互联起来,而传统电网更关注如何将这些要素“接进来”。

开放性:能源互联网应该是一个对等、扁平和能量双向流动的能源共享网络,发电装置、储能装置和负载能够“即插即用”,只要符合互操作标准,这种接入是自主的,从能量交换的角度看没有一个网络节点比其它节点更重要。

智能化:能源互联网中能源的产生、传输、转换和使用都应该具备一定的智能。

能源互联网与其他形式的电力系统相比, 具有以下4 个关键技术特征 :

(1)可再生能源高渗透率:能源互联网中将接入大量各类分布式可再生能源发电系统, 在可再生能源高渗透率的环境下, 能源互联网的控制管理与传统电网之间存在很大不同, 需要研究由此带来的一系列新的科学与技术问题.

(2)非线性随机特性:分布式可再生能源是未来能源互联网的主体, 但可再生能源具有很大的不确定性和不可控性, 同时考虑实时电价, 运行模式变化, 用户侧响应, 负载变化等因素的随机特性, 能源互联网将呈现复杂的随机特性, 其控制, 优化和调度将面临更大挑战.

(3)多源大数据特性:能源互联网工作在高度信息化的环境中, 随着分布式电源并网, 储能及需求侧响应的实施, 包括气象信息, 用户用电特征, 储能状态等多种来源的海量信息. 而且, 随着高级量测技术的普及和应用, 能源互联网中具有量测功能的智能终端的数量将会大大增加, 所产生的数据量也将急剧增大.

(4)多尺度动态特性能源互联网是一个物质, 能量与信息深度耦合的系统, 是物理空间、能量空间、信息空间乃至社会空间耦合的多域, 多层次关联, 包含连续动态行为、离散动态行为和混沌有意识行为的复杂系统. 作为社会/信息/物理相互依存的超大规模复合网络, 与传统电网相比, 具有更广阔的开放性和更大的系统复杂性, 呈现出复杂的, 不同尺度的动态特性.

美国著名经济学家杰里米·里夫金的第三次工业革命和能源互联网的提法最近引起广泛关注。杰里米·里夫金认为:“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。”

能源互联网其实是以互联网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,因此可以最大限度地适应新能源的接入。微网是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”。大电网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”。虽然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互联网式的电网。能源互联网把一个集中式的、单向的电网,转变成和更多的消费者互动的电网。

事实上,美国和欧洲早就有能源互联网的研究计划。2008年美国就在北卡州立大学建立了研究中心,希望将电力电子技术和信息技术引入电力系统,在未来配电网层面实现能源互联网理念。效仿网络技术的核心路由器,他们提出了能源路由器的概念,并且进行了原型实现,利用电力电子技术实现对变压器的控制,路由器之间利用通信技术实现对等交互。德国在2008年也提出了E-Energy理念和能源互联网计划。

国际标准

2015年3月2日,国际标准化组织ISO/IEC正式发布文件,由天地互连主导的IEEE1888标准通过ISO/IEC最后一轮投票,成为全球能源互联网产业首个ISO/IEC国际标准。

IEEE1888标准(或称IEEE 1888协议),正式名称为泛在绿色社区控制网络协议(IEEE 1888-2011-IEEE Standard for Ubiquitous Green Community Control Network Protocol  ),是利用互联网技术(支持IPv6,兼容IPv4)使所有传感数据和控制数据进行自由传输与交互的应用层面的通信协议。IEEE 1888标准的正式名称是“IEEE 1888-2011-IEEE Standard for Ubiquitous Green Community Control Network Protocol, 泛在绿色社区控制网络协议”,可广泛应用于智慧能源系统,包括下一代电力管理系统,楼宇能源系统、设备设施管理系统等领域的通信,特别在工业、建筑、园区等领域的能源管理方面,具有天然的优势。

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