能源互联网“源–网–荷–储”协调优化运营模式及关键技术
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基金项目：国家软科学研究计划项目(2012GXS4B064)；国家自然 科学基金资助项目(51277067，71271082)；中央高校基本科研业务费专 项资金资助(2015XS43)。 Project Supported by the National Soft Science Research Plan (Grantno.2012GXS4B064) of China; National Natural Science Foundation of China (Grantno.71271082 and 51277067); the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grantno. 2015XS43).
[13-14]
2 能源互联网背景下广义协调优化运营模式
2.1 智能电网在能源互联网体系中的定位及作用 自“智能电网”的概念提出后，随着电力电子技 术、 通信技术、 自动控制技术以及大数据技术的发展， 智能电网的概念和内涵也不断得到深化和发展，从 最早强调电网自动控制与保护，逐步发展到注重网 络信息流的价值以及电网中能量流与信息流的整 合。目前智能电网已经能够将 ICT 技术、自动远程 控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成[20]。 在能源互联网架构下，传统能源体系将被重构 为扁平化的能源体系结构[21-22]。在这个过程中，作
第 40 卷 第 1 期
电
网
技
术
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出[2-3]。 能源互联网能够在最大程度上提高能源利用 效率，引导能源消费向着集约化、清洁化的方向发 展，缓解上述矛盾的同时进一步提高我国能源安全 水平。 2）建设能源互联网是推动我国能源革命的重 要途径。互联共享、高度开放的互联网理念将加深 能源行业内部、能源行业与其他行业的相互融合， 促进我国能源行业的产业布局向着精细化、多元化 的方向转型发展
。
目前国内外有关能源互联网已经有了较为初 步的研究，如分析了国外能源互联网工程实践情 况 、能源互联网的技术内涵和技术特征
[9] [6] [7-8]
、能源
互联网的价值与实现架构 。文献[10]分析了网络 拓扑结构模型及其物理信息系统；文献[11]展望了 电网信息物理系统在能源互联网、主动配电网以及 传统电网中的应用；文献[12]从能源供给和能源消 费、能源输送载体、多源大数据以及协同优化调控 等几个方面详细阐述了城市能源互联网的应用框 架模型。从目前国内外有关能源互联网的文献研究 可以看出，关于能源互联网概念、基本框架、关键 技术等内容的讨论分析较多，而对其关键运营模 式、运营机制的研究内容则较少。电力作为关键的 二次能源，必将成为能源互联网建设、运营的核心 和纽带，因此本文将在分析研究能源互联网基本概 念与体系架构的基础上，将电力系统的“源网荷 储”协调优化理论进一步扩大化，提出能源互联 网广义“源Байду номын сангаас网荷储”协调优化运营模式并分析 其关键技术与实践基础，提出相应的实施建议。
曾鸣 1a，杨雍琦 1a，刘敦楠 1a，曾博 1a，欧阳邵杰 1b，林海英 2，韩旭 1a
（1．华北电力大学 a．新能源电力系统国家重点实验室，b．经济与管理学院，北京市 昌平区 102206；2．国网信通产业集团 北京中电普华信息技术有限公司，北京市 海淀区 100085）
“Generation-Grid-Load-Storage” Coordinative Optimal Operation Mode of Energy Internet and Key Technologies
[16]
。
116
曾鸣等：能源互联网“源–网–荷–储”协调优化运营模式及关键技术
Vol. 40 No. 1
为我国目前能源体系中最为重要的二次能源，电力 将是链接能源生产与能源需求、清洁能源与直接可 用能量、清洁能源与传统化石能源的重要途径，也 是实现能源互联网中能源生产、运输、市场消费等 各个环节之间协调互补的关键
。
然而，能源互联网并不是简单的智能电网的升级版 或者电力系统及其他能源系统的升级版，而应当强 调各个能源体系之间的相互协调
[15]
。从能源角度
讲，未来的能源互联网不仅包括电能及电力系统， 还应当包括煤、石油、天然气等传统化石能源以及 风、光等清洁能源；从网络角度讲，不仅包括电网， 还包括油气网、供热网等多种形式的网络结构
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引言
近年来，随着环境污染问题的日益严重，传统
的攫取和依赖不可再生资源的增长方式已经不能 维持我国经济社会发展，以石油和煤炭为核心的化 石能源时代即将结束，我国将要面临的是新能源和 化石能源互补的“混合能源时代” 。在这种情况下， 我国亟需以新一轮技术革命、产业革命为支点，从 以往粗放的发展模式转变为更为集约、可持续的发 展模式。 杰里米里夫金在其著作《第三次工业革命》中 提出了能源互联网的未来发展蓝图，刻画出一种以 可再生能源为主要能量单元，利用互联网技术实现 能量流与信息流实时流动，多种能源供应、传输网 络及能源技术、信息技术高度耦合的新型能源利用 体系[1]。构建能源互联网不仅需要依靠能源技术自 身的创新，同时强调能源技术与其他领域先进技术 的相互融合，也需要能源体制乃至能源生产消费模 式的变革，总的来说，能源互联网是对人类社会生 活方式的一次根本性革命。当前我国正处在能源革 命的关键时期，而“互联网+”概念的提出则预示 着我国能源行业发展将要进入一个全新的历史阶 段。能源互联网的建设能够在能源技术、生产、供 应等多个环节激发“链式变革” ，这主要体现在以 下 2 个方面： 1）构建能源互联网是解决我国严峻能源环境 问题的关键手段。我国的能源结构不尽合理，导致 目前我国社会发展与能源消费之间的矛盾日益突
1 能源互联网基本概念及主要特征
1.1 能源互联网基本概念 对于如何定义能源互联网，应当以我国能源电 力未来到底要解决什么问题为导向。综合当前我国 能源开发利用现状，首要任务是节能减排及提高可 再生能源开发利用效率。而电力系统作为一种重要 的二次能源，能够将清洁能源转化为可供使用的直 接能量和动力，因此在能源互联网中电力系统将发 挥链接一次能源与二次能源的重要枢纽作用
[22-23]
负荷，还有用户的多种能源需求；而“储”则主要 指能源资源的多种仓储设施及储备方法。具体来 讲，主要包含以下 2 个方面。 1）横向多源互补。 “横向多源互补”是从电力 系统“源源互补”的理念衍生而来，能源互联网 中的“横向多源互补”是指电力系统、石油系统、 供热系统、天然气供应系统等多种能源资源之间的 互补协调，突出强调各类能源之间的“可替代性” ， 用户不仅可以在其中任意选择不同能源，也可自由 选择能源资源的取用方式。 2）纵向“源网荷储”协调。 “纵向源网 荷 储协调”是从电力系统“源 网协调”和“网 荷 储互动”的理念中衍生而来。能源互联网中 的“纵向源 网 荷 储协调”主要是指 2 个方面： ①通过多种能量转换技术及信息流、能量流交互技 术，实现能源资源的开发利用和资源运输网络、能 量传输网络之间的相互协调；②将用户的多种用能 需求统一为一个整体，使电力需求侧管理进一步扩 大化成为全能源领域的“综合用能管理” ，将广义 需求侧资源在促进清洁能源消纳、保证系统安全稳 定运行方面的作用进一步放大化。 能源互联网“源网荷储”协调优化运营模 式的主要架构如图 1 所示。
[4-5]
综上所述，能源互联网的定义应当是：以互联 网技术为基础，以电力系统为中心，将电力系统与 天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑系统 等紧密耦合，横向实现电、气、热、可再生能源等 “多源互补” ，纵向实现“源网荷储”各环节高 度协调，生产和消费双向互动，集中与分布相结合 的能源服务网络。其中“源网荷储”协调优化 模式是能源互联网的关键运营模式。 1.2 能源互联网的主要特征 能源互联网将能源行业与互联网思维、互联网 技术高度融合，其特征主要有以下 4 点： 1）开放。能源互联网在产业层面与技术层面 都具有高度的开放特性，为能源行业与其他行业的 相互融合提供交流媒介，同时具备普适性的接入端 口，能够实现对分布式电源、储能等多种设备的适 应性对接，保证能量与信息的双向流动[17]。 2）互联。一方面，能源互联网能够保证局部 能源设备之间的互联互通，保证分散式能源模块的 内部供需自平衡；另一方面，能源互联网能够保证 分散式能源模块与集中式能源模块之间的互联协 调，发挥两者之间的互补协同作用，有效提高系统 运行的安全性与经济性。 3）对等。能源互联网将改变各能源传统网络 “自上而下”的组织形式，各参与主体即是“生产 者”又是“消费者” ，各能源设备都具备发出与接 收能量及能量信息的能力，在智能化的信息处理和 能量流动过程中，各能量节点都是平等的[18]。 4）分享。能源互联网终端包括大量能源信息 交互设备，这使得能源互联网成为各能量节点、 信息节点之间进行能量流和信息流双向流动的平 台，每个能源节点都有获取数据信息的权限与能 力，这将进一步促进能源资源在广域范围内的优化 配置[19]。
第 40 卷 第 1 期 2016 年 1 月 文章编号：1000-3673（2016）01-0114-11
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 72 文献标志码：A 学科代码：470·40
Vol. 40 No. 1 Jan. 2016
能源互联网“源–网–荷–储”协调优化运营模式及 关键技术
ZENG Ming , YANG Yongqi , LIU Dunnan1a, ZENG Bo1a, OUYANG Shaojie1b, LIN Haiying2, HAN Xu1a
(1. a. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources, b. School of Economics and Management, North China Electric Power University, Changing District, Beijing 102206, China; 2. Beijing China-Power Grid Information Technology Co., Ltd., State Grid Information & Telecommunication Group, Haidian District, Beijing 100085, China) ABSTRACT: Energy internet is the key to achieve energy reform goals in China and internet technologies will be critical method to further promote transformation and development of China’s energy sector. This paper presented basic concept and main features of energy internet and analyzed functions of smart grid in energy internet operation. A generalized coordinative operation model “generation-grid-load-storage” of energy internet was proposed. Key technologies to realize coordinative operation of energy internet was summarized. Energy internet projects in China and abroad were analyzed. Finally, policy suggestions were proposed. KEY WORDS: energy internet; coordinative optimization; generation-grid-load-storage; key technologies 摘要： 能源互联网是实现我国能源革命目标的关键， 而互联 网技术将成为推动我国能源产业转型和发展的重要手段。 首 先阐述了能源互联网的基本概念和主要特征， 在此基础上分 析了智能电网在能源互联网体系中的定位和作用， 提出了能 源互联网广义“源–网–荷–储”协调优化运营模式。其次总 结了实现能源互联网协调优化的关键技术， 分析了国内外能 源互联网项目的实践经验， 并提出我国发展能源互联网的政 策建议。 关键词：能源互联网；协调优化；源–网–荷–储；关键技术 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.01.016
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2 能源互联网背景下广义协调优化运营模式
2.1 智能电网在能源互联网体系中的定位及作用 自“智能电网”的概念提出后，随着电力电子技 术、 通信技术、 自动控制技术以及大数据技术的发展， 智能电网的概念和内涵也不断得到深化和发展，从 最早强调电网自动控制与保护，逐步发展到注重网 络信息流的价值以及电网中能量流与信息流的整 合。目前智能电网已经能够将 ICT 技术、自动远程 控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成[20]。 在能源互联网架构下，传统能源体系将被重构 为扁平化的能源体系结构[21-22]。在这个过程中，作
第 40 卷 第 1 期
电
网
技
术
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出[2-3]。 能源互联网能够在最大程度上提高能源利用 效率，引导能源消费向着集约化、清洁化的方向发 展，缓解上述矛盾的同时进一步提高我国能源安全 水平。 2）建设能源互联网是推动我国能源革命的重 要途径。互联共享、高度开放的互联网理念将加深 能源行业内部、能源行业与其他行业的相互融合， 促进我国能源行业的产业布局向着精细化、多元化 的方向转型发展
。
目前国内外有关能源互联网已经有了较为初 步的研究，如分析了国外能源互联网工程实践情 况 、能源互联网的技术内涵和技术特征
[9] [6] [7-8]
、能源
互联网的价值与实现架构 。文献[10]分析了网络 拓扑结构模型及其物理信息系统；文献[11]展望了 电网信息物理系统在能源互联网、主动配电网以及 传统电网中的应用；文献[12]从能源供给和能源消 费、能源输送载体、多源大数据以及协同优化调控 等几个方面详细阐述了城市能源互联网的应用框 架模型。从目前国内外有关能源互联网的文献研究 可以看出，关于能源互联网概念、基本框架、关键 技术等内容的讨论分析较多，而对其关键运营模 式、运营机制的研究内容则较少。电力作为关键的 二次能源，必将成为能源互联网建设、运营的核心 和纽带，因此本文将在分析研究能源互联网基本概 念与体系架构的基础上，将电力系统的“源网荷 储”协调优化理论进一步扩大化，提出能源互联 网广义“源Байду номын сангаас网荷储”协调优化运营模式并分析 其关键技术与实践基础，提出相应的实施建议。
曾鸣 1a，杨雍琦 1a，刘敦楠 1a，曾博 1a，欧阳邵杰 1b，林海英 2，韩旭 1a
（1．华北电力大学 a．新能源电力系统国家重点实验室，b．经济与管理学院，北京市 昌平区 102206；2．国网信通产业集团 北京中电普华信息技术有限公司，北京市 海淀区 100085）
“Generation-Grid-Load-Storage” Coordinative Optimal Operation Mode of Energy Internet and Key Technologies
[16]
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曾鸣等：能源互联网“源–网–荷–储”协调优化运营模式及关键技术
Vol. 40 No. 1
为我国目前能源体系中最为重要的二次能源，电力 将是链接能源生产与能源需求、清洁能源与直接可 用能量、清洁能源与传统化石能源的重要途径，也 是实现能源互联网中能源生产、运输、市场消费等 各个环节之间协调互补的关键
。
然而，能源互联网并不是简单的智能电网的升级版 或者电力系统及其他能源系统的升级版，而应当强 调各个能源体系之间的相互协调
[15]
。从能源角度
讲，未来的能源互联网不仅包括电能及电力系统， 还应当包括煤、石油、天然气等传统化石能源以及 风、光等清洁能源；从网络角度讲，不仅包括电网， 还包括油气网、供热网等多种形式的网络结构
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引言
近年来，随着环境污染问题的日益严重，传统
的攫取和依赖不可再生资源的增长方式已经不能 维持我国经济社会发展，以石油和煤炭为核心的化 石能源时代即将结束，我国将要面临的是新能源和 化石能源互补的“混合能源时代” 。在这种情况下， 我国亟需以新一轮技术革命、产业革命为支点，从 以往粗放的发展模式转变为更为集约、可持续的发 展模式。 杰里米里夫金在其著作《第三次工业革命》中 提出了能源互联网的未来发展蓝图，刻画出一种以 可再生能源为主要能量单元，利用互联网技术实现 能量流与信息流实时流动，多种能源供应、传输网 络及能源技术、信息技术高度耦合的新型能源利用 体系[1]。构建能源互联网不仅需要依靠能源技术自 身的创新，同时强调能源技术与其他领域先进技术 的相互融合，也需要能源体制乃至能源生产消费模 式的变革，总的来说，能源互联网是对人类社会生 活方式的一次根本性革命。当前我国正处在能源革 命的关键时期，而“互联网+”概念的提出则预示 着我国能源行业发展将要进入一个全新的历史阶 段。能源互联网的建设能够在能源技术、生产、供 应等多个环节激发“链式变革” ，这主要体现在以 下 2 个方面： 1）构建能源互联网是解决我国严峻能源环境 问题的关键手段。我国的能源结构不尽合理，导致 目前我国社会发展与能源消费之间的矛盾日益突
1 能源互联网基本概念及主要特征
1.1 能源互联网基本概念 对于如何定义能源互联网，应当以我国能源电 力未来到底要解决什么问题为导向。综合当前我国 能源开发利用现状，首要任务是节能减排及提高可 再生能源开发利用效率。而电力系统作为一种重要 的二次能源，能够将清洁能源转化为可供使用的直 接能量和动力，因此在能源互联网中电力系统将发 挥链接一次能源与二次能源的重要枢纽作用
[22-23]
负荷，还有用户的多种能源需求；而“储”则主要 指能源资源的多种仓储设施及储备方法。具体来 讲，主要包含以下 2 个方面。 1）横向多源互补。 “横向多源互补”是从电力 系统“源源互补”的理念衍生而来，能源互联网 中的“横向多源互补”是指电力系统、石油系统、 供热系统、天然气供应系统等多种能源资源之间的 互补协调，突出强调各类能源之间的“可替代性” ， 用户不仅可以在其中任意选择不同能源，也可自由 选择能源资源的取用方式。 2）纵向“源网荷储”协调。 “纵向源网 荷 储协调”是从电力系统“源 网协调”和“网 荷 储互动”的理念中衍生而来。能源互联网中 的“纵向源 网 荷 储协调”主要是指 2 个方面： ①通过多种能量转换技术及信息流、能量流交互技 术，实现能源资源的开发利用和资源运输网络、能 量传输网络之间的相互协调；②将用户的多种用能 需求统一为一个整体，使电力需求侧管理进一步扩 大化成为全能源领域的“综合用能管理” ，将广义 需求侧资源在促进清洁能源消纳、保证系统安全稳 定运行方面的作用进一步放大化。 能源互联网“源网荷储”协调优化运营模 式的主要架构如图 1 所示。
[4-5]
综上所述，能源互联网的定义应当是：以互联 网技术为基础，以电力系统为中心，将电力系统与 天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑系统 等紧密耦合，横向实现电、气、热、可再生能源等 “多源互补” ，纵向实现“源网荷储”各环节高 度协调，生产和消费双向互动，集中与分布相结合 的能源服务网络。其中“源网荷储”协调优化 模式是能源互联网的关键运营模式。 1.2 能源互联网的主要特征 能源互联网将能源行业与互联网思维、互联网 技术高度融合，其特征主要有以下 4 点： 1）开放。能源互联网在产业层面与技术层面 都具有高度的开放特性，为能源行业与其他行业的 相互融合提供交流媒介，同时具备普适性的接入端 口，能够实现对分布式电源、储能等多种设备的适 应性对接，保证能量与信息的双向流动[17]。 2）互联。一方面，能源互联网能够保证局部 能源设备之间的互联互通，保证分散式能源模块的 内部供需自平衡；另一方面，能源互联网能够保证 分散式能源模块与集中式能源模块之间的互联协 调，发挥两者之间的互补协同作用，有效提高系统 运行的安全性与经济性。 3）对等。能源互联网将改变各能源传统网络 “自上而下”的组织形式，各参与主体即是“生产 者”又是“消费者” ，各能源设备都具备发出与接 收能量及能量信息的能力，在智能化的信息处理和 能量流动过程中，各能量节点都是平等的[18]。 4）分享。能源互联网终端包括大量能源信息 交互设备，这使得能源互联网成为各能量节点、 信息节点之间进行能量流和信息流双向流动的平 台，每个能源节点都有获取数据信息的权限与能 力，这将进一步促进能源资源在广域范围内的优化 配置[19]。
第 40 卷 第 1 期 2016 年 1 月 文章编号：1000-3673（2016）01-0114-11
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 72 文献标志码：A 学科代码：470·40
Vol. 40 No. 1 Jan. 2016
能源互联网“源–网–荷–储”协调优化运营模式及 关键技术
ZENG Ming , YANG Yongqi , LIU Dunnan1a, ZENG Bo1a, OUYANG Shaojie1b, LIN Haiying2, HAN Xu1a
(1. a. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources, b. School of Economics and Management, North China Electric Power University, Changing District, Beijing 102206, China; 2. Beijing China-Power Grid Information Technology Co., Ltd., State Grid Information & Telecommunication Group, Haidian District, Beijing 100085, China) ABSTRACT: Energy internet is the key to achieve energy reform goals in China and internet technologies will be critical method to further promote transformation and development of China’s energy sector. This paper presented basic concept and main features of energy internet and analyzed functions of smart grid in energy internet operation. A generalized coordinative operation model “generation-grid-load-storage” of energy internet was proposed. Key technologies to realize coordinative operation of energy internet was summarized. Energy internet projects in China and abroad were analyzed. Finally, policy suggestions were proposed. KEY WORDS: energy internet; coordinative optimization; generation-grid-load-storage; key technologies 摘要： 能源互联网是实现我国能源革命目标的关键， 而互联 网技术将成为推动我国能源产业转型和发展的重要手段。 首 先阐述了能源互联网的基本概念和主要特征， 在此基础上分 析了智能电网在能源互联网体系中的定位和作用， 提出了能 源互联网广义“源–网–荷–储”协调优化运营模式。其次总 结了实现能源互联网协调优化的关键技术， 分析了国内外能 源互联网项目的实践经验， 并提出我国发展能源互联网的政 策建议。 关键词：能源互联网；协调优化；源–网–荷–储；关键技术 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.01.016