能源互联网技术框架研究_周海明
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1 能源互联网需求分析
“能源互联网” 的需求推动力源于能源供需矛 盾和新型可再生能源的出现。 其追求的目标是充 分利用新技术优势， 对不同的供能环节进行整体 优化， 形成一体化的社会综合能源供用体系， 即 “能源互联” 系统， 通过对能源的产生、 传输、 分 配、 转换、 存储、 消费等环节进行整体协调控制， 通过整体优化提高能源的利用效率， 并通过不同 能源间的 “替代和转化” 提高可再生能源应用比 例。 电能的方便传输和易于使用的特点使其在能 源整体化应用中， 将扮演纽带作用。
以风电为代表的可再生能源在国内发展迅速， 但是， 由于当前技术条件限制， 风电在用电低谷 及供暖季节存在较突出风电发用矛盾， 弃风现象
时有发生， 一方面负荷需求旺盛， 另一方面可再 生能源却无处消纳。 通过能源间的替代和转化可 以实现不同种类能源负荷需求和供应间的联产、 联供， 从而使可再生能源如替换常规电能一样在 其他能源供应领域发挥更大的作用， 形成能源领 域的 “互联” 和整体优化。 这种能源互联系统可 以综合考虑能源供给成本及其特性， 在满足能源 需求的前提下， 优化能源供给， 满足使用成本或 者污染排放最低等优化目标。
条件和应用技术水平相匹配的能源供应与消费技术框架。 相对于传统的能源供应体系， 这种基于先进信息技
术的 “能源互联网” 技术框架能够发挥能源综合应用和负荷侧互动技术优势， 整体优化能源供给与消费， 提
高能源的整体利用效能。
关键词： 智能电网； 能源互联网； 新能源
中图分类号： TM715；TK01+8 ；TP393
文 献[1]提 出 ， 以 新 能 源 大 规 模 开 发 利 用 为 特 征的新一轮能源变革正在世界范围内蓬勃兴起。 随着新一轮能源变革的到来， 新能源技术、 智能 技术、 信息技术、 网络技术不断突破， 与智能电 网全面融合， 正在承载并推动第三次工业革命。 “能源互联网” 将互联网技术和可再生能源将结合 起来， 为第三次工业革命创造强大的基础。 未来， 数以亿计的人们将在自己家里、 办公室里、 工厂 里生产出自己的绿色能源， 并在 “能源互联网” 上与大家分享。
文献标志码： A
文章编号： 1004-9649（2014）11-0140-05
0 引言
中国目前主要依赖于化石能源发电， 是世界 上最大的火力发电国（国内的水电、 生物乙醇应用 受限于自然条件和土地资源）。 中国也是世界上最 大的风机和太阳能电池板生产国， 拥有丰富的风 力资源和太阳能资源， 生物能与地热能的总量也 相当可观， 此外还有漫长海岸线所蕴藏的潮汐能。
不同能源对环境的影响不同， 传统能源供应 体系中， 特定能源已经形成了相对稳定的消费市 场， 比如石油主要用于交通、 化工、 发电等行业； 天然气则主要于日常生活、 供热、 发电、 交通等 领域。 可再生能源目前几乎全部用来发电。 一次 能源长期以来形成了自身的产业链条， 不同种类 能源间互相补充空间有限。 但是， 电能可以充当 不同能源间的桥梁。 目前可再生能源绝大部分转 化为电能。 如果通过电能用绿色可再生能源替换 其他高污染一次能源， 可以提高能源消费的整体 环境友好程度。 要实现这种能源的优化供给需要 具备几个条件： ① 要具备不同种类能源间的（供求 关系等）信息互通； ② 要具备能源输出互相替代 的必要技术手段， 即通过电能能够满足被替代能 源消费主体的需求； ③ 要能够给能源消费者清 晰、 及时的引导信号， 吸引能源消费主体参与能 源消费优化配置。 具备以上条件， 配合必要的技术 手段， 最终实现社会能源的整体优化利用。 实现 这一目标可以通过技术手段构建 “能源互联网”。
信息化的进步和 “智能负荷” 以及 “发用电 联合体” 的出现也给负荷主动参与提高能源整体 使用效率提供了新手段， 新型负荷的互动控制和 主动供电能力， 可以减小和补充系统备用， 提高 能源系统整体效率。
（2） 能源间的替代转化需求。 社会对能源的 需求是多样的， 除用电需求外还有供热、 制冷等 需求， 这些不同能源需求的变化会影响能源的供 应平衡。 各种新能源技术的发展， 能源供应种类 向多样性发展（电、 天然气、 风能、 生物质能等绿 色可再生能源）。 “多种能源” 在满足 “不同能源 需求” 过程中， 将会出现不同种类能源间的替代 与转化需求。
2 能源互联网技术框架分析
2.1 能源互联网构成
构建 “能源互联网” 的主要目的是优化能源 结构（更多应用新能源）、 提高能源效率（发挥不同 能源优势和新型负荷的技术优势）， 从而改善用户 体验。 优化能源互联网资源， 首先需要确认能源
图 1 能源互联网总体描述 Fig.1 Overall description of the energy Internet
参与或通过 “负荷调度控制代理”， 应用 “虚拟发
电厂” 技术参与能源互联网的调度控制。 这种基
于信息共享的通过能源整体调度控制实现能源的
整体优化利用是能源互联网技术框架的核心内容。
2.3 能源互联网优化控制概念模型
在上述能源互联网技术框架内能源消费有如
下特性。
（1） 能源供应能够 “互联”。 能源互联网技术
框架下的能源供应应该比 “互联” 之前有更高的
效率。
可见， 能源互联网是一个以对能源进行整体
优化为目标的复杂能源供用系统， 为了实现整体
优化的目的， 需要建立相应的优化模型。
市场环境包括能源供给侧市场和能源需求侧 市场。 其中， 能源供给侧市场负责发布不同种类 能源的市场价格信号， 调节市场能源供应结构 （可以在这个环节使用价格信号或补贴鼓励使用清 洁能源， 减小环境污染）； 能源需求侧市场负责发 布吸引可控负荷和具有反向送电（或其他能源形 式）的 “发用电联合体” 参与需求侧调度控制的价 格或其他激励信号， 以鼓励负荷参与需求侧响应。
框架下不同能源间可以相互支持以及一定程度上
的替代转换。 这种互联可以通过控制系统实现面
向用户最终需求的 “应用转化”， 也可以直接通过
能源间的转换与替代实现。
（2） 能源互联后不影响用户的使用。 方便用
户安全高效使用， 原来互相割裂的能源供应 “互
联” 后应提升用户体验， 不影响用户的正常使用。
（3） 能源互联后能够优化。 能源互联网技术
电力规划
（1） 供需互动的需求。 在电力系统中， 分布 式电源、 三联供机组、 电动汽车、 储能装置、 可 控负荷、 智能建筑大量出现， 电网内将出现越来 越 多 的 “ 发 用 电 联 合 体 ” （Prosumer） 。 它 们 的 出 现使能量的流动方向由单向向 “双向互动、 互联” 转换， 相对传统负荷它们具有更多的智能特性， 不但可以受控， 而且可以主动提供能量， 在能源 整体控制过程中可以作为局部的 “虚拟发电厂” 参与能源调度控制。
2.2 能源互联网技术框架
为了达到上述整体优化目标， 在明确能源
“互联” 范围基础上， 需要进一步研究合理的能源 互联网技术框架， 应用先进技术发挥多种能源与 用户互联、 互动的整体优势。
这种能源互联网技术框架设计的唯一目的是 发挥技术优势， 从技术角度提高能源的使用效率。 在不存在政策、 市场和技术条件限制的前提下， 设计满足上述条件的能源互联网技术框架模型， 如图 2 所示。 图 2 所示 “能源互联网技术框架” 包 括 “市 场 环 境 ”、 “能 源 供 给 、 转 化 和 消 费 ” 、 “信息支持” 以及 “调度控制” 4 个部分。
信息共享支持是整个技术框架中的信息流。 “高速、 可靠和安全” 的未来信息网络技术是实现
图 2 能源互联网技术框架模型 Fig.2 Architecture model of the energy Internet technology
142
第 11 期
周海明等： 能源互联网技术框架研究
电力规划
能源互联网技术框架下大量数据采集、 传输、 分
电力规划
第47 卷 第 11 期 2014 年 11 月
中国电力 中E国 LEC电 TRIC力POWER
Vol ． 47， No． 11
Nov第. 204174 卷
能源互联网技术框架研究
周海明，刘广一，刘超群
（中国电力科学研究院，北京 100192）
摘 要： 为满足未来提高可再生能源应用比例， 减少环境污染等能源供用要求， 研究了与未来能源资源约束
能源供给、 转化及消费是能源互联网中的能 源流， 也是整个技术框架的最终优化协调对象。 多种能源发出的电、 热、 冷等能量形式通过输电 电网、 管网或者运输通道最终抵达用户侧， 满足 用户的用能需求。 能源互联网框架在以上基础上， 加强了对分布式电源和微电网的支持， 同时应用 各种储能以及电转化为气体等技术， 结合信息共 享和多种能源的成本对比， 以电能为中心实现有 目标（优化或降低污染、 提高清洁能源比例等）的 多种能源间的替代和转换。 消费环节除了包括传 统用户还增加了智能可控用户以及可以反向供能 的发用电联合体等。
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电力规划
中国电力
第 47 卷
互联网构成要素， 界定优化范围。 根据文献[1]和[2]描 述 ， 结 合 智 能 电 网 研 究 成
果， 图 1 描述了能源互联网总体构成： 电、 供热 及供冷等形式的能源输入通过与信息等支撑系统 有机融合， 构成协同工作的现代 “综合能源供给 系统”。 该系统内多种能源（化石能源、 可再生能 源）通过电、 冷、 热和储能等形式之间的协调调度 供给， 达到能源高效利用、 满足用户多种能源应 用需求、 提高社会供能可靠性和安全性等目的； 同时， 通过多种能源系统的整体协调， 还有助于 消除能源供应瓶颈， 提高各能源设备利用效率。
能源互联网的需求推动作用可以归结为以下 2 个方面。
收稿日期： 2014-06-29 作者简介： 周海明（1971—）， 男， 河北迁安人， 高级工程师（教授级）， 从事电力系统及其自动化研究。
E-mail: zhouhm@epri.sgcc.com.cn
140
第 11 期
周海明等： 能源互联网技术框架研究
能源的供给在持续满足国民经济发展需要的 同时要尽量减少对环境的影响。 煤炭、 石油等传 统能源资源有限、 用于火力发电存在污染问题。 因此， 中国在提高传统能源利用效率的同时积极 发掘新能源、 提高清洁能源和可再生能源应用比 例。 以风电为代表的可再生能源在国内发展迅速， 中国是目前世界上风电发展速度最快和发电量最 大的风力发电大国。 但是， 风电发电量与消纳量 的矛盾也随着风电发电比例的提高日益突出。
这种基于互联Байду номын сангаас思维提出的 “能源互联网”
概念包含了基于信息共享的多种能源的 “互联互 动” 及 “替代与转化” 的含义。 针对电能在能源 供应环节中的作用， 文献[2]提出， “能源互联网是 未来的智能电网， 具有网架坚强、 广泛互联、 高 度智能、 开放互动的特征”， “电网、 互联网、 物 联网等相互融合， 构成功能强大的社会公共服务 平台。 互联的广泛性带来了资源配置的广泛性， 既广泛配置电力资源， 也广泛配置其他公共服务 资源”。 以电能为中心， 对不同的供能环节进行整 体优化， 形成一体化的社会综合能源供用体系， 即 “能源互联” 系统， 可以促进社会用能效率提 升、 提高可再生能源应用比例、 实现人类能源可 持续供应。
析再到优化计算的基础条件。
在信息技术支持下， 为保障整个能源框架的
安全优化运行， 需要设置必要的运营管理机构，
对能源进行集中调度管理， 这种调度管理可以采
用与外部市场环境相适应的商业运营模式并根据
能源管理范围进行分级设计。 同时针对用户侧可
控负荷和具有发电及其他供能（供热、 制冷等）能
力的 “发用电联合体” 在自愿的前提下可以直接
信息技术的进步， 互联网改变了当代社会人 们的生活方式。 电力及能源领域信息化程度的提 高， 也为能源跨领域的集约化供给提供了契机。 不同能源领域以及用户信息的互联互通， 能够更 加便捷地了解当前能源的供给与消费情况。 发挥 能源间互补优势、 充分利用可控负荷资源， 对能 源供应与消费体系进行整体优化， 可以改善能源 供用结构、 推进能源使用效率整体提高。
“能源互联网” 的需求推动力源于能源供需矛 盾和新型可再生能源的出现。 其追求的目标是充 分利用新技术优势， 对不同的供能环节进行整体 优化， 形成一体化的社会综合能源供用体系， 即 “能源互联” 系统， 通过对能源的产生、 传输、 分 配、 转换、 存储、 消费等环节进行整体协调控制， 通过整体优化提高能源的利用效率， 并通过不同 能源间的 “替代和转化” 提高可再生能源应用比 例。 电能的方便传输和易于使用的特点使其在能 源整体化应用中， 将扮演纽带作用。
以风电为代表的可再生能源在国内发展迅速， 但是， 由于当前技术条件限制， 风电在用电低谷 及供暖季节存在较突出风电发用矛盾， 弃风现象
时有发生， 一方面负荷需求旺盛， 另一方面可再 生能源却无处消纳。 通过能源间的替代和转化可 以实现不同种类能源负荷需求和供应间的联产、 联供， 从而使可再生能源如替换常规电能一样在 其他能源供应领域发挥更大的作用， 形成能源领 域的 “互联” 和整体优化。 这种能源互联系统可 以综合考虑能源供给成本及其特性， 在满足能源 需求的前提下， 优化能源供给， 满足使用成本或 者污染排放最低等优化目标。
条件和应用技术水平相匹配的能源供应与消费技术框架。 相对于传统的能源供应体系， 这种基于先进信息技
术的 “能源互联网” 技术框架能够发挥能源综合应用和负荷侧互动技术优势， 整体优化能源供给与消费， 提
高能源的整体利用效能。
关键词： 智能电网； 能源互联网； 新能源
中图分类号： TM715；TK01+8 ；TP393
文 献[1]提 出 ， 以 新 能 源 大 规 模 开 发 利 用 为 特 征的新一轮能源变革正在世界范围内蓬勃兴起。 随着新一轮能源变革的到来， 新能源技术、 智能 技术、 信息技术、 网络技术不断突破， 与智能电 网全面融合， 正在承载并推动第三次工业革命。 “能源互联网” 将互联网技术和可再生能源将结合 起来， 为第三次工业革命创造强大的基础。 未来， 数以亿计的人们将在自己家里、 办公室里、 工厂 里生产出自己的绿色能源， 并在 “能源互联网” 上与大家分享。
文献标志码： A
文章编号： 1004-9649（2014）11-0140-05
0 引言
中国目前主要依赖于化石能源发电， 是世界 上最大的火力发电国（国内的水电、 生物乙醇应用 受限于自然条件和土地资源）。 中国也是世界上最 大的风机和太阳能电池板生产国， 拥有丰富的风 力资源和太阳能资源， 生物能与地热能的总量也 相当可观， 此外还有漫长海岸线所蕴藏的潮汐能。
不同能源对环境的影响不同， 传统能源供应 体系中， 特定能源已经形成了相对稳定的消费市 场， 比如石油主要用于交通、 化工、 发电等行业； 天然气则主要于日常生活、 供热、 发电、 交通等 领域。 可再生能源目前几乎全部用来发电。 一次 能源长期以来形成了自身的产业链条， 不同种类 能源间互相补充空间有限。 但是， 电能可以充当 不同能源间的桥梁。 目前可再生能源绝大部分转 化为电能。 如果通过电能用绿色可再生能源替换 其他高污染一次能源， 可以提高能源消费的整体 环境友好程度。 要实现这种能源的优化供给需要 具备几个条件： ① 要具备不同种类能源间的（供求 关系等）信息互通； ② 要具备能源输出互相替代 的必要技术手段， 即通过电能能够满足被替代能 源消费主体的需求； ③ 要能够给能源消费者清 晰、 及时的引导信号， 吸引能源消费主体参与能 源消费优化配置。 具备以上条件， 配合必要的技术 手段， 最终实现社会能源的整体优化利用。 实现 这一目标可以通过技术手段构建 “能源互联网”。
信息化的进步和 “智能负荷” 以及 “发用电 联合体” 的出现也给负荷主动参与提高能源整体 使用效率提供了新手段， 新型负荷的互动控制和 主动供电能力， 可以减小和补充系统备用， 提高 能源系统整体效率。
（2） 能源间的替代转化需求。 社会对能源的 需求是多样的， 除用电需求外还有供热、 制冷等 需求， 这些不同能源需求的变化会影响能源的供 应平衡。 各种新能源技术的发展， 能源供应种类 向多样性发展（电、 天然气、 风能、 生物质能等绿 色可再生能源）。 “多种能源” 在满足 “不同能源 需求” 过程中， 将会出现不同种类能源间的替代 与转化需求。
2 能源互联网技术框架分析
2.1 能源互联网构成
构建 “能源互联网” 的主要目的是优化能源 结构（更多应用新能源）、 提高能源效率（发挥不同 能源优势和新型负荷的技术优势）， 从而改善用户 体验。 优化能源互联网资源， 首先需要确认能源
图 1 能源互联网总体描述 Fig.1 Overall description of the energy Internet
参与或通过 “负荷调度控制代理”， 应用 “虚拟发
电厂” 技术参与能源互联网的调度控制。 这种基
于信息共享的通过能源整体调度控制实现能源的
整体优化利用是能源互联网技术框架的核心内容。
2.3 能源互联网优化控制概念模型
在上述能源互联网技术框架内能源消费有如
下特性。
（1） 能源供应能够 “互联”。 能源互联网技术
框架下的能源供应应该比 “互联” 之前有更高的
效率。
可见， 能源互联网是一个以对能源进行整体
优化为目标的复杂能源供用系统， 为了实现整体
优化的目的， 需要建立相应的优化模型。
市场环境包括能源供给侧市场和能源需求侧 市场。 其中， 能源供给侧市场负责发布不同种类 能源的市场价格信号， 调节市场能源供应结构 （可以在这个环节使用价格信号或补贴鼓励使用清 洁能源， 减小环境污染）； 能源需求侧市场负责发 布吸引可控负荷和具有反向送电（或其他能源形 式）的 “发用电联合体” 参与需求侧调度控制的价 格或其他激励信号， 以鼓励负荷参与需求侧响应。
框架下不同能源间可以相互支持以及一定程度上
的替代转换。 这种互联可以通过控制系统实现面
向用户最终需求的 “应用转化”， 也可以直接通过
能源间的转换与替代实现。
（2） 能源互联后不影响用户的使用。 方便用
户安全高效使用， 原来互相割裂的能源供应 “互
联” 后应提升用户体验， 不影响用户的正常使用。
（3） 能源互联后能够优化。 能源互联网技术
电力规划
（1） 供需互动的需求。 在电力系统中， 分布 式电源、 三联供机组、 电动汽车、 储能装置、 可 控负荷、 智能建筑大量出现， 电网内将出现越来 越 多 的 “ 发 用 电 联 合 体 ” （Prosumer） 。 它 们 的 出 现使能量的流动方向由单向向 “双向互动、 互联” 转换， 相对传统负荷它们具有更多的智能特性， 不但可以受控， 而且可以主动提供能量， 在能源 整体控制过程中可以作为局部的 “虚拟发电厂” 参与能源调度控制。
2.2 能源互联网技术框架
为了达到上述整体优化目标， 在明确能源
“互联” 范围基础上， 需要进一步研究合理的能源 互联网技术框架， 应用先进技术发挥多种能源与 用户互联、 互动的整体优势。
这种能源互联网技术框架设计的唯一目的是 发挥技术优势， 从技术角度提高能源的使用效率。 在不存在政策、 市场和技术条件限制的前提下， 设计满足上述条件的能源互联网技术框架模型， 如图 2 所示。 图 2 所示 “能源互联网技术框架” 包 括 “市 场 环 境 ”、 “能 源 供 给 、 转 化 和 消 费 ” 、 “信息支持” 以及 “调度控制” 4 个部分。
信息共享支持是整个技术框架中的信息流。 “高速、 可靠和安全” 的未来信息网络技术是实现
图 2 能源互联网技术框架模型 Fig.2 Architecture model of the energy Internet technology
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第 11 期
周海明等： 能源互联网技术框架研究
电力规划
能源互联网技术框架下大量数据采集、 传输、 分
电力规划
第47 卷 第 11 期 2014 年 11 月
中国电力 中E国 LEC电 TRIC力POWER
Vol ． 47， No． 11
Nov第. 204174 卷
能源互联网技术框架研究
周海明，刘广一，刘超群
（中国电力科学研究院，北京 100192）
摘 要： 为满足未来提高可再生能源应用比例， 减少环境污染等能源供用要求， 研究了与未来能源资源约束
能源供给、 转化及消费是能源互联网中的能 源流， 也是整个技术框架的最终优化协调对象。 多种能源发出的电、 热、 冷等能量形式通过输电 电网、 管网或者运输通道最终抵达用户侧， 满足 用户的用能需求。 能源互联网框架在以上基础上， 加强了对分布式电源和微电网的支持， 同时应用 各种储能以及电转化为气体等技术， 结合信息共 享和多种能源的成本对比， 以电能为中心实现有 目标（优化或降低污染、 提高清洁能源比例等）的 多种能源间的替代和转换。 消费环节除了包括传 统用户还增加了智能可控用户以及可以反向供能 的发用电联合体等。
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电力规划
中国电力
第 47 卷
互联网构成要素， 界定优化范围。 根据文献[1]和[2]描 述 ， 结 合 智 能 电 网 研 究 成
果， 图 1 描述了能源互联网总体构成： 电、 供热 及供冷等形式的能源输入通过与信息等支撑系统 有机融合， 构成协同工作的现代 “综合能源供给 系统”。 该系统内多种能源（化石能源、 可再生能 源）通过电、 冷、 热和储能等形式之间的协调调度 供给， 达到能源高效利用、 满足用户多种能源应 用需求、 提高社会供能可靠性和安全性等目的； 同时， 通过多种能源系统的整体协调， 还有助于 消除能源供应瓶颈， 提高各能源设备利用效率。
能源互联网的需求推动作用可以归结为以下 2 个方面。
收稿日期： 2014-06-29 作者简介： 周海明（1971—）， 男， 河北迁安人， 高级工程师（教授级）， 从事电力系统及其自动化研究。
E-mail: zhouhm@epri.sgcc.com.cn
140
第 11 期
周海明等： 能源互联网技术框架研究
能源的供给在持续满足国民经济发展需要的 同时要尽量减少对环境的影响。 煤炭、 石油等传 统能源资源有限、 用于火力发电存在污染问题。 因此， 中国在提高传统能源利用效率的同时积极 发掘新能源、 提高清洁能源和可再生能源应用比 例。 以风电为代表的可再生能源在国内发展迅速， 中国是目前世界上风电发展速度最快和发电量最 大的风力发电大国。 但是， 风电发电量与消纳量 的矛盾也随着风电发电比例的提高日益突出。
这种基于互联Байду номын сангаас思维提出的 “能源互联网”
概念包含了基于信息共享的多种能源的 “互联互 动” 及 “替代与转化” 的含义。 针对电能在能源 供应环节中的作用， 文献[2]提出， “能源互联网是 未来的智能电网， 具有网架坚强、 广泛互联、 高 度智能、 开放互动的特征”， “电网、 互联网、 物 联网等相互融合， 构成功能强大的社会公共服务 平台。 互联的广泛性带来了资源配置的广泛性， 既广泛配置电力资源， 也广泛配置其他公共服务 资源”。 以电能为中心， 对不同的供能环节进行整 体优化， 形成一体化的社会综合能源供用体系， 即 “能源互联” 系统， 可以促进社会用能效率提 升、 提高可再生能源应用比例、 实现人类能源可 持续供应。
析再到优化计算的基础条件。
在信息技术支持下， 为保障整个能源框架的
安全优化运行， 需要设置必要的运营管理机构，
对能源进行集中调度管理， 这种调度管理可以采
用与外部市场环境相适应的商业运营模式并根据
能源管理范围进行分级设计。 同时针对用户侧可
控负荷和具有发电及其他供能（供热、 制冷等）能
力的 “发用电联合体” 在自愿的前提下可以直接
信息技术的进步， 互联网改变了当代社会人 们的生活方式。 电力及能源领域信息化程度的提 高， 也为能源跨领域的集约化供给提供了契机。 不同能源领域以及用户信息的互联互通， 能够更 加便捷地了解当前能源的供给与消费情况。 发挥 能源间互补优势、 充分利用可控负荷资源， 对能 源供应与消费体系进行整体优化， 可以改善能源 供用结构、 推进能源使用效率整体提高。