在應對氣候變化、解決能源危機背景下，可再生能源逐步替代化石能源成為世界各國能源發(fā)展共識，能源系統(tǒng)的結構正在發(fā)生根本性變化，伴隨以互聯(lián)網(wǎng)為主要形式的信息通信技術的快速普及和廣泛滲透，推動了能源互聯(lián)網(wǎng)的研究與實踐熱潮。2016年2月，國家發(fā)展改革委等部委發(fā)布關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))發(fā)展的指導意見，能源互聯(lián)網(wǎng)成為推動我國能源革命，促進能源產(chǎn)業(yè)升級，形成新經(jīng)濟增長點的重要戰(zhàn)略支撐;2017年6月，國家能源局公布了首批55個能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目，能源互聯(lián)網(wǎng)進入試點示范階段。
1能源互聯(lián)網(wǎng)的概念
2004年，能源互聯(lián)網(wǎng)概念在《經(jīng)濟學人》雜志上被首次提出，2011年，里夫金在《第三次工業(yè)革命》中具象化了能源互聯(lián)網(wǎng)定義。當前對能源互聯(lián)網(wǎng)的概念理解尚未達成統(tǒng)一，可以按照緣起和特點分為三類：
(1)源于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展而來的能源互聯(lián)網(wǎng)
主要針對用戶側分布式可再生能源、電動汽車等智能終端大量接入產(chǎn)生的設備即插即用、能量信息雙向流動等需求，借鑒互聯(lián)網(wǎng)開放對等的理念及體系架構，對電網(wǎng)的關鍵設備、形態(tài)架構、運行方式及發(fā)展理念等進行深刻變革。
里夫金提出了人們可分散自由生產(chǎn)可再生能源并共享的能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展愿景。在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展理念下，能源互聯(lián)網(wǎng)的核心設備是電力路由器，它起著與信息網(wǎng)中路由器類似的關鍵作用，多位學者就電力路由器開展了研究。美國北卡羅萊納州立大學研制了基于電力電子技術和信息技術實現(xiàn)電力流和信息流融合的能源路由器(energyrouter)裝置。日本早稻田大學和VPEC公司聯(lián)合研制了集群電網(wǎng)電力路由器，根據(jù)蓄電池的剩余電量改變輸出電力的頻率。東京大學研發(fā)的數(shù)字電網(wǎng)電力路由器可根據(jù)“IP地址”識別電源及區(qū)域電網(wǎng)。美國克萊門森大學Corzine教授則借鑒互聯(lián)網(wǎng)中傳輸信息包的方式研制了傳輸能量包(energypacket)的電路。清華大學信息技術研究院的研究團隊認為能源互聯(lián)網(wǎng)是以大電網(wǎng)為主干網(wǎng)，以微網(wǎng)和分布式能源等能量自治單元為局域網(wǎng)的新型信息能源融合廣域網(wǎng)。另外，中國電力科學研究院、國防科技大學等研究團隊均基于互聯(lián)網(wǎng)思維對能源互聯(lián)網(wǎng)進行了研究。
(2)源于大電網(wǎng)發(fā)展而來的能源互聯(lián)網(wǎng)
主要針對電網(wǎng)在配置范圍、調控能力、雙向互動等方面存在的局限性，利用信息通信技術與能源電力技術的融合，全面提升電網(wǎng)性能，促進清潔能源大規(guī)模利用。
德國聯(lián)邦經(jīng)濟技術部與環(huán)境部提出E-Energy促進計劃，基于面向服務體系結構使得電網(wǎng)和信息網(wǎng)深度融合，實現(xiàn)電網(wǎng)從最初大型發(fā)電廠統(tǒng)一供電的方式，轉變?yōu)榉植际桨l(fā)電主導的供電方式。劉振亞提出以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，以輸送清潔能源為主導，全球互聯(lián)泛在的堅強智能電網(wǎng)的全球能源互聯(lián)網(wǎng)理念。趙俊華等提出了基于信息物理融合系統(tǒng)(cyber-physicalsystem，CPS)的電網(wǎng)、信息網(wǎng)融合的基本理論和方法，討論了模型的建立、分析和控制等問題。
(3)源于多種能源綜合優(yōu)化發(fā)展而來的能源互聯(lián)網(wǎng)
主要強調多種能源之間的相互替代和綜合優(yōu)化，依托信息網(wǎng)絡實現(xiàn)多個能源系統(tǒng)之間的高度耦合。
瑞典聯(lián)邦理工學院Favre-Perrod等提出了能量集線器(energyhub)的概念，能夠實現(xiàn)電能、天然氣、熱能等多種能源相互轉化和存儲。董朝陽教授將能源互聯(lián)網(wǎng)視為電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、天然氣網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡4個緊密耦合而成的網(wǎng)絡。武建東提出了包含水、電、氣甚至熱力的智能能源網(wǎng)。新奧集團提出由基礎能源網(wǎng)、傳感控制網(wǎng)和智慧互聯(lián)網(wǎng)組成的泛能網(wǎng)。
從已有的研究成果可以看出，能源互聯(lián)網(wǎng)的范疇有廣義和狹義之分。廣義上，能源互聯(lián)網(wǎng)涵蓋電力系統(tǒng)、油氣管網(wǎng)、能源運輸物流網(wǎng)絡等網(wǎng)絡集合;狹義上，能源互聯(lián)網(wǎng)涵蓋智能電網(wǎng)、發(fā)電設備設施及分布式能源系統(tǒng)。雖然范疇上有所差異，但其本質上均蘊含著信息通信技術與能源系統(tǒng)深度融合而引起的能源系統(tǒng)價值創(chuàng)造方式的深刻變化。以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息通信網(wǎng)絡迅猛發(fā)展，并衍生出了互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟業(yè)態(tài)，“互聯(lián)網(wǎng)+”全面興起。以分散、共享、扁平、高效、透明、開放等為代表的互聯(lián)網(wǎng)思維背后蘊含著新的基于信息網(wǎng)絡的經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律的變化。本文將聚焦在狹義能源互聯(lián)網(wǎng)的范疇內進行研究和探討。
2能源互聯(lián)網(wǎng)的架構
(1)物理架構
從物理架構上看，能源互聯(lián)網(wǎng)可分為全球能源互聯(lián)網(wǎng)、國家能源互聯(lián)網(wǎng)、城市能源互聯(lián)網(wǎng)和區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)。
(2)邏輯架構
著眼于功能的實現(xiàn)邏輯，能源互聯(lián)網(wǎng)由價值層、業(yè)務層、信息層、能源層四層架構組成，如圖2所示。價值層是實現(xiàn)參與方價值的平臺，以為各參與方創(chuàng)造、交換、獲取價值為基本功能;業(yè)務層是價值的形式載體，以實現(xiàn)業(yè)務流的制定、運營為基本功能;信息層是業(yè)務服務實現(xiàn)和能源傳輸配置的技術支撐平臺，以實現(xiàn)信息流的采集、傳遞、應用與交互為基本功能;能源層是能量的物理載體，以實現(xiàn)能量的生產(chǎn)、傳輸、消費為基本功能。
(3)運營架構
從運營關系上看，能源互聯(lián)網(wǎng)基于業(yè)務流、信息流和能源流的深度融合，提高能源系統(tǒng)整體運行效率，實現(xiàn)供需雙方的高效匹配，如圖3所示。其中，能源獲取系統(tǒng)具備智能化的新能源發(fā)電功率預測及控制能力;分布式和集中式能源傳輸系統(tǒng)具備更加準確的狀態(tài)預測、調度控制和互動機制;能源利用系統(tǒng)具有高度信息化的特點和各類基于電力大數(shù)據(jù)的高級功能應用。各系統(tǒng)深度融合形成有機、開放的平臺系統(tǒng)，電將作為介質，電力骨干網(wǎng)架將作為發(fā)展基礎，數(shù)據(jù)信息將作為核心，多種能源和服務將在這一立體平臺上實現(xiàn)商品化交易。
能源互聯(lián)網(wǎng)的運營架構
3能源互聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的相互關系
能源互聯(lián)網(wǎng)作為新時代下“互聯(lián)網(wǎng)+”變革力量在能源領域的滲透融合，體現(xiàn)了能源系統(tǒng)轉型升級的發(fā)展方向。智能電網(wǎng)作為國際電網(wǎng)發(fā)展的大勢，在技術創(chuàng)新的驅動下日益在能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，其范疇和內涵也在不斷與時俱進。從發(fā)展、系統(tǒng)的哲學觀看，兩者在內容范疇、內涵特征上均具有很強的一致性，是從不同視角對智能電力系統(tǒng)未來創(chuàng)新發(fā)展的勾勒和詮釋。
(1)內容范疇
根據(jù)發(fā)改委、能源局《關于促進智能電網(wǎng)發(fā)展的指導意見》給出的智能電網(wǎng)的基本概念，“智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基礎上，通過集成新能源、新材料、新設備和先進傳感技術、信息技術、控制技術、儲能技術等新技術，形成的新一代電力系統(tǒng)，具有高度信息化、自動化、互動化等特征，可以更好地實現(xiàn)電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟、高效運行”。同時，《意見》還進一步指出未來智能電網(wǎng)在信息與能源的深度融合、以及基于互聯(lián)網(wǎng)思維促進智能電網(wǎng)商業(yè)模式創(chuàng)新的重點發(fā)展方向?？梢姡哺谛乱淮娏ο到y(tǒng)的智能電網(wǎng)理念，與以電網(wǎng)為基礎的能源互聯(lián)網(wǎng)的范疇是一致的。
(2)內涵特征
回顧智能電網(wǎng)的發(fā)展歷程，智能電網(wǎng)不斷向著更高階段發(fā)展，智能電網(wǎng)的理念內涵也是不斷演進和與時俱進的。隨著能源電力技術的發(fā)展和市場機制的完善，其將呈現(xiàn)如下趨勢特征：一是形成以特高壓輸電、儲能、超導等先進技術為基礎，具有接納高滲透率清潔能源和抵御自然災害及各類重大威脅的彈性和自恢復能力的一體化現(xiàn)代電網(wǎng)。二是物理上實現(xiàn)全球電網(wǎng)互聯(lián)，滿足全球清潔能源輸送需求，發(fā)揮洲際聯(lián)網(wǎng)效益;功能上實現(xiàn)以電為介質的多種能源協(xié)調互補，與天然氣、熱、冷、交通等系統(tǒng)互聯(lián)。三是在應用大量智能設備和系統(tǒng)實現(xiàn)設備在線監(jiān)測、智能巡檢、全壽命周期管理的基礎上，充分利用信息通信、信息物理融合技術實現(xiàn)信息與能源深度融合，將電力系統(tǒng)物理實體數(shù)字化，全面支持各主體各設備系統(tǒng)的即插即用。四是基于互聯(lián)網(wǎng)理念進行商業(yè)模式創(chuàng)新，為用戶提供多元化增值服務，促進用戶與電網(wǎng)深度互動，實現(xiàn)多利益相關方合作共贏。可見，智能電網(wǎng)未來發(fā)展趨勢與能源互聯(lián)網(wǎng)多種能源協(xié)調互補、信息通信技術的深度應用、新型商業(yè)運作模式等發(fā)展理念相一致。
總體來看，能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)體現(xiàn)了未來能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其內容范疇和內涵特征在本質上具有一致性，只是在發(fā)展階段、關注焦點上有所側重。智能電網(wǎng)側重于利用新能源技術、信息技術、儲能技術等新技術促進電網(wǎng)智能化，是具有高度信息化、自動化、互動化等特征的新一代電力系統(tǒng)。能源互聯(lián)網(wǎng)強調充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術及理念促進能源網(wǎng)絡本體的信息化和商業(yè)模式創(chuàng)新，其中電網(wǎng)是促進多種能源優(yōu)化互補、承載商業(yè)模式和業(yè)務創(chuàng)新的基礎平臺。
4能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢
(1)發(fā)展基礎
智能電網(wǎng)在電網(wǎng)基礎設施的建設、創(chuàng)新示范工程建設以及技術、裝備、標準等領域的實踐積累已成為發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)的前提和基礎。
一是實現(xiàn)能源大范圍優(yōu)化配置。智能電網(wǎng)具有廣泛互聯(lián)、堅強的電網(wǎng)骨干網(wǎng)架，能夠促進各類能源集中與分散并存的高效開發(fā)、優(yōu)化配置和有效利用，是實現(xiàn)能源大范圍優(yōu)化配置的基礎平臺。我國在大容量遠距離輸電、輸電設備狀態(tài)監(jiān)測，直升機、無人機、機器人輸電線路智能巡檢，輸電線路冰凍災害預防和治理，柔性直流輸電，智能變電站，配電自動化，調度智能化等領域進行了一系列的研究與實踐，對供電可靠性和能源大范圍優(yōu)化配置能力的提升具有重要作用。
二是促進源-網(wǎng)-荷互動、提高間歇性電源的利用程度。智能電網(wǎng)注重利用信息通信技術促進源-網(wǎng)-荷互動，以適應風電、光伏發(fā)電、分布式電源大規(guī)模接入和各類用戶智能終端即插即用的需求。
三是支撐商業(yè)模式創(chuàng)新。智能電網(wǎng)通過電網(wǎng)運行和信息共享以承載市場機制和豐富的交易產(chǎn)品，為開展靈活的電能服務商業(yè)模式及衍生的各類增值業(yè)務奠定基礎。目前我國已在智能電表、用電信息采集系統(tǒng)、電力光纖入戶、營銷互動服務、需求側管理、用戶側分布式電源、電動汽車充換電設施等方面開展了系列工程實踐。
四是提供技術和標準保障。智能電網(wǎng)將為各類儲能、信息通信、智能配用電等設備設施提供通用技術支撐，為多類型終端設備、多利益相關方之間的交互操作提供統(tǒng)一標準。當前我國智能電網(wǎng)核心技術和裝備整體已經(jīng)實現(xiàn)了從“技術跟隨”到“技術趕超”，正在實現(xiàn)從“技術趕超”到“技術引領”的跨越。
(2)發(fā)展機遇
當前，我國能源系統(tǒng)正面臨能源革命、“互聯(lián)網(wǎng)+”國家戰(zhàn)略和電力體制改革三輪驅動下創(chuàng)新發(fā)展的內在要求。能源革命的核心是要實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的清潔替代和消費環(huán)節(jié)的電能替代，“兩個替代”對能源系統(tǒng)的可再生能源消納、能源大范圍優(yōu)化配置和多種能源的協(xié)調互補等能力提出了更高要求?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”國家戰(zhàn)略對能源系統(tǒng)提出了信息化和互聯(lián)網(wǎng)化的新要求。同時，在我國全面深化改革背景下的電力體制改革要求能源系統(tǒng)能夠適應市場化改革大勢。在此背景下，能源系統(tǒng)需要推出國家層面的戰(zhàn)略理念實現(xiàn)轉型升級、帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。清潔化、電氣化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)化應是這一戰(zhàn)略理念的核心訴求。探索能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展新路徑，推動產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展迎來重要機遇期。
2016年2月，國家發(fā)展改革委、國家能源局和工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，提出了2016-2018年推進試點示范工作和2019-2025年推進多元化、規(guī)?；l(fā)展的兩階段目標。在重點任務部分，部署了智能化基礎設施建設、多能協(xié)同綜合網(wǎng)絡建設、能源與信息基礎設施融合、生態(tài)體系、市場交易體系、智慧用能模式、綠色交易市場模式、能源大數(shù)據(jù)應用、關鍵技術和標準體系等十方面的重點任務。在組織實施部分，提出了完善政策法規(guī)、推動市場改革、開展試點示范、創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)扶持、共享數(shù)據(jù)資源等八項保障措施。2017年6月，國家能源局公布了首批55個能源互聯(lián)網(wǎng)示范項目，對建設和運行所需的土地、價格、資金、科技、人才等方面的政策措施給予了規(guī)定。首批示范項目計劃于2018年底前建成，能源互聯(lián)網(wǎng)迎來試點建設期，將推動能源互聯(lián)網(wǎng)概念落地。
(3)能源互聯(lián)網(wǎng)本體發(fā)展趨勢
根據(jù)能源系統(tǒng)的演進規(guī)律，能源系統(tǒng)的發(fā)展演變分為三個階段，如圖4所示。初級階段(化石能源主導階段)是以油氣、熱力管網(wǎng)，智能電力系統(tǒng)、電氣交通等能源系統(tǒng)為主，各系統(tǒng)之間相對獨立和封閉，除電力系統(tǒng)外，各組成部分的網(wǎng)絡化屬性和優(yōu)勢尚未顯現(xiàn);中級階段(多種能源并存階段)是以多種能源網(wǎng)絡協(xié)調互補為主要特征，以電網(wǎng)為核心持續(xù)加強與氣網(wǎng)、熱力管網(wǎng)的耦合，提高清潔能源比例和能源利用效率，初步形成多能源品種間互聯(lián)互通的能源互聯(lián)網(wǎng);高級階段(清潔能源主導階段)將以電能為主要能源配置形式促進分布式能源就地開發(fā)利用和優(yōu)化配置，實現(xiàn)各類能源的靈活轉化和高效利用。
能源系統(tǒng)發(fā)展演進過程
其中，能源互聯(lián)網(wǎng)是能源系統(tǒng)的主體組成，伴隨能源系統(tǒng)的清潔化發(fā)展，增量能源將以清潔能源為主，且主要配置方式以電為主，能源互聯(lián)網(wǎng)在能源資源優(yōu)化配置中地位會越來越重要，當能源供應實現(xiàn)以清潔能源為主的戰(zhàn)略轉型后，能源互聯(lián)網(wǎng)將成為能源系統(tǒng)的核心組成部分。對于油氣管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)，輸油管網(wǎng)在電能替代尤其是交通部門電氣化發(fā)展趨勢下將逐漸被替代，燃氣、熱力管網(wǎng)在能源系統(tǒng)低碳、高效、清潔發(fā)展趨勢下規(guī)模將逐漸縮小，且與能源互聯(lián)網(wǎng)的交互耦合作用愈益增強。對于交通網(wǎng)絡，在交通部門電能替代的推動下，燃油車將逐漸被電動車替代，以充換電基礎設施為樞紐與能源互聯(lián)網(wǎng)的智能交互逐漸增強，且伴隨智能交通的發(fā)展，交通網(wǎng)絡將逐漸演變?yōu)橹腔圮嚶?lián)網(wǎng)，極大改善出行交通環(huán)境、提升生產(chǎn)生活水平，交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡化屬性和優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。
(4)能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務創(chuàng)新發(fā)展趨勢與動向
隨著可再生能源、儲能、電動汽車等電力相關技術與領域的發(fā)展，以及信息通信、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等基礎技術的滲透融合，低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展、以用戶為中心等理念的深入，能源運營商、服務商的創(chuàng)新意識逐漸增強，持續(xù)提升業(yè)務服務水平。結合發(fā)展現(xiàn)狀與未來形勢分析，智能配電網(wǎng)、智能用電、需求側響應、綜合能源、基礎平臺等方面將是能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務創(chuàng)新的重要領域。對五類業(yè)務模式進行細分，如表1所示。
表1五類業(yè)務模式細分
以下從業(yè)務執(zhí)行主體出發(fā)，選取傳統(tǒng)電力企業(yè)(法國電力集團EDF、東京電力公司、中國國家電網(wǎng)公司等)，綜合能源服務商(STEM、AutoGrid、EnerNoc、協(xié)鑫等)，跨界企業(yè)(特斯拉、ABB、華為、阿里等)三類企業(yè)為代表，分析其2016-2017年業(yè)務服務模式創(chuàng)新動向，以點窺面，看能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務創(chuàng)新發(fā)展趨勢。
?、僦悄芘潆娋W(wǎng)
隨著儲能技術快速發(fā)展和市場日益成熟，以建設儲能項目為手段提升配電網(wǎng)運行靈活性和安全性;
把握物聯(lián)網(wǎng)等技術發(fā)展契機，推動配電網(wǎng)數(shù)字化轉型;
以智能電表為依托，提升配電網(wǎng)運維管理水平。
?、谥悄苡秒?/p>
滿足用戶用電需求多元化趨勢的電費計劃創(chuàng)新;
把握物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術發(fā)展契機，創(chuàng)新用戶用電管理、移動報修等服務;
滿足電動汽車快速發(fā)展帶來的智能管控、增值服務需求的智慧車聯(lián)網(wǎng)平臺服務模式創(chuàng)新。
③需求側響應
以電費優(yōu)惠、電費抵扣、電費紅包等方式激勵用戶參與需求側響應;
以快速調頻儲能、虛擬電廠等模式提升電網(wǎng)調節(jié)能力;
?、垡詷I(yè)務重組等組織管理創(chuàng)新提升企業(yè)需求響應能力和規(guī)模。
?、芫C合能源
滿足用戶熱、電、氣等多元化用能需求的綜合能源供應服務創(chuàng)新;
以電和其他商品捆綁銷售、多表費用集抄方式創(chuàng)新綜合能源營銷服務;
跨界企業(yè)通過產(chǎn)業(yè)鏈延伸轉型垂直一體化能源公司，創(chuàng)新全程一體綜合能源服務。
?、莼A平臺
加快推進電力云平臺的建設、能源數(shù)據(jù)平臺搭建及管理體系建設、電力生產(chǎn)、管理及服務一體化云平臺建設。