能源互联网技术的现状及发展趋势研究

邬捷龙，杨健

（1.国网陕西省电力公司，陕西西安　710048；2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉　430072）



能源互联网技术的现状及发展趋势研究

邬捷龙1，杨健2

（1.国网陕西省电力公司，陕西西安710048；2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072）

摘要：以能源互联网技术为代表的第三次工业革命蓬勃发展，其核心研究领域从智能电网、能源互联网进而拓展到全球能源互联网。首先对能源互联网技术的国内外研究现状进行了分析，在此基础预测了能源互联网技术的发展趋势，探讨了该领域的发展重点，以期为推动全球能源互联网的发展提供参考。

关键词：能源互联网；研究现状；发展趋势；发展重点

Proyect Supported by National Natural Science Foundation of China（61533016）.

能源互联网作为能源技术和互联网技术结合的技术领域，是涉及诸多行业、跨越众多学科领域的综合系统工程[1]。能源互联网给其核心学科领域——电工学科的发展带来了巨大的机遇和挑战，是该学科在未来阶段发展的一个新的方向[2]。

2011年，美国学者杰里米·里夫金《第三次工业革命》一书中，提出了以可再生分布式能源+互联网为核心的“能源互联网”，引发了全球广泛关注[3]。在能源革命、“互联网+”和创新驱动等国家战略的背景下，产业界已经掀起能源互联网发展的浪潮。能源互联网就是在现有电网的基础上，通过先进的电力电子和信息技术，将大量由分布式能源采集装置、分布式能源储存装置和各种负荷构成的新型电力网络节点互联起来，实现能源流、信息流双向流动的能源对等交换与共享网络。2014年，国家电网公司在俄罗斯莫斯科举行的全球可持续电力合作组织峰会上，率先提出了“全球能源互联网发展构想”，站在全球视角将能源互联网的概念进一步拓展为以特高压电网为骨干网架，输送清洁能源为主导，全球互联泛在的坚强智能电网。

能源互联网由4个复杂的网络系统即电力系统、交通系统、天然气网络和信息网络紧密耦合构成，基本架构与组成元素如图1所示[4]。在图1中，分别以红色、浅绿色和浅蓝色箭头表示能量流、信息流和交通流。

1　全球能源互联网技术的国内外研究现状

为了应对未来可再生能源的规模化利用，在能源互联网构想提出之前，各国均以新能源和互联网络为基础的智能电网作为培育新兴产业的重点，有针对性地拟定了发展战略和行动路线。

1.1国外研究现状分析

2008年美国在北卡州立大学建立了研究中心，目的是利用电力电子和信息技术在未来配电网层面实现能源互联网。提出了能源路由器的概念并进行了原型实现，通过电力电子技术实现对变压器的控制，采用通信技术实现路由器之间的对等交互。同年，科罗拉多州的波尔得成为全美第一个智能电网城市，智能电网的安装使得消费者不仅能直观了解实时电价，从而错开用电高峰期，还能优先使用清洁能源。智能变电站可收集每家每户的用电情况，出现问题时能重新配备电力，更为安全、有效地服务电网。此外，西门子、IBM、英特尔、谷歌等企业也积极投入美国的智能电网建设中。

图1　能源互联网的基本架构与组成元素Fig. 1 Basic Frameworks and components of Energy Internet

2008年，德国联邦经济和技术部为了建立一个通过信息和通信技术实现可以自我调控的智能化能源系统，在已有智能电网研究的基础上选择了6个试点地区进行了为期4年的E-Energy（智能电网）技术创新促进计划，最终期望在能源供应体系全过程中实现综合数字化互联以及计算机控制和监测的目标。有数据显示，在过去的十多年里，德国包括风能、生物能、太阳能在内的新能源电力所占份额达到了25%，太阳能发电成本下降幅度高达90%。

目前，日本正在探索未来家庭能源管理系统（HEMS）。未来家庭能源管理HEMS是能源互联网的基本单元。家庭能源管理系统包括：智能监控家庭太阳能，EV电动车，储电池或燃烧电池，空调，冰箱等家电，与微电网智能互动调整平衡等。

1.2国内研究现状分析

以特高压为载体的能源互联网的实现，是互联网发展延伸到能源和传统工业领域的必然成果，其根本目的是推进清洁替代和电能替代[5-7]。2009年5月，国家电网公司发布了坚强智能电网发展战略，其目标是要全面建设以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展并具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网。2014年，国家电网公司提出了全球能源互联网，建立以特高压电网为骨干网架、全球互联的坚强智能电网，是清洁能源在全球范围大规模开发、配置、利用的基础平台，实质就是“特高压电网+智能电网+清洁能源”。

能源互联网国内外发展状态对比情况和各国家研究重点的对比情况分别见表1和表2。综上所述，美国、德国、日本等国家陆续开展了能源互联网研究；我国能源互联网技术实践发展迅速，特高压和智能电网领域已成为世界领先的实践者。全球能源互联网战略构想一经提出就迅速得到世界响应，构建跨洲输电通道实现全球能源互联也逐步进入实施层面。

2　全球互联网技术的发展趋势

能源互联网发展的目标是利用互联网和其他前沿信息技术，促进大能源网络内部设备的信息交互，从而实现能源生产与能源消耗的实时平衡。为了保证可再生能源的充分利用，众多分布式设备的广域协调技术和即插即用技术在能源互联网中占有举足轻重的地位[4，8]。与此同时，作为电气化交通系统核心的电动汽车也必将在能源互联网中发挥重要作用。页岩气开采技术的进步和“电转气”（power to gas，P2G）技术的出现，促使电力网络与天然气网络之间的能量流动将由单向变为双向，进而为可再生能源的大规模存储奠定基础。

此外，全球资源主要分布在北极等高纬度地区以及各洲近海地区；太阳能资源主要分布在北非、东非、中东、澳大利亚、智利等赤道附近地区；水能资源主要分布在南美洲、亚洲、北美洲和非洲中部主要流域。这些清洁能源富集地区大部分地广人稀，远离负荷中心，必须就地转化为电能，在全球能源互联网平台上，实现清洁能源全球范围开发、配置和利用[9-11]。全球各大洲之间、洲内能源基地与负荷中心之间的距离都在特高压交、直流电网输送范围内。特高压电网是全球能源互联网战略的关键：特高压交流主要用于构建坚强的国家、洲、洲际同步电网，以及远距离、大容量输电，特高压直流主要用于大型能源基地超远距离、超大容量电力外送和跨国、跨洲骨干通道建设。

表1　能源互联网国内外发展状态对比表Tab. 1 Comparison of the development status of the energy internet technology at home and abroad

表2　各国家研究重点对比表Tab. 2 Comparison of the development focus in different countries

全球能源互联网发展进程很大程度上取决于重大技术突破。主要包括清洁发电和用电技术：大容量和高参数风机、高效率光能转换、大规模海洋能发电、可再生能源大规模开发及联合调控、高效电能替代等；特高压和智能电网技术：特高压交直流及海底电缆、大容量柔性交直流输电、高压直流断路器、气体/固体绝缘管道输电、高温超导输电、新一代智能变电站等；先进储能技术：大规模储能电池制造和大容量成组、电化学储能、飞轮储能、超导储能、超级电容器储能等；电网控制技术：特大型交直流电网运行控制、大系统仿真计算、分布式发电协调控制、微电网集群控制、电力信息海量数据采集与处理等。

因此，在未来研究学者应结合国际与我国国情，加大力度深入发展能源互联网，同时应出台相关政策以促进能源互联网与交通系统、燃气系统等领域的结合。建立不同领域信息进行融合时的统一模型，并保证信息结合时的高安全性[12-15]。

3　全球能源互联网技术的发展重点

全球能源互联技术的发展重点主要体现在以下几个方面：

1）近年来我国新能源产业发展迅速，光伏产业、风能制造产业、生物质能产业皆已崭露头角，产业竞争力显著提高。因此，可建立示范基地，推广太阳能、风能、生物质能等可再生能源的应用。同时增加示范城市，开展民用风电和光伏计划，加快分布式能源的发展，改变以传统能源为主的状况。

2）交通行业是化石能源消耗的大户。随着电池技术的成熟及其成本的降低，以电动汽车为主要代表的电气化交通正在蓬勃发展。在此基础上，电力系统与交通系统的耦合程度在不久的将来会逐步增强。电气化交通系统尤其是电动汽车将成为能源互联网的重要组成部分。与此同时，还应加强电动车与新能源汽车的示范与应用，推进机电能源技术协同发展，促进节约型社会的建设。

3）在能源互联网时代，随着分布式能源生产企业数量的迅速增长及储能技术的不断发展，成千上万个分布式能源生产与储能企业接入主干电网，从而完成从传统的单项电能供应商向电能双向供应商的转型。

4）特高压实践的成功是能源互联网提出的基础[14-15]。全球能源互联网以特高压电网为骨干网架（通道），因此，在我国大范围推广特高压交直流输电技术将为能源互联网的实现打下坚实的基础。

5）相比于其他的一次能源，天然气对环境造成的影响相对较小。且联合循环燃气机组在效率、反应速度和建设周期等方面都具有明显优势。一方面，随着页岩气应用不断加强，天然气的成本呈下降趋势，燃气机组在发电侧的比例因此有望提高；另一方面，利用最近出现的“电转气”技术，可以将可再生能源机组的多余出力转化为甲烷（天然气的主要成分），再注入天然气网络中运输和利用。因此，未来的电力系统与天然气网络之间的能量流动可由单向变为双向。

4　结语

在对全球能源互联网技术国内外研究现状进行分析的基础上，预测了能源互联网技术的发展趋势，进而确定了未来该技术领域在可再生能源、电气化交通系统、电网管理运营服务、天然气、特高压电网这5个方面的发展重点，以期对全球能源互联网的发展提供参考。

参考文献

[1]田世明，栾文鹏，张能源.互联网技术形态与关键技术[J].中国电机工程学报，2015，35（14）：3482-3494. TIAN Shiming，LUAN Wenpeng，ZHANG Nengyuan. Technical forms and key technologies on energy internet[J]. Proceedings of CSEE，2015，35（14）：3482-3494（in Chinese）.

[2]查亚兵，张涛，黄卓，等．能源互联网关键技术分析[J]．中国科学：信息科学，2014，44（6）：702-713．ZHA Yabing，ZHANG Tao，HUANG Zhuo，et al. Analysis of energy key technologies[J]. Science China Press: Information Science，2014，44（6）：702-713（in Chinese）.

[3] RUFJUB Jeremy.第三次工业革命[M].张体伟，译.北京：中信出版社，2012.

[4]董朝阳，赵俊华，文福栓，等.从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架[J].电力系统自动化，2014，38 （15）：1-11. DONG Zhaoyang，ZHAO Junhua，WEN Fushuan，et al. From smart grid to energy internet: basic concept and research framework[J]. Automation of Electric Power System，2014，38（15）：1-11（in Chinese）.

[5]刘振亚．全球能源互联网[M]．北京：中国电力出版社，2015．

[6]周孝信.构建新一代能源系统的设想[J].陕西电力，2015，43（9）: 1-4. ZHOU Xiaoxin. A tentative idea of building new generation of energy system[J]. Shaanxi Electric Power，2015，43（9）: 1-4（in Chinese）.

[7]姜江枫，丁涛，寇宇，等.基于多范式建模的能源互联网可靠性评估[J].陕西电力，2015，43（12）: 6-9. JIANG Jiangfeng，DING Tao，KOU Yu，et al. Reliability assessment of energy internet based multi-paradigm modeling[J]. Shaanxi Electric Power，2015，43（12）: 6-9 （in Chinese）.

[8]孙川永，魏磊，贾宏刚，等.新能源开发中风电、光伏理论装机比例的探讨[J].电网与清洁能源，2014，30（6）: 24-27. SUN Chuanyong，WEI Lei，JIA Honggang，et al. Discussions on the theoretical installed proportion of wind power and photovoltaic power in new energy development[J].Power System and Clean Energy，2014，30（6）: 24 -27 （in Chinese）.

[9]慈松，李宏佳，陈鑫，等．能源互联网重要基础支撑：分布式储能技术的探索与实践[J]．中国科学：信息科学，2014，44（6）：762-773．CI Song，LI Hongjia，CHEN Xin，et al. The cornerstone of energy internet: research and practice of distributed energy storage technology[J]. Science China Press: Information Science，2014，44（6）：762-773（in Chinese）.

[10]孙秋野，王冰玉，黄博南，等.狭义能源互联网优化控制框架及实现[J].中国电机工程学报，2015，35（18）: 4571-4580. SUN Qiuye，WANG Bingyu，HUANG Bonan，et al. The optimization control and implementation for the special energy internet[J]. Proceedings of CSEE，2015，35（18）: 4571-4580（in Chinese）.

[11]周海明，刘广一，刘超群．能源互联网技术框架研究[J]．中国电力，2014，47（11）：140-144．ZHOU Haiming，LIU Guangyi，LIU Chaoqun. Study on the energy internet technology framework[J]．Electric Power，2014，47（11）：140-144（in Chinese）.

[12]查亚兵，张涛，谭树人，等．关于能源互联网的认识与思考[J]．国防科技，2012，33（5）：1-6． ZHA Yabing，ZHANG Tao，TAN Shuren，et al. Understanding and thinking of the energy internet[J]. National Defense Science and Technology，2012，33（5）：1-6（in Chinese）.

[13]谢高岗，张玉军，李振宇，等．未来互联网体系结构研究综述[J]．计算机学报，2012，35（6）：1109-1119．XIE Gaogang，ZHANG Yujun，LI Zhenyu，et al. A survey on future internet architecture[J]. Chinese Journal of Computers，2012，35（6）：1109-1119（in Chinese）.

[14]殷树刚，苗培青，拜克明，等．利用特高压输电技术提高全球能源使用效率[J]．中国电力，2010，43（2）：1-5．YIN Shugang，MIAO Peiqing，BAI Keming，et al. To improve utilization efficiency of global energy resources through UHV power transmission technology Electric Power，2010，43（2）：1-5（in Chinese）.

[15] Litan R E，Rivlin A M．互联网革命[M]．聂庆，周传刚，译．北京：中国人民大学出版社，2011．

邬捷龙（1962—），男，本科，高级工程师，从事电网运维检修、调度运行等方面的研究及管理工作。

（编辑申光艳）

Research on the Current Situation and Development Trend of the Technology of Energy Internet

WU Jielong，YANG Jian2
（1. State Grid Shaanxi Electric Power Company，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2. School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，Hubei，China）

ABSTRACT：The third industrial revolution represented by of the technology of energy internet is developing rigorously with its core research extending to the global energy internet from the smart grid and energy internet. This paper，first of all，reviews and analyzes the current situations of the research on the technology of energy internet both at home and abroad，and secondly forecasts the development trend of the technology on the basis of the analysis and finally explores the development focus in the field in a hope to provide useful reference for promoting the development of the global energy internet.

KEY WORDS：energy internet；research status；development trend；development focus

作者简介：

收稿日期：2016-02-12。

基金项目：国家自然科学基金（61533016）。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0008- 05

中图分类号：TK01+9

文献标志码：A