中国油气管网与能源互联网发展前景

黄维和，沈鑫，郝迎鹏

（1.中国石油天然气股份有限公司，北京 100007；2.中国石油规划总院，北京 100083）

美国学者Rifkin（2011）编著的《第三次工业革命》使能源互联网的概念广泛传播，并在世界范围内产生了深远影响[1]。发展能源互联网的目的，在于提高能源综合利用效率，缓解能源供需压力，减少污染物排放，推动能源产业转型升级和可持续发展。油气作为当前阶段维系国计民生和经济发展最重要的能源，油气管网发挥着不可替代作用。当前中国正在推进能源生产与消费革命，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合,油气管网的发展迎来“互联网+智慧能源”新的发展契机。

一、中国油气管网发展现状及前景

（一）中国油气管网发展现状

油气管道是油气安全、环保、高效运输最有效的手段，是能源输送的重要组成部分。目前国内已建成原油、成品油、天然气三大管网输送体系，形成了“北油南运”“西油东送”“西气东输”“海上登陆”的油气供应格局，特别是天然气管道成为近年来建设的重点。截至2017年底，中国油气长输管道总里程达到12.99万公里。

在全球油气管道运输体系中，北美地区的油气管网系统最为发达。据统计，截至2017年3月，北美地区油气管道里程合计84.5万公里，占全球管道总里程的43%[2]。中国单位国土面积对应的管网里程与发达国家相比，差距仍然较大，油气管网建设仍有较大空间。

（二）油气在中国能源革命中的地位

世界能源发展经历了三次能源转型，目前已演变到“油气时代”（占比60%左右），正在向“低碳能源时代”转变。当今世界正处于第三次能源革命初期，能源消费由总量的增长向集约化、高效化方向发展，主体能源结构正向多元化、清洁化和低碳化方向转型，其中新能源将逐步进入黄金发展期，但以分布式太阳能、风能、第二代生物燃料为代表的新能源技术达到产业规模尚需时日。

中国能源消费结构仍以煤炭为主，与世界能源结构相比，中国能源发展落后一个“能源时代”。2017年，天然气在中国能源消费结构中占比7.3%，远低于世界天然气消费平均水平（24.3%）；新能源消费占比13.7%，略低于世界平均水平（14.8%）。推动能源革命已成为中国能源方针和政策的核心内容，是指导当前和今后一个时期能源领域发展改革的行动纲领，中国工程院提出了未来中国能源革命的“三步走”战略，分别以“控制大气质量”“控制碳排放”和“能源永续供应”为抓手，加快扩大天然气利用，优化能源结构，增加清洁能源比重。从当前至2035年，油气消费占比将由26%增长至30%，随后将逐渐趋于稳定；非化石能源消费比重将逐年提升，至2050年将增长至能源消费总量的近1/3。因此，未来中国能源结构调整中，在可再生能源替代化石能源成为主体能源以前，以油气为主的化石能源将长期占据主要地位。天然气将发挥在能源系统中的优化与能源集成作用，逐步发展成为中国主体能源之一（2030年，天然气在一次能源消费中的比重将提升至15%以上）。具体如表1所示。

表1 能源革命条件下的中国能源消费总量与结构预测

（三）中国油气管网发展前景

油气管网是保障油气供应的主要基础设施，是实现能源生产与消费革命的重要支撑，今后10～15年仍将是中国油气管道建设的高峰期。依据国家发改委和国家能源局联合印发的《中长期油气管网规划》[3]，未来中国将继续完善东北、西北、西南和海上四大战略通道以及国内骨干管网建设，建成“横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、联通海外、资源多元、调度灵活、安全可靠”的油气运输体系，油气管网总里程将超过30万公里，基本建成现代油气管网体系，与北美、欧洲油气管网系统共同构成世界三大油气管网体系。

二、能源互联网的发展趋势

能源互联网立足于能源发展的未来模式，具有支持多种能源融合发展、支持大规模分布式能源接入、支持多种储能设备的接入、支持互联网技术改造能源系统、支持向电气化转型等五大特征，深刻改变了原有的能源生产、运输和利用方式，使之更加安全、清洁、高效、经济和可持续。

世界发达国家高度重视能源互联网发展，提出了不同的发展模式。根据融合方式不同，对能源互联网的发展模式进行分类，可分为侧重信息互联网、侧重能源网络结构以及革新性能源互联网3种发展模式。

（一）德国——E-energy项目

以信息通信技术为基础构建未来能源系统，德国联邦政府发起E-energy项目，致力于能源的生产、输送、消费和储能各环节之间的智能化[4]，包括智能发电、智能电网、智能消费和智能储能4个方面，成为实践能源互联网最早的国家。其本质与当前的“智能电网”模式类似，借助互联网收集能源相关信息，经分析决策后指导能源网的调度运行。E-energy项目计划实现了用户侧与需求侧的直接互联，构建了新型的能源体系架构，实现了多类型分布式能源和大型负荷的集中管理，整合储能设备和可再生能源设备、智能家居组成虚拟电站，直接参与电力市场交易，构建了能源互联网雏形。

（二）美国——FREED项目

美国能源互联网发展模式侧重能源网络结构，以FREED项目为代表，其主要特点为通过自治或中心控制的方法实现能源的供需平衡，其本质为分布式的能源网络。美国FREED项目对能源互联网的描述为，综合运用先进的电力电子技术、信息和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置、储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络节点互联，实现能量双向流动的能量对等交换和共享网络[5]。

（三）日本——数字电网、电力路由器

日本能源互联网发展模式属于革新性能源互联网，以日本的数字电网、电力路由器为典型代表。2010年，日本开展能源和智能电网领域研究工作，并于次年推广“数字电网”计划，构建一种基于各种电网设备的IP来实现信息和能量传递的新型能源网，其特点是实现了互联网技术和能源网络的深度融合[6]。

能源互联网是在现有的能源供给系统基础上，通过新能源技术与互联网技术的深度融合，将大量分布式能量的采集、转换、输送、调配、储存、交易、使用等装置互联耦合起来，通过智能化管控，实现能量和信息的多项流动和共享的网络。在综合能源利用技术、先进储能技术、综合能源管理技术、智能电网技术、先进信息技术等关键技术不断进步促进下，能源互联网发展将激发能源生产、传输、存储、消费等能源全价值链的变革，集成多种形式能源，建设一体化集成供能系统，实现多能源协同供应和能源综合梯级利用，满足用户电、热、冷、气等多种用能需求，如图1所示。

图1 能源互联网基础框架

三、油气管网与能源互联网融合发展前景

（一）中国能源互联网发展前景

2016年，国家制定了“互联网+”行动计划，随后国家能源局发布《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》，推出了包括化石能源互联网化交易运营、绿色能源多样化利用等56个能源互联网示范项目。截至2018年10月，已有2个项目实施完毕并完成交付，另有10余个项目在2018年底具备验收条件。

能源互联网要求设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放[7]。设备智能即能源互联网能够对不同能源的生产设备、供应渠道、能源用户提供统一的接入端口，实现能源流、信息流无差别交流互换。多能协同强调以各类能源生产、储存、输送和消费特点为依据，通过互联网技术充分挖掘产业信息，实现传统化石能源、可再生能源以及核能等多种能源形式，电网、油气管网、热力管网甚至煤炭车船运输网等多种能源输送网络的互联协调，实现电、气、油、煤、热等多种能源和服务的优势互补与优化配置。信息对称充分发挥互联网技术本身高度开放的属性，实现信息的高速传导和海量数据的存储，实时高效的双向数据交互技术和数据存储分析技术，实现能源供应商与各个阶层用户之间的信息实时共享与公平开放。供需分散即在未来能源系统中，能效高、启停方便的分布式能源所占比例越来越大，众多分散式的能源生产、储能装置和需求点通过能源互联网相互联接，将形成一个“形散而神不散”紧密联系的生态圈。系统扁平，通过功能强大的互联网技术和管理分析软件，将众多类型的用户和能源经销商反馈的大量信息进行快速处理，减少中间层级，实现能源供应渠道直营化和短宽化。交易开放，未来每个参与主体的定位将变得模糊，可能既是能源的“生产者”，又是“消费者”，或者随着时间和场景的变化不断变换“身份”，这也意味着参与主体之间始终保持开放的交易状态。

未来较长一段时期，化石能源仍是中国能源利用的主体，因此化石能源是构建能源互联网重要的组成部分之一。能源互联网在推进能源生产和消费革命过程中，应立足于整个能源系统的升级，将互联网技术与化石能源及可再生能源的生产、运输、存储、销售及贸易深度融合。油气管网与电网、互联网一样具有灵活、可靠的网络化结构和实时互动的技术特征，相似的运行方式表现出来的相仿的组织模式和市场特点，使得油气管网更易融入能源互联网的发展。因此，现阶段构建的能源互联网应以中国能源结构为基础，融合现有的电网和油气管网，与互联网共同构建“能源广域网”，融合城市配气网、配电网、微电网、城市热网等构建“能源局域网”，采用分散自治协同模式，达到能源按需传输和动态平衡，实现多种能源纵向优化配置和横向多能互补，构建能源产业发展的新业态。

横向多能互补，以历史和实时生产、输送及交易数据为基础，对不同能源的供应特性和用能对象的需求特征进行智能化分析；以互联网技术为手段，加强能源间的互补与融合，突出各类能源之间的相互协调，优化各能源品种自身产业链，实现跨能源种类的优化互补（图2）。例如，通过能源互联网实时掌握用户电力、热力需求情况，及时启动燃气热电联产机组，抽调油气管网内的天然气转化为电力和热力，及时满足用户需求，提高能源综合利用效率。

纵向优化配置是对各种能源的生产、运输、存储、贸易、用能等环节，实施能量流、信息流和业务流高度一体化管理，支持能源纵向运营优化，提升资源配置水平（图3）。例如当前中国可再生能源发电弃风、弃光现象仍然严重，2017年分别达到12%和6%，造成能源浪费。利用能源互联网实时掌握可再生能源发电上网的波动情况，充分利用天然气方便快捷优势实时配置调峰气电，既可稳定上网电力负荷，又可实现天然气的优化配置，实现天然气与可再生能源互驱共进，进一步提高清洁能源利用比例。

图2 能源互联网核心特征：横向多能互补

图3 能源互联网核心特征：纵向优化配置

（二）油气管网将有效融入能源互联网发展

中国油气管网与互联网的融合发展已经走在了“互联网+”传统产业发展的前列。现已建成了油气生产和供给信息化系统，实现了全产业链生产监控和运营管理，通过SCADA系统实现自动控制、数据采集与传输，建成多种业务管理与优化系统，实现了油气产、运、储、销、贸一体化优化。以中石油为例，北京油气调控中心负责对国内超过5万公里的油气管道实施集中调度指挥、远程监控操作、维修作业协调和管网优化运行，已成为世界上调度运行的管线最多、管道运送介质最全、运行环境最复杂的长输油气管网控制中枢。同时，中石油已建成了覆盖全国2万座加油站、2 300家天然气批发客户和700万终端用户的信息系统。通过油气价值链优化系统和电子销售与交易系统（图4），形成了以智能的油气优化配置、开放的油气交易、高效的能源服务为特征的油气工业互联网架构。

现在到2035年，随着能源革命的不断推进，油气供应将在中国一次能源供应体系中的占比逐渐由1/4提升到1/3，对维持国民经济社会稳定发展的作用愈发重要。油气管网将为能源互联网实现可再生能源消纳、智慧能源建设发挥积极作用。能源互联网在油气领域的建设，将对油气能量流赋予能源系统全信息属性，实现信息流对能量流的灵活管控，在多种能源数据交互和高效联动下，革新油气产、运、储、销、贸全产业链的运营机制和管理模式，实现油气行业能量流和信息流的重构、管理模式和运营机制的重塑，如图5所示。

图4 油气工业领域互联网架构

图5 能源互联网模式下油气产业链运营机制

四、推动油气管网和能源互联网发展的设想

中国正处在能源生产和消费革命的关键时期，能源互联网将从根本上提升中国能源产业的生产和消费理念，改变对传统能源利用模式的依赖，这是对人类社会生活方式的一次根本性革命。中国油气管网发展应顺应世界能源发展的大势，融入能源互联网发展，推动油气管网与能源互联网融合。为推动油气管网与能源互联网融合发展，建议国家和相关行业应积极采取以下措施：

（一）构建一体化多能互补系统

面对多能融合及智能化能源网络，需要对不同能源供应特性和用能对象的需求特性进行分析。对不同能源品种的生产、运输、存储、贸易、用能等环节实施能量流、信息流和业务流一体化管理，提升资源配置水平。在供能侧通过多类型能源互补集成，提升新能源比重，实现能源的梯级利用，提高能源利用效率；在运输侧构建电、冷、热、水以及通信等多能源的综合输送体系；在用户侧通过负荷资源参与需求响应，实现不同负荷的灵活可调。

（二）构建综合能源控制管理和交易平台

能源互联网发展要坚持规划和标准先行，建立各能源行业的全产业链数据共享机制，编制跨能源行业数据标准，建立数据整合及共享机制；建设能源互联网大数据体系及监管平台，实现多种能源数据的集成、共享和监管。

建立市场规则，将油、气、电、煤等关联程度高的能源品种统一建设综合性交易平台，体现能源的市场价值；建立价格指数，对外形成国际定价权影响力，对内实现价格发现功能，传递数据和信息，实现产业链优化。

（三）构建智能化油气管网

将人工智能引入油气储运行业，以适应未来智能化发展趋势，构建AI环境下的油气储运运行体系。研究大数据在油气管网中的应用，建立管道实时数字孪生体，挖掘并应用大数据，研究分析模型，建立基于机器学习算法和大数据计算框架的知识库。研究建立智能化油气管网与未来智能电网等有机融合，油气管网与其他能源供给方式一体化的智能运行体系。

（四）加快能源体制改革，推动能源互联网建设

能源交易市场化是能源互联网发挥作用的关键要素之一，油气体制改革将促进油气交易市场化，按照“放开两头、管住中间”的总体原则，加快油气及电力体制改革的进程，为能源互联网建设创造基础条件。推动出台鼓励天然气与可再生能源融合发展政策，实现多能互补，加快天然气管道建设，推动天然气发电装备国产化。