能源互联网支撑能源转型——访国家电网全球能源互联网研究院院长、中国工程院院士汤广福

本刊记者 / 张化冰

能源互联网是以可再生能源为优先，以电力能源为基础，多种能源协同、供给与消费协同、集中式与分布协同，大众广泛参与的新型生态能源系统。加速推进电网与智能传感、智能芯片、大数据、区块链、人工智能、先进计算等信息技术的融合发展，共同构成能源流、业务流、数据流相融合的能源互联网，形成强大的价值创造平台，使电网的运行和业务能力水平实现大幅度提高。能源互联网的建设必将带来电网技术和生产模式变革，并强有力地支撑能源转型

汤广福，中国工程院院士。全球能源互联网研究院院长，先进输电技术国家重点实验室主任。长期从事电力系统电力电子技术研究，在该领域重要装备的系统设计、设备研发和工程应用方面做出了系统性贡献，为实现电网灵活可控、远距离大容量输电、高效接纳可再生能源提供了新的手段。获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步一等奖、二等奖各1项，省部级一等奖5项；获授权发明专利77项，其中中国专利金奖1项、优秀奖3项。出版著作4部，发表学术论文100余篇。获第九届中国工程科技光华青年奖。

当前能源发展正处于转型变革的关键时期，面临着前所未有的机遇和挑战。中国的能源转型之路由于复杂性、长期性及迫切性等原因显得异常艰难，必须统筹好保障安全与结构转型，统筹好长期战略和经济发展，统筹好现有能源产业转型升级和智慧能源系统建设。能源领域的智能化、去中心化态势凸显，以新能源和信息技术深度融合为特征的能源革命正推动人类社会进入全新的能源体系。

截至目前，五年间我国能源转型深入推进，清洁低碳发展步伐加快，清洁能源消费占比提高6.6%，非化石能源消费比重提升到14.3%，天然气消费比重达到7.8%。同时，累计退出煤炭落后产能8.1亿吨，可再生能源装机突破7亿千瓦，清洁低碳已成为不可逆转的发展大趋势。

推动能源转型，不仅在推进清洁低碳转型方面要有新成效，在关键技术攻关方面也要有新突破，要紧跟世界能源科技发展大势，集中力量突破一批卡脖子的技术装备，加快部署储能、氢能等战略性前沿技术攻关，努力在新一轮能源科技革命中抢占先机。日前，《电力设备管理》杂志记者就能源转型问题对国家电网全球能源互联网研究院院长、先进输电技术国家重点实验室主任、中国工程院院士汤广福进行了专访。

能源转型所面临的挑战

2018年全球能源消费198.4亿吨标准煤，化石能源仍占据全球消费量约84.7%，而可再生能源增速最快；2018年中国能源生产总量约37亿吨标准煤，能源消费总量46.4亿吨标准煤，能源对外依存度20%，石油、天然气和煤炭进口量均为世界第一。

截至2019年底，全国发电装机容量201066万千瓦。其中，火电装机119055万千瓦，占总装机容量的59.2%；水电（35640万千瓦）、核电（4874万千瓦）、风电（21005万千瓦）、太阳能发电（20468万千瓦）等清洁能源装机总容量已达81987万千瓦，占总装机容量的40.8%。根据预测，到2030年发电装机约达30亿千瓦，届时清洁能源发电总成本有望低于化石能源电厂，可再生能源将成主力电源，占发电装机占比将达52%（14.9亿千瓦）。

国家发改委、国家能源局2017年联合发布《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》提出，到2050年我国在能源生产（发电）环节非化石能源占一次能源的比重超过50%；在终端消费环节，电能于交通、工业、商业、居民生活等领域得到更广泛应用，占终端能源消费比重持续提升，用电能效亟需提高；冷热电多种能源共存，分布式电源广泛接入，电动汽车与电网双向互动规模更大；用户侧多种能源互联互通、开放共享，供需互动，能源消费者同时也是能源生产者，能源消费模式更加多样化。

就此汤广福表示，据中国工程院研究预测，2035年中国能源生产总量将达47亿吨标准煤，消费总量达57亿吨标准煤，能源对外依存度约19%：“未来我国能源需求仍将进一步增加，但随着能源转型的不断深入，2035年化石能源占能源消费总量将从2018年的85.6%下降到75%左右。”

他强调，能源消费的变化给每一个人都带来了全新的挑战：“诸如智能用电设施对电力供需互动的需求，电-光-热-气等多种能源高效综合利用的需求，大型电力用户对用电能效管理的需求，家庭分布式光伏、电动汽车等发/用电设备快速发展的挑战，以及末端电力用户期待获得更多的知情权和参与感等。”

他指出，目前广泛应用的化石能源，在生产、运输、使用的各环节都会对空气、水质、土壤等造成一定的污染，因此能源绿色转型成为必然选择，而大力开发清洁能源是未来世界能源发展的必然趋势。

他认为，因应于能源转型，首先要面对电力体制改革所带来的诸多挑战。就电网企业而言，电力市场体制落后、电价机制僵化、难于实现能源资源的高效配置等问题，都严重制约着电网技术创新和成果应用。

“2015年发布的《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见（中发[2015]9号）》象征着电力体制改革在电网领域的进一步深入，售电侧和增量配网业务就此不再由电网企业独家经营而全面放开，售电公司和分布式电源大量出现，形成了产销一体和供需直接交易等新业态。”

“地方性电力企业、发电企业、水、油、热、气等公用事业企业进入电力运营市场，以及分布式能源企业、工业园区等与客户进行直接交易，都对传统电网企业带来了前所未有的挑战。诸如行业外公司纷纷采用互联网的创新方法开展跨界经营，对传统电力市场和电力经营所形成的冲击，以及阿里巴巴、腾讯等综合服务平台提供商通过个性化电力金融平台购售电服务所带来的挑战等。”

汤广福就此强调，能源转型过程中清洁能源是关键，而电网则是核心：“以电为中心，采用能源互联网技术实现对多种能源的协调和高效消纳，是支撑能源结构变革的重要手段。能源互联网具备灵活接入能力，可支撑大规模可再生能源接入；能源互联网具备优化配置能力，可实现大范围电力能源优化配置；能源互联网具备开放互动特征，可满足用户多样化能源需求。”

他认为，能源互联网是电网企业面对能源转型的主要发展方向，现代电网面临能源转型的挑战主要体现在五个方面：

“一是可再生能源并网消纳问题突出。2018年风电+光伏装机超过3.5亿千瓦，弃风、弃光率超过10%，弃风、弃光电量超过350亿千瓦时（原因：政策机制+技术能力）；虽然2019年弃风、弃光率及弃风、弃光电量都大为降低，但预计到2030年风电与光伏装机总计将达10亿千瓦，消纳矛盾将更为突出。”

“二是电网支撑新形态源-荷平衡挑战大。电网技术和装备将具备更强的柔性调控能力，但大规模、广泛的可再生能源接入以及多元供需用电的状况，将使电网将由源随荷动转变为源荷共动的全新电网形态与运行调控模式，最终导致电网抗扰动能力持续下降。”

“三是用户用电选择少、互动弱、能效低。目前用户和电网互动性不足，严重制约可再生能源消纳与资产效益发挥；中国单位GDP能耗是全球均值1.6倍，节能空间巨大；预计到2030年终端电能消费占比将大幅提升，由此供需互动模式也急待创新。”

“四是电网基础支撑技术薄弱。部分高端电力装备基础材料与核心元器件尚需依赖进口，微型传感器、人工智能融合应用刚刚起步，电工装备企业核心竞争力与国际知名企业差距较大；预计到2030年基础支撑能力将得以全面提升，核心器件材料将自主可控，国际竞争力将大大增强。”

“五是电力市场滞后，政策体制制约发展。目前电力市场体制落后，电价机制僵化，交易品种、交易规模、运作水平都有待提升，市场化程度还不够高，难于实现能源资源的高效配置，严重制约电网技术创新和成果应用。未来需逐步完善交易机制，搭建全国统一电力市场交易平台；预计到2030年能源电力政策和体制将得以全面创新，技术支撑能力和手段都将大幅提高。”

汤广福表示，为支撑能源互联网构建，需要持续加大坚强智能电网关键技术开发，加速推进电网与智能传感、智能芯片、大数据、区块链、人工智能、先进计算等信息技术的深度融合。

能源互联网关键技术问题

对于中国能源转型，汤广福认为可通过全面提升电网智能化、数字化、清洁化和再电气化的水平，全力打造以电网为核心的安全高效智慧能源系统。重点布局高比例可再生能源并网、电网柔性互联与安全高效运行、供需互动与综合能源系统、先进电力装备、可再生能源与储能、前沿交叉技术等研究方向，实现电网基础理论和技术的提升，引领智能电网未来发展方向。就此他从六个方面进行了具体阐述。

一、高比例可再生能源并网

发电功率预测技术。需要对新能源大规模入网所带来的发电功率的变化有相当精准的预测。开展数值天气预报，目前的预报系统运算速度196万亿次/秒，2小时完成72小时预报，精度85%，未来需要进一步提升超短期/短期/中长期一体化功率预测能力，精度达到90%以上。

与常规发电集群协调控制技术。开展“风火打捆”设计与集中送出技术，突破风、光、储联合发电的多组态运行方式，开展跨区、跨流域的风、光、水、火联合运行。

协同规划与运行技术。开展常规能源、新能源与电网之间协调规划设计，加快抽水蓄能、储能等灵活电源建设，推动火电机组调峰改造。

并网主动支撑与协调控制技术。要完成次同步振荡抑制、虚拟同步机等技术的示范应用，虚拟同步、协调控制、储能等要实现“主动支撑和自主运行”。

二、电网柔性互联与安全高效运行

大电网分析与仿真技术。交直流混联大电网取得重要进展，支撑长期安全可靠运行，随着大量电力电子装备接入，理论、方法将更加复杂，仿真难度进一步提高。

电网智能调度运行技术。大电网调度实时监控、一体化决策等取得突破，D5000得到广泛应用，未来需要引入“互联网+”、云计算、大数据及人工智能等，提升调度能力和智能化水平。

柔性交直流输电技术。灵活交流输电（FACTS）采用电力电子装备和控制技术，以增强交流电网调节和潮流优化能力，并提供紧急功率和电压支撑，实现系统的灵活柔性运行和安全可控，支撑可再生能源接纳，已经完成6大类FACTS示范及应用。柔性直流输电是继交流输电、常规直流输电后的一种新型直流输电方式，是目前世界上可控性最高、适应性最好的输电技术，为电网灵活控制水平的提升提供了一种有效的技术手段，现完成南汇、舟山、厦门、渝鄂等柔性直流输电示范工程，正在建设世界首个张北500千伏直流电网。随着SiC技术逐步成熟及应用，这些电力电子装备成本降低35%、体积减少40%、损耗降少50%。

智能输变电运行技术。建成“8交10直”特高压输电工程，直流技术和装备已经进入巴西，当前急需解决多馈入受端故障换相失败抑制等挑战。

就此汤广福表示，中国目前已经建成了30个高压直流输电工程，最高电压等级达±1100千伏，换流器总容量超过2.79亿千瓦，相当于全国发电总装机容量的14.7%，而这也为实现能源互联网奠定了坚实的基础。

“自主研发的技术支撑我国成功中标巴西美丽山II期特高压直流工程，实现了换流阀等高端电力装备从引进到出口的转变，提升了我国在国际电工装备领域的国际地位和话语权。而自主技术走出国门，也深刻改变了国际直流输电市场格局。”

三、供需互动与综合能源系统

源网荷友好互动技术。江苏建成源网荷友好互动系统，实现376万千瓦的秒级、200万千瓦毫秒级控制，未来更大范围和规模源网荷互动，支撑分布式能源和电网发展。

电力市场支撑技术。市场化程度不高，品种和规模、运作水平待提升，新业态、新业务、新模式下体制机制待探索，随着交易机制逐步完善，需搭建全国统一电力市场交易平台。

车联网技术。建成国内外接入充电桩数量最多、覆盖范围最广的车联网平台，拓展“出行+引流”、有序充电、辅助调频、削峰填谷等新型服务模式；V2G、V2V、V2I、V2P。

综合能源与智能用电技术。完成高可靠性供电、微网、智能配电、智慧城市能源互联网等工程示范，开展冷-热-电-气-储多能融合系统，增值服务，开展智能终端开发，提升电网与用户友好互动水平。

四、先进电力装备

电工新材料。在电缆、变压器铁芯、导线等材料方面具备了自主研发能力，需要开展材料基因组工程方法；研发电容器薄膜、纳米晶合金及磁芯等材料；布局石墨烯、超导等前沿材料。

大功率电力电子器件。掌握硅基、SiC器件关键技术，建成6英寸碳化硅器件全套中试线，急需攻克失效机理、寿命预测、可靠性提升技术，研制更高电压、更大电流、更低损耗的器件。

装备智能化。建成智能变电站站4900座，占全部110（66）kV及以上变电站的21.1%，建成10kV/5MVA柔性变电站，具备能量变换、潮流控制、无功补偿、故障隔离等多种功能。

柔性输变电装备。完成6类FACTS装备研制与示范；建成±30kV南汇、±200kV舟山、±320kV厦门、±420kV渝鄂等工程，200kV直流断路器工程应用，下一步研制基于SiC新型柔性输变电装备。

就此汤广福指出，随着这些工程的建设，大量领先于世界的高端电力装备也得到了应用并经受了考验。

“如200千伏/15kA/3ms的高压直流断路器于2016年成功应用于舟山工程，这也是混合式直流断路器的世界首次工程应用，截至目前已成功分断了舟山5端柔性直流工程的多次直流侧短路故障，有力保障了舟山电网的可靠运行。”

“近些年投运的厦门柔性直流输电工程，换流装备额定容量为1000兆瓦、额定直流电压±320千伏，工程可满足厦门岛内不断增长的供电需求，保证台风等自然灾害影响下的供电可靠性，并节约有限航道资源。”

五、可再生能源与储能

风力发电技术。陆上风电技术成熟，基础与共性技术研究滞后，海上风电开发经验不足，发展空间巨大，呈现出大型化、智能化、高效化、高可靠性等发展趋势，经济性显著提升。

光伏发电技术。产业规模与制造能力世界先进，场景多元化、产品多样化发展；提效率、发展空间巨大，与大数据、云计算、物联网、人工智能、储能等有机融合，应用到更多行业。

氢能技术。在氢气制备、储运与利用三个环节中均存在着需要攻克瓶颈问题，未来要实现大规模、高效、低成本的可再生能源制氢，掌握大规模储氢、输氢落地技术。

储能技术。抽蓄仍占规模优势，电化学储能、储热实现突破，加强压缩空气储能、氢储能探索，降低储能单位成本，实现规模应用，支撑新能源并网消纳。

六、电网前沿交叉

电力芯片与智能传感量测技术。主控、通信、传感等芯片产品主要依赖国外厂商，影响电网本质安全。在传感方面缺乏系统性布局，传感器需要向高精度、高集成、低功耗、微型化方向发展。

大数据与区块链技术。初步建成全业务统一数据中心，试点“国网云”，实现电网运检智能分析管控等业务云上运行，开展基于区块链的智能电网研究，如分布式发电并网控制、电力交易等。

人工智能与先进计算技术。“深层智能”应用，推进人工智能在源网荷友好互动、故障辨识、灾害预警、电力市场交易等应用，由于数量呈几何级增长，急需解决亿级规模并有复杂关系数据分析与计算问题。

信息通信与网络安全技术。企业专网、电力无线专网，网络覆盖能力逐步增强，支持多业务并行处理，实现安全事件自动发现和告警，加强人工智能和安全态势分析预测。

汤广福强调，我国能源要实现清洁、低碳、安全、高效的发展目标，大力开发风光等清洁能源，推动能源高质量转型，未来10至20年将是我国能源转型的关键时期。

“面对转型带来的挑战，要加大电力科技创新力度，提升电网智能化、数字化、清洁化、再电气化的水平，全力打造以电网为核心的安全高效智慧能源系统，支撑能源结构变革；重点开展六个方面技术攻关，促进大规模清洁能源的开发与应用，推动经济社会可持续发展。”

他说：“要加大电网基础研究力度，瞄准电网科技领域卡脖子问题，如电工材料、电力芯片、电力电子器件以及相关工业软件，加大持续投入力度，开展战略研究，为下一代电网建设、能源转型提供基础支撑。”