原文发表在《电力系统自动化》2016年第40卷第11期, 欢迎品读。
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智能电网与能源网融合的模式及其发展前景
DOI: 10.7500/AEPS20150912002
李立浧，张勇军，陈泽兴，蔡泽祥，韩永霞，杨苹
新能源开发技术的日臻成熟、电力市场改革的契机、“互联网 ”技术的推动，催生了智能电网与其它能源网（主要是指除电网外的其他能源传输网络，如天然气网、供冷/热网、氢能源网等，以下简称“能源网”）的深度融合。其将综合物理融合和信息融合的优势，进一步提高能源系统的经济性与安全性，促进能源利用结构优化。
2011年，Jeremy Rifkin用“能源互联网（Energy Internet）”一词阐述了第三次工业革命中，以新能源技术和信息技术深入结合为特征的、一种新的能源利用体系，但目前学术界对能源互联网的概念仍争议较大；国家电网提出了建立以特高压电网为骨干网架、清洁能源为先导的“全球能源互联网”；薛禹胜院士阐述了基于能量流的多种能源网络和基于信息流的互联网之间的异同，提出了“综合能源网”。中国在十二五期间则提出了发展“智能能源网”，并将其作为新一轮提高能源利用效率的平台。2016年2月，中国正式发布《关于推进“互联网 ”智慧能源发展的指导意见》，希望通过互联网技术推进能源生产与消费模式变革、促进节能减排。“能源互联网”、“全球能源互联网”、“综合能源网”、“智能能源网”、“互联网 智慧能源”等概念的提出，实质是在推动智能电网与能源网深度融合，以不同角度对上述概念的理解都可能成为智能电网与能源网融合的模式之一。
因此，本文从不同行业力量博弈的角度出发，提出智能电网与能源网融合的三种典型模式。阐述了其形态特征，并从融合模式的形成约束以及应用场景两个维度对不同融合模式进行深入探讨。
如图1所示，本文认为，智能电网与能源网融合涉及三个网络，即智能电网、能源网及互联网。同时三个网络主体也分别代表相关行业的力量，即电力行业、其他能源行业、互联网行业。未来智能电网与能源网的融合，将取决于不同行业力量之间的博弈结果，融合模式应存在从不同行业的视角（即图1中A、B、C三个视角）看待而形成的三种模式，分别称之为“智能电网2.0”、“互联能源网”及“互联网 能源网”。
图1 智能电网、能源网和互联网融合关系图
视角A下，电力行业在同其它行业的博弈结果中占优势地位，以智能电网为主体进行了三者的融合，是智能电网的进一步升级，将其称为智能电网2.0。
物理形态特征上，智能电网2.0这种融合网络的物理形态特征首先是电网中心论，能源利用体系特征为：微观上，以适应区域内大规模DG接入、实现区域能源自治为目标，建设多个微电网单元，规模可以是智能家居、智能楼宇、智能产业园区等；宏观上，以（特）高压交流/直流大电网为主干网架，实现远离负荷中心的集中式光伏/风能等电能生产基地、不同区域电网之间的互联，促进能源资源互补。其中的趋势是，可再生能源将逐步替代传统化石能源成为能源生产主导，并转化为电能进行传输；能源消费终端也将被电能所替代，利用电制冷/热、电磁炉等电器替代对传统燃料的需求；电气化交通系统通过充电桩/站、蓄电池等充/放电装置与智能电网形成交互，逐渐摆脱对化石燃油的依赖。
信息形态特征上，智能电网2.0仍以电力专用通信网络为主，但引入了大数据、云计算等互联网技术。其将通过遍及全网的量测体系和强大的通信计算能力，使得以智能电网为主要呈现主体的融合网络更具有弹性，进而更加安全经济高效运行。微电网单元能量流的控制主体为微电网单元调度运营商，其主要职能为：充分调动微电网单元内部的控制手段，如DG、储能、可控负荷等，实现微电网的功率平衡、安稳控制、优化运行。而用户则通过智能电表与微电网单元调度运营商进行电费结算。在与外部大电网交互上，微电网单元被视为一个整体，能量流的控制与电量结算信息将由上级下达至各微电网单元调度运营商并由其进一步实现微电网与上级电网的协调控制。
同智能电网的基本属性相比，智能电网2.0的突出特征在于：①不限制电网DG接入比例，同时利用储能、可控负荷等手段，使负荷可以随发电出力的大小进行智能调节，以适应电网DG高渗透；②大数据、云计算等技术广泛应用，利用其挖掘系统潜在模态与规律，并以更高计算速度满足系统在线实时分析与控制的需求。智能电网2.0框架如图2所示。
图2 智能电网2.0框架示意图
视角B下，除电力行业外的其他能源行业在博弈过程中逐渐显露优势，融合网络中智能电网、能源网同为平等主体，将其称为互联能源网。
物理形态特征上，互联能源网强调智能电网与能源网并存，其中最重要的思想在于“去中心化”，即智能电网与能源网的统一存在无需以何种网（如智能电网）为主导。互联能源网下，电、热、冷、气等各式能源将通过各类能源转换器实现物理上的连接与交互，并不都经过电网。在DG高度渗透的未来，还可直接由DG转化成用户所需的各种能源，智能电网的统治力被削弱。
互联能源网以微网单元建设为主要特征。所述的微网，是指根据用户对各种能源的需求而构建的多能源耦合系统（包括电、热、冷、气等能源），可孤立运行，亦可与外部跨区域主干网并网运行。智能电网2.0与互联能源网的能源利用体系对比如表1。
表1 智能电网2.0与互联能源网能源利用体系对比
信息融合特征上，与智能电网2.0类似，均以专用网为主，但智能电网、能源网之间的专用网可以是共用的。同时引入了大数据、云计算等互联网技术，利用其所提供的计算资源及计算平台，对不同形式的能源资源进行综合管理和供需平衡调度，比如互为调峰和储能，为能源系统提供安全保障，并提高能源综合利用效率。而微网单元能量流的控制主体则为微网单元调度运营商，功能与微电网单元调度运营商类似，只是其所管理的网络物理形态不同。综合物理融合和信息融合特征，互联能源网的融合网络形态如图3所示。
图3 互联能源网框架示意图
视角C下，智能电网与能源网的融合模式强调利用互联网颠覆传统能源行业的技术革命与商业模式，互联网行业崭露头角，其在满足用户需求的同时，催生新的能源产业链。此种模式更加强调的是基于互联网的信息融合以及所带来的商业模式的创新。
互联网 能源网物理网络最终的形成模式将取决于互联网中不同决策主体（用户、售能公司、物理网络运行商等）博弈的结果，在公开透明的信息背景下，各式能源供应商以其新兴的商业模式吸引用户并推动能源供应源、能源传输通道等物理网络的建设。因此在物理融合特征上，可以有更加多元化的形式，包括以智能电网为主的电能传输网络及智能电网、能源网并存等形态。
互联网 能源网的信息网络以互联网为主，整个物理网信息透明、公开、公平、对等，用以满足不同决策主体的信息需求。信息融合是视角C的重点所在，基于信息融合引发的商业模式是视角C的核心特征。互联网 能源网下，不同的能源供应商、不同时段的能源价格、不同能源交易准则等信息将被放之于互联网平台上分享，类似于电子交易模式，能源的生产者和消费者亦将通过互联网平台，进行自由平等的能源交易。中间物理网的存在只是完成供需双方交易的一种约束条件，所谓约束，是指用户可从哪些渠道（通道）获得能源。若存在某种通道约束制约了双边交易，而在此通道下又有利可图时，必将有力量去推动相关网络的建设。另一方面，物理网络运行商将扮演物流公司的角色，为能源供应、需求双方提供能源输送通道，并借助于大数据、云计算等技术促进能源网安全、可靠和经济运行。其中，能源输送价格的动态核算成为其服务供需双方交易的关键。互联网 能源网的形态特征如图4所示。
图4 互联网 能源网框架示意图
智能电网与能源网融合的模式尽管不一，但它们的共同目标均为：在现有的物理、信息网络建设基础上，借助于互联网技术或互联网平台，实现能源的清洁、便捷、综合高效利用。不管哪种融合形态都会形成信息物理融合的系统，信息流与能量流的耦合越发紧密，其区别如表2所示。
表2 三种融合模式的区别
前文描述了电力行业、其他能源行业及互联网行业博弈下，未来能源利用体系可能的发展方向。这里的博弈更多是从主观意识的角度出发，指的是不同行业之间的政治经济博弈，如争取国家政策支持等。然而，在不同行业诉求、国家宏观政策等主观因素的推动下，融合模式的形成还应受到客观因素的制约，并在主客观因素的共同作用下，使得不同融合模式有不同的应用场景。
能源系统简单来看是个生产—输送（存储、转换）—消费的过程，其中，输送环节是连接能源生产与消费之间的桥梁，包括了能源传输以及信息传输。如何构建这座桥梁并满足供需平衡便是所讨论之智能电网与能源网的融合，其形成的主要客观约束可以从时间和空间两个维度阐述：①时间维度：主要指关键技术的发展。技术的发展具有时间特性，随着时间的推移，技术会不断更新，在不同的时间阶段会有不同的技术约束；②空间维度：主要指不同地域环境下，原有的能源基础设施、能源资源的产量、负荷量及资源与负荷的空间分布等客观因素。如图5所示。
图5 融合模式形成的客观约束
4.1.1 能源存储技术
储能技术可以有效地平滑负荷，解决可再生能源发电的间歇性和随机波动性问题，减少峰谷差，提高现有系统设备的利用率及其运行效率，提高系统运行稳定性。储能技术（储电、储气、储热）在融合网络的应用约束指标主要包括技术水平和经济成本。技术水平主要指储能设备的转换效率、使用寿命以及是否能够大规模工业生产；经济成本则包含了设备制造成本及运行成本。当电能储存技术的应用约束指标相比储气、储热技术更具有突破性时，将会促进以电网核心形式的融合网络不断形成；否则多源并存形式的融合网络更有竞争力。
4.1.2 能源转换技术
智能电网与能源网的融合需依托于能源转换器这一重要媒介。除了传统的一次能源（风、光、化石能源、水、核等）向电能/热能/化学能转化、传统电网中的交流变压器、整流/逆变器、实现不同电压等级交流、交直流转换之外，近年来，电转气P2G（Power to Gas）技术、冷热电联产（Combined Cooling Heating and Power，CCHP）、直流变压器、固态变压器等技术也受到了广泛关注。
类似于储能技术，能源转换技术在融合网络的应用约束指标亦包括技术水平和经济成本。固态变压器、直流变压器等基于电能的能源转换技术的突破及经济成本的降低将促使以电网核心形式的融合网络形成；而多源并存形式的融合网络则需P2G、CCHP等多能源流转换技术的推动。
4.1.3 能源传输技术
类似能源存储与转换技术，能源输送技术的约束亦在于其技术成本与经济成本，其中，传输效率是一个关键的指标。目前，在跨区域远距离能源传输通道上，主要是电能传输和天然气传输，供/冷热网由于其传输效率的限制，规模主要为城市区域级。未来能源联合输送技术的前景广阔，当综合对比其经济、技术在工程应用上可行时，将对传统单一管道单一能源输送的方式带来颠覆。同时，在能源终端若能以联合输送模式满足用户多样化能源的需求，亦能减少由于多级能源转换带来的能耗，更有效实现节能。此时，多源并存的融合模式将占优势。
4.1.4 信息系统通信质量与信息安全
通信质量与信息安全技术的发展，运行维护成本的降低，是信息网络建设的重要约束之一。如果无法保证足够的通信质量与信息安全，必将限制未来信息网络从专用网向互联网的跨越，“互联网 能源网”的融合模式也将难以形成。并且，只有突破了信息安全的技术壁垒，降低整个信息系统的安全维护成本，互联网才可以深度渗透到能源行业，同时进一步推动互联网背景下的能源交易、运营管理等，并衍生新的能源产业链，比如在线运维服务、智能家电数据中心服务、公共云计算服务等。
关键技术约束只是不同融合模式形成的客观约束之一，对于不同融合模式的应用场景，还需综合考虑主观因素导向（主要指国家宏观政策）以及不同的地域环境，即原有能源基础设施、能源生产和消费的空间分布并满足供需平衡。从三种融合模式的异同可以认识到：
1）由于目前电能在传输效率仍占据优势，因此，在能源市场管制较强，地域辽阔、电网基础设施完善、负荷与能源资源分布不均，负荷类型相对单一的地方，发展智能电网2.0模式的融合网络较为适合，如我国西北部、西南辽阔地带等；
2）在一次能源（油气资源、地热、波浪潮汐能等）资源丰富、地域相对狭小，能源市场有一定的管制的区域，可借助于该能源资源优势，就地利用，构建互联能源网模式的融合网络，多源并存，实现能源综合高效利用，如海岛等；
3）在大城市等互联网基础设施建设发达、能源市场管制放开，市场行为活跃的地方，可逐渐利用互联网平台建设边际成本低的优势，结合“互联网 ”所带来的创新商业模式，对传统能源行业进行深远的革命，构建互联网 能源网模式的融合网络，如区域性自营的配电网和售电公司等。
可以说，智能电网与能源网融合的三种模式都是不同宏观政策导向、不同技术条件及不同地域环境约束下的产物，它们分别适应于不同的场景，三种融合模式或将共存很长的一段时间。随着时间的推移和社会经济的不断发展，三种融合模式或将进一步走向统一，形成以某种融合模式为主导。这一方面取决于未来关键技术在经济成本及技术水平方面的突破，另一方面亦受到宏观政策导向、不同地域环境资源差异的制约。
智能电网与能源网融合可有三种典型模式：
1）智能电网2.0，以智能电网为核心网络，各种能源转换为电能供用户使用，电力专用网采集各种数据并借助大数据、云计算等技术服务于智能电网的优化运行（单一主体）；
2）互联能源网，强调多种能源互联互通并同时为用户所选择使用，能源系统专用网采集各种数据并借助大数据、云计算等技术服务于能源网的优化运行（多个主体）；
3）互联网 能源网，利用信息通信技术及互联网平台，让互联网与传统能源行业深度融合，创造新的发展生态和商业模式，实现能源产消者与其他用户的能源高效共享，互联网数据作用于能源网中的所有生产者、消费者和产消者的效益优化（无限主体）。
不同融合模式是智能电网与能源网融合不同阶段或者不同地区发展的主要代表性形态，分布格局具有时空差异性，取决于相关支撑技术的发展、不同地域环境资源差异及宏观政策导向。
李立浧，中国工程院院士，华南理工大学教授，博士生导师，电力学院名誉院长。著名的电网工程专家、直流输电专家。中国电机工程学会理事、直流输电与电力电子专委会主任委员，广东省电机工程学会常务理事、直流输电专委会主任委员，中国南方电网公司专家委员会主任委员，清华大学、重庆大学等校兼职教授。获得国家科技进步一等奖一项、二等奖一项、省部级奖励多项。
张勇军，华南理工大学教授，博士生导师，院长助理，IEEE会员，中国电机工程学会可靠性专委会委员，《电力系统保护与控制》编委。主持国家自然科学基金项目2项，发表论文200余篇，其中SCI9篇，EI约100篇，授权发明专利21项，出版或参与出版教材、专著、译著、英文专著各1本。主要研究方向：电力系统无功电压控制、有源配电网规划与控制、能源互联网的信息物理融合系统。
陈泽兴，华南理工大学博士研究生。参与国家自然科学基金项目1项，发表（含录用）论文6篇，申请发明专利6项，其中授权2项。主要研究方向：能源互联网的优化运行控制、信息物理融合系统、电力系统的无功电压运行与控制。
蔡泽祥，华南理工大学教授，博士生导师，电力工程研究所所长，中国电机工程学会电力系统专业委员会委员， 《电力系统保护与控制》和《机电工程技术》杂志编委，发表论文240余篇。主要研究方向：能源互联网、电力系统保护与控制、直流输电技术。
作者所在课题组的主要研究方向：高压直流输电及其保护与控制技术，能源互联网规划与运行优化技术，能源互联网的信息物理融合系统，主动配电网的规划、运行、保护与控制技术等。
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