能源網際網路技術實現路徑及實踐的分析論文
在網際網路高度發達的今天，資訊對個人與公司的決策選擇、國家的政策制定均產生影響。資訊經濟學是運用資訊科學和經濟學的方法從資訊和經濟的各個方面研究資訊經濟的基本理論、發展規律、執行機制和運作方法的一門學科，其主要研究的重點之一是資訊對經濟的影響。資訊經濟學認為，市場資訊的透明是建立完全競爭市場的基礎，市場資訊流通越充分，資源將越趨近於最優化配置。
網際網路正是一種快捷的傳遞資訊的手段，有助於降低和消除資訊的不對稱。2015 年國務院釋出《關於積極推進“網際網路+”行動的指導意見》，希望進一步激發網際網路與各領域的融合發展，促進中國經濟提質增效升級。由於資訊的不對稱會產生交易成本，網際網路可以提高資訊的傳播速度和傳播量，降低資訊不對稱，從而降低交易成本，實現資訊經濟學中的帕累托最優，繼而達到市場在資源配置中起決定性作用的目標。目前，在我們身邊成功運用網際網路改造行業發展業態的案例比比皆是，例如阿里巴巴、京東、滴滴等，其成功的核心均是利用網際網路打造平臺戰略，通過網際網路零邊際成本、規模效應的特點，培育客戶消費習慣，提高客戶對公司產品及服務的需求粘度，降低中間成本和交易成本。
能源是人類活動的物質基礎。儘管能源的形式多種多樣，但是，經濟性始終是能源的首要特徵。我國正處於工業化發展階段，能源需求巨大，而社會、經濟的可持續發展對我國能源行業的發展提出了新的要求。鑑於網際網路的突出優勢和在經濟社會各領域的成功實踐，網際網路與能源的結合也逐漸成為傳統能源行業自我改造及轉型升級的必然選擇。
1 能源網際網路的發展歷程
能源網際網路的提出經歷過幾個階段。自20 世紀以來，資訊和通訊技術領域的大量變革創新，為能源領域的進一步提升和發展提供了技術支援。在各種技術的推動下，能源領域先後出現了智慧電網，綜合能源系統與多能源系統以及能源網際網路。目前較為主流的看法有三種 能源網際網路模式。
1.1 以分散式可再生能源為中心的能源網際網路
美國學者裡夫金先後在其著作《第三次工業革命》 中提到的能源網際網路，以可再生能源為主要一次能源，產銷一體成為能源生產與消費主要形式，由於可再生能源低能量密度、分散式的特點引發了產銷者之間的合作意識，從而使得基於網際網路技術建立開放網路、實現廣域能源共享成為必然;這種網路支援超大規模分散式發電系統與分散式儲能系統自由接入網路。其所倡導的能源網際網路的內涵大體就是：從化石能源走向可再生能源，從集中式生產走向分散式生產，從封閉走向開放，從產權獨佔走向協同共享。
1.2 以跨區域電力輸送為核心的能源網際網路
全球能源網際網路方案由中國國家電網公司提出，它是以特高壓電網構建骨幹電網，跨國輸送清潔能源為主。該方案積極貫徹國家“一帶一路”戰略構想，是提高中國在國際能源領域影響力的首要舉措，是未來能源網際網路發展的重要方向之一。但是，國際間的任何能源合作與網路互連，均涉及複雜的政治博弈，其實現的壁壘不在技術層面。該方案在短期內實現的可能性較低。
1.3 以綜合能源系統為核心的能源網際網路
綜合能源系統及多能源系統(以下統稱綜合能源系統)就是對能源系統中存在的不同能源形式進行優化組合，如熱電冷聯供發電機組通過高低品位熱能的協調優化，以達到提升燃料利用效率的目的。因此，綜合能源系統就是在規劃、建設和執行等過程中，通過對能源的產生、傳輸與分配(能源網路)、轉換、儲存、消費等環節進行有機協調與優化後，形成能源產供銷一體化系統。按能源形式劃分，綜合能源系統主要由電力系統、天然氣系統(含氫系統)、熱力系統(含供熱、供冷)以及未來電氣化後的交通系統等子系統構成。
2 符合我國能源稟賦特點的能源網際網路
綜合已有的各種定義與詮釋，能源網際網路實現了電力系統、天然氣系統、供熱系統和交通系統的耦合、互通和融合，如圖1 所示。能源網際網路發展的最終形態是實現大能源系統的重塑與融合。電力是各種形式能源產品的最重要的消費方式，是經濟、能源市場發展的晴雨表，同時控制手段豐富。因此，未來匯聚多種能源系統的能源網際網路必將以電力系統為核心，其他系統為輔的複雜網路形態。
現階段，能源網際網路在中國的現實意義主要有兩點：一是通過能源網際網路中“ 源- 網- 荷-儲”中“ 源源互補”、“ 源網協調”、“ 網荷儲互動”3 種方式實現協調優化，從而擴大可再生能源併網規模，克服供應側與負荷側雙側隨機性帶來的挑戰，彌補我國目前電源結構中靈活性資源不足的缺陷;二是通過網際網路手段改造我國的電、氣、熱以及交通等傳統行業，提高市場透明度，減少中間環節，降低用能成本， 提高能源利用效率。
從發展方向來看，一方面，在不同能源形式的縱向產業鏈上面，通過消除和簡化能源生產、運輸、配送到消費各個環節中的非必要流程，提高能源利用效率;另一方面，在不同能源之間構建橫向平臺，梯級利用能源，發揮不同能源品位高低的特點，提高能源利用效率。但是，在能源網際網路的探索中，美國、歐洲、日本對能源網際網路均有各自不同的側重點，因此我國也應該以國家的資源稟賦條件為前提實踐能源網際網路。未來的能源必然轉向以可再生能源為主，風能、太陽能、水能將成為主要的一次能源。在我國中東部地區，能源需求強度高，但是各種自然資源非常有限，風能、太陽能由於自身能量密度較低，所以，可再生能源供給方式無法滿足中東部地區的能源需求;在我國西北部地區，不僅集中了我國主要煤炭、石油、天然氣等化石資源，而且蘊含著豐富的風能、太陽能等非化石能源。因此我國未來的能源網際網路將形成以中東部可再生能源優先就地平衡、西北部化石能源和非化石能源管網集中單向輸送的格局。
3 能源網際網路的技術實現路徑
能源網際網路不同於其他行業+ 網際網路，其突出的特徵是保持供給側與負荷側、生產側與消費側的實時平衡。結合能源實時平衡的`特徵，根據上述能源網際網路的現實意義，現階段能源網際網路的實現路徑可分為3 大類：一類是通過大能源系統的降階簡化，將尋求整體解決方案轉為區域性問題優化，各能源網際網路區域網絡、本地化網路在內部能源消費供給自平衡的基礎上，再尋求外部能源的支撐;另一類是通過儲能環節實現供給側與負荷側的解耦，利用儲能環節緩衝供給側的隨機波動性，按需配給負荷側對能源的需求，同時保證供給側的持續高效生產，提高供給側產能利用率;第三類是通過跨能源種類的優化，發揮不同能源各自的優勢，以綜合能源效率最高的形式，解決能源供給側與負荷側的實時平衡。
3.1 能源微網
能源微網的建立實際是通過區域性優化替代整體決策。集中決策的優點是可以實現全域性的整體優化，但其實現的前提是需易於建立研究物件數學模型。從控制論的觀點來看，集中決策的特點在於準確獲取對內控制物件、對外擾動資訊，依據這些資訊集中進行控制決策。因此，當整個系統階數較低、數學模型較簡單時，系統外部擾動資訊沒有動態變化，決策中心有能力掌握絕大部分系統資訊時，整體決策是科學、有效的。然而，隨著系統階數增加，系統外部擾動資訊量實時變化時，決策中心全面獲取系統資訊，並針對每個系統環節的利益關注，構建協調全域性優化併兼顧個體需求的集中決策模型的難度將大大增加。最終，當系統規模和外部擾動資訊獲取成本增加到一定程度，集中決策將變得不科學、不可行。
分散化的微平衡決策，依控制論觀點就是一個完全由市場機制決定的負反饋閉環控制系統，在這個系統中，市場環境中的客觀規律充分作用。這時的子系統(市場主體)直接面對市場多變環境，參與市場競爭，作出各種決策，因此子系統對於內部變化和外部干擾極為敏感，適應能力強。以電力系統、油氣系統、熱力系統為主體構成的能源系統規模龐大，體系複雜。因此，能源系統整體層面的資訊快速處理、科學決策變得越來越困難，需要進行分散化處理，對系統進行降階簡化，以便於子系統簡單數學模型下區域性自平衡決策的形成。
網際網路技術的發展降低了資訊獲取成本，加快了資訊流通速度，縮減了資訊傳遞環節，為分散化交易提供了可能。因此，與傳統能源、電力行業相比，能源微網中的自平衡實現了個別能源供應者和消費者之間的自發、自主的能源交易，實現區域性的自我平衡，垂直層級集中決策的管理運營方式向分散化決策的區域性微平衡轉變。
3.2 儲能技術
由於風電和光伏發電具有低能量密度、波動性和間歇性的特徵，導致未來新增電力裝機的容量置信度較低，電力系統供電可靠性存在下降的可能。以電儲能為主要代表的儲能技術具備雙向功率調節能力和靈活調節特性，可以顯著提高系統對分散可再生能源的接納能力。一方面滿足了負荷側對電力隨機、波動性的需求;另一方面，在用電低谷期將風電、光伏發電電能儲存起來，待用電高峰期再釋放，降低對燃煤電廠調峰調頻的要求，使得燃煤電廠保持在較高的運轉效率，減少燃煤電廠的汙染物排放，實現供給側與負荷側的解耦。
對於電力系統應用而言，儲能系統的基本技術特徵體現在功率等級及其作用時間上，儲能的作用時間是區別於電力系統傳統即發即用裝置的顯著標志，是儲能技術價值、電力時間的重要體現。儲能所擁有的這一獨特技術特徵將改變現有電力系統供需瞬時平衡的傳統模式，在能源革命中發揮重要作用。
3.3 綜合能源系統
傳統的能源系統執行、規劃局限於電、氣、熱(冷)等單一能源形式系統的內部，無法充分發揮它們之間互補優勢和協同效益。綜合能源系統作為能源網際網路中的物理部分，能為多種能源協調、綜合利用提供平臺，通過各種熱—電、電—氣、氣—電—熱等耦合裝置實現多系統優化。一方面，作為核心的電力系統目前無法解決大規模高效儲存電力儲能問題，綜合能源系統將電力系統中無法有效解決的儲能問題提升至整個能源相關係統的層次，建立統籌協調，利用天然氣系統、熱力系統及電氣化的交通系統在能量儲存方面的特點弱化供給側與負荷側的強耦合聯絡。另一方面，負荷側對能源需求多樣化、隨機性的客觀要求為綜合能源系統從能量梯級利用的角度解決不同能源形式的組合提供了可能。
多種能源協調執行，可發揮不同系統的優勢和潛力，豐富可再生能源消納途徑，擴大可再生能源消納空間，促進可再生能源的消納。同時，多種能源的統籌考慮可以在更大範圍內實現資源優化配置，提高能源利用效率。
4 神華集團能源網際網路實踐
神華集團是以煤為基礎，集電力、鐵路、港口、航運、煤制油與煤化工為一體，產運銷一條龍經營的特大型能源企業，是目前我國規模最大、現代化程度最高的煤炭企業和世界上最大的煤炭供應商。目前，神華集團在清潔能源發展戰略的指引下，沿著化石能源清潔化、新能源規模化兩條路徑積極實施轉型發展。為推進清潔能源戰略落地，神華集團正在全方位、多領域開發建設能源網際網路專案，在能源微網、綜合能源系統以及儲能技術研究等方面重點開展工作。
4.1 北七家能源微網
在北京神華北七家科技園區圍繞3000kW 分散式光伏發電系統構建源—儲—荷型小型微電網，實現微電網的孤島轉併網、併網轉孤島方式的自動切換。併網執行模式下，光伏發電系統、蓄電池儲能系統、氫儲能系統併網執行，儲能用雙向逆變器既可以在併網充電模式下也可以在併網放電模式下工作;孤島執行模式下，以電池儲能系統和氫儲能系統(雙向)作為獨立執行模式的主控單元，雙向儲能逆變器無縫切換，電池向母線供電，光伏發電、負載正常執行，實現系統孤島執行。
通過部署分散式光伏發電系統和能源感測器系統，並利用物聯網技術，研究開發基於大資料技術的分散式能源供需雙側資源協同優化排程系統，構建多類能源耦合執行、智慧運維的智慧微網綜合開發運營平臺系統，幫助電力的經營管理者挖掘用能資料，完成高度精確的預測需求，為能源使用者提升用能、用電體驗，引導其有意識地調整優化自身用電方式，從而實現顯著的節能降耗。
4.2 氫儲能及電池儲能系統
除了傳統的電池儲能，與電解水技術和燃料電池技術相結合的電—氫—電的模式近年來被認為是可以大規模應用的儲能技術，低谷電時，利用電解水制氫並儲存，高峰電時利用儲存的氫氣供給燃料電池發電，從而完成電—氫—電的儲能路徑。
神華集團在北七家能源微網系統基礎上，建設900kW，9MWh 大容量儲能示範工程。利用傳統電池儲能技術的雙向儲存特點，結合以氫氣為載體、以電解水制氫和燃料電池發電為實現形式的儲能方式，採用雙向、單向兩種能力儲存模式，根據峰谷時段電價差異，開發儲能調峰應用系統，利用低谷時段電價給儲能系統充電，在峰值時段放電，減少峰值時段的用電量，降低電網在高峰時段的用電壓力，減少電費支出。
儲能系統常規時間工作在峰時段放電、平時段待機、谷時段充電的調峰模式。基於不同的控制策略，系統還可以實現應急備用、電能質量管理與控制、負荷跟蹤與補償、分散式發電管理與平滑等功能。據此，在儲能系統中，進行自裝置、子系統至整個系統的多層級綜合控制管理，實現儲能系統不同工作模式下裝置、子系統的協調控制及系統在不同工作模式之間的平滑切換。
4.3 富平綜合能源系統
2012 年，神華集團在富平高新區開發2×350MW超低排放熱電聯產專案，計劃2017 年10 月兩臺機組全部投產。為響應能源“四個革命、一個合作”能源發展戰略思想、踐行五大發展理念，神華集團依託2×350MW 熱電聯產機組，建立多能源互補、集中與分散式供應相結合的能源生產系統，開發區域綜合能源示範專案，為所在區域提供一體化能源服務。該專案已正式納入國家能源局首批多能互補整合優化示範工程。專案踐行“煤炭綠色開採、綠色運輸、綠色儲存、綠色轉化”的清潔發展路線，實現以電替代油、電替代天然氣、汽替代所有散燒鍋爐、低品質蒸汽製冷替代電製冷，達到終端用能零碳排放。
能源互聯。從能源生產角度，建立區域智慧能源供應網路，能源供給方以富平熱電廠為主，以光伏、風力發電等分散式可再生能源進行補充，經過能源轉換，實現“電、熱、汽、冷、水”五聯供;從能源傳輸角度，物理層面採用綜合管廊傳輸，避免由於敷設和維修地下管線頻繁挖掘道路而對交通和居民出行造成影響和干擾，保持路容完整和美觀;便於各種管線的敷設、增減、維修和日常管理;有效利用了道路下的空間，節約了城市用地;從能源消費角度，園區內推廣智慧家電、智慧電動汽車、智慧充電樁、智慧儲能設施和其他智慧用電裝置，可以通過網際網路實現互聯和控制。園區內發電設施、企業或家庭的智慧儲能裝置，可以在用電低谷、電價較低時自動進行儲能，在用電高峰或電價高時自動放能自用或出售給其他使用者，降低園區從大電網獲取能源的能源總量，起到虛擬調峰電站的作用。
資訊互聯。通過工業控制網路、電力網路、網際網路，實時感知工業園區內固定消費端、電動汽車等移動消費端、儲能裝置和屋頂光伏發電等可再生能源節點的接入、斷開和消費資訊，對“電、熱、汽、冷、水”進行實時高效配置，實現能源排程智慧化，提高能源生產效率。綜合能源供應中心所有裝置實現數字化、網路化、透明化，配備智慧分析軟體，實時採集裝置的狀態特徵和執行過程資料，實現故障預判和預測性維護，實現裝置執行優化管理，提高安全執行水平和對能源的利用率。建立基於網路化的智慧感知、計量、控制和保護裝置，搭建覆蓋能源生產、傳輸和消費全部環節的能源物聯網，實現自動計量和自動交易。建立智慧能源管控系統，通過基於分散式能源排程模型的發電功率預測、用能預測、協調排程、節能潛力分析以及用能優化與管理等核心技術，實現區域中的能源一體化優化排程，並引入大資料分析等技術，綜合管理區域資源，實現經濟。安全和高效的能源分配和管理，有效提升能源使用效率，降低單位GDP 能耗。基於智慧能源雲服務平臺，建立實現園區內能源交易和其他相關服務的商務平臺，在雲計算平臺上對各生產節點和消費節點實現全自動無人化交易結算。可以收集生產和消費資料，形成大資料，並基於大資料實現能源管理智慧化分析應用，比如幫助家庭消費者分析其用能資料，提供用能節能服務。價值互聯。綜合能源系統為能源生產、配送、消費方提供了新業務和商業模式機會，為相關方資金流的互通提供了平臺，促進物理與虛擬融合，提升對能源需求的滿足程度;新的生產、管理和交易方式通過提升生產效率、去中介化降低交易成本，創造效率價值，提升了能源需求滿足過程中的效率。
該系統改變了傳統能源供應體系中條塊分割的局面，以能源源層、五聯供動力模組層、綜合管廊輸送層、控調中心層以及需求層等五個不同層面協調不同能源利用形式，通過各類能源的梯級利用，能源的一體化開發和二次優化整合，使得區域綜合能源效率達到70% 以上。專案通過建設基於網際網路+ 能量平衡管理(EMS)+ 需求側管理(DSM)的智慧能源系統，在供給側實現能量的平衡與調配，能源的協調與互補;在需求側實現服務與管理，提供用能解決方案;構建起一體化資料平臺，實現供給側與需求側資訊流互動、能量流互動、資金流互動。
5 結語
網際網路與傳統行業的結合，通過網際網路打造平臺戰略，由於能源行業的特殊性—供給側與消費側的實時平衡，所以能源網際網路相對於一般的“網際網路+ 傳統行業”具有更加豐富的內容。由橫向平臺、縱向產業鏈構成的能源網際網路，實現了不同能源產品(煤、電、熱、氣)的優化組合與能源供給消費(源、網、荷、儲)的實時動態平衡。
我國的能源網際網路，通過網際網路手段和思維，解決能源產業整體效率問題(包括生產效率、傳遞效率、使用效率、轉化效率等等)，既包含二次能源，也兼顧一次能源。通過整合不同型別能源的生產、轉化(一次能源與二次能源的轉化、能源形式間的轉化)、傳輸、儲存、配送、使用各環節，對環節中資訊流、能量流、資金流進行優化和重構，在生產、消費環節增強能源價值創造能力，在輸配環節提高能源價值傳遞環節效率，通過網際網路手段實現對傳統能源體系的變革，以市場為手段配置資源，在能源供需上實現區域性平衡、帕累托最優，構建高效、綠色、智慧的現代能源產業體系。
