中國電力科學(xué)研究院的研究人員周海明、劉廣一等，在2014年第11期《中國電力》雜志上撰文，為滿足未來提高可再生能源應(yīng)用比例，減少環(huán)境污染等能源供用要求，研究了與未來能源資源約束條件和應(yīng)用技術(shù)水平相匹配的能源供應(yīng)與消費(fèi)技術(shù)框架。相對于傳統(tǒng)的能源供應(yīng)體系，這種基于先進(jìn)信息技術(shù)的“能源互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)框架能夠發(fā)揮能源綜合應(yīng)用和負(fù)荷側(cè)互動(dòng)技術(shù)優(yōu)勢，整體優(yōu)化能源供給與消費(fèi)，提高能源的整體利用效能。

　　中國目前主要依賴于化石能源發(fā)電，是世界上最大的火力發(fā)電國(國內(nèi)的水電、生物乙醇應(yīng)用受限于自然條件和土地資源)。中國也是世界上最大的風(fēng)機(jī)和太陽能電池板生產(chǎn)國，擁有豐富的風(fēng)力資源和太陽能資源，生物能與地?zé)崮艿目偭恳蚕喈?dāng)可觀，此外還有漫長海岸線所蘊(yùn)藏的潮汐能。

　　能源的供給在持續(xù)滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的同時(shí)要盡量減少對環(huán)境的影響。煤炭、石油等傳統(tǒng)能源資源有限、用于火力發(fā)電存在污染問題。因此，中國在提高傳統(tǒng)能源利用效率的同時(shí)積極發(fā)掘新能源、提高清潔能源和可再生能源應(yīng)用比例。以風(fēng)電為代表的可再生能源在國內(nèi)發(fā)展迅速，中國是目前世界上風(fēng)電發(fā)展速度最快和發(fā)電量最大的風(fēng)力發(fā)電大國。但是，風(fēng)電發(fā)電量與消納量的矛盾也隨著風(fēng)電發(fā)電比例的提高日益突出。

　　以新能源大規(guī)模開發(fā)利用為特征的新一輪能源變革正在世界范圍內(nèi)蓬勃興起。隨著新一輪能源變革的到來，新能源技術(shù)、智能技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷突破，與智能電網(wǎng)全面融合，正在承載并推動(dòng)第三次工業(yè)革命。

　　“能源互聯(lián)網(wǎng)”將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和可再生能源將結(jié)合起來，為第三次工業(yè)革命創(chuàng)造強(qiáng)大的基礎(chǔ)。未來，數(shù)以億計(jì)的人們將在自己家里、辦公室里、工廠里生產(chǎn)出自己的綠色能源，并在“能源互聯(lián)網(wǎng)”上與大家分享。

　　這種基于互聯(lián)網(wǎng)思維提出的“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念包含了基于信息共享的多種能源的“互聯(lián)互動(dòng)”及“替代與轉(zhuǎn)化”的含義。

　　針對電能在能源供應(yīng)環(huán)節(jié)中的作用，提出，“能源互聯(lián)網(wǎng)是未來的智能電網(wǎng)，具有網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動(dòng)的特征”，“電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等相互融合，構(gòu)成功能強(qiáng)大的社會公共服務(wù)平臺。互聯(lián)的廣泛性帶來了資源配置的廣泛性，既廣泛配置電力資源，也廣泛配置其他公共服務(wù)資源”。

　　以電能為中心，對不同的供能環(huán)節(jié)進(jìn)行整體優(yōu)化，形成一體化的社會綜合能源供用體系，即“能源互聯(lián)”系統(tǒng)，可以促進(jìn)社會用能效率提升、提高可再生能源應(yīng)用比例、實(shí)現(xiàn)人類能源可持續(xù)供應(yīng)。

　　1 能源互聯(lián)網(wǎng)需求分析

　　“能源互聯(lián)網(wǎng)”的需求推動(dòng)力源于能源供需矛盾和新型可再生能源的出現(xiàn)。其追求的目標(biāo)是充分利用新技術(shù)優(yōu)勢，對不同的供能環(huán)節(jié)進(jìn)行整體優(yōu)化，形成一體化的社會綜合能源供用體系，即“能源互聯(lián)”系統(tǒng)，通過對能源的產(chǎn)生、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行整體協(xié)調(diào)控制，通過整體優(yōu)化提高能源的利用效率，并通過不同能源間的“替代和轉(zhuǎn)化”提高可再生能源應(yīng)用比例。電能的方便傳輸和易于使用的特點(diǎn)使其在能源整體化應(yīng)用中，將扮演紐帶作用。

　　能源互聯(lián)網(wǎng)的需求推動(dòng)作用可以歸結(jié)為以下2個(gè)方面。

　　(1)供需互動(dòng)的需求。

　　在電力系統(tǒng)中，分布式電源、三聯(lián)供機(jī)組、電動(dòng)汽車、儲能裝置、可控負(fù)荷、智能建筑大量出現(xiàn)，電網(wǎng)內(nèi)將出現(xiàn)越來越多的“發(fā)用電聯(lián)合體”(Prosumer)。它們的出現(xiàn)使能量的流動(dòng)方向由單向向“雙向互動(dòng)、互聯(lián)”轉(zhuǎn)換，相對傳統(tǒng)負(fù)荷它們具有更多的智能特性，不但可以受控，而且可以主動(dòng)提供能量，在能源整體控制過程中可以作為局部的“虛擬發(fā)電廠”參與能源調(diào)度控制。

　　信息化的進(jìn)步和“智能負(fù)荷”以及“發(fā)用電聯(lián)合體”的出現(xiàn)也給負(fù)荷主動(dòng)參與提高能源整體使用效率提供了新手段，新型負(fù)荷的互動(dòng)控制和主動(dòng)供電能力，可以減小和補(bǔ)充系統(tǒng)備用，提高能源系統(tǒng)整體效率。

　　(2)能源間的替代轉(zhuǎn)化需求。

　　社會對能源的需求是多樣的，除用電需求外還有供熱、制冷等需求，這些不同能源需求的變化會影響能源的供應(yīng)平衡。各種新能源技術(shù)的發(fā)展，能源供應(yīng)種類向多樣性發(fā)展(電、天然氣、風(fēng)能、生物質(zhì)能等綠色可再生能源)。“多種能源”在滿足“不同能源需求”過程中，將會出現(xiàn)不同種類能源間的替代與轉(zhuǎn)化需求。

　　以風(fēng)電為代表的可再生能源在國內(nèi)發(fā)展迅速，但是，由于當(dāng)前技術(shù)條件限制，風(fēng)電在用電低谷及供暖季節(jié)存在較突出風(fēng)電發(fā)用矛盾，棄風(fēng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，一方面負(fù)荷需求旺盛，另一方面可再生能源卻無處消納。通過能源間的替代和轉(zhuǎn)化可以實(shí)現(xiàn)不同種類能源負(fù)荷需求和供應(yīng)間的聯(lián)產(chǎn)、聯(lián)供，從而使可再生能源如替換常規(guī)電能一樣在其他能源供應(yīng)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，形成能源領(lǐng)域的“互聯(lián)”和整體優(yōu)化。

　　這種能源互聯(lián)系統(tǒng)可以綜合考慮能源供給成本及其特性，在滿足能源需求的前提下，優(yōu)化能源供給，滿足使用成本或者污染排放最低等優(yōu)化目標(biāo)。

　　信息技術(shù)的進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)改變了當(dāng)代社會人們的生活方式。電力及能源領(lǐng)域信息化程度的提高，也為能源跨領(lǐng)域的集約化供給提供了契機(jī)。不同能源領(lǐng)域以及用戶信息的互聯(lián)互通，能夠更加便捷地了解當(dāng)前能源的供給與消費(fèi)情況。發(fā)揮能源間互補(bǔ)優(yōu)勢、充分利用可控負(fù)荷資源，對能源供應(yīng)與消費(fèi)體系進(jìn)行整體優(yōu)化，可以改善能源供用結(jié)構(gòu)、推進(jìn)能源使用效率整體提高。

　　2 能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架分析

　　2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成

　　構(gòu)建“能源互聯(lián)網(wǎng)”的主要目的是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)(更多應(yīng)用新能源)、提高能源效率(發(fā)揮不同能源優(yōu)勢和新型負(fù)荷的技術(shù)優(yōu)勢)，從而改善用戶體驗(yàn)。優(yōu)化能源互聯(lián)網(wǎng)資源，首先需要確認(rèn)能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成要素，界定優(yōu)化范圍。

　　根據(jù)[描述，結(jié)合智能電網(wǎng)研究成果，圖1描述了能源互聯(lián)網(wǎng)總體構(gòu)成：電、供熱及供冷等形式的能源輸入通過與信息等支撐系統(tǒng)有機(jī)融合，構(gòu)成協(xié)同工作的現(xiàn)代“綜合能源供給系統(tǒng)”。

　　該系統(tǒng)內(nèi)多種能源(化石能源、可再生能源)通過電、冷、熱和儲能等形式之間的協(xié)調(diào)調(diào)度供給，達(dá)到能源高效利用、滿足用戶多種能源應(yīng)用需求、提高社會供能可靠性和安全性等目的；同時(shí)，通過多種能源系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)，還有助于消除能源供應(yīng)瓶頸，提高各能源設(shè)備利用效率。

　　不同能源對環(huán)境的影響不同，傳統(tǒng)能源供應(yīng)體系中，特定能源已經(jīng)形成了相對穩(wěn)定的消費(fèi)市場，比如石油主要用于交通、化工、發(fā)電等行業(yè)；天然氣則主要于日常生活、供熱、發(fā)電、交通等領(lǐng)域。

　　可再生能源目前幾乎全部用來發(fā)電。一次能源長期以來形成了自身的產(chǎn)業(yè)鏈條，不同種類能源間互相補(bǔ)充空間有限。但是，電能可以充當(dāng)不同能源間的橋梁。目前可再生能源絕大部分轉(zhuǎn)化為電能。如果通過電能用綠色可再生能源替換其他高污染一次能源，可以提高能源消費(fèi)的整體環(huán)境友好程度。

　　要實(shí)現(xiàn)這種能源的優(yōu)化供給需要具備幾個(gè)條件：①要具備不同種類能源間的(供求關(guān)系等)信息互通；②要具備能源輸出互相替代的必要技術(shù)手段，即通過電能能夠滿足被替代能源消費(fèi)主體的需求；③要能夠給能源消費(fèi)者清晰、及時(shí)的引導(dǎo)信號，吸引能源消費(fèi)主體參與能源消費(fèi)優(yōu)化配置。

　　具備以上條件，配合必要的技術(shù)手段，最終實(shí)現(xiàn)社會能源的整體優(yōu)化利用。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可以通過技術(shù)手段構(gòu)建“能源互聯(lián)網(wǎng)”。

　　2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架

　　為了達(dá)到上述整體優(yōu)化目標(biāo)，在明確能源“互聯(lián)”范圍基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究合理的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)發(fā)揮多種能源與用戶互聯(lián)、互動(dòng)的整體優(yōu)勢。

　　這種能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架設(shè)計(jì)的唯一目的是發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，從技術(shù)角度提高能源的使用效率。在不存在政策、市場和技術(shù)條件限制的前提下，設(shè)計(jì)滿足上述條件的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架模型，如圖2 所示。

　　圖2所示“能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架”包括“市場環(huán)境”、“能源供給、轉(zhuǎn)化和消費(fèi)”、“信息支持”以及“調(diào)度控制”4個(gè)部分。

　　市場環(huán)境包括能源供給側(cè)市場和能源需求側(cè)市場。其中，能源供給側(cè)市場負(fù)責(zé)發(fā)布不同種類能源的市場價(jià)格信號，調(diào)節(jié)市場能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)(可以在這個(gè)環(huán)節(jié)使用價(jià)格信號或補(bǔ)貼鼓勵(lì)使用清潔能源，減小環(huán)境污染)；能源需求側(cè)市場負(fù)責(zé)發(fā)布吸引可控負(fù)荷和具有反向送電(或其他能源形式)的“發(fā)用電聯(lián)合體”參與需求側(cè)調(diào)度控制的價(jià)格或其他激勵(lì)信號，以鼓勵(lì)負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)。

　　能源供給、轉(zhuǎn)化及消費(fèi)是能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源流，也是整個(gè)技術(shù)框架的最終優(yōu)化協(xié)調(diào)對象。多種能源發(fā)出的電、熱、冷等能量形式通過輸電電網(wǎng)、管網(wǎng)或者運(yùn)輸通道最終抵達(dá)用戶側(cè)，滿足用戶的用能需求。

　　能源互聯(lián)網(wǎng)框架在以上基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了對分布式電源和微電網(wǎng)的支持，同時(shí)應(yīng)用各種儲能以及電轉(zhuǎn)化為氣體等技術(shù)，結(jié)合信息共享和多種能源的成本對比，以電能為中心實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)(優(yōu)化或降低污染、提高清潔能源比例等)的多種能源間的替代和轉(zhuǎn)換。消費(fèi)環(huán)節(jié)除了包括傳統(tǒng)用戶還增加了智能可控用戶以及可以反向供能的發(fā)用電聯(lián)合體等。

　　信息共享支持是整個(gè)技術(shù)框架中的信息流。“高速、可靠和安全”的未來信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架下大量數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析再到優(yōu)化計(jì)算的基礎(chǔ)條件。

　　在信息技術(shù)支持下，為保障整個(gè)能源框架的安全優(yōu)化運(yùn)行，需要設(shè)置必要的運(yùn)營管理機(jī)構(gòu)，對能源進(jìn)行集中調(diào)度管理，這種調(diào)度管理可以采用與外部市場環(huán)境相適應(yīng)的商業(yè)運(yùn)營模式并根據(jù)能源管理范圍進(jìn)行分級設(shè)計(jì)。

　　同時(shí)針對用戶側(cè)可控負(fù)荷和具有發(fā)電及其他供能(供熱、制冷等)能力的“發(fā)用電聯(lián)合體”在自愿的前提下可以直接參與或通過“負(fù)荷調(diào)度控制代理”，應(yīng)用“虛擬發(fā)電廠”技術(shù)參與能源互聯(lián)網(wǎng)的調(diào)度控制。這種基于信息共享的通過能源整體調(diào)度控制實(shí)現(xiàn)能源的整體優(yōu)化利用是能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架的核心內(nèi)容。

　　2.3 能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化控制概念模型(略)

　　在上述能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架內(nèi)能源消費(fèi)有如下特性。

　　(1)能源供應(yīng)能夠“互聯(lián)”。能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架下不同能源間可以相互支持以及一定程度上的替代轉(zhuǎn)換。這種互聯(lián)可以通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)面向用戶最終需求的“應(yīng)用轉(zhuǎn)化”，也可以直接通過能源間的轉(zhuǎn)換與替代實(shí)現(xiàn)。

　　(2)能源互聯(lián)后不影響用戶的使用。方便用戶安全高效使用，原來互相割裂的能源供應(yīng)“互聯(lián)”后應(yīng)提升用戶體驗(yàn)，不影響用戶的正常使用。

　　(3)能源互聯(lián)后能夠優(yōu)化。能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架下的能源供應(yīng)應(yīng)該比“互聯(lián)”之前有更高的效率。

　　可見，能源互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以對能源進(jìn)行整體優(yōu)化為目標(biāo)的復(fù)雜能源供用系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化的目的，需要建立相應(yīng)的優(yōu)化模型。能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化模型根據(jù)不同市場運(yùn)營規(guī)則細(xì)節(jié)上將有所不同，這里討論的優(yōu)化模型是對能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架的一種目的性描述，求解該模型需要確定不同能源的成本函數(shù)和其他約束條件，這些約束條件與具體的能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營規(guī)則和物理環(huán)境密切相關(guān)。

　　3 能源互聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀

　　上述“能源互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)框架是對未來能源整體供用體系的概念性設(shè)想，關(guān)于未來的能源發(fā)展，國內(nèi)外普遍開展了基于先進(jìn)信息通信技術(shù)的包含能源互動(dòng)思想(包含能源間的轉(zhuǎn)化和替代)的相關(guān)研究。除了關(guān)于“能源互聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)想外，美國各大研究機(jī)構(gòu)和高校都在進(jìn)行相關(guān)研究。

　　在用戶互動(dòng)方面，美國在需求側(cè)響應(yīng)方面已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，電網(wǎng)中出現(xiàn)了專職的“調(diào)荷服務(wù)商”用于為電網(wǎng)提供負(fù)荷調(diào)度服務(wù)；能源的互聯(lián)與轉(zhuǎn)換方面，美國發(fā)電公司長期根據(jù)市場需要選擇出售天然氣與電力的比例。

　　歐盟也在開展“智能能源的未來網(wǎng)絡(luò)”(FINSENY)項(xiàng)目，研究將能源與信息的整合，匯集了能源和ICT(信息通信技術(shù))行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)以確定智能能源系統(tǒng)對ICT的要求，從而提供創(chuàng)新性的能源解決方案以優(yōu)化能源傳輸，改變?nèi)藗兊哪茉聪M(fèi)方式，減少CO2的排放，改善生活環(huán)境[3]。

　　日本則在微網(wǎng)及分布式電源基礎(chǔ)上致力于研究冠名為“電力路由器”的電能控制技術(shù)及相關(guān)裝備[4]。

　　在國內(nèi)，關(guān)于未來能源供應(yīng)技術(shù)的研究一直受到高度重視，國家電網(wǎng)公司明確“能源互聯(lián)網(wǎng)”是未來的智能電網(wǎng)，智能電網(wǎng)是承載第三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)平臺，對第三次工業(yè)革命具有全局性的推動(dòng)作用。目前，國家電網(wǎng)公司已積極開展、部署相關(guān)研究工作。

　　北京市科委組織了“第三次工業(yè)革命”和“能源互聯(lián)網(wǎng)”專家研討會，并啟動(dòng)了相關(guān)軟課題研究，以期形成詳細(xì)的能源互聯(lián)網(wǎng)調(diào)研報(bào)告和路線圖。

　　中國能源發(fā)展目前面臨總量供應(yīng)(石油、天然氣對外依存度高)、資源配置(能源與生產(chǎn)力分布不均衡)、能源效率(大量煤炭直接燃燒，整體能效偏低)、生態(tài)環(huán)境(土壤、水質(zhì)、大氣污染)四大問題。

　　針對以上問題，可以采用增加清潔能源發(fā)電比例、提高能源效率的方法加以改善。本文所述能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架統(tǒng)一配置能源資源，從能源供給和使用2個(gè)方面進(jìn)行整體優(yōu)化，基于信息共享建立必要的市場調(diào)節(jié)機(jī)制，優(yōu)化引導(dǎo)能源的開發(fā)和使用，最終實(shí)現(xiàn)增加清潔能源發(fā)電比例、提高能源效率，以電能為中心統(tǒng)一優(yōu)化配置能源資源；使能源發(fā)展方式由消耗型向可持續(xù)、可再生和更環(huán)保的發(fā)展軌跡過渡；實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)安全、清潔、環(huán)保與友好地發(fā)展[5-11]。

　　4 結(jié)語

　　通過本文描述的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架實(shí)現(xiàn)能源整體優(yōu)化，在未來的發(fā)展實(shí)現(xiàn)過程中既需要考慮能源供應(yīng)中宏觀戰(zhàn)略層面的規(guī)劃布局和機(jī)制體制問題，又要解決局部的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)問題。

　　這2個(gè)部分是密切聯(lián)系和互相影響的，一方面，技術(shù)的發(fā)展，要求有與之對應(yīng)的政策來發(fā)揮技術(shù)進(jìn)步的優(yōu)勢；另一方面，國家的能源政策將會直接刺激未來能源互聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用。

　　因此，能源互聯(lián)網(wǎng)未來的研究需要從整體架構(gòu)(能源整體結(jié)構(gòu)、整體優(yōu)化調(diào)度運(yùn)營等)和關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)(能源替代轉(zhuǎn)換技術(shù)、新型能源供需互動(dòng)以及先進(jìn)信息技術(shù))兩大方面開展后續(xù)研究。