首批“互联网+”智慧能源示范项目特点研究

梁海峰， 李晓航， 高亚静

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

1 “互联网+”智慧能源基本概念

2015年的政府工作报告中，“互联网+”的行动计划被首次提出，之后国家能源局召开能源互联网工作会议，制定了能源互联网的相关工作计划。2016年3月，国家发改委、能源局、工信部印发了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，将“互联网+”智慧能源(后文简称为能源互联网)定义为“一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征”。简单来说，能源互联网就是利用新兴的互联网技术，以电力系统为核心，对于传统能源行业格局进行改造，最终达到横向多能互补，纵向“源-网-荷-储”互相协调的新能源体系[1]。能源互联网的主要特征包括：

(1)将可再生能源作为主要一次能源。

(2)充分利用互联网技术，实现能源、信息共享。

(3)大规模接入分布式发电系统与分布式储能系统。

(4)支持交通系统电气化。

目前，能源互联网在我国仍处于探索阶段，国家政策支持各种类型的新技术、新应用的探索与推广，尝试开展多种多样的能源互联网模式与业态工程示范。《指导意见》中提出，2019年至2025年，我国将在深入总结前期试点示范经验的基础上，对一些成熟可靠的技术和模式进行推广应用。国内学者近年来对于能源互联网的基本概念[2]、主要框架[3]、关键技术[4]、商业模式[5]、系统运行优化与规划[6]、信息技术支持[7]展开了探索研究。

2 能源互联网的体系架构

2.1 基本架构

在逻辑功能上，能源互联网主要由能源生产与消费层、能源与信息传输层、“互联网+”层、能源交易层组成[8]，如图1所示。

图1 能源互联网基本架构

(1)能源生产与消费层。在能源互联网中，用户同时扮演能源生产者和消费者两种角色。用户在进行能源消费的同时，用户侧的分布式能源、可中断负荷均可以视作可调度资源。

(2)能源与信息传输层。能源传输层指在协同控制基础上，具有多种电源、负荷调控手段，以经济性和安全性为目标，自适应调节网络、发电与负荷的配电网；信息传输层即园区内局域网，负责传递能源生产情况、负荷预测信息和需求侧管理调度信号等。

(3)“互联网+”层。“互联网+”层的功能包括能源大数据处理、分析，生产与消费行为的统计、分析以及信息安全保障等内容。上述功能影响着能源管理策略与能源互联网的商业模式。本层体现了互联网技术与传统能源系统的深度融合。

(4)能源交易层。能源交易层受上一层传递信息引导，淡化生产者与消费者的界限，设备、能源和服务都可以进行自由交易。通过信息与能源的高度融合不断探索新的能源商业模式。

2.2 运行方式

电力系统的“源-网-荷-储”协调优化运行方式能够广泛应用于电力系统各个行业，指通过多种交互手段，使电源、电网、负荷、储能4部分协调作用。能源互联网背景下，“源”包括石油、电力、天然气等多种资源；“网”包括电网、石油管网、供热网等多种网络；“荷”包括用户的多种能源需求；“储”包括多种能源的存储方案。整个能源供应体系以分散化模块和集中化模块两种形式体现，在分散模块达到自优化的基础上，对于集中化模块进行整体优化。

这种运行方式主要由两方面组成：(1)横向多源互补。即多种能源之间可以灵活替代，协调互补；(2)纵向“源-网-荷-储”协调。即结合能量转换技术、能源传输网络、需求侧管理、储能技术等形成一个广义的用能调控机制，不仅调控能量供应侧，将需求侧同样视作一个柔性可调的能源供应方[9]。这种运行方式涉及到的关键技术有态势感知技术、广域能源优化配置技术、多能流互补控制技术、多能源计量检测及信息交互技术以及智能云端大数据技术。

3 我国首批示范项目与分类

2017年3月6日，国家能源局公布首批示范项目，共有55个。根据申请主体的情况，55个首批能源互联网示范项目可分成7类。(1)16个电能技术企业申请示范项目；(2)9个电网企业申请示范项目；(3)9个非电领域企业申请项目；(4)7个主业为能源的企业申请项目；(5)8个园区或其代表企业申请项目；(6)4个研究机构申请项目；(7)2个政府机构。

本文从建设规模、技术类别、能源交易方式3个角度对于本次示范项目进行分类，具体分类如下：

(1)建设规模：城市型能源互联网项目和园区型能源互联网项目。

(2)技术类别：多能协同型示范项目、绿色交通型示范项目、能源大数据型示范项目和智能化生产型示范项目。

(3)能源交易方式：综合能源服务型项目和网络平台交易型项目。

4 首批示范项目的规划特点

通过审批的55个示范项目来自于不同的申请单位、公司，各个项目有不同的研究重点，通过各项目特点的分类与总结，进一步揭示了能源互联网的研究与发展方向。

4.1 能源协调与替代

能源互联网不是单一的电力网络，而是热、电、气等多种能源形式相融合的复杂网络。能源互联网中实现多能源转换的关键是是综合能源系统[10]。综合能源系统在能源生产模块方面包括了电力系统、热力系统、天然气系统，综合能源系统中供需平衡、各子系统之间耦合关系、网络约束都具有重要的研究价值[11]。应用技术有多源协同的优化调控技术、态势感知技术、协同优化控制技术等[12]。例如中宁县基于灵活性资源的能源互联网试点示范项目通过光伏、风电、生物质、余热发电、热电等多种电源互补互济，并通过园区电解铝、电解锰、县城空调、热水器、供暖等冷热电负荷调节和中断控制等手段，提升可再生能源就地消纳能力，且提出了节省煤炭69.35万t/年，减排二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物分别为70.78万t/年、11 841 t/年和6 901 t/年的具体目标。

典型的综合能源系统应包括热、电、冷、气多种能源，同时应具备储能设备，多能互补综合能源系统示意图如图2所示。

图2 多能互补综合能源系统

综合能源系统主要出现在园区型示范项目中，采取依托当地储量丰富、使用便捷的可再生能源，开展冷热电联供，对废气废水充分再利用等手段，达到提高能源持续供应能力、降低环境污染的目的。

4.2 信息能源设施一体化

“互联网+”的核心思想在于传统产业模式与相应基础设施碎片化后通过信息技术的优化重组[13]，重视能源与信息的内在关联。苏州工业园区的能源互联网试点示范园区项目通过和百度云合作，打造基于人工智能的云平台管理系统，可以提供政务、警务、工业等方面的云管理，双方将共同打造ABC创新生态，即人工智能(Artificial Inteuigence, AI)、大数据(Big Data)、云计算(Cloud Computing)相结合的一种新模式。天府新区能源互联网示范项目将大数据技术与能源系统的交互融合作为自己的项目亮点，其子项目“高品质、低能耗数据中心功能系统”将承载能源互联网的大数据平台建设，存储并处理大量的能源使用数据；子项目“分散式数据接入与智能终端”将改造原有终端用户与配电网能源使用数据的量测水平，为将来的需求侧管理提供基础。由国家电网主管、全球能源互联网牵头的基于电力大数据的能源公共服务建设与应用工程研发了面向政府、企业、电力用户的3类大数据公共服务产品。面向政府的产品包括实现能源政策评价、基于用电数据的经济形势分析、基于用电数据的社会服务与保障等数据产品；面向企业的产品包括实现基于用电数据的征信体系建设、新型配售电公司用户侧管理、促进设备制造业发展、符合电力知识逻辑结构的一站式电力知识库、支撑双创平台共享发展等数据产品；面向用户的产品包括实现家庭能效管理、分布式能源消纳、用户用电行为细分及用电优化建议等数据产品[14]。

能源互联网的信息具有分散性、多样性、大数量级、实时性等特点。能源互联网的分散协同调度与控制要求在海量数据信息中快速进行准确筛选，进行有效分析。信息与能源基础设施融合的成为了能源互联网的大趋势。目前主要采用的信息技术有能源大数据技术和云计算技术。能源大数据技术是对于多种能源、人口信息、气候信息等多领域数据进行存储、处理、融合和分析的技术[15]，对于能源互联网的优化规划、运行检修和能源交易都有着重要的作用。例如通过对于环境信息的收集，可以为风机选址提供优化方案；根据道路信息、配电网规划信息以及用户使用习惯，可以辅助确定电动汽车充电桩的位置、安装密度分布；根据用户用能信息确定不同的需求响应策略。云计算技术可以分为公有云、私有云和混合云3种[16]。公有云的安全性较低，私有云成本较高，混合云作为公有云和私有云的结合，更适于在能源互联网中应用。云计算的优势在于可以通过分布式存储、计算和调度系统对于海量数据进行存储与计算。在能源互联网中主要应用有电能质量监测、负荷预测、需求侧管理[17]。例如SUMMIN GBIRD平台利用区域电网历史负荷数据，对管辖区域内下一时段进行负荷预测；再通过可利用电源实时统计，仿真电力系统潮流，生成下一时段调度方案。

4.3 新型商业模式

2016年，国务院发改委印发了《有序放开配电网业务管理办法》，向全社会打开了配售电市场的大门。放开政策下的增量配电网和售电业务结合，有利于能源互联网对于市场环境的营造，从而激发各商业主体的积极性，打破传统意义上能源供应方和消费环节泾渭分明的鸿沟，同时将传统运营理念转变为以用户为中心的角度创造价值[18]。

临港区域能源互联网综合示范项目通过成立售电公司，搭建能源交易平台，提供售电服务，并建立分时价格体系，探索更为灵活的交易模式。蒙西高新技术工业园区研发了智慧蒙西能源运行管控及交易平台，实现“发-配-售”一体化，供需双方直接交易；并计划打开综合能源交易窗口。国网上海市电力公司浦东供电公司主导的上海国际旅游度假区“互联网+”智慧能源工程以海量用户为数据基础，建立市场成员宽泛准入的能源交易平台，同时提供定制化、专业化的能源信息增值服务。针对居民用户，开发居民社区能源服务平台，实现多种能源用能远程抄收；推广智能家居，提高可转移负荷需求侧响应参与度；针对工商业用户，则对各企业提供量身定制的合同能源管理和节能等相关服务；针对微网用户，提供基于不同发电形式、电能质量和安装容量的不同套餐服务。

可以预见，能源互联网下市场将呈现出参与主体、交易商品多元化的特性。其中参与主体将包括：(1)能源供给/消费者；(2)能源网络运营商。包括大电网与增量配电网等多种形式；(3)能源代理商。主要包括不同社会主体成立的售电公司、能源综合服务商等；(4)政府[19]。交易商品将不再局限于电力，发展为围绕电、热、气、水等多种能源的自由交易，以“焦耳”为单位计量能源消费；并将衍生出辅助服务市场、碳交易市场、发电权市场等交易形式。

目前主要的能源商业模式有合同能源管理模式(Energy Performance Contracting, EPC)、综合能源服务模式、虚拟电厂商业模式[20]。EPC模式是将节省下的能源费用支付节能项目成本，长远来看，有利于用户降低运行成本，降低环境负面影响。综合能源服务模式指将电、热、气等能源打包销售，与传统模式不同在于，除了能源供应业务，还可以提供土地增值、能源采购、虚拟电厂接入等项目，可以提供更多套餐模式，增加用户选择。虚拟电厂模式通过调用分布式能源，应用于实时交易市场，提升了交易灵活性，降低了分布式电源增长带来的调度难度[21]。本次示范项目中主要采取了前两种模式进行运营，并有以下3点共同点：

(1)注重智能化交易平台开发。用户可以通过网络、手机APP等方式进行缴费、浏览并选购能源套餐和能源服务等行为。

(2)关注用户用能行为。分析用户数据与各类用户用能习惯，并通过提供激励的手段引导用户改变习惯；针对用户的用电偏好提供多种能源套餐，扩展用户选择空间。

(3)免去中间环节。建设“发-配-售”一体化的能源运营体系，方便双方直接交易，降低成本。

能源互联网下新型商业模式核心在于互联网思维，实施重点在于将用户地位从被动接受转变为主动参与。同时，开展能源自供、能源代工、能源WiFi、能源团购、能耗顾问等多种业务[22],构建能源与服务并重的商业平台。

4.4 交通电气化

北京东润环能投资有限公司的承德市公共交通枢纽能源互联网示范项目利用承德交通枢纽上充电资源的优势，以分布式光伏对电动汽车充电，同时结合微电网和储能技术，形成独立单元。青海省新能源汽车充电设施与分时租赁创新示范工程在青海全省范围内的主要城市、景区和公路建设光储协同的电动汽车充、放、换电一体化设施，集成旅游、餐饮、无线网络服务等功能；建立基于能源互联网的新能源汽车充电设施运营管理网络，包括新能源汽车充电基础设施的建设与运营、新能源汽车分时租赁线上线下服务、用户智能充放电的定制套餐服务以及光储系统对电网辅助服务共享经济模式等；并开展了基于电动汽车能源互联网云调度、智能充放电运营模式试点。

电动汽车可以在电网中兼任负荷与电源的功能，通过实时电价或者分时电价的方式对于电动汽车的充放电活动进行引导，可以提高电动汽车与电网形成互动，同样可以起到类似于储能的调峰作用，减轻电网压力[23]。其关键技术主要是V2G(Vehicle-to-Grid)技术，电动汽车既可以当作负荷，也可以当作移动储能单元。V2G的发展将会催生电动汽车聚合商的出现。聚合商将以折扣电价吸引电动汽车加入集中充电协议，以此使电动汽车有序进行充放电过程。作为负荷，电动汽车可以起到移峰填谷的作用；作为储能单元，可以在峰荷时段为电网功能，优化电网运行。交通电气化的发展重点主要在于搭建交通能量管理系统，构成主网与交通系统之间的互动机制，从而通过电价、需求侧响应技术充分引导电动汽车充放电。

5 能源互联网的未来与展望

能源互联网已经成为了业内热点研究领域，想要进一步发挥这一新兴产物在未来生产生活中的作用，要从以下几个角度推进能源互联网的发展：

(1)各领域的深度整合

能源互联网作为跨领域的融合产物，需要进行更深层的整合，包括传统能源与新能源的整合，柔性输配电技术、智能化控制技术、远程监测与诊断技术和能源路由器等多种先进技术的整合，传统商业模式与结合网络、手机的新兴商业模式的整合。这一过程不只需要宏观层面的合理规划，还要培养、引进跨界人才，推动整合进程。

(2)能源市场的改革探索

以用户为发展驱动力。分析、总结用户的用能需求与偏好，注重服务类业务的开展。在竞争主体的产品质量、供能可靠性都大幅提高的背景下，多样化、个性化定制的服务必将会为运营主体带来明显优势。同时，参与主体增多、进入门槛降低将会引入更多社会资本的注入，提高参与模式的灵活性，也将带来更强烈的竞争，这也将激发能源市场的不断创新。

(3)支撑技术的完善

目前能源互联网仍有许多支撑技术仍处在瓶颈阶段，例如智能传感技术，该技术是物联网、大数据的基础；综合能源调度运行管理技术，可以提高能源利用效率与电网运行效率；信息物理系统，实现能源与互联网技术的交互，并提高信息与硬件的安全性；主动配电网规划运行技术；高级资产管理体系；大数据与云计算技术等。

我国的能源互联网正处在起步阶段，55个示范项目在初步建设中各有千秋，已经为我国的能源革命提供了美好前景。相信在我国的政策鼓励与各界机构的努力下，必将会迎来蓬勃的发展。