从智能电网到能源互联网

TIME\@"yyyy/M/d"2015/10/3从智能电网到能源互联网美国著名学者杰里米•里夫金在其新著《第三次工业革命》一书中,首先提出了能源互联网的愿景,引发了国内外的广泛关注。里夫金认为,能源互联网应具有以下四大特征:①可再生能源为主要一次能源;②支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入;③于互联网技术实现广域能源共享;④持交通系统的电气化(即由燃油汽车向电动汽车转变)。 从上述特征可以看出,里夫金所倡导的能源互联网的内涵主要是利用互联网技术实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调;最终目的是实现由集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变。 但由于能源互联网的概念刚提出不久,其定义、架构、组成和主要功能都还需要不断完善。本文首先试图给出能源互联网较为明确的定义,并简单讨论其架构、组成以及和“智能电网”的联系与区别。最后,从广域内分布式设备的协调与控制、电力系统与交通系统的融合、电力系统与天然气网络的融合、信息物理建模及安全等几个方面,探讨了能源互联网研究中可能面临的主要挑战。能源互联网的基本概念、架构及组成 里夫金在《第三次工业革命》一书中提出的只是能源互联网的愿景,并没有给出能源互联网明确而严格的定义。里夫金认为,能源互联网应当包含以下五大主要内涵：支持由化石能源向可再生能源转变、支持大规模分布式电源的接入、支持大规模氢储能及其他储能设备的接入、利用互联网技术改造电力系统、支持向电气化交通的转型。 能源互联网是以电力系统为核心,以互联网及其他前沿信息技术为基础,以分布式可再生能源为主要一次能源,与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统。能源互联网的基本架构与组成元素如图所示。从图可以看出,能源互联网事实上由4个复杂的网络系统,即电力系统、交通系统、天然气网络和信息网络紧密耦合构成。 能源互联网与智能电网有很多相似之处，是智能电网概念的进一步发展和深化。然而能源互联网与智能电网也是存在重要的区别，包括：①智能电网的物理实体主要是电力系统，而能源互联网的物理实体由电力系统、交通系统和天然气网络共同构成；②在智能电网中，能量只能以电能形式传输和使用；而在能源互联网中，能量可在电能、化学能、热能等多种形式间相互转化；③目前，智能电网研究对于分布式发电、储能和可控负荷等分布式设备主要采取局部消纳和控制。在能源互联网中，由于分布式设备数量庞大，研究重点将由局部消纳向广域调转变；④能电网的信息系统以传统的工业控制系统为主体，而在能源互联网中，互联网等开放式信息网络将发挥更大作用。广域内分布式设备的协调与控制（1）广域内分布式设备的协调优化 目前针对分布式电源与储能等设备的研究主要是从智能配电系统或微网的角度出发，关注重点在于如何实现配电系统或微网内功率的平衡与局部优化。随着电力系统内分布式电源不断增多，不论从经济性还是安全性的角度看,仅仅对分布式进行局部协调都是不够的。因此，能源互联网研究的重点之一是扩大电力系统的互联范围。（2）广域负荷侧控制 考虑到能源互联网内可再生能源将占有很高比例，对大量可控负荷的协调控制将尤其重要。而现有的负荷控制方法的主要缺点在于常常以牺牲用户的便利和舒适程度为代价。要实现非中断性负荷控制，需要对用电设备的特性、周边环境和用户的主观偏好等信息有比较准确的把握。因而,大数据分析与云存储技术将是实现非中断性负荷控制的关键。（3）分布式设备的即插即用 考虑到能源互联网中分布式设备，尤其是可控负荷数量庞大，其接入系统的问题完全由电网公司进行人工规划和设计显然已不现实。这要求能源互联网必须具有极强的可扩展性。这要求能源互联网具有支持分布式设备即插即用的能力。从技术层面上讲，能源互联网的即插即用接口包括物理与信息两个方面。电力系统与天然气网络的融合 作为最重要的一次性能源之一，天然气在未来能源消费中所占比重有望明显上升。因此，未来的能源互联网将是天然气网络与电力系统高度耦合的产物。由于针对气电协调规划的研究最近几年才开始，尚有很多问题值得研究： 首先，由于天然气网络、燃气发电厂和电力网络通常由不同的实体负责运营，因此无法强制要求这些实体执行协调规划结果。 其次，由于气电协调规划问题涉及包括监管机构在内的多个不同的市场参与者，因此有必要利用博弈论研究市场参与者之间的博弈行为和相互影响，尤其是研究监管机构如何通过合理设计政策来引导其他市场参与者的投资决策。 最后，随着燃气发电比例上升，天然气网络对于气电网络融合研究的另一个重要课题是：能源中心和耦合矩阵。基于能源中心和耦合矩阵的概念，可以将气电网络协调运行问题进一步扩展到多能源网络的协调运行问题。电力系统与电气化交通系统的融合 交通行业是除发电行业之外的另一化石能源消耗大户。近年来，随着电池技术的逐渐成熟和成本的不断下降，以电动汽车为核心的电气化交通正在快速发展。可以预见，以电动汽车为纽带，电力系统与交通系统的耦合程度在未来将不断加深。 现有研究工作主要是从电力系统的角度出发，并没有系统考虑电动汽车作为一种交通工具所具有的行为特征，尤其是无法适当描述电力系统与交通系统之间的交互影响。随着电气化程度的加深，未来交通系统与电力系统将逐步由相互独立演变为高度耦合。 首先，建设充电设施的目的是向车主提供充电服务，因此充电设施规划必须考虑交通网络的结构、道路车流量、车主的便利程度等因素。 其次，充电设施的选址会影响车主的日常驾驶行为，从而最终影响交通网络的流量分配。 最后，充电设施的选址和定容会影响电力系统负荷的时空分布。因此，充电设施规划有必要与电力系统和交通系统的规划协调进行。 目前，就充电设施规划问题国内外已做了一些初步研究工作，但一般仅针对给定的交通网络结构、道路流量、充电需求和配电系统容量来设计规划方案，而没有系统地考虑充电设施、交通系统和电力系统之间的复杂交互影响。总之，充电设施规划的研究目前还有很大的发展与完善空间。在此基础上，进一步深入探讨交通系统与电力系统的复杂交互影响，并发展交通系统与电力系统的协调规划方法，是非常值得研究的重要课题。能源互联网的信息物理建模及安全性信息质量及能源互联网的信息物理建模 建立能源互联网的最终目的是协调广域内的海量能量生产与消耗设备。信息在各种设备之间有效的双向传递是实现协调的基础，前沿信息技术在能源互联网中将发挥不可替代的关键作用。因此，很有必要深入研究信息系统的信息质量对于物理系统性能的影响。对能源互联网内信息与物理系统之间的交互研究可以从3个方面进行。 首先，需要研究信息系统与物理系统的统一建模理论，这种新的建模方法称为信息物理建模。 其次，需要结合物理系统及其调度与控制功能的特性，研究信息质量的评估方法。 最后，可以在上述研究的基础上，发展与物理系统相适应的信息系统规划与运行方法。 能源互联网的信息物理安全性 随着信息系统与一次能源系统的融合不断加深，能源互联网的信息安全问题将逐渐凸显。网络攻击并不能直接对物理系统造成破坏，但可能削弱甚至完全破坏信息系统的正常功能。由于能源互联网内的物理设备的控制与相互协调在很大程度上依赖信息系统，因此针对信息系统的攻击就有可能导致能源互联网内发生多种复杂的物理交互过程，并最终威胁整个系统的安全。 信息物理安全性是能源互联网研究的核心内容之一。作为未来社会最重要的基础设施，能源互联网的安全一旦遭到破坏，后果将难以估量。以下几个方面的研究工作值得重点关注：①网络攻击和信息系统故障对于系统动态安全的影响可能更为显著；②物理系统故障和信息系统故障可能同时发生，要分析其复杂的交互影响机理，需要将信息安全和物理安全置于统一的理论框架下进行研究；③应该如何量化信息物理安全性，没有一个广泛认同的方法；④针对不同类型的网络攻击手段和信息系统故障，还需要深入研究相应的信息物理安全防护手段，以及防护手段之间的相互协调；⑤现有的信息物理安全研究所关注对象主要是电力系统，而能源互联网由电力系统与天然气、交通等其他复杂系统共同构成，因此对于信息系统故障将如何影响能源互联网这样复杂的多网流系统，还需要进行系统而深入的研究。结语能源互联网是以电力系统为核心，以互联网技术和新能源发电技术为基础，并结合了交通、天然气等系统构成的复杂多网流系统。建立能源互联网的主要目标是利用互联网技术推动由集中式化石能源利用向分布式可再生能源利用的转变。作为第三次能源革命的核心技术