能源互联网发展与关键技术

1撬动能源革命，创新能源运营——能源互联网的思考与探索2我国面临能源环境与经济发展的双重压力环境能源生产2012年空气污染造成的损失成本占GDP的3.8%3.8%No.1空气污染成为2014年两会最受关注话题1/2中国人均能源资源拥有量不到世界平均水平的一半70%70%的能源是基于不可再生的煤炭资源能源消费2.5中国单位GDP能耗是世界平均水平的2.5倍73%73%的能耗来自于工业企业我国新一轮能源电力市场化改革启动32015年3月15日，中共中央下发9号文提出”三放开一独立三加强”：放开新增配售电市场，

符合条件5类企业未来可以开展售电业务。能源互联网时代传统电网时代国家电网

南方电网输配电公司服务国家战略和利益售电公司电力体制改革方案已经通过！电网业务模式将发生不可逆革命性变化！“互联网+”带来革命性的发展机遇42015年6月24日李克强主持召开国务院常务会议，通过《“互联网＋”行动指导意见》，明确了推进“互联网＋”，促进创业创新、协同制造、现代农业、智慧能源、普惠金融、公共服务、高效物流、电子商务、便捷交通、绿色生态、人工智能等若干能形成新产业模式的重点领域发展目标（四）“互联网＋”智慧能源。

通过互联网促进能源系统扁平化，推进能源生产与消费模式革命，提高能源利用效率，推动节能减排。加强分布式能源网络建设，提高可再生能源占比，促进能源利用结构优化。加快发电设施、用电设施和电网智能化改造，提高电力系统的安全性、稳定性和可靠性。（能源局、发展改革委、工业和信息化部等负责）

5新能源技术发展趋于拐点国际风电发展迅猛来源：世界风能组织（WWEA），国际能源署（IEA）光伏成本下降迅速互联网正在颠覆企业和个人的生存模式6主机部门式个人电脑因特网社交数据来源:comScoreMediaMetrix,Worldwide,March2007–October2011.“It’saSocialWorld:Top10Need-to-KnowsAboutSocialNetworkingandWhereIt’sHeaded”Comscore,2012;Burson-Marsteller,GlobalSocialMediaCheckup2012,releasedAugust15,2012数据

成为新的自然资源社交、移动、数据推动个体崛起，形成个性化互动机制云计算正在推动平台化服务7能源互联网将带来巨大的价值挑战：能源、环境、经济的可持续发展能力：可再生能源技术和信息通信技术的迅猛发展机遇：能源互联网百年一遇的新一轮工业革命正在孕育？ ——世界产业发展趋势：第三次工业革命互联网+

新能源、新材料、新制造物理世界和

数字世界的融合是什么？8一、物理基础：多能融合能源网络

二、实现手段：信息物理能源系统

三、价值挖掘：创新模式能源运营

能源互联网的三个层级9能源生产能源存储能源传输能源转换能源消费一、多能融合能源网络10能源融合能源网络以电力网络为主体，并融合有气、热等网络，覆盖整个能源链：能源融合依赖于高度可靠、安全的主体网架（电网、管网、路网），并具备柔性、可扩展的能力，支持分布式能源（生产端、存储端、消费端）的即插即用。一、多能融合能源网络——能源转换1111电动汽车交通网电力网热力网组成元素可控负荷燃烧锅炉热电耦合燃料汽车热源负荷不同类型能源的转换（切换）：不同承载方式的能源的转换（变换）：一、多能融合能源网络——局域能源网12能源消费能源存储能源生产外部能源燃气公司热力公司工商业居民电网公司光伏燃气发电冷热联供储能蓄冷/热垃圾/沼气发电风力局域能源网电能自供率新能源占比综合能源利用效率大幅度提升一、多能融合能源网络——广域能源网13以局域能源网为基本节点，以电网、管网为广域骨干网架。二、信息物理能源系统14物联网、大数据、移动互联网等信息技术的飞速发展，可为涵盖能源生产、存储、传输、转换和消费整个能源链条的效率、经济、安全提供有效支撑价值示例：早期的试验显示在家庭中引入能源显示器后能源消耗降低4-15%价值提升：信息获取

优化管理创新运营提升体验来源：IBMInstituteforBusinessValue(IBV)analysis传统能源

价值链能源互联网

价值链最终用户能源分配能源销售能源传输能源生产电子设备与器材最终用户能源生产分布式能源信息服务信息设备业务服务信息能量流信息流业务流能源分配能源销售能源传输电子设备与器材二、信息物理能源系统——智能电网是迈出的第一步15电能流信息流调度中心发电厂输电网变电站配电网用户火电水电核电风能太阳能电能交易中心分布式发电智能电表电网与用户互动风能、太阳能等清洁能源的大规模利用新型IED大量的数据采集新型IED大量的数据采集交易电量交易电价用电量分时电价机组出力交易电量电网状态电网控制电网状态电网控制电量用户侧电网状态电网状态电网状态电网状态新能源接入增加了电网调度的复杂性利用电价机制平衡和调节能量过程来源：IBM二、信息物理能源系统——价值不断提升16valueSource:IBMCenterforAppliedInsights创新运营Furtherdeepen

theinsightbyapplyingintelligencetocollectedcustomerandbusinessinformationIncreasecredibility

inthemarketplacethroughintroduction

ofmoreintuitiveandrelevantproduct

andservicesExtendthevalue

oftheproductviaintroductionofnewvalue-addservicesGainnewinsightsthroughcollecting

andstandardizingdata优化管理提升体验信息获取leadingexploringmaturityovertimeVision:Customer

IntimacyTheJourneytoSmarterProductandServiceInnovation三、创新模式能源运营17平台拥有者应用供应商设备供应商创造价值(实物设备)能源管理服务供应商终端用户创造价值（产品和服务信息）创造价值(能源管理的专家知识)非能源零售商Source: IBMInstituteforBusinessValue(IBV)创造价值（连接买家）创造价值(应用)创造价值（连接买家）市场营销价值信息资金应用三、创新模式能源运营——各种各样的多方平台18能源互联网本质特征19能量流和信息流融合，能源链实现资源和信息共享能源具备商品属性，通过市场化激发所有参与方的活力，形成创新商业模式。能源营销电商化、交易金融化、投资市场化、融资网络化。多能互联、协同调度，提升能源系统整体效率；提升资金利用效率与资产利用率盘活能源存量，支持即插即用，利用虚拟发电厂等方式提升资源利用效率，延缓能源生产、传输建设需求能源生产从集中式到分布式到分散式实现泛在，能源单元之间对等互联，能源链多方参与共赢，支撑万众创新能源

互联网能源

协同化能源

信息化能源

虚拟化能源

众在化能源

商品化能源

高效化高效包括效益、效用和效能。风能、太阳能等多种清洁能源接入保证环境效益、社会效益。以用户（能源生产者、消费者、运营者、监管者）效用为本。推动能源系统的整体效能能源互联网关键技术20能源

互联网能源

协同化能源

信息化能源

虚拟化能源

众在化能源

商品化能源

高效化体现能源互联网特征，多技术集成开发应用海量信息采集能量信息传输信息物理能源系统融合技术能源信息双向互动平台…………能源交易平台能源互联网金融技术…………多能流能量管理分布式协同控制电动车网协同热电转换能气转换…………虚拟发电厂电池云能源网络虚拟化技术…………能源大数据技术需求侧互动能源路由器无线电能传输技术分布式发电电动汽车港口岸电…………直流电网高温超导材料大功率电力电子器件新能源发电云平台储能技术…………能源协同化示例21461MW336MW125MW27%的负荷削减光伏发电冷热电三联供储能设备需求侧响应协调优化、负荷重新平衡柔性直流技术能源虚拟化示例巨量的电动汽车和各类电池可以作为电网的低谷负荷和分布式储能参与需求响应。将有可能成为能量互联网化运营（VPP）的核心开放分布共享高效VPP分布式发电电厂电动车通信充电桩数据中心能源信息化——能量、信息传递的融合电力光纤电力载波能源信息化——能量、信息分配的融合能量路由器路由器能源信息化——能量、信息接入的融合能量网卡网卡做什么？26智慧城市能源互联网27冷热电三联供相变储能电动汽车、需求侧响应等可调控负荷柔性直流技术太阳能光伏发电能源需求能源互联网融入城市规划、建筑设计、交通体系中，实现城市的低碳化；能源互联网的云平台，对城市的能源使用、碳排放和污染物排放进行监测，实现碳交易、电力交易、节能量交易，以及生态补偿。能源互联网能够实现四网合一，提供信息通讯、家政医疗、远程教育、电子商务等服务。能源互联网能够支撑智能家庭、智能楼宇、智能小区、智慧城市建设，推动生产生活智慧化。能源互联网进一步与天然气网、供热(冷)网、水网和气象网协同，形成高效、互动的智慧能源网。智慧城市能源互联网28智慧城市能源互联网29节能产业建筑节能工业节能交通节能供能产业外部能源接入分布式光伏、储能燃气冷热电联产基础设施智能建筑、充电设施能源服务需求响应新能源动车能源治理售电公司PPP综合交易平台互联网对于能源互联网的发展借鉴30大数据催生能源互联网新生态31能源互联网大数据平台信息-物理耦合系统大能源系统的数据传感与采集以数据支撑能源互联网的生态化运营基于大数据深度分析能源系统的消费与生产行为基于大数据支撑平等开放、多边参与的能源交易体系状态传感器信息传感器气象传感器基于大数据的知识发现基于大数据的能源交易体系基于大数据的生态化能源互联网设备光伏风能家庭能源营销电商化32传统电力营销方式电商化电力营销方式能源交易金融化33传统电力交易方式金融化电力交易方式能源投资市场化

34电网投资电源投资能源融资网络化35传统电力融资方式：银行贷款银行新型电力融资方式：网络化融资用户通过参加电力融资折抵电费更多商业模式产生36随着能源产业的发展，从低效率向高效率的过程中，将会涌现非常多的商业模式，甚至出现颠覆性的商业模式。能源互联网的每个产业链条与互联网相结合，都可以产生各式各样的商业模式。互联网思维在能源互联网商业模式中的体现37（1）最上游的材料及设备领域，会产生如“找钢网”这类B2B产业垂直电商。（2）能源生产领域，会产生各种基于大数据的第三方工业节能商业模式。（3）能源生产的产品领域，会产生电子交易所这类B2B现货交易平台和期货交易平台。（4）能源消费领域最具想象空间，会产生各种类型的O2O商业模式（B2B，B2C，C2B，C2C，监控节能类、方案解决类、交易类）。（5）每个产业链条，都会产生基于大数据的第三方专业解决方案商业模式。（6）具有稳定现金流的能源资产领域，会产生基于资产证券化的互联网金融商业模式（P2P、众筹等）和基于交易的O2O平台商业模式。典型互联网思维下的能源互联网商业模式案例38案例一：2014年上市的节能创新公司OPOWER，向用户提供定制化的用能管理与节能建议，账单亮点在于“邻里能耗比较”，除了分析本用户用电数据，还有相近区域内最节能的那20%的用户耗能数据，并据此提出建设性的节能方案，从心理学出发。案例二：以Opower、Autogrid、远景能源为代表的为电网和用户提供服务的公司是完全依托能源互联网而出现的新型商业模式：通过挖掘能源大数据，为客户开发能源管理系统和营销创新等定制化服务，将大数据转化为商业价值。案例三：阿里与光伏逆变器龙头阳光电源签署合作协议，为客户提供基于阿里云计算平台的智慧光伏变电站设计、建设、智能运维等相关服务。通过阿里云提供的海量计算、存储和网络连接能力，“智慧光伏云”可以为用户建立标准化、精细化的运行维护管理平台，实现旗下所有光伏电站的实时标准数据信息共享、自动化管理、电站设备故障预警、远程专家咨询和大数据分析、收益结算、知识库建设等功能。国家能源互联网行动计划即将制定39清华大学能源互联网创新研究院

40清华大学能源互联网创新研究院41清华大学能源互联网创新研究院成立于2015年4月24日。研究院以推动我国能源互联网科技与产业发展为目标，充分吸纳校内外能源相关领域的优势科研力量，大力推动学科交叉融合，开展能源互联网核心技术研究，力争攻克关键前沿科技难题、取得突破性创新研究成果。清华大学能源互联网主要研究方向42能源仿真与调度新型电力电子器件分布式发电与可再生能源先进储能与电动汽车能源电力大数据能源战略与市场电工新材料直流电网能源互联网的关键科学技术创新43能源互联网基础研究能源互联网关键技术研究能源互联网应用研究宏观战略与政策设计体系架构设计产业发展政策能量流骨干网架能量管理：新一代能量管理系统能量流传输：直流暂态分析与保护、新型VSC换流器、直流断路器、直流变压器、直流电缆、超导电缆能量流控制：能源路由器能量缓冲：

大容量储能信息流架构信息采集：终端传感器与传感网络信息分析：电力大数据处理信息应用：互动交易平台应用：节能低碳电动汽车接入大型数据中心节能用户侧能量交易服务能源传输节能：网络能源消费节能：产业……基础研究：新型传感器件大容量低成本储能大功率电力电子器件新型能源生产形式高温超导材料市场运营机制用户互动模式国家能源互联网战略预研课题44目标及定位区域现状与规划情况现状能源供应与需求分析能源互联网应用技术可行性研究多源网络规划建设方案智慧用能规划与设计能源互联网运营模式设计能源互联网管理运维方案能源互联网经济与效益分析0.智慧城市（园区）能源互联网总体设计与规划45清华大学能源互联网创新研究院EnergyInternetResearchInstitute,TsinghuaUniversity1.多能流能量管理

多能流EMS为多能流系统的运行提供一套完整的智能运行管理解决方案，支持电、热、冷、气等多种能源形式的综合能量管理与运行控制，并支持需求侧响应的实施，确保多能流系统的安全、高效运行，帮助用户实现最佳的经济效益，提升运行水平和竞争力。1.多能流能量管理

多能流EMS包括跨平台的支撑平台、SCADA系统及其他应用子系统，可以为用户提供便捷的可视化操作界面，能够让用户时刻掌握系统的运行状态，采用最先进的理论和最前沿的成果，使系统运行在最佳状态，满足用户多样化需求。1.多能流能量管理多能流安全预警与风险评估多能流灵敏度分析多能流N-1扫描与评估多能流安全校正控制多能流优化调度控制多能流负荷预测分布式光伏出力预测多能流优化调度（日前、日内、实时）多类型储能的协同优化调度多能流需求侧管理用户实时负荷监控需求侧数据分析需求侧互动平台需求管理增值服务多能流故障自动恢复决策多能流故障计算与分析多能流故障自动恢复决策多能流故障重演GIS平台图形文件管理设备查询视图浏览空间分析公共操作支撑平台分布式数据库管理系统图形及人机界面系统在线事件处理系统自动诊断系统WEB浏览子系统多能流SCADA实时数据采集和处理控制和调节事件和告警处理网络拓扑着色事件追忆SOE功能多能流实时建模与状态感知网络拓扑分析可观测性分析伪量测量生成与处理网络拓扑错误辨识状态估计与坏数据辨识参数辨识与估计1.多能流能量管理——风电场功率预测与控制49有效提升电压合格率。推广应用5个网省级控制中心和30个风电场覆盖风电装机超2500万千瓦(占全国总量27%)清华大学能源互联网创新研究院EnergyInternetResearchInstitute,TsinghuaUniversity用户零售竞争：为各类消费者提供了一个互动的、竞争的、公共的电能比价、交互平台，完全独立于电网物理平台，使用户的电能交易、消费行为呈现全新形式。打通电能的供应、交易与消费环节，实现电能的零售竞争能源供应能源交易能源消费市场运营机制：以全新的运营体制与商业模式，激活能源领域的交易、投融资等产业，吸引金融资本与广泛的市场参与、促进产业融合、催生各种专业化的服务与企业、创造就业与产业机会、提升用户服务体验。2.多能交易平台电力零售交易平台发电集团独立配售企业节能服务公司产业园社会资本配电设备企业大工业用户商业用户小用户代理零售商终端用户B2C模式B2B模式双边合约电子拍卖集中撮合标准合约价格套餐互动交易2.多能交易平台电力零售交易平台电量电力衍生品双边协商标准合约集中撮合金融产品零售店现货市场二级市场本地电厂分布式电源地区其他电厂零售商中小用户购电代理本地大用户信息发布合同管理交易出清价格计算结算管理账单服务交易分析便民服务交易平台的功能模块2.多能交易平台我国电动汽车发展趋势3.电动汽车——基础设施布局优化规划与运行53基础设施布局优化规划电动汽车基础设施布局优化规划为国家制定电动汽车发展战略提供核心技术支撑。2014年，新能源车7.48万辆，世界第二。北京小客车指标12万，新能源汽车3万；国家能源局规划2020年新能源汽车500万辆。植入体内医疗器械消费类电子产品电动汽车无线充电空间太阳能电站3.电动汽车——无线充电技术13功率5kW，距离20cm，效率95.4%无线电能传输的应用前景5kW无线电能传输实验样机3.电动汽车——移动式充电桩和电源系统55现有充电系统移动式充电系统（大容量移动电源）克服目前充电桩部署中的问题（线路改造，场地，运维，成本等），利用电厂的剩余产能，将公路网变成电网3.电动汽车——电池管理系统56方向一：电池网络系统架构与模块化设计方向二：电池网络成组核心技术方向三：原型系统与实车测试支撑指导安全性控制耐久性控制SOC估计数据监测…4.直流能源互联局域网57基于能量互联网思想，形成室内-楼宇-社区多层次全融合分布式户用光伏发电、直流家电、家庭储能、智能家居等先进技术理念分布式户用光伏楼宇能量管理系统室内直流供电智能绿色家居系统信息网关控制线信息线社区综合能量信息管理平台清华大学能源互联网创新研究院EnergyInternetResearchInstitute,TsinghuaUniversity4.直流能源互联局域网——楼宇分布式户用光伏发电及能量管理58针对我国居民社区多以高密度分布的高层居民建筑为主的特点，采用集中连片建设实现高效紧凑型户用发电系统；楼顶光伏系统输出通过高压直流母线下引，为楼宇中各住户提供直接直流供电入口；以建筑楼宇为单位进行规模化分布部署，通过分布式能量管控技术实现各楼宇间信息和能量的互联共享，构建新的应用模式清华大学能源互联网创新研究院EnergyInternetResearchInstitute,TsinghuaUniversity4.直流能源互联局域网——绿色家居59电视机、计算机等IT设备本身需要直流电流驱动，目前交流转直流的供电方式带来10-20%的能量损耗基于太阳能、风能等的分布式发电技术推动了家庭直流供电技术的发展，直流家电是发挥家庭直流供电技术优势的关键因素直流变频、直流无刷电机等直流技术能够显著提高空调、冰箱、洗衣机等高能耗家电的节能效果家庭储能是实现家庭新能源发电、峰谷电价、绿色用电的基础，其可减少家庭的电费支出，缓解日益突出的城市用电紧缺局面4.直流能源互联局域网——绿色家居60电网DCDC直流母线交流母线双向信息流（支持无线或有线接入）DCDC传统交流家电DCDCDCDCDCDCDCDC直流家电储能设备智能网关能量管理家庭用电管控能量调度用耗电信息统计储能状态获取互联网信息电价变化规律天气预报电力供需用户交互信息用电方式设置用电目标设定用户实时查询能量路由器4.直流能源互联局域网——社区综合能量信息管理平台61构建社区能量信息分析与管理平台，为社区管理者以及用户提供实时的光伏系统运行信息、用户用电和需求信息，通过用户信息反馈优化调整系统运维决策，并通过引入移动互联网和社交网络等手段实现用户侧的的自发式能量优化管理。楼宇侧能量信息采集社区能量信息分析与管理用户侧信息交互与共享4.直流能源互联局域网——核心设备622014年，863项目支持研制出高性能混合式直流断路器2009年开始研究电力电子变压器，2014年进入样机生产阶段能量路由器，预计2020年行业年产值可能达百亿美元打破了ABB、ALSTOM等外国公司的技术垄断直流断路器电力电子变压器能量路由器5.绿色通信和计算63主要创新点端：1)提出基于通用数学模型电池建模；2)提出终端能量感知的跨层能效优化方法；3)搭建试验系统管：1)提出能量多元化与状态非确定环境下的能耗波动模型建模;2)提出能量不确定情况下的柔性组网技术；3)搭建智能微电网仿真平台云：1)分布式供电系统与关键技术;2)云计算能耗监控系统平台建设基于风光互补的分布式能源系统的绿色通信和计算平台：搭建一系列实物或半实物仿真平台，支撑先导项目研究并作为能量互联网研究基础性平台中科院声学所高性能网络实验室清华大学能源互联网创新研究院EnergyInternetResearchInstitute,TsinghuaUniversity5.绿色通信和计算——基于分布式UPS储能系统的虚拟化节能技术64应用场景：数据中心内迁移通过把部分虚拟机迁移到靠近空调出风口的服务器上，不仅可以整合计算资源，降低服务器能耗，还能节省制冷资源，降低空调能耗。HypervisorHypervisorHypervisorHypervisorHypervisor服务器使用数量：42；空调使用数量：215.绿色通信和计算——基于分布式UPS储能系统的虚拟化节能技术65应用场景：数据中心间迁移通过把部分计算任务（虚拟机）迁移/调度到使用可再生能源的数据中心，可降低电网电能的消耗，提高可再生能源使用率，进一步节能减排。HypervisorHypervisorHypervisorHypervisor6.能源大数据66设备种类多：变压器、断路器、架空线路、电缆、可再生能源、存储设备……数据类型多：电压、电流数据、缺陷/故障数据、电网数据、用户能量需求数据、电能质量数据、气象数据、地理数据、天然气管道数据、可再生能源发电数据、通信网络数据……来源多：生产管理系统、能源管理系统、调度管理系统、交通管理系统、智能巡检系统……维度多：时间、空间、信息、能量、交通……数据量大：TB、PB……时延要求跨度大：从ms到天能量信息设备信息网络信息用户信息运营管理服务增值业务创新如何有效利用？6.能源大数据——基于多维异构数据的能源互联网系统状态检测67感知整合可视化故障定位及综合展现故障类型分析及辅助决策在线监测系统生产管理系统智能电表电网GIS气象预警系统测量数据（能量流、信息流、交通流）多媒体数据（图像、视频等）基础数据、历史数据（设备类型、设备台账、巡视、检测、检修记录、试验报告、运行日志等）用户能量需求数据地理空间数据气象预报数据数据挖掘、文本挖掘、图像处理、模式识别、机器学习、高维统计信号处理依据历史数据的故障预判分析预测故障原因分布多雷达图故障热点地区分布