能源互联网体系架构及关键技术_严太山.docx
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1、 第 40 卷 第 1 期 电 网 技 术 Vol. 40 No. 1 2016 年 1 月 Power System Technology Jan. 2016 文章编号: 1000-3673( 2016) 01-0105-09 中图分类号: TM 72 文献标志码: A 学科代码: 47040 能源互联网体系架构及关键技术 严太山 1,程浩忠 2,曾平良 3,马则良 4,张立波 2,田书欣 2 ( 1上海电力学院 电气工程学院,上海市 杨浦区 200090; 2电力传输与功率变换控制教育部重点实验室 (上海交通大学 ),上海市 闵行区 200240; 3中国电力科学研究院,北京市 海淀区 1
2、00192; 4国家电网公司华东分部,上海市 浦东新区 200122) System Architecture and Key Technologies of Energy Internet YAN Taishan1, CHENG Haozhong2, ZENG Pingliang3, MA Zeliang4, ZHANG Libo2, TIAN Shuxin2 (1. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China;
3、 2. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion (Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education, Minhang District, Shanghai 200240, China; 3. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 4. East China Power Grid Company, Pudong New Distr
4、ict, Shanghai 200122, China) ABSTRACT: The study of building energy internet, which is featured by integration of renewable energy and internet information technology, will be the fundamental way to forge a green energy structure and improve energy efficiency. Firstly, this paper introduces the gene
5、ral research of energy internet at home and abroad, and indicates that electricity is the major energy form of energy internet and the smart grid is the carrier. Based on that, the system architecture of energy internet is studied. Secondly, the situation of sophisticated network system that include
6、s power network, transportation system and natural gas network is analyzed; coordinated planning of electrified transportation system and power network, coordinated planning of gas and power network considering various uncertain factors, combined heat and power network are proposed as the research e
7、mphases of energy internet. Finally, key technologies of energy internet are analyzed and future research directions are pointed out. KEY WORDS: energy internet; system architecture; coordinated planning; key technologies 摘要: 构建以融合可再生能源与互联网信息技术为特征的能 源互联网,建立从集中利用传统化石能源向清洁能源转变的 能源利用 体系 将 是实 现 能源结构 绿色化
8、 和用 能 高效 化的根 本途径。基于此背景下,首先介绍了国内外能源互联网的研 究现状,指出能源互联网是以电能为主体形式、以智能电网 为载体的能源互联网络,进而对能源互联网的体系架构进行 基金项目: 国家自 然科学基金项目 (51337005);国家电网公司科技 项目 (XT71-15-040)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC) (51337005); Project Supported by Science and Technology Project of SGCC (XT71
9、-15-040). 研究 ;其次,对电 力 、 交通 、 天然气等 网络的融合现状进行 分析 ,指出研究电网和电 气化交通网的协调规划 、 考虑计及 各类不确定性因素的天然气网和电网协调规划 、 热 电联合 系统等方面将是能源互联网的研究 重点;最后分析 了发展能 源互联网中的关键技术,并指出后续关键技术研究中的突破 方 向。 关键词: 能源互联网;体系架构;协调规划;关键技术 DOI: 10.13335/j.1000-3673.pst.2016.01.015 0 引言 传统化石能源的逐渐 枯竭 以及能源消费引起 的环境问题日益恶 化,缓解 能源危机和减少大气污 染已成为能源可持续发展中迫切需
10、要解决的 问题 , 因 而以集中 式利用 高碳 化能源为 特点 的传统 能源 利用模式将难以持续 。 随着 可再生能源发电技术以 及互联网信息技术的快速发展,提出构建以深入融 合 可再生能 源与互 联网信息技术为特 征的能 源互 联 网将是实 现能源 清洁替代和可持续发展 的 关键 所在 。 发展 能源互联网将从根本上改变对传统能源 利用模式的依赖,推动 传统 产业向以可再生能源和 信息网络为基础的 新兴产业 转变。 近年来 ,能源互联网 作 为信息技术与可再生能 源 技术 的产物,引起了 国内 外学者的 广泛 关注 。 2011 年,美国著名经济学者杰里米 里夫 金 第三 次 工业革命一书
11、中提出互联网通信技术与能源体 系交汇的设想 1,并认为信息技术与能源的融合将 从根本上改变能源的开发与利用方 式。 目前 ,国内 外针对能源互联网的研究正在兴起,但各 国对能源 能能源共同体 ” 计划 ,开展能源和智能电网等领 “ 106 严太山等:能源互联网体系架构及关键技术 Vol. 40 No. 1 互联网的概念理解尚未达成统一 。 2008 年,美国 “ 未 来电能传输与 管理 系统 ” (future renewable electric energy delivery and management system, FREEDM) 从技术层 面提 出了能源互联网的概念,并开展配电 系
12、统能源互联网研究 2-3。 2012 年,欧盟理事会在 “ 促 进 欧洲领跑新工业革命 ” 的研讨会上明确提出 第三次工业革命将 围绕 能源互联网而展开 。 其 中, 德国联邦政府经济和技术部在 2008 年提 出能源互 联网计划与 “ E-Energy” 理念 ,重点是将信息通信 技术和能源领域结合起来,旨在 建立一个基于信息 通 信技术、实现能源体系 数字化互联的高效能源系 统 4-6。 E-Energy” 计划在 2020 年实现在电网中覆 盖信息网络,并使能源网络中所有元素都可通过互 联网信息技术进行 协调工作 。 2010 年,日本 启动 “ 智 7 域的研究; 2011 年日本通过
13、提 供异步连接 、 协调 局 域 网内 部以 及不 同局域 网系统研 制数字 电网路由 器 ,从而统 筹管理一定范围区域内的电力, 并通 过 电力路由器调度地区电力 8-10 。 目前,日本数字电 网联 盟 已在肯尼亚 未通电 地区 开展 数字电网路由器 试验 研究。 韩国在首尔等 城市 开展 智能能源城市示 范 11,如 “ 智能首尔 2015” 等 。此外,国家电网 公 司董事 长刘振亚 在电气 与电 子工 程师 学会电力与 能源协会 2014 年会上进一步提出构建 全球 能源互 联网,并 指出能源问题 具有全局性和广泛性,只有 统筹全球 能源 资源开发 、 配置 与利用, 才能实现能 源
14、清洁 替代和电能 替代 12,保障全球 能源的高效、 可持续供应 。 相比 于智能电网,能源互联网 更加强调 多种 能 源形式间的综 合互 补 利用,是 一个以电能为主体形 式、以智能电网为主 要载体的能源生态 系统。 近年 来 国内 针对 能源互 联网的研 究已经取得了一些成 果,文献 13探讨 了能源互联网下的 新型配电网及 其相关控制,并从基本功 能、系统结构、 通信要求 3 个方面分析了新型配 电网的特 点 。 文献 14以分 布式可再生能源发电为基础 ,建立了 包含 分布 式能 源、 储能装置 、智能 终端等构成 的能源互联网系统。 文献 15建立了能 量路由器 的基本模型,指出柔性
15、 直流输 电、 直流 配电等技术是 发展 能源互联网亟需 突破 的方 向。 文献 16对能源互联网的 需求推动作 用和研究现状进行 分析 ,并建立了能源互联网的技 术框架模型 。 文献 17对柔性直流技术在 能源互联 网中的应用价值进行探讨, 并提 出柔性直流技术在 未来 能源互联网中的 2 种应 用方案 。 文献 18-19利 用复杂网络理论 ,从 宏观 结构 角度 建立能源互联网 拓扑模型 ,为 后续研究能源互联网系统的设计与优 化提供参考 。 目前的 文献 大部分都是在分析国内外 具有代表意义 的能源互联网 雏形的基础上,讨论能 源互联网的概念 、技术 框 架、 拓扑 模型以及发展能 源
16、互联网的必 要性 ,而 很少从系统的角度去研究能 源 互联网的 体系架 构以及分 析能 源互 联网中 需要 重点研究的关键 技术。 本文 首先分析 了能源互联网的内涵以及 特征, 明确了能源互联网与智能电网之间的关 系, 并 对能 源 互联网基 本体系 架构及其 能量 信息 双 向互 动进 行初步 研究。 其次 ,以电网为 枢纽 ,分别对能源互 联网体系中电气化 交通 网与电网协调规划 、 天然气 网与电网协调规划 、 热 电联合系统的研究现状进 行分析总 结, 并 指出 后 阶段 能源互联网的重大研究 方 向。 最后 ,从可再生能源 发 电技术、智能 输电网 技术、 储 能技术、互联网信息技
17、术、系统 规划分析 技术 5 个 方面 ,探讨 分析 能源互联网研究中需要解 决的 关键技术领域 ,为 后续 开展能源互联网的相关 研究提供参考 。 1 能源互联网体系架构 能源互联网的提出是 基于现 有的能源基础设 施,尝试深入融合先进的互联网信息技术和可再生 能源发 电技 术,实 现多种能 源的广域智能 优化配 置 。能源互联网的建立将 克服大规模清洁能源在接 入 、传 输和 控制 等方面的 瓶颈 , 推动清洁能源的 大 规模利用与 分享 ,实现 多种 能源的可 持续 开发 利用。 关于能源互联网概念与内涵,目 前尚 无统一全 面的明确 描述 。本 文综合能源互联网的研究背景和 当前 能源
18、互联网的研究 成果,总结出能源互联网至 少应包含 3 大特征: 1)以清洁能源作 为主 要一次 能源,传统化石能源 消费 将逐步向清洁能源的高效 利用转 变; 2)允许 大规模集中 式、 分布式发 电系 统以及储能设备的接入,允许 规模化电 动汽车接入 电网 ; 3)能 够将 互联网信息技 术应用到电力 、 天 然气等能源网络,实现 广域 能源共享 。 可见 ,能源互联网是 在现有能源供给系统以及 利用可再生能源发 电、互联网信息以 及 先进 储能等 技术的基 础上 ,以电能为主体形式,以智能电网为 载体,并与智能气 网、智能 热 网、电 气化交通网紧 密耦 合的 具有 互联 开放特性的能源共
19、享 网络。 图 1 给 出了信息 和能源 融合下的能源互联 网体系 架构 示意图 。 图 1 中:双向 箭头 表示信息流;单向箭头 表示能量流 。 由图 1 可看 出,能源互联网是 在搭建 有能源互联开放平台的基础上 ,以电网为 核心 基础 服务器 储能电池 第 40 卷 第 1 期 电 网 技 术 107 能源互联开放平台 互联信息 多能源协调 管理 系统 动汽车充电站与换电站的布局 、 车主驾驶习惯以及 充电行为将会对交通流量产生 影响 ,而 交通网的实 网络 智能气网 电转气设施 燃气发电 储气 能源 交易平台 智能发 智能 电及 热网 供热 电力网络 电气化交通网 储热 电动汽车 用户
20、 电动汽车 时流量也会反 过来影响 车主充电时间和特性 ,从而 影响 电网 正常运行 ;其次 ,在电网与天然气 网的 耦 合方面, 随着 可再生能源发电的大力推广以及 “ 页 岩气 革命 ” 不断深化带来天然气开 发成 本的下降, 燃气发电的比重将会日益增加,加上日益成熟 的电 转气 技术, 若将电转气设施与可再生能源发电机组 风 电、 光伏 发电 及储能 用户 服务器 服务器 充电站及 联合运 行,将可能进 一步推动 电网和天然气 网的 深 度 融合。此外,利用 热 电联 产 系统和可再生能源 发 图 1 能源互联网体系架构示意图 Fig. 1 Sketch of energy intern
21、et system architecture 网络设施 ,形 成一个涉及 智能电网、智能 气 网、智 能热网和电气化交通网的复杂多网流 系统。 能源互联开放平台是 一个 具备完善安全策略 且具有互联开放特性的综合信息处理平台 。 在此平 台下,互联信息网络通过在 电网、 燃气 网、 热 网、 交通网等能 源系统 范围内装设海量信息 采集 和传 感设备,采集各种能源设备运 行状 态及各能源系统 的实 时运转状 况等海量信息,并通过云计算和大数 据技术对海量 信息进行分析 处理 ,进而 搭建能源交 易平台支持各项能源交易 。 多能源协调管理系统根 据气 、 热 、电 等能源行业的运转情况 ,从系统
22、 安全 运 行、能源 价值最大 化、 多能源交易准则和法规的 角度对 多种能源 交易和 能源 资源配置 进行 协调管 理,保障能源的安全 高效 供应以及 能源互联网的 健 康发展 。能源互联网中集中式与 分布式可再生能源 发 电、 大容 量储能系统的 接入实现了能源供用关系 的灵活转换,同 时也 形成了多元市场主体并通过能 源交 易平台完 成电能交易 、可再生能源 配额交易等 业务 。 在 能源互联网中,用 户可借助能源互联网清 晰地了解需求侧能源需求状况,并借助系统控制网 络实现能源储备和能源需求的匹配,同时用户也可 参与供电供热环节, 借助 能源交易平台与分布式能 源储能开展能源在线交易
23、、转 售等业务 。 对于复杂多网流系统,由图 1 可看 出,能源互 联网由 智能电网、智能 气 网、智能 热 网、电 气化交 通网紧密耦合构成,并且网络间存有能 量流 与信息 流的双向流动 ,从而形 成一个复杂多网流 系统。 该 系 统是以电 能作为各种不同 形式能源 之 间相互转 化的 枢纽 ,电网与 交通网通过电动 汽车充放 电设施 及车主驾驶 、 充电行为相互影响 ,电网与 天然气网 通过燃 气发电和 近年来 出现 的电转气 技术 20-22 实 现能量双向流动 。首先, 在电网与电气化交通网的 耦合 方面 ,由于未来大规模电动汽车接入 电网,电 电供热技术可实现电能与热能转换,并进 一
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