能源互聯網將代表未來信息與能源-電力技術深度融合的必然趨勢、是新一代工業(yè)革命大潮的重要標志、是智能電網的重要組成部分和未來發(fā)展前沿。能源互聯網借鑒互聯網思維和理念構建新型信息-能源融合“廣域網”，它以大電網為“主干網”，以微網、分布式能源等能量自治單元為“局域網”，以開放對等的信息-能源一體化架構真正實現能量的雙向按需傳輸和動態(tài)平衡使用，因此可以最大限度的適應新能源的接入。本文在介紹能源互聯網的基本概念、內涵與外延的基礎上，分析了需要重點解決的關鍵技術問題，即能源互聯網總體架構與標準體系、能源互聯網組網與互操作模型與技術、能源互聯網建模、仿真與分析技術、能源互聯網運行與控制裝備與技術、能源互聯網的安全防護、質量監(jiān)督與認證體系、能源互聯網量測、評價與技術經濟分析。

　　1. 能源互聯網概念及范疇

　　1.1 基本概念

　　能源互聯網是以互聯網思維與理念構建的新型信息-能源融合“廣域網”，它以大電網為“主干網”，以微網、分布式能源等能量自治單元為“局域網”，以開放對等的信息-能源一體化架構真正實現能源的雙向按需傳輸和動態(tài)平衡使用，因此可以最大限度的適應新能源的接入。雖然能源形式多種多樣，電能源僅僅是能源的一種，但電能在能源傳輸效率等方面具有無法比擬的優(yōu)勢，未來能源基礎設施在傳輸方面的主體必然還是電網，因此未來能源互聯網基本上是以互聯網式的電網為樞紐構成的能源-信息系統。

　　能源互聯網基本架構如圖1所示。微網、分布式能源等能量自治單元可以作為能源互聯網中的基本組成元素，通過新能源發(fā)電、微能源的采集、匯聚與分享以及微網內的儲能或用電消納形成“局域網”。能源互聯網是此基礎上的廣域聯接形式，作為分布式能源的接入形式，是從分布式能源的大型、中型發(fā)展到了任意的小型、微型的“廣域網”實現。大電網的形成有其必然性，在傳輸效率等方面仍然具有無法比擬的優(yōu)勢，將來仍然是能源互聯網中的“主干網”。微網或分布式能源接入、互聯和調度靈活但存在供電可靠性較高等問題，大電網供電可靠性較高但尚難以適應大量新能源的靈活接入和雙向互動，能源互聯網可以起到銜接作用，綜合兩方面的優(yōu)勢。能源互聯網是采取自下而上分散自治協同管理的模式，與目前集中大電網模式相輔相成，符合電網發(fā)展集中與分布相結合的大趨勢。

　　圖1 能源互聯網基本架構

　　1.2 內涵與外延

　　能源互聯網的內涵是以互聯網思維和理念變革能源基礎設施。如果說智能電網還是現有電網架構上通過信息化和智能化的手段，解決設備利用率，安全可靠性、電能質量等基本問題；而能源互聯網的關鍵性拓展在于采用互聯網理念、方法和技術實現能源基礎設施架構本身的重大變革，使得能量的開放互聯與交換分享可以跟互聯網信息分享一樣便捷。能源互聯網區(qū)別于傳統能源基礎設施的本質特征包括：

• 開放

　　互聯網實現信息的隨時隨地接入與獲取，主要取決于開放式的體系結構。能源互聯網要實現開放性，需要可再生能源和儲能、用能裝置的“即插即用”。能源互聯網的發(fā)展要借鑒互聯網的發(fā)展方式，走標準先行、應用驅動，進一步帶動產業(yè)和市場發(fā)展的道路。

• 互聯

　　“局域網”與“廣域網”的本質不同在于“廣域網”必須解決規(guī)�；�開放互聯的問題，這就需要簡潔易行的標準協議作為基礎。“局域網”內部可以進行多種能源形式的轉換，可以進行風光儲用的平滑與協調，但“廣域網”的互聯必須是建立在局域消納的基礎，形成簡捷的能量交換方式，才可能實現大規(guī)�；ヂ�。

• 對等

　　同傳統電網自頂向下的樹狀結構相比，能源互聯網的形成是能量自治單元之間的對等互聯。任意單元之間的連接是邏輯上的，真正的實現必須建立在分散路由的基礎之上。能量的傳輸應該是多次路由的結果，其間是解耦的，進而可以避免一系列安全穩(wěn)定性問題；同時傳輸路由路徑之間可以是動態(tài)互為備用的，在保證冗余和可靠性的同時不降低系統的利用率。

• 分享

　　分布、分散與分享也是能源互聯網的主要特征，原來僅依賴于中心調度與管理的功能可以采用分散-協調的方式來更高效地實現，而“局域網”（如微網）的監(jiān)控甚至可以采用沒有“中心”的對等模式。借鑒互聯網應用中借助社交網絡的信息分享機制，能源互聯網中各局域網間的能量交換與路由也都是就近實時動態(tài)進行的，以分散式局部最優(yōu)和高效的全局協調來實現電網整體能量管理的調度優(yōu)化。

　　能源互聯網的外延在于信息物理融合，真正實現信息能源基礎設施的一體化。信息基礎設施與能源基礎設施發(fā)展的內在動因決定了信息能源基礎設施走向融合一體化發(fā)展的道路。未來信息基礎設施以數據中心為核心，通過高速通信網絡相連接，同時支持物聯網和移動互聯網的接入，其發(fā)展過程中遇到了明顯的能源瓶頸；同時，智能電網與能源互聯網的發(fā)展對信息化、智能化的要求越來越高，迫切需要新一代信息技術的支撐。信息能源基礎設施之間的功能、性能等方面的互補性也為其融合一體化提供了經濟可行性。

　　1.3 概念的演進

　　1.3.1 分布式可再生能源

　　能源可持續(xù)發(fā)展是當前擺在人類面前最重要的難題。目前人類處于工業(yè)化社會，需要大量的能源，但使用的能源主要是化石能源，這種能源不具有可持續(xù)性，有不可再生的局限，存儲總量有限，且會對環(huán)境造成破壞，如碳排放、溫室效應等。同時，由于經濟的發(fā)展和社會的進步，能源的需求還在進一步加大，此矛盾導致了化石能源價格的不斷激增，會對人類社會特別是發(fā)展中國家的發(fā)展帶來很大阻礙。為了擺脫社會發(fā)展對化石能源的過度依賴，可再生能源的發(fā)展提供了徹底解決能源可持續(xù)發(fā)展的希望。

　　分布式能源是指分散存在且易于利用的各種類型的能源，包括可再生能源（如太陽能、生物質能、風能、水能、波浪能等）和可方便獲取的化石類燃料（如天然氣），將這些能源轉換為電能充分加以利用，實現對用戶的分布式供電，有助于提升能源的利用效率，更好地滿足用戶的能源需求。在分布式能源中，可再生能源不會對環(huán)境造成影響，可以被重復利用，具有可持續(xù)的特點。由于以上特點，分布式可再生能源受到了各國能源專家的重視，被視為替代傳統能源的可靠途徑。

　　1.3.2 智能電網和微網

　　盡管分布式可再生能源具有可持續(xù)可再生的特點，該種能源大多具有能量輸出不穩(wěn)定的特點，如太陽能受限于太陽光的強弱，風能受限于風力的大小。同時由于其分布式的特點，大量能源節(jié)點的無序接入將對電網穩(wěn)定運行產生很大的影響，會產生不必要的擾動，甚至導致整個電網的崩潰。因此，需要采用一定的設備和結構形式對分布式能源的接入進行處理，而智能電網和微網技術為解決這一問題提供了新的契機。微網為中小容量分布式能源接入提供了一種新的結構形式，可有效的解決分步式能源的接入和使用。而智能電網借助信息系統的輔助，不但有助于分布式能源的靈活接入，而且能實現其間的雙向互動。

　　1.3.3 能源互聯網

　　通過借助因特網的信息交互和傳輸共享的概念，作為智能電網的進一步發(fā)展的能源互聯網概念被提了出來。通過能源互聯網，能量能以類似于因特網的方式，在電力線路網絡中按需流動。同時能源互聯網能夠對電力流動的路徑進行優(yōu)化和管理，類似于互聯網中的路由。通過能源互聯網實現了能量流在電力網絡中的雙向按需流動。

　　目前開展的智能電網基本是現有電網架構下的信息化、智能化，能源互聯網是借鑒互聯網思維與理念構架的新型電網，其中的開放互聯、能量交換與路由等特征有別于目前一般意義下的智能電網，可以形象的稱為智能電網的2.0版本。

　　總的來說，信息通信與能源電力結合發(fā)展分為三個階段，第一個階段為數字化、信息化階段。此時，信息通信為能源電力行業(yè)提供服務，帶來方便、快捷等好處。第二個階段為智能化階段，也就是智能電網階段。在該階段，信息通信成為能源電力基礎設施不可或缺的組成部分，以信息流與能量流的結合為特征。第三個階段為信息物理融合階段，表現為信息通信基礎設施與能源電力基礎設施的一體化，也就是信息能源基礎設施一體化意義下的能源互聯網階段。

　　1.4 意義與作用

　　1.4.1 能源互聯網是現實意義下能源可持續(xù)發(fā)展提切實可行的道路

　　能源可持續(xù)發(fā)展是當前擺在人類面前最重要的難題，可再生能源的發(fā)展雖然提供了徹底解決能源可持續(xù)發(fā)展的希望，但可再生能源的利用方面仍然存在問題。能源互聯網在現實意義下提供了一條切實可行的發(fā)展道路。里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中做了這樣的描述：“當數以百萬計的建筑實時收集可再生能源，并通過智能互聯電網將電力與其他幾百萬人共享，由此產生的電力使集中式核電與火電站都相形見絀。”

　　1.4.2 能源互聯網天然支持分布式可再生能源的接入

　　歐盟、美國和中國相繼分別提出到2050年實現可再生能源在能源供給中占100%, 80%和60%～70%的目標。而風、光等大部分可再生能源的間歇性和波動性決定了僅依賴現在的集中式電網運行架構是無法適應如此規(guī)模的可再生分布式能源接入的。能源互聯網通過局域自治消納和廣域對等互聯，可最大程度地適應可再生能源接入的動態(tài)性，通過分散協同的管理和調度實現動態(tài)平衡。

　　1.4.3 能源互聯網在安全、可靠、穩(wěn)定以及利用率等方面技術優(yōu)勢明顯

　　互聯網體系架構決定了其安全穩(wěn)定性較高，而其冗余方式可保證系統整體的可靠性；同時通過分散路由等方式實現設備和線路的動態(tài)備用，保持一定的利用率。能源互聯網可以借鑒其中的機制，但能量和信息的交換和傳輸是有本質不同的。相比現在集中式電網自上而下的緊耦合模式，能源互聯網能實現局域自治，在廣域互聯中可通過儲能緩沖、直流輸電等方式實現解耦，同時局域不穩(wěn)定問題可以通過廣泛互聯實現廣域的動態(tài)互備用，達到安全穩(wěn)定可靠的目標，而不是依靠過大的安全裕度而降低了系統的利用率。

　　1.4.4 能源互聯網是源用混合場景下對現有輸配網的有益補充

　　能源互聯網不是取代現有電網架構，而是著重在分布式可再生能源接入越來越廣泛，源用混合場景越來越普遍的形勢下借鑒互聯網理念提供一種自下而上的新型組網方式，能源互聯網通過局域自治和廣域能量交換最大限度的適應源-用的動態(tài)隨機性，減少對大電網的影響，大大降低大電網的安全穩(wěn)定性風險，是對現有大電網的有益補充。

　　2 能源互聯網發(fā)展重點及重要技術

　　能源互聯網的發(fā)展需要多方關鍵技術的支撐，目前技術創(chuàng)新發(fā)展方向和研究熱點主要集中在總體架構與標準體系、組網與互操作模型與技術、建模、仿真與分析技術、運行與控制裝備與技術、安全防護、質量監(jiān)督與認證體系、量測、評價與技術經濟分析等方面。

　　2.1 能源互聯網總體架構與標準體系

　　在圖1所示的能源互聯網基本架構的基礎之上，發(fā)展分層分級的能源互聯網總體架構，大致分為以下四個層面：

• 能源“局域網”

　　對應目前電網架構中的用戶側，如在微網或智能小區(qū)的內部，實現多種能源形式的轉化和分享。例如里夫金提到未來理想的能源互聯網場景“在即將到來的時代，我們將需要創(chuàng)建一個能源互聯網，讓億萬人能夠在自己的家中、辦公室里和工廠里生產綠色可再生能源。多余的能源則可以與他人分享，就像我們現在在網絡上分享信息一樣”。這是典型的在需求側實現能量的分享。

• 能源“廣域網”

　　對應目前電網架構中的配電網，在微網或者分布式能源等能量自治單元基礎之上實現之間的能量交換與路由。與美國FREEDM項目類似，在配網層面上實現可再生能源接入、儲能已經負荷的“即插即用”。

• 能源“主干網”

　　對應目前電網架構中的輸電網，把一個同步集中控制的大電網逐步轉變成一個異步自治互聯式電網，如可以大力發(fā)展高壓直流輸電技術連接區(qū)域交流電網，或者采用直流背靠背技術，將現有集中統一的交流大電網進行分隔，避免由于無法實現動態(tài)靈活的供需平衡而引發(fā)和傳播安全穩(wěn)定性問題。

• 全球能源互聯網

　　全球能源互聯網的構想由國家電網公司提出，是一個面向未來的能源基礎設施藍圖。借鑒互聯網實現國際乃至洲際互聯，能源互聯網也可以實現全球聯網。由于互聯的電網分屬于不同的地區(qū)、國家和運營商，對能源互聯網的開放性和標準化的要求比較高。沒有一個簡潔、有效、易行的全球統一的能源互聯標準，全球能源互聯網就無法實現。

　　能源互聯網的標準體系共分為4層：

　　第1層是能源互聯網通用基礎標準

　　第2層能源互聯網的公共支撐性標準
　　包括術語與縮略語、方法學、用例分析、概念模型、體系架構和技術指導原則等等。

　　第3層是能源互聯網的專業(yè)基礎標準
　　這是各專業(yè)的共性要求�？梢苑譃榘藗�專業(yè)，分別是組網、運行管理、測量、互操作、信息集成、安全、市場和技術支持系統。八個專業(yè)是目前的分法，以后不排除增加新的專業(yè)，或者在專業(yè)領域增加新的個性標準。

　　第4層是針對各專業(yè)的個性標準
　　這樣，通過將通用基礎標準、公共支撐性標準和專業(yè)基礎標準提取出來，既可以避免重復和不一致，也能使個性標準的專業(yè)針對性很強。

　　標準化工作是能源行業(yè)的重要基礎，標準化工作是推動技術進步、提高產品質量、工程質量和服務質量，促進國民經濟和社會健康發(fā)展的重要技術基礎。從技術發(fā)展角度，互聯網的成功經驗顯示，標準的引領作用顯得非常重要。因此能源互聯網的發(fā)展也應該走標準引領進而推動市場和產業(yè)發(fā)展的道路。

　　2.2 能源互聯網組網與互操作模型與技術

　　開放性是能源互聯網區(qū)別于以往智能電網的一個關鍵，要實現類似互聯網的開放對等廣泛互聯，在能源互聯網標準體系中開放的接口定義和互操作模型框架必不可少�；ヂ摼W的標準模型協議的主要特點是開放、簡潔、易行，才導致了大規(guī)模應用和迅速發(fā)展。如TCP/IP協議等奠定了互聯網發(fā)展的基礎，廣域互聯規(guī)避了局域網信息交換底層復雜協議和機制，與局域網協議有本質的不同，因此才能形成大規(guī)模的互聯發(fā)展。

　　要實現能源互聯網開放式的組網，相關單元如風、光、儲、負荷、能量交換與路由裝置等要實現“即插即用”，必須滿足相應的互操作模型。不但信息模型與交換技術是必須的，相應的能量傳輸、交換乃至路由技術更加重要。組網與互操作模型是能源互聯網得以以開放對等方式實現廣泛互聯的基礎。雖然不同層級互聯的對象不同，其相應的組網與互操作模型應該是一致的。

　　2.3 能源互聯網建模、仿真與分析技術

　　基于現有的電網仿真環(huán)境，結合信息物理融合仿真技術，將信息和能源基礎設施仿真緊密結合，開發(fā)適合能源互聯網場景的軟硬件結合的仿真和開發(fā)環(huán)境，為能源互聯網研究與發(fā)展奠定基礎。

　　開發(fā)信息物理多元模型

　　針對能源互聯網涉及的通信、計算、儲能、電力電子、可再生能源接入等等開發(fā)相應的仿真模型。

　　實現能源局域網、廣域網和主干網的聯合仿真

　　與互聯網類似，能源互聯網在局域、廣域和主干網的特點不同，相應的實現和管理方式也有本質的不同，能量在局域側重多種形式的快速轉化，在廣域傳輸側重系統的開放性、可擴展性和標準協議的簡約，在主干網強調大電網的異步自治解耦互聯。而聯合仿真意味著將現有的電網暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)仿真分析與計算機網絡仿真技術相結合，得到信息物理融合意義下的電網運行和信息網絡運行相互作用關系的分析結果。

　　實現分散協同的能量路由調度、分析與優(yōu)化

　　首先，能源互聯網中需要的新型的能量管理系統必須是分散協同式的，其充分考慮了可再生能源發(fā)電的特點，強化可再生能源發(fā)電系統和電網之間的鏈接和交互，使得可再生能源發(fā)電被充分利用，最大化整個電網的收益。其次，在能源互聯網系統中，傳統電網用戶不僅是電力使用者，也是電力生產者。他們可以將生產的電力無障礙地傳輸給電網，并獲取相應的回報。通過電力生產控制、通訊技術和能源存儲裝置的協調工作，能源互聯網系統可以實現可靠的雙向電力傳輸，同時為普通和工業(yè)用戶提供高質量的電力供應。

　　另外，能源互聯網發(fā)生故障時要求能源互聯網各分布子系統可以自動實現孤島運行與并網運行之間的平滑切換，整個網絡的中樞系統可以基于本地信息對能源網中的事件做出快速獨立的響應。傳統的能量管理系統在消納大規(guī)�？稍偕�能源發(fā)電方面遇到瓶頸，需要在能源互聯網的基礎上實現一個能源信息實時采集、處理、分析與決策的分散協同式的新一代能量管理系統。

　　基于物聯網、云計算和大數據分析等先進通信信息技術的支撐，主要包括電能信息采集控制系統、電能質量監(jiān)測分析系統、電網能量管理系統、用戶側能量管理系統等多個子系統。例如負荷信息不全和參數不準一直是電力系統仿真分析和能量管理的重要問題，能源互聯網與信息基礎設施緊密結合，可以為實時動態(tài)的收集和處理海量負荷信息提供最強有力的技術支撐，同時提供智能信息處理和決策支持能力，實現電源和負荷的協調控制、電能質量控制以及其他高級能量管理功能和應用。如能夠根據能源需求、市場信息和運行約束等條件實時決策，自由控制可再生能源發(fā)電與電網的能量交換；提供分級服務，通過延遲對彈性負荷的需求響應確保關鍵負荷的優(yōu)質電力保證；對設備和負荷進行靈活調度確保系統的最優(yōu)化運行等等。

　　2.4 能源互聯網的關鍵裝備--能源路由器

　　能源路由器是能源互聯網運行與控制的具體實施裝置，在實際應用中執(zhí)行智能管理系統的調控指令，包括能源的高效傳輸裝置、低損耗轉換裝置、高效能源自由路由裝置等。通過這些裝置實現能源遠距離、高功率、低消耗的傳輸和調配，完成不同地區(qū)上傳能源的全網優(yōu)化分配，實現不同地區(qū)用能需求的全網調配。優(yōu)化的能源路由方式與低功耗能量傳輸裝置的結合是實現能源互聯互通，共享能源生產與分配的核心環(huán)節(jié)。

　　能源互聯網從根本上是對能源流的精細化管理控制，改變傳統單項的能源流流向為雙向的流向，在能源網絡中對電源、負荷或儲能容量等進行分組，構成能源子網，分區(qū)域、分層次的實現能源的管理控制。因此，可以友好接入到當前電網中的能源路由器，完成區(qū)域能源的管理控制，對實現覆蓋于當前電網上的能源互聯網是核心的設備。任何不穩(wěn)定的能源接入（例如風能）都需要一個優(yōu)秀的能源路由器。通過能源路由器可以管控能源網內的能源流，能源路由器提供多種接口對應多種能源流類型的接入和輸出，可以提供對不同結構為電網的管理，實現多層次能源網絡的開發(fā)式管理控制。

　　能源路由器是能源互聯網實現的核心，比信息路由要復雜很多，是智能變壓器的進一步發(fā)展，主要技術包括能源路由器的存儲控制，能源互聯與路由機制，在分布式能源的基礎上實現能源的對等互聯、緩存、交換和路由。能源路由器可以根據信息流完成對能量流的控制，是電磁技術、通信技術、控制技術、電力電子技術、計算機技術的高水平綜合產物。

　　2.5 能源互聯網的安全防護、質量監(jiān)督與認證體系

　　當前基礎設施部署廣泛，已投入高額成本，且技術為人們所熟知，徹底更換現有基礎設施的激進作法不現實。但照搬互聯網架構到能源領域的問題之一是安全性，現有互聯網架構的最大問題是發(fā)展之初沒有做好安全防護方面的頂層設計，導致大規(guī)模發(fā)展后互聯網安全問題成為制約因素。比如傳統網絡強調機器的連接，而現在互聯網是以內容為中心，借鑒內容中心架構、軟件定義架構，可以更好地解決互聯網安全問題。因此要在能源互聯網中實現信息流支撐能源流的安全防護和管理，可以借鑒未來網絡體系架構研究的最新成果，從源頭上避免安全方面的問題。

　　能源互聯網的開放并不意味著沒有監(jiān)管，相反能源互聯網由于其對安全可靠性要求更高，而需要加強監(jiān)管和質量保障。需要通過調查研究相關領域的質量監(jiān)督和認證體系，嘗試建立能源互聯網場景下的相關體系架構，其中包括能源互聯網建設、組網、實施、運行、服務、運營等多個階段相關的監(jiān)督和認證體系。

　　2.6 能源互聯網量測、評價與技術經濟分析

　　借鑒互聯網和電網的發(fā)展經驗，量測和評價體系是必不可少的。這包括對能源互聯網量測體系架構與一般要求、測量數據傳輸接口與管理規(guī)范、測量組件接入能源互聯網的技術要求等等內容。

　　能源互聯網的評價指標體系將涉及多個維度：從基礎設施到上層業(yè)務服務；從能源到信息增值服務；從網絡性能到傳輸質量；從安全可靠性到風險成長性等等，都需要仔細梳理，形成對實踐具有指導意義的評價體系。

　　能源互聯網關鍵技術涉及儲能、電力電子、數據中心等，許多技術仍然處于產業(yè)化前期，尚不具備大規(guī)模推廣的市場前景。能源互聯網發(fā)展的經濟可行性如何是一個被廣泛關注的問題，其中除了關鍵技術的經濟可行性外，還需要考慮能源互聯網作為整體架構的技術經濟分析，進行具體研究和詳細核算。