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能源互联网的“热响应”与“冷思考”

2019-09-29 14:52:26 能源杂志   作者: 王永真 张靖 赵伟  

对能源系统的优化,关系到人类社会的高质量可持续发展。能源互联网(Energy internet,EI)作为本次能源革命的排头兵,其发展态势成为引领我国能源转型的风向标。

能源互联网,一方面提倡源侧分散式可再生能源的大规模接入,统筹用户侧能源产消者,实现能源的双向流动与开源创造;另一方面,通过能源“硬技术”突破和“软机制”设计,实现能源系统全生命周期的“能效提升”。

最终,基于“共建、共治、共享”理念,能源互联网通过打破遍及能源系统物理层、信息层和应用层“环-网-荷-储”的各环节,以及在规划、建模、运行、优化和市场等链条中的“泛在之墙”,实现全局优化与多方“共赢”。

目前,能源互联网的产业发展和科学研究还处于快速发展和不断完善之中,因此,本文立足我国能源互联网发展的新态势,围绕能源互联网及其示范工程中物理层、信息层和市场层的建设内容,一方面,总结能源互联网发展的良好势头、做好能源互联网的“热响应”;另一方面,看清能源互联网发展遇到的困难、提供能源互联网发展过程中的“冷思考”。以期为能源互联网的科学研究和产业发展厘清思路、提供参考。

能源互联网:以电为核心,集成冷、热、气等能源,具有“三横四纵”结构特征的能源生态网络

能源互联网是能源系统和互联网技术深度融合的产物,也是智能电网发展的高级形态。能源互联网包容性强、覆盖面广、业态多样。而当前业界对能源互联网内涵外延的诠释,多是基于自身学科或产业,不一而足。如:

1. 《T/CEC 01.1-2016 能源互联网 第1部分:总则》:能源互联网,以电能为核心,集成热、冷、燃气等能源,综合利用互联网等技术,深度融合能源系统与信息通讯系统,协调多能源的生产、传输、分配、存储、转换、消费及交易,具有高效、清洁、低碳、安全特征的开放式的能源互联网络;

2.《关于推荐“互联网+”智慧能源发展的指导意见(发改能源[2016]392号)》:“互联网+”智慧能源(简称能源互联网)是一种互联网与能源的生产、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;

3. 清华大学能源互联网创新研究院:能源互联网是以电力系统为核心与纽带,构建多种类型能源的互联网络,利用互联网思维与技术改造能源行业,实现横向多源互补,纵向源-网-荷-储协调,能源与信息高度融合的新型(生态化)能源体系。

尽管上述有关能源互联网的概念表述不一,但均突出了能源互联网的三大基本要素:

1. 物理实体上,以电为核心,集成冷、热、气等能源,实现异质能量流的多能互补与综合利用;

2. 信息物理融合上,借助“互联网”的系统化思维和信息化手段,实现能源系统的全景感知和数据化管控;

3. 应用交易价值上,能源技术创新和机制设计可遍及系统的规划、运行、市场等环节,重塑能源系统生产关系的新生态。

上述特征,可以通过能源互联网的“三横四纵”概念框架进行通俗阐释,即,“横向:物理流-信息流-价值流的三流合一”;“纵向:源-网-荷-储的四环协同”。可谓,通过信息物理融合和市场机制设计,能源互联网追求突破物理层、信息层和价值层藩篱的深度交互,实现“三流合一”;通过协同设计、统一规划和集成优化,能源互联网追求打破“源-网-荷-储”各环节条块分割的壁垒,实现“四环协同”。

能源互联网物理层:以电为核心的“热响应”与“冷思考”

“能源互联网为何是以电能为核心,而不是以“热能(冷能)为核心”成为能源互联网实施过程中常遇到的疑问,特别是刚接触能源互联网概念,来自“工程热物理与动力工程学科”或“供热供燃气通风及空调工程”学科,从事供暖、制冷的学者和技术人员常会如此发问,究其原因,笔者认为:

1. “以电能为核心,集成冷、热、气等能源”,该表述是一个并非具有绝对数量指标的泛指,而是注重“电”、“热(冷)”、“气”在不同应用情景下的灵活集成。

纵观世界能源发展史,正是一个“电”、“热(冷)”、“气”不断趋向融合的发展史,这正是能源互联网的物理基础——综合能源系统的核心所在。

通过“共建、共享、共治”,能源互联网打破物理层的桎梏,实现冷热电气的同步规划、建设和运营,实现物理层“源-网-荷-储”全生命周期的多目标优化。

实际上,能源互联网并不是一个全新的概念,而是伴随工业革命的发展以及人类对能源系统的特征需求逐步发展而来的。如以第一次能源危机为起点,能源互联网的发展可大致分为四个阶段:孕育阶段(1970-1997)、概念阶段(1998-2006)、起航阶段(2007-2015)、升华阶段(2016-至今)。对应能源互联网的不同发展阶段,虽然不同能源利用技术交叉并存,但又有所侧重。

因此,能源互联网孕育阶段——以基于能的梯级利用的天然气冷热电联供系统为代表,概念阶段——以基于能的因地制宜的分布式能源系统为代表,起航阶段——以基于能的多能互补的综合能源系统为代表,升华阶段——以基于能的互联互济的能源互联网为代表。最终,能源互联网将尽可能地逼近能源价格合理、能源供给充足和能源清洁环保的目标。

2. 能量利用及能源特性角度,一方面,电气化对世界能源转型起到了重要的作用,“人均生活用电”是社会经济发展的重要指标,而这是由电能所具有的“小惯性”、“易传输”、“好转化”特征决定的。

即相对于“冷”、“热”、“气”等惯性比较大的能源载体,电能的惯性小、响应快、便于传输,且容易转换成冷、热等能源形态;另一方面,冷/热的使用,可以间接通过电能的使用来量化。如“冷”、“热”、“气”等能源的传输与转化,多依靠的是泵、风机等耗电设备或锅炉、空调、热泵等热功转换设备。

进而,可以间接通过电能的耗损以及设备的性能(如泵的机械效率、锅炉热效率、空调制冷系统等)折算出“冷”、“热”、“气”的消耗量。

因此能源互联网物理层的“热响应”有以下内涵,一方面,能源互联网以电为核心的表述,并不意味着对于所有的能源系统都将全部改由电作为绝对核心,也并不意味着重视“电能”而歧视“热(冷)能”;另一方面,应看到,能源互联网阐述的是“以电为核心,集成冷、热、气等能源”的整体概念,应是因地制宜、因时制宜的。

如,我国北方寒冷地区的以“热”为核心的区域供热系统智慧化,也是能源互联网业态的具体表现之一。首批能源互联网示范项目——“‘互联网+’在智能供热系统中的应用研究及工程示范项目”,针对国内集中供热系统网源间信息孤立的问题,以丹东城区集中供热为对象,建立了一种互联、开放、共享的网源一体化集中供热系统,提出网源一体的经济性调控策略,初步实现了信息共享、智慧决策与集中控制。

而能源互联网定义中的“冷思考”应该看到,一方面,相对于电力系统,冷/热能源系统热惯性大且响应慢、能源设备相对粗糙、从业人员培训不系统、运维信息化程度不高,因此,应冷静看待冷/热供能系统在能源互联网研究和落地上的短板。

另一方面,电能作为二次能源,在当前我国技术经济条件下,多由煤燃烧的热功发电而来,后在通过电转热(冷)技术得以消费。

如此,能量转换环节多、能源损失大。因此,应推进集中式和分布式齐头并进,不断提高可再生能源发电技术的比例,并不断优化“源-荷”在能量与能级上匹配性,方能构建高能效的能源互联网终极形态。

能源互联网“能源层-信息层”:以熵为视角的“热响应”与“冷思考”

近几年,能源互联网及其相关业态在我国风起云涌,如“泛能网”、“综合能源系统(服务)”、“多能流(源)系统”、“智慧能源”、“虚拟电厂”、“源-网-荷-储一体化”、“多能互补”、“风光水火储”、“新一代电力系统”、“冷热电联供”、“微能源网”、“总能系统”、“微电网”、“分布式能源”、“能源产消者”、“区块链能源”、“自能源”、“智能电网”、“能源互联平台”、“需求侧响应”等等。

2019年,国家电网公司也提出了以坚强智能电网和泛在电力物联网为抓手,打造“枢纽型、平台型和共享型”的世界一流能源互联网企业的愿景。

一下子,“泛在电力物联网热”漫延在整个能源界,也带动了对“(能量)信息物理融合系统”概念的热议。同时,国网公司相关专家和业界也给出了“能源互联网=坚强智能电网+泛在电力物联网”的范式框架。那么,就能源系统而言,能量信息物理系统和能源互联网的差异在哪?笔者试从熵的角度给予解释。

如图1所示,从“熵”的角度看(熵,热力学中表征物质状态的参量之一,其物理意义,是体系混乱程度的度量),一方面,坚强智能电网涉及的能的转换、传输及储存,都会存在着内外部的能量不可逆损失,是一个能量价值不断贬低的热力学“熵增”过程;另一方面,要构建物理信息融合的泛在电力物联网,旨在强调,在能源的使用、交换过程中,会产生大量有用的信息,而这些新的有用的信息经过数据挖掘后,可用以指导能量流的重构与优化,可以看成是一个增加价值的“负熵”过程。

 

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图1 从熵的角度看能源互联网及国网的“三型两网”

尽管对信息熵和热力学熵,目前尚难以具有共识的权重和方法进行量化、统一,但对信息物理融合系统,可看做是在利用泛在电力物联网的信息流“负熵”理念和技术,去进一步降低坚强智能电网中的热力学“熵增”,使其熵增过程尽可能减慢,甚至追求能量系统熵的增速接近到零。

因此可以认为,泛在电力物理网,就是要实现不同综合能源系统内外部能源信息的联通和共享,以有效支撑能量的供需互动与有序配置;并且信息流将贯穿于能源互联网的全生命周期,包括其规划、设计、建设、运营、监控、维护、资产管理和资产评估与交易,等等。

具体来说,需要将没有连接的设备、客户都连接起来,没有贯通的业务都贯通起来,没有共享的数据都即时共享出来,形成跨专业数据的共享共用生态,将过去没有用好的数据价值都挖掘出来。

因此,能源互联网信息层的“热响应”,即,要看到坚强智能电网和泛在电力物联网的互补性。除了物理层基于能的梯级利用、能的因地制宜、能的多能互补和能的互联互济等技术实现综合能源系统熵增的降低外,借助信息层“云大物移智”技术,构建“源-网-荷-储”全链条交互的“泛在电力物联网”甚至“泛在能源物联网”,将是现阶段及未来能源互联网“熵增降速”的关键一环。

而能源互联网信息层的“冷思考”,即看到能源互联网与信息物理融合系统的统一性。能源互联网可看作是坚强智能电网与泛在电力物联网的合集,而能源界的信息物理融合系统,则可理解为坚强智能电网与泛在电力物联网的交集。

同时,当信息物理融合系统的能量流与信息流实现高度融合且物理空间边界不断扩大,在特定的能源系统时空尺度下,信息物理融合系统或与能源互联网收敛到统一,即形成具备自我“新陈代谢”的能源生态。

能源物联网应用层:技术与机制的“热响应”与“冷思考”

2016起,国家发改委国家能源局等部门,陆续批准了4批增量配电网项目、首批23个多能互补集成优化示范工程、28个伟德betvictor,betvictor官网微电网示范项目、首批55个“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目,遍布全国31个省、直辖市和自治区,标志着能源互联网已进入先行先试的发展阶段。

其中,作为撬动新一轮能源革命的重要支点,首批55个“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目引起了全社会的广泛关注。

2019年3月,我国《国家能源互联网发展白皮书2018》发布,从国家层面系统构建了我国能源互联网发展的指标体系,梳理了能源互联网的产业生态现状。2019年6月,由央企集团(公司)牵头的首批能源互联网示范项目也通过验收。

整体来看,首批落地的能源互联网示范项目,在关键技术与市场机制、综合能源服务与大众参与等方面开展了探索性工作,有力推动了能源互联网新技术、新模式和新业态的发展,这些,都是对能源互联网应用层“热响应”的积极体现。

关键设备及系统方面:“支持能源消费革命城市园区双级‘互联网+’智慧能源示范项目”,启动的多端交直流混合柔性配网互联工程,通过采用世界最大容量±10千伏等级中压柔直换流阀、首创应用三端口直流断路器、世界最大容量±10千伏三端口直流变压器,实现了供电区域互联互济,促进分布式可再生能源的友好接入,提升电网资源使用效率和电能质量,如图4所示;“‘互联网+’在智能供热系统中的应用研究及工程示范项目”,研发了新型凝抽背供热技术、“一站一优化曲线”智能调节技术,并与热电联产、吸收式热泵、电蓄热技术耦合,形成“源-网-荷”一体化集中智慧供热系统。

关键机制及策略方面:“大规模源网荷友好互动系统示范工程”,基于“互联网+”市场化模式的源网荷储运营机制,实现了非工业柔性负荷调控、工业刚性负荷调控以及主动需求响应的接入。并通过需求侧响应激励机制,构建了可中断负荷商业化运营机制,积极引导电力市场主体积极参与产业链上下游的互动;“基于电力大数据的能源公共服务建设与应用工程”示范项目,通过开放服务的方式为政府和社会各方提供基于电力大数据的价值信息,实现将电网数据转化为社会公共价值的新模式,实现了电网基础数据资源的整合。

同时,首批能源互联网示范项目的先行先试,催生了一批综合能源服务新业态的出现,打破了项目承担单位、地方政府、通信运营商、供能企业、用能客户、汽车公司、市政企业等不同业态之间的壁垒,探索了“共建、共享、共治、共赢”的理念、方式及模式。

如:电网、电信网、广电网、互联网的“四网融合”;通信塔、输电塔的“多塔合一”;变压站、储能站、数据中心的“多站合一”;路灯、监视、交通、广播的“多杆合一”;水、电、气、热的“多表合一”;“能源互联网的微通道——能源互联网插座”;“基站闲散储能模式”;“退役电池梯次利用”等等。

再如,基于“面向特大城市电网能源互联网示范项目”研发出的“智慧路灯”,集照明、监控、信息发布(广播与道路指示牌)、充电桩(手机充电与电动车充电)、微基站、井盖防护等十多种功能于一体,整合后的道路杆件,由原来的52杆缩减至35杆;清华大学能源互联网创新研究院研发的“基于能源互联网插座”的精细化用电管理模式及平台,以能源的泛在通道——“插座”为抓手,将用电服务、计量和管理等功能下沉到能源系统最普遍的最底层——插座,并采用物联网手段与大数据后端结合,在能解决公共用场所充电难问题的同时,设置出多样化的套餐服务,精细化管理用户的用电行为、提高充电设备的利用率,也能够服务于社区及其区域能源系统的“削峰填谷”和“需求侧响应”。

最后,为确保能源互联网生态的健康发展,也应注重能源互联网应用层的“冷思考”,如:

1. 跨界融合、加强能源互联网关键技术的集成优化:能源互联网内涵外延,涉及众多相关技术的突破(如中低品位能源转换技术、高效低成本的储能技术、灵活柔性的低压直流技术等等),而如何发挥多种技术之间的梯级利用、网络耦合、多元互补以及热电耦合与解耦,进而打破各种技术之间的局部优化壁垒,实现能源互联网各元素的“多元互动、集成优化”,充分释放能源互联网的“跨界”潜力;

2. 数字驱动、深化能源互联网的信息物理融合:物联化已成为能源转型的重要趋势,通过物联化技术实现能源系统“源网荷储”各环节信息流的贯通,进而以信息流改造能源流,充分挖掘能源的数字化价值,已是泛在电力物联网建设的必然趋势;

3. 因地制宜、重视政府对能源互联网项目的落地协调作用:政府在能源互联网示范项目的建设审批、机制设计和运维管理方面,特别是在不同门类工业园区能源系统基础设施建设以及“能源数字矿产”上具很大的挖掘空间;

4. 科学组织、加快能源互联网技术相关标准的制定:能源互联网的落地涉及到物理层、信息层和应用层诸多创新技术的规模化应用。进而,要实现能源互联网项目的高质量可推广落地,各类技术须有统一的设计规范、路径接口及评价指标;

5. 统筹谋划、倡导能源互联网的大众参与多元化市场机制:坚持以惠民利民为中心和坚持创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,就是发展能源互联网的指导方针。某种程度上,“轻资产”市场机制设计的创新效益大于技术创新的“重资产”高投入回报。因此,要切实有效提升大众参与程度,可加快形成以开放、共享为主要特征的能源产业发展新形态。




责任编辑: 张秀秀

标签: 能源革命 能源行业 能源互联网