能源互联网信息技术研究综述 - MIT - Massachusetts(2)

能源被认为是能够提供热、光、动力等形式的能量来源，包括化石能源、核能、风能、水能、光能等[1-3]。19世纪，电的发现和利用、内燃机等机械技术的发展直接推动了第二次工业革命，推动了人类文明近百年的快速发展，同时也导致化石能源的急速消耗和能源需求规模的不断增加，发掘更多能源形式和提高能源利用效率成为了缓解当前能源供需矛盾的有效办法。实现下述目标成为了目前被广泛认同的努力方向：(1) 保证可再生能源适时适量地转化为所需的能源形式；(2) 确保能源的高效利用，避免生产、传输、分发等各个阶段的损耗。在该过程中，信息处理和利用处于基础性地位，为信息技术的应用和发展提供了前所未有的机遇和挑战。

Internet经过四十余年的发展，已成为了信息高效传输与共享的重要载体，形成了具有相当规模且管理较为有效的体系架构。在能源竞争日益激烈的背景下，Rifkin在《第三次工业革命》一书中指出：“第三次工业革命”的标志将是互联网和可再生能源的结合而形成的新能源互联网（Energy Internet）[4]，是实现能源分布式供应的一种有效模式。从优化运行角度看，保证能源生产和传输过程中所需信息流高效传输的通道是引导和控制分布式能源生产单元操作的关键；获取能源需求和供给信息，并实施合理调配策略，能够实现能源的高效流动；用户参与可提供有用信息，为引导能源流优化调度提供支撑，并支撑个性化能源消费。能源互联网旨在利用信息技术和能源技术实现以可再生能源为主的能源供给和应用体系。因此，能源互联网是“信息流、能源流、控制流”的高度融合，保证能源使用更为可靠、经济和便捷，支持智能供应和个性化利用等功能。

电灯、电热水器、电磁炉、电动汽车等发明几乎涵盖了人类生产、生活的方方面面，技术发展使得电能可以便捷地转化为光、热、动力等，电能已成为人类利用能源的主要形式。此外，电力网络已实现通过高压形式实现低功耗、远距离传输，覆盖面极为广泛的分发网络便利了人们对电能的使用。因此，在未来能源供应体系中，电力网络将处于整个能源网络的核心地位。基于此，本文重点以电能为背景叙述能源互联网研究中亟待解决的信息技术问题。

完全实现可再生能源供给，实现全球或更广泛范围的能源共享是能源互联网的目标。可以想象，

在不远的将来，仅利用太阳能，地理位置的差异能使洲际间电力生产和消费实现互补，两极的电力生产可以供给全球。因此，能源互联网的成功与否取决于如何高效利用分布式可再生能源、并提供稳定的能源供给[3,5-6]。面对可再生能源受自然条件等因素影响，难以保证电能质量的挑战（如：仅可在白天利用太阳能发电，风力的不稳定性导致生产的电能难以被直接利用等），探讨基于广域、分布式控制方法成为了能源互联网亟待研究的方向。基于电力系统，成果较为有限，并主要表现在以下方面：（1）耦合能源流和信息流实现分布式能源接入，实现产能、用能的模式变革[7-10]；（2）构建能够支撑上述模式变革的能源架构[11-12]。代表性的研究方向包括：智能电网 [13-14]、分布式能源[15-16]、以及微网[17]等。然而，能源互联网作为能源体系新模式，如何借鉴Internet的经验、开拓信息和能源的有机融合模式等仍存在较多问题[18]。

本文在分析、总结相关领域已有成果的基础上，对涉及的相关信息技术进行了梳理，重点以电力网络为例，从体系架构、相关技术和潜在的研究热点等角度全面分析了信息技术研究潜在的机遇和挑战，并探讨性地分析了多种能源形式共存的能源互联网模式和可行的管理运营模式。

1 能源互联网发展现状

全球能源供需矛盾和环境压力是促使人们探讨更广泛清洁能源形式、更便捷能源控制方式和更高效能源使用方法的直接推动力。《第三次工业革命》中提出的融合互联网技术和可再生能源技术构建新型能源供需架构的思路开启了能源互联网相关技术研究的大门[4]。针对能源供应相对短缺、能源利用效率不高及能源需求量持续增加的现状，各研究团体根据自身需求和已有条件开展了大量原创性工作，从不同角度诠释了他们对能源互联网的理解，形成了该领域多源并进的局势。 1.1 能源互联网起源

文献[10]提出了基于虚拟储能装置实现能源供应系统的伸缩管理方法，并设想为能源互联网。正式以能源互联网为对象的研究可以追溯到2008年德国BDI提出和实施的E-Energy理念和能源互联网计划[19]。随后，在系统设计、管理方式等方面，研究人员开展了广泛研究，其中，美国南加州州立