中国能源互联网发展基本特征及理念

摘要：能源互联网研究与实践快速推进，新理念、新技术开始涌现，呈现开放、融合态势。准确把握能源互联网发展方向与基本特征对研判中国能源行业未来形态、科学推进能源转型尤为重要。立足于中国中长期能源转型不同路径比较，着眼于“能源+”的高度去定位能源在未来经济高质量发展中的位置，结合对能源互联网架构与运行机理的分析以及对跨界融合实践特点的总结，提出了广义能源互联网发展理念；在此基础上，探讨影响其产业头部格局的关键因素，即互联互通能力、综合能源系统规划设计能力和产业创新生态系统建设能力等。这种更包容、更开放的能源互联网发展理念，有利于推动能源转型突破新动能、新模式、新业态的创新瓶颈。

关键词：广义能源互联网 能源转型 能源+ 综合能源系统

引言

改革开放四十年来，中国能源发展取得了举世瞩目的成就，能源生产和消费总量跃升世界首位，能源结构持续优化，节能降耗成效显著，能源安全保障能力实现跨越式发展。立足未来生态文明建设新高度，能源发展进入新的转型期，亟待解决不同范围、不同程度存在的高污染、高排放、高能耗、体验不佳等问题，以建立现代能源经济体系，实现高质量发展。

本轮能源转型相对于薪柴–煤炭–油气的进化规律而言，出现了广泛使用分散、低能量密度、高波动新能源的新特点，也面临市场化改革深入推进和互联网技术广泛应用等新机遇，具有高度复杂性、高度不确定性，各类新理念、新技术开始涌现[1-5]。能源互联网作为其中最具有包容性和时代技术特征的解决方案，受到政产学研金等社会各方广泛关注[6-8]。在中国能源转型的关键期，准确把握能源互联网发展方向成为构建清洁低碳、安全高效能源体系，落实建设生态文明千年大计，重塑能源行业未来发展形态的关键。

目前，对能源互联网的研究与实践呈快速扩张状态[9-12]。本文在已有研究基础上，结合对能源转型路径、与互联网的关系、架构与运行机理等分析，研判能源互联网基本特征；进一步提出具有更大包容性的广义能源互联网发展理念，并从互联互通、综合能源系统规划、产业创新生态系统等方面，探讨影响能源互联网产业头部格局的关键因素。

1 能源互联网发展路径依赖特征

能源互联网建立在未来的能源系统之上，研判中国能源互联网发展前景，需要放到中国能源生产与消费革命大背景下。在能源发展战略目标和现实条件约束下[13]，不同能源转型路径意味着各类能源品种的不同位置和作用，不同的节能降耗强度，不同的能源结构和资源配置模式，从而形成不同的安全、经济、环境水平。能源互联网的发展方向、建设路径、开发模式与中长期能源转型战略密切相关，具有强路径依赖特征。

一是基于不同转型路径的比较可知，突出电气化将是中国能源互联网发展的重要特征。文献[14]立足于经济高质量增长新趋势和能源变革发展新格局，以提高能效水平和天然气消费比重为基础，以电气化和清洁能源发展为重点构建未来发展情景，研究设置了各类转型措施实施力度相对平衡的常规转型情景和电气化水平更快提升的电气化加速情景。分析表明，相对常规转型，电气化加速路径有终端能源需求总量更少、能效水平提升更快、碳减排力度更大等优势。到2050年中国人均电力消费将达到8 800~10 300 kW·h。

二是发展能源互联网不能走促进用户提高能源使用强度的道路，综合能源服务业务开拓重点在于提高终端能源利用效率。文献[14]测算表明，2040年以后人均能源需求稳定在4.0~4.2 t标准煤，低于OECD国家目前平均水平，表明中国可以以更低的人均能源消费水平支撑经济长期增长。而到2050年能源消费强度将降至2015年的1/4，意味着巨大的提高能效市场空间。未来，工业部门、建筑部门（建筑部门分为城市住宅、农村住宅和公共建筑三大类，包括统计口径中的第三产业（不含交通运输）和居民用能）、交通部门的终端用能占比从目前的63.5%、21.7%、13.5%演变成41.4%、30.0%、26.7%格局[14]，综合能源服务业务创新重点应随着能源需求增长动力的转变而逐步转移。

三是解决高污染高排放等问题将成为能源互联网业务模式衍生的重点。能源系统产生的碳排放占排放总量的50%，而且空气污染物中85%的颗粒物、几乎所有的硫氧化物和氮氧化物也是由能源系统产生的。其中，碳排放量未来会进一步向电力系统转移，2025年前后电力部门碳排放达42亿t峰值，排放指标成为促进产业升级的关键动力，通过用能方式转变实现减排的需求日益增多。

四是有效支撑大规模发展的新能源的高效利用将成为能源互联网持续发展的重要动力。电气化加速情景下，到2030年陆上风电与光伏将达13.7亿kW[14]，为解决相应的电力电量平衡与调峰等问题，需要煤电等各类电源协同发展，大力推进需求侧资源、储能等重要灵活性资源发展。源-网-荷-储协调运行作为多约束下实现能源转型多目标的重要手段，也将成为能源互联网的典型运行特征。

五是发展能源互联网需要着力于解决能源转型实施中面临的难题。能源消费总量虽然较快进入平台期，但仍有大幅增加，考虑到能源利用空间的聚集性，在土地资源、水资源、环保容量有限等约束下，能源基础设施布局等面临较大挑战，综合能源系统规划设计需要更多创新突破。

此外，应客观认识能源互联网走电气化加速路径在发展速度、发展重点上的不确定性，需跟随新能源、储能等各类要素技术经济特性演化情况做出调整。

2 能源互联网功能特征

能源互联网概念的提出虽然源于互联网的时代背景，但不能完全按照里夫金的“互联网+”改造能源系统的理念来认识[15]。在充分吸收互联网技术、共享经济思维基础上，有必要在更高层面按照与“互联网+”相似的“能源+”或“能源互联网+”高度去认识能源在未来经济高质量发展中的位置，从而以更积极的态度、更开放的理念认识能源互联网。这将有助于打开能源领域新动能、新模式、新业态创新的瓶颈，也有利于进一步找准能源互联网创新发展的切入点。

2.1 以“能源+”功能定位能源互联网

未来的能源互联网将具有与互联网相似的网络特征和技术特点，采用相近的运行方式，表现出相仿的市场特性和组织模式。一是能源互联网具有泛在、多层次结构，不同能源子网间多重耦合，与由主干网、区域网、园区网构成的互联网具有相似的广泛互联网络结构。二是能源互联网与互联网都采用标准的接口与协议，支持海量主体即插即用。三是都通过“路由器”组网，实现能量/信息流双向快速变化。能源路由器通过能源转换、分配技术控制能量传输路径，通过内部储能装置调整能量盈缺、实现能量双向快速变化[16]。四是都注重能源/信息的双向流动，激发主体互动。五是能源互联网与互联网类似，通过打破传统能源系统内部的信息壁垒，促进价值发现和高度市场化。六是都接触广泛用户，是广泛创新、高速发展的系统。

以更长时间尺度、能源大历史观来看，能量作为与信息同等重要的要素，有望像“互联网+”破除各行各业的信息壁垒一样，以“能源+”的形态改进各类高污染、高排放、高能耗的生产生活方式，推动全社会绿色可持续发展。纵览人类上千年的用能历史，能源始终是工业革命的先导。能源产业每一次跃迁都会带来人类生产生活的巨变。事实上，相对于当代的“互联网+”，“能源+”在人类历史上已经出现过多轮。

综上，“能源+”是充分发挥能量生产要素在经济社会发展中的基础性、约束性（生态）和驱动性作用，通过能源互联网技术与传统产业融合，形成清洁低碳、优质高效、灵活便捷的能源消费新模式和产业升级新业态。

2.2 “能源+”功能特征引领能源互联网创新方向

现代能源经济的实质是要求能源的角色从保障经济增长向驱动经济升级转变。能源问题已经成为各类产业升级亟待突破的瓶颈之一，能源转型不会局限于行业内部，能源产业的变化也会驱动相关行业模式和业态的创新。“能源+”经济将成为具有引领性的经济形态之一。

能源互联网创新发展将落脚到能源消费升级，以“能源+”的方式与农业、工业、交通等其他产业结合，表现为各行各业能源消费水平、消费结构、排放程度、供能方式等变化。事实上，即使在农村，新一轮“能源+”成效也已显现。散烧煤、薪柴等初级能源的电能替代推动了农村部分地区制茶等产业的兴旺和生态环境改善。而随着农村能源消费空间相对进一步集聚和品质逐步提升，乡村振兴战略将得到更有效支撑。

“能源+”与用户生活融合的重点是创造性解决存在的能源使用缺乏柔性和体验不佳等问题，并引领消费模式升级。当前能源系统鲁棒性不强，难以“即插即用”，难以应对潮流双向变动，服务用户模式单一。用户正由满足基本能源需求向更便捷、更经济发展，未来会逐步成为产销一体者，并在引导下愿意为清洁能源支付更高的用能成本，能源消费需求层次在逐渐提高。

能量与信息、资本等其他要素的结合将推动形成包括“能源+互联网”、“能源+金融”等新服务形态、新盈利模式及新组织形式。不同要素的融合，将带来绿色金融、能源大数据、能源区块链等一系列新产品和新服务，也会促进能源行业价值链、产业链的优化，进而推动平台型组织兴起。

3 能源互联网架构与运行特征

3.1 能源互联网架构特征

结合“能源+”理念、能源系统特点等，多维度刻画能源互联网架构特征。

一是与社会系统深度结合，协同特征[5]。这是与“能源+”功能特征具有内在一致性的架构特征，符合生产力与生产关系的辩证关系。面对能源技术发展带来的生态问题、社会问题，需要能源产业与自然系统生态功能协调，形成经济-社会-生态新平衡。在此基础上，进一步推进能源利用过程与社会生产生活升级体验相结合，实现能源系统与社会系统协同进化。同时，维持三方共生关系的能源政策制定、社会治理机制建设和用户行为培养也是重要组成部分。

二是存量增量二元结构特征。能源系统具有资本、人力、技术密集的特征，存在巨大的发展惯性。能源互联网作为下一代能源系统，其体系架构必定以现有体系架构为主体，需要通过存量升级和增量换代解决能源系统正面临的多层次、多方面问题。多层次的存量与增量并存，包括煤、油、气、电、热等多个能源品种的独立系统与多能互补的终端融合系统。存量相对独立、封闭，增量相对融合、开放，目前增量主要是园区级、大工业用户等末端。

三是网络化、分层特征。以发挥能源互联网规模经济、范围经济作用为基础，通过分层协同的架构和运行机制，避免供需失衡向下层传导和波动跨级上传。大基地和分布式是可再生能源的主要开发形式，前者目前存在消纳困难问题，亟需在能源主网进行大规模大范围的供需匹配；后者在系统底层接入，未来数量大幅增长，将导致潮流波动加剧甚至逆转，对能源网络形成明显冲击，需要在配网层或新建的微网层进行充分管理，平抑波动，避免波动跨级上传。

四是终端融合、互补特征。通过高效转化装置互为备用以有效避免供能中断，也可利用不同能源互补特性有效提高综合能源利用效率，有力解决低质量低效率问题。但受现有技术、体制和经济性的限制，多能互补多在微网层面推广，不同能源的配网层和主网层难以实现大规模互通，未来较长时间内仍将保持相对独立。

五是物理信息应用深度融合、平台化特征[10]。以信息层为纽带促使物理层、信息层、应用层更为柔性，并以综合能源服务平台等方式，综合提升能源系统适应变化和满足用户更佳体验的能力。

3.2 能源互联网运行特征

能源互联网运行特征是未来能源系统运行物理规律和市场规律的综合表现，是能源流、信息流、价值流之间关系的刻画。一是以用户为中心特征。这是改造传统能源系统、达成“能源+”功能的关键，需要关注用户需求，激发用户互动，创新产品与服务。二是市场引导、多要素协同、共享互动特征。形成能源系统各节点间动态互动与交互式协同运作，从而统筹发挥大范围能源资源配置优势、局部自平衡作用和闲置资源充分利用的价值。市场引导还原能源商品属性，发挥资源配置的决定性作用，多能互补和源–网–荷–储协调是具体调节手段，共享互动体现了能源领域共享经济思维。多能互补依据不同能源品种特点，调动能源转换装置，实现多种能源间余缺互济。源–网–荷–储协调通过各部分的深度交互，逐级消纳供需矛盾、平抑波动。三是具有高比例可再生能源接入、多尺度动态、非线性随机特征。包含连续动态行为、离散动态行为和混沌有意识行为的复杂系统，控制优化面临更大挑战[17]。四是大数据、人工智能驱动的智能特征。具体表现为广泛挖掘潜藏信息价值，赋予系统预知供需变化能力，通过自我进化的方式高效满足用户需求，即自我感知、自我适应、自我进化。