能源互联网关键技术及市场机制的研究与实践

引言 当前，我国经济发展与能源结构的矛盾日益突出，能源生产与消费模式转型需求日趋强烈。2014 年习近平总书记提出能源生产和消费 “四个革命、一个合作”的战略 [1]。2015年李克 强总理提出“互联网 +”行动计划 [2]，旨在推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与传统制造业结合，实现产业结构升级。2015 年发改委等三部委联合印发《关于推进“互联网+” 智慧能源发展的指导意见》( 发改能源〔2016〕392号)[3]，2016年能源局发布《关于组织实施“互联网 +”智慧能源 ( 能源互联网 ) 示范项目的通知》( 国能科技〔2016〕200 号 )[4]。广东电网公司积极申报承担首批能源局能源互联网示范项目《支持消费革命的城市—园区双级“互联网+” 智慧能源示范项目》 (简称“广东电网示范工程” )[5]，在城市—园区两级开展能源互联网关键技术运 行机制与商业模式综合性示范研究，内容包括 ：园区级柔直配网、高可靠性交流配网和多能协同，以及城市级能源信息接入与融合，新型运营机制与商业模式示范建设与应用。

本文来源：微信公众号 电力勘测设计 ID：dianlikancesheji

1 能源互联网建设思路

能源互联网是以互联网理念构建的新型信息能源网络系统 [6-9]，以客户体验为中心，综合运用先进的电力电子技术、信息技术和能源管 理技术，将电力、油气、冷热等多能流的生产、 传输、消费、存储等各环节互联起来，实现多能源横向协同，“源—网—荷—储”纵向互动， 构建全新能源生产消费的产业模式和生态系统。能源互联网的主要特征 [10-12] ：开放互联是能源互联网的基础，实现多能、多主体、数据资源的开放互联。大数据分析、人工智能应用是能源互联网重要技术支撑，实现海量多源异构数据集成挖掘与分析 ；运行机制和商业模式是能源互联网的核心，是提高综合能效、构建综合能源服务体系的关键。根据能源互联网的主要特征，结合互联网 技术架构体系，研究提出物理—信息—应用三层建设模式，见图1。物理层重点解决多种能 源互联、电网纵向智能互动 ；信息层应用大数据云平台技术，解决多源海量信息互联 ；应用层重点解决基于互联网化的新型能源生产消费、 市场与交易模式。通过信息层的数据链条连接了物理层的能源链条和应用层的业务链条，保证了各层建设内容的整体协调和有机联系。

2 能源互联网关键技术

2.1 柔直配网技术

为支撑物理能源网架实现综合能源互联互通、配网高效灵活、网络智能高效的目标，主要开展以下研究与应用工作 ：

1) 电力电子器件技术 ：采用第三代半导体 SiC 构成宽禁带的功率器件，具有更低的开关损耗和更低的导通压降，提升设备的转换效率 ；研发定制高性能集成门极换向晶闸管大功率半导体开关器件，具有低通态压降、高阻断电压和晶体管稳定于一体的特性，支持换流设备拓扑创新应用。

2) 柔性直流配网设备的关键技术 ：首次提出共用转移支路的多端口直流断路器拓扑结构， 研制应用三端口直流断路器，大大减少电力电 子器件数量，降低体积和成本。实现交叉钳位 结构的柔直换流阀，实现故障电流自清除功能， 切断时间快、附加损耗小。

3) 柔性直流配网控制保护关键技术 ：提出控制保护一体化、紧凑化设计的工程技术方案，实现多端柔性直流配电网协调控制、系统一键化启停、多种运行方式的无缝切换等功能 ；创 新提出交直流混合配网协调控制策略，实现交直流有功无功协调控制，光储充直流微网与交 直流配网协同运行，交流系统极端故障情况下， 柔直与变电站备自投协同提供紧急备用。

4) 柔性直流配网系统成套设计技术 ：创新提出工程化意义的星型网络拓扑结构及一、二 次设备配置方案 ；制定过电压保护与配合规范、 电压源换流器、直流变压器、直流断路器等主 要设备的技术要求，以及控制保护系统架构、 系统运行方式、保护配置方案和控制保护系统要求等。

5) 直流微电网灵活高效接入的关键技术 ：创新柔直中压配网与低压直流微网的协同运行方案 ( 包括接入方案 ) ；研究提出直流微电网运行控 制、无缝切换、高低压故障穿越等系列关键技术。

2.2 互联网信息化技术

智慧能源大数据云平台建设主要展开以下几方面研究与应用 ：1) 应用大数据云平台技术建设智慧能源运营服务平台，采用ETL 工具实现与广东电网大数据平台数据交互。建立综合能源数据模型， 搭建数据集成与分析平台，为智慧能源应用提供数据集成与融合服务和大数据分析计算环境。针对能源数据的实时连续性、数据处理要求高、 短时爆发性强的特点，平台体系架构使用柔性多样化的数据集成技术和连续反应式的数据处理技术，支撑能源数据个体性的差异化处理；运用微服务、容器等弹性可扩展技术，建立云环境下微服务框架，支撑电网高级应用的快速开发和快速迭代，该方案已在广东电网 10 个地市级单位推广开展数据平台建设。

2) 扩展综合能源数据模型与实现数据集成融合 ：在南方电网现有公共信息模型(common information model，CIM) 模型基础上，针对水、 电、气、冷、热、风电、光伏、储能与充电桩等 10 多种形式能源数据，进行综合能源数据模型扩展 ；通过对数据的解析，构建智慧能源上层应用的多源异构数据的融合模型，推动能源互联网综合能源数据模型标准的建立。

3)研究建立内外网平台数据安全防护策略：内网资源池、外网资源池隔离区(dimilitarized zone，DMZ) 共同为智慧能源应用提供运行环境，见图 2。内网资源池承载智慧能源应用的核心逻辑及核心业务数据，通过摆渡技术将内网用户操作的相关数据同步到外网资源池。外网资源池不存储敏感信息，主要部署与用户交互的相关逻辑和数据。外部数据源调用外网资源池的数据接入服务，通过摆渡技术导入到内网资源池，并存储在智慧能源大数据平台。

4) 探索区块链技术的应用 ：创新基于区块链技术的交易平台，支持分布式新能源的绿证交易商业模式。基于区块链的“去中心化”技术，实现交易数据的可信存储。绿证交易增加了分布式新能源的额外收益，以配额代替补贴的形式促进了分布式新能源的发展。

3 运行机制与商业模式

适宜的运行机制和商业模式能够为能源企业、售电公司、用户、分布式资源所有者等各类主体提供参与能源互联网运营的实施路径， 打造开放的能源互联网生态。

1) 多能源协同运营机制 ：基于价格的多能源协同运行机制，形成了城市级别跨区多能源系统优化运行方法，以及区域级别多能源系统优化运行和控制方法 ；实现了能源系统各环节运行状态的实时分析与优化运行策略的制定，有力促进了各种能源的协同和梯级利用。

2) 虚拟电厂运营机制 ：基于双层规划的虚拟电厂日前调度模型，可实现特定区域内分布式新能源发电能力动态预测，将分布式新能源、 可控负荷、电动汽车及储能等灵活性资源自由组合成虚拟电厂，参与系统调控以及调峰调频、 潮流优化等辅助服务，形成虚拟电厂调度运行的优化策略与运营机制。

3) 能源互联网平台商业模式 ：借鉴互联网思维模式，搭建开放的综合能源运营服务平台， 为各主体提供开展综合能源运营的数据能力和业务能力，引导各类用户共同参与能源互联网发展。支持能源企业开展多能协同运营业务；支持售电公司挖掘用户响应潜力，开展基于市场价格信号、激励机制的需求响应模式 ；支持能源服务商整合分布式资源开展虚拟电厂运营等。

4) 增值服务商业模式 ：设计定制化的用户能源服务 ；设计面向工商业用户的能源账单、需量分析、能耗监控、节能建议等用能增值服务；面向下一阶段电力市场的中小用户，设置了电力零售套餐 ；为分布式资源所有者提供运行分析、运维托管和报装接入等服务设计。

5) 基于区块链的绿证交易商业模式 ：将区块链技术引入绿证交易市场的设计方案，能够解决绿证在核发、交易和核查环节的组织、记录和审计问题。区块链的加入，能进一步完善现有的绿证交易市场，建立起成熟稳定的绿证交易机制。

4 示范工程建设

广东电网示范项目在国内首次系统地实践了物理—信息—应用三层能源互联网建设模式， 为能源互联网示范建设提供了样板式参考，三层建设成果具体如下 ：

1) 物理层。在唐家湾建成了世界首例 ±10 kV、±375 V、±110 V 多电压等级、多 端交直流混合配电网，换流容量为40 MW， 包括唐家(20 MW)、鸡山I (10 MW)、鸡山II (10 MW) 换流站与科技园降压换流站(2 MW)， 鸡山I 采用含集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristors，IGCT) 交叉钳位模块的半桥模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC) 换流阀拓扑，鸡山Ⅱ与唐家 换流站采用半桥MMC 换流阀与机械式直流断路器的接线拓扑。科技园降压换流站建设三端口直流断路器。在清华科技园建成了光储充一体化的直流微网，采用了2 MW ±10 kV/±375 V/ ±110 V 三端口直流变压器，直流微网接入了 0.2 MW 屋顶光伏、1 MW/1 MW·h 电化学储能及 1 MW 直流充电桩等灵活性资源，系统接线图见图 3。

该柔直配网具有三端联网运行、双端 联网+ 单端供电分列运行、单端静止同步补偿器 (static synonous compensator，STATCOM) 运行等 10 种运行方式 ；可根据交流电网潮流自动调节直流传输功率的大小、方向，实现与交流电网有功无功统一协调控制。N-2 极端故障 情况下为交流电网提供紧急电源支撑，实现直流微网与交直流配网的优化运行。典型方式下， 鸡山站向唐家站输送 20 MW 的有功功率，可将唐家站主变负载率由 70% 下降到 47.7%。2) 信息层。建设了面向海量灵活性资源的智慧能源大数据云平台，见图4。

平台集成了 343 个光伏逆变器、1 738 个充电枪、 2 个储能站、 70 万用户等数据 ；构建了四大类 CIM 模型，包括基于站变线关系的主网模型、基于站线变户关系的配网模型、用于风光发电的分布式资源模型及用于冷热气的综合能源模型。平台实现了内外部能源数据的集成和管理、多源异构数据的融合并提供数据资源服务。信息层的建设，形成了智慧能源大数据服务能力，加快能源数据的融合与协同操作，为能源数据资产增值与变现奠定技术基础，加速形成以综合能源数据为核心的能源生态圈。

3) 应用层。智慧能源运营管理平台集成多能源协同运营功能，支持了横琴区域电、冷、热、 气等能源在生产、转换、存储和消费各环节的运行情况展示和利用效率分析，实现了珠海全市的新能源、储能、充电桩设备的数据采集以及设备运行状况的监视 ；研发了分布式资源管理功能，可支持分布式新能源、可控负荷、电动汽车及储能等灵活性资源自由组合成虚拟电厂进行管理，支撑分布式资源交易以及分布式资源规划、建设、并网、维修和代管等拓展服务 ；研发了基于价格以及基于激励的需求响应管理功能，可支持需求响应事件发布、响应申报、过程监控、结果核算和激励发放等业务开展；建成了智慧用能服务功能，研发了支持现货交易的售电业务管理功能，组合设计了满足不同用户需求的零售套餐，实现了面向用户的用能账单、能效管理、报装咨询、节能服务等系列个性化增值服务，以及面向能源服务商的项目规划建设、设备运维管理功能。应用层的建设极大拓展了互联网综合能源服务范围，促进分布式新能源消纳，提高社会整体综合用能效率， 提升用户综合能源消费体验。

5 结论

广东电网承担的《支持消费革命的城市— 园区双级“互联网+”智慧能源示范项目》于 2019 年 3 月率先通过国家能源局组织验收，并被国家能源局发布的《能源互联网发展白皮书 2018》收录，本文依托该项目分析了能源供应模式存在的问题，研究了能源互联网建设思路、 关键技术、运行机制与商业模式，建成能源互联网工程示范区，形成一批具有推广示范意义 成果 ：

1) 研究并提出了有利于项目组织实施以及能源互联网标准化建设的物理—信息—应用三 层式架构及城市—园区两级系统模式，解决以珠海为代表的、以高新产业为主体的城市或园区用能需求。

2) 研究了新型配网技术形态，建设了唐家柔直配电网，提升了物理能源网架能量调度的灵活性与网络运行的可靠性，为分布式资源、 各类能源运营商等多能源主体互联互通提供了强有力的物理网架支撑。

3) 研究了海量的多形式资源信息接入与融合技术，搭建了综合能源大数据云平台，实现了各类主体能源的信息汇集与交互，打通了综合能源系统内海量运营主体的信息壁垒，为示范区域内各类能源主体的交互与协同提供信息网架支撑。

4) 研究了开放共享、互动共赢的运行机制与商业模式，构建了向社会各类主体开放的智慧能源运营管理平台 ；推动海量能源主体开展多元化交互与协作 ；利用市场化手段平衡多方能源消费需求，进而提高能源供给通道的资产利用率，降低各方能源使用成本，整体提高社会总体用能效率，为各类能源主体的高效协同提供了机制模式支撑。

参考文献

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