张化光 | 能源互联网：控制的机遇与挑战

随着传统化石能源逐渐枯竭及其广泛利用引起的气候变化等环境污染问题日益深化，发展新一代更为集约、环保、可持续的能源利用模式——能源互联网，势在必行。

什么是能源互联网？
能源互联网是能源领域与自动控制、信息处理、网络通讯等领域深度融合的产物，是以电力网络、热力网络、天然气网络及交通网络等复杂网络为物理实体，以能源技术与先进控制技术、智能优化技术及信息处理技术等为实施手段的一种新型开放式能源生态系统，可实现可再生能源的高效利用，提高可再生能源在一次能源生产和消费中的占比，其发展历程如图1所示。

图1 能源互联网发展历程

能源互联网特点
发展能源互联网是落实“互联网+”计划的典型代表，其可被理解为“互联网+智慧能源”，但又不是互联网与能源网络的简单叠加，其与单一互联网或者单一能源网络都存在较大区别。作为智能电网的深入与发展，能源互联网具有扁平化的网络结构，支持多种能源接入，能源与信息高度集成，及对等、自由、实时的交易模式等特点，如表1所示。



表1 能源互联网与智能电网的区别

与信息互联网类似，能源互联网具有共享、自由、便捷、廉价的特点。在能源互联网中，用户能源互用，具备产能能力的能源用户可以与其他用户共享其所生产的能源；供应渠道互联，能源供应渠道多样化（可以由传统能源供应商或者具备产能能力的能源用户提供），且能源可以在用户间相互传输，能源用户可以自由选择能源供应渠道；能源形式互换，网络中供应标准化能源，且冷、热、电等多种能源形式可以在能源消费终端相互转换，能源获取更加便捷；能源消费互利，由于可再生能源的边际成本近乎为0，并且多种能源形式可以相互转换，能源生产成本越来越低，能源逐渐转变为一种廉价消费品。然而，能源互联网在能源的产-输-储-用方面与信息互联网在信息的产-输-储-用方面尚存在较大区别，如表2所示。

表2 能源互联网与信息互联网的区别

能源互联网网络结构

由于能源互联网是涉及到能源、信息、控制、通讯等技术的新型复杂能源集成网络，不同学者的研究侧重点不同，根据目前已有的研究内容，对能源互联网网络结构进行分析，以“立体-平面-线-点”四个层次阐述未来能源利用体系，如图2所示。

图2 四类能源互联网之间的区别和联系

能源互联网实验平台
为验证能源互联网理论研究的有效性与实用性，利用东北大学信息学馆楼顶资源和约50-80平方米的楼内空间，我们团队研制出国内首个具有高稳定性，兼容性和可拓展性的能源互联网的能量产生、管理、优化，协调控制的综合智能实验平台，建成国内领先、国际先进的高效灵活、节能环保的能源互联网优化控制实验室，如图3和图4所示。通过该实验平台，基于现有能源互联网理论研究成果，结合先进的智能优化与控制手段，成功地实现了可再生能源联合供能并网检测、可再生能源并网发电优化控制等十大类实验，极大程度地消纳了可再生能源，实现了能源互联网内横向多能互补，纵向“源-网-荷-储”协调优化。

图3 东北大学能源互联网实验平台外观效果图

图4 东北大学能源互联网实验平台室内布局图

机遇与挑战
如何建立适用于能源互联网的能源综合控制管理系统，实现多种能源的协同控制与优化，是能源互联网发展进程中面临的首要问题。由于能源互联网在产能、输能、配能和用能四大环节对传统能源网络进行全面升级，其能源综合控制管理系统建立中涉及到大量的先进控制科学与技术问题，其具体体现为：
1、能源互联网将接入大量的各类可再生能源，能源供给侧的不稳定将带来极大的不确定性、强非线性、时空不同步性等复杂特性，而由于可再生能源的广域分布特性，其信息通讯网络难以实现全连通，网络具有复杂的时延、丢包等非可靠特性，对当前的控制优化理论提出极大的挑战；
2、能源互联网强调能源主体的分布式对等接入，实现其即插即用，各个能源主体具有极大的自治性，而整个能源网络又在各类强约束下要有一个统一的调控目标，这就要求系统能够实现分布式的优化控制，与传统能源网络的集中调控策略具有很大的区别，也对控制方法提出了更高的要求；
3、能源互联网包括能源供给侧、存储侧、传输侧、消费侧以及相关互联系统等多个来源的海量信息，而且信息与能源紧密耦合，如何利用并萃取这些信息，进而获得对于能源互联网更清晰的认识，并应用信息物理系统的相关技术进行综合的调控，实现能源的安全高效利用，是能源互联网面对的新课题；
4、能源互联网是一个能源、设备、信息、经济深度融合的系统，是物理空间、能源空间、信息空间乃至社会空间耦合的多域、多层次耦合的混杂大系统，其具有更广阔的开放性和更大的系统复杂性，呈现出复杂的、不同尺度的动态特性和演化趋势，其周期规划问题将是一个必须面对的重要基础问题。

尽管能源互联网的发展面临着社会、经济、技术等多方面的问题，但是，能源互联网是人类对于能源循环利用和环境可持续发展的必然选择，是由能源小范围生产消纳的自给自足模式，到大规模生产/网络化传输的集中能源模式后的又一次重大变革，其对于可再生能源的安全高效利用、综合多种能源形式的优化调度、信息与能源系统的紧密耦合以及扁平化多方自由参与的能源交换模式无疑更符合未来的能源发展趋势，也必将得到跃升式的发展。