能源互联网的形态特征与体系架构.docx

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能源互联网的形态特征与体系架构

能源互联网的形态特征与体系架构

课题负责单位

清华大学

课题参与单位

国防科技大学

国家电网

南方电网

新奥集团

远景能源

中国普天

中兴通讯

世纪互联

中关村储能产业联盟

二○一五年六月

一、能源互联网的背景与动因

（一）背景概要

能源是承载经济社会发展的重要物质基础。

过去三十年中，我国能源消费总量持续快速增长，并形成了以化石能源为主体的能源结构。

一方面导致资源持续趋紧，石油、天然气对外依存度呈持续攀升态势；另一方面造成生态环境急剧恶化，2013年以来，中东部地区雾霾面积持续扩大，多个重要城市的空气质量指数接连爆表，严重影响了社会生产和居民的正常生活。

为了应对能源和环境的双重危机，大力发展清洁能源已成为了国际社会的共同选择。

2014年11月，中美两国共同发表的《中美气候变化联合声明》宣布，中国2030年碳排放有望达到峰值，并计划将非化石能源在一次能源消费中的比重提升到20%。

国际社会层面，2015年6月，西方基督教教皇发表声明支持可再生能源替代化石能源；夏威夷等多个地方政府制定100%可再生能源实施计划。

党中央、国务院高度重视能源产业发展。

习近平总书记主持召开中央财经领导小组第六次会议，提出了“推进能源消费、供给、技术、体制革命和全方位加强能源国际合作”的工作要求。

李克强总理主持召开新一届国家能源委员会首次会议，明确了“节约、清洁、安全”的能源战略方针。

推动能源革命已成为当前我国能源工作的中心任务。

于此同时，互联网正悄然改变着这个时代的社会生产和生活方式，“互联网+”已被实践证明，能够从根本上颠覆众多传统产业的发展模式，从而为传统产业带来革命性发展机遇。

通过融合先进的互联网和能源技术，构建以智能用能、智能输能、智能供能等为基础的清洁、高效能源互联网，逐步消除各类能源网络之间的隔离性，打破相对封闭的行业格局，已被广泛认为是开启能源革命的重要战略支点。

（二）内外动因

“石器时代的结束并不是因为缺少石头”－沙特阿拉伯前石油部长、欧佩克的缔造者之一谢赫·亚马尼。

可再生能源时代的兴起与化石能源时代的终结不是由于化石能源的枯竭，而是由于人类社会针对在全球一体化的发展进程中所面临的生存环境日益恶化的巨大挑战所采取的必要举措。

能源互联网作为可再生能源平等、开放、高效融入传统能源系统的技术手段，是信息互联网发展中产生的开源创造和分布架构两种重要思想融入传统能源系统的必然产物，是生产关系和生产要素互联网化之后传统能源结构演进的必然结果，是工业文明向信息文明迈进的核心理念和技术体系。

1）产业动因

我国能源产业缺乏协同发展。

目前我国光伏、风力等可再生能源产业面临的产能相对过剩，低层次价格战的困境已经证明，如果新能源产业缺乏顶层设计和长期规划，就会容易造成相关产业和企业跟风发展、重复建设，以及局部发展理性、全局非理性的产业发展格局，并易滋生地方保护主义和无原则的地方财政性担保。

另外，我国目前能源产业尤其是新能源产业还存在价值链和产业链重要环节间尚未打通，资源碎片化严重，无法形成有效闭环等系统架构性问题，从而导致各种能源系统处于“烟囱式”和“拼盘式”条块分割状态，缺乏统一协同能力，导致能源系统整体效率低下。

我国在新能源产业政策执行效果方面并不理想。

在此以新能源汽车推广为例说明这个问题：

2013年9月财政部、科技部、工业和信息化部、发展改革委四部委联合出台的《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》，开启了我国新能源汽车推广规划。

此后，四部委又于2014年11月25日下发了《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》，决定在评估的基础上对新能源汽车推广试点较好的地方进行奖励。

然而，“时间过了将近一半，计划任务完成不及五分之一”，这是对当前国内新能源汽车推广情况的真实写照。

与此相类似，在光伏、风能等可再生能源行业及其配套产业发展方面也存在不同程度的延迟滞后等现象，从各部委及地方下发的相关文件的落实情况来看，执行效果不容乐观。

试点城市在新能源产业推广进度上的不利，揭示出当前新能源产业推广计划与落地实施之间存在矛盾的状态。

我国正处在能源产业结构调整以及体制改革的关键时期。

近年来，在国家政策的激励下我国新能源产业产能快速增长，但是在国内产业链尚未贯通并且市场未充分开发的同时，欧美等发达国家在国际市场上相继对我国新能源行业展开“双反”，使得我国以光伏和风电产业为代表的战略性新能源产业的发展受到严重制约。

因此，建设立足国内、面向全球的新能源产业和服务体系的要求已经十分迫切。

此外，能源产业作为国民经济的基础产业，其结构也必将随着国民经济组成结构的动态调整而改变。

随着国家对国民经济的调整力度逐渐加大，高耗能产业逐步淘汰的步伐，能源产业结构调整的压力也越来越大。

因此，坚持节约优先、立足国内、多元发展，优化能源结构，构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系是国民经济健康稳定发展的需求。

能源互联网作为能源革命的重要技术体系，其开放对等互联共享的设计思想将会从根本上改变我国的经济产业布局和能源生产消费模式，从而推动我国能源行业体制的变革，打破不同能源系统之间条块分割的格局，提高我国能源行业的整体开放程度和能源利用效率，保障和促进经济转型和增长。

2）民生动因

我国经济增长过程中面临着严峻的能源供给问题。

经过近30年的快速发展，我国的经济总量目前已位居世界第二位。

然而，我们也应该看到人口、环境和资源的红利已基本消耗殆尽，国民经济增长速度也由高速增长进入中高速增长的新常态。

我国的能源结构不尽合理并且能源利用效率较低，导致经济发展与能源消费之间的矛盾日益突出，能源依赖进口的比重越来越大，一旦国际政治环境出现动荡，我国的能源安全将无法得到保障。

国家战略新兴产业的能耗逐年升高，能效提升与可持续发展问题已成为战略新兴产业发展的瓶颈。

大力培育战略性新兴产业已经作为国策写入我国政府工作报告。

目前，国家将节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车等七个产业作为现我国阶段培育战略性新兴产业的重点发展对象。

然而，随着国家战略新兴产业比重的增加和近年来的快速发展，这些战略新兴产业的能耗呈现出迅猛增长的态势，对于能源的依赖性越来越强，单位GDP能耗逐年增加。

例如，作为大数据，云计算和互联网应用基础的数据中心在我国目前的保有量已超过40万个，其年耗电量已经超过全社会年用电量的1.5%，并且这个数字逐年呈指数增长。

我国传统产业单位GDP能耗远超发达国家能耗水平，成为经济提质减速与可持续发展的障碍。

由于技术水平落后、资源过度开发利用等原因，传统能源系统通常在开采，运输，加工，使用，回收各个环节对环境均有不同程度的破坏，导致废弃物排放增多，环境污染问题日益突出。

这种依靠大量消耗资源支撑经济增长的粗放型发展模式，不仅使资源供需矛盾更加突出，也制约了经济增长质量和效益的進一步提高。

此外，传统产业的高能耗也导致了高污染的问题，雾霾的频现即是环境恶化的佐证之一。

有分析指出，燃煤发电和工业燃煤产生的烟气对京津冀地区的雾霾贡献率高达45%，而这些烟气的多集中产生于传统能源产业中技术相对落后的企业。

因此，大力发展能源互联网能够在最大程度上提高能源利用效率与新能源渗透率，降低国内经济发展的单位GDP能耗和对传统化石能源的依赖程度，实现经济发展的健康转型。

3）技术动因

互联网技术与互联网思维正在前所未有的速度与包括能源产业在内的各种传统产业相互融合，并已为能源行业的互联网化革命以及能源物理系统与信息系统的紧密融合提供了先进的信息通信技术基础。

物联网技术与4G、5G移动互联网技术为能源互联网提供了能源全生命周期的信息实时采集与实时处理提；能量信息化，物理信息融合技术（CPS），软件定义网络（SDN），大数据与云计算等互联网技术为更好地实现信息流同能量流的紧密融合；社交网络，电子支付，现代物流等互联网应用技术和可靠的电力电子技术及先进储能技术等，为能源互联网提供了管控手段和商业运营模式，为满足不同用户的差异化需求提供了技术和应用模式支撑。

尽管能源互联网对现有多个领域的相关技术提出了更高要求，但是从硬件到软件，从组件技术到系统技术的长足发展为能源互联网的发展奠定了基础。

能量信息融合技术是能源互联网提高能效，实现多能协同互补利用的核心技术，在能量存储与控制上的技术长足发展为能量的信息化和互联网化管控技术的发展奠定了基础。

电力电子技术、电力电子芯片与材料技术及电力智能硬件技术近年来的发展非常迅猛，尽管这些技术目前仍有关键技术难题待攻克，但是为能源互联网的发展奠定了技术基础。

同时，能源互联网作为一种新型能源系统，其自身是一项复杂庞大的系统工程，需要我们从材料，元器件，系统，和应用等方面统筹规划，做好顶层设计，避免以往单点技术先进，系统能力落后的问题。

能源互联网是解决多能互联传输、融合与高效利用技术的有效手段。

尽管我国小范围示范多能互联项目验证了多能互联具有高效用能的优点，但是，广泛推广多能融合互联首先需要在核心技术思想上实现突破，这是由于一方面以往的能源系统都是从产能到用能的单向网络，难以承受大量能量产销终端接入带来的冲击；另一方面，传统的油、气、电、煤等能源网络仍然相互隔离。

能源互联网提供了运用先进信息技术和互联网的理念与方法，通过能源互联网把传统能源系统互通互联，并与新能源系统无缝融合，实现泛能协调管控与资源最优化配置，以及用能侧海量分布式新能源发电和储能设备的接入，提高新能源在能源使用中的比例。

4）市场动因

能源全生命周期的市场化和能源产权的多元化是促使能源互联网发展的市场动因。

能源行业长期存在的行政垄断、自然垄断以及价格垄断，从而导致中国能源企业效率低下，环境污染问题突出。

2013年中石油和中石化的人均营业收入约为皇家壳牌的8.3%和9.1%，约为美国康菲石油公司的5.9%和6.3%；2010年国家电网的人均营业收入只有世界行业平均的18%。

输电线路装机比、线路电量比是美国的59%及65%，日本的30%和33%。

因此，打破我国能源领域现行的行政性垄断和价格垄断，利用市场力量理顺能源价格形成机制，让价格真实反映能源资源全生命周期的价值，从根本上治理环境污染问题和资源利用效率问题。

此外，垄断还抑制了民间投资和技术创新。

例如，石油行业“圈而不探”的现象，国家三大石油公司控制95%油气资源勘查开发区域，但圈地积极勘探不积极；相比较而言，欧美发达国家的油气市场则完全开放，例如美国有8000多家油气公司，页岩气革命完全依靠市场力量推动，7000多家中小公司的进入推动了页岩气技术的突破，如页岩气之父乔治-米切尔，花了17年时间，打了十几口井，耗费数亿美元，解决了技术上的难题，使得美国基本实现了能源独立。

在收入分配的公平性上，能源行业的高额垄断租金还会严重影响社会收入分配。

2012年，国家电网、中石化、中石油和中海油的净利润分别为804亿、664亿、1392亿和637亿元，占央企净利润总额的31.5%。

高额利润本质上是全社会向在位企业所支付的垄断租金，也是全社会向垄断企业的财富转移。

能源行业的价格垄断造成了市场信号严重扭曲。

政府采取成本加成等方式规定能源价格的价格的方法不尽合理，无法反映能源供求关系，人在能源全生命周期中的能动作用被长期忽略。

此外，能源价格的结构性失衡还极大地抑制了可再生能源产业的发展。

由于煤炭和石油的价格中不包含环境成本，价格相对较低，清洁能源与高污染能源的价格差被不合理的拉大，导致清洁能源对煤炭或者燃油的替代会非常艰难。

二、能源互联网的形态

能源互联网作为开启能源革命的重要战略支点，以“推进能源消费、供给、技术、体制革命”为宗旨，以提高可再生清洁能源比例、综合能源利用效率和国家能源战略安全为目标（即“节约、清洁、安全”的国家能源战略方针），通过构建融合先进互联网和能源技术的能源互联生态网络，激发汇聚能源互联生态圈中所有参与者的力量，实现以智能用能、智能输能、智能供能等为基础的清洁、高