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引言 當前，我國經濟發展與能源結構的矛盾日益突出，能源生產與消費模式轉型需求日趨強烈。2014 年習近平總書記提出能源生產和消費 「四個革命、一個合作」的戰略 [1]。2015年李克 強總理提出「網際網路 +」行動計劃 [2]，旨在推動移動網際網路、雲計算、大數據、物聯網等與傳統製造業結合，實現產業結構升級。2015 年發改委等三部委聯合印發《關於推進「網際網路+」 智慧能源發展的指導意見》( 發改能源〔2016〕392號)[3]，2016年能源局發布《關於組織實施「網際網路 +」智慧能源 ( 能源網際網路) 示範項目的通知》( 國能科技〔2016〕200 號 )[4]。廣東電網公司積極申報承擔首批能源局能源網際網路示範項目《支持消費革命的城市—園區雙級「網際網路+」 智慧能源示範項目》 (簡稱「廣東電網示範工程」 )[5]，在城市—園區兩級開展能源網際網路關鍵技術運 行機制與商業模式綜合性示範研究，內容包括 ：園區級柔直配網、高可靠性交流配網和多能協同，以及城市級能源信息接入與融合，新型運營機制與商業模式示範建設與應用。
本文來源：微信公眾號 電力勘測設計 ID：dianlikancesheji
1 能源網際網路建設思路
能源網際網路是以網際網路理念構建的新型信息能源網絡系統 [6-9]，以客戶體驗為中心，綜合運用先進的電力電子技術、信息技術和能源管 理技術，將電力、油氣、冷熱等多能流的生產、 傳輸、消費、存儲等各環節互聯起來，實現多能源橫向協同，「源—網—荷—儲」縱向互動， 構建全新能源生產消費的產業模式和生態系統。能源網際網路的主要特徵 [10-12] ：開放互聯是能源網際網路的基礎，實現多能、多主體、數據資源的開放互聯。大數據分析、人工智慧應用是能源網際網路重要技術支撐，實現海量多源異構數據集成挖掘與分析 ；運行機制和商業模式是能源網際網路的核心，是提高綜合能效、構建綜合能源服務體系的關鍵。根據能源網際網路的主要特徵，結合網際網路 技術架構體系，研究提出物理—信息—應用三層建設模式，見圖1。物理層重點解決多種能 源互聯、電網縱向智能互動 ；信息層應用大數據云平臺技術，解決多源海量信息互聯 ；應用層重點解決基於網際網路化的新型能源生產消費、 市場與交易模式。通過信息層的數據鏈條連接了物理層的能源鏈條和應用層的業務鏈條，保證了各層建設內容的整體協調和有機聯繫。
2 能源網際網路關鍵技術
2.1 柔直配網技術
為支撐物理能源網架實現綜合能源互聯互通、配網高效靈活、網絡智能高效的目標，主要開展以下研究與應用工作 ：
1) 電力電子器件技術 ：採用第三代半導體 SiC 構成寬禁帶的功率器件，具有更低的開關損耗和更低的導通壓降，提升設備的轉換效率 ；研發定製高性能集成門極換向晶閘管大功率半導體開關器件，具有低通態壓降、高阻斷電壓和電晶體穩定於一體的特性，支持換流設備拓撲創新應用。
2) 柔性直流配網設備的關鍵技術 ：首次提出共用轉移支路的多埠直流斷路器拓撲結構， 研製應用三埠直流斷路器，大大減少電力電 子器件數量，降低體積和成本。實現交叉鉗位 結構的柔直換流閥，實現故障電流自清除功能， 切斷時間快、附加損耗小。
3) 柔性直流配網控制保護關鍵技術 ：提出控制保護一體化、緊湊化設計的工程技術方案，實現多端柔性直流配電網協調控制、系統一鍵化啟停、多種運行方式的無縫切換等功能 ；創 新提出交直流混合配網協調控制策略，實現交直流有功無功協調控制，光儲充直流微網與交 直流配網協同運行，交流系統極端故障情況下， 柔直與變電站備自投協同提供緊急備用。
4) 柔性直流配網系統成套設計技術 ：創新提出工程化意義的星型網絡拓撲結構及一、二 次設備配置方案 ；制定過電壓保護與配合規範、 電壓源換流器、直流變壓器、直流斷路器等主 要設備的技術要求，以及控制保護系統架構、 系統運行方式、保護配置方案和控制保護系統要求等。
5) 直流微電網靈活高效接入的關鍵技術 ：創新柔直中壓配網與低壓直流微網的協同運行方案 ( 包括接入方案 ) ；研究提出直流微電網運行控 制、無縫切換、高低壓故障穿越等系列關鍵技術。
2.2 網際網路信息化技術
智慧能源大數據云平臺建設主要展開以下幾方面研究與應用 ：1) 應用大數據云平臺技術建設智慧能源運營服務平臺，採用ETL 工具實現與廣東電網大數據平臺數據交互。建立綜合能源數據模型， 搭建數據集成與分析平臺，為智慧能源應用提供數據集成與融合服務和大數據分析計算環境。針對能源數據的實時連續性、數據處理要求高、 短時爆發性強的特點，平臺體系架構使用柔性多樣化的數據集成技術和連續反應式的數據處理技術，支撐能源數據個體性的差異化處理；運用微服務、容器等彈性可擴展技術，建立雲環境下微服務框架，支撐電網高級應用的快速開發和快速迭代，該方案已在廣東電網 10 個地市級單位推廣開展數據平臺建設。
2) 擴展綜合能源數據模型與實現數據集成融合 ：在南方電網現有公共信息模型(common information model，CIM) 模型基礎上，針對水、 電、氣、冷、熱、風電、光伏、儲能與充電樁等 10 多種形式能源數據，進行綜合能源數據模型擴展 ；通過對數據的解析，構建智慧能源上層應用的多源異構數據的融合模型，推動能源網際網路綜合能源數據模型標準的建立。
3)研究建立內外網平臺數據安全防護策略：內網資源池、外網資源池隔離區(dimilitarized zone，DMZ) 共同為智慧能源應用提供運行環境，見圖 2。內網資源池承載智慧能源應用的核心邏輯及核心業務數據，通過擺渡技術將內網用戶操作的相關數據同步到外網資源池。外網資源池不存儲敏感信息，主要部署與用戶交互的相關邏輯和數據。外部數據源調用外網資源池的數據接入服務，通過擺渡技術導入到內網資源池，並存儲在智慧能源大數據平臺。
4) 探索區塊鏈技術的應用 ：創新基於區塊鏈技術的交易平臺，支持分布式新能源的綠證交易商業模式。基於區塊鏈的「去中心化」技術，實現交易數據的可信存儲。綠證交易增加了分布式新能源的額外收益，以配額代替補貼的形式促進了分布式新能源的發展。
3 運行機制與商業模式
適宜的運行機制和商業模式能夠為能源企業、售電公司、用戶、分布式資源所有者等各類主體提供參與能源網際網路運營的實施路徑， 打造開放的能源網際網路生態。
1) 多能源協同運營機制 ：基於價格的多能源協同運行機制，形成了城市級別跨區多能源系統優化運行方法，以及區域級別多能源系統優化運行和控制方法 ；實現了能源系統各環節運行狀態的實時分析與優化運行策略的制定，有力促進了各種能源的協同和梯級利用。
2) 虛擬電廠運營機制 ：基於雙層規劃的虛擬電廠日前調度模型，可實現特定區域內分布式新能源發電能力動態預測，將分布式新能源、 可控負荷、電動汽車及儲能等靈活性資源自由組合成虛擬電廠，參與系統調控以及調峰調頻、 潮流優化等輔助服務，形成虛擬電廠調度運行的優化策略與運營機制。
3) 能源網際網路平臺商業模式 ：借鑑網際網路思維模式，搭建開放的綜合能源運營服務平臺， 為各主體提供開展綜合能源運營的數據能力和業務能力，引導各類用戶共同參與能源網際網路發展。支持能源企業開展多能協同運營業務；支持售電公司挖掘用戶響應潛力，開展基於市場價格信號、激勵機制的需求響應模式 ；支持能源服務商整合分布式資源開展虛擬電廠運營等。
4) 增值服務商業模式 ：設計定製化的用戶能源服務 ；設計面向工商業用戶的能源帳單、需量分析、能耗監控、節能建議等用能增值服務；面向下一階段電力市場的中小用戶，設置了電力零售套餐 ；為分布式資源所有者提供運行分析、運維託管和報裝接入等服務設計。
5) 基於區塊鏈的綠證交易商業模式 ：將區塊鏈技術引入綠證交易市場的設計方案，能夠解決綠證在核發、交易和核查環節的組織、記錄和審計問題。區塊鏈的加入，能進一步完善現有的綠證交易市場，建立起成熟穩定的綠證交易機制。
4 示範工程建設
廣東電網示範項目在國內首次系統地實踐了物理—信息—應用三層能源網際網路建設模式， 為能源網際網路示範建設提供了樣板式參考，三層建設成果具體如下 ：
1) 物理層。在唐家灣建成了世界首例 ±10 kV、±375 V、±110 V 多電壓等級、多 端交直流混合配電網，換流容量為40 MW， 包括唐家(20 MW)、雞山I (10 MW)、雞山II (10 MW) 換流站與科技園降壓換流站(2 MW)， 雞山I 採用含集成門極換流晶閘管(integrated gate commutated thyristors，IGCT) 交叉鉗位模塊的半橋模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC) 換流閥拓撲，雞山Ⅱ與唐家 換流站採用半橋MMC 換流閥與機械式直流斷路器的接線拓撲。科技園降壓換流站建設三埠直流斷路器。在清華科技園建成了光儲充一體化的直流微網，採用了2 MW ±10 kV/±375 V/ ±110 V 三埠直流變壓器，直流微網接入了 0.2 MW 屋頂光伏、1 MW/1 MW·h 電化學儲能及 1 MW 直流充電樁等靈活性資源，系統接線圖見圖 3。
該柔直配網具有三端聯網運行、雙端 聯網+ 單端供電分列運行、單端靜止同步補償器 (static synonous compensator，STATCOM) 運行等 10 種運行方式 ；可根據交流電網潮流自動調節直流傳輸功率的大小、方向，實現與交流電網有功無功統一協調控制。N-2 極端故障 情況下為交流電網提供緊急電源支撐，實現直流微網與交直流配網的優化運行。典型方式下， 雞山站向唐家站輸送 20 MW 的有功功率，可將唐家站主變負載率由 70% 下降到 47.7%。2) 信息層。建設了面向海量靈活性資源的智慧能源大數據云平臺，見圖4。
平臺集成了 343 個光伏逆變器、1 738 個充電槍、 2 個儲能站、 70 萬用戶等數據 ；構建了四大類 CIM 模型，包括基於站變線關係的主網模型、基於站線變戶關係的配網模型、用於風光發電的分布式資源模型及用於冷熱氣的綜合能源模型。平臺實現了內外部能源數據的集成和管理、多源異構數據的融合併提供數據資源服務。信息層的建設，形成了智慧能源大數據服務能力，加快能源數據的融合與協同操作，為能源數據資產增值與變現奠定技術基礎，加速形成以綜合能源數據為核心的能源生態圈。
3) 應用層。智慧能源運營管理平臺集成多能源協同運營功能，支持了橫琴區域電、冷、熱、 氣等能源在生產、轉換、存儲和消費各環節的運行情況展示和利用效率分析，實現了珠海全市的新能源、儲能、充電樁設備的數據採集以及設備運行狀況的監視 ；研發了分布式資源管理功能，可支持分布式新能源、可控負荷、電動汽車及儲能等靈活性資源自由組合成虛擬電廠進行管理，支撐分布式資源交易以及分布式資源規劃、建設、併網、維修和代管等拓展服務 ；研發了基於價格以及基於激勵的需求響應管理功能，可支持需求響應事件發布、響應申報、過程監控、結果核算和激勵發放等業務開展；建成了智慧用能服務功能，研發了支持現貨交易的售電業務管理功能，組合設計了滿足不同用戶需求的零售套餐，實現了面向用戶的用能帳單、能效管理、報裝諮詢、節能服務等系列個性化增值服務，以及面向能源服務商的項目規劃建設、設備運維管理功能。應用層的建設極大拓展了網際網路綜合能源服務範圍，促進分布式新能源消納，提高社會整體綜合用能效率， 提升用戶綜合能源消費體驗。
5 結論
廣東電網承擔的《支持消費革命的城市— 園區雙級「網際網路+」智慧能源示範項目》於 2019 年 3 月率先通過國家能源局組織驗收，並被國家能源局發布的《能源網際網路發展白皮書 2018》收錄，本文依託該項目分析了能源供應模式存在的問題，研究了能源網際網路建設思路、 關鍵技術、運行機制與商業模式，建成能源網際網路工程示範區，形成一批具有推廣示範意義 成果 ：
1) 研究並提出了有利於項目組織實施以及能源網際網路標準化建設的物理—信息—應用三 層式架構及城市—園區兩級系統模式，解決以珠海為代表的、以高新產業為主體的城市或園區用能需求。
2) 研究了新型配網技術形態，建設了唐家柔直配電網，提升了物理能源網架能量調度的靈活性與網絡運行的可靠性，為分布式資源、 各類能源運營商等多能源主體互聯互通提供了強有力的物理網架支撐。
3) 研究了海量的多形式資源信息接入與融合技術，搭建了綜合能源大數據云平臺，實現了各類主體能源的信息匯集與交互，打通了綜合能源系統內海量運營主體的信息壁壘，為示範區域內各類能源主體的交互與協同提供信息網架支撐。
4) 研究了開放共享、互動共贏的運行機制與商業模式，構建了向社會各類主體開放的智慧能源運營管理平臺 ；推動海量能源主體開展多元化交互與協作 ；利用市場化手段平衡多方能源消費需求，進而提高能源供給通道的資產利用率，降低各方能源使用成本，整體提高社會總體用能效率，為各類能源主體的高效協同提供了機制模式支撐。
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原標題:能源網際網路關鍵技術及市場機制的研究與實踐
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