薛斌， 唐卓貞

(1. 河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210098； 2. 國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；3. 南通航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226010)

全球能源互聯(lián)網關鍵技術進展及展望

薛斌1, 2， 唐卓貞1, 3

(1. 河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210098； 2. 國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；3. 南通航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226010)

基于全球能源的利用和技術研究現狀，探索了全球能源互聯(lián)網(Global Energy Interconnection，簡稱GEI)的概念、關鍵技術及發(fā)展趨勢。首先，分析了全球能源供需矛盾的現狀，闡述了GEI的基本特征、重要功能和研究進展。其次，建立了GEI能源供需模型和優(yōu)化控制模型，給出了模型構成元素的具體含義，客觀分析了可再生能源(Renewable Energy，簡稱RE)發(fā)電技術、智能電網技術、儲能技術和信息技術等相關領域需要深入研究的內容。最后，合理預測了GEI未來的發(fā)展軌跡，從技術和政策兩方面提出了GEI的發(fā)展建議。

全球能源互聯(lián)網；關鍵技術；數學模型；可再生能源；進展；展望

0 引 言

隨著人類對地球資源的不斷開發(fā)利用，石油、煤、天然氣等化石能源的儲量加速下降，按目前世界平均開采強度，煤炭、石油、天然氣分別可開采112、52、54年，保守估計到下世紀初這些化石能源將會耗盡。且化學能源分布極不均衡，80%的石油分布在中東、北美和中南美；95%的煤分布在歐亞大陸、亞太和北美；70%的天然氣分布在歐亞大陸和中東。

當前，能源供需矛盾日漸凸顯，人類的生存與發(fā)展受到能源安全、環(huán)境污染以及氣候變化等前所未有的挑戰(zhàn)。為此，開發(fā)利用清潔能源受到重視并發(fā)展迅速。雖然水能、風能、太陽能等清潔可再生能源(Renewable Energy，RE)儲量豐富，但與常規(guī)能源相似，同樣存在著地理分布不均的問題。水能集中分布在非洲中部、南北美洲和亞洲；風能在歐洲北部、非洲東部、亞洲中部和北部及各洲近海地區(qū)集中分布；太陽能廣泛分布于北非、中東和大洋洲等赤道附近。相對于上述一次能源，電能是一種清潔高效的二次能源，在終端能源消費中有明顯優(yōu)勢，其終端利用效率超過90%，其經濟效率是石油的3.2倍，是煤炭的17.3倍。因而，由電力替代其他終端能源，是能源發(fā)展的終極方向。

綜上所述，如何將一次能源特別是豐富的可再生清潔能源轉換為高效的電能，實現在全球范圍內合理有效的配置，以突破能源危機制約發(fā)展的瓶頸是人類必須解決的重大問題。

基于大規(guī)模特高壓電力傳輸技術在我國的成功實踐，國家電網公司提出建設全球能源互聯(lián)網[1](GEI)的大膽構想，本文在分析GEI概念的基礎上，闡明了GEI的基本特征和重要功能，初步探索建立了數學模型，對涉及的關鍵技術做了客觀分析，對未來GEI的發(fā)展提供了可以借鑒的意見與建議。

1 GEI戰(zhàn)略構想

GEI是以特高壓電網為骨干網架，以輸送清潔能源為主導，全球互聯(lián)泛在的堅強智能電網，是安全可靠性高、配置能力強、服務范圍廣、綠色低碳的全球能源配置平臺。

GEI由跨國跨洲骨干網架和涵蓋各國各電壓等級電網的國家泛在智能電網構成，連接各洲大型能源基地，適應各種分布式電源接入需要，能將風能、太陽能、海洋能等RE傳輸給各類用戶。它具有網架堅強、廣泛互聯(lián)、高度智能和開放互動四大特征，以及能源傳輸、資源配置、公共服務、市場交易和產業(yè)帶動五項功能。

2 GEI研究現狀

GEI于2015年剛由國家電網公司提出，因此仍處于戰(zhàn)略構想階段。但自從《第三次工業(yè)革命》[2]出版以來，GEI的原型——能源互聯(lián)網(Energy Internet，簡稱EI)已逐漸成為研究熱點，且取得了一些研究成果，歸結起來主要有以下四種：

(1)E-Energy[3]：由德國的Block C等提出，側重于信息互聯(lián)網的表述，將信息網絡定位為能源互聯(lián)網的支持決策網，通過互聯(lián)網收集信息，并進行分析與決策，為能源網絡的運行調度提供指導。德國的“E-Energy”計劃試點建設實施了6個示范項目。

(2)Intenergy[4]：由日本的Abe R等提出，強調互聯(lián)網技術和能源網絡的深度融合，通過數字電網路由器實現能源和信息的雙向通信，統(tǒng)籌管理一定區(qū)域范圍內的電力，以實現RE的高效利用。

(3)FREEDM[5]：由美國的Huang A Q等提出，側重于能源網絡結構的表述，借鑒互聯(lián)網開放、對等的理念和架構，形成以骨干網、局域網及相關聯(lián)接網絡為特征的新型能源網。技術層面上，著重研發(fā)融合信息通信系統(tǒng)的分布式能源網絡體系。

(4)Multi Energy Internet：強調電能、熱能和化學能的聯(lián)合輸送與優(yōu)化配置利用，典型代表為英國、瑞士等國的能源發(fā)展方向。

3 GEI關鍵技術

3.1 GEI架構

GEI旨在將全球能源的供給和需求高效智能地配置給世界各地的用戶(GEI的用戶既包含發(fā)電方，也包含用電方)，以全球視角看，GEI骨干網架將實現能源的東西半球跨時區(qū)補償、南北半球跨季節(jié)調節(jié)，跨洲聯(lián)網輸電通道分別由非洲-歐洲聯(lián)網、亞洲-歐洲聯(lián)網、亞洲-非洲聯(lián)網、北美洲-南美洲聯(lián)網、大洋洲-亞洲聯(lián)網、亞洲-北美洲聯(lián)網以及歐洲-北美洲聯(lián)網等組成。根據自身特點，各大洲將分別扮演能源基地、負荷中心或兩者兼具的角色。

3.2 GEI建模

電力系統(tǒng)建模是電力系統(tǒng)計算分析和運行控制的基礎，模型的準確程度直接影響電力系統(tǒng)仿真的結果和結論[6]。不合適的模型會導致計算結果與實際情況存在差異，偏保守或偏樂觀，從而給系統(tǒng)帶來潛在風險或無謂的浪費。我國采用傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真模型時，電網的穩(wěn)定水平無法達到預期目標，而通過調整模型與參數可將傳輸功率極限提升約1/4。因此，進行合適的電力系統(tǒng)模型，既可提高傳輸能力，還能消減安全隱患，具有顯著的經濟社會效益。

EI模型[7-8]的研究尚處于起步階段，而GEI的建模研究則未見文獻，為了給GEI的深層次研究提供理論基礎和實驗平臺，有必要開展GEI網絡模型的研究。

3.2.1 GEI的能源供需建模

(1)根據地域差異建模

(1)

其中P為某地區(qū)的能源供給量，下標a代表不同地區(qū)，Pa(t)表示t時刻a地區(qū)的能源供給量；Pl為某地區(qū)的負荷，下標b代表不同地區(qū)，Pw為某地區(qū)的能源損耗，下標c代表不同地區(qū)，Plb(t)表示t時刻b地區(qū)的負荷需求量，Pwc(t)表示t時刻c地區(qū)的能源損耗量。共有f個地區(qū)。

(2)根據能源類型差異建模

(2)

其中PT為傳統(tǒng)能源，下標i表示能源種類，共有m類傳統(tǒng)能源，PR為RE，下標j表示相應的能源種類，共有n類傳統(tǒng)能源，PTi(t)表示t時刻i類傳統(tǒng)能源的供給量，PRj(t)表示t時刻j類RE的供給量；PL為負荷，下標g表示負荷種類，共有k類負荷，PW為能源損耗，下標h表示損耗種類，共有l(wèi)類損耗，PLg(t)表示t時刻g類負荷的需求量，PWh(t)表示t時刻h類能源損耗量。

3.2.2 GEI的優(yōu)化控制建模

要實現全球能源的優(yōu)化配置，必須設定相應的優(yōu)化目標，包括：能源開發(fā)費用最小，能源損耗最小，能源品質最優(yōu)，運維費用最小，碳排放量最少等。優(yōu)化模型如下：

min.f(x)

s.t.h(x)=0

(3)

此外，建立GEI隨機潮流最優(yōu)控制模型等是當前亟待解決的問題。

3.3 RE發(fā)電技術

“以電能為中心，以清潔可再生能源為主導”將是能源格局的變革趨勢，因而，可再生清潔能源發(fā)電在能源發(fā)展進程中將起到至關重要的作用。RE發(fā)電主要有風能、太陽能和海洋能發(fā)電等，其中風能[16]、太陽能[17]已進入商用階段，海洋能蘊藏量十分豐富，雖尚未投入商用，但近年來逐漸成為研究熱點[18]，應用前景樂觀。

目前發(fā)電方面需要重點攻關的方向有：大規(guī)模新能源發(fā)電并網控制技術；大型集群風電接入輸電系統(tǒng)規(guī)劃，含風電的電力系統(tǒng)綜合頻率特性，風電場運行狀態(tài)與備用容量評估，風電場自動控制和電網繼電保護與安全自動裝置的配合；大規(guī)模光伏發(fā)電接入輸電系統(tǒng)的布局規(guī)劃，有功、無功控制，電能質量監(jiān)測及治理，分層分區(qū)、多級協(xié)調自動電壓控制，安全評估，廣域協(xié)調；海洋能綜合發(fā)電場系統(tǒng)建模，網源協(xié)調控制，電網分層次控制策略體系。

3.4 智能電網技術

3.4.1 智能輸電網技術

GEI以智能電網為主要載體，RE將成為發(fā)電的主角，智能輸電網技術[19]則是實現大規(guī)模RE傳輸和全球優(yōu)化配置的關鍵舉措，其有待深入研究的領域包含：大規(guī)模直流電網優(yōu)化運行與仿真，電網故障診斷恢復與智能重構，電網決策支持和調度預警，電網安全風險防御；柔性直流輸電，多端直流輸電，超導輸電，海底電纜；電力電子控制，換流設備的保護控制；高可靠性的換流變壓器，換流閥，逆變器等設備制造等。

3.4.2 智能配電網技術

智能配電網是GEI中連接輸電網與終端用戶的關鍵環(huán)節(jié)，它具備自愈性、高安全性、互動性等諸多特性，其最新發(fā)展趨勢是主動配電網。主動配電網[20](Active Distribution Network，簡稱AND)是內部具有分布式能源，具備控制和運行能力的智能配電系統(tǒng)。對主動配電網的研究主要有以下幾個方面：考慮分布式電源與負荷高級建模的配電網規(guī)劃模型，高滲透率分布式能源接入下的調度控制模型，主動配電網的電壓控制保護和態(tài)勢感知技術。

3.4.3 智能電網運行控制技術

特大型交直流混合電網是電力規(guī)模化集中匯集、遠距離跨洲傳輸、大范圍靈活配置的重要基礎平臺，智能電網運行控制技術是構建GEI、保障安全穩(wěn)定運行的關鍵。這方面需要突破的關鍵技術包括：電網分層分區(qū)的在線/實時計算、預測、匹配控制，大電網安全穩(wěn)定機理、特性和分析，實時/超實時仿真和決策，電網故障診斷、恢復及自動重構，源網荷儲友好互動、協(xié)調控制[21]。

3.5 儲能技術

大規(guī)模、大容量儲能技術[22]的發(fā)展對實現清潔能源規(guī)?；l(fā)展和電網安全經濟運行起重要作用。儲能技術作為電力系統(tǒng)中的電能儲存環(huán)節(jié)，使電力實時平衡的“剛性”電力系統(tǒng)變得更為“柔性”，有利于平抑大規(guī)模清潔能源發(fā)電接入電網帶來的隨機非線性波動，從而提高電網運行的安全性、經濟性和靈活性。主要有熱儲能和電儲能，未來應用于GEI的以電儲能為主。

要適應GEI的需求，有發(fā)展前景的儲能技術至少要達到兆瓦級的存儲容量，所以，未來大容量儲能技術中需重點研究的內容為：鋰電池與全釩液流電池等電化學儲能，超導電磁儲能，抽水儲能，超級電容器，大功率、大容量的新型儲能材料的開發(fā)，儲能元件使用壽命的延長，能量密度的提高。

3.6 信息技術

3.6.1 大數據

大數據[23](Big Data，簡稱BD)指無法在可承受的時間范圍內用常規(guī)工具捕捉、管理和處理的數據集合。運用全新的處理模式、高性能計算平臺和分析技術收集GEI數據，并進行分析處理，以便實時掌握系統(tǒng)內部的已知漏洞和外部攻擊的狀態(tài)走勢，精確鎖定安全事件，及時發(fā)布風險預警或協(xié)調處置。大數據的應用將為GEI的各類高級應用及優(yōu)化分析提供數據支撐，應用于超實時的電力系統(tǒng)狀態(tài)仿真，可促進提高分析決策的智能化水平。

3.6.2 云計算

云計算[24](Cloud Computing，簡稱CC)是通過互聯(lián)網來提供動態(tài)易擴展且經常是虛擬化資源的一種計算方式。從技術上看，大數據與云計算就如同硬幣的兩面密不可分，云計算為大數據提供彈性可拓展的基礎平臺，有助于提高對海量數據分析的速度和精度，實現全球性電力調度和交易。關于云計算，尚需解決的問題包括：接口等云計算技術標準的制定，數據隱私安全問題。

3.6.3 物聯(lián)網

物聯(lián)網[25](Internet of things，簡稱IoT)是通過二維碼識讀設備、紅外感應器和GPS等信息傳感設備，按約定協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網相連接，進行信息交換與通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯(lián)網在GEI中的研究內容是：制定電力物聯(lián)網應用總體規(guī)劃、標準規(guī)范，研究關鍵技術與智能設備，推進其在電力生產、輸送、消費、管理各環(huán)節(jié)的應用。

3.6.4 移動互聯(lián)

移動互聯(lián)[26](Mobile Internet，簡稱MI)是將移動通信技術與互聯(lián)網二者結合并實踐的活動總稱。移動現場作業(yè)及公共服務智能化開始成為電網企業(yè)信息化建設的重要內容，電力系統(tǒng)移動互聯(lián)的應用研究以電力線路移動巡檢作業(yè)、應急搶修、智能家居等方面為研究熱點。

4 GEI發(fā)展建議

縱觀電力發(fā)展史，它是一個電網規(guī)模越來越大，電壓等級越來越高，配置能力越來越強的發(fā)展過程。因而，可以預見GEI將按照“國內互聯(lián)→國際互聯(lián)→洲際互聯(lián)→全球互聯(lián)”的模式發(fā)展，電壓等級將由特高壓向超級特高壓演變。為了實現GEI，有力推動“兩個替代”，促進全球能源的可持續(xù)發(fā)展，建議從技術和政策兩個方面努力。

(1)技術層面。由于1 000 kV特高壓交流電網和±800 kV特高壓直流電網已在我國成功投入實際應用，運行狀況良好，而±1 100 kV特高壓直流電網工程也將于2017年年底投運，我國構建國內能源互聯(lián)網完全具備了實踐基礎。短期內，“西電東送、北電南送”的格局將繼續(xù)維持，未來的能源格局將逐步由以水電、煤電為主，逐步轉變?yōu)樗?、煤電、風能和太陽能發(fā)電并重，進而轉變?yōu)橐郧鍧嵞茉礊橹鲗?。風能、太陽能、海洋能發(fā)電等大量隨機性、間隙性清潔能源的接入，將給GEI的穩(wěn)定運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)，因而需要進一步大力發(fā)展智能電網技術、RE發(fā)電和儲能等技術，促進清潔能源大規(guī)模的開發(fā)利用。

(2)政策層面。就國內而言，需出臺政策鼓勵可再生能源的利用，關鍵支撐技術的突破、高效產業(yè)和商業(yè)模式的創(chuàng)新也需要大量人財物的投入，還需建立健全能源法律體系與電力規(guī)劃設計體系。就國際而言，雖然許多國家間正在形成跨國互聯(lián)電網，但GEI還面臨經濟發(fā)展水平、地緣政治等諸多不確定因素的挑戰(zhàn)，各類國際組織要發(fā)揮積極作用，樹立利益共同體意識，推動建立利益分享機制。

5 結束語

目前各國都在加快電網互聯(lián)進程，互聯(lián)規(guī)模不斷擴大。歐洲互聯(lián)電網、北美互聯(lián)電網、俄羅斯-波羅的海互聯(lián)電網是全球能源互聯(lián)網發(fā)展的重要實踐。非洲南部、南美洲等地區(qū)也逐步實現電網互聯(lián)。大電網互聯(lián)是全球電網的發(fā)展趨勢，GEI的核心就是實現全球電網互聯(lián)。

本文從分析GEI的概念入手，在闡明GEI的基本特征和重要功能的基礎上，探索建立了GEI的能源供需和優(yōu)化控制兩類數學模型，分析了相關領域需要深入研究和重點攻關的關鍵技術，預測了GEI的發(fā)展軌跡，給出了發(fā)展建議。

GEI的前景是光明的，但實現的過程不會是一路坦途，隨著未來特高壓智能電網運行控制和可再生能源的利用水平不斷提升，源網荷儲四者間的智能互動將持續(xù)深入，相信GEI必將成為現實。屆時，作為全球最大的能源配置系統(tǒng)，GEI能把有季節(jié)時區(qū)差異的各大區(qū)域電網聯(lián)起來，根本上解決困擾人類發(fā)展的能源環(huán)境難題，保障能源安全、綠色、可持續(xù)供應，創(chuàng)造巨大的經濟、社會、環(huán)境價值。

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Progress and Prospect of Key Technologies for the Global Energy Internet

Xue Bin1,2, Tang Zhuozhen1,3

(1. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing Jiangsu 210098, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Co. Maintenance Branch, Nanjing Jiangsu 211102, China;3. Nantong Shipping College, Nantong Jiangsu 226010, China)

Based on the status of research of global energy use and technology, this paper explores the concept, key technologies and development trend of the Global Energy Internet (GEI). Firstly, it analyzes the current status of contradiction between supply and demand of global energy and expounds basic characteristics, important functions and research progress of GEI. Then, we establish a GEI energy supply and demand model as well as a model for optimal control, present specific meanings of model elements, and objectively analyze subjects for further research in related fields such as renewable energy (RE) power generation technology, smart grid technology, energy storage technology and information technology. Finally, future GEI development track is reasonably predicted, and suggestions for GEI development are given in the respects of technology and policy.

global energy Internet； key technology； mathematical model；renewable energy； progress；prospect

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.024

TM711

A

1000-3886(2017)02-0079-04

薛斌(1982-)，男，江蘇如皋人，碩士，博士生，高級工程師，技師，主要從事電力系統(tǒng)的安全與控制工作； 唐卓貞(1984-)，女，廣西富川人，碩士，博士生，講師，主要從事電力系統(tǒng)的教學與科研工作。

定稿日期: 2016-08-24