王 寧，郭水文

(1.吉林大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，吉林 長春 130012；2.中共國家能源集團(tuán)黨校，北京 102211)

一、研究背景及提出問題

來自世界銀行的數(shù)據(jù)顯示，最近10年全球燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的比重約為40%左右，由此顯示出很多國家的能源系統(tǒng)依然以燃煤發(fā)電為主[1]。近年來，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，各國都在積極尋求新型可持續(xù)的電力供應(yīng)技術(shù)，以替代傳統(tǒng)發(fā)電方式。一些學(xué)者(魯宗相[2]、鄭漳華和艾芊[3]、肖世杰[4]、楊德昌[5]、Joeri Naus[6]，等等)相繼提出了微電網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)，促使傳統(tǒng)電網(wǎng)逐步向智能電網(wǎng)過渡。然而，智能電網(wǎng)依然建立在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，能量在智能電網(wǎng)中只能以電能這種單一形式傳輸和使用，其他能源形式如石油、天然氣、熱能等均采用各自獨(dú)立的傳輸網(wǎng)絡(luò)。從能耗角度看，雖然風(fēng)能、太陽能等可再生能源接入電網(wǎng)能夠減少燃煤發(fā)電在總發(fā)電量中的比重，但用戶對于除了電能以外的其他能源形式的巨量需求(如熱能等)卻依然消耗著大量的化石能源，因此單純依靠風(fēng)能、太陽能等可再生能源不能完全滿足目前的能源需求。

在此背景之下，近年來不少國內(nèi)學(xué)者相繼提出了綜合能源系統(tǒng)和多能源系統(tǒng)的構(gòu)想。如：賈宏杰等[7]認(rèn)為，綜合能源系統(tǒng)是對各類能源的產(chǎn)生、傳輸與分配(能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò))、轉(zhuǎn)換、存儲、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后而形成的社會綜合能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)，其中智能電網(wǎng)是綜合能源系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵；楊經(jīng)緯等[8]認(rèn)為，多能源系統(tǒng)是指煤炭、天然氣、石油、核能、水能、風(fēng)能、太陽能等多種形式的能源在流轉(zhuǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)存在復(fù)雜的耦合關(guān)系,進(jìn)而形成相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體；吳建中[9]以歐洲為對象，分析了歐洲綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動力，并從工業(yè)界和學(xué)術(shù)界兩方面介紹了歐洲在綜合能源系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。

然而，綜合能源系統(tǒng)或者多能源系統(tǒng)的概念并不能全面反映當(dāng)前能源系統(tǒng)發(fā)生的深刻變化。近年來，國外不少學(xué)者提出了智慧能源系統(tǒng)(smart energy system)的概念。相比而言，智慧能源系統(tǒng)的概念更能夠全面準(zhǔn)確地反映出當(dāng)今世界很多國家特別是一些發(fā)達(dá)國家能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和所發(fā)生的深層次變革。為此，本文謹(jǐn)從經(jīng)濟(jì)技術(shù)的角度對智慧能源系統(tǒng)的概念、發(fā)展動因、理論構(gòu)想以及部分國家的典型實(shí)踐進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，以期為中國能源轉(zhuǎn)型提供借鑒和參考。

二、智慧能源及智慧能源系統(tǒng)研究的學(xué)術(shù)進(jìn)展

(一)智慧能源的學(xué)術(shù)成就及其局限性

根據(jù)學(xué)者Lund等[10]的考證，智慧能源(smart energy)的概念逐漸出現(xiàn)于2009年以后的學(xué)術(shù)期刊中。但是，學(xué)術(shù)界對智慧能源的概念及內(nèi)涵沒有形成一致的認(rèn)同。

一部分學(xué)者著重強(qiáng)調(diào)“智慧能源”的技術(shù)特征。例如，謝秉正[11]認(rèn)為，智慧能源是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)供電的可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全；馮慶東[12]認(rèn)為，智慧能源將先進(jìn)信息和通信技術(shù)、智能控制和優(yōu)化技術(shù)與現(xiàn)代能源供應(yīng)、儲運(yùn)、消費(fèi)技術(shù)深度融合，具有數(shù)字化、自動化、信息化、互動化、智能化、精確計(jì)量、廣泛交互、自律控制等功能，可以實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化決策及廣域協(xié)調(diào)；Loske[13]認(rèn)為，智慧能源包括所有的關(guān)于能源生產(chǎn)、能源儲存、能源傳輸分配、能源消費(fèi)和控制的智能技術(shù)，它涉及到從能源生產(chǎn)到能源消費(fèi)的整個(gè)價(jià)值鏈，等等。

另一部分學(xué)者則著重強(qiáng)調(diào)“智慧能源”的商業(yè)特征。例如，劉建平等[14]認(rèn)為，智慧能源就是擁有自組織、自檢查、自平衡、自優(yōu)化等人類大腦功能，滿足系統(tǒng)、安全、清潔、經(jīng)濟(jì)要求的能源形式；Abella[15]認(rèn)為，智慧能源是一組技術(shù)、應(yīng)用和服務(wù)，這些技術(shù)、應(yīng)用和服務(wù)使產(chǎn)銷者(prosumer)能夠發(fā)揮更積極的作用，并推動電力工業(yè)向更智能的發(fā)電和消費(fèi)模式發(fā)展；吳文輝[16]認(rèn)為，智慧能源就是充分開發(fā)人類的智力和能力，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和制度變革，在能源開發(fā)利用、生產(chǎn)消費(fèi)的全過程和各環(huán)節(jié)集中人類獨(dú)有的智慧，建立和完善符合生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展要求的能源技術(shù)及能源制度體系，從而呈現(xiàn)出的一種全新的能源形式。

筆者以為，兩類學(xué)者的觀點(diǎn)都存在一定的局限性，應(yīng)該更加全面地理解智慧能源的學(xué)術(shù)蘊(yùn)涵。首先，智慧能源并非是一種新的能源形態(tài)，它依然建立在化石能源以及非化石能源基礎(chǔ)之上；其次，智慧能源的發(fā)展動力是智能化技術(shù)，包括先進(jìn)的信息和通信技術(shù)、智能控制以及優(yōu)化技術(shù)等；再次，智慧能源是智慧的能源技術(shù)、應(yīng)用和服務(wù)等形成的集合，是一種商業(yè)模式的創(chuàng)新；最后，智慧能源的關(guān)鍵在于智慧性，它不僅融入能源開發(fā)利用技術(shù)的創(chuàng)新過程中，還表現(xiàn)在能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)制度變革等方面。

(二)智慧能源系統(tǒng)的學(xué)術(shù)研究及思路拓展

能源系統(tǒng)通常是指將自然界的能源資源轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟惿鐣a(chǎn)和生活所需要的特定能量服務(wù)形式(有效能)的體系。近年來，隨著智能技術(shù)在能源行業(yè)中的應(yīng)用和推廣以及“智慧能源”概念的出現(xiàn)，一些學(xué)者陸續(xù)提出了“智慧能源系統(tǒng)”的概念，以區(qū)分當(dāng)前以化石能源為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)。

由于信息和通信技術(shù)最早在電力系統(tǒng)中取得了重大突破和廣泛應(yīng)用，因此不少學(xué)者將智能電網(wǎng)、智慧電力與智慧能源系統(tǒng)聯(lián)系在一起。如：Loske[13]認(rèn)為，智慧能源系統(tǒng)通常是指電力或電子系統(tǒng)，是構(gòu)成系統(tǒng)的組件之間的互聯(lián)以及將系統(tǒng)組件有效結(jié)合在一起的高級控制策略。也有一些學(xué)者將智慧能源系統(tǒng)拓展到電力部門之外，認(rèn)為智慧技術(shù)使得能源系統(tǒng)不再局限于單一的電力能源部門，而是包括所有的能源部門在內(nèi)。如：朱良楹[17]認(rèn)為，智慧能源系統(tǒng)的基本理念是依托燃?xì)饣蛉济旱睦錈犭姺植际侥茉醇夹g(shù)、小水電、余熱利用、蓄能、熱泵、太陽能、風(fēng)能等新型能源技術(shù)和可再生能源技術(shù)，與傳統(tǒng)能源供應(yīng)體系相結(jié)合形成互補(bǔ)體系，在保證安全可靠供能的基礎(chǔ)上盡可能降低化石能源的比例。Connolly等[18]認(rèn)為，智慧能源系統(tǒng)是指通過將當(dāng)前能源系統(tǒng)中各個(gè)獨(dú)立的能源供應(yīng)部門整合在一起，從而創(chuàng)造新的更具有靈活性的能源供應(yīng)體系。Lund等[10]認(rèn)為，智慧能源系統(tǒng)建立在三大網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之上，即智能電網(wǎng)、智能熱網(wǎng)(集中供熱和制冷)以及智能燃?xì)饩W(wǎng)。還有一些學(xué)者將智慧能源系統(tǒng)等同于能源互聯(lián)網(wǎng)，如：馮慶東[12]認(rèn)為，能源互聯(lián)網(wǎng)就是采用先進(jìn)信息和通信技術(shù)，通過分布式能源管理系統(tǒng)(EMS)，對分布式能源設(shè)備實(shí)施廣域協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)冷、熱、汽、水、電等多種能源互補(bǔ)，提高能源利用效率的智慧能源系統(tǒng)。

在上述眾多研究成果的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者總結(jié)了智慧能源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。如：Dincer[19]認(rèn)為，智慧能源系統(tǒng)具有非常健全、非常安全、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行、商業(yè)可行、社會認(rèn)可、可集成、可靠等八大優(yōu)點(diǎn)；智能科技與產(chǎn)業(yè)研究課題組[20]認(rèn)為，智慧能源系統(tǒng)核心體系主要由能源物聯(lián)網(wǎng)、共享型能源流數(shù)據(jù)庫與移動能源網(wǎng)、低排放能源等構(gòu)成，它以能源物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以動態(tài)定價(jià)與智能商務(wù)為支柱，以推動共享式能源流數(shù)據(jù)庫發(fā)展為重點(diǎn)，以產(chǎn)銷者為中心，以實(shí)現(xiàn)低排放經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)。

綜合已有研究，筆者認(rèn)為，對智慧能源系統(tǒng)的理解應(yīng)立足于以下四個(gè)方面：第一，智慧能源系統(tǒng)借助于信息和通信技術(shù)能夠使能源的生產(chǎn)、傳輸、儲存和消費(fèi)高度定制化、自動化和智能化,因而具有智慧的特征；第二，智慧能源系統(tǒng)是建立在各種能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的完整體系，而不僅僅局限于某一個(gè)能源分支部門的內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭、石油、天然氣、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿纫淮文茉春碗娏Α⑵偷榷文茉吹亩嗄芑パa(bǔ)，以及各種能源網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通，還能夠?qū)崿F(xiàn)能源的生產(chǎn)、加工轉(zhuǎn)化、傳輸配送、存儲、終端消費(fèi)、回收利用各環(huán)節(jié)的優(yōu)化管理，因而是一個(gè)完整的系統(tǒng)；第三，智慧能源系統(tǒng)能夠提高能源利用效率，推動傳統(tǒng)能源的清潔高效利用和可再生能源的穩(wěn)定充分利用，優(yōu)化調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，因而具有低碳化乃至零排放的特征；第四，在智慧能源系統(tǒng)中，消費(fèi)者角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，不再是被動的能源使用者，而是與能源系統(tǒng)進(jìn)行良性互動，根據(jù)能源供應(yīng)的波動性主動地參與能源的生產(chǎn)和消費(fèi)，并成為產(chǎn)銷者。

三、發(fā)展智慧能源系統(tǒng)的社會、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)動因

(一)傳統(tǒng)能源系統(tǒng)難以更好地滿足人類社會的需求

傳統(tǒng)的以化石能源為基礎(chǔ)的能源系統(tǒng)形成于19世紀(jì)工業(yè)革命時(shí)期。隨著人類社會的變遷和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的變化，傳統(tǒng)的垂直控制和各分支部門彼此孤立的能源系統(tǒng)逐漸產(chǎn)生一系列突出問題和弊端，難以更好地滿足人類社會的需求?？傮w而論，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)面臨著以下三大挑戰(zhàn)。

1.在保證經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的前提下面臨碳減排的壓力

在當(dāng)前能源系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長，通常需要消耗大量的化石能源，因而一個(gè)經(jīng)濟(jì)體的碳排放量與其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出水平之間呈正相關(guān)。然而，經(jīng)濟(jì)增長與碳排放之間的關(guān)系還要受到能源強(qiáng)度和能源碳密度兩大因素的影響。能源強(qiáng)度是指單位GDP所需的能源量，能源碳密度是指消耗一個(gè)單位能源所釋放出的二氧化碳量。因此碳排放的總量受經(jīng)濟(jì)增長、能源強(qiáng)度以及能源碳密度三者的共同影響。對于世界各國來說，在保證經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的前提下要減少碳排放，就必須降低能源強(qiáng)度以及使用碳密度較低的能源來替代碳密度較高的能源，這無疑形成了巨大的壓力。

2.保證可負(fù)擔(dān)、穩(wěn)定且具有普惠性的能源供給的壓力

按照不同的能源類型，當(dāng)前的能源系統(tǒng)由彼此孤立的多個(gè)分支部門構(gòu)成，例如石油、煤炭、天然氣等分支部門的規(guī)劃、建設(shè)、投資和運(yùn)營都是相互獨(dú)立的，主要取決于本部門能源的供需平衡。這種能源系統(tǒng)沒有考慮到不同種類能源的互補(bǔ)，而不同種類能源的特性存在差異，相互間互補(bǔ)協(xié)調(diào)技術(shù)發(fā)展滯后，難以在能源生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)和有效協(xié)調(diào)；不同能源分支部門都自成體系、獨(dú)立運(yùn)行，不僅在體制方面對彼此關(guān)聯(lián)、互為補(bǔ)充存在障礙，而且在市場方面由于缺乏價(jià)值轉(zhuǎn)換的中介和機(jī)制，而形成了一系列互補(bǔ)的壁壘。在這種情況下，能源綜合利用效率較低，能源資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重?？紤]到化石能源資源分布的差異性和儲量的有限性，以及可再生能源資源未來面臨的空間限制，可負(fù)擔(dān)、穩(wěn)定且具有普惠性的能源供給將是人類可持續(xù)發(fā)展面臨的一大挑戰(zhàn)。

3.應(yīng)對全球氣候變暖以及生態(tài)環(huán)境破壞等問題的壓力

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化委員會第五次評估報(bào)告，隨著人類大量使用化石能源，全球溫度從1880年到2012年升高了約0.85攝氏度[21]。氣候變暖給地球環(huán)境造成了嚴(yán)重影響，例如南北極的冰川融化造成海平面上升，導(dǎo)致不少地方發(fā)生洪澇災(zāi)害；極端天氣如暴雨雪、干旱、高溫等頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致農(nóng)作物歉收、植物生長周期改變、部分昆蟲品種消失等。此外，化石能源的燃燒除了釋放二氧化碳外，還會產(chǎn)生其他對人體呼吸系統(tǒng)有害的氣體和懸浮粒子。上述問題的存在要求傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)型，以更好地滿足人類社會對于環(huán)境友好的要求。

(二)信息和通信技術(shù)的發(fā)展為智慧能源系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)

20世紀(jì)60年代以來，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的信息和通信技術(shù)飛速發(fā)展，并且逐漸滲透到能源生產(chǎn)領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代，電力公司最先嘗試?yán)眯畔⒑屯ㄐ偶夹g(shù)降低運(yùn)營和維護(hù)成本，提高發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的生產(chǎn)效率，減少意外停電次數(shù)和故障時(shí)間，延長資產(chǎn)的使用壽命；石油和天然氣公司則使用數(shù)字技術(shù)對勘探和效益預(yù)測進(jìn)行建模；煤炭企業(yè)越來越多地利用信息和通信技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)建模、流程優(yōu)化、自動化、預(yù)測性維護(hù)以及改善礦工的健康和安全。

進(jìn)入21世紀(jì)，科技的進(jìn)步以及無處不在的網(wǎng)絡(luò)正在創(chuàng)造能源消費(fèi)的新模式。例如，隨著潛在的變革性技術(shù)如自動駕駛汽車、智能家居系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等的廣泛應(yīng)用，信息和通信技術(shù)已被大范圍推廣應(yīng)用到能源終端使用領(lǐng)域。高級計(jì)量設(shè)施、智能家電或雙向智能電表等設(shè)備不僅為消費(fèi)者提供先進(jìn)的用能管理，而且還促使其在能源系統(tǒng)中發(fā)揮更加積極主動的角色。在建筑領(lǐng)域，智能恒溫控制器通過收集整理分析建筑物的取暖和制冷數(shù)據(jù)，可以預(yù)測住戶的行為，并使用實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)來更好地預(yù)測供暖和制冷需求；智能照明技術(shù)可以隨時(shí)隨地提供照明，在發(fā)光二極管(LED)中還可以設(shè)置連接到其他系統(tǒng)的傳感器用以幫助定制供暖和制冷服務(wù)。

信息和通信技術(shù)的發(fā)展為能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲、消費(fèi)提供了更高效的溝通和反饋機(jī)制，改變了以往能源利用單純追求規(guī)模擴(kuò)大的定勢，更多地將人的智慧融入其中，通過提高非物質(zhì)性的信息輸入，降低能源和資源消耗，使人類由被動使用能源變?yōu)橹鲃庸芾砟茉?，進(jìn)而極大提高能源利用效率，為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

(三)清潔能源技術(shù)進(jìn)步帶來應(yīng)用成本下降為智慧能源系統(tǒng)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)可行性

人類最初對能源的利用是分布式的自給自足，當(dāng)電力和電站出現(xiàn)后，傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)得到發(fā)展，能量通過集中大規(guī)模生產(chǎn)和長距離輸送，大范圍地提供給不同區(qū)域的用戶。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，電網(wǎng)輸電電壓的不斷提高，能量長距離輸送帶來了一系列問題，如輸電損耗不斷增加、大設(shè)備維護(hù)成本日益上漲、峰谷能差造成設(shè)備利用率偏低等。然而，納米技術(shù)、生物技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步極大提高了人類在能源利用方面的生產(chǎn)力，使得清潔能源技術(shù)的應(yīng)用成本不斷下降，為智慧能源系統(tǒng)的構(gòu)建創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)方面的可行性。

圖1 2009—2017年美國市場的風(fēng)能平準(zhǔn)化能源成本(LCOE)[23]

圖2 2009—2017年美國市場的太陽能平準(zhǔn)化能源成本(LCOE)[23]

根據(jù)國際可再生能源研究機(jī)構(gòu)Irena2017年發(fā)布的報(bào)告[22]，自2010年以來，陸上風(fēng)電發(fā)電成本下降了大約25%，太陽能光伏發(fā)電成本下降了73%，預(yù)計(jì)在未來2年內(nèi)，光伏發(fā)電成本還將減半。目前，化石燃料的發(fā)電成本在5～17美分/千瓦時(shí)之間。而到2020年，商業(yè)形式的可再生能源發(fā)電成本將下降到3～10美分/千瓦時(shí)之間，所有可再生能源發(fā)電將比傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電更具競爭力。

以美國為例，國際知名投行Lazard公司的研究表明[23]，美國市場的風(fēng)能和太陽能的平準(zhǔn)化能源成本(LCOE)在過去8年分別下降了67%和86%，如圖1和圖2所示。在美國能源結(jié)構(gòu)中，包括風(fēng)能和太陽能在內(nèi)的可再生能源占比已經(jīng)從1980年的6%上升到2016年的10%。

近年來，中國的可再生能源生產(chǎn)成本也逐漸快速下降。來自工信部的數(shù)據(jù)顯示[24]，2017年，太陽能光伏發(fā)電成本降至0.5～0.7元/千瓦時(shí)，平均度電成本比2010年下降約78%；陸上風(fēng)電發(fā)電成本約為0.43元/千瓦時(shí)，平均度電成本比2010年下降7%，已經(jīng)非常接近火電的上網(wǎng)電價(jià)。

綜上所述，隨著未來可再生能源規(guī)模的不斷擴(kuò)大和清潔能源技術(shù)的不斷進(jìn)步，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)將更加顯現(xiàn)，新技術(shù)的應(yīng)用成本將不斷下降，將為智慧能源系統(tǒng)的不斷完善創(chuàng)造更良好的經(jīng)濟(jì)條件。

2.3 確定性和靈敏性 即指標(biāo)必須客觀、確定、容易判斷，不會受檢查人員的主觀因素影響。某些需要現(xiàn)場檢查判定結(jié)果的指標(biāo)，如基礎(chǔ)護(hù)理合格率、病區(qū)管理合格率、護(hù)理文書合格率，由于評價(jià)結(jié)果容易受檢查人員主觀因素的影響，故確定性較差，必須通過合理設(shè)計(jì)調(diào)查和正確的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理以提高其確定性。對于需要通過患者發(fā)放調(diào)查問卷才能取得數(shù)據(jù)的指標(biāo)，如患者滿意度，只有經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)的調(diào)查方式和統(tǒng)計(jì)方法取得的數(shù)值才具有說服力。指標(biāo)還應(yīng)有一定的波動范圍，以區(qū)別質(zhì)量的變化。如搶救物品完好率多為100%，其靈敏度較差，達(dá)不到比較評價(jià)的作用。

四、智慧能源系統(tǒng)的理論構(gòu)想及比較分析

(一)Connolly等的理論構(gòu)想

Connolly等[18]認(rèn)為，當(dāng)前全球能源系統(tǒng)具有三大主要特征：第一，過去150多年來，豐富而廉價(jià)的化石能源一直作為全球能源系統(tǒng)的主要來源，當(dāng)前的能源基礎(chǔ)設(shè)施也完全建立在化石能源基礎(chǔ)之上，石油、天然氣和煤炭能夠很方便地以液體、氣體和固體的形式儲存起來；第二，當(dāng)前能源系統(tǒng)由彼此孤立的能源分支部門構(gòu)成，例如發(fā)電、移動能源、熱力等部門之間并沒有太多的相互作用，造成能源利用效率低下；第三，在當(dāng)前能源系統(tǒng)中，化石能源的地位是無法替代的，雖然可以用生物質(zhì)能替代部分化石能源，但是生物質(zhì)能也面臨供應(yīng)不足的問題。如圖3所示。

圖3 當(dāng)前能源系統(tǒng)的特征[18]

Connolly等[18]針對歐盟提出的未來能源供應(yīng)將100%依靠可再生能源的目標(biāo)，基于智慧能源系統(tǒng)的概念提出了一個(gè)分析模型。他們認(rèn)為，智慧能源系統(tǒng)與當(dāng)前的能源系統(tǒng)存在很多技術(shù)方面的差異。智慧能源系統(tǒng)類似于智能電網(wǎng)，但是與智能電網(wǎng)不同的是，智能電網(wǎng)僅存在于電力部門，而智慧能源系統(tǒng)是將所有能源分支部門連接在一起，包括電力、供熱/制冷以及運(yùn)輸部門等。他們通過模擬計(jì)算表明，一旦歐盟成功構(gòu)建了智慧能源系統(tǒng)，將不再使用化石燃料，也不需要進(jìn)口能源，只使用可再生能源就可以滿足所有的能源需求，并且不會產(chǎn)生碳排放(低于1%)(圖4)。構(gòu)建智慧能源系統(tǒng)的核心技術(shù)在于：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、太陽能發(fā)電技術(shù)、電動汽車技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、熱泵技術(shù)、大規(guī)模儲能技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)、燃料儲存技術(shù)等。

圖4 Connolly等[18]為歐盟提出的智慧能源系統(tǒng)的理論構(gòu)想

(二)Loske的理論構(gòu)想

Loske[13]認(rèn)為，當(dāng)今社會正面臨著嚴(yán)重的環(huán)境問題，需要更多地使用可再生能源，以滿足由于全電氣化社會的到來，以及不斷增長的世界人口而產(chǎn)生的不斷增長的能源需求。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)面臨如下挑戰(zhàn)(圖5)：(1)由于能源的間歇性供給、富余以及生產(chǎn)不足，從而導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定，有功無功功率波動，由補(bǔ)償電容器組、濾波器等引起的共振以及不斷上升的故障率水平等，從而給能源網(wǎng)絡(luò)帶來挑戰(zhàn)；(2)由非線性負(fù)載(例如電力電子轉(zhuǎn)換器)引起的諧波以及不斷增加的對于能源效率的需要給小型和局部的能源系統(tǒng)和設(shè)備帶來了挑戰(zhàn)；(3)不斷增加的能源效率需求也給移動的可自我維持的應(yīng)用程序和設(shè)備帶來挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)必須向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

圖5 傳統(tǒng)能源系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)[13]

Loske[13]認(rèn)為，智慧能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)之間的區(qū)別在于：(1)系統(tǒng)組件之間的互聯(lián)；(2)應(yīng)用過程的動態(tài)和廣泛的可控性；(3)與消費(fèi)者和用戶(需求響應(yīng)、能源市場等)之間的互動。他認(rèn)為，所有的智慧能源系統(tǒng)可以用圖6來表示。

圖6 Loske [13]提出的智慧能源系統(tǒng)的理論構(gòu)想

在圖6中，智慧能源系統(tǒng)的主要目標(biāo)是通過利用信息與通信技術(shù)(ICT)，開展靈活和先進(jìn)的能源管理，有效地平衡動態(tài)需求和波動的能源生產(chǎn)；為了使整個(gè)能源系統(tǒng)變得更加智慧，能源供應(yīng)鏈上的發(fā)電、存儲、傳輸和分配以及消費(fèi)都必須變得更加智慧。在智慧發(fā)電領(lǐng)域，多能智慧電網(wǎng)將是未來的發(fā)展趨勢，一方面可以將城市、農(nóng)村以及區(qū)域性能源系統(tǒng)融合在一起，從而彌補(bǔ)可再生能源與化石能源之間的鴻溝；另一方面可以將電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)以及熱力網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，使得不同能源分支部門之間產(chǎn)生互動。在智慧存儲領(lǐng)域，能源存儲系統(tǒng)對于分布式的智慧能源系統(tǒng)具有非常重要的作用，小型固定電池系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)區(qū)域建筑物能源需求的波動，中型能源存儲系統(tǒng)則能夠調(diào)節(jié)城市工業(yè)生產(chǎn)的負(fù)荷峰值。在智慧傳輸和分配領(lǐng)域，采用電力電子設(shè)備管理的高壓輸配電系統(tǒng)有助于智慧能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長距離的能源輸送。在能源消費(fèi)領(lǐng)域，以傳感器網(wǎng)絡(luò)以及可穿戴和移動設(shè)備等為代表的能量收集系統(tǒng)方興未艾；隨著電動汽車的普及，半導(dǎo)體技術(shù)在能源系統(tǒng)中將得到更加廣泛的應(yīng)用。

(三)兩種理論構(gòu)想的比較

比較Connolly等和Loske的構(gòu)想不難發(fā)現(xiàn)，他們對于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的必要性認(rèn)識觀點(diǎn)一致。兩者都認(rèn)為，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，不同的能源分支部門都是孤立發(fā)展的，沒有形成太多的相互作用。因此他們都強(qiáng)調(diào)智慧能源系統(tǒng)的整合性和整體性，就是要將不同能源分支部門有效連接在一起，形成互動，彼此互補(bǔ)，提升能源綜合利用效率。同時(shí)，他們認(rèn)為能源技術(shù)創(chuàng)新與變革至關(guān)重要，特別是信息與通信技術(shù)在能源生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)、存儲等各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，使得整個(gè)系統(tǒng)變得更加智能、安全和高效。

當(dāng)然，他們的構(gòu)想也存在差異。在Connolly等的模型中，智慧能源系統(tǒng)建立在可再生能源基礎(chǔ)之上的，完全放棄了化石能源；而在Loske的模型中，智慧能源系統(tǒng)建立在多能智慧電網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，并沒有完全摒棄化石能源，而且強(qiáng)調(diào)能源的多元化和互補(bǔ)性。

五、智慧能源系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展及其共性與差異性分析

(一)應(yīng)用進(jìn)展

1.歐盟國家向智慧能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型

作為歐盟的主要經(jīng)濟(jì)體，德國在2008年提出了“E-Energy”計(jì)劃，主要目標(biāo)是將信息和通信技術(shù)充分應(yīng)用于智能發(fā)電、智能電網(wǎng)、智能消費(fèi)和智能儲能中，研究開發(fā)信息和通信技術(shù)與能源系統(tǒng)深度耦合的路徑，以尋求能源系統(tǒng)的高效和優(yōu)化運(yùn)行的最佳模式。E-Energy計(jì)劃選出6個(gè)示范項(xiàng)目，分別圍繞高密度供電的大都市、低密度供電的鄉(xiāng)村地區(qū)、異質(zhì)性局域網(wǎng)絡(luò)供電來源、最低限度的排放量、未來的能源市場、促進(jìn)能源平衡等內(nèi)容進(jìn)行實(shí)證研究。在4年的時(shí)間里，不僅研究解決了許多涉及智能電網(wǎng)建設(shè)、多源互補(bǔ)、分布式能源、需求側(cè)響應(yīng)等方面的技術(shù)問題，而且圍繞未來智慧能源系統(tǒng)的整體架構(gòu)、商業(yè)模式、配套法規(guī)等進(jìn)行了有益的探索。目前該項(xiàng)目已經(jīng)結(jié)束，其創(chuàng)新成果為其他企業(yè)和地區(qū)構(gòu)建智慧能源系統(tǒng)提供了很好的技術(shù)支撐和示范作用，也成為政府制定能源和經(jīng)濟(jì)政策的重要參考。在E-Energy項(xiàng)目結(jié)束后，德國繼續(xù)探索需求側(cè)管理(Demand Side Management)、主動配電網(wǎng)、虛擬電廠、產(chǎn)能式主動房等智能應(yīng)用，一方面把不同類型的發(fā)電機(jī)組和儲能設(shè)備集合起來，通過需求側(cè)負(fù)荷管理，實(shí)現(xiàn)供需平衡；另一方面通過信息和通信技術(shù)優(yōu)化能源供應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和智能控制，從發(fā)電到輸配電實(shí)現(xiàn)全流程自動化、智能化和信息化管理。此外，英國于2009年發(fā)布“低碳轉(zhuǎn)型計(jì)劃”，將智能電網(wǎng)列為發(fā)展重點(diǎn)，并于2010年制定了“2050年智能電網(wǎng)線路圖”，為輸配電運(yùn)營商進(jìn)行智能電網(wǎng)研發(fā)與開展示范項(xiàng)目提供了指導(dǎo)性意見。其路線圖提出，從2010到2050年，可再生能源與核能的有效整合、供熱與運(yùn)輸電氣化、分布式發(fā)電將作為智能電網(wǎng)發(fā)展的三大重點(diǎn)。2017年10月，英國發(fā)布《清潔增長策略》，提出為在2050年實(shí)現(xiàn)碳減排與改善氣候的目標(biāo)，將投資9億英鎊建設(shè)智慧能源系統(tǒng)，包括發(fā)展核能和可再生能源技術(shù)。

2.美日向智慧能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型

由于電力系統(tǒng)復(fù)雜化與老化，美國歷史上多次出現(xiàn)大規(guī)模停電事故，帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。2001年，美國電力研究院(EPRI)提出 “智能電網(wǎng)”(IntelliGrid)的概念。2003年，美國能源部(DOE)發(fā)布“Grid 2030”報(bào)告，提出電力系統(tǒng)的百年愿景，即未來電力系統(tǒng)將利用信息和通信技術(shù)提升其運(yùn)行的穩(wěn)定性及控制效率，構(gòu)建有效、可靠的電力網(wǎng)絡(luò)。2009年，美國政府提出“復(fù)蘇與再投資法案”(ARRA)，其中計(jì)劃對智能電網(wǎng)及相關(guān)設(shè)備投資45億美元，對象包括智能電表安裝、智能電網(wǎng)區(qū)域?qū)嵶C研究以及儲能實(shí)證研究等[25]。

日本在2010年啟動了“智慧能源共同體”示范項(xiàng)目，開展能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的研究，提出了需求側(cè)響應(yīng)能源系統(tǒng)，在系統(tǒng)中創(chuàng)造性地引入了智慧熱能供應(yīng)鏈，借以實(shí)現(xiàn)各建筑間的熱能共享。該項(xiàng)目選取了橫濱、東京、京都、北九州四地作為示范區(qū)域，采用城市與大型技術(shù)企業(yè)結(jié)對的方式，各有側(cè)重地開展了對智慧能源系統(tǒng)的研究。從整個(gè)項(xiàng)目看，日本沒有提出明確的智慧能源系統(tǒng)建設(shè)的構(gòu)想，而是鼓勵企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在此方面進(jìn)行創(chuàng)新，并圍繞智慧能源消費(fèi)開展了“智慧社區(qū)”試點(diǎn)項(xiàng)目。2011年,日本開始推廣“數(shù)字電網(wǎng)”計(jì)劃,該計(jì)劃是受到互聯(lián)網(wǎng)的啟發(fā),構(gòu)建一種基于各種電網(wǎng)設(shè)備的IP地址來實(shí)現(xiàn)信息和能量傳遞的新型能源網(wǎng)絡(luò)，通過提供異步連接、協(xié)調(diào)局域網(wǎng)內(nèi)部和不同局域網(wǎng)之間的數(shù)字電網(wǎng)路由器,將其與現(xiàn)有電網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)相連,通過相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)地址的“IP 地址”來識別發(fā)電設(shè)備以及包括用電設(shè)備在內(nèi)的各個(gè)裝置,由此進(jìn)行統(tǒng)籌管理與能量調(diào)度[13]。2018年，日本發(fā)布 “第5次能源基本計(jì)劃”，首次提出到2050年可再生能源將成為日本電力市場的主力電源，為此要大力發(fā)展蓄電池等儲能技術(shù)、分布式能源的虛擬電廠技術(shù)(VPP)、電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(P2G)等[26]。隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大和智慧能源技術(shù)的不斷進(jìn)步，需求響應(yīng)(DR)和虛擬電廠(VPP)成為日本向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新應(yīng)用。

3.中國向智慧能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型

近年來，為了順應(yīng)世界能源轉(zhuǎn)型的大方向，緊跟歐美等發(fā)達(dá)國家向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的步伐，同時(shí)也為了應(yīng)對國內(nèi)能源發(fā)展面臨的諸多挑戰(zhàn)，中國也正積極向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。早在2008年，以天地互連、中國電信等中國企業(yè)為代表的眾多企業(yè)就聯(lián)合發(fā)起成立了IEEE 1888工作組，并于2011年正式發(fā)布了編號為1888的“泛在綠色社區(qū)網(wǎng)絡(luò)”國際標(biāo)準(zhǔn)，成為能源互聯(lián)網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)。2013年11月，“智慧能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”成立，目的在于將IEEE 1888標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為適合在中國推廣應(yīng)用的聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)。

2015年7月，中國政府發(fā)布《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，明確提出 “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的新型戰(zhàn)略，計(jì)劃通過互聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)能源系統(tǒng)扁平化，推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命。2017年，國家能源局發(fā)布《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出將積極推動“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展，構(gòu)建能源生產(chǎn)、輸送、使用和儲能體系協(xié)調(diào)發(fā)展、集成互補(bǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)。同年，首批55個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目正式開始啟動，包括城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合示范項(xiàng)目、跨地區(qū)多能協(xié)同示范項(xiàng)目、基于電動汽車的示范項(xiàng)目、基于綠色能源靈活交易的示范項(xiàng)目等，標(biāo)志著中國向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型邁出了重要一步。顯然，這些不同類型、不同規(guī)模的項(xiàng)目計(jì)劃在兩年內(nèi)建成，將帶動技術(shù)和商業(yè)模式創(chuàng)新，形成一系列技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，探索可推廣、可復(fù)制、可持續(xù)的發(fā)展模式。

(二)共性與差異性分析

綜合分析歐盟以及美日向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，他們都非常重視智能電網(wǎng)建設(shè)，特別是通過信息和通信技術(shù)的應(yīng)用提升電網(wǎng)的安全性、靈活性和智能化，以適應(yīng)可再生能源發(fā)電間隙性和波動性的特點(diǎn)以及不斷擴(kuò)大的發(fā)電規(guī)模。他們都在大力推動綜合能源系統(tǒng)建設(shè)，特別是熱電聯(lián)產(chǎn)、冷熱電三聯(lián)產(chǎn)和小型分布式能源，提升能源的綜合利用效率；積極探索需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的建設(shè)，通過智能電表、終端用電智能管理等手段，加強(qiáng)對能源消費(fèi)行為的分析、預(yù)測和引導(dǎo)；通過建立示范項(xiàng)目，鼓勵技術(shù)和商業(yè)模式創(chuàng)新，使其能夠充分發(fā)揮示范引領(lǐng)作用，為更大范圍的推廣和下一步的體制和技術(shù)革新奠定基礎(chǔ)。在實(shí)踐中，他們也遇到不少問題。例如超高壓電網(wǎng)建設(shè)、熱泵等儲能設(shè)備的大規(guī)模安裝等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造需要大量的資金支持，如何調(diào)動投資者和相關(guān)企業(yè)的投資積極性成為一大挑戰(zhàn)。公眾參與是推動轉(zhuǎn)型不可或缺的重要因素，如何獲得公民理解、支持和參與，使轉(zhuǎn)型與社會參與形成良性互動，已經(jīng)成為歐盟、美日向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的另一大挑戰(zhàn)。

與歐盟和美國、日本相比，中國開展智慧能源系統(tǒng)方面的研究和示范項(xiàng)目時(shí)間并不太晚，在標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)和商業(yè)模式創(chuàng)新等方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)。但是中國目前的能源結(jié)構(gòu)仍然是以煤炭為主導(dǎo)，電力市場化機(jī)制尚未形成，能源消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)增長尚未脫鉤，能源利用效率仍然偏低，在這種背景下，中國向智慧能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型將面臨更多挑戰(zhàn)，但也更具緊迫性和重要性，因?yàn)橹腔勰茉聪到y(tǒng)的發(fā)展將推動中國加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，順利實(shí)現(xiàn)從以化石能源為主導(dǎo)的高碳能源時(shí)代向以可再生能源為主導(dǎo)的低碳能源時(shí)代的轉(zhuǎn)型。

六、結(jié)論

筆者在系統(tǒng)梳理已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對智慧能源以及智慧能源系統(tǒng)的學(xué)術(shù)蘊(yùn)涵進(jìn)行了闡述，強(qiáng)調(diào)應(yīng)該從智慧性、整合性、低碳化和產(chǎn)銷者四個(gè)方面來理解和把握智慧能源系統(tǒng)的內(nèi)涵；在此基礎(chǔ)上，筆者從需求、技術(shù)和成本三方面論述了智慧能源系統(tǒng)出現(xiàn)的三大動因，并分別從理論和實(shí)踐的角度歸納分析了智慧能源系統(tǒng)研究的學(xué)術(shù)進(jìn)展和世界各國的應(yīng)用情況。

習(xí)近平同志在黨的十九大報(bào)告中首次提出要建設(shè)智慧社會，而智慧社會強(qiáng)調(diào)更多以新網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、新數(shù)據(jù)環(huán)境、新理念模式和新技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)推進(jìn)以人為本的可持續(xù)創(chuàng)新。顯然，智慧社會的建設(shè)離不開智慧能源系統(tǒng)的發(fā)展，后者代表了高效、安全、低碳、經(jīng)濟(jì)、共享、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系。在這個(gè)體系中，能源流將如信息流一樣多元、雙向、順暢和自由，由信息配置能源，由能源創(chuàng)造價(jià)值，最終實(shí)現(xiàn)能源的安全、可負(fù)擔(dān)和可持續(xù)，增強(qiáng)人民的獲得感和幸福感。我們相信，智慧能源系統(tǒng)將為中國解決能源發(fā)展問題、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提供更廣闊的思路和路徑。