能源互联网数字孪生系统框架设计及应用展望

能源革命和数字革命共同推动我国智能电网向能源互联网转型升级。能源互联网具备多能流相互耦合、信息物理融合等复杂特性,传统基于机理物理模型的方法难以满足其监测分析及优化运行的要求。数字孪生技术利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模,是实现能源互联网实时感知、运行优化及自主进化的理想途径之一。该文主要从数字孪生及能源互联网两方面总结技术研究现状,提出了能源互联网数字孪生系统的总体框架及技术路线,分析了典型应用在具体实施过程中需突破的关键问题及技术,并进行了总结与展望。     

特约主编寄语

能源互联网是一种互联网理念、技术与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的新型生态化能源系统,其涵盖了材料、器件、设备、系统、通信、信息等多方面的技术环节,以及政策、金融、运营、管理、标准、市场准入（检测认证）等多方面的非技术环节。作为能源革命与十九大战略思想在能源领域的实现手段和具体形态,能源互联网正在中国受到政、产、学、研、金、用多方的关注。 从2015年6月国家能源局开展“国家能源互联网行动计划战略研究”并于2016年2月国家三部委发布《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》以来,能源互联网成为了国家战略,并且从理念向实际不断深化和落地。三年来,产业界和学术界硕果累累,在国家首批能源互联网示范项目建设的关键时期,《中国电力》杂志社紧密关注该领域的前沿问题和国家重大项目的最新动向,邀请本人作为特约主编,共同策划“能源互联网关键技术及应用”专栏,围绕能源互联网关键技术及应用,征集能源互联网科研及从业人员在该领域的最新理论成果、工程示范、观点视角等,共同促进能源互联网的技术进步和发展。 本专栏共收录17篇论文。论文分为三类：一类是宏观战略研究论文,针对能源互联网的概念、特征、架构和趋势进行阐述,为关键技术和应用提供了基础;一类是关键技术研究论文,针对能源互联网的具体技术进行理论与方法研究;另一类是应用实践研究论文,结合能源互联网具体应用场景和工程进行分析与讨论。 在宏观战略研究论文方面,清华大学能源互联网创新研究院高峰研究员等从源于互联网理念发展而来的能源互联网、源于大电网理念发展而来的能源互联网和源于多种能源综合利用理念发展而来的能源互联网对比剖析了能源互联网的基本内涵,给出了物理基础、实现手段、价值实现和体制保障的能源互联网四层组成架构,并将能源互联网分为互联网形态的能源设施与互联网形态的能源服务两大类。国网能源研究院有限公司鲁刚高级工程师提出了广义能源互联网发展理念,探讨了影响其产业头部格局的关键因素,即互联互通能力、综合能源系统规划设计能力和产业创新生态系统建设能力等。清华大学能源互联网创新研究院张靖副研究员等通过回溯梳理能源互联网架构的发展,以完善能源供需四环节后的技术架构作为工具,对九类示范项目和典型实例进行分析。国网能源研究院有限公司白翠粉博士等以价值域-业务域-信息域-能源域四维坐标为框架,以价值来源、价值形态、价值载体、价值实现为主线,具化了能源互联网在跨洲、国家、城市、局域四种情景下的功能架构。清华大学能源互联网创新研究院马君华研究员等从能量品质、安全可靠性、经济性、社会性、能源结构优化、交互友好性、组织管理与商业模式、合理开放性八个维度建立了能源互联网的评价指标体系,给出了能源互联网综合评价方法。国网能源研究院有限公司陈昕等以互联网视角梳理能源互联网的发展历程,提出综合性定义,并结合对电是能源互联网的核心、电网是能源互联网的基础平台的论证,提出建设能源互联网的基本路径。国网能源研究院有限公司谭雪博士等通过构建电网功能定位模型,运用SWOT-AHP分析电网发展的内外部环境,构建相应的指标体系量化分析电网发展的战略定位,提出电网功能与形态转变的方向。 在关键技术研究论文方面,国网经济技术研究院有限公司李敬如高级工程师（教授级）等从规划设计、关键设备、保护策略和运行控制等方面提出交直流混合配电网系统的技术需求及重点研究方向。国网能源研究院有限公司徐志成工程师等基于调峰评价指标体系分别进行了多区域调峰的确定性分析和不确定性风险评估,给出了典型峰谷互济运行方案,得出了一种多区域联网的协调调峰的典型运行方式及经济性评估结果。中国电力科学研究院有限公司刘畅高级工程师等提出了能够同时抑制联络线峰谷差和充分消纳光伏的综合能源站日前优化调度方法;基于负荷基值的优化调度结果提出了电网联络线功率期望值的确定方法,并在此基础上提出了考虑抑制联络线峰谷差和光伏消纳的综合能源站日前优化调度模型。国网甘肃省电力公司经济技术研究院王仕俊工程师等通过运用协同优化方法对用户用能安排进行了优化,并利用改进PSO算法对所建立模型进行求解,基于用户日能耗量对整体费用进行了重新分配。 在应用实践研究论文方面,国网能源研究院有限公司王雪工程师等从建设条件、整体规划、综合服务平台、政策机制等方面对城市智慧能源系统的顶层设计进行了初步探讨,并对城市智慧能源系统的发展路径进行了展望。广东电网公司东莞供电局黄学劲工程师等归纳并提出了能源互联网规划理念和方法,结合广东省某高新产业开发区的能源互联网规划案例,对能源互联网物理基础层规划作简要分析。国网经济技术研究院有限公司吴志力高级工程师（教授级）等指出园区能源互联网规划面临的关键技术难题,提出系统化的园区能源互联网规划方法的理论框架以及关键要素,并提出了相应的建设思路与原则。国网冀北电力有限公司经济技术研究院赵敏博士等分析出冬奥会建设期初电网现状及期末建设目标,设计出能源互联网的发展技术路径,系统性地梳理评价了17项重大建设工程对系统目标达成的贡献度。国网冀北电力有限公司经济技术研究院岳云力高级工程师等分析张家口某医院电蓄热式清洁供热改造工程的几种方案,并计算得出固体电蓄热方案具有良好的经济性;建议张家口应用互联网+电蓄热技术优化集中式和分布式清洁供暖实施方案。清华大学能源互联网创新研究院訾振宁高级工程师等分析了清洁取暖在实施中存在的突出问题,提出一种基于能源互联网的清洁取暖解决方案（虚拟热电厂）,引领能源互联网时代清洁取暖技术的变革。 本期专栏希望通过集成相关领域专家学者对能源互联网关键技术及应用的最新研究成果与实践经验,为我国进一步推动能源互联网发展提供理论、方法、技术、机制、政策方面的支持与参考。希望本专栏能为读者认知能源互联网带来帮助,对能源互联网的深入研究带来思考和启发。 衷心感谢有关专家学者对本专栏的大力支持,感谢《中国电力》李琼副主编、李博编辑在本专栏的策划和出版过程中给予的大力支持。     

城市能源互联网及其影响因子评价模型研究

随着社会的发展,能源问题日益凸显,如何有序地统筹各种能源的关系、合理高效地利用能源,是各国学者研究的重要课题。能源互联网技术是未来电网技术革命的重要发展方向。阐述了现阶段能源互联网的研究情况,提出城市能源互联网的概念;通过城市能源互联网与传统配电网的对比,得出城市能源互联网的典型特征;针对城市能源互联网的构成元素和特征,提出城市能源互联网关键影响因子集合;基于解释结构模型和层次分析法,构建了城市能源互联网影响因子评价模型,用此模型分析了3种类型城市能源互联网的影响因子,以期为城市能源互联网的优化配置、建设规划方案及运营管控模式的研究提供参考。     

中日韩电网关键技术发展及趋势分析

在能源互联网及智能电网发展趋势下,能源生产和能源消费正发生深刻变革,能源技术与电网技术也面临巨大的机遇和挑战。中(含台湾地区)日韩三国作为亚洲主要经济体,其电网发展和相适应的关键技术有其各自内在的需求与驱动力。通过研究中日韩三国电网发展现状,对各自电网关键技术进行对比分析,包括特高压、大电网仿真及运行控制、高级量测、用电与能效、信息通信技术等,基于三国电网技术特征、差异和优劣势,提出未来电网关键技术发展方向,并提出泛东亚电网互联的设想,为全球能源互联网和公司国际化战略提供技术支撑。     

全球能源互联网标准体系研究

全球能源互联网可以推动能源发展方式的转变,实现清洁能源在全球能源的优化配置,保障互联电网经济高效运行。为指导全球能源互联网标准的制定工作,满足对于全球能源互联网产业发展的市场需求和投资需求,首先梳理了国内外标准的进展和应用现状。采用国际组织及机构的先进理念、方法和工具,描述了全球能源互联网概念模型和参考框图。遵循系统性、继承性、扩展性原则,从智能电网、特高压及新型输电、清洁能源以及电网互联这四个方面,提出了全球能源互联网标准体系的层次结构及体系表。分析了技术领域的标准需求,列出了相关的标准系列。最后,结合全球能源互联网的未来发展,给出了标准化工作建议。     

欧洲电网互联现状分析及其对构建能源互联网的启示

欧洲电网是世界上最大区域互联电网,也是世界上少见的实现了多国互联运行的电网。欧洲电网的电源装机总量全球最大,其对可再生能源的接纳和利用,也是各国推进能源转型、促进高比例的可再生能源消纳的学习典范。在分析欧洲电网各国当前电源结构、负荷特性和电网互联现状的基础上,总结了几个主要欧洲国家目前电网的发展情况以及它们与周边邻国互联现状的主要特征。此外,在对具体的电网数据分析的基础上,分析了构建能源互联网在物理平台、信息平台和融资机制3个方面可能的建设需求,总结了欧洲电网的发展对于构建能源互联网的3点启示。该文的分析和结论,对能源互联网的深入研究具有一定的参考价值。     

智能配电系统架构分析及技术挑战

智能配电系统是智能电网的重要环节。探讨了智能配电系统的综合架构和新特点,从新型设备研究与应用、规划设计、优化运行、系统分析、需求响应和新兴技术几个方面对其关键技术进行了分析归纳,并从能源互联网和综合能源系统两个角度展望了其前景。     

面向新型城镇的能源互联网关键技术及应用

面向新型城镇的能源互联网具有多能协同、交易开放的特点,能源互联网技术可改变城镇用户的用能方式,将成为解决中国城镇化过程中未来城镇能源问题的有效途径之一。从多能耦合综合能源系统规划和优化运行、分布式多能“源荷”预测不确定性与市场化交易两个方面,分析了面向新型城镇的能源互联网面临的关键科学问题。在此基础之上,提出了面向新型城镇的能源互联网关键技术及应用的研究体系。从多能网络综合规划、面向多主体的优化调度、分布式能源交易与多能市场机制、全环节能源互联网客观综合评价、面向多能接入和协调运行的互动用能装备以及典型示范工程建设思路等5个方面,阐述了面向新型城镇的能源互联网关键技术具体细节及研究路线。     

能源互联网多能分布式优化研究挑战与展望

在可再生能源发电技术、互联网技术等先进技术的推动下,能源互联网成为传统能源系统发展的必然趋势。考虑到能源互联网的协调运行与控制技术是制约其发展的关键瓶颈之一,从多能协调运行和分布式协同调控2个方面入手,具体分析了能量枢纽建模、多能流网络建模、优化运行策略等基本方法和研究挑战,并在分层分布式控制架构的基础上结合分布式优化算法介绍了多智能体系统在能源互联网运行调控中的应用。最后对能源互联网分布式运行与控制体系、多能流优化调控以及去中心化交易模式的发展前景做了进一步展望。     

储能技术在电力系统中的应用分析

储能是构建智能电网和能源互联网的关键技术,是实现稳定电网运行、优化能量传输、利用清洁能源、改善电能质量等目标的重要手段。针对各种电力储能,应用时间尺度与多维度性能指标进行技术分析和比较,指出了相应的应用场景、技术要求和待改进内容等;同时,分析、综述了储能在电力系统中的相关应用和优化配置方法;最后,探讨了全球能源互联网对储能的需求和面临的挑战。文中的分析结果和结论对于储能应用具有非常积极的指导作用。     

能源互联网关键技术及市场机制的研究与实践

依托广东电网承担的国家能源局首批能源互联网示范项目,开展能源互联网关键技术及市场机制的研究,建成了城市—园区两级“互联网+”智慧能源示范区,提出了符合互联网建设技术特点的物理—信息—应用三层建设模式,分工明确,协同高效;研究建设以柔直为特征的新型配网技术形态,有效提高能源网架运行与调控灵活性;低压直流微电网在支持分布式能源接入与协调控制、减少损耗等方面具有明显优势。制定的“智慧能源”大数据云平台系统建设框架,可满足多种形式能源数据接入与集成、数据高安全性要求,支持互联网化业务及多市场主体互动。多项运营机制以及商业模式为实现多能源横向协同,“源—网—荷—储”纵向互动提供了机制模式支撑。     

主动配电网分布式电源规划及经济性分析

主动配电网是实现大规模间歇式新能源并网运行控制、电网与充放电设施互动、智能配用电等电网分析与运行关键技术的有效解决方案。研究分析了主动配电网的网架规划模型,包括主动配电网对分布式能源的消纳模式、主动配电网潮流流向、主动配电网储能配置及主动配电网经济优化函数。最后对主动配电网中间歇式新能源的经济性进行了分析,给出了能源结构优化规划目标函数,为主动配电网经济计算与优化评估提供了方法和依据。     

面向能源互联网的新一代电力系统运行模式研究

电能是所有一次能源可以转化的二次能源,电网是各种能源转换、互联、传输、交互的最佳实现模式。随着大规模可再生能源发电的接入,传统电网的运行模式已不能适应电源侧和负荷侧双向随机变动的运行需求。研究面向能源互联网的电力系统运行新模式是构建新一代电力系统的迫切需求。该文对能源互联网及其他能源系统进行了对比,研究了传统电力系统的运行机制,分析了传统电力系统各发展阶段的运行模式及特点,对新型电力系统的运行模式进行深入探讨,提出基于电力市场主导的发电、输电、用电实时平衡的电力系统动态模型;进而提出了通过构建电力三次系统,即由电力信息二元网络,实现对电网的广域测量、动态感知和协调控制,为能源互联网的市场化运作、智能化调控、经济化运行提供平台支撑;最后展望了基于数据驱动技术和混成控制技术的新一代电力系统控制策略。     

全球能源互联电网发展的规划技术框架及研究方向

综合分析现有输电网规划技术水平,从完善并发展电网规划理论与方法角度出发,提出全球能源互联网规划技术框架,并分析了同步电网建设规模评估、建设时序优化、输电能力提升、经济性评价、新能源消纳提高、风险水平量化等技术发展方向和研究重点,为指导全球能源互联电网规划安全、稳定、经济奠定了重要基础。     

全球能源互联电网发展的规划技术框架及研究方向

综合分析现有输电网规划技术水平,从完善并发展电网规划理论与方法角度出发,提出全球能源互联网规划技术框架,并分析了同步电网建设规模评估、建设时序优化、输电能力提升、经济性评价、新能源消纳提高、风险水平量化等技术发展方向和研究重点,为指导全球能源互联电网规划安全、稳定、经济奠定了重要基础。     

能源互联网技术的现状及发展趋势研究

以能源互联网技术为代表的第三次工业革命蓬勃发展,其核心研究领域从智能电网、能源互联网进而拓展到全球能源互联网。首先对能源互联网技术的国内外研究现状进行了分析,在此基础预测了能源互联网技术的发展趋势,探讨了该领域的发展重点,以期为推动全球能源互联网的发展提供参考。     

能源互联网体系架构及关键技术

构建以融合可再生能源与互联网信息技术为特征的能源互联网,建立从集中利用传统化石能源向清洁能源转变的能源利用体系将是实现能源结构绿色化和用能高效化的根本途径。基于此背景下,首先介绍了国内外能源互联网的研究现状,指出能源互联网是以电能为主体形式、以智能电网为载体的能源互联网络,进而对能源互联网的体系架构进行研究;其次,对电力、交通、天然气等网络的融合现状进行分析,指出研究电网和电气化交通网的协调规划、考虑计及各类不确定性因素的天然气网和电网协调规划、热-电联合系统等方面将是能源互联网的研究重点;最后分析了发展能源互联网中的关键技术,并指出后续关键技术研究中的突破方向。     

多能互补、集成优化能源系统关键技术及挑战

有效能源的获取、转换、控制和利用是现代人类文明的核心,能源互联网作为能源系统的新一步革新,将分布式能量转化、存储装置和各类型负荷构成的冷、热、电、气等能源节点连接起来,以实现多种能量双向互补与集成优化。文中选取能源互联网在多能互补集成优化方面的关键技术为研究对象。首先,总结了近年来能源互补集成的研究现状。然后,以多能流混合建模为基础,对多能系统规划、智能调控、协同控制与互动、综合评估、系统信息安全与通信及能源交易和商业服务运行模式等关键技术和挑战进行归纳。最后,对未来能源系统在多能互补优化方面的研究进行展望,以期为多能互补、集成优化提供部分研究思路。     

山东电力技术“全球能源互联网”专刊征稿启事

<正>全球能源互联网是以特高压电网为骨干网架(通道)、以输送清洁能源为主、全球互联的坚强智能电网。为促进"全球能源互联网"技术发展,《山东电力技术》编辑部拟出版1期"全球能源互联网"专刊(正刊),望广大作者及电力科技工作者踊跃投稿。一、专刊征稿范围1、适用全球能源互联网电网技术。主要为特高压输电技术和装备、海底电缆技术、超导输电技术、直流电网技术、微电网技术和大电网运行控制技术等。2、适用全球能源互联网高压绝缘技术。重点包括绝缘材料、长效防污闪涂料。3、适用全球能源互联网电源技术。重点包括风力发电、太阳能发电、海洋能发电及分布式电源     

储能在山东电网中的应用前景展望

随着山东电网可再生能源比例不断升高,电力系统面临安全稳定运行压力加大、新能源发电消纳困难、高峰供电不足等问题。储能系统具有高效率、快速充放电、响应时间短等诸多优点,是构建能源互联网的关键技术,是提升电网安全运行能力、提高可再生能源消纳、优化能源传输的重要方法。结合山东地区电力系统现状和当前储能支持政策,从调频、调峰、跟踪计划出力、减少弃风弃光率等四个方面分析适合储能发展的应用模式,研究探索储能在山东电网发展的适用性、经济性和容量配置建议。